AWS D1.9 · Structural 코드 · Titanium

AWS D1.9 — 구조용 용접 코드 for Titanium

AWS D1.9는 티타늄 및 티타늄 합금에 대한 구조 용접 코드입니다. 이 코드는 트레일링 실드, 백 퍼지 가스, 용접 중 완전한 불활성 분위기 보호를 포함한 엄격한 오염 제어 요구사항을 가진 구조용 티타늄 부품에 대한 절차 인증, 용접사 테스트, 제작 및 검사를 규정합니다.

주요 차이점: 수소가 주요 위협인 D1.1에 따른 강철 용접과 달리, 티타늄 용접은 산소 및 질소 오염 제어에 의해 규정됩니다. 티타늄은 약 500°F 이상에서 이러한 원소를 흡수하여 (AWS G2.4 지침에 따라) 비가역적인 취화를 유발합니다. D1.9는 차폐 방법을 필수 변수로 취급하며 — 트레일링 실드 삭제 시 WPS 재인증이 필요합니다.

AWS D1.9이란 무엇인가?

AWS D1.9는 티타늄의 구조 용접을 규정합니다. 주요 관심사는 대기 오염입니다 — 티타늄은 약 500°F 이상에서 산소 및 질소와 반응하여 (AWS G2.4 지침에 따라) 용접 균열을 유발하는 취성 화합물을 형성합니다. D1.9는 차폐 가스 방법을 WPS 인증을 위한 필수 변수로 취급합니다.

AWS D1.9/D1.9M — Structural 용접 코드 — Titanium —은 구조용 티타늄 및 티타늄 합금 부품의 용접을 다룹니다. 현재 버전은 AWS D1.9:2015입니다. 이는 해양 구조물, 화학 처리 장비 지지대, 건축 응용 분야, 그리고 높은 강도-중량비와 내식성의 조합이 재료 비용을 정당화하는 특수 산업 구조물을 포함하여 설계 응력을 받는 티타늄 구조물에 적용됩니다. D1.9는 항공우주 구조물(Section 1.2)을 명시적으로 제외하며, 이는 별도의 항공우주 재료 사양에 의해 규정됩니다.

티타늄 용접은 고온에서 대기 가스와 티타늄의 극심한 반응성 때문에 다른 어떤 구조 금속의 용접과도 근본적으로 다릅니다. 약 500°F (260°C) 이상에서 티타늄은 주변 대기에서 산소, 질소 및 수소를 빠르게 흡수합니다. 산소와 질소는 침입형 고용체 화합물과 표면 산화물(TiO2) 및 질화물(TiN)을 형성하여 심각한 취화를 유발합니다 — 연성 및 파괴 인성을 허용할 수 없는 수준으로 감소시킵니다. 이러한 반응성은 용접 작업의 모든 측면, 즉 이음매 준비부터 용접 후 냉각까지, 오염 임계 온도 이상의 모든 티타늄 표면 주위에 불활성 분위기를 유지해야 함을 의미합니다.

이 표준은 가장 일반적으로 사용되는 공정인 GTAW (gas tungsten 아크 용접)를 다루며, GMAW (가스 금속 아크 용접), PAW (plasma arc 용접), EBW (electron beam welding), LBW (laser beam welding)에 대한 조항도 포함합니다. SMAW 및 FCAW는 플럭스 기반 차폐 시스템이 티타늄이 요구하는 오염 없는 환경을 제공할 수 없기 때문에 허용되지 않습니다. 과립형 플럭스 블랭킷을 사용하는 SAW조차도 플럭스 화학 물질이 잠재적인 오염원을 도입하기 때문에 제외됩니다.

예열 및 열 요구사항

D1.9는 용접 이음매의 수분 응축을 방지하기 위해 최소 예열 온도 60 degrees F를 지정합니다. D1.1과 달리 두께나 조성에 따른 예열 표는 없습니다. 티타늄의 열적 관심사는 수소 균열이 아닌 오염 방지입니다. 층간 온도는 취화를 방지해야 합니다.

