Pourquoi le soudage du titane exige-t-il une telle précision et une telle expertise ? Dans cet article, nous explorerons les défis uniques posés par le soudage du titane, tels que sa réactivité chimique élevée et sa sensibilité aux impuretés. Découvrez les techniques essentielles et les meilleures pratiques pour garantir des soudures solides et fiables, tout en apprenant à éviter les pièges les plus courants. Que vous soyez un soudeur expérimenté ou que vous travailliez pour la première fois avec du titane, ce guide vous apportera des informations précieuses pour améliorer vos compétences et votre compréhension de ce matériau remarquable.
Les alliages de titane ont une faible densité, un rapport résistance/poids élevé, une bonne résistance à la corrosion, une faible conductivité thermique, ne sont pas toxiques, ne sont pas magnétiques et peuvent être soudés. Ils sont largement utilisés dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'aviation, de la chimie, du pétrole, de l'énergie, de la médecine, de la construction et du sport.
(1) Fragilisation due à la contamination par des impuretés :
En raison de la forte réactivité chimique du titane, les chaleur de soudage peut faire en sorte que le bain de soudure, le métal de la zone de fusion au-dessus de 350℃ et la zone affectée par la chaleur réagissent facilement avec l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, ainsi qu'avec les contaminants tels que l'huile, l'humidité, etc. présents dans l'air ou sur la surface de la pièce à souder. matériel de soudage et du fil de fer.
Le titane absorbe rapidement l'hydrogène au-dessus de 300℃, l'oxygène au-dessus de 600℃ et l'azote au-dessus de 700℃. Lorsqu'il contient une grande quantité de carbone, il peut développer une structure de réseau TiC fragile. Ces conditions réduisent considérablement la ductilité et la ténacité du titane et de ses alliages, ce qui entraîne une détérioration des performances du joint soudé.
La couleur du film d'oxyde formé à la surface du titane dépend de la température de production.
En dessous de 200℃, il apparaît blanc argenté ; à 300℃, il devient jaune pâle ; à 400℃, il devient or ; à 500℃ et 600℃, il présente des couleurs bleues et violettes, respectivement ; et de 700℃ à 900℃, il apparaît dans différentes nuances de gris.
La couleur de la pellicule d'oxyde peut être utilisée pour déterminer la température de la zone non protégée au cours de l'opération. processus de soudage.
(2) Dégradation des performances causée par la transformation des phases pendant le soudage :
Il existe deux structures cristallines du titane : au-dessus de 882℃, il présente une structure de réseau cubique centrée sur le corps, appelée β-titane, et au-dessous de 882℃, il présente une structure de réseau hexagonale étroitement empilée, appelée α-titane. Le titane utilisé pour les navires contient très peu d'éléments β-stabilisants et est principalement constitué d'alliages α-fer.
Pendant le soudage à haute température, la soudure et certaines parties de la zone affectée thermiquement se transforment en structure β-cristalline, ce qui entraîne une tendance significative à la croissance du grain.
Le titane ayant un point de fusion élevé, une grande capacité thermique spécifique et une faible conductivité thermique, le temps de séjour à haute température pendant le soudage est environ 3 à 4 fois plus long que celui de l'acier.
Il en résulte une zone affectée par la chaleur à haute température plus large, ce qui entraîne une croissance notable du grain dans la soudure et la zone affectée par la chaleur à haute température, et donc une diminution significative de la ductilité.
Par conséquent, lors du soudage du titane, il est généralement conseillé d'utiliser un apport de chaleur plus faible et des vitesses de refroidissement plus rapides afin de réduire le temps de séjour à haute température, de minimiser l'étendue de la croissance du grain, de réduire la taille de la zone affectée par la chaleur à haute température et d'atténuer la diminution de la ductilité.
(3) La zone de soudage doit être protégée par un gaz inerte :
À haute température, le titane a une forte affinité pour l'oxygène de l'air. Il est donc nécessaire d'utiliser un blindage en gaz inerte au-dessus de 200℃ pour éviter l'oxydation.
(4) Important distorsion de soudage:
Le module d'élasticité du titane n'est que la moitié de celui de l'acier au carbone. Sous la même contrainte de soudage, la distorsion de soudage du titane sera deux fois plus importante que celle de l'acier au carbone.
