Soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa: Una visión general de la investigación técnica

Resumen

La aleación de titanio se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, en equipos marinos y en otras industrias debido a su alta resistencia específica, su excelente resistencia a la corrosión y su rendimiento a altas temperaturas.

En los últimos años, la tecnología de soldadura de aleaciones de titanio de pared gruesa ha adquirido un importante valor de aplicación debido a la creciente demanda de dichas aleaciones. Por ello, este artículo pretende resumir los avances en la tecnología de soldadura por fusión de materiales de aleación de titanio de pared gruesa. Incluye principalmente la soldadura con electrodo no fusible protegido con gas, la soldadura por haz de electrones y la soldadura por haz de electrones. soldadura láser. Además, este documento también presenta una perspectiva sobre la tendencia de desarrollo de la aleación de titanio de pared gruesa. tecnología de soldadura.

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Prefacio

Aleación de titanio se caracteriza por su baja densidad, alta resistencia específica, rigidez específica, excelente resistencia a la corrosión y buena procesabilidad. Es un nuevo material funcional con un vasto potencial de desarrollo y prometedoras perspectivas de aplicación. Conocido como el "tercer metal" después del acero y el aluminio, es un material metálico estratégico esencial, ampliamente utilizado en la industria aeroespacial, petroquímica, equipos de defensa nacional y otros campos.

En los últimos años, con la creciente demanda de equipos a gran escala y ligeros en la industria de defensa nacional, la necesidad de aleación de titanio de pared gruesa se ha hecho más urgente, junto con su correspondiente tecnología de procesamiento.

En aplicaciones prácticas de ingeniería, la soldadura es el principal método utilizado para conectar estructuras de aleaciones de titanio de paredes gruesas, haciendo que el titanio de paredes gruesas sea eficiente y de alta calidad. soldadura de aleación tecnología esencial y que atrae una atención considerable.

Este artículo resume el estado de la investigación de la tecnología de soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa, identifica los problemas existentes con la soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa y explora las perspectivas de desarrollo y las direcciones de investigación de la tecnología de soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa.

1. Clasificación y características de las aleaciones de titanio

1.1 Clasificación de las aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio pueden clasificarse en cinco categorías en función de su composición y contenido químicos: aleación de titanio α, aleación de titanio casi α (con una fracción másica de fase β de ≤10%), aleación de titanio de fase dual α-β (con una fracción másica de fase β de 10% ≤ β ≤ 50%), aleación de titanio β metaestable y aleación de titanio β.

La aleación de titanio de fase dual α-β se utiliza ampliamente debido a sus excelentes propiedades integrales. Combina las características de estabilidad térmica de la aleación de titanio de tipo α con las características de refuerzo del tratamiento térmico de la aleación de titanio de tipo β.

1.2 Características del material de aleación de titanio

(1) Alta resistencia específica.

La aleación de titanio es una aleación ligera con una densidad de 4,54 g/cm3 a 20℃, que es aproximadamente 56% de la del acero ordinario. El uso de la aleación de titanio para fabricar piezas mecánicas puede disminuir significativamente el peso y conseguir un efecto de ligereza.

(2) Buena resistencia a la corrosión.

La aleación de titanio forma una película de óxido estable, continua y densa en la superficie cuando se expone al aire, lo que la deja en estado pasivo. Además, la película de óxido de la aleación de titanio tiene un excelente rendimiento de reparación. En caso de daños causados por factores externos, puede restaurarse rápidamente, lo que confiere a la aleación de titanio una notable resistencia a la corrosión.

(3) Rendimiento a altas temperaturas.

El punto de fusión de la aleación de titanio es de 1667 ℃, que puede trabajar de forma estable en el entorno de 500~600 ℃, y tiene una alta resistencia a la fluencia y al calor.

1.3 Características de soldadura de la aleación de titanio de pared gruesa

(1) Fragilización de la unión soldada:

Sin la protección adecuada, la temperatura de calentamiento de la aleación de titanio puede desencadenar diversas reacciones químicas. La absorción de hidrógeno comienza a los 250 ℃, la de oxígeno a los 400 ℃, la oxidación grave a los 540 ℃ y la de nitrógeno a los 600 ℃.

Estos gases se disuelven en el baño de fusión durante la soldadura y sufren reacciones químicas que pueden provocar la fragilización de la unión soldada. Como resultado, la plasticidad y la tenacidad de la unión soldada disminuyen rápidamente. Por lo tanto, es crucial proteger la proceso de soldadura para evitar que se produzcan estas reacciones.

(2) Grietas de soldadura:

Las aleaciones de titanio tienen bajos niveles de impurezas, como S, P, C y otros contaminantes. También contienen menos compuestos eutécticos de bajo punto de fusión y tienen un estrecho rango de temperaturas de cristalización, lo que las hace menos susceptibles al agrietamiento en caliente.

Sin embargo, cuando se sueldan aleaciones de titanio de paredes gruesas utilizando técnicas de soldadura multicapa y multipaso, la unión soldada se somete a altos niveles de tensión de restricción, lo que da lugar a importantes tensión residual en la junta. Bajo la influencia de esta tensión residual, se forman fácilmente grietas en frío.

(3) Porosidad:

La porosidad es un defecto común que puede producirse durante la fabricación de titanio. soldadura de aleación. Esto se debe a la elevada presión de vapor de saturación y a los elementos activos presentes en la aleación de titanio. La porosidad por hidrógeno puede producirse cuando la superficie del metal base y material de soldadura está contaminado, o cuando el gas de protección contiene impurezas como oxígeno, hidrógeno o agua.

2. Estado de la investigación de la soldadura con electrodo no consumible protegido por gas

2.1 Soldadura TIG tradicional

La soldadura TIG no consumible con gas de protección se utiliza ampliamente en el campo de las aleaciones de titanio debido a sus ventajas, como un arco estable, menos salpicaduras de soldaduray una buena formación de la soldadura. Sin embargo, las Soldadura TIG para aleaciones de titanio da como resultado un mayor tiempo de permanencia a alta temperatura de la unión soldada y un enfriamiento más rápido del metal fundido líquido del baño.

