صفر تا ۱۰۰ جوشکاری تیتانیوم

صفر تا ۱۰۰ جوشکاری تیتانیوم

تیتانیوم و به انگلیسی Titanium یک فلز نقره‌ای رنگ است که با نماد Ti شناخته می‌شود. تیتانیوم میل ترکیب شدن قوی‌ایی با اکسیژن دارد و همیشه یک به محض قرارگیری در معرض هوا یک لایه اکسید روی سطح آن تشکیل می‌شود لذا این منجر به غیرفعال شدن طبیعی سطح می‌شود که مقاومت در برابر خوردگی با نمک یا محلول اسیدی اکسید کننده را ایجاد می‌کند.
تیتانیوم خالص در دمای ۸۸۲ درجه سانتی‌گراد دارای استحاله فازی می‌باشد که تیتانیوم خالص در زیر این دما، دارای ساختار شبکه‌ایی نزدیک به شش ضلعی به نام آلفا (α) دارد و بالای آن، دارای ساختار شبکه‌ایی مکعبی که بتا (β) نام‌گذاری شده است می‌باشد.

وجود عناصر آلیاژی در تیتانیوم سبب خواهند شد که شبکه فازی تیتانیوم دچار تغییر شود لذا با توجه به نوع عناصر آلیاژی، تیتانیوم به لحاظ فازهای فلزی به چهار دسته تقسیم می‌شود.
۱) تیتانیوم خالص تجاری
۲) تیتانیوم آلفا Alpha
۳) تیتانیوم آلفا-بتا Alpha-beta
۴) تیتانیوم بتا Beta
تیتانیوم خالص یا به انگلیسی Commercially pure که با نماد CP شناخته می‌شود، دارای عناصر آلیاژی نمی‌باشد. تیتانیوم خالص نرم‌ترین و چکش‌خوارترین نوع تیتانیوم می‌باشد.
تیتانیوم آلفا، از تیتانیوم به همراه عناصر آلیاژی تقویت کننده فازی آلفا مانند: آلومینیوم، اکسیژن، نیتروژن و کربن به وجود می‌آید. افزودن این عناصر آلیاژی سبب بالا بردن استحکام و همچنین پایداری بیشتر فاز آلفا خواهند شد.
تیتانیوم بتا، از تیتانیوم به همراه عناصر آلیاژی تقویت کننده فازی بتا مانند: مولیبدن، نیوبیم و تانتالم به وجود می‌آید. افزودن عناصر آلیاژی تقویت کننده فازی بتا، علاوه بر بالا بردن استحکام سبب افزایش قابلیت تولید قابلیت تولید با روش کار سرد و گرم تیتانیوم خواهند شد.
تیتانیوم آلفا-بتا، نوعی آلیاژ تیتانیوم است که هم‌زمان دارای عناصر آلیاژی تقویت کننده فازی آلفا و بتا می‌باشد.

طبقه بندی آلیاژهای تیتانیوم

استاندارد بین‌المللی ASTM، آلیاژهای تیتانیوم را در گرید‌های مختلف دسته‌بندی کرده است که بیش از ۱۵ گرید برای آن وجود دارد که از این بین ۵ گرید از آلیاژهای تیتانیوم شهرت بیشتری دارند که در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
گرید ۱
تیتانیوم گرید ۱، نرم‌ترین و چکش‌خوارترین نوع تیتانیوم می‌باشد که دارای ساختار شبکه‌ایی آلفا (α) می‌باشد و برای استفاده در محیط‌های سرد و خورنده گزینه مناسبی می‌باشد.
گرید ۲
تیتانیوم گرید ۲، تیتانیوم با ساختار شبکه‌ایی آلفا (α) می‌باشد که دارای مقداری اکسیژن در ساختار خود می‌باشد.
گرید H۲
تیتانیوم گرید H۲، مشابه تیتانیوم گرید ۲ است فقط با این تفاوت که استحکام کششی نهایی آن بیشتر از تیتانیوم گرید ۲ است.
گرید ۳
تیتانیوم گرید ۳، از بین گریدهای نام برده شده تیتانیوم دارای بیشترین استحکام مکانیکی می‌باشد.
تیتانیوم گریدهای ۱، ۲، H۲ و ۳ همگی جزو تیتانیوم خالص یا CP می‌باشند که دارای ساختار شبکه‌ایی آلفا (α) می‌باشد.
گرید ۵
تیتانیوم گرید ۵، که با نماد Ti6Al4V یا Ti 6-4 شناخته می‌شوند دارای ترکیب شیمیایی ۶٪ آلومینیوم، ۴٪ وانادیم، ۰/۲۵٪ آهن، ۰/۲٪ اکسیژن و بقیه تیتانیوم است. تیتانیوم گرید ۵ به طور قابل ملاحظه‌ایی از تیتانیوم خالص یا CP استحکام بیشتری دارد و استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی، جوش پذیری و قابلیت ساخت این گرید از تیتانیوم را به یکی از پر کاربردترین گریدهای تیتانیوم تبدیل کرده است.
تیتانیوم گرید ۵، دارای ساختار شبکه‌ایی آلفا-بتا می‌باشد که محدوده‌ی دمای کاری آن تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد است که از آن در بدنه هوافضا، اجزای موتور، قطعات کشتی و ایمپلنت‌های بیو پزشکی استفاده می‌شود.

