چرا جوشکاری تیتانیوم دشوار است

آلیاژهای تیتانیوم به دلیل مقاومت بالا ، مقاومت در برابر خوردگی و خاصیت سبک وزن ، در مزارع مانند هوافضا ، مهندسی دریایی و زیست پزشکی دارای موقعیت غیر قابل تعویض هستند. با این حال ، این ماده ، که به عنوان "فلز آینده" مورد ستایش قرار گرفته است ، مدتهاست که "منطقه فنی بدون رفتن" در جوشکاری در نظر گرفته شده است. اتصالات جوش داده شده آن مستعد ابتلا به شستشو هستند ، بسیار حساس هستند و حتی برای جوشکاری با کیفیت بالا به محیط خلاء احتیاج دارند. مشکلات جوشکاری تیتانیوم ناشی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد و خصوصیات واکنش متالورژی است که برای ایجاد یک شبکه پیچیده از چالش های فرآیند در هم تنیده است.

"طوفان شیمیایی" در دماهای بالا

فیلم اکسید متراکم (TiO₂) که روی سطح تیتانیوم در دمای اتاق تشکیل می شود ، مقاومت در برابر خوردگی عالی را نشان می دهد ، اما در دمای بالایی برای جوشکاری به منبعی تبدیل می شود. هنگامی که درجه حرارت از 600 درجه تجاوز کند ، فعالیت شیمیایی تیتانیوم به طرز چشمگیری افزایش می یابد و با اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن موجود در هوا به شدت واکنش نشان می دهد:

آلودگی اکسیداتیو:بالاتر از 800 درجه ، حلالیت اکسیژن در تیتانیوم به صورت نمایی افزایش می یابد و یک لایه اکسید شکننده چند میکرون ضخیم تشکیل می دهد. این لایه اکسید به میزان قابل توجهی چقرمگی جوش را کاهش می دهد. هنگامی که محتوای اکسیژن از یک مقدار بحرانی فراتر می رود ، سختی تأثیر می تواند بیش از 50 ٪ کاهش یابد و منجر به شکستگی غیرقابل پیش بینی مفصل در طول سرویس شود.

خطر آغوش هیدروژن:رطوبت موجود در هوا و روغن روی سطح سیم جوش در دماهای بالا تجزیه می شود تا هیدروژن تولید شود. اتم های هیدروژن به شبکه تیتانیوم نفوذ می کنند و هیدرهای سوزن شکل (TIH₂) را تشکیل می دهند. این هیدرها می توانند باعث "شرارت تأخیر" شوند ، به این معنی که در دماهای پایین ، مفصل ممکن است به دلیل حداقل استرس به طور ناگهانی شکستگی شود. آغوش هیدروژن یک تابو مطلق است ، به ویژه در برنامه هایی که نیاز به قابلیت اطمینان بسیار بالا دارند ، مانند کاشت های زیست پزشکی.

نیترایدر نیتراید:هنگامی که درجه حرارت از 700 درجه تجاوز کند ، تیتانیوم با نیتروژن واکنش نشان می دهد تا نیترید تیتانیوم (TIN) تشکیل شود. این مرحله سخت و شکننده به طور قابل توجهی انعطاف پذیری جوش را کاهش می دهد. در جوشکاری متفاوت آلیاژهای تیتانیوم و فولاد ، نیتریدر یک عامل اصلی است که به آغوش مشترک کمک می کند ، حتی بیش از شدت آلودگی اکسیداسیون است.

برای مقابله با این طوفان شیمیایی ، جوش تیتانیوم باید از یک استراتژی محافظت "کاملاً محصور" استفاده کند: استفاده از یک گاز بی اثر با خلوص بالا (مانند آرگون) به عنوان محیط محافظ. در حین جوشکاری ، هر دو طرف جوش باید توسط سپر گاز محافظت شوند. خاموش شدن گاز پس از جوش به تأخیر می افتد تا از اکسیداسیون ثانویه جوش درجه حرارت بالا جلوگیری شود. در تولید سطح بالا ، جوشکاری پرتوی الکترونی خلاء حتی به کار می رود و جوشکاری را در خلاء 10 درجه PA انجام می دهد تا جوش را از آلودگی گاز جدا کند.

