دلیل سختی جوشکاری آلیاژ تیتانیوم و آلومینیوم چیست؟

آلیاژ تیتانیوم یک ماده سبک وزن، با استحکام بالا و مقاوم در برابر خوردگی است. به دلیل خواص عالی آن، به طور گسترده در هوافضا، تجهیزات پزشکی، صنایع شیمیایی و سایر زمینه ها استفاده می شود. با این حال، عملکرد جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم نسبتا ضعیف است، عمدتاً به دلایل زیر:
تشکیل لایه اکسید:یک لایه اکسید جامد به راحتی روی سطح آلیاژ تیتانیوم تشکیل می شود. این لایه اکسید نه تنها باعث افزایش سختی در طول فرآیند جوشکاری می شود، بلکه باعث کاهش استحکام جوش نیز می شود. قبل از جوشکاری، معمولاً برای حذف لایه اکسید و در نتیجه بهبود عملکرد جوش، به برخی از روش‌های پیش تصفیه خاص مانند ترشی یا پرداخت مکانیکی نیاز است.
هدایت حرارتی کم:رسانایی حرارتی آلیاژ تیتانیوم نسبتاً کم است و در نتیجه یک گرادیان دمایی زیادی در نزدیکی جوش ایجاد می‌کند که به راحتی می‌تواند باعث تغییر شکل جوش و ترک شود. به منظور کاهش گرادیان دما، اغلب لازم است اقداماتی مانند پیش گرم کردن و کنترل سرعت جوشکاری انجام شود که پیچیدگی فرآیند جوشکاری را افزایش می دهد.
حساسیت به هیدروژن:آلیاژ تیتانیوم به هیدروژن حساس است و در طول فرآیند جوشکاری هیدروژن را به راحتی جذب می کند و در نتیجه باعث شکنندگی هیدروژن می شود. شکنندگی هیدروژن ممکن است باعث شکستگی شکننده اتصالات جوشی شود، بنابراین باید اقداماتی مانند کنترل محتوای هیدروژن در محیط جوشکاری برای کاهش خطر شکنندگی هیدروژن انجام شود.

انحلال انتخابی:آلیاژ تیتانیوم مستعد انحلال انتخابی با برخی از عناصر فلزی در دماهای بالا است و یک فاز شکننده را تشکیل می دهد که بر عملکرد اتصالات جوش داده شده تأثیر می گذارد. بنابراین، هنگام انتخاب مواد جوشکاری و فرآیندهای جوشکاری باید توجه ویژه ای به جلوگیری از این انحلال انتخابی شود.
نقطه ذوب بالا:نقطه ذوب نسبتاً بالا آلیاژهای تیتانیوم به دماهای بالا برای فرآیند جوشکاری نیاز دارد و در نتیجه مصرف انرژی و تجهیزات جوشکاری را افزایش می دهد.
برای حل این مشکلات، جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم معمولاً نیاز به استفاده از فرآیندهای جوشکاری تخصصی، از جمله جوشکاری محافظ گاز بی اثر، جوشکاری با پرتو الکترونی، جوشکاری لیزری و سایر فناوری های جوشکاری پیشرفته دارد. علاوه بر این، انتخاب مواد جوشکاری مناسب، کنترل پارامترهای جوشکاری، و اتخاذ روش‌های پیش تصفیه نیز ابزارهای مهمی برای بهبود کیفیت جوش آلیاژهای تیتانیوم هستند.

