A soldagem de ligas de titânio com paredes espessas apresenta desafios significativos, mas tem imenso valor em setores como o aeroespacial e o de equipamentos marítimos. Este artigo explora as tecnologias avançadas de soldagem por fusão, como a soldagem com eletrodo não consumível com proteção gasosa, a soldagem por feixe de elétrons e a soldagem a laser. Ele destaca seus benefícios, as pesquisas atuais e as tendências de desenvolvimento em andamento para melhorar a qualidade e a eficiência da soldagem. Ao se aprofundar nessas técnicas inovadoras, o artigo tem como objetivo fornecer insights sobre a superação de problemas comuns, como fragilização e trincas de soldagem, garantindo resultados de alto desempenho para aplicações críticas.
A liga de titânio é amplamente utilizada nos setores aeroespacial, de equipamentos marítimos e outros, devido à sua alta resistência específica, excelente resistência à corrosão e desempenho em altas temperaturas.
Nos últimos anos, a tecnologia de soldagem de ligas de titânio de paredes espessas ganhou um valor de aplicação significativo devido à crescente demanda por essas ligas. Assim, este artigo tem como objetivo resumir o progresso da tecnologia de soldagem por fusão para materiais de liga de titânio de paredes espessas. Ela inclui principalmente a soldagem com eletrodo não derretido e proteção gasosa, a soldagem por feixe de elétrons e a soldagem por fusão. soldagem a laser. Além disso, este documento também apresenta uma visão geral sobre a tendência de desenvolvimento da liga de titânio de paredes espessas tecnologia de soldagem.
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Liga de titânio é caracterizado por baixa densidade, alta resistência específica, rigidez específica, excelente resistência à corrosão e boa processabilidade. É um novo material funcional com grande potencial de desenvolvimento e perspectivas de aplicação promissoras. Conhecido como o "terceiro metal" depois do aço e do alumínio, é um material metálico estratégico essencial, amplamente utilizado nos setores aeroespacial, petroquímico, de equipamentos de defesa nacional e em outros campos.
Nos últimos anos, com a crescente demanda por equipamentos leves e de grande escala no setor de defesa nacional, a necessidade de ligas de titânio de paredes espessas tornou-se mais urgente, juntamente com a tecnologia de processamento correspondente.
Em aplicações práticas de engenharia, a soldagem é o principal método usado para conectar estruturas de liga de titânio de paredes espessas, tornando o titânio de paredes espessas eficiente e de alta qualidade. soldagem de ligas tecnologia essencial e que está atraindo bastante atenção.
Este artigo resume o status da pesquisa da tecnologia de soldagem por fusão de ligas de titânio de paredes espessas, identifica os problemas existentes com a soldagem por fusão de ligas de titânio de paredes espessas e explora as perspectivas de desenvolvimento e as direções de pesquisa da tecnologia de soldagem por fusão de ligas de titânio de paredes espessas.
As ligas de titânio podem ser classificadas em cinco categorias com base em sua composição química e conteúdo: liga de titânio α, liga de titânio quase α (com uma fração de massa de fase β de ≤10%), liga de titânio de fase dupla α-β (com uma fração de massa de fase β de 10% ≤ β ≤ 50%), liga de titânio β metaestável e liga de titânio β.
A liga de titânio de fase dupla α-β é amplamente utilizada devido às suas excelentes propriedades abrangentes. Ela combina as características de estabilidade térmica da liga de titânio do tipo α com as características de fortalecimento do tratamento térmico da liga de titânio do tipo β.
(1) Alta resistência específica.
A liga de titânio é uma liga leve com densidade de 4,54 g/cm3 a 20 ℃, que é cerca de 56% da do aço comum. O uso da liga de titânio na fabricação de peças mecânicas pode reduzir significativamente o peso e obter um efeito de leveza.
(2) Boa resistência à corrosão.
A liga de titânio forma uma película de óxido estável, contínua e densa na superfície quando exposta ao ar, o que a torna em um estado passivo. Além disso, a película de óxido da liga de titânio tem excelente desempenho de reparo. Em caso de danos causados por fatores externos, ele pode ser prontamente restaurado, o que confere à liga de titânio uma notável resistência à corrosão.
(3) Desempenho em altas temperaturas.
O ponto de fusão da liga de titânio é 1667 ℃, que pode funcionar de forma estável em um ambiente de 500 a 600 ℃ e tem alta resistência à fluência e ao calor.
(1) Fragilização da junta soldada:
Sem a proteção adequada, a temperatura de aquecimento da liga de titânio pode desencadear várias reações químicas. A absorção de hidrogênio começa a 250 ℃, a absorção de oxigênio começa a 400 ℃, a oxidação severa ocorre a 540 ℃ e a absorção de nitrogênio começa a 600 ℃.
Esses gases se dissolvem na poça de fusão durante a soldagem e sofrem reações químicas que podem causar a fragilização da junta soldada. Como resultado, a plasticidade e a resistência da junta soldada diminuem rapidamente. Portanto, é fundamental proteger a processo de soldagem para evitar a ocorrência de tais reações.
(2) Trincas de solda:
As ligas de titânio têm baixos níveis de impurezas, incluindo S, P, C e outros contaminantes. Elas também contêm menos compostos eutéticos de baixo ponto de fusão e têm uma faixa estreita de temperatura de cristalização, o que as torna menos suscetíveis a trincas a quente.
No entanto, ao soldar ligas de titânio de paredes espessas usando técnicas de soldagem de várias camadas e vários passes, a junta soldada é submetida a altos níveis de tensão de restrição, resultando em tensão residual na junta. Sob a influência dessa tensão residual, as trincas a frio são facilmente formadas.
(3) Porosidade:
A porosidade é um defeito comum que pode ocorrer durante o uso do titânio soldagem de ligas. Isso se deve à alta pressão de vapor de saturação e aos elementos ativos presentes na liga de titânio. A porosidade do hidrogênio pode ocorrer quando a superfície do metal de base e o material de soldagem estiver contaminado ou quando o gás de proteção contiver impurezas, como oxigênio, hidrogênio ou água.