Esto se debe a la baja conductividad térmica de las aleaciones de titanio, que provoca una tendencia notable al engrosamiento del grano en la zona de soldadura y zona afectada por el calor.

Además, el gran tamaño de la ranura hace necesaria la soldadura multicapa y multipaso, lo que provoca una baja eficacia de la soldadura, una tensión excesiva y deformaciones. Para reducir la tendencia al engrosamiento del grano, Lu Xin empleó soldadura TIG para conseguir soldadura multicapa y multipaso de aleación de titanio TC4 de 20 mm de espesor con un ángulo de ranura de 60°. La Fig. 1 muestra las microestructuras de uniones soldadas con distintos aportes de calor.

En calor de soldadura disminuye, el tamaño de la martensita dentro de los granos se hace más pequeño y uniforme, y los granos de soldadura se hacen progresivamente más finos. Por lo tanto, es necesario un control estricto de la entrada de calor de soldadura cuando se utiliza la soldadura TIG para soldar chapas gruesas de aleación de titanio TC4 para prevenir los granos gruesos de unión y evitar la aparición de estructuras anormales, grietas y otros defectos.

Fig.1 Microestructura de la zona de soldadura con diferentes aportes térmicos

Yang Lu et al. emplearon una ranura en forma de X y soldadura frontal y posterior alternadas para realizar soldadura TIG multicapa en aleación de titanio TC4 de 24 mm de espesor, con el objetivo de minimizar la tensión residual y la deformación en las uniones soldadas.

Simultáneamente, utilizando la plataforma SYSWELD, los investigadores realizaron simulaciones numéricas del campo de temperatura, el campo de tensiones y la deformación de la soldadura en las uniones soldadas. Las simulaciones se realizaron bajo el supuesto de una sujeción completamente rígida en ambos extremos de la unión soldada. chapa de soldaduracomo se muestra en la figura 2.

Los resultados indicaron que la utilización de la secuencia de soldadura de alternancia de dos lados podía reducir significativamente la tensión y la deformación en la unión soldada.

Fig.2 Perfil morfológico TEM de junta de soldadura Espesor de la tensión residual

En resumen, mientras que la soldadura TIG tradicional es adecuada para soldar aleaciones de titanio de paredes gruesas, el tamaño del grano, la tensión de la unión y la deformación pueden minimizarse reduciendo adecuadamente el aporte de calor de soldadura y utilizando una ranura en forma de X para la soldadura alternativa de doble cara.

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Sin embargo, sigue existiendo el problema de que el gran tamaño de las ranuras provoca una baja eficacia de la soldadura, lo que dificulta la popularización de la técnica en la soldadura de aleaciones de titanio de paredes gruesas.

2.2 Soldadura TIG de vía estrecha

El tamaño de la ranura para la soldadura de ranura estrecha es pequeño, lo que se traduce en una reducción significativa del volumen en comparación con las soldaduras tradicionales de relleno de ranura. Esta reducción no solo mejora la eficacia de la soldadura, sino que también reduce los costes de producción.

La soldadura TIG de ranura estrecha es un proceso flexible que cuenta con unos costes de equipo relativamente bajos y un proceso de soldadura estable. Además, las ranuras de separación estrecha pueden reducir el número de pasadas de soldadura, lo que a su vez mejora la deformación de la soldadura y permite un mejor control de la tensión de soldadura.

Como resultado, la soldadura TIG de intersticio estrecho para aleaciones de titanio de paredes gruesas ofrece ventajas significativas.

Sin embargo, la pequeña ranura de la soldadura TIG con ranura estrecha puede hacer que el arco "trepe" por la pared lateral, lo que provoca una entrada de calor insuficiente en la esquina inferior de ambos lados de la ranura. cordón de soldadura y mala fusión de la pared lateral.

En la actualidad, la tecnología de soldadura TIG de hendidura estrecha para aleaciones de titanio de paredes gruesas suele emplear oscilación mecánica y campos magnéticos externos para regular el arco. Estos métodos resuelven eficazmente el problema de la fusión deficiente de las paredes laterales de hendidura estrecha.

2.2.1 Soldadura TIG de ranura estrecha con oscilación mecánica

El principio de la soldadura TIG de ranura estrecha con oscilación mecánica es el siguiente: durante el proceso de soldadura, el electrodo de tungsteno se mueve hacia delante y hacia atrás dentro de la ranura mediante la rotación de la pinza del electrodo de tungsteno, lo que hace que el arco apunte periódicamente hacia las paredes laterales de la ranura, garantizando la calidad de fusión de las paredes laterales.

El proceso de soldadura se representa en la figura 3.

El modo de soldadura de ranura estrecha con oscilación mecánica se adapta perfectamente a los cambios de anchura de la ranura de soldadura. Minimiza la aparición de defectos de no fusión de la pared lateral durante la soldadura, lo que resulta en una soldadura más estable. calidad de soldadura. Esta técnica se ha generalizado en la soldadura TIG de paredes gruesas de aleaciones de titanio.

Fig.3 Diagrama esquemático del proceso de soldadura TIG de ranura estrecha y oscilación mecánica

Jiang Yongchun utilizó el TIG de oscilación mecánica y ranura estrecha técnica de soldadura para lograr una conexión de alta calidad de la aleación de titanio TC4 con un grosor de 52 mm. Esto fue posible gracias a la selección de parámetros de soldadura y medidas de protección de la soldadura adecuados.

La figura 4 ilustra la macro metalografía y la microestructura de la unión soldada. Debido a la rápida velocidad de enfriamiento, α 'martensita en la zona afectada por el calor. Sin embargo, la resistencia de la soldadura alcanza 90% del metal base, y la dureza de la zona de fusión exhibe el valor máximo.

Fig.4 Metalografía macroscópica y microestructura de la unión soldada

Li Shuang et al. utilizaron la tecnología de soldadura TIG de hendidura estrecha con oscilación mecánica para lograr la soldadura con alambre de relleno de una sola capa de aleación de titanio TC4 de 30 mm de espesor, y analizaron la microestructura de la unión soldada.

