Cómo soldar titanio

Guía de selección de alambre de soldadura y de relleno de titanio

El titanio (Ti) es un metal 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 sal o solución de ácido oxidante. El titanio puro es muy dúctil y de baja resistencia. Una pequeña cantidad de aluminio, oxígeno y nitrógeno en la fase alfa aumenta su fuerza. Tiene baja conductividad y expansión térmica lo que mejora su soldabilidad.

Cómo soldar titanio

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Disponibilidad de material:

El titanio se divide en cuatro clases:

  1. comercialmente puro (CP, o sin alear),
  2. Alfa,
  3. Alfa-beta y
  4. Beta

Tenga en cuenta que muchas empresas y expertos tratan a las aleaciones alfa y CP como un solo grupo. El “alfa” y “beta” se refieren a fases de la estructura cristalina del metal a diversas temperaturas. Agregar oxígeno, hierro, aluminio, vanadio y otros elementos a la aleación puede controlar con precisión la estructura cristalina y, por lo tanto, las propiedades de la aleación.

Los grados CP más comunes son los grados 1, 2, 3 y 4 de la ASTM. Se diferencian por los diversos grados de contenido de oxígeno y hierro; mayores cantidades de estos elementos aumentan la resistencia a la tracción y disminuyen la ductilidad.

El grado 2 es el más utilizado, sobre todo en aplicaciones resistentes a la corrosión. Los grados CP tienen buena ductilidad, resistencias a temperaturas bien elevadas hasta 572 ° F y excelente soldabilidad. Cuestan menos que los grados aleados, pero tienen una resistencia a la tracción relativamente baja, como de 70.000 a 90.000 psi para el grado 2.

El grado 5 (Ti-6Al-4V), un alfa-beta, es el más utilizado de todos los grados de titanio. La adición de aluminio y vanadio aumenta la resistencia a la tracción a 120,000 psi y la temperatura de servicio hasta 752 ° F, pero también hace que el Grado 5 sea menos moldeable y un poco más difícil de soldar que el Grado 2. Se utiliza para una variedad de aplicaciones en la industria aeroespacial, Industrias marítimas, de generación de energía y offshore.

El grado 23 es similar al grado 5, pero presenta un contenido reducido de oxígeno que mejora la ductilidad y la resistencia a la fractura con solo una ligera pérdida de resistencia. Los puntos fuertes del grado 9 se encuentran entre el grado 4 y el grado 5, por lo que a veces se lo denomina “medio 6-4”. El grado 9 se puede utilizar a temperaturas más altas que el grado 4, ofrece de un 20 a un 50 por ciento más de resistencia que los grados S comercialmente puros y es más moldeable y soldable que el grado 5.

Problemas de soldabilidad

  1. La fragilización por contaminación con aire y materiales carbonosos (aceite, grasa, etc.) representan la mayor amenaza para la soldadura exitosa del titanio.
  2. 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.
  3. 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 proporcionar protección de argón en el baño de soldadura y también para el arrastre. La inclusión de hidrógeno y oxígeno en la soldadura reduce la tenacidad.
  4. 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 absorción de hidrógeno y carbón.
  5. El titanio no se puede soldar por fusión directamente a acero inoxidable, acero al carbono y aleaciones de aluminio debido a la formación de compuestos frágiles con estas aleaciones.
Cómo soldar titanio

Limpieza de titanio antes de soldar

  1. Antes de soldar, el componente debe limpiarse y secarse completamente.
  2. Se deben limpiar el aceite, las huellas dactilares, la grasa, la pintura / tinte.
  3. Los residuos de cloruro y de limpieza (residuos del agente de limpieza) en el titanio pueden provocar grietas por corrosión bajo tensión cuando se calienta a más de 300 ° C durante la soldadura. Por eso, es fundamental limpiar a fondo.
  4. No se debe utilizar agua corriente del grifo para enjuagar las piezas de titanio. Se debe utilizar agua desmineralizada (DM).
  5. Antes de soldar, la capa de óxido ligero 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 y secado con agua DM.
  6. Después de la limpieza, las piezas deben manipularse con guantes sin pelusa incluso durante la soldadura.
  7. Cualquier operación mecánica debe ir seguida de un decapado para asegurar la eliminación completa de incrustaciones o cualquier contaminación.
  8. Para controlar la porosidad en la soldadura, los bordes deben rasparse, retirar limaduras, cepillar con alambre. Esto es necesario para eliminar la suciedad atrapada y las pequeñas grietas.
  9. Esta limpieza debe realizarse 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 guardarlas en una habitación con humedad controlada.
  10. Los accesorios utilizados para soldar necesitarán el mismo proceso de limpieza que las piezas de titanio.
  11. Es preferible tener un área separada para reservar para la fabricación de titanio.
  12. El agua / humedad es una fuente potencial de oxígeno e hidrógeno y todos los equipos, plantillas, accesorios, etc. deben estar libres de humedad.
  13. Siempre que sea posible, se pueden utilizar cámaras o recintos de soldadura flexibles para la soldadura de componentes pequeños y sitios de proyectos.