A soldagem TIG não consumível com proteção gasosa é amplamente utilizada no campo das ligas de titânio devido a seus benefícios, como um arco estável, menos respingos de soldae boa formação de solda. No entanto, o método tradicional Soldagem TIG para ligas de titânio resulta em um tempo de permanência mais longo em alta temperatura da junta soldada e em um resfriamento mais rápido do metal líquido fundido.
Isso se deve à baixa condutividade térmica das ligas de titânio, o que leva a uma tendência perceptível de engrossamento do grão na zona de solda e a um aumento da temperatura. zona afetada pelo calor.
Além disso, o grande tamanho da ranhura exige a soldagem de várias camadas e vários passes, resultando em baixa eficiência de soldagem, tensão excessiva e deformação. Para reduzir a tendência de engrossamento dos grãos, Lu Xin empregou a soldagem TIG para realizar a soldagem multicamadas e multipasses da liga de titânio TC4 de 20 mm de espessura com um ângulo de ranhura de 60°. A Fig. 1 mostra as microestruturas de juntas soldadas sob diferentes entradas de calor.
Como calor de soldagem Quando a entrada de calor diminui, o tamanho da martensita dentro dos grãos se torna menor e mais uniforme, e os grãos de solda se tornam progressivamente mais finos. Portanto, é necessário um controle rigoroso do aporte térmico de soldagem ao usar a soldagem TIG para soldar chapas grossas de liga de titânio TC4 para evitar grãos de junta grosseiros e evitar a ocorrência de estruturas anormais, rachaduras e outros defeitos.
Fig.1 Microestrutura da zona de solda sob diferentes aportes térmicos
Yang Lu et al. empregaram uma ranhura em forma de X e alternaram a soldagem frontal e traseira para realizar a soldagem TIG multicamada em liga de titânio TC4 de 24 mm de espessura, com o objetivo de minimizar a tensão residual e a deformação nas juntas soldadas.
Simultaneamente, utilizando a plataforma SYSWELD, os pesquisadores realizaram simulações numéricas do campo de temperatura, do campo de tensão e da deformação da solda em juntas soldadas. As simulações foram realizadas com a suposição de fixação completamente rígida em ambas as extremidades da junta soldada. placa de soldaconforme ilustrado na Figura 2.
Os resultados indicaram que a utilização da sequência de soldagem de dois lados alternados poderia reduzir significativamente a tensão e a deformação na junta soldada.
Fig.2 Perfil da morfologia TEM de junta de solda espessura da tensão residual
Em resumo, embora a soldagem TIG tradicional seja adequada para a soldagem de ligas de titânio com paredes espessas, o tamanho do grão, a tensão da junta e a deformação podem ser minimizados com a redução adequada do aporte térmico de soldagem e a utilização de uma ranhura em forma de X para a soldagem alternada de dupla face.
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No entanto, ainda há um problema com os grandes tamanhos de ranhura que levam a uma baixa eficiência de soldagem, dificultando a popularização da técnica na soldagem de ligas de titânio de paredes espessas.
O tamanho da ranhura para a soldagem de espaço estreito é pequeno, resultando em uma redução significativa no volume quando comparado às soldas tradicionais de preenchimento de ranhuras. Essa redução não só aumenta a eficiência da soldagem, mas também reduz os custos de produção.
A soldagem TIG com fenda estreita é um processo flexível que apresenta custos de equipamento relativamente baixos e um processo de soldagem estável. Além disso, as ranhuras de espaço estreito podem reduzir o número de passes de solda, o que, por sua vez, melhora a deformação da solda e permite um melhor controle da tensão de soldagem.
Como resultado, a soldagem TIG de fenda estreita para ligas de titânio de paredes espessas oferece vantagens significativas.
No entanto, a pequena lacuna da ranhura na soldagem TIG de lacuna estreita pode fazer com que o arco "suba" ao longo da parede lateral, levando a um aporte de calor insuficiente no canto inferior de ambos os lados da cordão de solda e fusão deficiente da parede lateral.
Atualmente, a tecnologia de soldagem TIG de fendas estreitas para ligas de titânio de paredes espessas geralmente emprega oscilação mecânica e campos magnéticos externos para regular o arco. Esses métodos resolvem com eficácia o problema da fusão deficiente das paredes laterais de fendas estreitas.
2.2.1 Soldagem TIG de espaço estreito com oscilação mecânica
O princípio da soldagem TIG de espaço estreito com oscilação mecânica é o seguinte: durante o processo de soldagem, o eletrodo de tungstênio se move para frente e para trás dentro da ranhura, girando o grampo do eletrodo de tungstênio, o que faz com que o arco aponte periodicamente para as paredes laterais da ranhura, garantindo a qualidade de fusão das paredes laterais.
O processo de soldagem está representado na Figura 3.
O modo de soldagem de espaço estreito de oscilação mecânica é altamente adaptável a mudanças na largura da ranhura de soldagem. Ele minimiza a ocorrência de defeitos de não fusão na parede lateral durante a soldagem, resultando em uma soldagem mais estável. qualidade da soldagem. Essa técnica ganhou uso generalizado na soldagem TIG de lacunas estreitas de ligas de titânio de paredes espessas.
Fig. 3 Diagrama esquemático do processo de soldagem TIG de abertura estreita por oscilação mecânica
Jiang Yongchun utilizou o TIG de abertura estreita de giro mecânico técnica de soldagem para obter uma conexão de alta qualidade da liga de titânio TC4 com uma espessura de 52 mm. Isso foi possível graças à seleção de parâmetros de soldagem adequados e medidas de proteção de soldagem.
A Figura 4 ilustra a macro metalografia e a microestrutura da junta soldada. Devido à rápida velocidade de resfriamento, α 'martensita é formado na zona afetada pelo calor. No entanto, a resistência da solda atinge 90% do metal base, e a dureza da zona de fusão apresenta o valor máximo.
