PTA용접 (Plasma Tronsferred Arc Welding)의 원리 및 이해
아래의 글은 한양대학교 신소재 (하이브리드 신소재)프로세스 연구실의 자료 입니다.
Principle of PTA
PAW에 의한 오버레이 용접은 비소모 텅스텐 전극과 모재사이에 발생하는 아크를 열원으로 사용한다는 점이 GTAW와 비슷하지만 PAW에서는 2차 열원으로 플라즈마를 최대한 활용한다. 플라즈마는 전극을 둘러싸고 있는 노즐을 통해 흐르는 가스가 이온화되어 형성된다. PAW에서는 오버레이 용접재료로서 피복이 없는 봉 또는 와이어를 사용할 수 있으나, 분말을 많이 이용하고 있다. 분말을 사용할 경우에는 플라즈마 이행아크(Plasma Transferred Arc : :PTA)를 이용한다. 이 방법에서 사용하는 토치의 일반적인 형태는 아래의 그림에 나타냈으며 분말은 불활성 분위기의 플라즈마 토치로 이송되어 직접 아크로 분출되면서 용해되고 모재에 접합하여 용융결합을 이루게 된다. (Figure 1.)전극과 모재사이에 연결된 직류전원 공급장치에서 이행아크에 대한 에너지가 공급되며, 전극과 노즐사이에 연결된 2차전류의 공급장치는 비이행아크(non-transferred arc)를 유지시키고, 이행아크의 열을 보충하며, 이행이크가 발생할 때 길잡이 역할을 한다. 한편 보호가스는 공급장치를 통하여 아크 주변에 장막과 같은 보호막을 형성한다.
Figure 1. - PTA Process- Schematics
1. An attractive bead with no signs of oxidation, and with little or no ripple. 2. Very low dilution - in fact the lowest level of dilution obtainable by electric arc welding. 3. High, density, no porosity & no inclusions. 4. Microphotos or x-rays show the deposits to be of high density & metallurgically bonded to the Substrate.
PTA의 육성용접의 적용 방법
일반적으으로 PTA육성용접이 적용될 때에는 생산성과 결부되어 자동화에 의해 이루어진다. fig.2는 실제 적용되고 있는 육성용접 방법을 나타내고 있으며, Fig.3은 PTA에 의해 적용된 제품을 보여주고 있다.
Figure 2. PTA-surfacing of bronze, tool steels and special-property alloys
Figure 3. Applications of PTA surfacing
천이 액상 확산 접합이라 불리는Transient Liquid Phase diffusion bonding은, 브레이징 기술과 확산접합을 모두 이용하는 기술로서, 접합 과정 중에 일시적으로 액상을 형성시킨(브레이징)후, 접합 온도를 유지(확산접합)하여 등온응고를 발생시켜 접합을 형성시키는 기술이다.
위의 그림은 TLP diffusion bonding의 접합 과정을 모식적으로 나타낸 그림이다. 접합 과정을 이해하기 쉽게 위하여 모재로서는 순금속 A를 설정하였고, 삽입금속으로서는 모재 A와 공정을 형성하고, 확산 속도가 빠른 B 금속을 함유한 공정 조성에 가까운 A-B 2원계 합금을 설정하였다. 그림 중의 기호는, Ci는 삽입금속 초기 B금속의 농도, Tmi는 삽입금속의 고상선의 온도, Tmb는 모재(A금속의 용융온도), TB는 접합온도, Cs는 접합온도에서 고상의 B금속의 평형농도, CI는 접합온도에서 액상의 B금속의 평형 농도 이다.
TLP diffusion bonding process는 크게 아래와 같이 4단계로 분류할 수 있다.
①삽입 금속의 용융 과정
1) 삽입 금속의 용융 과정 두 모재 사이에 삽입 금속을 삽입하여 접합온도 TB로 가열하면, B금속의 농도가 Ci인 삽입 금속만이 용융하여 접합부를 메운다.
2) 모재의 용융 과정 접합온도에 계속 유지하면, 용융한 삽입금속과 모재가 반응하여 접합부 근방의 모재가 용융 되고 액상층은 더욱 확대된다. 이와 같은 반응은 액상의 B금속의 농도가 Cl로 저하될 때까지 계속 되고, 모재의 용융 반응이 완료되면 고상측의 B금속의 농도는 Cs로 된다.
3) 액상의 소멸 과정 접합온도에서 계속 유지를 하면, 액상중의 B금속이 고/액 계면의 농도구배에 따라서 고상인 모재 측으로 확산이 일어나고 이때 액상의 농도는 Cl로 일정하게 유지시킬 필요가 있으므로, 고/액 계면의 액상은 등온응고가 발생하게 된다. 결국 점차적으로 등온응고가 일어나면서 액상의 양은 감소하게 되고 액상의 B금속의 농도가 Cs로 되면 등온응고는 완료되게 된다.
4) 성분의 균질화 과정 액상이 소멸한 후, 고상 상태에서 B금속이 모재로 확산하여 모재와 접합부의 농도가 균일하게 분포하면서 모재와 접합부의 경계가 구별하기 힘들게 된다. 다원계 합금의 경우는 융점 저하 원소을 제외한 합금원소가 균일화 되어야 완전한 접합이 이루어진다. 따라서 접합 온도보다 약간 낮은 온도에서 장시간 균질화 열처리를 할 필요가 있다.
Gas turbine은 최근 들어 높은 효율의 기계가 계속 개발되는 추세에 따라서 과거 단순히 항공용 gas turbine에만 사용되었던 첨단 구조 재료가 실제 Gas turbine의 blade나 bucket, vane과 같은 고온에서의 높은 기계적 성질을 요하는 부분에 적용이 되면서 그 만큼 정비에 소요되는 부품의 교체비나 수리비가 급격히 상승하는 추세에 있다. 이에 따라서 새로운 부품으로 교체하는 비용보다는 훨씬 저렴하면서 안전하게 경제적으로 수리할 수 있는 기술 개발에 전력을 기울이고 있는 추세에 있다. 이에 수리 기술로는 용융 용접, 브레이징, TLP diffusion bonding 등이 있으며, 국내에서도 이러한 프로세스에 대해 활발히 연구중이나 아직 개발은 미흡한 실정이다. 이에 고가의 gas turbine blade를 재생하는 기술로 모재를 용융시키지 않으면서 종래의 기계적 성질을 살릴 수 있는 TLP diffusion bonding이 각광을 받고 있는 추세에 있으며, 아직 국내에서는 연구가 미흡하기에 실제 turbine blade 재생 기술의 적용에 있어서는 상당한 개발이 요구되어 지고 있다.
Modeling
Computer Modeling :
재료의 경우 용접 공정을 거치게 되며 이 때 모재와는 전혀 다른 성질의 열영향부가 형성되며, 이러한 열영향부의 특성이 구조물의 안전성에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 용접 공정에 의해 형성된 열영향부의 기계적 성질 예측이 가능하다면, 이러한 예측을 통해 용접부의 안전성 및 수명 예측이 가능해질 수 있다. 이를 위해 용접 열사이클 예측과 가열 사이클중의 상변태 현상 및 결정립 성장, 그리고, 냉각 사이클시 발생하는 상변태 현상에 대한 모델링 연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서는 특히 가열시 발생하는 결정립 성장 거동과 냉각시의 상변태 현상에 대한 연구를 집중적으로 수행하고 있다. |
