티타늄 합금과 알루미늄이 용접하기 어려운 이유는 무엇입니까?

티타늄 합금은 가볍고 고강도이며 부식에 강한 소재입니다. 우수한 특성으로 인해 항공 우주, 의료 장비, 화학 산업 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 티타늄 합금의 용접 성능은 주로 다음과 같은 이유로 상대적으로 열악합니다.
산화물 층 형성:티타늄 합금 표면에는 고체 산화물 층이 쉽게 형성됩니다. 이 산화물층은 용접 공정의 난이도를 높일 뿐만 아니라 용접 강도도 감소시킵니다. 용접하기 전에 일반적으로 산화물 층을 제거하여 용접 성능을 향상시키기 위해 산세 또는 기계적 연마와 같은 일부 특수 전처리 방법이 필요합니다.
낮은 열전도율:티타늄 합금의 열전도율은 상대적으로 낮기 때문에 용접 근처에서 큰 온도 구배가 발생하여 용접 변형 및 균열이 쉽게 발생할 수 있습니다. 온도 구배를 줄이기 위해 예열, 용접 속도 제어 등의 조치를 취해야 하는 경우가 많아 용접 공정이 더욱 복잡해집니다.
수소 민감도:티타늄 합금은 수소에 민감하고 용접 과정에서 쉽게 수소를 흡수하여 수소 취성을 유발합니다. 수소 취성은 용접 조인트의 취성 파괴를 일으킬 수 있으므로 수소 취성의 위험을 줄이기 위해 용접 환경에서 수소 함량을 제어하는 ​​등 몇 가지 조치를 취해야 합니다.

선택적 용해:티타늄 합금은 고온에서 일부 금속 원소와 함께 선택적으로 용해되어 취성 상을 형성하여 용접 조인트의 성능에 영향을 미치는 경향이 있습니다. 따라서 용접 재료 및 용접 공정을 선택할 때 이러한 선택적 용해를 피하기 위해 특별한 주의를 기울여야 합니다.
높은 융점:티타늄 합금의 융점이 상대적으로 높기 때문에 용접 공정에 높은 온도가 필요하므로 에너지 소비와 용접 장비 요구 사항이 증가합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 티타늄 합금 용접에는 일반적으로 불활성 가스 차폐 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 및 기타 고급 용접 기술을 포함한 특수 용접 공정이 필요합니다. 또한 적절한 용접 재료를 선택하고, 용접 매개 변수를 제어하고, 전처리 방법을 채택하는 것도 티타늄 합금의 용접 품질을 향상시키는 중요한 수단입니다.

티타늄합금과 알루미늄의 용접이 어려운 이유를 정리하면 다음과 같습니다.
1. 알루미늄과 티타늄은 산소와 쉽게 반응합니다.
⑴ 알루미늄은 산소와 반응하여 융점이 2050도에 달하는 치밀하고 내화성이 있는 Al2O3(산화막)을 형성합니다. 이는 두 모재의 결합을 방해하고 용접부에 이물질이 발생하기 쉽습니다.
⑵티타늄은 600도부터 산화되기 시작합니다. 온도가 높을수록 산화가 더욱 심각해지며 TiO2(이산화티타늄)가 형성되고 용접부에 중간 취성층이 형성되어 가소성과 인성이 감소됩니다.
2. 알루미늄과 티타늄은 온도에 따라 다르게 반응합니다.
⑴. 1460도에서 알루미늄과 티타늄은 36.03%의 알루미늄 질량 분율을 함유하는 TiAl(티타늄 알루미나이드) 화합물을 형성하여 금속의 취성을 증가시킵니다.
⑵ 알루미늄과 티타늄은 1340도에서 60%~64%의 알루미늄 질량 분율을 포함하는 TiAl3(티타늄 트리알루미나이드) 화합물을 형성합니다.
⑶ 알루미늄과 티타늄을 녹인 후 티타늄의 질량분율이 0.15%가 되면 알루미늄에 티타늄이 고용되어 형성된다.
3. 알루미늄과 티타늄의 상호 용해도는 매우 작습니다.
⑴665도에서 티타늄의 알루미늄 용해도는 0.26%~0.28%입니다. 온도가 낮아지면 용해도도 감소합니다.
⑵온도가 20도까지 떨어지면 알루미늄에 대한 티타늄의 용해도가 0.07%로 떨어져 두 모재의 결합이 어려워집니다.
티타늄에서 알루미늄의 용해도는 더 제한적이므로 두 모재 사이의 용접 형성이 매우 어렵습니다.
4. 알루미늄과 티타늄은 고온에서 수분 흡수력이 강합니다.
⑴액체 알루미늄은 다량의 수소를 용해시킬 수 있으나 고체 상태에서는 거의 용해되지 않습니다. 용접이 응고됨에 따라 수소가 빠져나와 기공을 형성할 시간이 없습니다.
⑵수소는 티타늄에 대한 용해도가 높습니다. 저온에서는 수소가 기공에 축적되어 용접의 가소성과 인성이 감소하고 취성 균열이 쉽게 발생합니다.
5. 알루미늄은 티타늄 및 기타 불순물과 부서지기 쉬운 화합물을 형성합니다.
⑴. 알루미늄과 산소에 의해 형성된 산화물은 금속의 취성을 증가시키고 용접을 어렵게 만듭니다.
⑵티타늄과 질소는 질화티타늄을 형성하여 금속의 가소성을 감소시킵니다.
⑶티타늄과 탄소는 탄화물을 형성합니다. 탄소의 질량 분율이 0.28%보다 크면 두 모재 금속의 용접성이 크게 저하됩니다.
6. 알루미늄과 티타늄은 온도에 따라 다르게 반응합니다.
⑴알루미늄과 티타늄의 열전도율은 매우 다릅니다. 알루미늄(206.9W·m-2·K-1)은 티타늄(13.8W·m-2·K-1)보다 약 16배 더 큽니다.
⑵알루미늄과 티타늄의 선팽창계수는 매우 다르며, 알루미늄은 티타늄보다 약 3배 더 큽니다. 압력을 가하면 부서지기 쉽습니다.
7. 알루미늄과 티타늄의 합금 원소는 연소되고 증발합니다.
⑴알루미늄이나 알루미늄 합금이 녹으면 마그네슘, 아연 등 그보다 녹는점이 낮은 원소가 타거나 증발하기 시작합니다.
⑵ 티타늄이나 티타늄합금의 녹는점(1677도)에 도달하면 알루미늄 등의 합금원소가 더 많이 연소, 증발하여 용접부의 화학적 조성이 불균일해지고 강도가 저하됩니다.