 

"نقص ذاتی" در خصوصیات ترموفیزیکی

خواص ترموفیزیکی تیتانیوم با قابلیت جوشکاری آن در تضاد شدید است:

هدایت حرارتی کم:هدایت حرارتی تیتانیوم تنها یک ششم از فولاد است. غلظت گرما در هنگام جوش ، از بین رفتن آن دشوار است و منجر به گرمای بیش از حد موضعی و گسترش منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) می شود. این غلظت گرما به طور قابل توجهی دانه های موجود در HAZ را درشت می کند و باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی مفصل می شود. نرخ خنک کننده نامناسب همچنین می تواند منجر به تشکیل یک ساختار درشت Widmanstätten شود و عملکرد مشترک را بیشتر بدتر کند.

مدول الاستیک بالا:مدول الاستیک تیتانیوم تنها نیمی از فولاد است و در نتیجه دو برابر تغییر شکل فولاد در همان تنش جوشکاری ایجاد می شود. این خاصیت "نرم و در عین حال سخت" باعث می شود تیتانیوم در هنگام جوشکاری ، به ویژه در هنگام جوشکاری صفحات نازک ، در معرض تغییر شکل موج دار باشد. اقدامات کمکی مانند رفع سفت و سخت و خنک کننده اجباری برای کنترل تغییر شکل لازم است.

حساسیت تحول فاز:تیتانیوم در دو آلوتروپ وجود دارد: (شش ضلعی بسته بندی شده) و (مکعب بدن محور) ، با دمای تحول فاز 882 درجه. در حین جوشکاری ، HAZ تحت تحول یک فاز قرار می گیرد. خنک کننده بیش از حد سریع یا آهسته می تواند منجر به ناهنجاری های ساختاری مانند تشکیل مارتنزیت آکیکولیک یا درشت وردمنستنیت درشت شود ، به طور قابل توجهی چقرمگی مفصل را کاهش می دهد.

برای رسیدگی به این مسائل ، مهندسان فناوری "جوشکاری TIG پالس" را توسعه دادند. این فناوری از جریان پالس با فرکانس بالا برای کنترل ورودی گرما استفاده می کند و در نتیجه یک ساختار دانه ای ریز و معادل در جوش ایجاد می شود. علاوه بر این ، یک فرآیند "محافظ همزمان آرگون دو طرفه" استفاده می شود ، با یک سپر درگ در پشت جوش قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که مناطق بالاتر از 400 درجه همیشه توسط گاز بی اثر محافظت می شوند و از اکسیداسیون و نیترید شدن جلوگیری می کنند.

 

"مناطق ممنوعه" از جوشکاری مواد متفاوت

جوشکاری تیتانیوم با سایر فلزات (مانند فولاد ، آلومینیوم و مس) چالش های پیچیده تری را نشان می دهد:

جوش استیل تیتانیوم:حلالیت جامد آهن در تیتانیوم بسیار کم است و در نتیجه تشکیل مقادیر زیادی از ترکیبات بین فلزی سخت و شکننده FETI و FE₂TI در رابط در طول جوشکاری است. این ترکیبات می توانند به سختی های HV800-1000 برسند ، بسیار فراتر از ماتریس تیتانیوم (HV200-300) و منجر به شکستگی شکننده در مفصل می شوند. علاوه بر این ، ضرایب انبساط حرارتی تیتانیوم و فولاد با ضریب سه متفاوت است و باعث ایجاد استرس قابل توجهی در هنگام جوشکاری و افزایش بیشتر خطر خرابی مفصل می شود.

جوش تیتانیوم-آلومینیوم:در دماهای بالا ، تیتانیوم و آلومینیوم ترکیبات بین فلزی مانند tial و tial₃ را تشکیل می دهند. این ترکیبات بسیار شکننده هستند ، و هدایت حرارتی تیتانیوم و آلومینیوم با ضریب 16 متفاوت است و در نتیجه توزیع گرمای ناهموار در هنگام جوشکاری و مستعد ترک خوردگی است. علاوه بر این ، حلالیت هیدروژن در آلومینیوم مایع 1000 برابر بیشتر از آلومینیوم جامد است. در حین استحکام ، فرار از گاز هیدروژن ، تشکیل منافذ و بدتر شدن عملکرد مفصل.

