Visão Geral

Além de materiais comuns como o Aço, Alumínio, Cobre ou Níquel, existe um grupo de metais (metais especiais), que possuem propriedades e características especiais em que, devido a isto, podem substituir outros materiais. Estes são: Titânio, Zircônio, Molibdênio, Magnésio, Tântalo, Tungstênio e suas respectivas ligas.

Os altos pontos de fusão e de resistência à corrosão são muito especiais.

Com relação ao comportamento da soldagem, a intensa tendência a colher componentes atmosféricos (H₂, N₂, O₂) determina a escolha do processo de soldagem. Assim, os processos favoritos são: soldagem TIG, soldagem por Feixe de Elétrons, soldagem por Explosão e por Resistência.

Fundamentos físicos e metalúrgicos

ponto de fusão: 1668 °C

β – Titânio: (de 1668 °C para 882 °C, krz), α – Titânio: (abaixo 882 °C, hex.)

Existem três tipos de ligas de titânio estrutural.

Ligas Alfa não são termicamente tratáveis e a maioria são soldáveis. Elas possuem de baixa a média resistência, boa tenacidade, razoavelmente boa ductilidade e possuem excelentes propriedades mecânicas a temperaturas criogênicas.

Ligas Alfa-Beta são termicamente tratáveis e a maioria são soldáveis. Seus níveis de resistência são de médio a alto. Suas qualidades de formação a quente são boas, mas a resistência a escamação a altas temperaturas não é tão boa quanto em muitas ligas alfa. As mais altas ligas alfas e as quase-alfa oferecem ótima resistência à escamação em altas temperaturas assim como resistência a corrosão. Ligas Beta ou quase-beta são termicamente tratáveis, soldáveis em geral, com alta resistência a escamação e boa resistência a temperaturas intermediárias. Em condições solubilizadas pode ser esperada excelente formação de ligas beta.

Processos de Soldagem

Soldagem do Titânio

Soldagem

Em uma série de aplicações a soldagem do titânio demonstrou confiabilidade. Exemplos típicos são: tanques de combustíveis sólidos para foguetes, vasos de pressão, tanques de armazenagem, componentes de motores a jato e componentes de fuselagem de avião.

Por ser um metal reativo, o titânio reagirá com o oxigênio, nitrogênio, e o carbono e certamente com a maioria dos metais refratários. Portanto, a arte de soldar titânio é, em grande escala, a arte de excluir substâncias externas.

Fontes ao arco elétrico são comumente usadas para realizar soldas por fusão. Eletrodos de tungstênio, eletrodos metálicos, ou plasma utilizando gás inerte argônio ou misturas de argônio/hélio são utilizados para transferir energia para a zona de fusão. Feixe de elétrons, solda a laser e solda a ponto também são amplamente utilizados assim como soldagem por atrito.

Soldagem por Fusão

Há uma série de diretrizes a serem seguidas, adequadas conforme cada situação. Elas são:

• Mantenha a área da solda limpa. Todas as peças, acessórios, fixadores, etc., devem ser limpos antes de usar.
• O metal a ser soldado deve ser cuidadosamente limpo e desengordurado. Limpe todos os lados ao redor, a pelo menos 25 mm de distância das bordas a serem unidas. A limpeza de todo o conjunto a ser soldado, é uma boa prática para impedir a transferência de impurezas para o cordão de solda.
• Use um processo preciso para eliminar as rebarbas.
• Quando remover a escória, não contaminar com escova de material inadequado.
• Para preparar as superfícies a serem soldadas, nunca utilize lixa de papel ou lã de aço.
• Para desengraxar o metal, use álcool ou acetona. Nunca use solventes clorados.
• Evite tocar com os dedos, qualquer área a ser soldada. É recomendado o uso de luvas de algodão limpo.
• Proteja todos os lados da junta a ser soldada com hélio ou argônio. Evite correntes de ar.
• Trabalhar em local ventilado.
• O ponto mais importante a ser considerado na soldagem do titânio é Proteção. Sempre que possível o melhor a fazer, é empregar uma camada de atmosfera inerte (argônio).
• Utilize o menor fluxo de gás que forneça proteção.
• Fluxo excessivo pode causar turbulência e resultar em contaminação atmosférica. Devem ser utilizados, o melhor grau de gás inerte disponíveis.
• Sempre realizar uma soldagem de amostra antes de realizar uma solda de produção.
• As peças a serem soldadas devem ser fixadas. Ponteamento podem ser utilizados, desde que sejam realizados com o mesmo cuidado e proteção da solda primária.
• Quando retirados, limpe o cordão de enchimento que possam ter sido contaminados por uma solda anterior por clipping do início ao fim.

• Para soldagem por fusão, use arames de solda com bitolas de 2,4 ou maior. Para bitolas finas, o uso de metal de adição é uma boa prática, a fim de minimizar furos e/ou vazamentos.
• Manuseie o metal de adição com o mesmo cuidado que a peça obra. Desengordurar e utilizar luvas limpas.
• Nunca toque a peça obra com o eletrodo.
• Especialmente nas bitolas finas, encaixe deve ser bom. As lacunas são difíceis de preencher.
• Avançar o arame na zona de soldagem entre a junta e o arco elétrico, usando um arco de menor duração possível.
• Alimentar a poça de fusão com o arame continuamente. Não aos poucos.
• Ao utilizar eletrodos de tungstênio, as variedades com óxidos de thório mantêm seus pontos característicos e operam mais frio.
• Nunca interrompa o arco, a menos que o trabalho tenha sido concluído.

