جوشکاری تیتانیوم به دلیل خواص این فلز، یعنی سبک وزن بودن، مقاومت به خوردگی بسیار بالای آن و نسبت استحکام به وزن بالا از اهمیت بالایی برخوردار است. کاربردهای صنعتی تیتانیوم در زمینه هایی است که در آن ها پیشرفت روزافزونی دیده میشود. صنایع هوافضا، مهندسی پزشکی و صنایع شیمیایی از جمله این صنایع هستند. بنابراین با توجه به شکل پیچیده قطعات تیتانیومی که در این صنایع به کار میروند، توجه به جوشکاری تیتانیوم دارای اهمیت زیادی است. اما جوشکاری تیتانیوم همانند باقی فلزات فعال مثل زیرکونیم و تانتالیم با مشکلات متعددی مواجه است.

جوشکاری تیتانیوم با آرگون

آلیاژهای تیتانیوم بر اساس ساختار میکروسکوپی و عناصر آلیاژی موجود در آلیاژ به چند دسته تقسیم میشوند. تیتانیوم های آلفا(α) و نزدیک آلفا، تیتانیوم بتا (β) و تیتانیوم آلفا-بتا (α-β) که هر کدام از این سه دسته بندی خواص مکانیکی و جوش پذیری مخصوص به خود را دارند.

مشکلات جوشکاری تیتانیوم

واکنش سریع این فلزات با اکسیژن و تشکیل اکسیدهای پایدار بزرگترین این مشکلات محسوب میشود. از یک سو، وجود اکسید فلزات فعال مانع جوشکاری ذوبی این فلزات میشود و لبه های ذوب شده با یکدیگر تماس مناسب نخواهند داشت. همچنین باقی ماندن اکسیدهای ذکر شده در فلز مذاب به صورت آخال موجب کاهش خواص مکانیکی اتصال میشود. در فلزات فعال، گازهایی مثل نیتروژن و هیدروژن نیز حد حلالیت بالایی در دمای بالا دارند. وجود نیتروژن ، حتی در مقادیر کم نیز موجب سخت شدن و کاهش خواص مکانیکی این آلیاژها میشود. حل شدن هیدروژن نیز موجب کاهش چقرمگی و تردی هیدروژنی این آلیاژها میشود. افزایش بیش از حد کربن به این آلیاژها نیز موجب ایجاد کاربیدهای پایدار و کاهش خواص مکانیکی میشود.

راه حل مشکلات جوشکاری تیتانیوم

انتخاب درست روش های جوشکاری ، پارامترهای اتصال دهی و نحوه آماده سازی قطعات تاثیر به سزایی در حل این مشکلات دارد. به عنوان مثال، نحوه آماده سازی باید به گونه ای انجام شود که اتصال انجام شده خواص مناسبی داشته باشد. در صورت آماده سازی و تمیزکاری نامناسب قطعات آلومینیومی و انتخاب پارامترهای نامناسب، احتمال ایجاد تخلخل بالا میرود. وجود بسیاری از مواد خارجی از قبیل چربی و مواد هیدروکربنی روی سطح اتصال میتواند عامل ایجاد تخلخل شود. هر عامل خارجی دیگری نیز از قبیل الیاف پارچه ای یا ذرات سنگ سنباده نیز موجب بروز این مشکل میشوند. حد مجاز گازهای محبوس در فلز جوش 100 ppm است که بیشتر از این مقدار ایجاد تخلخل میکند.

جوش تیتانیوم

میزان این تخلخل ها با تغییر پارامترهای جوشکاری تغییر میکند. پارامترهایی از قبیل گرمای ورودی ، سرعت جوشکاری تیتانیوم ، سرعت سرمایش و دبی گاز محافظ میتوانند موجب تغییر میزان تخلخل بشوند. افزایش دمای مذاب و در نتیجه، افزایش سیالیت آن، در اثر افزایش حرارت ورودی، میتواند باعث خروج گازها و کاهش تخلخل بشود. کاهش حرارتی ورودی میتواند ایجاد تخلخل های میکروسکوپی کند که کیفیت عملکرد حین سرویس قطعه را کاهش بدهند.