به طور خلاصه، دلایل دشواری جوشکاری آلیاژ تیتانیوم و آلومینیوم به شرح زیر است:
1. آلومینیوم و تیتانیوم به راحتی با اکسیژن واکنش می دهند
⑴ آلومینیوم با اکسیژن واکنش می دهد و یک Al2O3 (فیلم اکسید) متراکم و نسوز با نقطه ذوب 2050 درجه تشکیل می دهد که از ترکیب دو ماده پایه جلوگیری می کند و جوش را مستعد آخال ها می کند.
⑵تیتانیوم در دمای 600 درجه شروع به اکسید شدن می کند. هر چه دما بالاتر باشد، اکسیداسیون جدی‌تر خواهد بود و TiO2 (دی‌اکسید تیتانیوم) تشکیل می‌شود، لایه‌ای شکننده میانی در جوش ایجاد می‌کند و انعطاف‌پذیری و چقرمگی را کاهش می‌دهد.
2. آلومینیوم و تیتانیوم در دماهای مختلف واکنش متفاوتی دارند
⑴. در 1460 درجه، آلومینیوم و تیتانیوم یک ترکیب TiAl (آلومینید تیتانیوم) حاوی 36.03 درصد کسر جرمی آلومینیوم را تشکیل می‌دهند که شکنندگی فلز را افزایش می‌دهد.
⑵ آلومینیوم و تیتانیوم یک ترکیب TiAl3 (تری آلومینید تیتانیوم) حاوی 60٪ تا 64٪ کسر جرمی آلومینیوم در 1340 درجه تشکیل می دهند.
⑶ پس از ذوب شدن آلومینیوم و تیتانیوم، وقتی کسر جرمی تیتانیوم 0.15% است، محلول جامد تیتانیوم در آلومینیوم تشکیل می‌شود.
3. حلالیت متقابل آلومینیوم و تیتانیوم بسیار کم است
⑴در 665 درجه، حلالیت تیتانیوم در آلومینیوم 0.26%~{3}}.28% است. با کاهش دما، حلالیت کاهش می یابد.
⑵وقتی دما به 20 درجه کاهش می‌یابد، حلالیت تیتانیوم در آلومینیوم تا 0.07% کاهش می‌یابد که ترکیب دو ماده پایه را دشوار می‌کند.
حلالیت آلومینیوم در تیتانیوم محدودتر است که تشکیل جوش بین دو ماده پایه را بسیار دشوار می کند.
4. آلومینیوم و تیتانیوم در دماهای بالا جذب آب قوی دارند.
⑴آلومینیوم مایع می تواند مقدار زیادی هیدروژن را حل کند، اما در حالت جامد تقریباً نامحلول است. همانطور که جوش جامد می شود، هیدروژن زمانی برای فرار و تشکیل منافذ ندارد.
⑵هیدروژن حلالیت بالایی در تیتانیوم دارد. در دماهای پایین، هیدروژن در منافذ تجمع می یابد و باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی جوش می شود و به راحتی باعث ایجاد ترک های شکننده می شود.
5. آلومینیوم با تیتانیوم و سایر ناخالصی ها ترکیبات شکننده ای ایجاد می کند
⑴. اکسید تشکیل شده توسط آلومینیوم و اکسیژن، شکنندگی فلز را افزایش داده و جوشکاری را دشوار می کند.
⑵تیتانیوم و نیتروژن نیترید تیتانیوم را تشکیل می دهند که باعث کاهش انعطاف پذیری فلز می شود.
⑶ تیتانیوم و کربن کاربید تشکیل می دهند. هنگامی که کسر جرمی کربن بیشتر از 0.28٪ باشد، جوش پذیری هر دو فلز پایه به طور قابل توجهی بدتر می شود.
6. آلومینیوم و تیتانیوم در دماهای مختلف واکنش متفاوتی دارند
⑴رسانایی حرارتی آلومینیوم و تیتانیوم بسیار متفاوت است. آلومینیوم (206.9W·m-2·K-1) تقریباً 16 برابر بزرگتر از تیتانیوم است (13.8W·m-2·K-1).
⑵ضرایب انبساط خطی آلومینیوم و تیتانیوم بسیار متفاوت است و آلومینیوم حدود 3 برابر بزرگتر از تیتانیوم است. مستعد ترک خوردن تحت فشار.
7. عناصر آلیاژی در آلومینیوم و تیتانیوم می سوزند و تبخیر می شوند
⑴وقتی آلومینیوم یا آلیاژ آلومینیوم ذوب می شود، عناصری با نقطه ذوب پایین تر از آن مانند منیزیم، روی و غیره شروع به سوختن یا تبخیر می کنند.
⑵ هنگامی که نقطه ذوب تیتانیوم یا آلیاژ تیتانیوم (1677 درجه) می رسد، عناصر آلیاژی مانند آلومینیوم بیشتر می سوزند و تبخیر می شوند و منجر به ترکیب شیمیایی ناهموار جوش و کاهش استحکام می شود.