Calculate D1.5 Bridge 예열 →

Calculate D1.4 Rebar Preheat →

AWS D1.9는 최소 예열 온도 60°F (16°C)를 요구하며, 주변 온도보다 낮아서는 안 됩니다. 이는 (강철에서와 같이) 균열 방지를 위한 야금학적 요구사항이 아니라, 모재가 이슬점 이상이고 기공 및 수소 오염을 유발할 수 있는 표면 수분이 없도록 보장하기 위한 환경 제어입니다. 최대 예열 온도는 인증된 WPS에 의해 결정되며, 과도한 산소 및 질소 흡수를 방지하기 위해 제어되어야 합니다.

더 높은 예열이 일반적으로 유익한 (수소 균열 방지를 위해 냉각 속도를 늦추는) 강철 용접과 달리, 티타늄 용접에서 더 높은 예열은 오염에 민감한 온도 이상의 금속 영역을 증가시켜 차폐를 더 어렵게 하고 대기 오염 위험을 높입니다. 티타늄 용접 접근 방식은 냉각 속도의 열적 조작보다는 포괄적인 불활성 가스 커버리지와 함께 제어된, 적당한 입열량을 강조합니다.

티타늄 용접의 층간 온도는 코드에서 의무화하는 최대값보다는 주로 WPS를 통해 제어됩니다. 실제적인 제약은 500°F 이상의 모든 금속이 불활성 가스 차폐 아래에 있어야 한다는 것입니다 — 더 높은 층간 온도는 차폐가 필요한 영역을 확장하고 적절한 커버리지를 유지하는 것을 더 어렵게 만듭니다. 대부분의 티타늄 용접 절차는 적절한 융합(더 높은 온도)과 차폐 요구사항(더 낮은 온도) 사이의 균형을 맞추는 층간 온도를 지정합니다.

오염 제어 요구사항

D1.9는 트레일링 실드, backing gas 및 퍼지 가스를 필수 변수로 취급합니다 — WPS 인증 중에 사용된 경우, 이들을 삭제하려면 재인증이 필요합니다 (Table 3.3). 실제로, 약 500°F 이상의 모든 티타늄 표면은 (AWS G2.4에 따라) 산소 및 질소로부터 보호되어야 합니다. 용접부, 열영향부 및 이음매의 뒷면은 일반적으로 불활성 가스(아르곤 또는 헬륨)로 차폐됩니다. 모든 표면 변색은 오염을 나타냅니다.

오염 제어는 D1.9의 결정적인 특징이며, 티타늄 용접을 다른 어떤 구조 금속의 용접보다 훨씬 더 까다롭게 만드는 요인입니다. D1.9는 다층 차폐 접근 방식을 설정합니다:

1차 차폐 (토치): The 표준 GTAW torch provides argon shielding over the 용접 pool. For titanium, the torch cup 크기 is typically larger than for steel or stainless steel welding to provide a wider coverage area. Gas lens collet bodies are required to produce laminar gas flow rather than turbulent flow, which provides more consistent and effective shielding. The argon purity must meet the 요구사항 of AWS A5.32 for structural titanium welding.
트레일링 실드: 트레일링 실드는 토치 뒤에 연장되어 응고되는 용접 비드와 열영향부가 냉각될 때까지 아르곤 커버리지를 유지하는 보조 가스 공급 장치입니다. 트레일링 실드는 500°F 이상의 모든 금속을 덮을 수 있을 만큼 토치 뒤로 충분히 길게 연장되어야 합니다. 더 높은 입열량의 다층 용접의 경우, 트레일링 실드는 아크 뒤로 6~12인치 (150~300mm)까지 연장되어야 할 수 있습니다. 트레일링 실드는 냉각 영역 위에 아르곤의 층류 흐름을 전달합니다.
백 퍼지: 용접부의 루트 면과 용접 토치 반대편의 모든 티타늄 표면은 뒷면으로부터의 대기 오염을 방지하기 위해 아르곤으로 퍼지되어야 합니다. 파이프 및 튜브 용접의 경우, 용접 시작 전에 내부 부피를 밀봉하고 아르곤으로 채워야 합니다. 판 용접의 경우, 퍼지 댐 또는 아르곤 공급 장치가 있는 backing fixture가 루트 면을 보호합니다. 퍼지 분위기의 산소 함량은 용접 시작 전에 50 ppm 미만으로 감소되어야 하며, 이는 산소 분석기로 확인됩니다.
밀폐 용접 (글러브 박스): For the highest-quality titanium welds, the entire welding operation is performed inside a sealed enclosure (glove box or welding chamber) filled with argon. Enclosure welding provides complete atmospheric protection from all directions and eliminates the need for trailing shields and separate back purge systems. The enclosure atmosphere is typically maintained below 10 ppm oxygen and 20 ppm moisture.