Los resultados revelaron que los granos de la zona de soldadura estaban significativamente engrosados, predominando los granos columnares gruesos, y sus microestructuras consistían en α'martensita acicular, que se dispersaban paralelamente en los granos de fase β.

La zona afectada por el calor adyacente al lado de la soldadura presentaba un grado de engrosamiento del grano más significativo que el del lado del metal base.

En conclusión, la tecnología de soldadura TIG de ranura estrecha con oscilación mecánica tiene un proceso de soldadura estable y un bajo coste de equipo.

La oscilación periódica del electrodo de wolframio resolvió eficazmente el problema de la fusión inadecuada de la pared lateral de aleación de titanio de pared gruesa.

Sin embargo, debido al importante aporte de calor, la junta mostró una aparente tendencia al engrosamiento del grano.

2.2.2 Soldadura TIG de rendija estrecha con control magnético

El concepto de la tecnología de soldadura TIG de ranura estrecha controlada magnéticamente fue introducido por primera vez por el Instituto de Investigación de Tecnología de Soldadura Barton de Ucrania. En los últimos años, el Instituto de Investigación de Tecnología de Soldadura de Guangdong ha llevado a cabo investigaciones fundamentales y ha promovido la aplicación industrial de esta tecnología para aleaciones de titanio de paredes gruesas.

La figura 5 ilustra el diagrama del proceso de soldadura y la oscilación del arco de la soldadura TIG de rendija estrecha controlada magnéticamente. Durante el proceso de soldadura, la bobina electromagnética se conecta a la corriente alterna, y el chapa de acero al silicio que pasa por la bobina se convierte en un imán.

A continuación, la línea de inducción magnética pasa a través del electrodo y el arco, lo que produce una oscilación periódica del arco hacia las dos paredes laterales. Esto facilita la fusión de las paredes laterales, lo que hace posible la soldadura TIG.

Fig.5 Ilustración esquemática del campo magnético transversal externo y la oscilación del arco

Investigadores de todo el mundo han llevado a cabo extensas investigaciones sobre el impacto de la intensidad del campo magnético, la frecuencia del campo magnético y la posición del electrodo en la fusión de la pared lateral, la formación de la soldadura y el proceso de cristalización, con el fin de lograr un alto rendimiento en el proceso de fusión.soldadura de calidad de la soldadura TIG de vía estrecha con control magnético.

Kshirsagar R et al. investigaron el impacto de un campo magnético externo en la formación de la soldadura, como se ilustra en la Fig. 6.

Los resultados indican que hay una falta significativa de fusión en la pared lateral cuando no hay campo magnético externo. Sin embargo, la fusión de la pared lateral es satisfactoria cuando hay un campo magnético externo.

Fig.6 Efecto del campo magnético transversal externo sobre la configuración y la microestructura del cordón de soldadura

(a) Sin campo magnético externo

(b) Con campo magnético externo

Un estudio realizado por Hua Aibing et al. examinó el impacto de la intensidad del campo magnético externo en la fusión de la pared lateral de la soldadura de separación estrecha. Los resultados indican que una intensidad de campo magnético de ≥ 4 mT puede mejorar eficazmente la fusión de la pared lateral, dando lugar a una fusión de soldadura relativamente uniforme.

Otro estudio de Chang Yunlong et al. investigó el efecto de la frecuencia del campo magnético externo en la fusión de la pared lateral. Los resultados mostraron que a medida que aumentaba la frecuencia del campo magnético, la profundidad de penetración del fondo de soldadura y la profundidad de impacto del arco también aumentaban, mientras que la penetración de la soldadura la anchura y la penetración de la pared lateral disminuyeron.

Yu Chen et al. realizaron un estudio sobre la influencia de la posición del electrodo en la fusión de la pared lateral. Los resultados revelaron que cuando el electrodo de tungsteno se desplazaba de la posición central, aumentaba la intensidad de entrada de corriente de la pared lateral cercana, mientras que disminuía la intensidad de entrada de corriente de la pared lateral lejana. Para evitar una penetración desigual de la pared lateral y una fusión deficiente de la misma, es necesario controlar estrictamente la posición del electrodo.

Sun Jie et al. realizaron un estudio sobre la influencia de la fuerza electromagnética en el proceso de cristalización. La figura 7 ilustra la cristalización primaria de la soldadura de aleación de titanio bajo la acción del campo magnético.

Los resultados indican que el efecto electromagnético puede mejorar la estabilidad de la zona del frente de cristalización planar y los cristales equiaxiales formados posteriormente.

A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, la microestructura cerca de la línea de fusión cambia gradualmente de cristal columnar a equiaxial. El arco controlado magnéticamente mejora significativamente la estabilidad del cristal equiaxed generado en el centro de la soldadura. Además, el cristal equiaxial crece en una sola dirección con el aumento de la intensidad del campo magnético.

En otro estudio, Hu Jinliang et al. utilizaron la tecnología de soldadura TIG de ranura estrecha con control magnético para soldar aleación de titanio TA17 de 120 mm de espesor, y la Fig. 8 muestra la microestructura de la unión soldada. Los resultados indican que la microestructura de la unión muestra una importante falta de homogeneidad a lo largo de la dirección transversal, mientras que no aparece ninguna diferencia significativa a lo largo de la dirección del espesor. Debido a la gran aportación de calor de soldadura, la zona de fusión está seriamente reblandecida.

Fig.7 Proceso de cristalización primaria del metal de soldadura de aleación de titanio bajo campo magnético

Fig.8 Microestructura de una unión de aleación de titanio TA17 de 120 mm de espesor soldada mediante costura de soldadura NG-TIG controlada magnéticamente.

En resumen, la tecnología de soldadura TIG de ranura estrecha con control magnético ofrece un proceso de soldadura estable a un coste de equipo inferior. Al añadir un campo magnético, la tecnología permite la oscilación periódica del arco, lo que resuelve eficazmente el problema de fusión deficiente asociado a las paredes laterales de aleaciones de titanio de paredes gruesas y da lugar a una estructura uniforme de la zona de soldadura.