جوش تیتانیوم-مس:مس و تیتانیوم ترکیبات بین فلزی مانند Ti₂cu و Ticu در دماهای بالا تشکیل می دهند. علاوه بر این ، مس دارای نقطه ذوب پایین تر از تیتانیوم است که به راحتی می تواند منجر به ذوب کافی در سمت تیتانیوم یا گرمای بیش از حد در سمت مس در هنگام جوشکاری شود. علاوه بر این ، تفاوت در حلالیت هیدروژن در مس مایع می تواند باعث ایجاد منافذ هیدروژن شود و باعث کاهش سفتی مفصل شود.

برای غلبه بر محدودیت های جوشکاری متفاوت ، مهندسان فناوری "لایه انتقال" را توسعه داده اند. این یک لایه میانی از وانادیوم یا نیکل بین تیتانیوم و فلزات متفاوت را برای مهار تشکیل ترکیبات بین فلزی معرفی می کند. علاوه بر این ، تکنیک های جوشکاری حالت جامد مانند جوشکاری خلاء و جوشکاری اصطکاک از طریق انتشار اتمی به اتصال می رسند و از مشکلات متالورژی مرتبط با ذوب جلوگیری می کنند.

 

"رقص دقیق" کنترل فرآیند

جوش تیتانیوم نسبت به پارامترهای فرآیند بسیار حساس است:

کنترل فعلی:جریان جوش باید دقیقاً مطابق با ضخامت صفحه تنظیم شود. جریان بیش از حد منجر به درشت دانه خواهد شد ، در حالی که جریان خیلی کم منجر به نفوذ کافی نمی شود. در جوشکاری TIG پالس ، تطبیق جریان پایه و جریان اوج باید بهینه شود تا ورودی گرما و مورفولوژی استخر جوش. 2. سرعت جوشکاری: سرعت جوش باید در رابطه با سرعت جریان گاز جریان و محافظ کنترل شود. سرعت بیش از حد به راحتی می تواند باعث تخلخل شود ، در حالی که سرعت بسیار کند می تواند منطقه تحت تأثیر گرما را گسترش دهد. در جوشکاری لیزر ، باید با تنظیم قطر نقطه و فرکانس پالس ، ورودی گرما کنترل شود.

طراحی شیار:جوش تیتانیوم به یک شیار تیز V شکل نیاز دارد. لبه های صاف باید با یک برس سیم استیل ضد زنگ کاملاً کنترل و تمیز شوند تا این فلز براق شود. هر لایه اکسید یا لکه های روغن باعث آلودگی جوش می شود ، بنابراین قبل از جوشکاری ، تمیز نهایی با استون یا الکل بی آب لازم است.

کنترل محیط زیست:جوش تیتانیوم باید در یک محیط کم خون انجام شود و رطوبت نسبی زیر 60 ٪ نگه داشته شود تا از تشکیل منافذ هیدروژن جلوگیری شود. جوشکاری خودکار برای اطمینان از یک محیط جوشکاری کاملاً تمیز ، به یک محفظه مهر و موم شده و یک جریان گاز بی اثر خشک نیاز دارد.

 

چالش های جوشکاری تیتانیوم مدتهاست که مانع کاربرد آن شده است. با این حال ، با پیشرفت در علوم مواد و فناوری جوشکاری ، مهندسان طیف وسیعی از راه حل ها را توسعه داده اند: فرآیندهای پیشرفته مانند جوشکاری پرتو الکترونی خلاء ، جوش لیزر و جوشکاری TIG پالس. این فرایندها همراه با سیستم های کنترل هوشمند ، جوشکاری تیتانیوم را از تکیه فقط به تجربه جوشکارهای با تجربه به کنترل دقیق پارامتری منتقل کرده اند.