C'est pourquoi, lors du soudage du titane, il est généralement recommandé d'utiliser des plaques d'appui et des serrage afin de minimiser les distorsions dues au soudage.
(5) Sujet à la porosité :
La porosité est un défaut courant dans les soudures de titane. Les pores formés pendant le soudage du titane sont principalement des pores d'hydrogène, mais il peut également y avoir des pores formés par le gaz CO.
(6) Risque de fissuration :
Les impuretés telles que le soufre, le phosphore et le carbone dans le titane ont un point de fusion bas et une plage de température de solidification étroite avec le titane aux joints de grains.
Par conséquent, le retrait de la soudure pendant la solidification est faible et il n'y a généralement pas de fissure thermique dans la soudure. Les fissures dans les soudures de titane sont généralement induites par l'hydrogène fissures froides.
(7) Incompatibilité avec l'acier pour le soudage par fusion :
Le fer se dissout dans le titane à des fractions massiques très faibles, allant de seulement 0,05% à 0,10%.
Par conséquent, le titane et l'acier ne peuvent pas être directement soudés par fusion.
Les principales méthodes de soudage utilisées pour le titane et les alliages de titane sont le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG), le soudage au gaz inerte d'électrode de fusion (MIG) et le soudage au plasma. soudage à l'arc.
Brasage peut être utilisé pour le soudage de structures scellées qui ne supportent pas de charge. Le soudage à l'explosif peut également être utilisé pour le soudage de matériaux composites. soudage du titane et les plaques composites en acier.
(1) Fil de soudure :
La sélection du titane et du titane soudage d'alliages Le choix du fil est généralement basé sur sa compatibilité avec le matériau de base, mais il doit également passer la qualification de l'évaluation du processus de soudage.
Lors du choix d'un fil de soudure, il est difficile de trouver la bonne solution, car la teneur en impuretés du fil n'est contrôlée que dans une limite supérieure. Dans la plupart des cas, il n'y a aucun contrôle sur la limite inférieure.
En outre, chaque lot de fil de soudure produit ne garantit que la composition chimique, mais pas les propriétés mécaniques après soudage. Il est possible que certains lots de production de fil de soudure aient une teneur en impuretés exceptionnellement faible, ce qui en fait des produits qualifiés.
Cependant, leur résistance des soudures peut être plus faible, ce qui peut ne pas répondre à l'exigence d'une résistance minimale à la traction inférieure à la norme du matériau de base à l'état recuit.
Dans ce cas, il est nécessaire de passer à un autre lot de production de la même marque de fil de soudure ou même d'un fil de qualité supérieure (tel que le fil industriel pur) pour procéder à une nouvelle évaluation du processus jusqu'à ce qu'il devienne qualifié avant de finaliser la sélection du fil de soudure.
Pour les fils de soudure et les fils d'apport utilisés dans les conteneurs en titane et en alliages de titane, la composition chimique (analyse de fusion) est indiquée dans le tableau 4-29.
Lorsque l'on procède à un nouvel essai de composition chimique sur des échantillons de fil de soudure et de fil d'apport finis, les écarts admissibles pour l'analyse sont indiqués dans le tableau 4-30. Les écarts recommandés les types de soudage pour les matériaux en titane couramment utilisés dans les conteneurs se trouve dans le tableau 4-31.
Tableau 4-29 Composition chimique (analyse de fusion) du titane et de l'acier inoxydable Alliage de titane Fil de soudure et fil d'apport pour conteneurs.
| Modèle de fil | Composition chimique (fraction de masse, %) | ||||||||||
| Principaux éléments | Éléments d'impureté | Éléments résiduels | |||||||||
| Ti | Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H. | Unique | Somme totale | |
| 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 |
Tableau 4-30 : Analyse de la composition chimique et écarts admissibles des fils de soudure et fils d'apport finis en titane et alliages de titane
| Éléments constitutifs | Composition chimique (fraction de masse, %) | |||||||||||
| Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H | Élément résiduel individuel | ||||
| ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | 0.10~0.15 | ≤0.25 | ||||||||
| Écarts autorisés | ±0.03 | ±0.03 | ±0.02 | +0.05 | +0.10 | +0.02 | ±0.02 | +0.03 | +0.01 | +0.01 | +0.002 | +0.02 |
Tableau 4-31 : Modèles de fils et de fils d'apport recommandés pour les matériaux en titane couramment utilisés dans les conteneurs
| Qualité de titane | Modèles de fils et de fils d'apport |
| TAI | ERTAIELI |
| TA2 | ERTA2ELI |
| TA3 | ERTA3ELI |
| TA4 | ERTA4ELI |
| TA9 | ERTA9 |
| TA10 | ERTA10 |
(2) Gaz de protection:
L'argon est couramment utilisé comme gaz de protection pour le soudage des alliages de fer et de titane. La pureté de l'argon (fraction volumique) ne doit pas être inférieure à 99,99%.
