Comment souder le titane

Guide de sélection des fils de soudage en titane et d’apport

Le titane (Ti) est un métal de couleur argent. Il a une forte affinité pour l’oxygène et forme une couche d’oxyde sur une surface propre. Cela conduit à une passivation naturelle et offre une résistance à la corrosion au sel ou à une solution acide oxydante. Le titane pur est très ductile et a une faible résistance. Une petite quantité d’aluminium, d’oxygène et d’azote dans la phase alpha augmente sa résistance. Il a une faible dilatation thermique et conductivité qui améliore sa soudabilité.

Comment souder le titane

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Disponibilité du matériel :

Le titane est divisé en quatre classes :

  1. commercialement pur (CP, ou non allié),
  2. Alpha,
  3. Alpha-bêta et
  4. Bêta

Notez que de nombreuses entreprises et experts traitent les alliages CP et alpha comme un seul groupe. Les termes « alpha » et « bêta » font référence aux phases de la structure cristalline du métal à différentes températures. L’ajout d’oxygène, de fer, d’aluminium, de vanadium et d’autres éléments à l’alliage peut contrôler avec précision la structure cristalline, et donc les propriétés de l’alliage.

Les grades CP les plus courants sont les grades ASTM 1, 2, 3 et 4. Ils diffèrent par les divers degrés de teneur en oxygène et en fer ; de plus grandes quantités de ces éléments augmentent la résistance à la traction et diminuent la ductilité.

Le grade 2 est le plus largement utilisé, notamment dans les applications de résistance à la corrosion. Les grades CP ont une bonne ductilité, des résistances thermiques bien élevées jusqu’à 572°F et une excellente soudabilité. Ils coûtent moins cher que les grades alliés mais ont une résistance à la traction relativement faible, telle que 70 000 à 90 000 psi pour le grade 2.

Le grade 5 (Ti-6Al-4V), un alpha-bêta, est le plus largement utilisé de tous les grades de titane. L’ajout d’aluminium et de vanadium augmente la résistance à la traction jusqu’à 120 000 psi et la température de service jusqu’à 752 ° F, mais il rend également le grade 5 moins formable et légèrement plus difficile à souder que le grade 2. Il est utilisé pour une gamme d’applications dans l’aérospatiale, industries marines, de production d’électricité et offshore.

Le grade 23 est similaire au grade 5 mais présente une teneur en oxygène réduite qui améliore la ductilité et la résistance à la rupture avec juste une légère perte de résistance. Les forces de la 9e année se situent entre la 4e et la 5e année, on parle donc parfois de « demi 6-4 ». Le grade 9 peut être utilisé à des températures plus élevées que le grade 4, offre une résistance de 20 à 50 % supérieure à celle des grades S commercialement purs et est plus formable et soudable que le grade 5.

Problèmes de soudabilité

  1. La fragilisation due à la contamination par l’air et les matériaux carbonés (huile, graisse, etc.) constitue la plus grande menace pour la réussite du soudage du titane.
  2. Au-dessus de 400 °C, sa résistance à l’oxydation diminue rapidement. Par conséquent, il doit être protégé par un gaz inerte (Argon) pour éviter la contamination par l’OXYGÈNE et l’AZOTE.
  3. L’oxygène, l’azote et l’hydrogène sous forme d’impuretés sont captés par le titane pendant le soudage si le bain de fusion n’est pas protégé de l’atmosphère. La solubilité de l’hydrogène augmente avec l’augmentation de la température du métal. par exemple 8% à 300°C. Par conséquent, il est essentiel de donner un blindage à l’Argon sur le bain de fusion et également pour le remorquage. L’inclusion d’hydrogène et d’oxygène dans la soudure réduit la ténacité.
  4. L’hydrogène et l’oxygène sont extraits de l’humidité de l’environnement. L’huile résiduelle, un agent de nettoyage adhéré à la surface provoque l’accumulation d’hydrogène et de carbone.
  5. Le titane ne peut pas être soudé par fusion directement sur l’acier inoxydable, l’acier au carbone et les alliages d’aluminium en raison de la formation de composés cassants avec ces alliages.
Comment souder le titane