چالش‌های پیش رو برای جوشکاری تیتانیوم

تردی پس از جوشکاری تیتانیوم یکی از اصلی ترین چالش‌های پیش رو برای جوشکاری تیتانیوم می‌باشد. در
جذب شدن عناصر موجود در هوا مانند: اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن در هنگام جوشکاری سبب بالا رفتن خطر تردی پس از جوشکاری خواهد شد. در دمای بالای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت اکسیداسیون به سرعت کاهش می‌یابد. بنابراین، باید با استفاده از گازهای محافظ از آلودگی اکسیژن و نیتروژن جلوگیری شود. حل شدن هیدروژن و اکسیژن در جوش باعث کاهش شدید چقرمگی می‌شود.
عامل دیگر می‌تواند سبب تردی پس از جوشکاری تیتانیوم شود وجود آلودگی مواد کربنی مانند: روغن، گریس و چربی می‌باشد که برای مقابله با آن باید سطح از وجود این مواد به خوبی پاک شود.
برای شستشوی قطعات تیتانیوم، نباید از آب شیر معمولی استفاده کرد و برای این مهم باید از آب مقطر (DM) استفاده شود.
قبل از جوشکاری، پوشش اکسید سبک روی قطعات باید با محلول اسیدی ۲ الی۴٪ اسید هیدروفلوئوریک و ۳۰ الی ۴۰٪ اسید نیتریک و به دنبال آن شستشو و خشک کردن با آب مقطر برداشته شود.
تمیز کردن قطعات تیتانیوم، باید درست قبل از شروع جوش انجام شود چرا که پس از مدتی دوباره بر روی سطح نمونه‌ها اکسید تشکیل خواهد شد.

مراقبت‌های لازم برای جوشکاری تیتانیوم

بالا رفتن دما در حین جوشکاری تیتانیوم، شرایط را برای اکسید شدن جوش مهیاتر می‌کند لذا باید از واکنش اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن با فلز گرم شده تیتانیوم جلوگیری کرد که برای این مهم تکنیک‌های مختلفی وجود دارد و یک از این تکنیک‌ها استفاده از چمبر‌های تغذیه گاز محافظ رو کار (Argon Trailing) می‌باشد.
برای جوشکاری تیتانیوم باید از گاز آرگون با خلوص بالا استفاده کرد. خلوص توصیه شده آرگون ۹۹/۹۹۹٪ است.
جذب شدن اکسیژن در فلز جوش سبب کاهش شکل پذیری فلز جوش می‌شود لذا توصیه شده در تهیه دستورالعمل جوشکاری WPS، از مستندات تست خمش جوش نیز استفاده شود.
رطوبت هوا ممکن است از طریق سیستم معیوب رگلاتورها، اتصالات لوله و غیره وارد سیستم شود لذا حتماً مراقب لازم را انجام بدهید.
اگر آماده‌سازی نمونه‌های جوشکاری تیتانیوم نیاز به ماشین‌کاری با دستگاه‌های تراشکاری، فرزکاری دارند باید مراقب بود که مواد در حین ماشین‌کاری قطعات بیش از حد گرم نشوند.

عیوب احتمالی در جوشکاری تیتانیوم

۱) تغییر رنگ

رنگ جوش اغلب به عنوان معیاری برای میزان آلودگی در جوشکاری تیتانیوم استفاده می‌شود.
رنگ براق نقره‌ای نشان دهنده محافظت صحیح در جوشکاری است و داشتن این رنگ مطلوب و رضایت بخش است.
رنگ برنز یا قهوه‌ای روشن و تیره نشان دهنده میزان بسیار کمی آلودگی است.
رنگ آبی روشن و تیره نشان دهنده میزان زیاد آلودگی است و قابل قبول نیست.
رنگ‌های خاکستری-آبی، خاکستری و سفید نشان دهنده آلودگی بسیار شدید است و قابل قبول نیست.
باید توجه داشت که در اجرای جوش چند پاسه اگر لایه‌های زیرین معیوب باشند، جوش قابل قبول نیست.
لازم به ذکر است که تغییر رنگ دور از مهره جوش لزوماً نشان دهنده ضعف محافظت از جوش نیست. در واقع، خطوط نامبرده قهوه‌ای تیره موازی با مهره جوش معمولاً در جوشکاری ذوبی دیده می‌شود.
در شکل زیر نمونه‌هایی از جوشکاری تیتانیوم را مشاهده می‌کنید.

۲) تخلخل در جوش

رطوبت ناشی از تمیز کردن و خشک کردن نامناسب اتصال قبل از جوشکاری
جوشکاری نامناسب و استفاده از فاصله درز بزرگ (wide root opening)
جوشکاری با سرعت پائین