A coloração da solda é uma indicação da qualidade da solda. A solda deve ser brilhante e clara. Dependendo da aplicação e processo de soldagem utilizado, alguma descoloração ou luz fosca pode ser aceitável, mais isto deve ser confirmado por testes suficientes, nas peças soldadas, para chegar ao nível de confiança desejado.

Soldas de boa qualidade podem ser feitas em titânio, quando forem observadas todas as precauções normais. A solda na condição de pós-soldagem, geralmente é mais forte do que o metal base recozido se o metal de adição puro não é usado. O ensaio de tensão transversal a solda, normalmente irá fraturar na matriz metálica com pouco ou nenhum alongamento mensurável em toda a região da solda. Fraturas fora da região soldada não demonstram que a solda é satisfatória, mas que a eficiência da junta é 100% ou melhor. Um teste na direção longitudinal da solda será um teste para a própria solda, uma vez que a fratura tem que ocorrer na região da solda. Tratamentos com soluções químicas e envelhecimento da solda em titânio, não são recomendados por causa da baixa ductilidade resultante.

Vale aqui descrever, uma técnica utilizada sob certas condições, para a soldagem de componentes forjados de titânio. Neste procedimento, antes da soldagem a peça é tratada termicamente e forjada a máquina individualmente. A soldagem por fusão, utilizando arames de solda comerciais puros (sem mistura de ligas), produz uma solda diluída que é compensada pela espessura da parede na região soldada. O estresse da soldagem é aliviado após o tratamento a 540ºC, que não produz efeito algum sobre a ZTA ou em sua vizinhança e nem sobre a ductilidade ou resistência do metal. No entanto, para utilizar esta técnica, é necessário que o hidrogênio seja controlado a baixos níveis, de preferência a 80 ppm. Caso o contrário, poderá ocorrer fragilização tardia, induzida pelo hidrogênio.

Soldagem por Feixes de Elétrons

Soldagem por Feixe de Elétrons é bastante atrativa. Toda a soldagem é realizada por equipamentos mecanizados, em uma grande câmara a vácuo. O processo produz uma baixa distorção do cordão de solda, onde a poça de fusão possui uma elevada profundidade. Arame de adição normalmente, não é usado. O Feixe de Elétrons tem sido utilizados para a fabricação de conjuntos de peças muito complicados, em grande escala. As superfícies a serem soldadas devem estar muito bem limpas. No caso podem ser utilizados os procedimentos de limpeza discutidos acima. Para materiais muito finos, o primeiro passe é normalmente feito numa tal densidade de força que pode causar mordeduras. O efeito de mordedura pode ser reduzido fazendo um segundo passe de baixa força com um feixe desfocado ligeiramente. Como alternativa, para reduzir por inteiro a mordedura, pode ser usado metal de adição. Se o lado oposto da soldagem por Feixe de Elétrons produz contornos indesejáveis, com técnicas apropriadas de remoção de metal, são obtidas boas superfícies.

As soldagens por Feixe de Elétrons têm alta confiabilidade e são recomendadas para aplicações onde é exigida extrema qualidade. O ajuste de força e condições de foco, contudo, podem variar entre as máquinas para um dado resultado.

Portanto, se alguém necessita de experiência com uma dada máquina, é recomendado fazer testes suficientes, para obter parâmetros adequados de soldagem.

Também é muito importante o ajuste. Geralmente, quanto melhor o ajuste, melhor a soldagem.

Se ocorrer porosidade excessiva, devem ser vistos e revisados, o quanto for necessário, a limpeza, o ajuste dos equipamentos e o processo.

Solda a Resistência

A soldagem do titânio a resistência é feita, em grande parte, nos mesmos moldes da soldagem de outros metais. Ela difere da solda de fusão por não ser necessária a proteção do gás inerte por causa da proximidade das superfícies de união e do curto período do ciclo de soldagem. As superfícies a serem soldadas devem estar limpas conforme os procedimentos de limpeza acima. Uma vez que o titânio e o aço inoxidável têm similar condutividade térmica, condutividade elétrica e resistência em temperaturas elevadas, as características da solda a resistência também são similares. Isto tem influenciado na utilização das técnicas de soldagem do aço por resistência, também para o titânio.

Solda por Centelhamento

A soldagem por centelhamento é conseguida pela indução de um arco elétrico entre as peças de trabalho em ligeiro contato, ocorrendo então uma perturbação no momento da fusão de forma que as impurezas são expelidas da junção. O comprimento e a área da seção transversal a ser soldado a chama são, obviamente, limitados pela tensão elétrica e força de perturbação, disponíveis na máquina de solda. Também o perfil de soldagem não pode ser muito complexo. O titânio é comumente soldado por centelhamento sob atmosfera.

Soldagem por Fricção

A soldagem a fricção vem sendo um método de produção de soldagem bastante viável para peças com simetria radial como tambores de compressores. Neste processo, o procedimento de preparação do metal é o mesmo de outras técnicas. A essência do método é converter a energia cinética rotacional em calor para produzir graus de fusão e extrusão controlados. A soldagem por fricção pode ser feita sob atmosfera.

Brasagem

A brasagem em titânio é uma técnica raramente utilizada. Contudo, pode encontrar uso em estruturas de montagem em sanduíche e em uniões de metais não similares ao titânio.

Zircônio / Ligas de Zircônio

Estrutura Cristalina

À temperatura ambiente se apresenta como alfa-zircônio (hex.); a altas temperaturas (de 862°C para o zircônio puro e de 800 a 980°C para as ligas de zircônio) há uma conversão para a fase Beta (rccl). Uma cristalização preferencial é a razão para diferentes valores característicos de produtos de zircônio laminados em função do teste de tensão direcional (longitudinal/transversal).

Tântalo

Tungstênio

Esse texto foi traduzido por alunos da fatec-sp
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