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 utilizar un borde de corte cuadrado para todas las soldaduras a tope y de esquina para espesores de hasta 1 mm.
  • Las láminas y 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 paso 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 de la soldadura y el metal adyacente 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 toda la soldadura y sus alrededores (alrededor de 25 mm en todo el perímetro) permanezcan por encima de 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 soldar grados de titanio. La protección de la copa de gas puede no ser adecuada, por lo tanto, se debe colocar una protección posterior en la antorcha de soldadura para proporcionar argón adicional que mantiene la zona de soldadura caliente protegida con argón por más tiempo que si fuera solo con una boquilla de antorcha. Este blindaje adicional da tiempo para que el metal se enfríe por debajo de la temperatura a la que se oxida.
Cómo soldar titanio
  • Se debe utilizar gas argón de alta pureza para soldar titanio. La pureza recomendada del argón es del 99,999%.
  • 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 esté doblada (diámetro de curvatura -8 t) y visualmente para ver si tiene porosidad. (El oxígeno reduce la ductilidad).
  • Se debe tener cuidado para asegurar que la humedad y el aire no se escapen (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 usa a menudo como una medida del nivel de contaminación en la soldadura de titanio.

  1. Un color plateado brillante es indicativo de una protección correcta y se desea tener este color. Soldadura satisfactoria.
  2. El color bronce / marrón claro y oscuro indica una cantidad muy pequeña de contaminación.
  3. El color azul claro y oscuro indica la gran cantidad de contaminación. Inaceptable.
  4. Los colores gris azulado, gris y blanco indican una contaminación muy fuerte. Inaceptable.
  5. Cuando se van a depositar varias pasadas en la soldadura de ranura, no es aceptable ninguna contaminación entre pasadas / capas.
  6. Cabe señalar que la decoloración del cordón de soldadura no indica necesariamente un blindaje deficiente. De hecho, en la soldadura por fusión se encuentran comúnmente ‘carriles’ de color marrón oscuro paralelos al cordón de soldadura.
    1. La humedad proviene de la limpieza y el secado incorrectos de la junta antes de soldar.
    2. Soldadura por puntos inadecuada y amplia apertura de la raíz. Las pruebas de dureza se pueden utilizar para proporcionar evidencia de apoyo de la contaminación como una alternativa a los criterios de color, ya que las soldaduras contaminadas exhibirán una mayor dureza.
Cómo soldar titanio

La porosidad en la soldadura de Ti se debe a lo siguiente:

  1. Humedad que proviene de la limpieza y el secado incorrectos de la junta antes de soldar
  2. Soldadura por puntos inadecuada y amplia apertura de la raíz.
  3. La porosidad aumenta con una disminución de la velocidad de soldadura.

Técnicas de soldadura TIG:

La fuente de poder de soldadura TIG debe estar equipada con un arco sin contacto para evitar cualquier contaminación de tungsteno de la soldadura que ocurre si se utiliza una técnica de toma de contacto. Si el electrodo de tungsteno toca la soldadura, ambos deben examinarse cuidadosamente antes de reiniciar. Cualquier tungsteno en la soldadura debe excavarse.

2. La fuente de energía también debe ser capaz de romper el arco al completar un ciclo de soldadura sin detener el flujo de gas inerte.

3. Mayor tamaño de la boquilla de gas que se utilizará para asegurar el blindaje adecuado del baño de soldadura.

4. Se recomienda un flujo previo de 6 a 10 segundos y un flujo posterior de 25 a 30 segundos.

5. Se recomienda una técnica de cordón de larguero para la soldadura de Ti.

6. La entrada de calor debe mantenerse al mínimo posible y nunca más de 1.0 KJ / mm.

7. No se requiere precalentamiento para la soldadura de Ti.

Temperatura de precalentamiento y entre pasadas para soldadura de titanio

1.La temperatura máxima entre pasadas debe mantenerse lo más baja posible y en ningún caso puede ser superior a 80 ° C

2.Técnica de soldadura escalonada a seguir para evitar el sobrecalentamiento localizado de la zona de soldadura.

Gases de protección y purga para soldadura de titanio

El titanio pertenece a una familia de metales llamados metales reactivos, lo que significa que tienen una fuerte afinidad por el oxígeno. A temperatura ambiente, el titanio reacciona con el oxígeno para formar dióxido de titanio. Este revestimiento 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.

Cuando se calienta, el titanio se vuelve altamente reactivo y se combina fácilmente con oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono para formar óxidos (los famosos colores del titanio en realidad provienen de los diferentes espesores de la capa de óxido). La absorción intersticial de estos óxidos debilita la soldadura y puede inutilizar la pieza. Por estas razones, todas las partes de la zona afectada por el calor (ZAT) deben estar protegidas de la atmósfera hasta que la temperatura descienda por debajo de 800 ° F (nota: los expertos no están de acuerdo con la temperatura exacta, con recomendaciones que van desde 500 ° F a 1000 ° F Use 800 ° F como una mediana razonable a menos que los procedimientos, estándares o códigos indiquen lo contrario). Para soldar:

  1. Todos los gases utilizados para soldar y purgar deben ser entregados a través de tubos limpios de residuos no volátiles (NVR) con baja permeabilidad conocida (por ejemplo, acero inoxidable, polietileno).
  2. No se utilizará nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono o hidrógeno en ninguna concentración para proteger o purgar en ninguna operación de soldadura de titanio.
  3. Todos los gases utilizados para blindaje o purga deben tener un punto de rocío de -60 ° F (-51 ° C) o mejor y el contenido de oxígeno no debe exceder 50 ppm.
Microestructura de titanio