Sin embargo, esta tecnología sigue enfrentándose al importante reto de ablandar la zona de fusión de las juntas soldadas debido al elevado aporte de calor. Por otro lado, la soldadura TIG de paso estrecho puede conseguir una soldadura estable de aleaciones de titanio de paredes gruesas. Esta tecnología reduce el número de pasadas de soldadura y mejora la eficacia de la soldadura en comparación con la soldadura TIG tradicional.

Sin embargo, la soldadura TIG de intersticio estrecho también tiene sus problemas. Debido a la refundición y el calentamiento repetidos de los granos de la junta, causa problemas como granos gruesos y una distribución desigual de la microestructura y las propiedades a lo largo de la dirección del espesor.

2.3 Soldadura por arco sumergido

La soldadura por arco sumergido es una forma distinta de soldadura, independiente de la soldadura TIG.

Este método utiliza helio como gas protectory el diámetro del electrodo y la corriente de soldadura son grandes.

Mediante una combinación de helio y fuerza de arco, es capaz de drenar el metal fundido líquido del baño en la posición de soldadura.

El electrodo se sumerge en el metal base que se va a soldar, y el arco arde en el electrodo y en la cavidad formada en el fondo del cráter, dando lugar finalmente a la formación del baño de fusión.

Debido a que la posición de combustión del arco está por debajo de la superficie del metal base, se denomina soldadura por arco sumergido.

El principio de la soldadura por arco sumergido puede verse en la figura 9.

Fig.9 Gráfico esquemático del principio SAW

En los últimos años, los especialistas han investigado la aplicación de la tecnología de soldadura por arco sumergido a las aleaciones de titanio de gran espesor.

Chen Guoqing y sus colegas realizaron un ensayo a tope mediante soldadura por arco sumergido en una aleación de titanio TA15 de 29 mm de espesor y obtuvieron soldaduras bien formadas.

Sin embargo, debido al elevado aporte de calor, la zona de soldadura y la zona afectada por el calor de la unión soldada son relativamente amplias, y el alargamiento de la unión tras la fractura es sólo 50% del metal base.

La propiedad de flexión de la junta soldada es pobre, y se rompe cuando se dobla a 15 °.

Liu Yanmei y otros lograron soldar una aleación de titanio TA15 de 58 mm de grosor mediante un proceso de soldadura por arco sumergido de doble cara.

En la Fig. 10 se muestra la macro sección de la soldadura. La zona de soldadura presenta cristales columnares de gran tamaño de grano, y la intragranular es α'martensita acicular.

La junta de fractura por tracción lugar es la zona de soldadura, que es una fractura dúctil.

La resistencia a la tracción alcanza 96% de la resistencia del metal base.

Para mejorar las propiedades mecánicas de la unión soldada por arco sumergido, Duqiang et al. llevaron a cabo la soldadura por arco sumergido de un titanio TA15 de 64 mm de espesor. placa de aleación con la adición de la capa intermedia de titanio puro TA1.

Los resultados mostraron que los contenidos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno en la soldadura, después de añadir la capa intermedia, se redujeron en comparación con el metal base, y la plasticidad de la unión soldada mejoró significativamente.

Hou Qi et al. estudiaron el efecto de la pureza del gas de protección en el rendimiento de una unión de soldadura por arco sumergido de una placa de aleación de titanio TA15.

Los resultados mostraron que las propiedades mecánicas de la unión soldada podían mejorarse en cierta medida aumentando la pureza del gas de protección.

Fig.10 Sección macroscópica de la soldadura

En resumen, la soldadura por arco sumergido es capaz de soldar aleaciones de titanio de paredes gruesas con una forma de arco relativamente estable, lo que da lugar a una mejor formación de la soldadura. El helio se utiliza normalmente para la protección coaxial en la soldadura por arco sumergido debido a su alto potencial de ionización y alta conductividad térmica en comparación con el argón.

Como resultado, el área de la columna del arco en la soldadura por arco sumergido es estrecha y concentrada, lo que conduce a una alta tasa de utilización del calor del arco. Esta técnica de soldadura puede realizar soldaduras de doble cara de aleaciones de titanio gruesas, mejorando significativamente la eficiencia de la soldadura en comparación con la soldadura TIG de espacio estrecho.

Sin embargo, hay algunos problemas asociados a este método, como el aporte excesivo de calor, la estructura de grano grueso y la distribución desigual de la microestructura y las propiedades en la dirección del espesor.

2.4 Resumen

La soldadura por arco con gas inerte no consumible es capaz de soldar aleaciones gruesas de titanio con una forma de arco relativamente estable, lo que da como resultado una mejor formación de la soldadura. Esta técnica demuestra un alto valor de aplicación en la investigación de la soldadura de aleaciones gruesas de titanio.

Sin embargo, sigue habiendo problemas, como el reblandecimiento de las juntas causado por un elevado aporte de calor de soldadura. Por lo tanto, es crucial llevar a cabo investigaciones para reducir el aporte de calor durante la soldadura de aleaciones de titanio de chapa gruesa. Esto puede mejorar la homogeneidad de la estructura y las propiedades de las aleaciones de titanio de pared gruesa sin soldadura MIG.

3. Estado de la investigación en soldadura por haz de electrones

La tecnología de soldadura por haz de electrones utiliza haces de electrones de alta densidad energética para bombardear materiales metálicos, lo que permite soldar por una cara y conformar por las dos caras materiales metálicos gruesos.

Durante el proceso de soldadura, la densidad de potencia del haz es alta, lo que da como resultado una gran relación profundidad-anchura de la soldadura y una deformación mínima de la misma.

Además, la soldadura por haz de electrones debe realizarse en un entorno de vacío, lo que evita eficazmente los efectos negativos del hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno durante el proceso de soldadura. Como resultado, la soldadura por haz de electrones se utiliza habitualmente para soldar aleaciones de titanio de gran espesor.

La figura 11 muestra el dispositivo de soldadura por haz de electrones.

Fig.11 Esquema de la soldadura por haz de electrones

3.1 Estructura y resultados conjuntos

Académicos nacionales y extranjeros han estudiado la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas por haz de electrones al vacío de aleaciones de titanio.

Hou Jiangtao utilizó la tecnología de soldadura por haz de electrones para soldar aleación de titanio TC4 de 20 mm de espesor, analizó el tamaño de grano de la zona de soldadura y las propiedades mecánicas de la unión a lo largo de la dirección del espesor.

