Guía de selección de soldadura de titanio y alambre de relleno
El titanio (Ti) es un metal de color plateado. Tiene una fuerte afinidad por el oxígeno y forma una capa de óxido sobre una superficie limpia. Esto conduce a la pasivación natural y proporciona resistencia a la corrosión por sales o soluciones de ácidos oxidantes. El titanio puro es muy dúctil y tiene poca resistencia. Una pequeña cantidad de aluminio, oxígeno y nitrógeno en la fase alfa aumenta su fuerza. Tiene baja expansión térmica y conductividad lo que mejora su soldabilidad.
Mire este breve video interactivo sobre la guía de soldadura de titanio :
Disponibilidad de materiales y características:
El titanio tiene los siguientes cuatro tipos principales:
- Aleación de titanio puro llamada CP (sin aleación): Los grados comunes son ASTM Gr. 1, 2, 3 y 4.
- Aleación de titanio alfa,
- Aleación de titanio alfa-beta: Ejemplo – Grado 5 (Ti-6Al-4V)
- Aleación de titanio beta.
El titanio tiene las ventajas particulares de una alta relación resistencia/peso y una buena resistencia a la corrosión. Estos han dictado sus principales áreas de aplicación Aeronaves, debido a la relación fuerza-peso.
Planta química: debido a su alta resistencia a la corrosión, el titanio, como el hierro, tiene dos alótropos, es decir, puede existir en dos formas diferentes. Se recordará que el hierro tenía una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo a temperatura ambiente, llamada ferrita, y que al calentarse cambiaba a una forma cúbica centrada en las caras, llamada
austenita. También se recordará que la forma cúbica centrada en el cuerpo retornó al calentarse más.
El titanio tiene una estructura hexagonal compacta, llamada fase alfa, a temperatura ambiente y cambia a una forma cúbica centrada en el cuerpo, llamada fase beta, por encima de aproximadamente 883°C Las aleaciones se solidifican como beta, y bajo un enfriamiento lento, esto se transferirá a la fase alfa por nucleación y crecimiento. El enfriamiento rápido proporciona una fase alfa metaestable. Esta reacción es similar a la reacción de martensita en el acero, pero no genera el mismo rango de propiedades deseables que dan las martensitas de acero y las martensitas templadas.
Las aleaciones comerciales de titanio son de fase alfa, que puede o no ser reforzada por elementos de aleación de solución sólida, o una fase alfa en una matriz beta donde la matriz beta ha sido retenida por una combinación de elementos de aleación ‘estabilizadores beta’ y tratamiento térmico. .
Los principales elementos de aleación son el aluminio y el vanadio. El aluminio fortalece la solución sólida y mejora la resistencia a la corrosión de la película normal de óxido de titanio. El vanadio es un estabilizador beta y amplía el rango de temperatura y las condiciones de enfriamiento en las que se puede retener beta
. El oxígeno también se usa como elemento de aleación. El oxígeno normalmente se considera una impureza dañina, pero al controlar cuidadosamente el nivel de oxígeno, se puede usar para aumentar la resistencia del titanio sin reducir indebidamente su dureza.
El hidrógeno es más dañino. El hidrógeno se puede absorber a temperatura ambiente de los baños de decapado o del hidrógeno liberado en el cátodo si el titanio forma un par galvánico, por ejemplo, con acero al carbono. En este caso, el acero al carbono se corroerá y la reacción catódica, es decir, la que se produce en el titanio, es la liberación de hidrógeno.
Problemas de soldabilidad
- La fragilización es el problema principal con la soldadura de titanio y, por lo tanto, debe protegerse de la oxidación durante la soldadura.
- Por encima de 400 °C su resistencia a la oxidación disminuye rápidamente. Por lo tanto, debe protegerse con gas inerte (Argón) para evitar la contaminación por OXÍGENO y NITRÓGENO.
- El titanio recoge oxígeno, nitrógeno e hidrógeno en forma de impurezas durante la soldadura si el baño de soldadura no está protegido de la atmósfera. La solubilidad del hidrógeno aumenta con el aumento de la temperatura del metal. por ejemplo, 8% a 300°C. Por lo tanto, es esencial brindar protección con Argón en el baño de soldadura y también para el arrastre. La inclusión de hidrógeno y oxígeno en la soldadura reduce la tenacidad.
- El hidrógeno y el oxígeno se recogen de la humedad del entorno. El aceite residual, un agente de limpieza adherido a la superficie, provoca la captación de hidrógeno y carbono.
