Perché la saldatura del titanio richiede tanta precisione e competenza? In questo articolo esploreremo le sfide uniche poste dalla saldatura del titanio, come l'elevata reattività chimica e la sensibilità alle impurità. Scoprite le tecniche essenziali e le migliori pratiche per garantire saldature forti e affidabili, imparando a evitare le insidie più comuni. Sia che siate saldatori esperti o che siate alle prime armi con il titanio, questa guida vi fornirà preziose indicazioni per migliorare le vostre capacità e la vostra comprensione di questo straordinario materiale.
Le leghe di titanio hanno bassa densità, elevato rapporto resistenza/peso, buona resistenza alla corrosione, bassa conducibilità termica, atossicità, amagnetismo e possono essere saldate. Sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, aeronautico, chimico, petrolifero, energetico, medico, edile e sportivo.
(1) Infragilimento causato dalla contaminazione da impurità:
A causa dell'elevata reattività chimica del titanio, la calore di saldatura Il ciclo di saldatura può far sì che il bagno di saldatura, il metallo della zona di fusione al di sopra dei 350℃ e la zona interessata dal calore reagiscano facilmente con idrogeno, ossigeno, azoto e contaminanti come olio, umidità, ecc. presenti nell'aria o sulla superficie. materiale di saldatura e filo.
Il titanio assorbe rapidamente l'idrogeno sopra i 300℃, l'ossigeno sopra i 600℃ e l'azoto sopra i 700℃. Quando contiene un'elevata quantità di carbonio, può sviluppare una struttura a rete TiC fragile. Queste condizioni riducono significativamente la duttilità e la tenacità del titanio e delle sue leghe, con conseguente deterioramento delle prestazioni del giunto saldato.
Il colore della pellicola di ossido che si forma sulla superficie del titanio dipende dalla temperatura di produzione.
Al di sotto dei 200℃, appare di colore bianco-argento; a 300℃, diventa giallo pallido; a 400℃, diventa oro; a 500℃ e 600℃, mostra rispettivamente colori blu e viola; e da 700℃ a 900℃, appare in varie tonalità di grigio.
Il colore della pellicola di ossido può essere utilizzato per determinare la temperatura dell'area non protetta durante la processo di saldatura.
(2) Degrado delle prestazioni causato dalla trasformazione di fase durante la saldatura:
Il titanio presenta due strutture cristalline: al di sopra degli 882℃ ha una struttura reticolare cubica a corpo centrato, nota come β-titanio, mentre al di sotto degli 882℃ ha una struttura reticolare esagonale strettamente impacchettata, detta α-titanio. Il titanio utilizzato per i recipienti contiene pochissimi elementi stabilizzanti β ed è costituito per lo più da leghe di ferro α.
Durante la saldatura ad alte temperature, la saldatura e alcune parti della zona termicamente interessata si trasformano in struttura β-cristallina, con una significativa tendenza alla crescita dei grani.
Poiché il titanio ha un elevato punto di fusione, una grande capacità termica specifica e una bassa conducibilità termica, il tempo di permanenza alle alte temperature durante la saldatura è da 3 a 4 volte superiore a quello dell'acciaio.
Ciò comporta una zona termicamente colpita ad alta temperatura più ampia, che provoca una notevole crescita dei grani nella saldatura e nella zona termicamente colpita ad alta temperatura, con una significativa diminuzione della duttilità.
Pertanto, quando si salda il titanio, è generalmente consigliabile utilizzare un minore apporto di calore di saldatura e velocità di raffreddamento per ridurre il tempo di permanenza alle alte temperature, minimizzare l'entità della crescita dei grani, diminuire le dimensioni della zona termicamente colpita ad alta temperatura e mitigare la diminuzione della duttilità.
(3) Nella zona di saldatura è richiesta la schermatura con gas inerte:
Alle alte temperature, il titanio ha una forte affinità con l'ossigeno presente nell'aria. Pertanto, è necessario utilizzare una schermatura con gas inerte al di sopra dei 200℃ per evitare l'ossidazione.
(4) Significativo distorsione di saldatura:
Il modulo elastico del titanio è solo la metà di quello dell'acciaio al carbonio. A parità di sforzo di saldatura, la distorsione del titanio sarà doppia rispetto a quella dell'acciaio al carbonio.
Per questo motivo, quando si salda il titanio, si raccomanda in genere di utilizzare piastre di supporto e di serraggio per ridurre al minimo la distorsione della saldatura.