Los resultados revelaron que la parte superior de la zona de soldadura tenía un tamaño de grano de 1200 µm, mientras que la parte inferior tenía un tamaño de grano de 200 µm, lo que provocaba diferencias en las propiedades.

Sun et al. también utilizaron la tecnología de soldadura por haz de electrones para soldar aleación de titanio TC4 de 20 mm de espesor y analizaron la macromorfología de la unión soldada (véase la Fig. 12).

La zona de fusión y la zona afectada por el calor en las zonas superior, media e inferior de la unión soldada presentaban anchuras significativamente diferentes, así como diferencias en la morfología y el tamaño de la estructura del grano, que disminuían a lo largo de la dirección de la profundidad.

Wei Lu et al. soldaron placas de aleación de titanio TC4 de 50 mm de espesor utilizando tecnología de soldadura por haz de electrones y realizaron ensayos de propiedades mecánicas a lo largo de la dirección del espesor. Los resultados revelaron que las propiedades mecánicas se distribuían de forma desigual a lo largo de la profundidad de soldadura.

En límite elástico, la resistencia a la tracción y la microdureza de la unión soldada mejoraron en comparación con las del metal base, mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyeron.

Por último, Song Qingjun utilizó la tecnología de soldadura por haz de electrones para soldar la aleación de titanio TC4 con un espesor de 60 mm y analizó la microestructura y las propiedades de la unión soldada. Los resultados mostraron que la microestructura de la unión soldada se distribuía de forma desigual a lo largo de la dirección del espesor, y que la tenacidad al impacto disminuía gradualmente desde la parte superior a la inferior de la soldadura.

Fig.12 Aspecto macroscópico de la junta soldada

En resumen, durante la soldadura por haz de electrones de aleaciones de titanio de paredes gruesas, el metal de soldadura se somete a un rápido proceso de ciclo térmico, lo que da lugar a una distribución desigual de la microestructura y las propiedades en diferentes zonas a lo largo de la dirección del espesor debido a tiempos de residencia inconsistentes a altas temperaturas.

Para abordar los problemas de la distribución no uniforme de la microestructura y las propiedades y las bajas propiedades mecánicas en las uniones soldadas por haz de electrones de aleaciones de titanio de pared gruesa, los investigadores pertinentes han optimizado el proceso de soldadura y han realizado un tratamiento térmico posterior a la soldadura para ajustar la microestructura y las propiedades de las uniones.

Gong Yubing et al. realizaron un amplio estudio sobre la no uniformidad de la unión soldada por haz de electrones de la aleación de titanio TC4 de 20 mm de espesor y la evolución de la estructura. La figura 13 muestra las microestructuras de diferentes zonas de la unión soldada.

Los resultados indican que la junta de soldadura de aleación de titanio presenta una importante falta de uniformidad en la dirección de la anchura de fusión y la profundidad de penetración. El tamaño medio del grano de la unión soldada superior es mayor que el de las partes media e inferior.

Estructura Widmanstatten aparece en las partes superior y media de la unión soldada, aumentando la fragilidad de la unión y disminuyendo su plasticidad. Cuando se utiliza una soldadura de gran aporte térmico, se puede mejorar la falta de uniformidad de la distribución de la microestructura.

Li Jinwei et al. consiguieron controlar la uniformidad de la composición de la soldadura por haz de electrones de la aleación de titanio TA15 de 20 mm de espesor aplicando formas de onda de barrido de cierta frecuencia y amplitud de deflexión al haz de electrones durante la soldadura, incrustando la transición materiales metálicos en la interfaz de soldadura y ajustar los parámetros de soldadura.

La figura 14 muestra el efecto de control de la uniformidad de la composición de la soldadura en diferentes condiciones de proceso. En comparación con la soldadura por haz de electrones tradicional, la soldadura por haz de electrones de barrido produce una menor fluctuación de elementos de aleación en la dirección del espesor, lo que da lugar a una composición más uniforme.

Fig.13 Microestructura de diferentes regiones de la unión soldada

Fig.14 Efecto del control de la uniformidad de la composición de la soldadura en diferentes condiciones de proceso

Fang Weiping et al. utilizaron la tecnología de soldadura por haz de electrones para soldar placas de aleación de titanio TC4 de 100 mm de espesor. Las uniones soldadas resultantes se sometieron a recristalización recocido a 850 ℃ y tratamiento térmico de envejecimiento en solución a 920 ℃×2 h y 500 ℃×4 h.

Los resultados revelaron que la microdureza de la zona de soldadura, la zona afectada por el calor y la zona de metal base obtenida mediante el tratamiento térmico de envejecimiento en solución era superior a la del estado sin soldar. Además, la resistencia a la tracción de la unión soldada era 11,3% superior a la del estado sin soldar, y el límite elástico era 17,2% superior al del estado sin soldar. Sin embargo, el alargamiento después de la rotura sólo fue aproximadamente 50% superior al del estado sin soldar.

Ma Quan et al. investigaron el impacto de los procesos de tratamiento térmico en la microestructura y las propiedades mecánicas de las uniones soldadas por haz de electrones de la aleación Ti-1300. Los resultados mostraron que los diferentes tratamientos térmicos antes de la soldadura tenían poco efecto sobre la microestructura y las propiedades de la soldadura de aleación de titanio. Por el contrario, los procesos de tratamiento térmico posteriores a la soldadura no podían alterar la forma y el tamaño del grano β en la zona de soldadura, pero sí podían regular el contenido, el tamaño y la forma de la fase a en la zona de soldadura. Sin embargo, la distribución de la fase a precipitada tendía a formarse en el límite de grano estable.

El rendimiento de la zona de soldadura dependía del tamaño y el número de la fase α precipitada. Cuando el recocido o el envejecimiento se realizaban únicamente a una temperatura inferior, el efecto de refuerzo de la fase α en la zona de soldadura era mejor, y la resistencia de la soldadura era superior a la del metal base.