Fig.4 Metalografia macroscópica e microestrutura da junta soldada
Li Shuang et al. utilizaram a tecnologia de soldagem TIG de abertura estreita por oscilação mecânica para realizar a soldagem de arame de enchimento de camada única da liga de titânio TC4 de 30 mm de espessura e analisaram a microestrutura da junta soldada.
As descobertas revelaram que os grãos na zona de solda eram significativamente mais grossos, predominantemente grãos colunares grosseiros, e suas microestruturas consistiam em α'martensita acicular, que estavam paralelamente dispersos nos grãos da fase β.
A zona afetada pelo calor adjacente ao lado da solda apresentou um grau mais significativo de engrossamento dos grãos do que o lado do metal de base.
Concluindo, a tecnologia de soldagem TIG de espaço estreito de oscilação mecânica tem um processo de soldagem estável e baixo custo de equipamento.
A oscilação periódica do eletrodo de tungstênio resolveu efetivamente o problema da fusão inadequada da parede lateral da liga de titânio de parede espessa.
No entanto, devido à entrada substancial de calor, a junta demonstrou uma tendência aparente de engrossamento dos grãos.
2.2.2 Soldagem TIG de fenda estreita controlada magneticamente
O conceito da tecnologia de soldagem TIG de fenda estreita controlada magneticamente foi introduzido pela primeira vez pelo Barton Welding Technology Research Institute da Ucrânia. Nos últimos anos, o Guangdong Welding Technology Research Institute realizou pesquisas fundamentais e promoveu a aplicação industrial dessa tecnologia para ligas de titânio de paredes espessas.
A Figura 5 ilustra o diagrama do processo de soldagem e a oscilação do arco da soldagem TIG de fenda estreita controlada magneticamente. Durante o processo de soldagem, a bobina eletromagnética é conectada à corrente alternada, e a chapa de aço silício que passa pela bobina se torna um ímã.
A linha de indução magnética passa então pelo eletrodo e pelo arco, resultando em uma oscilação periódica do arco em direção às duas paredes laterais. Isso facilita a fusão das paredes laterais de espaço estreito, tornando possível a soldagem TIG de espaço estreito.
Fig.5 Ilustração esquemática do campo magnético transversal externo e da oscilação do arco
Estudiosos de todo o mundo realizaram uma extensa pesquisa sobre o impacto da intensidade do campo magnético, da frequência do campo magnético e da posição do eletrodo na fusão da parede lateral, na formação da solda e no processo de cristalização, a fim de obter resultados de alta qualidade.soldagem de qualidade de controle magnético para soldagem TIG de espaço estreito.
Kshirsagar R et al. investigaram o impacto de um campo magnético externo na formação da solda, conforme ilustrado na Fig. 6.
Os resultados indicam que há uma falta significativa de fusão na parede lateral quando não há campo magnético externo. Entretanto, a fusão da parede lateral é satisfatória quando um campo magnético externo está presente.
Fig. 6 Efeito do campo magnético transversal externo na configuração e na microestrutura do cordão de solda
(a) Sem campo magnético externo
(b) Com campo magnético externo
Um estudo realizado por Hua Aibing et al. examinou o impacto da intensidade do campo magnético externo na fusão da parede lateral da solda de fenda estreita. Os resultados indicam que uma intensidade de campo magnético de ≥ 4 mT pode melhorar efetivamente a fusão da parede lateral, resultando em uma fusão de solda relativamente uniforme.
Outro estudo realizado por Chang Yunlong et al. investigou o efeito da frequência do campo magnético externo na fusão da parede lateral. As descobertas mostraram que, à medida que a frequência do campo magnético aumentava, a profundidade de penetração do fundo da solda e a profundidade do impacto do arco também aumentavam, enquanto o penetração da solda A largura e a penetração na parede lateral diminuíram.
Yu Chen et al. realizaram um estudo sobre a influência da posição do eletrodo na fusão da parede lateral. Os resultados revelaram que, quando o eletrodo de tungstênio foi deslocado da posição central, a intensidade do influxo de corrente da parede lateral próxima aumentou, enquanto a intensidade do influxo de corrente da parede lateral distante diminuiu. Para evitar a penetração desigual na parede lateral e a fusão deficiente da parede lateral, é necessário um controle rigoroso da posição do eletrodo.
Sun Jie et al. realizaram um estudo sobre a influência da força eletromagnética no processo de cristalização. A Figura 7 ilustra a cristalização primária da solda de liga de titânio sob a ação do campo magnético.
Os resultados indicam que o efeito eletromagnético pode aumentar a estabilidade da área frontal de cristalização plana e os cristais equiaxiais formados posteriormente.
À medida que a intensidade do campo magnético aumenta, a microestrutura próxima à linha de fusão muda gradualmente de cristal colunar para equiaxial. O arco com controle magnético melhora significativamente a estabilidade do cristal equiaxial gerado no centro da solda. Além disso, o cristal equiaxial cresce em uma única direção com o aumento da intensidade do campo magnético.
Em outro estudo, Hu Jinliang et al. usaram a tecnologia de soldagem TIG de controle magnético de fenda estreita para soldar a liga de titânio TA17 com 120 mm de espessura, e a Fig. 8 mostra a microestrutura da junta soldada. Os resultados indicam que a microestrutura da junta apresenta uma inomogeneidade significativa ao longo da direção transversal, enquanto nenhuma diferença significativa aparece ao longo da direção da espessura. Devido ao grande aporte térmico da soldagem, a zona de fusão está seriamente amolecida.
Fig.7 Processo de cristalização primária do metal de solda de liga de titânio sob campo magnético
Fig. 8 Microestrutura da junta de liga de titânio TA17 com 120 mm de espessura soldada por cordão de solda NG-TIG controlado magneticamente
Em resumo, a tecnologia de soldagem TIG de controle magnético de fenda estreita oferece um processo de soldagem estável a um custo menor de equipamento. Ao adicionar um campo magnético, a tecnologia permite a oscilação periódica do arco, o que resolve de forma eficaz o problema de fusão deficiente associado às paredes laterais de ligas de titânio com paredes espessas e resulta em uma estrutura de zona de solda uniforme.
