[논문]타이타늄-구리 폭발압접 이종 클래드 판재의 TIG 용접 건전성 평가

조평석; 윤창석; 황효운; 이동근

doi:10.12656/jksht.2021.34.2.66

타이타늄-구리 폭발압접 이종 클래드 판재의 TIG 용접 건전성 평가
Evaluation of Welding Soundness of Titanium-Copper Explosive-Bonded Dissimilar Clad Plate by TIG Welding 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.34 no.2, 2021년, pp.66 - 74

조평석 (순천대학교 신소재공학과) , 윤창석 ((주) 디엠티) , 황효운 (순천대학교 신소재공학과) , 이동근 (순천대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cladding material, which can selectively obtain excellent properties of different metals, is a composite material that combines two or more types of dissimilar metals into one plate. The titanium-copper cladding material between titanium which has excellent corrosion resistance and copper which has high thermal and electrical conductivity, are highly valuable composite materials. It can be used as heat exchangers with high conductivity under severe corrosion conditions. In order to apply the clad plate to the heat exchanger, it must be manufactured in the form of a tube and additional welding is required. It is important to select the cladding material manufacturing process and the welding process. The process of manufacturing the cladding material includes extrusion, rolling, and explosive bonding. Among them, the explosive bonding process is suitable for additional welding because no heat-affected zone is formed. In this study TIG welding of the explosive-bonded dissimilar clad plates was successfully performed by butt welding. The microstructures and bonding interface of the welded part were observed, and the effect of the bonding layer at the welding interface and the intermetallic compounds on the mechanical properties and tensile plastic deformation behaviors were analyzed. And also the integrity of TIG-welded dissimilar part was evaluated.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. TIG welding of Ti-Cu explosive welded plates; (a) Cu side, (b) Ti side, and (c) cross-sectioned area (×10).
그림 Fig. 2. Diffused layer of TIG welded Ti-Cu interface (×50).
그림 Fig. 3. Distribution of Cu and Ti elements in the diffused interface layer; (a) ×50 and (b) ×300.
그림 Fig. 4. XRD result of the Ti-Cu diffused layer.
그림 Fig. 5. Ti side of the TIG-welded part after etching (×50).
그림 Fig. 6. Cu side of the TIG-welded part after etching (×50).
그림 Fig. 7. (a) Average hardness of unwelded Ti, Cu plate. (b) Hardness distribution of TIG-welded Ti-Cu clad plate.
그림 Fig. 8. Microstructures of Ti matrix; (a) ×200, (b) ×500 and TIG-welded Ti region; (c) ×200, (d) ×500.
그림 Fig. 9. Tensile Stress-Strain Curves of (a) unwelded Ti-Cu clad plate and (b) TIG-welded Ti-Cu clad plate.
$Fig. 10. Plastic deformation and fracture behavior observed by DIC (Digital Image Correlation) method.$ 그림 Fig. 10. Plastic deformation and fracture behavior observed by DIC (Digital Image Correlation) method.
표 Table 1. Tensile properties of TIG-welded clad plates compared to original materials and unwelded clad plates