En resumen, un aporte térmico de soldadura adecuado combinado con un haz de electrones oscilante podría mejorar en cierta medida la falta de homogeneidad de la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas. Además, el tratamiento térmico posterior a la soldadura podría mejorar las propiedades mecánicas de las uniones soldadas.

3.2 Distribución conjunta de las tensiones residuales

La tensión residual de la soldadura es un factor crítico que puede provocar corrosión bajo tensión y reducción de la resistencia a la fatiga de los componentes estructurales.

Una evaluación precisa de tensión residual de soldadura es crucial para determinar la vida útil de los componentes soldados.

Liu Min y sus colegas analizaron la distribución de la tensión residual de una probeta de haz de electrones fabricada con una aleación de titanio TC4 de 75 mm de espesor, basándose en la teoría de elementos finitos elastoplásticos térmicos.

La Fig. 15 presenta los resultados de la prueba de tensión residual.

Los resultados indican que existe una tensión de tracción residual tridimensional con un valor elevado en la zona situada a 10 mm de los extremos inicial y final, que abarca aproximadamente 1/4 del espesor. Esta tensión puede afectar significativamente a las propiedades mecánicas de las uniones soldadas, por lo que requiere una atención adecuada.

Fig.15 Resultados del cálculo de la tensión residual

Wu Bing et al. realizaron un estudio sobre la reducción de la tensión residual en juntas soldadas midiendo la distribución de la tensión residual de juntas soldadas por haz de electrones de aleación de titanio TA15 de 50 mm de grosor tras el recocido al vacío utilizando el método del agujero ciego. Los resultados mostraron que el proceso de tratamiento térmico hizo que las tensiones transversales y longitudinales de las juntas soldadas fueran más consistentes, y la tensión de toda la junta soldada se hizo más uniforme.

De forma similar, Yu Chen et al. midieron la distribución de la tensión residual de juntas soldadas por haz de electrones de aleación de titanio TC4 de 100 mm de espesor tras un tratamiento térmico de 600 ℃×2 h mediante difracción de rayos X. Los resultados demostraron que el tratamiento térmico redujo en cierta medida la tensión residual de la junta soldada, y que la distribución en las superficies superior e inferior de la junta soldada era notablemente diferente.

Las tensiones residuales horizontales y longitudinales en la superficie superior disminuyeron, y la tensión residual longitudinal en algunas zonas pasó de tensión de tracción a tensión de compresión. La tensión residual longitudinal en la superficie inferior se eliminó eficazmente, y algunas posiciones se encontraban en un estado de tensión de compresión. El efecto de alivio de la tensión residual horizontal fue medio.

Además, Hosseinzadeh F et al. utilizaron el método de contorno para medir la distribución de la tensión residual en uniones soldadas por haz de electrones de aleación de titanio TC4 de 50 mm de espesor después del tratamiento térmico. Los resultados mostraron que la tensión de tracción máxima en el extremo inicial de la soldadura era de 330 MPa, la tensión de compresión máxima era de 600 MPa a 10 mm del extremo posterior de la placa de prueba, y la tensión de tracción en la línea central de la soldadura después del tratamiento térmico podía reducirse a 30 MPa.

En resumen, el tratamiento térmico posterior a la soldadura puede reducir significativamente la tensión residual de las uniones soldadas de aleaciones de titanio de pared gruesa.

3.3 Resumen

En resumen, la soldadura por haz de electrones es capaz de lograr una alta eficacia de soldadura y producir uniones soldadas con una deformación mínima y una buena forma al soldar aleaciones de titanio de paredes gruesas. Sin embargo, debido a la estrecha zona de fusión y al gran gradiente de temperatura, los ciclos térmicos pueden provocar la formación de tensiones triaxiales en la estructura, lo que se traduce en una fuerte disminución de la plasticidad y la tenacidad de la unión.

Aunque un proceso de tratamiento térmico adecuado puede mejorar parcialmente la estructura y el rendimiento de la unión soldada, no se ha resuelto del todo. Siguen existiendo peligros ocultos para posteriores trabajos de servicio, como una estructura, un rendimiento y una distribución de tensiones desiguales a lo largo de la dirección del espesor. Además, el proceso de tratamiento térmico no sólo aumenta los costes de producción, sino que también reduce la eficacia de la producción.

Además, la cámara de vacío también limita la aplicación de la soldadura por haz de electrones a grandes componentes de aleación de titanio. Por lo tanto, debe investigarse la microestructura, las propiedades y la uniformidad de la distribución de tensiones de las uniones soldadas, especialmente en la dirección de la soldadura local por haz de electrones en vacío.

4. Estado de la investigación en soldadura láser

Tras décadas de desarrollo, la tecnología de soldadura por láser ha experimentado importantes avances. Con el nacimiento de los láseres de fibra y el desarrollo de los módulos fotoeléctricos, la potencia de salida de los láseres ha aumentado, y la estabilidad del haz ha mejorado, sentando una base sólida para su aplicación en el campo de la soldadura de componentes de pared gruesa.

En comparación con la tecnología tradicional de soldadura por arco de pared gruesa, la soldadura láser ofrece una alta eficacia de soldadura, una deformación de soldadura y una tensión residual mínimas, zonas afectadas por el calor estrechas y una excelente adaptabilidad para soldar estructuras grandes y complejas.

Estas ventajas han hecho de la tecnología de soldadura láser uno de los principales focos de investigación para la soldadura de componentes de pared gruesa en los últimos años.

En la actualidad, la tecnología de soldadura láser para aleaciones de titanio de paredes gruesas incluye la soldadura láser con hilo de relleno y la soldadura láser al vacío.

4.1 Soldadura láser de rendija estrecha con hilo de relleno

La soldadura por láser de hendidura estrecha con alambre de relleno implica el uso de un mecanismo de alimentación de alambre para empujar el metal de relleno a la enfoque láser punto. A continuación, el metal de aportación fundido rellena la soldadura mediante la acción del rayo láser, completando en última instancia el proceso de soldadura.

La figura 16 ilustra un diagrama esquemático de la soldadura láser de espacio estrecho con alambre de relleno. Esta técnica ha experimentado un rápido desarrollo en los últimos años.