No entanto, a tecnologia ainda enfrenta o desafio significativo de amolecer a zona de fusão das juntas soldadas devido à alta entrada de calor. Por outro lado, a soldagem TIG de fenda estreita pode obter uma soldagem estável de ligas de titânio de paredes espessas. Essa tecnologia reduz o número de passes de soldagem e melhora a eficiência da soldagem em comparação com a soldagem TIG tradicional.
No entanto, a soldagem TIG de espaço estreito também tem seus problemas. Devido à repetição da refusão e do aquecimento dos grãos da junta, ela causa problemas como grãos grossos e distribuição desigual da microestrutura e das propriedades ao longo da direção da espessura.
A soldagem por arco submerso é uma forma distinta de soldagem, separada da soldagem TIG.
Esse método usa o hélio como um gás de proteçãoe o diâmetro do eletrodo e a corrente de soldagem são grandes.
Por meio de uma combinação de hélio e força do arco, ele é capaz de drenar o metal líquido derretido da poça na posição de solda.
O eletrodo submerge no metal de base a ser soldado, e o arco queima no eletrodo e na cavidade formada no fundo da cratera, resultando na formação da poça de fusão.
Devido ao fato de a posição de queima do arco estar abaixo da superfície do metal de base, ela é chamada de soldagem por arco submerso.
O princípio da soldagem por arco submerso pode ser visto na Figura 9.
Fig.9 Gráfico esquemático do princípio SAW
Nos últimos anos, estudiosos realizaram pesquisas sobre a aplicação da tecnologia de soldagem por arco submerso em ligas de titânio de grande espessura.
Chen Guoqing e seus colegas realizaram um teste de topo usando soldagem por arco submerso em uma liga de titânio TA15 de 29 mm de espessura e obtiveram soldas bem formadas.
No entanto, devido ao alto aporte de calor, a zona de solda e a zona afetada pelo calor da junta soldada são relativamente amplas, e o alongamento da junta após a fratura é de apenas 50% do metal base.
A propriedade de flexão da junta soldada é ruim e ela quebra quando se dobra a 15°.
Liu Yanmei e outros realizaram a soldagem de uma liga de titânio TA15 com 58 mm de espessura usando um processo de soldagem a arco submerso de dupla face.
A seção macro da solda é mostrada na Fig. 10. A zona de solda tem cristais colunares com tamanho de grão grande, e o intragranular é α'martensita acicular.
A junta de fratura por tração O local de maior risco é a zona de solda, que é uma fratura dúctil.
A resistência à tração atinge 96% da resistência do metal base.
Para melhorar as propriedades mecânicas da junta de soldagem por arco submerso, Duqiang et al. realizaram a soldagem por arco submerso de um titânio TA15 de 64 mm de espessura placa de liga metálica com a adição do interlayer de titânio puro TA1.
Os resultados mostraram que os teores de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio na solda, após a adição da camada intermediária, foram reduzidos em comparação com o metal de base, e a plasticidade da junta soldada foi significativamente melhorada.
Hou Qi et al. estudaram o efeito da pureza do gás de proteção no desempenho de uma junta de soldagem por arco submerso de placa de liga de titânio TA15.
Os resultados mostraram que as propriedades mecânicas da junta soldada poderiam ser melhoradas até certo ponto com o aumento da pureza do gás de proteção.
Fig.10 Seção transversal macroscópica da solda
Em resumo, a soldagem por arco submerso é capaz de soldar ligas de titânio de paredes espessas com um formato de arco relativamente estável, resultando em uma melhor formação de solda. O hélio é normalmente usado para proteção coaxial na soldagem por arco submerso devido ao seu alto potencial de ionização e alta condutividade térmica quando comparado ao argônio.
Como resultado, a área da coluna do arco na soldagem por arco submerso é estreita e concentrada, levando a uma alta taxa de utilização do calor do arco. Essa técnica de soldagem pode realizar a soldagem de dupla face de ligas de titânio espessas, melhorando significativamente a eficiência da soldagem quando comparada à soldagem TIG de espaço estreito.
No entanto, há alguns problemas associados a esse método, como a entrada excessiva de calor, a estrutura de grãos grosseiros e a distribuição desigual da microestrutura e das propriedades na direção da espessura.
A soldagem a arco com gás inerte não consumível é capaz de soldar ligas de titânio espessas com um formato de arco relativamente estável, resultando em uma melhor formação de solda. Essa técnica demonstra alto valor de aplicação na pesquisa de soldagem de ligas de titânio espessas.
No entanto, ainda existem problemas como o amolecimento da junta causado por um alto aporte térmico de soldagem. Portanto, é fundamental realizar pesquisas para reduzir o aporte de calor durante a soldagem de ligas de titânio de chapa espessa. Isso pode melhorar a homogeneidade da estrutura e das propriedades das ligas de titânio de parede espessa soldadas sem MIG.
A tecnologia de soldagem por feixe de elétrons utiliza feixes de elétrons de alta densidade de energia para bombardear materiais metálicos, permitindo a soldagem de um lado e a formação de dois lados de materiais metálicos espessos.
Durante o processo de soldagem, a densidade de potência do feixe é alta, resultando em uma grande relação entre a profundidade e a largura da solda e em uma deformação mínima da solda.
Além disso, a soldagem por feixe de elétrons deve ser realizada em um ambiente a vácuo, o que evita efetivamente os efeitos negativos do hidrogênio, oxigênio e nitrogênio durante o processo de soldagem. Como resultado, a soldagem por feixe de elétrons é comumente usada para soldar ligas de titânio de grande espessura.
A Figura 11 mostra o dispositivo de soldagem por feixe de elétrons.