AI 본문요약
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제안 방법

TIG 용접부의 접합계면, 미세조직 변화 및 금속간화합물의 분포정도를 확인하기 위하여 hot mounting 후 #220~#2000의 연마지와 6m, 3m, 1m 연마제, 콜로이드 실리카를 이용하여 경면까지 정밀연마한 후 광학현미경(Optical Microscope, OM, BX53M, Olympus)을 통해 접합 계면의 형태와 크기를 관찰하였고 에너지 분산형 분광 분석법(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)과 X선 회절 분석법 (X–Ray Diffractometer, XRD)을 통해 금속간화합물의 형성과 분포를 간접적으로 확인하였다. 그 후 클래드 판재의 타이타늄 부분은 100ml의 증류수 (H₂O)에 5ml의 질산(HNO₃), 2ml의 불산(HF)를혼합하여 에칭하였고 구리 부분은 50ml의 증류수 (H₂O)에 50ml의 질산(HNO₃)을 혼합하여 에칭하였다.
경도측정은 비커스 경도시험기(Vickers Hardness, HM-200, Mitutoyo)를 이용하여 15초의 유지 시간 동안 0.1kgf의 하중을 가하여 용접된 시편과 용접되지 않은 시편에 대해 각각 측정하였다. 용접되지 않은 시편은 Ti부 Cu부 각각 12points 씩 측정하였고 최댓값과 최솟값을 제외하여 평균을 계산하였다.
수행하였다. 또한, 타이타늄-구리 클래드 판재 용접부의 미세조직 및 접합계면을 관찰하였고, 용접 계면의 접합층과 금속간화합물이 이종클래드 판재의 용접부 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며 이를 통한 용접부의 건전성을 평가하였다.
본 연구에서는 타이타늄 소재와 구리 소재를 폭발압접 공정을 통해 이종접합 클래드 판재를 제조하였고 성공적으로 상호 맞대기 TIG용접을 수행하였다. 또한, 타이타늄-구리 클래드 판재 용접부의 미세조직 및 접합계면을 관찰하였고, 용접 계면의 접합층과 금속간화합물이 이종클래드 판재의 용접부 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며 이를 통한 용접부의 건전성을 평가하였다.
본 연구에서는 타이타늄- 구리 이종 클래드재의 용접성을 평가하기 위해 다음과 같은 방법으로 클래드를 제조, 용접을 수행하였다. 먼저 두께 2t의 Gr.
용접되지 않은 시편은 Ti부 Cu부 각각 12points 씩 측정하였고 최댓값과 최솟값을 제외하여 평균을 계산하였다. 용접된 시편은 Ti부, Cu부를 각각 용접 중심부를 기준으로 좌, 우 2mm의 간격으로 12points 측정하여 경도분포를 확인하였고 시편의 중앙에 형성된 확산 접합 층은 12point 측정하여 최댓값과 최솟값을 제외하여 평균을 계산하였다.
용접부의 건전성을 평가하기 위하여 용접 전후의 시편을 각각 두께 6.25mm, 표점거리 30mm의 판상형 시험편을 정밀 가공한 후 상온인장시험기 (Romm Temperature Tensile Machine, BESTUTM- 10MD, Ssaul Bestech)를 통해 ASTM A370의 시험법으로 인장시험을 수행하였다. 인장 시험을 진행함과 동시에 추가적으로 디지털 이미지 상관관계법 (Digital Image Correlation)을 통해 인장 변형 거동을 관찰하였으며 응력의 집중과 접합계면의 분리, 파단의 진행을 관찰하였다.
25mm, 표점거리 30mm의 판상형 시험편을 정밀 가공한 후 상온인장시험기 (Romm Temperature Tensile Machine, BESTUTM- 10MD, Ssaul Bestech)를 통해 ASTM A370의 시험법으로 인장시험을 수행하였다. 인장 시험을 진행함과 동시에 추가적으로 디지털 이미지 상관관계법 (Digital Image Correlation)을 통해 인장 변형 거동을 관찰하였으며 응력의 집중과 접합계면의 분리, 파단의 진행을 관찰하였다.
폭발 압접된 타이타늄- 구리 이종 클래드재를 TIG 용접후 미세조직 변화 및 기계적 특성 변화를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

먼저 두께 2t의 Gr.2 Ti와 두께 3t의 Pure Cu를 폭발압접 하여 클래드 판재를 제조하였으며 화약은 ANFO(Ammonium Nitrate Fuel Oil)를 사용하였다. 그 후 완성된 클래드 판재를 맞대기 TIG 용접하였다(Fig.
9은 용접 전 후의 시편에 대해 각각 상온 인장시험을 진행하여 나타낸 것이다. 이들 그래프로부터 클래드재의 항복강도(YS)와 인장강도(UTS), 연신율(El)을 Table 1에 나타내었고 비교 분석하기 위해 Pure Ti(Gr.2)와 Pure Cu의 데이터도 함께 나타내었다. 용접 전 평균 항복강도 314MPa, 인장강도 410MPa 연신율 20%를 나타내던 것이 용접 후에는 평균 항복강도 140MPa, 인장강도 220MPa 연신율 29.

데이터처리

1kgf의 하중을 가하여 용접된 시편과 용접되지 않은 시편에 대해 각각 측정하였다. 용접되지 않은 시편은 Ti부 Cu부 각각 12points 씩 측정하였고 최댓값과 최솟값을 제외하여 평균을 계산하였다. 용접된 시편은 Ti부, Cu부를 각각 용접 중심부를 기준으로 좌, 우 2mm의 간격으로 12points 측정하여 경도분포를 확인하였고 시편의 중앙에 형성된 확산 접합 층은 12point 측정하여 최댓값과 최솟값을 제외하여 평균을 계산하였다.