جوش پذیری آلیاژ های تیتانیوم

جوش پذیری آلیاژهای تیتانیوم رابطه مستقیمی با میزان تاثیر تخلخل و ناپیوستگی روی عملکرد مکانیکی جوش دارد. آلیاژهایی که استحکام بالا و انرژی ضربه کمتری دارند در برابر این مشکلات و ترکیدگی حساس تر هستند. آلیاژهای استحکام بالای α-β مانند Ti-7Al-4Mo ببیشتر تحت تاثیر این مشکلات قرار میگیرند. فلز جوش این آلیاژها چسبندگی ناقصی دارند و تمایل زیادی به ترد شدن در منطقه متاثر از حرارت دارند. برخی آلیاژهای تیتانیوم مانند Ti-8Mn به دلیل همین مسائل، قابلیت جوش پذیری ندارند. با تنظیم میزان رقت و استفاده از فیلرهایی که دارای نسبت استحکام به انعطاف پذیری کمتری نسبت به فلز پایه هستند، میتوان شدت برخی از این مشکلات را کاهش داد. به عنوان مثال میتوان از فلز پرکننده تیتانیوم خالص در جوشکاری آلیاژ Ti-6Al-4V استفاده کرد.

روش های جوشکاری تیتانیوم

در جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم از جوشکاری ذوبی و جوشکاری حالت جامد استفاده میشود. نکته مهم در انتخاب روش های جوشکاری ذوبی ، انتخاب روش هایی است که بر پایه گاز محافظ جوشکاری میکنند. انتخاب روش های بر پایه سرباره مثل جوشکاری زیرپودری در جوشکاری تیتانیوم امکان پذیر نیست. نکته مهم دیگر این است که جوشکاری تیتانیوم به روش ذوبی فقط برای آلیاژهای α و آلیاژهای α – β با کمتر از 20 درصد فاز β امکان پذیراست. باقی آلیاژهای تیتانیوم به دلیل امکان ایجاد عدم پیوستگی و کاهش خواص مکانیکی با روش های حالت جامد متصل میشوند.

سیم جوش تیتانیوم

جوشکاری آرگون

جوشکاری آرگون پر کاربرد ترین روش در جوشکاری آلیاژ های تیتانیوم است که بیشتر برای ضخامت های پایین استفاده میشود. بهترین وضعیت جوشکاری برای این آلیاژها جوشکاری تخت بوده به صورتی که حفاظت اتصال به شکل مناسبی انجام شود. در این فرایند اغلب از جریان مستقیم با الکترود قطب منفی و الکترود تنگستن EWTH-2 استفاده میشود. ترکیب فلز فیلر به شکلی انتخاب میشود که تا حد ممکن نزدیک فلز پایه باشد.

جوشکاری میگ

هزینه جوشکاری تیتانیوم با فرایند جوشکاری میگ کمتر از جوشکاری آرگون است و نرخ رسوب نشانی بیشتری دارد. به دلیل حرکت قطرات مذاب به سمت حوضچه، حساسیت جوشکاری تیتانیوم به روش میگ در برابر آلودگی محیطی، بیشتر از جوشکاری آرگون است. تجهیزات معمول جوشکاری تیتانیوم تفاوت زیادی با جوشکاری سایر آلیاژها از قبیل آلیاژهای آهنی ندارد. تنها نکته مهم این است که حفاظت حوضچه جوش به وسیله گاز محافظ باید دقیق تر از جوشکاری آلیاژهای دیگر انجام شود. در این روش، حرارت ورودی به قطعه بیشتر از روش جوشکاری آرگون است بنابراین سرعت سرد شدن آهسته تر و گرده جوش پهن تر است. نبود آلودگی روی سیم جوش در جوشکاری تیتانیوم از اهمیت بالایی برخوردار است. گاز محافظ استفاده شده نیز آرگون ، هلیم یا ترکیبی از این دو گاز است.

جوشکاری تیتانیوم با قوس پلاسما

جوشکاری پلاسما نیز از فرایندهایی است که محافظت خوبی از حوضچه جوش به عمل می آورد و بنابراین برای جوشکاری تیتانیوم مناسب است. علاوه بر این، وجود گاز یونیزه شده با دمای بسیار بالا موجب افزایش عمق نفوذ در جوشکاری پلاسما نسبت به دو روش دیگر میشود. بنابراین جوشکاری تیتانیوم با قوس پلاسما در اتصال دهی آلیاژهای ضخیم استفاده میشود. سرعت بالاتر جوشکاری و عدم نیاز به فلز پر کننده از مزایای جوشکاری پلاسما نسبت به جوشکاری آرگون است. در این روش جوشکاری تیتانیوم نیز مانند دو روش دیگر از گاز آرگون، هلیم یا ترکیب این دو استفاده میشود. نکته مهم، توجه در خلوص گاز و عدم وجود اکسیژن و هیدروژن در ترکیب این گاز است. همانگونه که پیشتر گفته شد، وجود این دو گاز موجب تردی آلیاژ تیتانیوم میشود.