(5) Incline alla porosità:
La porosità è un difetto comune nelle saldature del titanio. I pori che si formano durante la saldatura del titanio sono principalmente pori di idrogeno, ma possono anche essere formati dal gas CO.
(6) Potenziale di fessurazione:
Le impurità come lo zolfo, il fosforo e il carbonio presenti nel titanio hanno un basso punto di fusione e un ristretto intervallo di temperatura di solidificazione con il titanio ai confini dei grani.
Di conseguenza, il ritiro della saldatura durante la solidificazione è ridotto e in genere non si producono cricche termiche nella saldatura. Le cricche nelle saldature di titanio sono tipicamente indotte dall'idrogeno. crepe fredde.
(7) Incompatibilità con l'acciaio per la saldatura per fusione:
Il ferro si dissolve nel titanio a frazioni di massa molto basse, che vanno da 0,05% a 0,10%.
Pertanto, il titanio e l'acciaio non possono essere saldati direttamente per fusione.
I principali metodi di saldatura utilizzati per il titanio e le leghe di titanio sono la saldatura a gas inerte di tungsteno (TIG), la saldatura a elettrodo fuso a gas inerte (MIG) e la saldatura al plasma. saldatura ad arco.
Brasatura può essere utilizzata per saldare strutture sigillate che non sopportano carichi. La saldatura per esplosione può essere impiegata anche per la saldatura di materiali compositi. saldatura del titanio e piastre composite in acciaio.
(1) Filo per saldatura:
La scelta del titanio e del titanio saldatura in lega La scelta del filo si basa generalmente sull'abbinamento con il materiale di base, ma deve anche superare la valutazione del processo di saldatura.
Quando si sceglie un filo di saldatura, è difficile trovare una corrispondenza adeguata perché il contenuto di impurità del filo è controllato solo entro un limite superiore. Nella maggior parte dei casi, non è possibile controllare il limite inferiore.
Inoltre, ogni lotto di filo per saldatura prodotto garantisce solo la composizione chimica, ma non le proprietà meccaniche dopo la saldatura. È possibile che alcuni lotti di produzione di filo per saldatura abbiano un contenuto di impurità insolitamente basso, che li rende prodotti qualificati.
Tuttavia, il loro resistenza della saldatura può essere inferiore, non soddisfacendo così il requisito di una resistenza minima alla trazione inferiore allo standard di stato ricotto del materiale di base.
In questi casi, è necessario passare a un altro lotto di produzione della stessa marca di filo per saldatura o addirittura a un filo di qualità superiore (come il puro industriale) per condurre una nuova valutazione del processo fino a ottenere la qualificazione prima di concludere la selezione del filo per saldatura.
Per il filo di saldatura e il filo di apporto utilizzato nei contenitori in titanio e leghe di titanio, la composizione chimica (analisi di fusione) è riportata nella Tabella 4-29.
Quando si esegue una nuova analisi della composizione chimica su campioni di filo di saldatura e di filo di apporto finiti, le deviazioni ammissibili per l'analisi sono riportate nella Tabella 4-30. La raccomandazione tipi di saldatura per i materiali in titanio comunemente usati nei contenitori sono riportati nella Tabella 4-31.
Tabella 4-29 Composizione chimica (analisi di fusione) del titanio e del Lega di titanio Filo per saldatura e filo d'apporto per contenitori.
| Modello a filo | Composizione chimica (frazione di massa, %) | ||||||||||
| Componenti principali | Elementi di impurità | Elementi residui | |||||||||
| Ti | Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H. | Singolo | Somma 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 |
Tabella 4-30: Analisi della composizione chimica e deviazioni ammissibili dei fili di saldatura e dei fili di apporto finiti in titanio e in lega di titanio
| Elementi del componente | Composizione chimica (frazione di massa, %) | |||||||||||
| Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H | Elemento residuo individuale | ||||
| ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | 0.10~0.15 | ≤0.25 | ||||||||
| Deviazioni consentite | ±0.03 | ±0.03 | ±0.02 | +0.05 | +0.10 | +0.02 | ±0.02 | +0.03 | +0.01 | +0.01 | +0.002 | +0.02 |
Tabella 4-31: Modelli di fili e fili di riempimento consigliati per i materiali in titanio comunemente utilizzati nei contenitori
| Grado di titanio | Modelli di filo e filo di riempimento |
| TAI | ERTAIELI |
| TA2 | ERTA2ELI |
| TA3 | ERTA3ELI |
| TA4 | ERTA4ELI |
| TA9 | ERTA9 |
| TA10 | ERTA10 |
(2) Gas di schermatura:
Il gas argon è comunemente utilizzato come gas di protezione per la saldatura di leghe di ferro e titanio. La purezza del gas argon (frazione di volume) non deve essere inferiore a 99,99%.