Fig.11 Esquema da soldagem por feixe de elétrons
Estudiosos nacionais e estrangeiros estudaram a microestrutura e as propriedades de juntas soldadas por feixe de elétrons a vácuo de ligas de titânio.
Hou Jiangtao utilizou a tecnologia de soldagem por feixe de elétrons para soldar a liga de titânio TC4 de 20 mm de espessura, analisou o tamanho do grão da zona de solda e as propriedades mecânicas da junta ao longo da direção da espessura.
Os resultados revelaram que a parte superior da zona de solda tinha um tamanho de grão de 1.200 µm, enquanto a parte inferior tinha um tamanho de grão de 200 µm, o que levou a diferenças nas propriedades.
Sun et al. também usaram a tecnologia de soldagem por feixe de elétrons para soldar a liga de titânio TC4 com 20 mm de espessura e analisaram a macro morfologia da junta soldada (veja a Fig. 12).
A zona de fusão e a zona afetada pelo calor nas áreas superior, média e inferior da junta soldada apresentaram larguras significativamente diferentes, bem como diferenças na morfologia e no tamanho da estrutura de grãos, que diminuíram ao longo da direção da profundidade.
Wei Lu et al. soldaram placas de liga de titânio TC4 com 50 mm de espessura usando a tecnologia de soldagem por feixe de elétrons e realizaram testes de propriedade mecânica ao longo da direção da espessura. Os resultados revelaram que as propriedades mecânicas foram distribuídas de forma desigual ao longo da profundidade da soldagem.
O resistência ao escoamentoA resistência à tração e a microdureza da junta soldada melhoraram em comparação com as do metal de base, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuíram.
Por fim, Song Qingjun utilizou a tecnologia de soldagem por feixe de elétrons para soldar a liga de titânio TC4 com uma espessura de 60 mm e analisou a microestrutura e as propriedades da junta soldada. Os resultados mostraram que a microestrutura da junta soldada foi distribuída de forma desigual ao longo da direção da espessura, e a resistência ao impacto diminuiu gradualmente da parte superior para a inferior da solda.
Fig.12 Aparência macroscópica da junta soldada
Em resumo, durante a soldagem por feixe de elétrons de ligas de titânio de paredes espessas, o metal de solda passa por um rápido processo de ciclo térmico, o que resulta em uma distribuição desigual da microestrutura e das propriedades em diferentes áreas ao longo da direção da espessura devido a tempos de permanência inconsistentes em altas temperaturas.
Para tratar dos problemas de distribuição não uniforme da microestrutura e das propriedades e das baixas propriedades mecânicas em juntas soldadas por feixe de elétrons de ligas de titânio de paredes espessas, os pesquisadores relevantes otimizaram o processo de soldagem e realizaram o tratamento térmico pós-soldagem para ajustar a microestrutura e as propriedades das juntas.
Gong Yubing et al. realizaram um extenso estudo sobre a não uniformidade da junta soldada por feixe de elétrons da liga de titânio TC4 de 20 mm de espessura e a evolução da estrutura. A Figura 13 mostra as microestruturas de diferentes áreas da junta soldada.
Os resultados indicam que a junta de solda de liga de titânio tem uma não uniformidade significativa na direção da largura de fusão e da profundidade de penetração. O tamanho médio do grão da junta de solda superior é maior do que o das partes intermediária e inferior.
A estrutura Widmanstatten aparece nas partes superior e média da junta de solda, aumentando a fragilidade da junta e diminuindo sua plasticidade. Ao usar a soldagem com grande aporte de calor, a não uniformidade da distribuição da microestrutura pode ser melhorada.
Li Jinwei et al. obtiveram o controle de uniformidade da composição de solda por feixe de elétrons da liga de titânio TA15 de 20 mm de espessura aplicando formas de onda de varredura de determinada frequência e amplitude de deflexão ao feixe de elétrons durante a soldagem, incorporando a transição materiais metálicos na interface de soldagem e ajuste dos parâmetros de soldagem.
A Figura 14 mostra o efeito de controle da uniformidade da composição da solda sob diferentes condições de processo. Em comparação com a soldagem tradicional por feixe de elétrons, a soldagem por feixe de elétrons de varredura resulta em menos flutuação de elementos de liga na direção da espessura, levando a uma composição mais uniforme.
Fig. 13 Microestrutura de diferentes regiões da junta soldada
Fig.14 Efeito do controle de uniformidade da composição da solda sob diferentes condições de processo
Fang Weiping et al. utilizaram a tecnologia de soldagem por feixe de elétrons para soldar placas de liga de titânio TC4 com 100 mm de espessura. As juntas soldadas resultantes foram submetidas à recristalização recozimento a 850 ℃ e tratamento térmico de envelhecimento por solução a 920 ℃×2 h e 500 ℃×4 h.
Os resultados revelaram que a microdureza da zona de solda, da zona afetada pelo calor e da zona do metal de base obtida por meio do tratamento térmico de envelhecimento em solução foi maior do que a do estado como soldado. Além disso, a resistência à tração da junta soldada foi 11,3% maior do que a do estado como soldado, e a resistência ao escoamento foi 17,2% maior do que a do estado como soldado. No entanto, o alongamento após a fratura foi apenas cerca de 50% do que o do estado como soldado.
Ma Quan et al. investigaram o impacto dos processos de tratamento térmico na microestrutura e nas propriedades mecânicas das juntas soldadas por feixe de elétrons da liga Ti-1300. Os resultados mostraram que diferentes tratamentos térmicos antes da soldagem tiveram pouco efeito sobre a microestrutura e as propriedades da solda de liga de titânio. Em contrapartida, os processos de tratamento térmico pós-soldagem não alteraram a forma e o tamanho do grão β na zona de solda, mas regularam o conteúdo, o tamanho e a forma da fase a na zona de solda. Entretanto, a distribuição da fase a precipitada tendeu a se formar no limite estável do grão.
O desempenho da zona de solda dependia do tamanho e do número da fase α precipitada. Somente no recozimento ou envelhecimento em uma temperatura mais baixa, o efeito de fortalecimento da fase α na zona de solda foi melhor, e a resistência da solda foi maior do que a do metal de base.
