Qual è il motivo per cui le leghe di titanio e alluminio sono difficili da saldare?
La lega di titanio è un materiale leggero, ad alta resistenza e resistente alla corrosione. Grazie alle sue eccellenti proprietà, è ampiamente utilizzato nell'aerospaziale, nelle apparecchiature mediche, nell'industria chimica e in altri campi. Tuttavia, le prestazioni di saldatura delle leghe di titanio sono relativamente scarse, principalmente per i seguenti motivi:
Formazione dello strato di ossido:Uno strato di ossido solido si forma facilmente sulla superficie della lega di titanio. Questo strato di ossido non solo aumenta la difficoltà durante il processo di saldatura, ma riduce anche la resistenza della saldatura. Prima della saldatura, sono solitamente necessari alcuni metodi di pretrattamento speciali, come il decapaggio o la lucidatura meccanica, per rimuovere lo strato di ossido e quindi migliorare le prestazioni della saldatura.
Bassa conduttività termica:La conduttività termica della lega di titanio è relativamente bassa, determinando un ampio gradiente di temperatura vicino alla saldatura, che può facilmente causare deformazioni e crepe della saldatura. Per ridurre il gradiente di temperatura è spesso necessario adottare misure come il preriscaldamento e il controllo della velocità di saldatura, che aumentano la complessità del processo di saldatura.
Sensibilità all'idrogeno:La lega di titanio è sensibile all'idrogeno e assorbe facilmente idrogeno durante il processo di saldatura, con conseguente infragilimento da idrogeno. L'infragilimento da idrogeno può causare la frattura fragile dei giunti saldati, pertanto è necessario adottare alcune misure, come il controllo del contenuto di idrogeno nell'ambiente di saldatura, per ridurre il rischio di infragilimento da idrogeno.
Dissoluzione selettiva:La lega di titanio è soggetta a dissoluzione selettiva con alcuni elementi metallici ad alte temperature, formando una fase fragile, che influisce sulle prestazioni dei giunti saldati. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione ad evitare questa dissoluzione selettiva nella scelta dei materiali e dei processi di saldatura.
Alto punto di fusione:Il punto di fusione relativamente alto delle leghe di titanio richiede temperature elevate per il processo di saldatura, aumentando così il consumo di energia e i requisiti delle apparecchiature di saldatura.
Per risolvere questi problemi, la saldatura delle leghe di titanio richiede solitamente l'uso di processi di saldatura specializzati, tra cui la saldatura con gas inerte, la saldatura a fascio di elettroni, la saldatura laser e altre tecnologie di saldatura avanzate. Inoltre, anche la selezione dei materiali di saldatura appropriati, il controllo dei parametri di saldatura e l’adozione di metodi di pretrattamento sono mezzi importanti per migliorare la qualità della saldatura delle leghe di titanio.
Riassumendo, i motivi per cui le leghe di titanio e alluminio sono difficili da saldare sono i seguenti:
1. L'alluminio e il titanio reagiscono facilmente con l'ossigeno
⑴ L'alluminio reagisce con l'ossigeno per formare un Al2O3 denso e refrattario (film di ossido) con un punto di fusione fino a 2050 gradi, che ostacola la combinazione dei due materiali di base e rende la saldatura soggetta a inclusioni.
⑵Il titanio inizia a ossidarsi a 600 gradi. Maggiore è la temperatura, più grave sarà l'ossidazione, con formazione di TiO2 (biossido di titanio), che forma uno strato fragile intermedio nella saldatura, riducendo la plasticità e la tenacità.
2. L'alluminio e il titanio reagiscono diversamente a temperature diverse
⑴. A 1460 gradi, l'alluminio e il titanio formano un composto TiAl (alluminuro di titanio) contenente il 36,03% di frazione di massa di alluminio, che aumenta la fragilità del metallo.
⑵ L'alluminio e il titanio formano un composto TiAl3 (trialluminuro di titanio) contenente dal 60% al 64% di frazione di massa di alluminio a 1340 gradi.
⑶ Dopo che l'alluminio e il titanio sono stati fusi, quando la frazione di massa del titanio è pari a 0,15%, una soluzione solida di titanio si forma nell'alluminio.
3. La solubilità reciproca dell'alluminio e del titanio è molto ridotta
⑴A 665 gradi, la solubilità del titanio nell'alluminio è 0,26%~0,28%. Al diminuire della temperatura diminuisce la solubilità.
⑵Quando la temperatura scende a 20 gradi, la solubilità del titanio nell'alluminio scende allo 0,07%, rendendo difficile la combinazione dei due materiali di base.
La solubilità dell'alluminio nel titanio è più limitata, il che rende molto difficile la formazione di saldature tra i due materiali base.
4. L'alluminio e il titanio hanno un forte assorbimento d'acqua alle alte temperature.
⑴L'alluminio liquido può dissolvere una grande quantità di idrogeno, ma è quasi insolubile allo stato solido. Quando la saldatura si solidifica, l'idrogeno non ha il tempo di fuoriuscire e formare pori.
⑵L'idrogeno ha un'elevata solubilità nel titanio. A basse temperature, l’idrogeno si accumula nei pori, riducendo la plasticità e la tenacità della saldatura e provocando facilmente cricche fragili.
5. L'alluminio forma composti fragili con il titanio e altre impurità
⑴. L'ossido formato da alluminio e ossigeno aumenta la fragilità del metallo e rende difficile la saldatura.
⑵Il titanio e l'azoto formano nitruro di titanio, che riduce la plasticità del metallo.
⑶Titanio e carbonio formano carburi. Quando la frazione di massa del carbonio è maggiore di 0,28%, la saldabilità di entrambi i metalli di base si deteriorerà in modo significativo.
6. L'alluminio e il titanio reagiscono diversamente a temperature diverse
⑴La conduttività termica dell'alluminio e del titanio è molto diversa. L'alluminio (206,9 W·m-2·K-1) è circa 16 volte più grande del titanio (13,8 W·m-2·K-1).
⑵I coefficienti di dilatazione lineare dell'alluminio e del titanio sono molto diversi e l'alluminio è circa 3 volte più grande del titanio. Tendente a rompersi sotto pressione.
7. Gli elementi di lega in alluminio e titanio bruciano ed evaporano
⑴Quando l'alluminio o la lega di alluminio si fondono, gli elementi con punti di fusione inferiori, come magnesio, zinco, ecc., iniziano a bruciare o evaporare.
⑵ Quando viene raggiunto il punto di fusione del titanio o della lega di titanio (1677 gradi), gli elementi di lega come l'alluminio bruciano ed evaporano maggiormente, determinando una composizione chimica non uniforme della saldatura e una resistenza ridotta.