이론/모형

10. Plastic deformation and fracture behavior observed by DIC (Digital Image Correlation) method.

성능/효과

1. 용접성이 불량한 타이타늄-구리 이종소재를 성공적으로 폭발압접 하였으며, 그 압접 클래드 판재를 불활성 TIG 용접을 통해 매우 건전한 이종 용접부를 얻을 수 있었다.
2. 용접부에서 평균크기 191m 의 확산 접합 층이 형성되었고 미량의 TiCu_4,Ti₃Cu₄ 등의 금속간화합물이 접합층 전반에 걸쳐 고르게 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
3. TIG 용접한 폭발압접 클래드 판재의 인장소성변형 거동을 관찰한 결과, 확산 접합층 및 금속간화합물로 인해 소성 변형중 계면 분리가 발생하나 용융 부는 분리되지 않고 소성 변형이 진행되어 평균 29.4%의 매우 우수한 연신율을 나타내었다.
4. 성공적으로 제조된 타이타늄-구리 클래드 판재의 용접 부의 기계적 특성과 용접 건전성은 매우 양호하며 열교환기 등에 적용될 경우 각 소재의 장점을 충분히 응용할 수 있다.
확산 접합층의 기지 금속은 구리이고 타이타늄이 확산되었음을 확인할 수 있다. 또 확산 접합층 내에서 타이타늄의 분포가 인접부에 농화된 것이 아니라 균일하게 분포되어 있음을 관찰할 수 있었다. 이는 용접시 확산된 타이타늄이 급격한 냉각속도 하에서 구리와 함께 새로운 층을 형성하고 분리되어진 상태로 응고하였기 때문이다.
5는 Clad Plate의 타이타늄 부분을 100ml의 증류수(H₂O)에 5ml의 질산(HNO₃), 2ml의 불산(HF) 혼합액에 에칭하여 나타낸 것이다. 모재와 열영향부(Heat Affected Zone; HAZ)를지나 용접부에 가까워질수록 결정립 크기는 증가하였고 시편의 중앙 용접부에서 가장 큰 결정립 크기를 나타내었다. Fig.
7은 Clad plate의 각 부분의 경도분포를 용접 전, 후로 비교하여 나타낸 것이다. 용접 전 타이타늄은 평균 578Hv의 경도값을, 구리는 평균 187Hv의경도값을 나타내었으며 용접 후 타이타늄은 평균 142Hv의 경도값을, 구리는 평균 65Hv, 확산 접합 층은 평균 341Hv의 경도값을 나타내었다. 용접 전, 후로 각각 타이타늄은 평균 436Hv, 구리는 평균 122Hv의 경도 하락을 보였고 용접 중심부에 가까워질수록 경도값이 상승하였다.
2)와 Pure Cu의 데이터도 함께 나타내었다. 용접 전 평균 항복강도 314MPa, 인장강도 410MPa 연신율 20%를 나타내던 것이 용접 후에는 평균 항복강도 140MPa, 인장강도 220MPa 연신율 29.5%를 나타내었다. 용접 전, 후로 항복강도 174MPa, 인장강도 190MPa의 하락을 보였고 연신율은 9.
용접 전 타이타늄은 평균 578Hv의 경도값을, 구리는 평균 187Hv의경도값을 나타내었으며 용접 후 타이타늄은 평균 142Hv의 경도값을, 구리는 평균 65Hv, 확산 접합 층은 평균 341Hv의 경도값을 나타내었다. 용접 전, 후로 각각 타이타늄은 평균 436Hv, 구리는 평균 122Hv의 경도 하락을 보였고 용접 중심부에 가까워질수록 경도값이 상승하였다. 경도값이 하락한 이유는 용접열로 인한 연화현상이며 이는 인장실험 진행 시 연신율의 증가로 확인할 수 있다.
5%를 나타내었다. 용접 전, 후로 항복강도 174MPa, 인장강도 190MPa의 하락을 보였고 연신율은 9.5% 증가하였다. 이는 앞서 언급한 용접 열에 의한 연화현상에 기인한 것이며 소재 전반에 걸쳐 물성치의 하락을 가져왔다.
8(a) 나타나지 않는, 확산 접합층의 분리에 의한 꺽임 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 용접으로 인하여 접합 계면에 새로운 접합층과 함께 금속간화합물 또한 형성되었지만 파단은 용융부 외에서 일어남을 DIC 실험을 통해 확인할 수 있었다.
용접 중심부의 타이타늄과 구리의 계면에 용접 열로 인하여 생성된 새로운 제 2상인 확산 접합층을 확인할 수 있었다. 확산 접합층은 평균 191m 크기로 용접 중심부에서부터 가장 크게 관측되었고 거리가 멀어질수록 그 크기가 감소하였다. 또한 확산 접합 층은 타이타늄보다 구리부분으로 크게 형성되었는데 이는 Cu내의 Ti의 상호 확산계수가 Ti내의 Cu의 상호확산계수보다 2배정도 크기 때문에 동일 시간동안 Ti의 확산거리가 더 크기 때문이다[12-13].

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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