구리 및 구리 합금의 용접: 설명

구리와 구리 합금은 뛰어난 특성 조합으로 인해 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있습니다. 이러한 소재는 담수, 바닷물, 알칼리성 용액, 유기 화학 물질 등 다양한 환경에서 우수한 전기 및 열 전도성, 높은 산화 저항성, 우수한 내식성을 나타냅니다. 하지만 산화성 산에 대한 부식에 취약하다는 점에 유의해야 합니다.

구리 합금은 냉간 및 열간 가공 공정 모두에서 뛰어난 성형성과 순수 구리에 비해 강화된 강도를 보여줍니다. 이러한 다용도성 덕분에 전기 및 전자, 화학 가공, 식품 생산, 발전, 운송, 항공우주 및 방위 산업과 같은 중요한 분야에서 널리 채택되고 있습니다.

구리 및 구리 합금의 산업 생산은 일반적으로 화학 성분에 따라 분류되는 다양한 소재를 생산합니다. 주요 카테고리는 다음과 같습니다:

1. 순수 구리: 용접 구조물에는 부드러운 어닐링 순수 구리가 선호됩니다. 일반적인 등급으로는 T1, T2, T3, T4 및 무산소 구리 변형인 TU1 및 TU2가 있습니다.

2. 황동: 이 구리-아연 합금은 강도, 연성 및 내식성이 균형을 이루고 있습니다. 널리 사용되는 등급으로는 H62, H68, H96과 납 황동(HPb59-1) 및 주석 황동(HSn62-1)과 같은 특수 합금이 있습니다.

3. 청동: 원래 구리-주석 합금을 지칭하는 용어이지만, 이제는 아연이나 니켈이 주요 합금 원소가 아닌 구리 합금도 포함됩니다. 주목할 만한 유형은 다음과 같습니다:

• 주석 청동(예: QSn4-3): 높은 강도와 뛰어난 내마모성을 제공합니다.
• 알루미늄 청동(예: QAl9-2): 우수한 내식성과 높은 강도로 잘 알려져 있습니다.
• 실리콘 브론즈(예: QSi3-1): 우수한 강도와 우수한 성형성을 결합한 제품입니다.

4. 백색 구리(큐프로니켈): 이 구리-니켈 합금은 특히 해양 환경에서 뛰어난 내식성을 발휘합니다.

이러한 구리 기반 소재는 각각 고유한 특성 조합을 제공하므로 엔지니어와 설계자는 특정 용도에 맞는 최적의 합금을 선택할 수 있습니다. 새로운 구리 합금과 가공 기술의 지속적인 개발로 첨단 기술과 까다로운 환경에서 구리 합금의 잠재적 용도가 계속 확대되고 있습니다.

1. 구리 및 구리 합금의 용접성

그리고 용접성 의 구리 및 구리 합금의 경우 상대적으로 열악하기 때문에 저탄소강에 비해 용접하기가 훨씬 더 어렵습니다. 주요 어려움은 다음과 같은 측면에서 관찰됩니다:

(1) 용접 형성 기능 불량:

구리 및 대부분의 구리 합금을 용접할 때 융착이 어렵고 접합부가 불완전하게 침투하며 표면 형성이 불량한 경향이 있습니다. 이는 주로 구리와 대부분의 구리 합금의 열전도율이 일반 탄소강보다 7~11배 이상 높은 구리의 높은 열전도율 때문입니다.

그 결과, 열이 빠르게 발산되어 용접 영역. 공작물이 두꺼울수록 열 방출이 더 심해집니다. 구리는 철에 비해 녹는점과 비열 용량이 낮지만 용접 영역에서 용융 온도에 도달하기 어렵기 때문에 모재와 용가재가 융합하기 어렵습니다.

또한 구리의 우수한 열 전도성은 열 영향 영역이 넓어져 공작물의 강성이 낮을 경우 상당한 변형을 초래할 수 있습니다. 반대로 강성이 높으면 공작물 내에서 상당한 용접 응력을 유발할 수 있습니다.

구리 및 구리 합금의 표면 형성이 불량한 것은 주로 용융 중 표면 장력이 강철의 1/3이고 유동성이 강철보다 1~1.5배 더 커서 용융 중 금속 손실이 발생하기 쉽기 때문입니다.

