Porque é que a soldadura de titânio exige tanta precisão e perícia? Neste artigo, vamos explorar os desafios únicos colocados pela soldadura de titânio, tais como a sua elevada reatividade química e sensibilidade às impurezas. Descubra as técnicas essenciais e as melhores práticas para garantir soldaduras fortes e fiáveis, ao mesmo tempo que aprende a evitar as armadilhas mais comuns. Quer seja um soldador experiente ou um novato no trabalho com titânio, este guia irá equipá-lo com conhecimentos valiosos para melhorar as suas competências e compreensão deste material notável.
As ligas de titânio têm baixa densidade, elevada relação resistência/peso, boa resistência à corrosão, baixa condutividade térmica, não toxicidade, não magnetismo e podem ser soldadas. São amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial, aeronáutica, química, petrolífera, energética, médica, da construção e desportiva.
(1) Fragilização causada por contaminação por impurezas:
Devido à elevada reatividade química do titânio, o calor de soldadura pode fazer com que a piscina de solda, 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. presentes no ar ou no material de soldadura e arame.
O titânio absorve rapidamente o hidrogênio acima de 300 ℃, oxigênio acima de 600 ℃ e nitrogênio acima de 700 ℃. Quando contém uma grande quantidade de carbono, pode desenvolver uma estrutura de rede TiC frágil. Essas condições reduzem significativamente a ductilidade e a tenacidade do titânio e suas ligas, resultando em uma deterioração do desempenho da junta soldada.
A cor da película de óxido formada na superfície do titânio depende da temperatura de produção.
Abaixo de 200 ℃, parece branco-prateado; a 300 ℃, torna-se amarelo pálido; a 400 ℃, torna-se ouro; a 500 ℃ e 600 ℃, exibe cores azul e roxa, respetivamente; e de 700 ℃ a 900 ℃, aparece em vários tons de cinza.
A cor da película de óxido pode ser utilizada para determinar a temperatura da área não protegida durante a processo de soldadura.
(2) Degradação do desempenho causada pela transformação de fase durante a soldadura:
Existem duas estruturas cristalinas de titânio: acima de 882 ℃, ele tem uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo conhecida como β-titânio, e abaixo de 882 ℃, ele tem uma estrutura de rede hexagonal compactada chamada α-titânio. O titânio usado para vasos contém muito poucos elementos estabilizadores β e é principalmente ligas de ferro α.
Durante a soldadura a altas temperaturas, a soldadura e partes da zona afetada pelo calor transformam-se na estrutura β-cristalina, levando a uma tendência significativa de crescimento do grão.
Uma vez que o titânio tem um elevado ponto de fusão, uma grande capacidade térmica específica e uma baixa condutividade térmica, o tempo de permanência a altas temperaturas durante a soldadura é aproximadamente 3 a 4 vezes superior ao do aço.
Isto resulta numa zona afetada pelo calor a alta temperatura mais larga, causando um crescimento notável do grão na soldadura e na zona afetada pelo calor a alta temperatura, levando a uma diminuição significativa da ductilidade.
Por conseguinte, ao soldar titânio, é geralmente aconselhável utilizar uma menor entrada de calor de soldadura e taxas de arrefecimento mais rápidas para reduzir o tempo de permanência a altas temperaturas, minimizar a extensão do crescimento do grão, diminuir o tamanho da zona afetada pelo calor a alta temperatura e mitigar a diminuição da ductilidade.
(3) É necessária uma proteção com gás inerte na zona de soldadura:
Em altas temperaturas, o titânio tem uma forte afinidade com o oxigênio no ar. Portanto, é necessário usar blindagem de gás inerte acima de 200 ℃ para evitar a oxidação.
(4) Significativo distorção da soldadura:
O módulo de elasticidade do titânio é apenas metade do do aço carbono. Sob a mesma tensão de soldadura, a distorção de soldadura do titânio será duas vezes maior do que a do aço carbono.
