As ligas de titânio têm baixa densidade, alta relação resistência-peso, boa resistência à corrosão, baixa condutividade térmica, não toxicidade, não magnetismo e podem ser soldadas. Eles são amplamente utilizados nas indústrias aeroespacial, aviação, química, petróleo, energia, médica, construção e esportes.
1. Características de soldagem de titânio e ligas de titânio:
(1) Fragilização causada por contaminação por impurezas:
Devido à alta reatividade química do titânio, o ciclo térmico de soldagem pode fazer com que a poça de fusão, o metal da zona de fusão acima de 350 ℃ e a zona afetada pelo calor reajam facilmente com hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, bem como contaminantes como óleo, umidade, etc. presente no ar ou no material e fio de soldagem.
O titânio absorve rapidamente hidrogênio acima de 300°C, oxigênio acima de 600°C e nitrogênio acima de 700°C. Quando contém uma grande quantidade de carbono, pode desenvolver uma estrutura de rede TiC frágil. Estas condições reduzem significativamente a ductilidade e a tenacidade do titânio e das suas ligas, resultando numa deterioração do desempenho da junta soldada.
A cor do filme de óxido formado na superfície do titânio depende da temperatura de produção.
Abaixo de 200 ℃, parece branco prateado; a 300°C, fica amarelo pálido; a 400°C, torna-se ouro; em 500℃ e 600℃ apresenta cores azul e roxa, respectivamente; e de 700°C a 900°C, aparece em vários tons de cinza.
A cor do filme de óxido pode ser utilizada para determinar a temperatura da área desprotegida durante o processo de soldagem.
(2) Degradação de desempenho causada pela transformação de fase durante a soldagem:
Existem duas estruturas cristalinas de titânio: acima de 882 ℃, tem uma estrutura de rede cúbica de corpo centrado conhecida como β-titânio, e abaixo de 882 ℃, tem uma estrutura de rede hexagonal compacta chamada α-titânio. O titânio usado para vasos contém muito poucos elementos estabilizadores β e é principalmente ligas de ferro α.
Durante a soldagem em altas temperaturas, a solda e partes da zona afetada pelo calor transformam-se na estrutura β-cristalina, levando a uma tendência significativa de crescimento de grãos.
Como o titânio tem alto ponto de fusão, grande capacidade de calor específico e baixa condutividade térmica, o tempo de permanência em altas temperaturas durante a soldagem é aproximadamente 3 a 4 vezes maior que o do aço.
Isso resulta em uma zona mais ampla afetada pelo calor em alta temperatura, causando um notável crescimento de grãos na solda e na zona afetada pelo calor em alta temperatura, levando a uma diminuição significativa na ductilidade.
Portanto, ao soldar titânio, é geralmente aconselhável usar menor aporte de calor de soldagem e taxas de resfriamento mais rápidas para reduzir o tempo de permanência em altas temperaturas, minimizar a extensão do crescimento de grãos, diminuir o tamanho da zona afetada pelo calor em alta temperatura e mitigar a diminuição da ductilidade.
(3) É necessária proteção contra gás inerte na área de soldagem:
Em altas temperaturas, o titânio tem uma forte afinidade pelo oxigênio do ar. Portanto, é necessário usar proteção com gás inerte acima de 200°C para evitar oxidação.
(4) Distorção significativa de soldagem:
O módulo de elasticidade do titânio é apenas metade do módulo do aço carbono. Sob a mesma tensão de soldagem, a distorção de soldagem do titânio será duas vezes maior que a do aço carbono.
Portanto, ao soldar titânio, geralmente é recomendado o uso de placas de apoio e placas de fixação para minimizar a distorção da soldagem.
(5) Propenso à porosidade:
A porosidade é um defeito comum em soldas de titânio. Os poros formados durante a soldagem de titânio são principalmente poros de hidrogênio, mas também podem haver poros formados por gás CO.
(6) Potencial de fissuração:
Impurezas como enxofre, fósforo e carbono no titânio têm um ponto de fusão baixo e uma faixa estreita de temperatura de solidificação com titânio nos limites dos grãos.
Como resultado, o encolhimento da solda durante a solidificação é pequeno e geralmente não são produzidas trincas térmicas na solda. As trincas nas soldas de titânio são tipicamente trincas a frio induzidas por hidrogênio.
(7) Incompatibilidade com aço para soldagem por fusão:
O ferro se dissolve no titânio em frações de massa muito baixas, variando de apenas 0,05% a 0,10%.