따라서 순수 구리 및 전도성이 가장 높은 구리 합금을 용접할 때 고출력 및 고에너지 밀도를 사용하는 것 외에도 용접 방법또한 다양한 수준의 예열을 통합해야 합니다. 지지대 없이 단면 용접을 사용하는 것은 허용되지 않으며 단면 용접을 수행할 때는 용접 조인트의 형성을 제어하기 위해 백킹 플레이트를 추가해야 합니다.

(2) 용접부 및 열 영향 구역에서 열 균열에 대한 높은 민감성:

용접부에서 열 균열이 발생하는 경향은 용접부의 불순물의 영향과 관련이 있으며 용접 중에 발생하는 응력의 영향을 받기도 합니다. 용접 프로세스. 산소는 구리에서 흔히 발견되는 불순물이며 용접부의 열 균열 발생 경향에 큰 영향을 미칩니다.

고온에서 구리는 공기 중의 산소와 반응하여 Cu를 형성합니다.₂O. Cu₂O는 액체 구리에는 용해되지만 고체 구리에는 용해되지 않아 저융점 유텍틱을 형성합니다. 구리 및 구리 합금의 Bi 및 Pb와 같은 불순물은 녹는점이 낮습니다.

용접 풀의 응고 과정에서 수상돌기 사이 또는 입자 경계에 분포하는 저융점 유텍틱을 형성하여 구리 및 구리 합금에 상당한 열 취성을 유발합니다. 용접이 고체-액체 상에 있을 때, 열 영향을 받는 영역의 저융점 유텍틱은 용접 응력의 영향으로 다시 녹아 다음과 같은 결과를 초래합니다. 열 균열.

구리 및 구리 합금은 상대적으로 높은 선팽창 계수와 수축률을 가지며 열전도율도 높습니다. 용접 시에는 고출력 열원이 필요하므로 열 영향 영역이 더 넓어집니다. 결과적으로 용접 조인트 구리 및 구리 합금 용접에 균열을 일으키는 또 다른 요인인 상당한 내부 응력을 경험합니다.

또한 순수 구리를 용접할 때 용접 금속은 단상 구조로 구성됩니다. 순수 구리의 높은 열전도율로 인해 용접은 거친 입자를 형성하는 경향이 있습니다. 이는 열 균열의 형성을 더욱 악화시킵니다.

따라서 융합 용접을 사용할 때 열 균열의 형성을 방지하기 위해 구리 용접 및 구리 합금의 경우 다음과 같은 야금학적 조치를 취해야 합니다:

1) 구리의 불순물(산소, 비스무트, 납, 황 등) 함량을 엄격하게 관리합니다.

2) 용접 와이어에 실리콘, 망간, 인 등과 같은 합금 원소를 추가하여 용접의 탈산 기능을 향상시킵니다.

3) 선택 용접 재료 저융점 공융 필름의 연속성을 방해하고 원주 입자의 방향을 변경하는 이중 구조를 얻을 수 있습니다.

4) 용접 응력을 줄이고, 루트 갭 크기를 최소화하고, 루트 패스 치수를 늘려 균열 형성을 방지하기 위해 예열 및 저속 냉각 등의 조치를 시행합니다.

(3) 다공성 형성에 대한 취약성:

구리와 구리 합금을 융착 용접할 때 저탄소강에 비해 다공성 형성 경향이 훨씬 더 큽니다. 구리 용접에서 다공성을 줄이고 제거하기 위한 주요 조치는 수소 및 산소 공급원을 줄이고 예열을 통해 용융 풀의 존재 시간을 연장하여 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있도록 하는 것입니다.

알루미늄과 같은 강력한 탈산제가 포함된 용접 와이어를 사용합니다, 티타늄등을 첨가하거나(질소와 수소도 제거할 수 있음) 구리 합금에 알루미늄과 주석과 같은 원소를 첨가하면 탈산 측면에서 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

(4) 감소 용접 조인트 성능:

구리와 구리 합금의 용융 용접 과정에서 용접 접합부는 심한 입자 성장, 합금 원소의 증발 및 소실, 불순물의 침투를 경험하여 용접 접합부의 기계적 특성, 전기 전도도 및 내식성이 저하됩니다.