Em resumo, o aporte térmico de soldagem adequado, combinado com um feixe de elétrons oscilante, pode melhorar um pouco a falta de homogeneidade da microestrutura e as propriedades das juntas soldadas. Além disso, o tratamento térmico pós-soldagem pode melhorar as propriedades mecânicas das juntas soldadas.
A tensão residual da soldagem é um fator crítico que pode levar à corrosão por tensão e à redução da resistência à fadiga de componentes estruturais.
Uma avaliação precisa de tensão residual de soldagem é crucial para determinar a vida útil dos componentes soldados.
Liu Min e seus colegas analisaram a distribuição de tensão residual de um espécime de feixe de elétrons feito de liga de titânio TC4 com 75 mm de espessura, com base na teoria de elementos finitos termoelastoplásticos.
A Fig. 15 apresenta os resultados do teste de estresse residual.
Os resultados indicam que há uma tensão de tração residual tridimensional com alto valor na área localizada a 10 mm das extremidades inicial e final, cobrindo cerca de 1/4 da espessura. Essa tensão pode afetar significativamente as propriedades mecânicas das juntas soldadas e, portanto, requer atenção adequada.
Fig.15 Resultados do cálculo da tensão residual
Wu Bing et al. realizaram um estudo sobre a redução da tensão residual em juntas soldadas medindo a distribuição da tensão residual de juntas soldadas por feixe de elétrons de liga de titânio TA15 com 50 mm de espessura após o recozimento a vácuo usando o método de furo cego. Os resultados mostraram que o processo de tratamento térmico tornou as tensões transversais e longitudinais das juntas soldadas mais consistentes, e a tensão de toda a junta soldada tornou-se mais uniforme.
Da mesma forma, Yu Chen et al. mediram a distribuição da tensão residual de juntas soldadas por feixe de elétrons de liga de titânio TC4 com 100 mm de espessura após tratamento térmico de 600 ℃×2 h por difração de raios X. Os resultados demonstraram que o tratamento térmico reduziu a tensão residual da junta soldada até certo ponto, e a distribuição nas superfícies superior e inferior da junta soldada foi visivelmente diferente.
As tensões residuais horizontais e longitudinais na superfície superior diminuíram, e a tensão residual longitudinal em algumas áreas mudou de tensão de tração para tensão de compressão. A tensão residual longitudinal na superfície inferior foi efetivamente eliminada, e algumas posições estavam em um estado de tensão compressiva. O efeito de alívio da tensão residual horizontal foi médio.
Além disso, Hosseinzadeh F et al. usaram o método de contorno para medir a distribuição da tensão residual em juntas soldadas por feixe de elétrons da liga de titânio TC4 de 50 mm de espessura após o tratamento térmico. Os resultados mostraram que a tensão máxima de tração na extremidade inicial da solda era de 330 MPa, a tensão máxima de compressão era de 600 MPa dentro de 10 mm da extremidade traseira da placa de teste e a tensão de tração na linha central da solda após o tratamento térmico poderia ser reduzida para 30 MPa.
Em resumo, o tratamento térmico pós-soldagem pode reduzir significativamente a tensão residual de juntas soldadas de liga de titânio com paredes espessas.
Em resumo, a soldagem por feixe de elétrons é capaz de atingir alta eficiência de soldagem e produzir juntas soldadas com deformação mínima e bom formato ao soldar ligas de titânio de paredes espessas. No entanto, devido à área de fusão estreita e ao grande gradiente de temperatura, o ciclo térmico pode levar à formação de tensão triaxial na estrutura, resultando em uma diminuição acentuada da plasticidade e da resistência da junta.
Embora um processo de tratamento térmico adequado possa melhorar parcialmente a estrutura e o desempenho da junta soldada, isso não foi totalmente resolvido. Permanecem perigos ocultos para trabalhos de manutenção posteriores, como estrutura, desempenho e distribuição de tensão irregulares ao longo da direção da espessura. Além disso, o processo de tratamento térmico não apenas aumenta os custos de produção, mas também reduz a eficiência da produção.
Além disso, a câmara de vácuo também limita a aplicação da soldagem por feixe de elétrons a grandes componentes de liga de titânio. Portanto, devem ser realizadas pesquisas sobre a microestrutura, as propriedades e a uniformidade da distribuição de tensão das juntas soldadas, especialmente na direção da soldagem por feixe de elétrons a vácuo local.
Após décadas de desenvolvimento, a tecnologia de soldagem a laser teve um progresso significativo. Com o surgimento dos lasers de fibra e o desenvolvimento de módulos fotoelétricos, a potência de saída dos lasers aumentou e a estabilidade do feixe melhorou, estabelecendo uma base sólida para sua aplicação no campo da soldagem de componentes de parede espessa.
Em comparação com a tecnologia tradicional de soldagem a arco de parede espessa, a soldagem a laser oferece alta eficiência de soldagem, deformação mínima de soldagem e tensão residual, zonas afetadas pelo calor estreitas e excelente adaptabilidade para a soldagem de estruturas grandes e complexas.
Essas vantagens tornaram a tecnologia de soldagem a laser um dos principais focos de pesquisa para a soldagem de componentes de parede espessa nos últimos anos.
Atualmente, a tecnologia de soldagem a laser para ligas de titânio de paredes espessas inclui a soldagem com fio de enchimento a laser e a soldagem a laser a vácuo.
A soldagem a laser de espaço estreito com arame de enchimento envolve o uso de um mecanismo de alimentação de arame para empurrar o metal de enchimento para o ponto de foco do laser. Em seguida, o metal de adição derretido preenche a solda por meio da ação do feixe de laser, concluindo o processo de soldagem.
A Figura 16 ilustra um diagrama esquemático da soldagem a laser de espaço estreito com arame de enchimento. Essa técnica tem se desenvolvido rapidamente nos últimos anos.