جوشکاری تیتانیوم با پرتو الکترونی

یک نکته بسیار مهم در جوشکاری تیتانیوم  با پرتو الکترونی ، انجام شدن این روش جوشکاری در محفظه خلا است. در نتیجه، محافظت از حوضچه جوش در این روش، بسیار بهتر از روش های دیگر انجام میشود. وجود گاز در محفظه خلا یا ترکیباتی که در دمای پایین بخار شوند، مثل آلودگی ها، موجب آلودگی محفظه خلا و پراکندگی پرتو خواهد شد. به دلیل تمرکز بسیار بالای پرتو و قطر بسیار پایین نقطه اثر آن، قرارگیری دو قطعه در کنار یکدیگر و آماده سازی سطح اتصال بسیار مهم است. نکته بسیار مهم دیگر، حرارت ورودی بسیار کم این فرایند و در نتیجه، سرعت سرمایش نسبتا بالای آن است. سرعت سرمایش بالا در آلیاژهای α-β موجب ایجاد ساختار مارتنزیتی ارتورومبیک میشود. این ساختار سختی و استحکام بالا و چقرمگی کمی دارد. بنابراین از جوشکاری با پرتو الکترونی در موارد خاصی استفاده میشود.

جوشکاری تیتانیوم با لیزر

خواص جوش حاصل شده از جوشکاری تیتانیوم با لیزر شباهت زیادی با روش پیشین دارد. با این تفاوت که در جوشکاری لیزر ، محفظه خلا وجود ندارد و بنابراین بایستی از روش دیگری برای محافظت از حوضچه جوش استفاده کرد. جوشکاری لیزر نیز ممکن است در برخی از آلیاژهای تیتانیوم موجب ایجاد ناحیه ای مارتنزیتی بشود.

جوشکاری تیتانیوم به روش مقاومتی

جوشکاری تیتانیوم به روش مقاومتی به دلیل هدایت حرارتی پایین این آلیاژ سهولت زیادی دارد. جوشکاری این آلیاژها از این نظر، بسیار آسان تر از جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم یا فولادهای کربنی و کم آلیاژ است. هدایت حرارتی و الکتریکی تیتانیوم به فولادهای زنگ نزن نزدیک تر است و بنابراین پارامترهای جوشکاری این دو آلیاژ شباهت زیادی دارند.

جوشکاری تیتانیوم با تیگ

زمان جوشکاری و سرعت سرمایش بسیار بالا در این روش، احتمال تحت تاثیر قرار گرفتن توسط اتمسفر را کاهش میدهد. بنابراین در جوشکاری مقاومتی نقطه ای تیتانیوم احتیاجی به گاز محافظ نیست. از سوی دیگر، ذوب و انجماد سریع ممکن است موجب محبوس شدن اکسیدهای سطحی تیتانیوم شوند و تمیزکاری قطعات اهمیت بالایی دارد. تمیزکاری سطحی آلیاژهای تیتانیوم با استفاده از برس سیمی از جنس فولاد زنگ نزن یا محلول های اسیدی انجام میشود.

جوشکاری تیتانیم در حالت جامد

از میان فرایند های حالت جامد ، جوشکاری نفوذی ، فرایند بسیار مناسبی برای اتصال دهی آلیاژهای تیتانیوم است. به این دلیل که در این روش جوشکاری ، فلز به دمای ذوب نمیرسد و در نتیجه نیازی به محافظت از قطعات در برابر آلودگی و اتمسفر نیست. در دماهای بالای 538 درجه سانتیگراد استحکام تسلیم قطعه تیتانیومی با افزایش دما کاهش می یابد و تشکیل اتصال جوشکاری نفوذی بسیار راحت میشود.

جوشکاری تیگ تیتانیوم

همچنین میتوان از جوشکاری اصطکاکی نیز برای جوشکاری تیتانیوم به خودش یا به آلیاژهای دیگر استفاده کرد. جوشکاری اصطکاکی به وسیله چرخش دو قطعه نسبت به یکدیگر انجام میشود به صورتی که دمای حاصله تا دمای فورج برسد. در این حالت، قطعات به یکدیگر جوش میخورند. در جوشکاری FSW  نیز یک پین به همراه شانه با سرعت چرخشی بسیار بالا وارد قطعه شده و با اعمال اصطکاک روی ماده قطعه پایه، گرما ایجاد میکند. این گرما باعث خمیری شدن قطعات اولیه شده و آن ها را به هم جوش میدهد.