- El titanio no se puede soldar por fusión directamente al acero inoxidable, acero al carbono y aleaciones de aluminio debido a la formación de compuestos frágiles con estas aleaciones.
Limpieza de Titanio antes de soldar
- Antes de soldar, el componente debe limpiarse y secarse completamente.
- El aceite, las huellas dactilares, la grasa, la pintura/tinte deben limpiarse.
- El cloruro y los residuos de limpieza (residuos del agente de limpieza) en el titanio pueden provocar agrietamiento por corrosión bajo tensión cuando se calienta a más de 300 °C durante la soldadura. Por lo tanto, es esencial limpiar a fondo.
- No se debe utilizar agua corriente del grifo para enjuagar las piezas de titanio. Se debe utilizar agua desmineralizada (DM).
- Antes de soldar, la capa ligera de óxido en los bordes de la soldadura debe eliminarse mediante decapado en una solución acuosa de ácido fluorhídrico al 2-4 % y ácido nítrico al 30-40 %, seguido de enjuague con agua DM y secado.
- Después de la limpieza, las piezas deben manipularse con guantes sin pelusa, incluso durante la soldadura.
- Cualquier operación mecánica debe ir seguida de un decapado para garantizar la eliminación completa de incrustaciones o cualquier contaminación.
- Para controlar la porosidad en la soldadura, se deben raspar los bordes, retirar limado, cepillado de alambre. Esto es necesario para eliminar la suciedad atrapada y las pequeñas grietas.
- Esta limpieza se debe realizar justo antes del inicio de la soldadura. Siempre que se requiera un almacenamiento prolongado, es necesario almacenar las piezas en bolsas selladas que contengan gel de sílice o conservarlas en una habitación con humedad controlada.
- Los accesorios utilizados para soldar necesitarán el mismo proceso de limpieza que las piezas de titanio.
- Es preferible tener un área separada para reservar para la fabricación de titanio.
- El agua/humedad es una fuente potencial de oxígeno e hidrógeno y todos los equipos, plantillas, accesorios, etc. deben estar libres de humedad.
- Las cámaras o recintos de soldadura flexibles se pueden usar para soldar componentes pequeños y sitios de proyectos cuando sea posible.
Preparación de la junta para soldar.
La preparación correcta de la junta de soldadura es esencial para la soldadura por arco de aleaciones de Ti.
- Se puede usar un borde de corte cuadrado para todas las soldaduras a tope y de esquina para espesores de hasta 1 mm.
- Las láminas y los tubos más gruesos deben proporcionarse con una preparación en V única con un ángulo incluido de 90° y una cara de raíz de 0-0,5 mm. Esto es esencial para lograr una penetración constante durante la soldadura de pasada de raíz.
- El decapado con ácido de los bordes de soldadura y los cupones de soldadura se puede utilizar para eliminar el metal contaminado con oxígeno de la superficie del titanio.
- La superficie de la preparación para la soldadura y el metal contiguo es fundamental para la calidad de la unión y debe limpiarse escrupulosamente antes de soldar.
- Se debe inspeccionar la superficie para ver si es necesaria una operación de pulido final. La suavidad de los bordes de la soldadura es importante para reducir la porosidad en la soldadura por arco.
Protección durante la soldadura de aleaciones de titanio y consideración de soldadura para soldadura de titanio
- Debido a la sensibilidad del titanio a la fragilización por oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, no se debe permitir que la soldadura completa y sus alrededores (alrededor de 25 mm alrededor) permanezcan por encima de los 300 °C y esta área debe protegerse con Argon Trailing durante la soldadura hasta se enfrió por debajo de 300°C como mejor práctica.
- Se requiere un protector de arrastre para usar para soldar grados de titanio. Es posible que la protección de la copa de gas no sea adecuada, por lo que se debe instalar una protección posterior en el soplete de soldadura para proporcionar argón adicional que mantenga la zona de soldadura caliente protegida con argón por más tiempo que si fuera solo con una boquilla de soplete. Este blindaje adicional da tiempo para que el metal se enfríe por debajo de la temperatura a la que se oxida.
- Se recomienda verificar la pureza del gas Argón para cada lote de cilindros. Por lo tanto, se recomienda soldar una pieza de la placa antes de la soldadura de producción y verificar que la pieza no se doble (diámetro de la curva -8 t) y visualmente la porosidad. (El oxígeno reduce la ductilidad).
- Se debe tener cuidado para asegurar que la humedad y el aire no se filtren (a través del sistema defectuoso, es decir, reguladores, conexiones de tuberías, etc.).