Apesar de seu progresso, a soldagem a laser de espaço estreito com arame de enchimento ainda enfrenta alguns desafios, especialmente quando se trata de soldagem de ligas de titânio com paredes espessas. Esses problemas podem incluir a falta de fusão da parede lateral, a porosidade da soldagem, a deformação da soldagem e a alta tensão, além da baixa resistência plástica das juntas soldadas.
Fig.16 Diagrama esquemático da soldagem de preenchimento de arame a laser de espaço estreito
Li Kun et al. usaram um feixe de laser oscilante para suprimir a porosidade na liga de titânio e analisaram seu mecanismo a fim de resolver o problema da não fusão da parede lateral e da porosidade. porosidade da solda.
Os resultados mostraram que o feixe oscilante teve um efeito significativo na redução da porosidade da soldagem do buraco da fechadura da liga de titânio. Isso se deveu ao aumento da estabilidade do buraco da fechadura durante a soldagem, resultando em uma redução da porosidade do buraco da fechadura.
Xu Kaixin et al. usaram uma oscilação circular do feixe de laser para soldar a liga de titânio TC4 com 40 mm de espessura. Quando a amplitude de oscilação foi de 2 mm e a frequência de oscilação foi de 100-200 Hz, o costura de solda não tinha poros visíveis, e a parede lateral estava bem fundida.
A análise da microestrutura e das propriedades da junta soldada mostrou que o cristal colunar da costura de solda continha martensita α'acicular densamente disposta e fase αg granular distribuída de forma dispersa. A orientação preferencial α' foi encontrada no mesmo grão β, e a proporção de limites de grão de grande ângulo foi alta. A junta soldada apresentou alta resistência, mas baixa plasticidade e tenacidade.
Em conclusão, um feixe de laser oscilante é uma solução eficaz para os problemas de não fusão da parede lateral e porosidade da solda.
Fig. 17 Morfologia e microestrutura da seção de fenda estreita da liga de titânio TC4 com 40 mm de espessura
Para lidar com a baixa plasticidade e tenacidade das juntas soldadas de liga de titânio de paredes espessas, os pesquisadores aprimoraram a microestrutura e as propriedades das juntas soldadas regulando o aporte térmico de soldagem e os elementos de liga de solda.
Fang Naiwen e seus colegas investigaram o impacto do aporte térmico de soldagem na soldagem a laser da liga de titânio TC4 com arame de enchimento. Suas descobertas indicaram que o aporte térmico de soldagem adequado poderia garantir uma boa plasticidade na junta de solda.
Além disso, usando o método de observação in-situ do microscópio confocal a laser de alta temperatura, eles analisaram as características de formação da microestrutura e as leis de transformação da liga de titânio da série Ti-Al-V-Mo autodesenvolvida durante o processo de resfriamento sob a ciclo térmico de soldagem. Os resultados demonstraram que a adição de Mo reduziu a temperatura de transformação inicial, diminuiu a relação de aspecto da martensita α' acicular e da fase α inicial e aumentou a resistência ao impacto das juntas soldadas.
Portanto, ao controlar a entrada de calor no processo de soldagem e projetar a proporção do elemento de liga do arame tubular com pó metálico de forma razoável, a resistência plástica da junta soldada pode ser melhorada.
O processo de soldagem com arame de enchimento a laser de espaço ultra-estreito de chapas grossas de liga de titânio é o resultado do acúmulo de calor de um único passe de metal de enchimento de várias camadas. Os vários ciclos térmicos no processo de soldagem de várias camadas inevitavelmente criarão uma estrutura de solda extremamente complexa com um campo de temperatura desigual.
Durante a soldagem, a junta soldada pode apresentar uma distribuição desigual da tensão residual e da deformação da soldagem. Além disso, a liga de titânio tem um alto coeficiente de expansão linear e baixa condutividade térmica, o que aumenta ainda mais a probabilidade de tensão residual e deformação da solda.
O impacto negativo da tensão residual da soldagem sobre a resistência da carga estática, a resistência à fadiga de baixo ciclo e a resistência à corrosão das juntas soldadas de liga de titânio é significativo. Além disso, a deformação da soldagem pode afetar significativamente a aparência das juntas soldadas, reduzir a capacidade de suporte da estrutura e diminuir a precisão da montagem dos componentes de soldagem posteriores.
Para obter insights mais profundos sobre a influência das formas de ranhura na tensão residual das juntas soldadas, Fang Naiwen et al. usaram o software de simulação ANSYS para realizar uma análise de simulação numérica sobre a tensão e a deformação de diferentes formas de ranhura de juntas soldadas a laser de liga de titânio TC4 com 40 mm de espessura.
A Figura 18 mostra a distribuição de tensão longitudinal das duas formas de ranhura. Os resultados indicam que a distribuição de tensão da junta soldada com ranhura em U simples é diferente da junta soldada com ranhura em U dupla. Na junta soldada com ranhura em U simples, uma concentração óbvia de tensão aparece em um lado da solda final, enquanto a distribuição de tensão da junta soldada com ranhura em U dupla é simétrica ao longo da direção da espessura da parede.
Fig.18 Distribuição da tensão residual longitudinal distribuição da tensão
Em resumo, a soldagem a laser de fenda estreita com arame de enchimento é capaz de produzir juntas soldadas de liga de titânio com paredes espessas sem defeitos de soldagem como a porosidade e a fusão incompleta da parede lateral, oscilando periodicamente o feixe de laser.
A resistência plástica da junta soldada pode ser melhorada com o controle da entrada de calor no processo de soldagem e a proporção do elemento de liga do arame revestido com pó metálico.
No entanto, no domínio da soldagem a laser de fenda estreita de ligas de titânio de paredes espessas com arame de enchimento, é essencial continuar explorando o controle da microestrutura e das propriedades das juntas soldadas, especialmente no domínio do arame tubular metálico preenchido a laser com um sistema de várias ligas.
