Saldatura di piastre in titanio Ti-6Al-4V: porosità, crepe a freddo e misure di controllo

Perché Ti-6Al-4V è difficile da saldare

Il grado 5 (Ti–6Al–4V) è una lega alfa–beta che produce saldature solide quando il processo è strettamente controllato e si deteriora rapidamente quando non lo è. Il titanio assorbe facilmente ossigeno, azoto, idrogeno e carbonio quando è caldo, quindi una superficie contaminata, un gas di protezione umido o un flusso turbolento di gas che trascina l'aria nell'arco appariranno come porosità, scolorimento o infragilimento locale. Il margine tra un cordone d'argento pulito e uno difettoso è stretto, motivo per cui la saldatura del titanio viene trattata come un processo speciale controllato con procedure qualificate, operatori addestrati e parametri documentati.

Idrogeno, porosità e cricche fredde

La porosità è il difetto segnalato più spesso nelle saldature di tubi e piastre Ti–6Al–4V e nella grande maggioranza dei casi l'idrogeno è il driver. La porosità del metallo saldato riduce principalmente la resistenza alla fatica, poiché ciascun poro agisce come un moltiplicatore di sollecitazioni sotto carico ciclico, e l'idrogeno è anche la causa principale della fessurazione a freddo dopo che la saldatura si è raffreddata.

Il meccanismo è un cambiamento di solubilità piuttosto che un semplice intrappolamento di gas. L'idrogeno si dissolve facilmente nella fase beta cubica centrata nel corpo- ma solo con parsimonia nella fase alfa esagonale: a temperatura ambiente la solubilità limite nel titanio alfa è di circa 0,002%, equivalente a circa 20 ppm. Quando il metallo saldato e la zona-influenzata dal calore si raffreddano al di sotto di circa 300 gradi, l'idrogeno che non può più rimanere in soluzione viene respinto e precipita come idruro di titanio. Le piastrine di idruro infragiliscono la matrice e favoriscono l'inizio delle cricche e la loro crescita lenta. L'idrogeno raggiunge il giunto da diversi percorsi contemporaneamente: la piastra principale e il filo di apporto e, più comunemente, l'ambiente sotto forma di umidità sulle superfici del giunto, fluido da taglio, olio, grasso, polvere di officina e impronte digitali.

La zona-influenzata dal calore aggiunge un secondo problema. Ti–6Al–4V ha un beta transus vicino a 995 gradi, quindi la regione immediatamente accanto alla saldatura viene riscaldata al di sopra di quella temperatura e si trasforma completamente in beta. Durante il raffreddamento, la fase beta in quella banda stretta può trasformarsi in martensite alfa-prime aciculare anziché nella struttura madre alfa-beta, indurendo la zona e riducendo la duttilità. Il corretto apporto di calore, la velocità di spostamento e il controllo della temperatura di interpass sono ciò che mantiene quella banda stretta e resistente.

Preparazione, schermatura e parametri che prevengono i difetti

La prevenzione dei difetti dipende molto più dalla preparazione e dalla protezione del gas che da apparecchiature esotiche. La saldatura manuale con gas inerte di tungsteno (TIG) con uno schermo di argon-ben controllato è un approccio pratico e collaudato per Ti–6Al–4V, a condizione che le misure seguenti vengano applicate in modo coerente.

Pulire a macchina o chimicamente le facce del giunto e i 25 mm adiacenti di piastra, quindi sgrassare con un solvente idoneo immediatamente prima della saldatura.

Rimuovere incrostazioni di ossido, olio e altri residui organici sia dalla superficie di saldatura che dal filo di apporto; una superficie luminosa e appena preparata è la linea di base.

Utilizza argon ad alta-purezza e duplica lo schermo con una copertura di gas di scarico e di fondo in modo che il tallone e la radice rimangano protetti finché non si raffreddano.

Impostare una portata del gas costante che produca un flusso laminare. Un flusso eccessivo crea turbolenze e vortici che trascinano l'aria nell'arco, vanificando lo scopo della schermatura.