용접 색상 인증

D1.9는 절차 개발의 일부로 용접 색상 인증을 요구합니다. 허용 가능한 용접 색상은 밝은 은색에서 옅은 짚색까지 다양합니다. 짙은 파란색, 회색 또는 흰색 산화물은 오염을 나타내며 불합격 사유가 됩니다. 색상 합격 기준은 절차 인증 중에 설정되며 모든 생산 용접에 적용됩니다.

티타늄 용접 품질은 냉각 중 대기 오염 정도를 나타내는 표면 색상으로 부분적으로 평가할 수 있습니다. D1.9는 육안 검사 요구사항의 일부로 용접 색상 합격 기준을 포함합니다. 밝은 은색 용접 표면은 최소한의 오염으로 깨끗한 차폐를 나타냅니다. 옅은 짚색 또는 금색은 일반적으로 허용되는 경미한 표면 산화를 나타냅니다. 짙은 파란색, 보라색 또는 회색은 상당한 산소 오염을 나타내며 제거 및 재용접이 필요할 수 있습니다. 용접 표면에 흰색의 분말형 산화물은 심각한 오염을 나타내며 항상 완전한 제거가 필요합니다.

D1.9 Table 5.3의 색상 합격 기준은 어떤 색상이 허용되는지, 어떤 색상이 엔지니어링 평가를 요구하는지, 그리고 어떤 색상이 자동으로 불합격되는지를 명시합니다. 색상 평가는 산화층을 제거할 수 있는 기계적 세척 또는 화학적 처리 전에 as-welded 표면에서 수행되어야 합니다. 통제된 조건에서 준비된 색상 표준 또는 참조 쿠폰은 생산 검사 중 비교를 위해 사용됩니다.

티타늄 합금 계열

D1.9는 상업용 순수(CP) 티타늄 등급(Grades 1-4) 및 티타늄 합금을 다룹니다. CP 등급은 내식성 응용 분야에 사용됩니다. Ti-6Al-4V (Grade 5)는 가장 일반적인 구조용 합금으로, 높은 강도-중량비를 제공합니다. 용접 매개변수는 CP 등급과 합금 등급 간에 크게 다릅니다.

상업용 순수(CP) 티타늄

CP titanium grades per ASTM B265 (Grades 1, 2, and 3 — referenced in D1.9 Table 4.1; Grade 4 exists in ASTM B265 but is not listed in D1.9 Table 4.1) are unalloyed titanium with varying levels of oxygen and iron that determine 강도. Grade 1 has the lowest strength and highest ductility; Grade 2 is the most commonly used CP grade in D1.9 applications. CP titanium is used in structural applications where corrosion resistance is the primary driver, such as chemical processing supports and marine structures. CP titanium is the most weldable titanium family, with excellent tolerance for minor 입열량 variation and straightforward 용가재 selection (matching grade or one grade lower).

알파 및 근알파 합금

알파 및 근알파 티타늄 합금은 상온에서 육방정계 밀집 결정 구조를 유지합니다. Grade 6 (Ti-5Al-2.5Sn)은 ASTM B265에 존재하지만 D1.9 Table 4.1에는 나열되지 않습니다. 이들은 우수한 용접성과 고온 강도를 제공합니다. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo와 같은 근알파 합금은 크리프 저항성이 요구되는 항공우주 구조 응용 분야에 사용됩니다. 이러한 합금은 동일하거나 거의 동일한 용가재로 용접 가능하지만, 고도로 구속된 이음매에서 지연 균열을 방지하기 위해 용접 후 응력 제거가 필요할 수 있습니다.