Por conseguinte, ao soldar titânio, recomenda-se geralmente a utilização de placas de apoio e fixação placas para minimizar a distorção da soldadura.
(5) Propensão para a porosidade:
A porosidade é um defeito comum nas soldaduras de titânio. Os poros formados durante a soldadura de titânio são principalmente poros de hidrogénio, mas também podem existir poros formados por gás CO.
(6) Potencial de fissuração:
As impurezas como o enxofre, o fósforo e o carbono no titânio têm um ponto de fusão baixo e um intervalo de temperatura de solidificação estreito com o titânio nos limites dos grãos.
Como resultado, o encolhimento da solda durante a solidificação é pequeno, e a fissuração térmica na solda geralmente não é produzida. As fissuras nas soldaduras de titânio são tipicamente induzidas pelo hidrogénio fissuras frias.
(7) Incompatibilidade com o aço para soldadura por fusão:
O ferro dissolve-se no titânio em fracções de massa muito baixas, variando entre apenas 0,05% e 0,10%.
Por conseguinte, o titânio e o aço não podem ser diretamente soldados por fusão.
Os principais métodos de soldadura utilizados para o titânio e as ligas de titânio são a soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG), a soldadura com gás inerte de elétrodo de fusão (MIG) e a soldadura com plasma soldadura por arco.
Brasagem pode ser utilizada para soldar estruturas seladas que não suportam carga. A soldadura por explosão também pode ser utilizada para a soldadura de materiais compósitos soldadura de titânio e placas compósitas de aço.
(1) Fio de soldadura:
A seleção de titânio e titânio soldadura de ligas O fio é geralmente baseado na sua correspondência com o material de base, mas também deve passar a qualificação da avaliação do processo de soldadura.
Ao escolher o fio de soldadura, é difícil encontrar uma correspondência adequada porque o teor de impurezas do fio só é controlado dentro de um limite superior. Na maioria dos casos, não há controlo sobre o limite inferior.
Além disso, cada lote de fio de soldadura produzido apenas garante a composição química, mas não as propriedades mecânicas após a soldadura. É possível que alguns lotes de produção de fio de soldadura possam ter um teor de impurezas invulgarmente baixo, tornando-os produtos qualificados.
No entanto, os seus resistência da soldadura pode ser inferior, o que pode não cumprir o requisito de resistência mínima à tração abaixo da norma do estado recozido do material de base.
Nestes casos, é necessário mudar para outro lote de produção da mesma marca de fio de soldadura ou mesmo para um fio de qualidade superior (como o industrial puro) para realizar uma nova avaliação do processo até que este se torne qualificado antes de finalizar a seleção do fio de soldadura.
A composição química (análise de fusão) do fio de soldadura e do fio de enchimento utilizados em recipientes feitos de titânio e ligas de titânio pode ser consultada no Quadro 4-29.
Ao realizar ensaios de composição química em amostras de fio de soldadura acabado e de fio de enchimento, os desvios permitidos para análise podem ser encontrados na Tabela 4-30. Os desvios recomendados tipos de soldadura e fio de enchimento para os materiais de titânio normalmente utilizados em contentores podem ser consultados no Quadro 4-31.
Tabela 4-29 Composição química (análise de fusão) de titânio e Liga de titânio Arame de soldadura e arame de enchimento para contentores.
| Modelo de fio | Composição química (fração mássica, %) | ||||||||||
| Principais componentes | Elementos de impureza | Elementos residuais | |||||||||
| Ti | Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H. | Individual | Montante 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 admissíveis dos fios de soldadura e fios de enchimento de titânio e ligas de titânio acabados
| Elementos de componentes | Composição química (fração mássica, %) | |||||||||||
| Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H | Elemento residual individual | ||||
| ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | 0.10~0.15 | ≤0.25 | ||||||||
| Desvios admissíveis | ±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 recomendados de arame e arame de enchimento para materiais de titânio comummente utilizados em contentores
| Grau de titânio | Modelos de arame e fio de enchimento |
| TAI | ERTAIELI |
| TA2 | ERTA2ELI |
| TA3 | ERTA3ELI |
| TA4 | ERTA4ELI |
| TA9 | ERTA9 |
| TA10 | ERTA10 |
(2) Gás de proteção:
O gás árgon é normalmente utilizado como gás de proteção para a soldadura de ligas de ferro e de titânio. A pureza do gás árgon (fração volumétrica) não deve ser inferior a 99,99%.