Portanto, o titânio e o aço não podem ser soldados por fusão diretamente.
2. Métodos de soldagem para titânio e ligas de titânio
Os principais métodos de soldagem usados para titânio e ligas de titânio são soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG), soldagem com gás inerte com eletrodo de fusão (MIG) e soldagem a arco de plasma.
A brasagem pode ser usada para soldar estruturas seladas que não suportam carga. A soldagem por explosão também pode ser empregada para a soldagem composta de placas compostas de titânio e aço.
3. Materiais de soldagem para titânio e ligas de titânio:
(1) Fio de soldagem:
A seleção do fio de soldagem de titânio e liga de titânio é geralmente baseada na combinação com o material de base, mas também deve passar na qualificação da avaliação do processo de soldagem.
Ao escolher o fio de soldagem, existe o desafio de encontrar uma combinação adequada porque o teor de impurezas do fio só é controlado dentro de um limite superior. Na maioria dos casos, não há controle sobre o limite inferior.
Além disso, cada lote de fio de soldagem produzido garante apenas a composição química, mas não as propriedades mecânicas após a soldagem. Existe a possibilidade de que alguns lotes de produção de arame de soldagem tenham um teor de impurezas incomumente baixo, tornando-os produtos qualificados.
No entanto, a sua resistência à soldadura pode ser inferior, o que pode não cumprir o requisito de resistência à tracção mínima abaixo do padrão de estado recozido do material de base.
Nestes casos, é necessário mudar para outro lote de produção da mesma marca de fio de solda ou mesmo de um fio de qualidade superior (como o industrial puro) para realizar uma nova avaliação do processo até que ele se qualifique antes de finalizar a seleção do fio de soldagem. arame.
Para arame de soldagem e arame de enchimento utilizados em recipientes feitos de titânio e ligas de titânio, a composição química (análise de fusão) pode ser encontrada na Tabela 4-29.
Ao realizar retestes de composição química em amostras de arame de soldagem acabado e arame de adição, os desvios permitidos para análise podem ser encontrados na Tabela 4-30. Os tipos recomendados de fio de soldagem e fio de enchimento para materiais de titânio comumente usados em recipientes podem ser encontrados na Tabela 4-31.
Tabela 4-29 Composição Química (Análise de Fusão) de Fio de Soldagem de Titânio e Liga de Titânio e Fio de Enchimento para Recipientes.
| Modelo de fio | Composição química (fração de massa, %) | ||||||||||
| Componentes principais | Elementos de impureza | Elementos residuais | |||||||||
| Ti | Mo | Não | PD | Fé | Ó | C | N | H. | Solteiro | Soma total | |
| ERTAIELI | Rem. | – | – | – | ≤0,08 | 0,03~0,10 | ≤0,03 | ≤0,012 | ≤0,005 | ≤0,05 | ≤0,20 |
| ERTA2ELI | Rem. | – | – | – | ≤0,12 | 0,08~0,16 | ≤0,03 | ≤0,015 | ≤0,008 | ≤0,05 | ≤0,20 |
| ERTA3ELI | Rem. | – | – | – | ≤0,16 | 0,13~0,20 | ≤0,03 | ≤0,02 | ≤0,008 | ≤0,05 | ≤0,20 |
| ERTA4ELI | Rem. | – | – | – | ≤0,25 | 0,18~0,32 | ≤0,03 | ≤0,025 | ≤0,008 | ≤0,05 | ≤0,20 |
| ERTA9 | Rem. | – | – | 0,12-0,25 | ≤0,12 | 0,08~0,16 | ≤0,03 | ≤0,015 | ≤0,008 | ≤0,05 | ≤0,20 |
| ERTA10 | Rem. | 0,2-0,4 | 0,6-0,9 | – | ≤0,15 | 0,08~0,16 | ≤0,03 | ≤0,015 | ≤0,008 | ≤0,05 | ≤0,20 |
Tabela 4-30: Análise da composição química e desvios permitidos de fios de soldagem de titânio acabados e ligas de titânio e fios de enchimento
| Elementos Componentes | Composição Química (Fração de Massa, %) | |||||||||||
| Mo | Não | PD | Fé | Ó | C | N | H | Elemento residual individual | ||||
| ≤0,20 | ≤0,30 | ≤0,10 | 0,10~0,15 | ≤0,25 | ||||||||
| Desvios permitidos | ±0,03 | ±0,03 | ±0,02 | +0,05 | +0,10 | +0,02 | ±0,02 | +0,03 | +0,01 | +0,01 | +0,002 | +0,02 |
Tabela 4-31: Modelos de fio e fio de enchimento recomendados para materiais de titânio comumente usados em recipientes
| Grau de titânio | Modelos de fio e fio de enchimento |
| TAI | ERTAIELI |
| TA2 | ERTA2ELI |
| TA3 | ERTA3ELI |
| TA4 | ERTA4ELI |
| TA9 | ERTA9 |
| TA10 | ERTA10 |
(2) Gás de Proteção:
O gás argônio é comumente usado como gás de proteção para soldagem de ligas de ferro e titânio. A pureza do gás argônio (fração volumétrica) não deve ser inferior a 99,99%.