알파-베타 합금

Ti-6Al-4V (Grade 5)는 가장 널리 사용되는 티타늄 합금으로, 전체 티타늄 생산량의 50% 이상을 차지합니다. 이는 강도, 연성 및 피로 저항성의 탁월한 균형을 제공하는 2상(알파-베타) 합금입니다. Ti-6Al-4V는 용접 가능하지만, 용융부 및 열영향부에서 과도한 베타상 변태를 피하기 위해 냉각 속도를 신중하게 제어해야 하며, 이는 연성을 감소시킬 수 있습니다. Ti-6Al-4V의 as-welded 특성은 일반적으로 모재 특성의 85~95%이며, 용접 후 열처리를 통해 완전한 회복이 가능합니다.

D1.9가 다른 AWS 구조 코드와 비교되는 방식

D1.9는 오염 제어(트레일링 실드, 퍼지 가스)를 주요 관심사로 하여 티타늄을 규정합니다. D1.2는 hot cracking 방지를 위해 알루미늄을 규정합니다. 둘 다 GTAW를 주요 공정으로 사용합니다. D1.9는 용접 색상 인증을 요구하지만 D1.2는 그렇지 않습니다. D1.9의 최소 예열 온도는 60 degrees F (수분 방지)이며; D1.2는 예열 온도를 최대 250 degrees F로 제한합니다.

D1.9 대 D1.2 (알루미늄)

Both D1.2 (aluminum) and D1.9 (titanium) require careful atmosphere control during welding, but at vastly different levels of stringency. Aluminum requires clean, dry surfaces and adequate shielding gas coverage to prevent 기공, but brief atmospheric exposure during welding does not cause catastrophic property loss. Titanium requires complete inert gas protection on all surfaces above 500°F — any atmospheric exposure 원인 irreversible embrittlement. Both codes prohibit SMAW. D1.2 uses GMAW as a primary process; D1.9 most commonly uses GTAW. Neither code provides prequalified WPS procedures.

D1.9 대 D1.1 (강철)

D1.1 addresses hydrogen-induced cracking through preheat tables and 저수소 processes. D1.9 addresses oxygen and nitrogen contamination through multi-layered inert gas shielding systems. The thermal control philosophies are fundamentally different — D1.1 adds heat (preheat) to slow cooling; D1.9 minimizes heat input and shields all hot surfaces. D1.1 provides prequalified WPS options; D1.9 requires all procedures to be qualified by 시험 with contamination control verification.

D1.9 대 D1.6 (스테인리스 스틸)

D1.6 controls 층간 온도 to prevent sensitization in austenitic grades. D1.9 controls contamination by requiring complete inert gas coverage. Both codes recognize that excessive heat is detrimental (sensitization in stainless, contamination zone expansion in titanium). Stainless steel can tolerate brief atmospheric exposure during welding with only surface discoloration; titanium cannot. D1.6 uses ferrite number control for hot cracking 예방; D1.9 has no equivalent concern because titanium alloys have different solidification behavior.

Aspect	D1.9 (Titanium)	D1.2 (Aluminum)
Primary concern	O₂/N₂ contamination	Hot cracking
Shielding	Primary + trailing + backup gas	Primary gas only
Preheat	Min 60°F (no moisture)	Max 250°F
Primary process	GTAW	GMAW, GTAW
Weld color test	Required (qualification)	Not required
Purge gas	Mandatory (back purge)	Not required

D1.1 예열 계산기 →

자주 묻는 질문

AWS D1.9에 따른 티타늄의 최소 예열 온도는 얼마입니까?

