โลหะผสมไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมเคมี และวิศวกรรมทางทะเล เนื่องจากมีความแข็งแรงจำเพาะสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียมมีปฏิกิริยาทางเคมีที่สูงมาก เมื่ออุณหภูมิสูงเกินช่วง 500-700 องศา มันจะดูดซับออกซิเจน ไฮโดรเจน และไนโตรเจนจากอากาศอย่างรุนแรง จะทำให้เกิดการแตกร้าวของรอยเชื่อมและความเป็นพลาสติกลดลง ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพของข้อต่อ ด้วยเหตุนี้ เมื่อทำการเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียม จึงใช้วิธีการเชื่อมอาร์กอนอาร์ก (TIG) เพื่อปกป้องสระหลอมเหลวและบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง-ของรอยเชื่อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 400 ถึง 650 องศาเซลเซียส และใช้หัวเชื่อมขนาดใหญ่-เพื่อขยายโซนป้องกันก๊าซ เมื่อหัวฉีดไม่สามารถปกคลุมรอยเชื่อมและโลหะที่มีอุณหภูมิสูงใกล้กับรอยเชื่อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ควรเพิ่มฝาครอบป้องกันก๊าซอาร์กอนเพื่อให้แน่ใจว่าแยกตัวจากอากาศได้อย่างสมบูรณ์ตลอดกระบวนการ
การเตรียม-ก่อนการเชื่อมและการออกแบบร่อง
การทำความสะอาดพื้นผิว
คุณภาพพื้นผิวของการเชื่อมและลวดเชื่อมจะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมโดยตรง ก่อนการเชื่อม ชิ้นทดสอบและลวดเชื่อมควรผ่านการล้างด้วยกรด ตามด้วยการล้างด้วยน้ำสะอาดและทำให้แห้ง จากนั้นจึงควรดำเนินการเชื่อมทันที หากไม่มีสภาวะการล้างด้วยกรด สามารถใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น อะซิโตน เอทานอล คาร์บอนเตตราคลอไรด์ หรือเมทานอล เพื่อเช็ดร่องแผ่นไทเทเนียมและพื้นที่ภายในระยะ 50 มม. ทั้งสองด้าน พื้นผิวของลวดเชื่อม และชิ้นส่วนของอุปกรณ์จับยึดเครื่องมือที่สัมผัสกับแผ่นไทเทเนียมอย่างระมัดระวัง เพื่อขจัดตะกรันออกไซด์ คราบน้ำมัน และสารอินทรีย์อื่น ๆ อย่างละเอียด
อุปกรณ์เชื่อม
สำหรับการเชื่อมอาร์กไททาเนียมและไททาเนียมอัลลอยด์ ควรเลือกแหล่งจ่ายไฟการเชื่อมอาร์กอาร์กอน DC ที่มีลักษณะภายนอกจากมากไปน้อยและฟังก์ชันเริ่มต้นอาร์กความถี่สูง- เพื่อป้องกันไม่ให้ตะเข็บเชื่อมถูกออกซิไดซ์หรือปนเปื้อนในระหว่างการทำความเย็น ควรตั้งค่าเครื่องเชื่อมให้มีเวลาจ่ายก๊าซล้าหลังไม่น้อยกว่า 15 วินาที ในตัวอย่างนี้ เลือกเครื่องเชื่อมอาร์กอาร์กอนอาร์กอนแบบพัลส์อาร์กอนกระแสตรงชนิด WSM-315 ชนิด IGBT ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการข้างต้น
วัสดุเชื่อม
ข้อกำหนดสำหรับอาร์กอนก๊าซป้องกันมีดังนี้: ความบริสุทธิ์ต้องไม่น้อยกว่า 99.99% จุดน้ำค้างควรต่ำกว่า -40 องศา และความชื้นสัมพัทธ์ควรน้อยกว่า 5% เมื่อความดันภายในกระบอกสูบอาร์กอนลดลงเหลือ 0.981 MPa จะต้องหยุดใช้งานเพื่อให้มั่นใจถึงผลการป้องกัน โดยหลักการแล้ว ลวดเชื่อมที่เติมไว้ควรเป็นวัสดุชนิดเดียวกับโลหะฐาน เพื่อปรับปรุงความเป็นพลาสติกของข้อต่อ สามารถเลือกลวดเชื่อมที่มีโลหะผสมน้อยกว่าเล็กน้อย เช่น TC3 ได้
แบบฟอร์มร่อง
การออกแบบร่องควรลดจำนวนชั้นการเชื่อมและปริมาณโลหะตัวเติมให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากการเพิ่มจำนวนชั้นจะนำไปสู่การดูดซับก๊าซสะสมของตะเข็บเชื่อมเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพของข้อต่อลดลง เนื่องจากขนาดบ่อหลอมเหลวมีขนาดใหญ่ในระหว่างการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียม การเชื่อมจึงควรกลึงด้วยร่องรูปตัว V- เดียว โดยควบคุมมุมที่ 70 องศา ถึง 80 องศา
พารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมและจุดควบคุม
การเชื่อมพารามิเตอร์กระบวนการและจุดควบคุม
พารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมเป็นกุญแจสำคัญในการรับรองคุณภาพการเชื่อม ในระหว่างการดำเนินการ จำเป็นต้องควบคุมอัตราการไหลและความเร็วของก๊าซอาร์กอนอย่างแม่นยำ เพื่อหลีกเลี่ยงการไหลเชี่ยวที่ทำให้ผลการป้องกันอ่อนลง การเชื่อมด้วยแก๊สเฉื่อยทังสเตนแบบแมนนวลเหมาะสำหรับการเชื่อมแผ่นไทเทเนียมบางและแผ่นไทเทเนียมหนาปานกลาง- ตราบใดที่พารามิเตอร์ถูกเลือกอย่างเหมาะสม ก็สามารถบรรลุคุณภาพการเชื่อมที่น่าพอใจได้ นอกจากนี้กระบวนการทำความสะอาดทั้งหมดควรเสร็จสิ้นโดยเร็วที่สุดและควรทำการเชื่อมทันทีเพื่อป้องกันมลพิษทุติยภูมิ
ข้อบกพร่องทั่วไปและกลไกการซ่อมแซม
รอยแตกเย็น (รอยแตกล่าช้า)
เมื่อทำการเชื่อมไททาเนียมและไททาเนียมอัลลอยด์ ความน่าจะเป็นที่ข้อต่อจะทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความร้อนนั้นต่ำมาก เนื่องจากวัสดุมีสิ่งเจือปนน้อยมาก เช่น ซัลเฟอร์ ฟอสฟอรัส และคาร์บอน ซึ่งยากต่อการเกิดยูเทคติกส์ที่มีจุดหลอมเหลว-ต่ำ- และช่วงอุณหภูมิการตกผลึกที่มีประสิทธิภาพนั้นแคบ โดยมีการหดตัวของการแข็งตัวในปริมาณเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม รอยแตกที่เกิดจากความเย็นอาจเกิดขึ้นในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน- ซึ่งจะปรากฏให้เห็นเพียงไม่กี่ชั่วโมงหรือนานกว่านั้นหลังจากการเชื่อม ดังนั้นจึงเรียกว่ารอยแตกร้าวที่ล่าช้า
การก่อตัวของรอยแตกที่ล่าช้านั้นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพฤติกรรมของไฮโดรเจน: ในระหว่างกระบวนการเชื่อม ไฮโดรเจนจะแพร่กระจายจากแหล่งน้ำหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิสูง-ไปยังเขตที่ได้รับผลกระทบ-ความร้อนของอุณหภูมิ-ที่ต่ำกว่า ทำให้ปริมาณไฮโดรเจนในบริเวณนี้เพิ่มขึ้น มันก่อตัวเป็นเฟส TiH₂ ที่เปราะ และในเวลาเดียวกัน สารประกอบไฮโดรเจนก็ตกตะกอน ทำให้เกิดความเครียดทางโครงสร้างจุลภาคขนาดใหญ่เนื่องจากการขยายตัวของปริมาตร นอกจากนี้ อะตอมของไฮโดรเจนยังสะสมที่บริเวณที่มีความเครียดสูง- ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การเกิดรอยแตกร้าวและการแพร่กระจาย
ความพรุน
ความพรุนเป็นข้อบกพร่องทั่วไปอีกประการหนึ่งในการเชื่อมโลหะผสมไททาเนียม สาเหตุพื้นฐานของมันเกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนด้วย ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนใน -Ti ต่ำมาก โดยอยู่ที่ประมาณ 0.002% (เศษส่วนมวล) ที่อุณหภูมิห้อง เมื่อรอยเชื่อมหรือความร้อน-บริเวณที่ได้รับผลกระทบเย็นลงต่ำกว่า 300 องศา ไฮโดรเจนที่อิ่มตัวเกิน-จะตกตะกอนในรูปของไทเทเนียมไฮไดรด์ ( เฟส) พร้อมด้วยการขยายตัวของปริมาตรและความเค้นตามขอบเกรน สิ่งนี้อาจทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กตามขอบเกรน รอยแตกขนาดเล็กเหล่านี้ภายใต้แรงภายนอกจะขยายตัวเป็นรอยแตกขนาดมหึมา และการมีอยู่ของรูพรุนจะช่วยลดความแข็งแรงเมื่อยล้าของข้อต่อได้อย่างมาก
โดยสรุป กุญแจสู่ความสำเร็จของการเชื่อมโลหะผสมไทเทเนียมอยู่ที่การทำความสะอาดก่อน-การเชื่อม การป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการดูดซับไฮโดรเจนตลอดกระบวนการ การป้องกันก๊าซอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง- การออกแบบร่องที่เหมาะสม และการควบคุมกระบวนการที่แม่นยำ การเชื่อมด้วยก๊าซเฉื่อยทังสเตนแบบแมนนวลรวมกับการป้องกันแผ่นครอบที่มีฉนวนป้องกันเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานทางวิศวกรรมในปัจจุบัน ซึ่งสามารถรับข้อต่อการเชื่อมคุณภาพสูง-ที่ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานได้อย่างเสถียร
อ่านเพิ่มเติม:
การวิเคราะห์ประสิทธิภาพการตัดและการเชื่อมของแผ่นไทเทเนียม TA2
คำอธิบายโดยละเอียดของเทคโนโลยีการเชื่อมซ่อมแซมท่อโลหะผสมไทเทเนียม