A pesar de sus avances, la soldadura láser de espacio estrecho con alambre de relleno sigue enfrentándose a algunos retos, sobre todo cuando se trata de la soldadura de aleaciones de titanio de paredes gruesas. Estos problemas pueden incluir la falta de fusión de la pared lateral, porosidad de soldaduradeformaciones de soldadura y tensiones elevadas, y escasa tenacidad plástica de las uniones soldadas.

Fig.16 Diagrama esquemático de la soldadura láser de hilo de relleno de hendidura estrecha

Li Kun et al. utilizaron un rayo láser oscilante para suprimir la porosidad en la aleación de titanio y analizaron su mecanismo con el fin de resolver el problema de la no fusión de la pared lateral y la porosidad de soldadura.

Los resultados mostraron que el haz oscilante tenía un efecto significativo en la reducción de la porosidad de la soldadura del ojo de cerradura de aleación de titanio. Esto se debió al aumento de la estabilidad del ojo de cerradura durante la soldadura, lo que se tradujo en una reducción de la porosidad del ojo de cerradura.

Xu Kaixin et al. utilizaron un haz láser de oscilación circular para soldar aleación de titanio TC4 de 40 mm de espesor. Cuando la amplitud de oscilación era de 2 mm y la frecuencia de oscilación de 100-200 Hz, el costura de soldadura no tenía poros visibles y la pared lateral estaba bien fusionada.

El análisis de la microestructura y las propiedades de la unión soldada mostró que el cristal columnar del cordón de soldadura contenía martensita α'acicular densamente dispuesta y fase αg granular dispersamente distribuida. La orientación preferente α' se encontraba en el mismo grano β, y la proporción de límites de grano de gran ángulo era elevada. La unión soldada presentaba una elevada resistencia, pero escasa plasticidad y tenacidad.

En conclusión, un rayo láser oscilante es una solución eficaz para los problemas de no fusión de la pared lateral y de porosidad de la soldadura.

Fig.17 Morfología y microestructura de la sección de paso estrecho de la aleación de titanio TC4 de 40 mm de espesor

Para hacer frente a la escasa plasticidad y tenacidad de las uniones soldadas de aleaciones de titanio de pared gruesa, los investigadores han mejorado la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas regulando el aporte de calor de soldadura y los elementos de aleación de soldadura.

Fang Naiwen y sus colegas investigaron el impacto del aporte térmico en la soldadura láser de la aleación de titanio TC4 con alambre de relleno. Sus resultados indicaron que un aporte térmico adecuado podía garantizar una buena plasticidad en la unión soldada.

Además, utilizando el método de observación in situ del microscopio confocal láser de alta temperatura, analizaron las características de formación de la microestructura y las leyes de transformación de la aleación de titanio autodesarrollada de la serie Ti-Al-V-Mo durante el proceso de enfriamiento bajo el ciclo térmico de soldadura. Los resultados demostraron que la adición de Mo disminuía la temperatura de transformación inicial, disminuía la relación de aspecto de la fase α 'martensita acicular y la fase α inicial, y mejoraba la tenacidad al impacto de las uniones soldadas.

Por lo tanto, controlando el aporte de calor en el proceso de soldadura y diseñando razonablemente la relación de elementos de aleación del hilo tubular de polvo metálico, se puede mejorar la tenacidad plástica de la unión soldada.

El proceso de soldadura por hilo de aportación láser de hendidura ultraestrecha de una placa gruesa de aleación de titanio es el resultado de la acumulación de calor de una sola pasada de metal de aportación multicapa. Los múltiples ciclos térmicos en el proceso de soldadura multicapa crearán inevitablemente una estructura de soldadura extremadamente compleja con un campo de temperatura desigual.

Durante la soldadura, la junta soldada puede experimentar una distribución desigual de la tensión residual y la deformación de la soldadura. Además, la aleación de titanio tiene un elevado coeficiente de dilatación lineal y una baja conductividad térmica, lo que aumenta aún más la probabilidad de que se produzcan tensiones residuales y deformaciones en la soldadura.

El impacto negativo de la tensión residual de soldadura sobre la resistencia a la carga estática, la resistencia a la fatiga de bajo ciclo y la resistencia a la corrosión de las uniones soldadas de aleación de titanio es significativo. Además, la deformación de la soldadura puede afectar significativamente a la apariencia de las uniones soldadas, reducir la capacidad portante de la estructura y disminuir la precisión de montaje de los componentes de soldadura posteriores.

Para profundizar en la influencia de las formas de las ranuras en la tensión residual de las uniones soldadas, Fang Naiwen et al. utilizaron el software de simulación ANSYS para realizar un análisis de simulación numérica de la tensión y la deformación de diferentes formas de ranuras de uniones soldadas por láser de aleación de titanio TC4 de 40 mm de grosor.

La figura 18 muestra la distribución de la tensión longitudinal de las dos formas de ranura. Los resultados indican que la distribución de tensiones de la junta soldada de ranura en U simple difiere de la de la junta soldada de ranura en U doble. En la junta soldada de ranura en U simple, aparece una concentración de tensiones evidente en un lado de la soldadura final, mientras que la distribución de tensiones de la junta soldada de ranura en U doble es simétrica a lo largo de la dirección del grosor de la pared.

Fig.18 Distribución de la tensión residual longitudinal distribución de la tensión

En resumen, la soldadura láser de hendidura estrecha con alambre de relleno es capaz de producir uniones soldadas de aleación de titanio de pared gruesa sin defectos de soldadura como la porosidad y la fusión incompleta de la pared lateral mediante la oscilación periódica del rayo láser.

La tenacidad plástica de la unión soldada puede mejorarse controlando el aporte de calor en el proceso de soldadura y la proporción de elementos de aleación del alambre con revestimiento de polvo metálico.

Sin embargo, en el ámbito de la soldadura láser de paredes gruesas de aleaciones de titanio de paso estrecho con alambre de relleno, es esencial seguir explorando el control de la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas, especialmente en el ámbito del alambre de relleno metálico con núcleo de fundente y láser con un sistema de aleación múltiple.