AWS D1.9는 최소 예열 온도 60 degrees Fahrenheit (16 degrees Celsius)를 요구합니다. 최대 예열 온도는 WPS에 의해 결정되며, 허용할 수 없는 오염 또는 야금학적 열화를 유발하는 온도를 초과해서는 안 됩니다. 높은 예열이 수소 균열을 방지하는 D1.1에 따른 강철 용접과 달리, 티타늄 예열은 주로 모재가 이슬점 이상임을 보장하여 수분 관련 기공을 방지합니다. 과도한 예열은 산소 및 질소 흡수율을 증가시켜 티타늄에 해롭습니다.

티타늄 용접에서 오염 제어가 중요한 이유는 무엇입니까?

티타늄은 고온에서 산소 및 질소에 대한 극도로 높은 친화력을 가집니다. 약 500 degrees Fahrenheit (260 degrees Celsius) 이상에서 티타늄은 대기에서 이러한 원소를 빠르게 흡수하여 심각한 취화를 유발하는 산화티타늄 및 질화티타늄 화합물을 형성합니다. 0.1% 산소 증가와 같은 소량의 오염조차도 연성 및 파괴 인성을 극적으로 감소시킬 수 있습니다. 이것이 D1.9가 차폐 방법을 필수 변수로 취급하는 이유입니다 — WPS 인증 중에 트레일링 실드 또는 백 퍼지가 사용된 경우, 이들을 삭제하려면 Table 3.3에 따라 재인증이 필요합니다. 실제로, 약 500 degrees Fahrenheit 이상의 모든 티타늄 표면에는 불활성 가스 차폐가 유지됩니다 (AWS G2.4 지침에 따라).

AWS D1.9는 티타늄에 대해 어떤 용접 공정을 허용합니까?

AWS D1.9는 구조용 티타늄에 대해 GTAW (gas tungsten arc welding), GMAW (가스 금속 아크 용접), PAW (plasma arc welding), EBW (electron beam welding), LBW (laser beam welding)를 다룹니다. GTAW는 티타늄을 대기 오염으로부터 보호하는 데 필요한 정밀한 열 제어 및 우수한 차폐 가스 커버리지를 제공하기 때문에 가장 일반적으로 사용됩니다. SMAW 및 FCAW는 플럭스 시스템이 티타늄이 요구하는 오염 없는 환경을 제공할 수 없기 때문에 허용되지 않습니다.

트레일링 실드는 무엇이며 티타늄 용접에 왜 필요합니까?

트레일링 실드는 주 용접 토치 뒤에 연장되어 용접 비드와 열영향부가 냉각될 때까지 아르곤 차폐를 유지하는 보조 불활성 가스 공급 장치입니다. 티타늄은 약 500 degrees Fahrenheit (260 degrees Celsius) 미만으로 냉각될 때까지 산소 및 질소에 반응성을 유지합니다. 표준 GTAW 토치는 즉각적인 용접 풀만 차폐합니다 — 트레일링 실드가 없으면 토치 뒤의 응고되는 용접부와 열영향부는 오염 온도 이상인 동안 대기에 노출됩니다. 트레일링 실드는 이 냉각 영역 위에 아르곤의 층류 흐름을 전달하여 변색 및 취화를 방지합니다.

AWS D1.9는 알루미늄용 AWS D1.2와 어떻게 비교됩니까?

D1.9 (티타늄)와 D1.2 (알루미늄) 모두 용접 중 신중한 분위기 제어를 요구하지만, 다른 이유와 다른 엄격함 수준으로 요구합니다. 알루미늄은 수소 및 산화물 개재물로 인한 기공을 방지하기 위해 깨끗하고 건조한 표면을 요구하지만, 용접 중 대기 노출은 치명적이지 않습니다. 티타늄은 500 degrees Fahrenheit 이상의 모든 표면에 완전한 불활성 가스 차폐를 요구합니다 — 어떤 대기 노출도 비가역적인 취화를 유발합니다. D1.2는 GMAW를 주요 공정으로 허용하며; D1.9는 가장 일반적으로 GTAW를 사용합니다. 두 코드 모두 SMAW를 금지합니다. 두 코드 모두 prequalified WPS 절차를 제공하지 않습니다.