- Torneado, fresado, planificación: estos son los métodos más populares utilizados para la preparación de bordes. Se debe tener cuidado de que el material no se sobrecaliente durante el mecanizado.
Decoloración en titanio
El color de la soldadura se utiliza a menudo como medida del nivel de contaminación en la soldadura de titanio.
- Un color plateado brillante es indicativo de un blindaje correcto y se desea tener este color. Soldadura satisfactoria.
- El color bronce/marrón claro y oscuro indica una cantidad muy pequeña de contaminación.
- El color azul claro y oscuro indica la gran cantidad de contaminación. Inaceptable.
- Los colores azul grisáceo, gris y blanco indican una contaminación muy intensa. Inaceptable.
- Cuando se van a depositar varias pasadas en la soldadura de ranura, no se acepta contaminación entre pasadas/capas.
- La decoloración ocurre durante la soldadura y no siempre es señal de un blindaje deficiente. De hecho, las “líneas de tranvía” de color marrón oscuro paralelas al cordón de soldadura se encuentran comúnmente en la soldadura por fusión.
- La humedad proviene de una limpieza y secado inadecuados de la junta antes de soldar
- Soldadura por puntos incorrecta y abertura de raíz ancha. Las pruebas de dureza se pueden usar para proporcionar evidencia de apoyo para la contaminación como una alternativa a los criterios de color, ya que las soldaduras contaminadas exhibirán una mayor dureza.
La porosidad en la soldadura de Ti se debe a lo siguiente:
- Humedad que proviene de una limpieza y secado inadecuados de la junta antes de soldar
- Soldadura por puntos incorrecta y abertura de raíz ancha.
- La porosidad aumenta con una disminución en la velocidad de soldadura.
Técnicas de soldadura TIG:
- La fuente de poder de soldadura TIG debe estar equipada con un cebador de arco sin contacto para evitar cualquier contaminación de tungsteno de la soldadura que ocurre si se usa una técnica de contacto. Si el electrodo de tungsteno toca la soldadura, ambos deben examinarse cuidadosamente antes de reiniciar. Cualquier tungsteno en la soldadura debe ser excavado.
- La fuente de poder también debe ser capaz de romper el arco al completar una corrida de soldadura sin detener el flujo de gas inerte.
- Mayor tamaño de la boquilla de gas a utilizar para asegurar el adecuado blindaje del baño de soldadura.
- Se recomienda un flujo previo de 6 a 10 segundos y un flujo posterior de 25 a 30 segundos.
- Se recomienda una técnica de cordón larguero para la soldadura de Ti.
- El aporte térmico debe mantenerse al mínimo posible y nunca superior a 1,0 KJ/mm.
- No se requiere precalentamiento para la soldadura Ti.
Temperatura de precalentamiento y entre pasadas para soldadura de titanio
- La temperatura máxima de Interpass debe mantenerse lo más baja posible y en ningún caso puede superar los 80 °C.
- Técnica de soldadura escalonada a seguir para evitar sobrecalentamientos localizados de la zona de soldadura.
Gases de protección y purga para soldadura de titanio
El titanio es un metal reactivo, lo que significa que el titanio tiene una gran afinidad por el oxígeno. El titanio produce óxido de titanio con reacción al oxígeno a temperatura ambiente. Este recubrimiento pasivo e impermeable resiste una mayor interacción con la atmósfera circundante y le da al titanio su famosa resistencia a la corrosión. La capa de óxido debe eliminarse antes de soldar porque se funde a una temperatura mucho más alta que el metal base y porque el óxido podría entrar en el baño de soldadura fundida, crear discontinuidades y reducir la integridad de la soldadura.
Si el titanio se calienta, se convierte en un material altamente reactivo que se combina fácilmente con otros elementos/gases como oxígeno, hidrógeno y carbono para formar sus óxidos. Esta formación de óxido hace que el titanio se vuelva quebradizo y, por lo tanto, se debe aplicar protección contra la formación de óxido al soldar. Por esta razón, la soldadura y la ZAT se protegen con protección de gas inerte hasta que la temperatura desciende por debajo de los 800 °F. Para soldar:
- Utilice tuberías limpias y no volátiles para suministrar gas para purga y protección.
- Los gases de protección deben estar libres de otros gases como nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono o gas hidrógeno que puedan causar la formación de óxido.
- Todos los gases utilizados para proteger o purgar deben tener un punto de rocío de -60 °F (-51 °C) o mejor y el contenido de oxígeno no debe exceder las 50 ppm.
