Por qué el Ti-6Al-4V es difícil de soldar
El grado 5 (Ti–6Al–4V) es una aleación alfa-beta que produce soldaduras sólidas cuando el proceso está estrictamente controlado y se deteriora rápidamente cuando no lo está. El titanio absorbe oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono fácilmente mientras está caliente, por lo que una superficie contaminada, un gas protector húmedo o un flujo de gas turbulento que arrastra aire hacia el arco aparecerán como porosidad, decoloración o fragilidad local. El margen entre una cuenta de plata limpia y una defectuosa es estrecho, por lo que la soldadura de titanio se trata como un proceso especial controlado con procedimientos calificados, operadores capacitados y parámetros documentados.
Hidrógeno, porosidad y grietas en frío
La porosidad es el defecto reportado con mayor frecuencia en las soldaduras de placas y tubos de Ti-6Al-4V, y en la gran mayoría de los casos el hidrógeno es el factor determinante. La porosidad en el metal de soldadura reduce principalmente la resistencia a la fatiga, porque cada poro actúa como un elevador de tensión bajo carga cíclica, y el hidrógeno también es la causa principal del agrietamiento en frío después de que la soldadura se ha enfriado.
El mecanismo es un cambio de solubilidad más que un simple atrapamiento de gas. El hidrógeno se disuelve fácilmente en la fase beta cúbica centrada -del cuerpo, pero sólo con moderación en la fase alfa hexagonal: a temperatura ambiente, la solubilidad límite en el titanio alfa es aproximadamente 0,002 %, equivalente a aproximadamente 20 ppm. Cuando el metal de soldadura y la zona afectada por el calor-se enfrían por debajo de aproximadamente 300 grados, el hidrógeno que ya no puede permanecer en solución se rechaza y precipita como hidruro de titanio. Las plaquetas de hidruro fragilizan la matriz y favorecen la iniciación y el crecimiento lento de las grietas. El hidrógeno llega a la junta desde varias rutas a la vez: la placa principal y el alambre de relleno y, más comúnmente, el ambiente en forma de humedad en las caras de la junta, líquido de corte, aceite, grasa, polvo de taller y huellas dactilares.
La zona-afectada por el calor añade un segundo problema. Ti-6Al-4V tiene una transus beta cerca de 995 grados, por lo que la región inmediatamente al lado de la soldadura se calienta por encima de esa temperatura y se transforma completamente a beta. Al enfriarse, la fase beta en esa banda estrecha puede transformarse en alfa-primera martensita acicular en lugar de la estructura alfa-beta original, endureciendo la zona y reduciendo la ductilidad. La entrada de calor correcta, la velocidad de desplazamiento y el control de la temperatura entre pasadas son los que mantienen esa banda estrecha y resistente.
Preparación, Blindaje y Parámetros que Previenen Defectos
La prevención de defectos depende mucho más de la preparación y la protección del gas que de equipos exóticos. La soldadura manual con gas inerte de tungsteno (TIG) con un escudo de argón bien-controlado es un enfoque práctico y comprobado para Ti–6Al–4V, siempre que las medidas siguientes se apliquen de manera consistente.
Limpiar a máquina o químicamente las caras de unión y los 25 mm de placa adyacentes, luego desengrasar con un disolvente adecuado inmediatamente antes de soldar.
Elimine las incrustaciones de óxido, aceite y otros residuos orgánicos tanto de la superficie de la soldadura como del alambre de relleno; una superficie brillante y recién preparada es la base.
Utilice argón de alta-pureza y duplique el protector con una cobertura de gas posterior y posterior para que la perla y la raíz permanezcan protegidas hasta que se enfríen.
Establezca un caudal de gas constante que produzca un flujo laminar. El flujo excesivo crea turbulencias y remolinos que arrastran aire hacia el arco, lo que anula el propósito del blindaje.
Mantenga el alambre de relleno y las manos fuera del camino de contaminación del arco y almacene el alambre en condiciones limpias y secas.
Calificar el procedimiento de soldadura y utilizar operadores calificados; Registre la corriente, el voltaje, la velocidad de desplazamiento, el flujo de gas y la temperatura entre pasadas para cada junta.
| Variable | Práctica preferida para Ti–6Al–4V | Defecto si se ignora |
|---|---|---|
| Limpieza de superficies | Mecanizado o decapado, desengrasado, manipulado con guantes limpios. | Porosidad, craqueo de hidruros |
| Gas protector | Argón de alta-pureza, soplete y escudo posterior, gas de respaldo en la raíz | Tinte de óxido, fragilidad, porosidad. |
| Caudal de gas | Laminar y estable; evitar el flujo excesivo | Arrastre de aire y turbulencia en el arco. |
| Entrada de calor | Tan bajo como lo permita la penetración total, con temperatura entre pasadas controlada | Amplia zona martensítica, distorsión, pérdida de ductilidad. |
| Manipulación de relleno | Limpio, seco, grado y diámetro correctos. | Deriva química y captación adicional de hidrógeno |
| color de soldadura | Plata o pajita clara después de enfriar | El tinte azul o morado indica contaminación inaceptable |
Química del metal base detrás de la soldadura
Los límites intersticiales a continuación son los valores máximos que se aplican a los grados sin alear y de aleación comúnmente soldados junto con Ti–6Al–4V, expresados en porcentaje en masa. Explican por qué el control del hidrógeno es más importante que cualquier parámetro: el límite máximo permitido es solo del 0,015 % para cada grado enumerado, y el blindaje de argón no puede reparar una junta que comienza por encima de la especificación.