1) 연성이 현저히 감소합니다:

용접 및 열 영향 영역은 입자가 거칠어지고 입자 경계에 다양한 부서지기 쉬운 저융점 유텍이 나타나 금속의 결합 강도가 약해지고 접합부의 연성 및 인성이 크게 감소합니다. 예를 들어 순수 구리 용접 전극을 다음과 같은 용도로 사용하는 경우 아크 용접 또는 서브머지드 아크 용접의 경우, 접합부의 연신율은 기본 재료의 약 20% ~ 50%에 불과합니다.

2) 전기 전도도 감소:

구리에 어떤 원소를 첨가하면 전기 전도도가 감소합니다. 따라서 용접 공정 중 불순물과 합금 원소가 녹으면 어느 정도는 구리의 전기 전도성 관절.

3) 내식성 감소:

구리 합금의 내식성은 아연, 망간, 니켈, 알루미늄 등과 같은 원소와의 합금을 통해 달성됩니다. 융착 용접 과정에서 이러한 원소의 증발과 산화는 접합부의 내식성을 어느 정도 감소시킵니다. 또한 용접 응력이 발생하면 응력 부식의 위험도 증가합니다.

접합 성능을 개선하기 위한 조치에는 주로 불순물 함량 제어, 합금 소실 감소, 용접 미세 구조를 수정하기 위한 열처리 등이 포함됩니다. 용접 시 열 입력을 최소화하고 용접 후 응력 완화 처리를 적용하는 것도 도움이 됩니다.

2. 용접 방법 선택

구리 및 구리 합금의 용접은 소재의 뛰어난 열전도율로 인해 고유한 과제를 안고 있습니다. 다양한 용접 기법을 사용할 수 있으며, 각 기법마다 용도에 따라 특별한 장점이 있습니다. 일반적인 방법으로는 가스 용접, 차폐 금속 아크 용접(SMAW), 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접, 가스 금속 아크 용접(GMAW/MIG), 서브머지드 아크 용접(SAW)이 있습니다.

최적의 용접 방법을 선택하려면 여러 가지 요소를 고려해야 합니다:

1. 재료 구성 및 합금 유형
2. 공작물 두께
3. 구조적 특성 및 조인트 설계
4. 성능 요구 사항(예: 강도, 내식성)
5. 생산량 및 자동화 요구 사항

구리의 우수한 열전도율(강철의 약 6배)은 높은 전력 밀도와 집중된 열을 사용하는 용접 방법을 필요로 합니다. 이는 빠른 열 방출을 극복하고 적절한 융합을 보장하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로 더 높은 열 효율과 집중된 에너지 증착을 제공하는 기술이 선호됩니다.

구리 소재의 두께는 용접 방법 선택에 큰 영향을 미칩니다:

• 얇은 판재(3mm 미만): TIG 용접은 정밀한 제어와 최소한의 왜곡으로 인해 최적입니다. 가스 용접도 특정 용도에 효과적일 수 있습니다.
• 중간 두께(3-10mm): GMAW/MIG 용접은 우수한 침투 및 증착률을 제공합니다. SAW는 자동화된 대량 생산 시나리오에 탁월합니다.
• 두꺼운 판재(> 10mm): 펄스 전류를 사용하는 GMAW, 적절한 전극을 사용하는 SMAW 또는 특수 용도를 위한 전자빔 용접이 필요한 관통력을 제공합니다.

다음과 같은 새로운 기술 레이저 용접 및 하이브리드 레이저 아크 용접은 높은 정밀도와 열 영향 영역을 최소화하여 구리 용접에 각광받고 있습니다.

구리와 그 합금에서 최적의 용접 품질을 달성하려면 필러 금속, 차폐 가스, 용접 전/후 열처리를 적절히 선택하는 것이 중요합니다. 또한 구리는 산화와 오염에 민감하기 때문에 엄격한 청결 및 표면 처리가 필수적입니다.

3. 용접 재료 선택

1) 용접 와이어:

구리 및 구리 합금용 용접 와이어를 선택할 때는 일반적인 공정 및 야금 요건을 충족할 뿐만 아니라 불순물 함량을 신중하게 제어하고 탈산 기능을 강화하는 것이 중요합니다. 이는 구리 용접에서 흔히 발생하는 문제인 열 균열과 다공성 형성을 방지하는 데 필수적입니다.