Les fractions volumiques des autres composants gazeux doivent être les suivantes : oxygène inférieur à 0,002%, azote inférieur à 0,005%, hydrogène inférieur à 0,002%, et teneur en humidité inférieure à 0,001 mg/L. La pression dans la bouteille de gaz ne doit pas être inférieure à 0,5 MPa.
Lors de l'utilisation, l'air du système de gaz de protection, tel que les tuyaux de gaz, les torches et les masques de soudage, doit être remplacé par du gaz propre. L'hélium ou le mélange argon-hélium peuvent également être utilisés comme gaz de protection.
(3) Electrode en tungstène :
Les électrodes de tungstène couramment utilisées sont les électrodes de tungstène pur et les électrodes de tungstène cérié. Les électrodes de tungstène cériées contiennent de l'oxyde de cérium comme impureté (fraction de masse ne dépassant pas 0,1%).
Les électrodes de tungstène cériées ont une fonction de travail à faible émission d'électrons, une grande stabilité chimique, une densité de courant admissible élevée, une absence de radioactivité et de meilleures performances que les électrodes de tungstène pur. Ce sont des électrodes de tungstène largement utilisées à l'heure actuelle.
(1) Nettoyage avant soudage :
Avant de souder le titane et ses alliages, la surface doit être soigneusement nettoyée pour éliminer les oxydes, les nitrures, l'huile, l'humidité, etc. Le décapage à l'acide ou le meulage à l'aide d'une meule ou de papier de verre sont couramment utilisés.
Pour les pièces difficiles à décaper, telles que les soudures longitudinales, les soudures d'angle des conteneurs et les soudures de tubes et de plaques dans les échangeurs de chaleur, les côtés du biseau peuvent être meulés à l'aide d'une meule ou de papier de verre, en prenant soin de nettoyer le sable et la poussière restants.
Pour les fils de soudure, les têtes, les joints de dilatation et les autres pièces qui ne sont pas faciles à meuler, un décapage à l'acide doit être effectué avant le soudage, suivi d'un rinçage à l'eau claire.
Si le décapage n'est pas possible, un alliage dur un grattoir peut être utilisé. Après le processus de nettoyage ci-dessus, la zone de soudage doit être nettoyée avec des solvants tels que l'acétone ou l'alcool anhydre avant le soudage, et ne doit pas être touchée à la main pour éviter toute recontamination. En cas de recontamination, elle doit être nettoyée et lavée à nouveau.
(2) Fabrication d'autres dispositifs de protection dans l'entreprise Zone de soudage:
Lors du soudage du titane et des alliages de titane, la buse du pistolet de soudage protège le bain de fusion, le masque de soudage protège l'avant de l'appareil. joint soudé pendant le refroidissement, et la plaque d'appui protège l'arrière du joint soudé.
Le pistolet de soudage utilisé pour le soudage du titane et des alliages de titane est différent de celui utilisé pour le soudage de l'aluminium ou de l'acier inoxydable et utilise généralement une buse de grand diamètre.
Pour le soudage manuel, le diamètre de la buse est généralement de 14 à 20 mm, tandis que pour le soudage automatique, il est de 16 à 22 mm. Le masque de soudage peut protéger la soudure et la zone affectée thermiquement au-delà de 400°C.
La forme et la taille du masque de soudage doivent être déterminées en fonction de facteurs tels que l'épaisseur de la pièce, la méthode de refroidissement, le courant de soudage et la forme de la soudure. Le masque de soudage doit se déplacer avec le pistolet de soudage sur la zone de soudage.
Des plaques de cuivre peuvent être utilisées à l'arrière de la soudure pour accélérer le refroidissement et isoler l'air. Un gaz protecteur peut également être soufflé à travers la plaque de cuivre, ou un masque de soudage peut être appliqué sur la face arrière de la soudure, en suivant le processus de soudage.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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