Tenere il filo di apporto e le mani lontano dal percorso di contaminazione dell'arco e conservare il filo in condizioni pulite e asciutte.

Qualificare la procedura di saldatura e avvalersi di operatori qualificati; registrare corrente, tensione, velocità di spostamento, flusso di gas e temperatura di interpass per ogni giunto.

Chimica dei metalli di base dietro la saldatura

I limiti interstiziali riportati di seguito sono i valori massimi che si applicano ai tipi non legati e legati comunemente saldati insieme a Ti–6Al–4V, espressi in percentuale in massa. Spiegano perché il controllo dell’idrogeno conta più di ogni singolo parametro: il tetto consentito è solo dello 0,015% per ogni grado elencato e la schermatura dell’argon non può riparare un giunto che inizia al di sopra delle specifiche.

Ispezione, colore della saldatura e accettazione

Poiché i difetti critici sono piccoli, l'accettazione si basa su diversi controlli complementari anziché su un test. L'esame radiografico viene utilizzato per rilevare la porosità interna e la fusione incompleta, l'ispezione con liquidi penetranti rivela crepe superficiali-e l'esame microstrutturale o di durezza di un test di procedura conferma che la zona-influenzata dal calore non si è indurita oltre il limite concordato. Il colore della saldatura è un indicatore sul campo rapido e sorprendentemente affidabile: un cordone argentato o paglierino chiaro mostra un'adeguata schermatura, mentre un'ossidazione blu, viola o grigia significa che la protezione è stata persa e il giunto dovrebbe essere rifiutato e rifatto piuttosto che accettato.

Laddove una riparazione è inevitabile, l'area difettosa viene rimossa completamente prima della ri-saldatura, viene applicata la stessa disciplina di pulizia e schermatura e la riparazione viene ispezionata secondo i criteri di accettazione originali. Riparazioni ripetute e non qualificate concentrano idrogeno e martensite nella stessa posizione, quindi il numero di riparazioni consentite è normalmente limitato dalle specifiche in vigore o dalla procedura qualificata del produttore.

Domande frequenti

D: Cosa causa la porosità durante la saldatura della piastra in titanio Ti-6Al-4V?
L’idrogeno è la causa dominante. Entra attraverso umidità, olio, grasso, impronte digitali e riempitivo contaminato e viene respinto dalla soluzione quando la saldatura si raffredda, formando pori e idruro di titanio.

D: Perché l'idrogeno provoca cricche a freddo nelle saldature del titanio?
Perché la solubilità dell'idrogeno nell'alfa titanio a temperatura ambiente è solo dello 0,002% circa. Quando la zona saldata e-influenzata dal calore si raffredda al di sotto di circa 300 gradi, l'idrogeno in eccesso precipita sotto forma di fragile idruro di titanio, che dà origine a crepe una volta completata la saldatura.

D: Quale processo di saldatura è adatto per il titanio di grado 5?
La saldatura a gas inerte di tungsteno con schermatura di argon di elevata purezza-, oltre alla protezione posteriore e posteriore, è un processo pratico e ampiamente qualificato per piastre e tubi Ti–6Al–4V.

D: Perché il flusso di argon deve essere mantenuto costante anziché semplicemente aumentato?
Un flusso eccessivo crea turbolenze e vortici che attirano aria nell'arco, quindi la saldatura risulta contaminata nonostante una generosa fornitura di gas. Un flusso laminare stabile protegge adeguatamente la piscina.

D: È accettabile una tinta di saldatura blu o viola?
No. Un colore argentato o paglierino chiaro indica una schermatura acustica, mentre un'ossidazione blu, viola o grigia indica che il metallo caldo assorbe i gas e la giunzione deve essere respinta.

D: Come si può evitare che la zona-influenzata dal calore si indurisca?
Limitando l'apporto di calore e la temperatura di interpass, utilizzando la corrente minima che consente la piena penetrazione e una velocità di spostamento controllata, la fascia riscaldata sopra il beta transus rimane stretta e la sua struttura trasformata rimane resistente.