순수 구리 용접의 경우 와이어는 일반적으로 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P)과 같은 탈산소 원소와 합금됩니다. 이러한 원소는 용접 풀에서 산소를 제거하여 다공성의 위험을 줄이고 전반적인 용접 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다. 널리 사용되는 옵션은 고순도 구리 용접 와이어 HSCu입니다. 이 와이어는 다목적이며 다양한 용접 공정에 사용할 수 있습니다:

• 가스 용접에서 HSCu는 종종 용제 CJ301과 함께 사용되어 플럭스 제거 및 표면 세척을 돕습니다.
• 서브머지드 아크 용접(SAW)의 경우, HSCu는 일반적으로 플럭스 HJ431과 함께 사용됩니다. 이 조합은 뛰어난 아크 안정성과 용접 침투력을 제공하며, 특히 두꺼운 구리 섹션에 유용합니다.

2) 용접 전극:

구리 애플리케이션용 아크 용접 전극은 크게 구리와 청동의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 이 중 청동 전극은 우수한 성능 특성으로 인해 더 자주 사용됩니다.

구리 전극, 특히 아연이 포함된 전극(황동 합금처럼)은 아크 용접 공정에 거의 사용되지 않습니다. 이는 주로 용접 온도에서 아연의 높은 증기압으로 인해 과도한 흄 발생, 다공성 및 일관되지 않은 아크 동작으로 이어질 수 있기 때문입니다.

반면 청동 전극은 아크가 더 안정적이고 용접성이 우수합니다. 구리를 구리 자체 또는 다른 구리 합금에 용접할 때 특히 효과적입니다. 이 범주에서 일반적으로 사용되는 두 가지 전극 유형은 다음과 같습니다:

• 순수 구리 전극 T107: 전기 전도도 유지가 중요한 순수 구리 용접에 적합합니다.
• 실리콘 청동 전극 T207: 유동성과 습윤성이 뛰어나 서로 다른 구리 합금을 접합하거나 더 높은 강도가 필요한 곳에 이상적입니다.

전극을 선택할 때는 최적의 용접 결과를 보장하기 위해 기본 금속 구성, 필요한 기계적 특성 및 특정 응용 분야 요구 사항과 같은 요소를 신중하게 고려해야 합니다.

4. 용접 전 준비

구리 및 구리 합금 용접물에 대한 전처리 요건은 재료의 높은 열전도율과 산화에 대한 민감성으로 인해 엄격합니다. 용접 전 세척의 주요 초점은 최적의 용접 품질과 성능을 보장하기 위해 오염 물질과 산화막을 제거하는 것입니다.

아세톤이나 이소프로필 알코올과 같은 적절한 용매를 사용하여 용접 조인트와 주변 부위(양쪽 약 30mm)를 철저히 탈지하는 것으로 시작합니다. 이 단계는 용접 무결성을 손상시킬 수 있는 오일이나 유기 오염 물질을 제거하는 데 매우 중요합니다.

탈지 후 2단계 화학 세척 프로세스를 사용합니다:

1. 알칼리성 세척: 30~40°C의 10-15% 수산화나트륨 용액에 조인트를 5~10분간 담가 남아 있는 유기 잔여물을 제거합니다. 탈이온수로 완전히 헹굽니다.
2. 산 세척: 35-40% 질산 용액에 2~3분 동안 관절을 담가 표면 산화물을 제거합니다. 잘 지워지지 않는 산화물의 경우 혼합 산성 용액(70mL/L HNO3, 100mL/L H2SO4, 1-2mL/L HCl)을 사용하는 것이 더 효과적일 수 있습니다. 탈이온수로 완전히 헹구고 오일이 없는 깨끗한 압축 공기 또는 저온 오븐에서 즉시 건조시켜 급격한 산화를 방지하세요.

기계적 산화물을 제거하려면 구리 전용 스테인리스 스틸 와이어 브러시 또는 휠을 사용하세요. 공압식 도구를 사용하면 효율성을 높일 수 있지만 과도한 물질 제거나 표면 오염을 피하기 위해 주의해야 합니다. 균일하고 밝은 금속 광택이 나올 때까지 계속 브러싱합니다.

필러 금속도 비슷한 주의가 필요합니다. 보푸라기가 없는 천이나 고운 연마지를 사용하여 용접 와이어를 기계적으로 청소하여 사용 직전에 표면 산화물을 제거하세요. 대규모 작업의 경우 일관된 품질을 유지하기 위해 자동화된 와이어 청소 시스템을 고려하세요.