Le frazioni volumetriche degli altri componenti del gas devono essere le seguenti: ossigeno inferiore a 0,002%, azoto inferiore a 0,005%, idrogeno inferiore a 0,002% e umidità inferiore a 0,001 mg/L. La pressione nella bombola di gas non deve essere inferiore a 0,5 MPa.
Durante l'utilizzo, l'aria del sistema di gas di protezione, come i tubi del gas, le torce di saldatura e le maschere di saldatura, deve essere sostituita con gas pulito. Come gas di protezione si può utilizzare anche il gas elio o il gas misto argon-elio.
(3) Elettrodo di tungsteno:
Gli elettrodi di tungsteno comunemente utilizzati sono elettrodi di tungsteno puro e elettrodi di tungsteno ceriato. Gli elettrodi di tungsteno cerato contengono ossido di cerio come impurità (frazione di massa non superiore a 0,1%).
Gli elettrodi di tungsteno cerato hanno una funzione di lavoro a bassa emissione di elettroni, elevata stabilità chimica, alta densità di corrente ammissibile, assenza di radioattività e prestazioni migliori rispetto agli elettrodi di tungsteno puro. Attualmente sono elettrodi di tungsteno ampiamente utilizzati.
(1) Pulizia pre-saldatura:
Prima di saldare il titanio e le sue leghe, la superficie deve essere accuratamente pulita per rimuovere ossidi, nitruri, olio, umidità, ecc. Si ricorre comunemente al decapaggio acido o alla smerigliatura con mola o carta vetrata.
Per le parti difficili da pulire, come le saldature longitudinali, le saldature d'angolo dei contenitori e le saldature di tubi e piastre negli scambiatori di calore, i lati dello smusso possono essere rettificati con una mola o con carta vetrata, avendo cura di pulire la sabbia e la polvere rimanenti.
Per i fili di saldatura, le teste, i giunti di espansione e altre parti che non sono facili da smerigliare, prima della saldatura è necessario eseguire un decapaggio acido, seguito da un risciacquo con acqua pulita.
Se il decapaggio non è fattibile, un lega dura è possibile utilizzare un raschietto. Dopo il processo di pulizia di cui sopra, l'area di saldatura deve essere pulita con solventi come acetone o alcool anidro prima della saldatura e non deve essere toccata con le mani per evitare la ricontaminazione. Se si verifica una ricontaminazione, è necessario pulire e lavare nuovamente.
(2) Realizzazione di altri dispositivi di protezione nella zona di lavoro Zona di saldatura:
Durante la saldatura del titanio e delle leghe di titanio, l'ugello della pistola di saldatura protegge il bagno fuso, la maschera di saldatura protegge la parte anteriore della macchina. giunto saldato durante il raffreddamento, mentre la piastra di supporto protegge il retro del giunto saldato.
La pistola di saldatura utilizzata per la saldatura del titanio e delle leghe di titanio è diversa da quella utilizzata per la saldatura dell'alluminio o dell'acciaio inossidabile e di solito impiega un ugello di grande diametro.
Per la saldatura manuale, il diametro dell'ugello è in genere di 14-20 mm, mentre per la saldatura automatica è di 16-22 mm. La maschera di saldatura è in grado di proteggere la saldatura e la zona interessata dal calore al di sopra dei 400°C.
La forma e le dimensioni della maschera di saldatura devono essere determinate in base a fattori quali lo spessore del pezzo, il metodo di raffreddamento, la corrente di saldatura e la forma della saldatura. La maschera di saldatura deve muoversi insieme alla pistola di saldatura sulla zona di saldatura.
Per accelerare il raffreddamento e isolare l'aria, si possono utilizzare piastre di rame sul lato posteriore della saldatura. Il gas di protezione può anche essere soffiato attraverso la piastra di rame, oppure si può applicare una maschera di saldatura sul lato posteriore della saldatura, procedendo di pari passo con il processo di saldatura.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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