As frações volumétricas de outros componentes do gás devem ser as seguintes: oxigênio inferior a 0,002%, nitrogênio inferior a 0,005%, hidrogênio inferior a 0,002% e teor de umidade inferior a 0,001 mg/L. A pressão no cilindro de gás não deve ser inferior a 0,5 MPa.
Ao usar, o ar no sistema de gás de proteção, como mangueiras de gás, tochas de soldagem e máscaras de soldagem, deve ser substituído por gás limpo. O gás hélio ou o gás misto argônio-hélio também podem ser usados como gás de proteção.
(3) Eletrodo de tungstênio:
Eletrodos de tungstênio comumente usados são eletrodos de tungstênio puro e eletrodos de tungstênio ceriados. Eletrodos de tungstênio ceriados contêm óxido de cério como impureza (fração de massa não superior a 0,1%).
Eletrodos de tungstênio ceriados têm função de trabalho de baixa emissão de elétrons, alta estabilidade química, alta densidade de corrente permissível, sem radioatividade e melhor desempenho do que eletrodos de tungstênio puro. Eles são eletrodos de tungstênio amplamente utilizados atualmente.
4. Preparação Pré-Soldagem
(1) Limpeza Pré-Soldagem:
Antes de soldar titânio e suas ligas, a superfície deve ser cuidadosamente limpa para remover óxidos, nitretos, óleo, umidade, etc. Geralmente é usada decapagem ácida ou retificação com rebolo ou lixa.
Para peças de difícil decapagem, como soldas longitudinais, soldas de cantos de recipientes e soldagem de tubos e placas em trocadores de calor, as laterais do chanfro podem ser retificadas com um rebolo ou lixa, e deve-se tomar cuidado para limpar o areia e poeira restantes.
Para fios de soldagem, cabeçotes, juntas de dilatação e outras peças que não são fáceis de lixar, a decapagem ácida deve ser realizada antes da soldagem, seguida de enxágue com água limpa.
Se a decapagem não for viável, um raspador de liga dura pode ser usado. Após o processo de limpeza acima, a área de soldagem deve ser limpa com solventes como acetona ou álcool anidro antes da soldagem, e não deve ser tocada com as mãos para evitar recontaminação. Caso ocorra recontaminação, deverá ser limpo e lavado novamente.
(2) Fabricação de Outros Dispositivos de Proteção na Zona de Soldagem:
Ao soldar titânio e ligas de titânio, o bico da pistola de soldagem protege a poça de fusão, a máscara de soldagem protege a frente da junta soldada durante o resfriamento e a placa traseira protege a parte traseira da junta soldada.
A pistola de soldagem usada para soldagem de titânio e ligas de titânio é diferente daquela usada para soldagem de alumínio ou aço inoxidável e geralmente emprega um bico de grande diâmetro.
Para soldagem manual, o diâmetro do bico é normalmente de 14 a 20 mm, enquanto para soldagem automática é de 16 a 22 mm. A máscara de soldagem pode proteger a solda e a zona afetada pelo calor acima de 400°C.
A forma e o tamanho da máscara de soldagem devem ser determinados com base em fatores como espessura da peça de trabalho, método de resfriamento, corrente de soldagem e formato da solda. A máscara de soldagem deve se mover junto com a pistola de soldagem sobre a zona de soldagem.
Placas de apoio de cobre podem ser usadas na parte traseira da solda para acelerar o resfriamento e isolar o ar. O gás protetor também pode ser soprado através da placa de suporte de cobre, ou uma máscara de soldagem pode ser aplicada na parte traseira da solda, acompanhando o processo de soldagem.
