Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, química y en ingeniería marina debido a su alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, el titanio tiene una reactividad química extremadamente alta. Cuando la temperatura excede el rango de 500-700 grados, absorberá fuertemente oxígeno, hidrógeno y nitrógeno del aire. Provocará grietas en la soldadura y reducción de la plasticidad, lo que afectará gravemente el rendimiento de la junta. Como resultado, al soldar aleaciones de titanio, se utiliza el método de soldadura por arco de argón (TIG) para proteger el baño fundido y las áreas de alta-temperatura de la costura de soldadura con temperaturas superiores a 400 a 650 grados Celsius, y se utiliza un soplete de soldadura de gran-tamaño para expandir la zona de protección de gas. Cuando la boquilla no puede cubrir eficazmente la soldadura y el metal a alta temperatura cerca de la soldadura, se debe agregar una cubierta protectora de gas argón para garantizar un aislamiento completo del aire durante todo el proceso.
Preparación previa-a la soldadura y diseño de ranuras
Limpieza de superficies
La calidad de la superficie de la pieza soldada y del alambre de soldadura determina directamente las propiedades mecánicas de la unión soldada. Antes de soldar, la pieza de prueba y el alambre de soldadura deben someterse a un tratamiento de lavado con ácido, seguido de enjuague con agua limpia y secado. Luego, la soldadura debe realizarse inmediatamente. Si no se encuentran disponibles condiciones de lavado ácido, se pueden usar solventes orgánicos como acetona, etanol, tetracloruro de carbono o metanol para limpiar cuidadosamente la ranura de la placa de titanio y las áreas dentro de los 50 mm en ambos lados, la superficie del alambre de soldadura y las partes del accesorio de herramientas en contacto con la placa de titanio, eliminando completamente las incrustaciones de óxido, las manchas de aceite y otras sustancias orgánicas.
Equipo de soldadura
Para la soldadura por arco de titanio y aleaciones de titanio, se debe seleccionar una fuente de alimentación de soldadura por arco de argón CC con una característica externa descendente y una función de inicio de arco de alta-frecuencia. Para evitar que la costura de soldadura se oxide o contamine durante el enfriamiento, la máquina de soldar debe ajustarse a un tiempo de suministro de gas retardado de al menos 15 segundos. En este ejemplo, se selecciona la máquina de soldadura por arco de argón de pulso de corriente continua con inversor IGBT tipo WSM-315, que puede cumplir con los requisitos anteriores.
Materiales de soldadura
Los requisitos para el gas protector argón son los siguientes: la pureza no debe ser inferior al 99,99 %, el punto de rocío debe ser inferior a -40 grados y la humedad relativa debe ser inferior al 5 %. Cuando la presión dentro del cilindro de argón cae a 0,981 MPa, se debe dejar de utilizarlo para garantizar el efecto de protección. En principio, el alambre de soldadura relleno debe ser del mismo material que el metal base; Para mejorar la plasticidad de la unión, también se puede seleccionar un alambre de soldadura ligeramente menos aleado, como el TC3.
Forma de ranura
El diseño de la ranura debe minimizar el número de capas de soldadura y la cantidad de metal de aportación, ya que un aumento en el número de capas conducirá a un aumento en la absorción acumulativa de gas de la costura de soldadura, deteriorando el rendimiento de la unión. Dado que el tamaño del baño fundido es grande durante la soldadura de aleaciones de titanio, la soldadura debe mecanizarse con una única ranura en forma de V-, con el ángulo controlado entre 70 y 80 grados.
Parámetros del proceso de soldadura y puntos de control
SoldaduraParámetros del proceso y puntos de control
Los parámetros de proceso razonables son la clave para garantizar la calidad de la soldadura. Durante la operación, es necesario controlar con precisión el caudal y la velocidad del gas argón para evitar un flujo turbulento que debilite el efecto protector. La soldadura manual con gas inerte de tungsteno es adecuada para soldar placas de titanio delgadas y placas de titanio de espesor medio-. Siempre que los parámetros se seleccionen adecuadamente, se puede lograr una calidad de soldadura satisfactoria. Además, todos los procesos de limpieza deben completarse lo antes posible y la soldadura debe realizarse lo antes posible para evitar la contaminación secundaria.
Defectos comunes y sus mecanismos de reparación
Grietas en frío (grietas retardadas)
Al soldar titanio y aleaciones de titanio, la probabilidad de que la unión genere grietas por calor es extremadamente baja. Esto se debe a que los materiales contienen muy pocas impurezas como azufre, fósforo y carbono, que son difíciles de formar eutécticos de bajo-punto de fusión-, y el rango de temperatura de cristalización efectivo es estrecho, con una pequeña cantidad de contracción por solidificación. Sin embargo, pueden ocurrir grietas por frío en la zona -afectada por el calor, que se manifiestan apareciendo solo unas pocas horas o incluso más después de la soldadura, por lo que se denominan grietas retardadas.
La formación de grietas retardadas está estrechamente relacionada con el comportamiento del hidrógeno: durante el proceso de soldadura, el hidrógeno se difunde desde el charco fundido de alta-temperatura hacia la zona afectada por el calor-de menor-temperatura-, lo que aumenta el contenido de hidrógeno en esta área. Forma fases frágiles de TiH₂ y, al mismo tiempo, los compuestos de hidrógeno precipitan, provocando grandes tensiones microestructurales debido a la expansión de volumen. Además, los átomos de hidrógeno se acumulan en áreas de alta-tensión, lo que en última instancia conduce al inicio y propagación de grietas.
Porosidad
La porosidad es otro defecto común en la soldadura de aleaciones de titanio. Su causa fundamental también está relacionada con el hidrógeno. La solubilidad del hidrógeno en -Ti es extremadamente baja, siendo sólo alrededor del 0,002% (fracción de masa) a temperatura ambiente. Cuando la soldadura o la zona afectada por el calor-se enfría por debajo de los 300 grados, el hidrógeno sobre-saturado precipita en forma de hidruro de titanio (fase), acompañado de expansión de volumen y tensión intergranular. Esto puede provocar microfisuras intergranulares. Estas microfisuras, bajo fuerzas externas, se expandirán hasta convertirse en grietas macroscópicas y la presencia de porosidad reduce significativamente la resistencia a la fatiga de la unión.
En resumen, la clave del éxito de la soldadura de aleaciones de titanio reside en-la limpieza previa a la soldadura, la prevención de la oxidación y la absorción de hidrógeno durante todo el proceso, la protección del gas argón de alta-pureza, el diseño razonable de las ranuras y el control preciso del proceso. La soldadura manual con gas inerte de tungsteno combinada con una placa de cubierta protectora es una solución efectiva en la práctica de ingeniería actual, que puede obtener de manera estable uniones de soldadura de alta-calidad que cumplan con los requisitos de uso.
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