1. 티타늄 재료의 전반적인 용접성
상업적으로 순수한(CP) 티타늄(GR.1/GR.2/GR.3)
CP 티타늄(단상)은 용접성이 뛰어납니다. 낮은 합금 함량은 용접 중 부서지기 쉬운 금속간 상 형성을 최소화하고, 높은 열 전도성(티타늄 합금에 비해)은 열을 고르게 분산시켜 국부적인 과열을 줄이는 데 도움이 됩니다. 일반적인 용접 방법(GTAW/TIG, PAW/플라즈마 아크 용접, LBW/레이저 빔 용접)이 모두 적용 가능하며 적절한 차폐를 통해 높은 무결성의 용접 접합을 얻을 수 있습니다.
+ 티타늄 합금(예: GR.5/Ti-6Al-4V)
GR.5는 적당한 용접성을 가지고 있습니다. 알루미늄(-안정제) 및 바나듐(-안정제)이 있으면 용접 영역에서 상 분리 및 결정립 조대화와 같은 문제가 발생합니다. 그러나 엄격한 공정 제어(예: 낮은 열 입력, 정밀한 차폐)를 통해 여전히 안정적으로 용접할 수 있습니다.
티타늄 합금(예: Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)
합금은 실온에서 안정적인 -상과 열 입력에 대한 민감도가 낮기 때문에 용접성이 우수하지만 CP 티타늄 및 GR.5에 비해 산업용 응용 분야에서 용접되는 경우가 적습니다.
2. 티타늄 용접부의 균열 민감성
응고균열 부족
티타늄은 동결 범위가 넓지만 용접 금속은 단일상(또는 ) 방식으로 응고되어 결정 경계에서 저융점 공융상의 형성(응고 균열의 주요 원인)이 형성되는 것을 방지합니다. 이로 인해 티타늄은 높은 열 입력에도 응고 균열에 면역됩니다.
수소-유도 저온 균열(HICC)
이는 티타늄 용접에서 가장 흔한 균열 유형입니다. 수소는 보호 가스의 습기, 오염된 용가재 또는 주변 공기로 인해 용접부와 HAZ에 유입될 수 있습니다. 250도(482F) 미만의 온도에서 수소는 티타늄과 결합하여 결정립 경계를 따라 부서지기 쉬운 수소화물(TiH2) 침전물을 형성합니다. 이러한 수소화물은 응력 집중을 생성하여 용접 후 냉각 또는 후속 서비스(특히 인장 하중 하에서) 중에 냉간 균열을 발생시킵니다. CP 티타늄과 GR.5는 차폐가 부적절할 경우 모두 HICC에 취약합니다.
스트레스 크래킹
용접으로 인한 잔류 응력(불균일한 열팽창/수축으로 인해 발생)은 HAZ에 응력 균열을 유발할 수 있으며, 특히 두꺼운-단면 부품이나 구속력이 높은 용접의 경우 더욱 그렇습니다. GR.5의 HAZ는 입자 조대화 경향이 있어 연성을 감소시키고 잔류 인장 응력 하에서 응력 균열에 더 취약하게 만듭니다.
3. 용접 후 기계적 성질의 변화
강도 변화
CP 티타늄: CP 티타늄의 용접 금속과 HAZ는 일반적으로 BM에 비해 강도는 약간 높지만 연성은 낮습니다. HAZ는 용접 열로 인해 결정립이 조대화되어 인장 강도가 5~10% 증가하지만(예: GR.2 BM 인장 강도는 485MPa 대 용접 접합 강도는 510~530MPa) 연신율은 10~15%(25%에서 20~22%) 감소합니다.
GR.5 티타늄 합금:-용접된 GR.5 용접 금속은 마르텐사이트 상(용접 중 -상의 급속 냉각에 의해 형성됨)을 가지며, 이는 인장 강도를 ~1000 MPa(어닐링된 BM의 860 MPa보다 높음)로 증가시키지만 연신율은 12%에서 5~8%로 떨어집니다. GR.5의 HAZ는 연화된 미세 구조로 인해 BM에 비해 항복 강도가 5~10% 감소하면서 결정립 조대화 및 상 변형이 발생합니다.
연성 및 인성 감소
모든 티타늄 등급의 경우 용접으로 인해 용접 영역의 연성 및 인성이 크게 저하됩니다. HAZ의 거친 입자와 용접 금속의 비평형 미세 구조(예: GR.5의 '마르텐사이트')는 균열 시작 지점으로 작용하여 파괴 인성을 20~30% 낮춥니다(예: GR.5 BM 파괴 인성은 60 MPa·m²/² 대 용접 접합 인성은 40~45 MPa·m²/²). CP 티타늄의 용접 접합 연신율은 HAZ의 입자 조대화로 인해 20~25% 감소합니다.
피로 성능 저하
용접 조인트는 피로 저항에 있어 가장 약한 연결 고리입니다. 잔류 응력, 미세 구조적 불균일성 및 잠재적인 다공성/내포물이 결합되어 티타늄 용접의 피로 강도가 BM에 비해 30~50% 감소합니다. 예를 들어, 어닐링된 GR.5 BM은 107-사이클 피로 강도가 400MPa인 반면, -용접 접합 피로 강도는 180~250MPa로 떨어집니다. 용접 후 열처리(예: 응력-완화 어닐링 또는 재결정 어닐링)는 잔류 응력을 줄이고 미세 구조를 개선하여 피로 성능을 부분적으로 복원할 수 있습니다.
부식 저항 변경 사항
부적절하게 보호된 티타늄 용접은 HAZ에 산소/질소 오염을 일으킬 수 있으며, 이는 공격적인 매체(예: 해수, 산)에 대한 내식성을 감소시킵니다. 그러나 완전 차폐를 사용하면 용접 조인트의 내식성이 BM과 비슷합니다.