Nettoyage du Titane avant soudage

  1. Avant le soudage, le composant doit être soigneusement nettoyé et séché.
  2. L’huile, les empreintes digitales, la graisse, la peinture/la teinture doivent être nettoyés.
  3. Le chlorure et les résidus de nettoyage (résidus d’agent de nettoyage) sur le titane peuvent entraîner des fissures de corrosion sous contrainte lorsqu’il est chauffé à plus de 300 °C pendant le soudage. Il est donc indispensable de bien nettoyer.
  4. L’eau du robinet ordinaire ne doit pas être utilisée pour rincer les pièces en titane. De l’eau déminéralisée (DM) doit être utilisée.
  5. Avant le soudage, la légère couche d’oxyde sur les bords de la soudure doit être éliminée par décapage dans une solution aqueuse de 2 à 4 % d’acide fluorhydrique et 30 à 40 % d’acide nitrique, suivi d’un rinçage à l’eau DM et d’un séchage.
  6. Après le nettoyage, les pièces doivent être manipulées avec des gants non pelucheux même pendant le soudage.
  7. Toute opération mécanique doit être suivie d’un décapage pour assurer l’élimination complète du tartre ou de toute contamination.
  8. Pour contrôler la porosité en soudage, les bords doivent être grattés, retirer la lime, la brosse métallique. Ceci est nécessaire pour éliminer la saleté piégée, les petites fissures.
  9. Ce nettoyage est à effectuer juste avant le début du soudage. Partout où un stockage prolongé est requis, il est nécessaire de stocker les pièces dans des sacs scellés contenant du gel de silice ou de les conserver dans une pièce à humidité contrôlée.
  10. Les appareils utilisés pour le soudage doivent avoir le même processus de nettoyage que les pièces en titane.
  11. Il est préférable d’avoir une zone séparée à réserver pour la fabrication du titane.
  12. L’eau/l’humidité sont une source potentielle d’oxygène et d’hydrogène et tous les équipements, gabarits, accessoires, etc. doivent être exempts d’humidité.
  13. Des chambres ou boîtiers de soudage flexibles peuvent être utilisés pour le soudage de petits composants et de sites de projet lorsque cela est possible.

Préparation du joint pour le soudage

Une préparation correcte du joint de soudure est essentielle pour le soudage à l’arc des alliages de Ti.

  • Un bord à coupe carrée peut être utilisé pour toutes les soudures bout à bout et d’angle pour une épaisseur allant jusqu’à 1 mm.
  • Les plaques et tubes plus épais doivent être fournis avec une seule préparation en V avec un angle inclus de 90° et une face radiculaire de 0 à 0,5 mm. Ceci est essentiel pour obtenir une pénétration constante pendant le soudage de la passe de fond.
  • Le décapage à l’acide des bords de soudure et des coupons de soudure peut être utilisé pour éliminer le métal contaminé par l’oxygène de la surface du titane.
  • La surface de la préparation de la soudure et du métal adjacent est essentielle à la qualité du joint et doit être scrupuleusement nettoyée avant le soudage.
  • La surface doit être inspectée pour voir si une opération de polissage final est nécessaire. La douceur des bords de soudure est importante pour réduire la porosité dans le soudage à l’arc.

Protection pendant le soudage des alliages de titane et considération de soudage pour le soudage du titane

  • En raison de la sensibilité du titane à la fragilisation par l’oxygène, l’hydrogène et l’azote, l’ensemble de la soudure et ses environs (environ 25 mm tout autour) ne doivent pas rester au-dessus de 300 ° C et cette zone doit être protégée par de l’argon pendant le soudage jusqu’à il a refroidi en dessous de 300°C comme meilleure pratique.
  • Un bouclier arrière est requis pour le soudage des nuances de titane. Le bouclier de la coupelle à gaz peut ne pas être adéquat, c’est pourquoi un bouclier arrière doit être installé sur la torche de soudage pour fournir de l’argon supplémentaire qui maintient la zone de soudure chaude protégée avec de l’argon plus longtemps que s’il s’agissait uniquement d’une buse de torche. Ce blindage supplémentaire donne au métal le temps de refroidir en dessous de la température à laquelle il s’oxyde.
Comment souder le titane
  • Le gaz argon de haute pureté doit être utilisé pour le soudage du titane. La pureté recommandée de l’argon est de 99,999 %.
  • Il est recommandé de vérifier la pureté du gaz Argon pour chaque lot de bouteilles. Par conséquent, il est recommandé de souder une pièce de la plaque avant la soudure de production et de vérifier la courbure de cette pièce (diamètre de courbure -8 t) et visuellement la porosité. (L’oxygène réduit la ductilité).
  • Des précautions doivent être prises pour s’assurer que l’humidité et l’air ne fuient pas (à travers le système défectueux – c’est-à-dire les régulateurs, les connexions de tuyaux, etc.).
  • Tournage, fraisage, planification – Ce sont les méthodes les plus populaires utilisées pour la préparation des bords. Il faut veiller à ce que le matériau ne surchauffe pas pendant l’usinage.

Décoloration du titane

La couleur de la soudure est souvent utilisée comme mesure du niveau de contamination dans le soudage au titane.

