¿Cuál es la razón por la que las aleaciones de titanio y el aluminio son difíciles de soldar?

La aleación de titanio es un material liviano, de alta resistencia y resistente a la corrosión. Debido a sus excelentes propiedades, se usa ampliamente en la industria aeroespacial, equipos médicos, industria química y otros campos. Sin embargo, el rendimiento de soldadura de las aleaciones de titanio es relativamente pobre, principalmente por las siguientes razones:
Formación de capa de óxido:Se forma fácilmente una capa de óxido sólido en la superficie de la aleación de titanio. Esta capa de óxido no sólo aumenta la dificultad durante el proceso de soldadura, sino que también reduce la resistencia de la soldadura. Antes de soldar, normalmente se requieren algunos métodos de pretratamiento especiales, como el decapado o el pulido mecánico, para eliminar la capa de óxido y así mejorar el rendimiento de la soldadura.
Baja conductividad térmica:La conductividad térmica de la aleación de titanio es relativamente baja, lo que resulta en un gran gradiente de temperatura cerca de la soldadura, lo que puede causar fácilmente deformaciones y grietas en la soldadura. Para reducir el gradiente de temperatura, muchas veces es necesario adoptar medidas como el precalentamiento y el control de la velocidad de soldadura, lo que aumenta la complejidad del proceso de soldadura.
Sensibilidad al hidrógeno:La aleación de titanio es sensible al hidrógeno y lo absorbe fácilmente durante el proceso de soldadura, lo que provoca fragilidad por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno puede provocar una fractura frágil de las uniones soldadas, por lo que es necesario tomar algunas medidas, como controlar el contenido de hidrógeno en el entorno de soldadura, para reducir el riesgo de fragilización por hidrógeno.

Disolución selectiva:La aleación de titanio es propensa a la disolución selectiva con algunos elementos metálicos a altas temperaturas, formando una fase quebradiza, lo que afecta el rendimiento de las uniones soldadas. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a evitar esta disolución selectiva al seleccionar materiales y procesos de soldadura.
Alto punto de fusión:El punto de fusión relativamente alto de las aleaciones de titanio requiere altas temperaturas para el proceso de soldadura, lo que aumenta el consumo de energía y los requisitos del equipo de soldadura.
Para resolver estos problemas, la soldadura de aleaciones de titanio generalmente requiere el uso de procesos de soldadura especializados, incluida la soldadura con protección de gas inerte, la soldadura por haz de electrones, la soldadura por láser y otras tecnologías de soldadura avanzadas. Además, seleccionar materiales de soldadura adecuados, controlar los parámetros de soldadura y adoptar métodos de pretratamiento también son medios importantes para mejorar la calidad de la soldadura de las aleaciones de titanio.

En resumen, las razones por las que las aleaciones de titanio y el aluminio son difíciles de soldar son las siguientes:
1. El aluminio y el titanio reaccionan fácilmente con el oxígeno.
⑴ El aluminio reacciona con el oxígeno para formar una Al2O3 (película de óxido) densa y refractaria con un punto de fusión de hasta 2050 grados, lo que dificulta la combinación de los dos materiales base y hace que la soldadura sea propensa a inclusiones.
⑵El titanio comienza a oxidarse a 600 grados. Cuanto mayor sea la temperatura, más grave será la oxidación, formándose TiO2 (dióxido de titanio), formando una capa intermedia quebradiza en la soldadura, reduciendo la plasticidad y tenacidad.
2. El aluminio y el titanio reaccionan de manera diferente a diferentes temperaturas.
⑴. A 1460 grados, el aluminio y el titanio forman un compuesto de TiAl (aluminuro de titanio) que contiene una fracción de masa de aluminio del 36,03%, lo que aumenta la fragilidad del metal.
⑵ El aluminio y el titanio forman un compuesto de TiAl3 (trialuminuro de titanio) que contiene entre un 60% y un 64% de fracción en masa de aluminio a 1340 grados.
⑶ Después de fundir el aluminio y el titanio, cuando la fracción de masa de titanio es 0.15%, se forma una solución sólida de titanio en aluminio.
3. La solubilidad mutua del aluminio y el titanio es muy pequeña.
⑴A 665 grados, la solubilidad del titanio en aluminio es 0.26%~0.28%. A medida que disminuye la temperatura, disminuye la solubilidad.
⑵Cuando la temperatura desciende a 20 grados, la solubilidad del titanio en aluminio cae al 0,07%, lo que dificulta la combinación de los dos materiales base.
La solubilidad del aluminio en el titanio es más limitada, lo que dificulta mucho la formación de soldaduras entre los dos materiales base.
4. El aluminio y el titanio tienen una fuerte absorción de agua a altas temperaturas.
⑴El aluminio líquido puede disolver una gran cantidad de hidrógeno, pero es casi insoluble en estado sólido. A medida que la soldadura se solidifica, el hidrógeno no tiene tiempo de escapar y formar poros.
⑵El hidrógeno tiene una alta solubilidad en titanio. A bajas temperaturas, el hidrógeno se acumula en los poros, reduciendo la plasticidad y dureza de la soldadura y provocando fácilmente grietas frágiles.
5. El aluminio forma compuestos quebradizos con titanio y otras impurezas.
⑴. El óxido formado por el aluminio y el oxígeno aumenta la fragilidad del metal y dificulta la soldadura.
⑵El titanio y el nitrógeno forman nitruro de titanio, que reduce la plasticidad del metal.
⑶El titanio y el carbono forman carburos. Cuando la fracción de masa de carbono es mayor que 0.28%, la soldabilidad de ambos metales base se deteriorará significativamente.
6. El aluminio y el titanio reaccionan de manera diferente a diferentes temperaturas.
⑴La conductividad térmica del aluminio y el titanio es muy diferente. El aluminio (206,9W·m-2·K-1) es aproximadamente 16 veces más grande que el titanio (13,8W·m-2·K-1).
⑵Los coeficientes de expansión lineal del aluminio y el titanio son muy diferentes, y el aluminio es aproximadamente 3 veces más grande que el titanio. Propenso a agrietarse bajo presión.
7. Los elementos de aleación de aluminio y titanio se queman y se evaporan.
⑴Cuando el aluminio o la aleación de aluminio se funde, los elementos con puntos de fusión inferiores, como el magnesio, el zinc, etc., comienzan a quemarse o evaporarse.
⑵ Cuando se alcanza el punto de fusión del titanio o de la aleación de titanio (1677 grados), los elementos de la aleación como el aluminio se queman y se evaporan más, lo que da como resultado una composición química desigual de la soldadura y una resistencia reducida.