4.2 Soldadura láser en vacío

En los últimos años, los láseres industriales de fibra de alta potencia han alcanzado el nivel de los 10.000 vatios. Sin embargo, utilizar eficientemente láseres de alta calidad y alta potencia y mejorar la capacidad de penetración de la soldadura láser sin sacrificar su calidad es un problema difícil en las aplicaciones de ingeniería.

Investigaciones recientes han demostrado que la profundidad de penetración puede aumentar significativamente en un entorno de vacío, mejorando la porosidad de la soldadura y su formación. Reisgen U, de la Universidad Técnica de Aquisgrán (Alemania), comparó la capacidad de penetración de la soldadura por láser, la soldadura por láser en vacío y la soldadura por haz de electrones.

Los resultados mostraron que con la misma energía de línea, el penetración de la soldadura obtenida por soldadura láser en un entorno de vacío es unas 2,5 veces superior a la obtenida en un entorno atmosférico y es similar a la obtenida por soldadura por haz de electrones. Sin embargo, el vacío necesario para la soldadura láser en un entorno de vacío es de sólo 10 Pa, mientras que la soldadura por haz de electrones requiere al menos 10-1 Pa, lo que hace que el coste de la soldadura láser en vacío sea menor.

Por lo tanto, los estudiosos han llevado a cabo investigaciones sobre el bajo vacío tecnología de soldadura láser para estructuras de paredes gruesas. Meng Shenghao et al. estudiaron las características de la soldadura láser en ambiente de vacío de la aleación de titanio TC4 para placas medianas y gruesas.

Los resultados mostraron que la soldadura láser en ambiente de vacío tiene una mejor formación de la soldadura, mejora significativamente la penetración de la soldadura, aumenta la relación profundidad-anchura de la soldadura, inhibe las salpicaduras en el proceso de soldadura y reduce en gran medida los defectos de los agujeros de gas en la soldadura.

Harbin Welding Research Institute Co., Ltd. consiguió soldar una aleación TC4 de 40 mm de grosor utilizando tecnología de soldadura láser de bajo vacío (grado de vacío 10 Pa). Compararon y analizaron la microestructura y las propiedades mecánicas de diferentes posiciones.

La macro morfología de la unión soldada se muestra en la Fig. 19. Los resultados mostraron que la microestructura de la zona afectada por el calor es fase α, fase β residual y martensita α'.

La microestructura de la zona de fusión de la soldadura incluye principalmente martensita α' de diferentes tamaños y estados de distribución y fase α formada a baja velocidad de enfriamiento. Las propiedades de tracción a lo largo de la dirección del espesor son uniformes, y los valores de resistencia en la parte superior e inferior son mayores, mientras que los valores de resistencia en la parte media superior y en la parte media inferior son menores, pero la diferencia global es pequeña.

Fig.19 Macromorfología de una junta soldada de aleación de titanio de 40 mm de espesor

4.3 Resumen

En resumen, la soldadura láser en vacío permite soldar aleaciones de titanio de paredes gruesas. Este proceso de soldadura presenta varias ventajas con respecto a la soldadura por haz de electrones, entre las que se incluyen menores requisitos de vacío, ausencia de contaminación por radiación, menores costes de soldadura y mayor eficacia. Como resultado, la soldadura láser en vacío representa un método prometedor para soldar aleaciones de titanio de paredes gruesas.

A pesar de estas ventajas, sigue siendo necesaria una mayor investigación por parte de los estudiosos pertinentes en el campo de la soldadura láser a bajo vacío de aleaciones de titanio de paredes gruesas. En concreto, debería investigarse en profundidad la características del láser transmisión de energía en condiciones de vacío y el control de la microestructura y las propiedades de las juntas de soldadura.

5. Conclusión

Este artículo trata principalmente de los avances realizados en la tecnología de soldadura por fusión para la soldadura de aleaciones de titanio de pared gruesa, destinada a satisfacer los requisitos de soldadura de alta calidad y fabricación de equipos aeroespaciales, marinos y otros campos relacionados.

En la última década, se han realizado importantes avances en la tecnología de soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa. Estos logros abarcan diversas áreas, como la tecnología de soldadura, el control de calidad, la estructura de las uniones y el control de las propiedades.

En combinación con el estado actual de la investigación, la soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa tiene principalmente las siguientes direcciones de investigación:

(1) Control de tensiones en la soldadura de aleaciones de titanio de pared gruesa.

Debido a la pequeña conductividad térmica y al gran coeficiente de dilatación lineal de la aleación de titanio, en el proceso de soldadura de aleaciones de titanio de pared gruesa pueden formarse fácilmente tensiones de tres vías en la estructura tras los ciclos térmicos. Esto puede provocar una fuerte disminución de la plasticidad y la tenacidad de la unión.

Para abordar este problema, pueden emplearse diversas técnicas, como el tratamiento térmico posterior a la soldadura, el diseño de optimización de ranuras y el tratamiento de impacto por ultrasonidos, en función del método de soldadura utilizado. Estas técnicas pueden ayudar a controlar las tensiones y deformaciones de las uniones soldadas de aleaciones de titanio de pared gruesa.

(2) Desarrollo de la tecnología de soldadura con múltiples fuentes de calor.

En la actualidad, la tecnología de soldadura por fusión de aleaciones de titanio de pared gruesa utiliza principalmente fuentes de calor únicas, como la soldadura por arco convencional, la soldadura por haz de electrones y la soldadura por láser. Sin embargo, estas métodos de soldadura tienen ciertas limitaciones.

Por lo tanto, para abordar estas limitaciones, se puede perseguir el desarrollo de la tecnología de soldadura con múltiples fuentes de calor, como la soldadura híbrida TIG-MIG y la soldadura híbrida por arco láser, para la soldadura de aleaciones de titanio de paredes gruesas.

(3) Control de la microestructura y las propiedades de las uniones soldadas.

En la actualidad, la investigación sobre el control de la microestructura de las uniones soldadas en aleaciones de titanio de pared gruesa es limitada.

Sin embargo, es factible desarrollar materiales de soldadura con sistemas multialeación y regular la microestructura de las soldaduras. Esto puede mejorar potencialmente las propiedades mecánicas de las aleaciones de titanio de pared gruesa.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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