  1. Une couleur brillante argentée indique un blindage correct et il est souhaitable d’avoir cette couleur. Soudure satisfaisante.
  2. La couleur bronze/brun clair et foncé indique une très petite quantité de contamination.
  3. La couleur bleu clair et bleu foncé indique la forte quantité de contamination. Pas acceptable.
  4. Les couleurs gris-bleu, gris et blanc indiquent une contamination très importante. Pas acceptable.
  5. Lorsque plusieurs passes doivent être déposées en soudure sur rainure, aucune contamination entre les passes/couches n’est acceptable.
  6. Il convient de noter que la décoloration loin du cordon de soudure n’indique pas nécessairement un mauvais blindage. En effet, des « jalonnages » brun foncé parallèles au cordon de soudure sont couramment rencontrés dans le soudage par fusion.
    1. L’humidité provient d’un nettoyage et d’un séchage inappropriés du joint avant le soudage
    2. Soudure de pointage incorrecte et large ouverture de racine. Les tests de dureté peuvent être utilisés pour fournir des preuves à l’appui de la contamination comme alternative aux critères de couleur, car les soudures contaminées présenteront une dureté plus élevée.
Comment souder le titane

La porosité dans le soudage Ti est due à ce qui suit :

  1. Humidité provenant d’un nettoyage et d’un séchage incorrects du joint avant le soudage
  2. Soudure de pointage incorrecte et large ouverture de racine.
  3. La porosité augmente avec une diminution de la vitesse de soudage.

Techniques de soudage TIG :

1. La source d’alimentation de soudage TIG doit être équipée d’un arc sans contact pour éviter toute contamination de la soudure par le tungstène qui se produit si une technique de contact est utilisée. Si l’électrode de tungstène touche la soudure, les deux doivent être soigneusement examinées avant de redémarrer. Tout tungstène présent dans la soudure doit être excavé.

2. La source d’alimentation doit également être capable de couper l’arc à la fin d’un soudage sans arrêter le flux de gaz inerte.

3.Plus grande taille de la buse à gaz à utiliser pour assurer une protection adéquate du bain de soudure.

4. Un pré-écoulement de 6 à 10 secondes et un post-écoulement de 25 à 30 secondes sont recommandés.

5.Une technique de cordon de serrage est recommandée pour le soudage Ti.

6. L’apport de chaleur doit être maintenu au minimum possible et jamais plus de 1,0 KJ/mm.

7. Aucun préchauffage n’est requis pour le soudage Ti.

Préchauffage et température interpasse pour le soudage Titane

1. La température maximale entre les passes doit être maintenue aussi basse que possible et ne peut en aucun cas dépasser 80 ° C

2.Technique de soudage échelonné à suivre pour éviter une surchauffe localisée de la zone de soudure.

Gaz de protection et de purge pour le soudage du titane

Le titane appartient à une famille de métaux appelés métaux réactifs, ce qui signifie qu’ils ont une forte affinité pour l’oxygène. A température ambiante, le titane réagit avec l’oxygène pour former du dioxyde de titane. Ce revêtement passif et imperméable résiste à une interaction ultérieure avec l’atmosphère environnante et confère au titane sa fameuse résistance à la corrosion. La couche d’oxyde doit être retirée avant le soudage car elle fond à une température beaucoup plus élevée que le métal de base et parce que l’oxyde pourrait pénétrer dans le bain de fusion en fusion, créer des discontinuités et réduire l’intégrité de la soudure.

Lorsqu’il est chauffé, le titane devient très réactif et se combine facilement avec l’oxygène, l’azote, l’hydrogène et le carbone pour former des oxydes (les couleurs célèbres du titane proviennent en fait des différentes épaisseurs de la couche d’oxyde). L’absorption interstitielle de ces oxydes fragilise la soudure et peut rendre la pièce inutilisable. Pour ces raisons, toutes les parties de la zone affectée par la chaleur (ZAT) doivent être protégées de l’atmosphère jusqu’à ce que la température descende en dessous de 800°F (remarque : les experts ne sont pas d’accord sur la température exacte, avec des recommandations allant de 500°F à 1000°F . Utilisez 800°F comme médiane raisonnable à moins que les procédures, les normes ou les codes indiquent le contraire). Pour le soudage :

  1. Tous les gaz utilisés pour le soudage et la purge doivent être acheminés par un tube de résidus non volatils (NVR) propre et connu à faible perméabilité (par exemple, acier inoxydable, polyéthylène).
  2. L’azote, l’oxygène, le dioxyde de carbone ou l’hydrogène gazeux, quelle que soit leur concentration, ne doivent pas être utilisés pour le blindage ou la purge dans les opérations de soudage du titane.
  3. Tous les gaz utilisés pour le blindage ou la purge doivent avoir un point de rosée de -60 °F (-51 °C) ou mieux et la teneur en oxygène ne doit pas dépasser 50 ppm.
Microstructure en titane