As fracções de volume de outros componentes do gás devem ser as seguintes: oxigénio inferior a 0,002%, azoto inferior a 0,005%, hidrogénio inferior a 0,002% e teor de humidade inferior a 0,001 mg/L. A pressão na garrafa 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 soldadura e máscaras de soldadura, deve ser substituído por gás limpo. O gás hélio ou o gás misto de árgon e hélio também podem ser utilizados como gás de proteção.
(3) Elétrodo de tungsténio:
Os eléctrodos de tungsténio habitualmente utilizados são os eléctrodos de tungsténio puro e os eléctrodos de tungsténio ceriado. Os eléctrodos de tungsténio ceriato contêm óxido de cério como impureza (fração mássica não superior a 0,1%).
Os eléctrodos de tungsténio ceriado têm uma função de trabalho com baixa emissão de electrões, elevada estabilidade química, elevada densidade de corrente admissível, ausência de radioatividade e melhor desempenho do que os eléctrodos de tungsténio puro. Atualmente, são eléctrodos de tungsténio muito utilizados.
(1) Limpeza antes da soldadura:
Antes de soldar o titânio e as suas ligas, a superfície deve ser cuidadosamente limpa para remover óxidos, nitretos, óleo, humidade, etc. É habitualmente utilizada a decapagem ácida ou a retificação com uma mó ou uma lixa.
No caso de peças difíceis de limpar, tais como soldaduras longitudinais, soldaduras de cantos de contentores e soldadura de tubos e placas em permutadores de calor, os lados do bisel podem ser esmerilados com uma mó ou lixa, devendo ter-se o cuidado de limpar a areia e o pó remanescentes.
Para fios de soldadura, cabeças, juntas de expansão e outras peças que não são fáceis de triturar, a decapagem ácida deve ser efectuada antes da soldadura, seguida de lavagem com água limpa.
Se a decapagem não for viável, um liga dura pode ser utilizado um raspador. Após o processo de limpeza acima referido, a área de soldadura deve ser limpa com solventes como a acetona ou o álcool anidro antes da soldadura, e não deve ser tocada à mão para evitar a recontaminação. Se ocorrer recontaminação, deve ser limpa e lavada novamente.
(2) Fabrico de outros dispositivos de proteção na Zona de soldadura:
Ao soldar titânio e ligas de titânio, o bocal da pistola de soldadura protege a poça de fusão, a máscara de soldadura protege a frente do junta soldada durante o arrefecimento, e a placa de apoio protege a parte de trás da junta soldada.
A pistola de soldadura utilizada para a soldadura de titânio e de ligas de titânio é diferente da utilizada para a soldadura de alumínio ou de aço inoxidável e utiliza normalmente um bocal de grande diâmetro.
Para a soldadura manual, o diâmetro do bocal é tipicamente de 14-20 mm, enquanto que para a soldadura automática é de 16-22 mm. A máscara de soldadura pode proteger a soldadura e a zona afetada pelo calor acima de 400°C.
A forma e o tamanho da máscara de soldadura devem ser determinados com base em factores como a espessura da peça de trabalho, o método de arrefecimento, a corrente de soldadura e a forma da soldadura. A máscara de soldadura deve mover-se juntamente com a pistola de soldadura sobre a zona de soldadura.
Podem ser utilizadas placas de suporte de cobre na parte de trás da soldadura para acelerar o arrefecimento e isolar o ar. O gás de proteção pode também ser soprado através da placa de suporte de cobre, ou pode ser aplicada uma máscara de soldadura na parte de trás da soldadura, acompanhando o processo de soldadura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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