[논문]티타늄 합금 용접부에 대한 TIG Dressing 재용접 효과에 대한 연구

양해진; 이희준; 이정수; 오명환

티타늄 합금 용접부에 대한 TIG Dressing 재용접 효과에 대한 연구
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양해진 (현대로템 주식회사 중기생산기술팀) , 이희준 (현대로템 주식회사 용접기술센터) , 이정수 (현대로템 주식회사 용접기술센터) , 오명환 (현대로템 주식회사 추진연구팀)

티타늄 용접부의 기공 형성은 용접 중 대기중으로부터 유입되거나 모재 표면의 산화막으로부터 확산과정을 통해 유입되는 산소 혹은 수소로 인해 형성된다고 알려져 있다. 용접부 기공은 용접부의 피로 수명과 인성을 저하시키며 취성 파괴의 원인이 된다. 이에 용접 후 비파괴 검사를 통해 용접부 기공을 확인하고 있으며 확인된 기공등의 결함은 재용접을 통해 제거하고 있다. 이번 연구에서는 기계적 가공 방법에 의해 기공을 제거한 후 재용접 하는 기존의 방식에서 벗어나 TIG Dressing 공법을 이용하여 용접부에 형성된 기공을 제거하고자 하였으며 이에 따른 용접부 노치 인성을 확인하였다. 시험 결과 TIG Dressing에 의한 기공 제거 효과와 노치 인성을 확인하였다.

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문제 정의

이번 연구에서는 TIG Dressing 공법을 이용하여 용접부에 형성된 기공을 제거하는 방법에 대해 연구하였으며 TIG Dressing으로 인한 용접부의 인성을 노치인장시험을 통해 확인하고자 하였다.
이에 금번 연구에서는 TIG Dressing 작업을 통해 용접부에 형성된 미세 기공을 제거하는 방법에 대한 효과와 TIG Dressing 재 용접부에 대한 취성 정도를 노치 인장 시험을 통해 평가하고자 하였다.

제안 방법

시험편 본 용접을 수행한 후 1회에서 3회까지 실시하였으며 각각 RE01, RE02, RE03으로 표기하였다. TIG Dressing 용접 시 앞면 용접부가 아닌 백 비드(Back bead)에서 용접 작업을 수행하였다. 용접부 기공 형성을 위해 모재를 산세처리 하지 않았으며 재 용접 시에도 산세 처리 공정을 적용하지 않았다.
S)의 값이 클수록 재료의 노치인성이 좋은데 실제 재료의 사용범위는 완전파단보다 항복까지를 기준으로 하고 파괴에 대한 저항성은 응력집중부에서의 소성변형이 크게 좌우하므로 노치항복비의 값이 보다 유용하다고 알려져 있다. 그래서 이번 연구에서도 노치를 갖는 재료가 고유항복강도 내에서 소성변형을 유발하는지를 확인하고자 노치 항복비를 사용하였다 [4,5].
최초 용접 및 TIG Dressing 작업 수행 후 방사선 투과 검사 장치인 MG452 X-RAY SYSTEM(Philips 사, 독일)를 이용하여 용접부에 분포하고 있는 기공을 확인하였다. 시험의 정확성을 높이기 위해 매 시험편 마다 방사선 투과 검사를 수행하였으며 필름을 통해 확인한 기공의 위치는 투과용지를 이용하여 용접부 기공의 위치와 개수를 표기 하였다.
사용한 용접 모재와 용가재의 기계적 성질과 화학적 성질을 Table 1과 2와 같이 나타내었으며 최초 TIG 용접 조건과 3번에 걸쳐 수행한 TIG Derssing의 용접조건을 Table 3과 같이 나타내었다. 시험편 본 용접을 수행한 후 1회에서 3회까지 실시하였으며 각각 RE01, RE02, RE03으로 표기하였다. TIG Dressing 용접 시 앞면 용접부가 아닌 백 비드(Back bead)에서 용접 작업을 수행하였다.
인장 시험은 만능시험기(Instron 8501)을 이용·시험 하였다.
최초 용접 및 TIG Dressing 작업 수행 후 방사선 투과 검사 장치인 MG452 X-RAY SYSTEM(Philips 사, 독일)를 이용하여 용접부에 분포하고 있는 기공을 확인하였다. 시험의 정확성을 높이기 위해 매 시험편 마다 방사선 투과 검사를 수행하였으며 필름을 통해 확인한 기공의 위치는 투과용지를 이용하여 용접부 기공의 위치와 개수를 표기 하였다.

대상 데이터

금번 연구에서는 티타늄 합금 중 성형성과 용접성이 우수한 Ti-3Al-2.5V 합금을 사용하였으며 Figure 1과 같이 용접 시험편을 TIG 용접을 이용하여 제작 하였다.
용접부 기공 형성을 위해 모재를 산세처리 하지 않았으며 재 용접 시에도 산세 처리 공정을 적용하지 않았다. 용접은 자동 TIG 용접 장치를 사용하였으며 보호 가스는 순도 99.9%의 Ar가스를 사용하였다. 유량은 15 l/min이며 이면 백비드와 용접부 산화 방지를 위해 이용한 1차·2차 퍼징 장치의 유량은 각각 25 l/min와 50 l/min 이다.

이론/모형

TIG 용접부에 대한 노치 인성을 확인하기 위하여 노치 인장 시험편을 ASTM E 338에 따라 제작하였으며 인장시험편은 ASTM E 370에 따라 Figure 2와 같이 용접선 직각 방향으로 채취하여 제작하였다. 노치 인장 시험의 노치 위치는 용접부 중심부와 용접선에서 1.

성능/효과

(1) TIG Dressing 공법을 이용하여 재용접한 결과 티타늄 용접부에 형성된 0.25mm 이하 크기의 기공이 감소하는 결과를 나타내었다.
(3) TIG Dressing 재용접에 따른 노치 인장 시험 결과 용접부와 용접선에서 1mm 구간에 대하여 노치인성을 확인하였다.
방사선 투과 검사 결과 최초 용접부에서 발생된 기공의 크기에 따라 TIG Dressing 재용접 효과가 다르게 나타나는 것을 확인 하였다. 최초 용접 시 발생된 기공의 크기가 0.
시험결과 TIG Dressing을 이용한 재용접부의 경우 최초 용접부와 열영향부의 노치항복비에 비해 노치항복비가 저하비가 감소하는 경향을 나타내었다. 하지만, 재용접부의 노치항복비가 1보다 크므로 파괴 시 응력집중부에서 소성변형이 발생하는 것과 재 용접부에 대해 노치 인성을 확인할 수 있다.
방사선 투과 검사 결과 최초 용접부에서 발생된 기공의 크기에 따라 TIG Dressing 재용접 효과가 다르게 나타나는 것을 확인 하였다. 최초 용접 시 발생된 기공의 크기가 0.25mm 이하인 경우에는 TIG Dressing을 재용접을 통해 100% 감소하는 결과를 나타내었지만, 발생된 기공의 크기가 0.25mm 이상인 경우에는 기공이 제거되지 않고 그대로 용접부에 분포하는 것을 확인하였다.

후속연구

(2) 하지만, (1)항의 결과에 대하여 방사선 투과 검사의 한계로 인하여 0.25mm 이하의 기공이 TIG Dressing 재용접으로 인해 완전 소멸된 것인지 아니면 방사선 투과 검사에 검출이 되지 않는 크기의 미세 기공으로 재형성된 것인지에 대한 결론은 얻지 못하였다.

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