| Calificación | N máx. | C máx. | altura máxima | Fe máx. | O máx. | Alabama | V | Otro |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Grado 1 | 0.03 | 0.08 | 0.015 | 0.20 | 0.18 | - | - | equilibrio ti |
| Grado 2 | 0.03 | 0.08 | 0.015 | 0.30 | 0.25 | - | - | equilibrio ti |
| Grado 3 | 0.05 | 0.08 | 0.015 | 0.30 | 0.35 | - | - | equilibrio ti |
| Grado 4 | 0.05 | 0.08 | 0.015 | 0.50 | 0.40 | - | - | equilibrio ti |
| Grado 5 | 0.05 | 0.08 | 0.015 | 0.40 | 0.20 | 5.5–6.75 | 3.5–4.5 | equilibrio ti |
| Grado 7 | 0.03 | 0.08 | 0.015 | 0.30 | 0.25 | - | - | PD 0,12–0,25 |
| Grado 9 | 0.03 | 0.08 | 0.015 | 0.25 | 0.15 | 2.5–3.5 | 2.0–3.0 | equilibrio ti |
Inspección, Color de Soldadura y Aceptación
Como los defectos críticos son pequeños, la aceptación depende de varias comprobaciones complementarias en lugar de una prueba. El examen radiográfico se utiliza para detectar porosidad interna y fusión incompleta, la inspección con tintes penetrantes revela grietas superficiales-y el examen de dureza o microestructural de un cupón de prueba de procedimiento confirma que la zona afectada por el calor-no se ha endurecido más allá del límite acordado. El color de la soldadura es un indicador de campo rápido y sorprendentemente confiable: un cordón plateado o pajizo claro muestra un blindaje adecuado, mientras que una oxidación azul, violeta o gris significa que la protección se perdió y la unión debe rechazarse y rehacerse en lugar de aceptarse.
Cuando una reparación es inevitable, el área defectuosa se elimina por completo antes-de volver a soldar, se aplica la misma disciplina de limpieza y protección y la reparación se inspecciona según los criterios de aceptación originales. Las reparaciones repetidas no calificadas concentran hidrógeno y martensita en el mismo lugar, por lo que el número de reparaciones permitidas normalmente está limitado por la especificación vigente o por el procedimiento calificado del fabricante.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué causa la porosidad al soldar placas de titanio Ti-6Al-4V?
El hidrógeno es la causa dominante. Entra a través de la humedad, el aceite, la grasa, las huellas dactilares y el relleno contaminado, y es rechazado de la solución a medida que la soldadura se enfría, formando poros e hidruro de titanio.
P: ¿Por qué el hidrógeno provoca grietas en frío en las soldaduras de titanio?
Porque la solubilidad del hidrógeno en alfa titanio a temperatura ambiente es sólo de aproximadamente el 0,002 %. Cuando la soldadura y la zona afectada por el calor-se enfrían por debajo de aproximadamente 300 grados, el exceso de hidrógeno precipita como frágil hidruro de titanio, que inicia grietas una vez completada la soldadura.
P: ¿Qué proceso de soldadura es adecuado para el titanio de grado 5?
La soldadura con gas inerte de tungsteno con protección de argón de alta-pureza, además de protección de salida y de respaldo, es un proceso práctico y ampliamente calificado para placas y tubos de Ti–6Al–4V.
P: ¿Por qué se debe mantener constante el flujo de argón en lugar de simplemente aumentarlo?
El flujo excesivo crea turbulencias y remolinos que atraen aire hacia el arco, por lo que la soldadura queda contaminada a pesar de un generoso suministro de gas. Un flujo laminar estable protege adecuadamente la piscina.
P: ¿Es aceptable un tinte de soldadura azul o morado?
No. Un color plateado o pajizo claro indica protección acústica, mientras que una oxidación azul, violeta o gris indica que el metal caliente absorbió gases y la junta debe rechazarse.
P: ¿Cómo se puede evitar que la zona afectada por el calor-se endurezca?
Al limitar la entrada de calor y la temperatura entre pasadas, utilizando la corriente mínima que logra una penetración total y una velocidad de desplazamiento controlada, la banda calentada sobre el transus beta permanece estrecha y su estructura transformada se mantiene resistente.