Nos últimos anos, os lasers de fibra industrial de alta potência atingiram o nível de 10.000 watts. No entanto, o uso eficiente de lasers de alta potência e de alta qualidade e o aprimoramento da capacidade de penetração da soldagem a laser sem sacrificar sua qualidade é um problema difícil em aplicações de engenharia.
Pesquisas recentes mostraram que a profundidade de penetração pode ser significativamente aumentada em um ambiente a vácuo, melhorando a porosidade da solda e sua formação. Reisgen U, da Universidade Técnica de Aachen, Alemanha, comparou a capacidade de penetração da soldagem a laser, da soldagem a laser a vácuo e da soldagem com feixe de elétrons.
Os resultados mostraram que, com a mesma energia de linha, o penetração da solda obtido pela soldagem a laser em um ambiente a vácuo é cerca de 2,5 vezes maior do que em um ambiente atmosférico e é semelhante ao obtido pela soldagem por feixe de elétrons. No entanto, o vácuo necessário para a soldagem a laser em um ambiente a vácuo é de apenas 10 Pa, enquanto a soldagem por feixe de elétrons requer pelo menos 10-1 Pa, o que torna o custo da soldagem a laser a vácuo mais baixo.
Portanto, os estudiosos realizaram pesquisas sobre o baixo vácuo tecnologia de soldagem a laser para estruturas de paredes espessas. Meng Shenghao et al. estudaram as características da soldagem a laser em ambiente de vácuo da liga de titânio TC4 para placas médias e grossas.
Os resultados mostraram que a soldagem a laser em ambiente a vácuo tem melhor formação de solda, melhora significativamente a penetração da solda, aumenta a relação entre a profundidade e a largura da solda, inibe respingos no processo de soldagem e reduz bastante os defeitos de furos de gás na solda.
O Harbin Welding Research Institute Co., Ltd. realizou a soldagem de uma liga TC4 de 40 mm de espessura usando a tecnologia de soldagem a laser de baixo vácuo (grau de vácuo de 10 Pa). Eles compararam e analisaram a microestrutura e as propriedades mecânicas de diferentes posições.
A macro morfologia da junta soldada é mostrada na Fig. 19. Os resultados mostraram que a microestrutura da zona afetada pelo calor é a fase α, a fase β residual e a martensita α'.
A microestrutura da zona de fusão da solda inclui principalmente martensita α' de diferentes tamanhos e estados de distribuição e fase α formada com baixa taxa de resfriamento. As propriedades de tração ao longo da direção da espessura são uniformes, e os valores de resistência na parte superior e inferior são maiores, enquanto os valores de resistência na parte superior média e na parte inferior média são menores, mas a diferença geral é pequena.
Fig. 19 Macromorfologia da junta soldada de liga de titânio com 40 mm de espessura
Em resumo, a soldagem a laser a vácuo permite a soldagem de ligas de titânio com paredes espessas. Esse processo de soldagem apresenta várias vantagens em relação à soldagem por feixe de elétrons, incluindo requisitos de vácuo mais baixos, nenhuma poluição por radiação, custos de soldagem mais baixos e maior eficiência. Como resultado, a soldagem a laser a vácuo representa um método promissor para a soldagem de ligas de titânio com paredes espessas.
Apesar dessas vantagens, ainda há necessidade de mais pesquisas por parte de acadêmicos relevantes no campo da soldagem a laser a baixo vácuo de ligas de titânio de paredes espessas. Especificamente, deve haver uma investigação aprofundada sobre a características do laser transmissão de energia sob condições de vácuo e o controle da microestrutura e das propriedades da junta de soldagem.
Este artigo discute principalmente o progresso feito na tecnologia de soldagem por fusão para soldagem de ligas de titânio de parede espessa, com o objetivo de atender aos requisitos de soldagem de alta qualidade e fabricação de equipamentos aeroespaciais, marítimos e outros campos relacionados.
Na última década, foram feitos avanços significativos na tecnologia de soldagem por fusão para ligas de titânio com paredes espessas. Essas conquistas abrangem várias áreas, como tecnologia de soldagem, controle de qualidade, estrutura de juntas e controle de propriedades.
Combinado com o status atual da pesquisa, a soldagem por fusão de ligas de titânio com paredes espessas tem principalmente as seguintes direções de pesquisa:
(1) Controle de tensão da soldagem de ligas de titânio de parede espessa.
Devido à pequena condutividade térmica e ao grande coeficiente de expansão linear da liga de titânio, a tensão de três vias pode se formar facilmente na estrutura após o ciclo térmico durante o processo de soldagem da liga de titânio de paredes espessas. Isso pode resultar em um declínio acentuado da plasticidade e da resistência da junta.
Para resolver esse problema, várias técnicas podem ser empregadas, como tratamento térmico pós-soldagem, projeto de otimização de ranhuras e tratamento de impacto ultrassônico, dependendo do método de soldagem utilizado. Essas técnicas podem ajudar a controlar a tensão e a deformação de juntas soldadas de liga de titânio com paredes espessas.
(2) Desenvolvimento de tecnologia de soldagem com várias fontes de calor.
Atualmente, a tecnologia de soldagem por fusão para ligas de titânio de paredes espessas envolve principalmente fontes de calor únicas, como a soldagem a arco convencional, a soldagem por feixe de elétrons e a soldagem a laser. No entanto, essas métodos de soldagem têm certas limitações.
Portanto, para lidar com essas limitações, o desenvolvimento da tecnologia de soldagem com várias fontes de calor, como a soldagem híbrida TIG-MIG e a soldagem híbrida com arco a laser, pode ser buscado para a soldagem de ligas de titânio com paredes espessas.
(3) Controle da microestrutura e das propriedades das juntas soldadas.
Atualmente, há poucas pesquisas sobre o controle da microestrutura de juntas soldadas em ligas de titânio de paredes espessas.
No entanto, é possível desenvolver materiais de soldagem com sistemas de várias ligas e regular a microestrutura das soldas. Isso pode melhorar as propriedades mecânicas das ligas de titânio de paredes espessas.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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