세척 후 재산화를 방지하기 위해 준비와 용접 사이의 시간을 최소화하세요. 즉시 용접이 불가능한 경우, 준비된 부품을 습도가 낮은 통제된 환경에 보관하고 용접 공정에 적합한 산화 방지제를 사용하여 표면을 보호하세요.

화학물질을 취급할 때는 적절한 개인 보호 장비(PPE)와 적절한 환기 등 적절한 안전 조치를 시행하세요. 사용한 세척액을 폐기할 때는 현지 환경 규정을 준수하세요.

5. 용접 공정의 핵심 포인트

가스 용접:

가스 용접은 얇은 구리 부품을 접합하거나 구리 부품을 수리하거나 중요하지 않은 구조물을 용접하는 데 적합합니다. 다용도로 사용할 수 있어 유지보수 및 수리 작업에 특히 유용합니다.

1) 용접 전 예열:

순수 구리를 가스 용접할 때 예열은 내부 응력을 완화하고 균열을 방지하며 다공성을 줄이고 완전한 침투를 보장하기 위해 필수적입니다. 얇은 시트와 작은 용접물의 경우 400-500°C(752-932°F)로 예열합니다. 두껍고 큰 용접물의 경우 예열 온도를 600-700°C(1112-1292°F)로 높입니다. 황동과 청동 합금은 열적 특성이 다르기 때문에 일반적으로 예열 온도가 약간 낮아야 합니다.

2) 용접 매개변수 및 기술 선택:

구리의 높은 열전도율을 고려할 때 용접 시 불꽃 에너지는 탄소강에 사용되는 것보다 1~2배 더 높아야 합니다. 순수 구리를 용접할 때는 중성 불꽃을 유지하는 것이 중요합니다.

산화 불꽃은 용접부의 산화와 합금 원소의 손실로 이어져 접합부의 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 반대로 침탄 화염은 용접부의 수소 함량을 증가시켜 다공성 형성을 촉진합니다.

얇은 판재의 경우 입자 성장을 최소화하기 위해 왼쪽 용접 기술을 사용합니다. 6mm(0.24인치)보다 두꺼운 공작물의 경우, 모재 가열이 용이하고 용융 풀의 가시성이 향상되어 작업 효율이 높아지는 오른쪽 용접 방법을 선호합니다.

각 용접 이음새에서 무작위로 중단되지 않도록 용접 토치의 신속하고 연속적인 움직임을 유지하세요. 균일성을 보장하고 결함의 위험을 줄이려면 각 용접 이음새를 한 번에 완료하는 것이 이상적입니다.

긴 이음새를 용접할 때는 용접 전에 수축에 대한 적절한 여유를 두고 적절한 위치를 확보하세요. 용접 시 세그먼트 백스텝 방법을 활용하여 변형과 잔류 응력을 최소화하세요.

응력을 견디거나 중요한 구리 용접부의 경우 용접 후 처리를 실시하세요:

• 얇은 구리 부품의 경우 용접 양쪽의 열 영향을 받는 부분을 즉시 망치로 두드려주십시오.
• 두께가 5mm(0.2인치) 이상인 플레이트의 경우 망치로 두드리기 전에 500-600°C(932-1112°F)로 가열합니다.
• 망치질 후 공작물을 500~600°C(932~1112°F)로 가열하고 물로 빠르게 담금질하여 접합 가소성과 인성을 향상시킵니다.

이러한 용접 후 처리는 입자 구조를 개선하고 잔류 응력을 완화하며 전반적인 용접 품질을 개선하여 용접된 구리 부품의 최적의 성능을 보장합니다.

6. 일반적으로 사용되는 구리 및 구리 합금의 일반적인 용접 예 6.

탈산된 구리 TU1로 만들어진 전극 워터 재킷이 있습니다. 전극 접합부는 MIG 용접을 사용하여 용접되며, 구체적인 용접 공정은 표 5-37에 나와 있습니다.

표 5-37 TU1 조인트용 용접 프로세스 카드

조인트 용접용 용접 프로세스 카드				번호
조인트 다이어그램:	기본 재료 재료	TU1		TU1
	기본 재료 두께	15mm		15mm
	용접 위치	플랫 용접
	용접 기술	직선 용접 경로
	예열 온도	500℃
	인터패스 온도	≥500℃
	노즐 직경	Φ26mm
	보호 가스	Ar	가스 유량(L/min)	전면: 25~30 뒤로:

용접 사양 매개변수