Entrambi i gradi si saldano bene con il processo TIG, ma la saldatura del titanio di grado 2 e di grado 5 non richiede lo stesso sforzo. Il titanio commercialmente puro di grado 2 si salda facilmente, con un'ampia finestra di processo e un'elevata tolleranza alla contaminazione. Il grado 5 (Ti-6Al-4V) si salda solo con un rigoroso controllo dell'apporto termico, una rigorosa protezione con gas inerte e, di solito, un trattamento termico post-saldatura.
Un responsabile della manutenzione di un impianto chimico ha imparato questa differenza a sue spese. Aveva commissionato un collettore per acqua di mare in lega di grado 5 perché la scheda tecnica indicava "lega più resistente", ma poi ha visto la sua squadra di saldatori alle prese con il controllo del colore, le rilavorazioni e un campione di prova incrinato che non ha superato la prova di piegatura. Quando l'ufficio tecnico ha riprogettato la linea in lega di grado 2 con materiale d'apporto ERTi-2, le saldature sono risultate argentate al primo tentativo e il collettore ha funzionato per tre anni senza alcun guasto.
In questa guida, analizziamo nel dettaglio la saldatura del titanio di grado 2 e di grado 5 : quale grado si salda più facilmente e perché, quale materiale d'apporto specificare, come proteggere e saldare ciascun grado, come saldarli tra loro e come ispezionare la saldatura finita. Al termine, saprete esattamente cosa deve includere la vostra procedura di saldatura.
Punti chiave
- Il titanio di grado 2 si salda molto più facilmente del grado 5. Si tratta di titanio alfa monofase con una finestra di saldatura più ampia, un allungamento di circa il 20% e una conduttività termica circa 2-3 volte superiore, quindi tollera maggiori variazioni di calore e protezione.
- La lega di grado 5 (Ti-6Al-4V) è saldabile ma esigente. Richiede un'accurata protezione con gas, un apporto termico controllato, temperature tra le passate prossime ai 150-200 °C e, di solito, un trattamento termico post-saldatura per ripristinare la duttilità.
- Utilizzare il materiale d'apporto corrispondente al metallo base: ERTi-2 per il grado 2 e ERTi-5 per il grado 5. Per saldare il grado 2 al grado 5, seguire il lato più debole e utilizzare ERTi-2.
- Il titanio reagisce con l'aria a temperature superiori a circa 426 °C (800 °F), quindi ogni saldatura richiede la protezione della torcia, uno schermo di protezione posteriore e la purga posteriore con argon ad alta purezza (99.995% o superiore).
- Il colore della saldatura è un indicatore di qualità. Un colore che va dall'argento brillante al giallo paglierino chiaro indica una corretta protezione; un colore blu, viola, grigio o bianco indica contaminazione e necessità di rilavorazione.
È possibile saldare il titanio di grado 2 e di grado 5?
Sì. Il titanio di grado 2 e quello di grado 5 sono entrambi saldabili e possono essere saldati tra loro pur essendo di gradi diversi. Le differenze risiedono nella difficoltà e nel controllo del processo, non nella possibilità di unire i materiali.
- Le saldature di grado 2 si eseguono facilmente. Il titanio commercialmente puro (CP) è la qualità più tollerante della famiglia, ed è per questo che domina la fabbricazione di componenti saldati per l'industria chimica, navale e degli scambiatori di calore.
- Saldature di grado 5 con controllo più rigoroso. La lega Ti-6Al-4V produce saldature resistenti, ma solo se la procedura è rigorosa.
- Sono state dimostrate giunzioni eterogenee di grado da 2 a 5. I produttori aerospaziali uniscono i rivestimenti di grado 2 ai longheroni di grado 5 come pezzi grezzi saldati su misura utilizzando la saldatura a fascio di elettroni, laser e a punti per resistenza; la combinazione è inoltre saldabile tramite TIG con materiale d'apporto ERTi-2.
Un mito diffuso afferma che "il titanio non si può saldare". La verità è l'opposto. Il titanio si salda in modo molto pulito quando è protetto dall'aria. I problemi derivano dalla contaminazione, non dall'arco elettrico. Una volta controllata la protezione, entrambi i tipi di titanio si comportano in modo prevedibile.
Perché la saldatura del titanio richiede una protezione
Il titanio è un metallo estremamente reattivo al di sopra di circa 426 °C (800 °F). Reagisce con l'ossigeno, l'azoto e l'idrogeno presenti nell'atmosfera, e queste reazioni compromettono la saldatura.
Il prodotto più dannoso è lo strato alfa. L'ossigeno è un potente stabilizzatore alfa e, quando il titanio caldo lo assorbe, si forma uno strato superficiale duro e fragile chiamato strato alfa. Lo strato alfa ha scarsa duttilità e bassa tenacità alla frattura e può innescare cricche da fatica in una saldatura che altrimenti appare intatta. L'ossigeno può essere assorbito a temperature superiori a circa 250 °C, l'idrogeno a temperature superiori a circa 400 °C e l'azoto a temperature superiori a circa 600 °C, quindi la contaminazione inizia ben al di sotto della temperatura di saldatura.
Questi interstiziali assorbiti distorcono il reticolo cristallino del titanio. Aumentano la durezza e la resistenza, ma distruggono la plasticità e la tenacità. L'idrogeno può anche formare fragili lamelle di idruro di titanio. Per questi motivi, le saldature del titanio vengono eseguite in atmosfera completamente inerte e la saldatura deve rimanere protetta fino a quando non si raffredda al di sotto di circa 425 °C.
Il titanio richiede inoltre meno calore rispetto all'acciaio. La saldatura avviene "alla temperatura più bassa possibile", il che rende la schermatura ancora più importante, poiché il margine di errore è minimo. Per una panoramica più completa sul comportamento del titanio nelle diverse leghe, consultare la nostra tabella delle leghe di titanio e le guide sulle proprietà del titanio.
Titanio di grado 2 vs. titanio di grado 5: confronto di saldabilità
La tabella seguente riassume il confronto tra i due gradi di saldatura. Le differenze fisiche sono alla base di tutto il resto dell'articolo.
| Fattore di saldatura | Grado 2 (CP Ti, R50400) | Grado 5 (Ti-6Al-4V, R56400) |
|---|---|---|
| Tipo di grado | Commercialmente puro (alfa) | Lega alfa-beta (6% Al, 4% V) |
| Saldabilità relativa | Finestra ampia e eccellente | Un controllo di processo efficace e rigoroso |
| Esempio di riempimento (AWS A5.16) | ERTi-2 (UNS R50120) | ERTi-5 (UNS R56400) |
| Allungamento | ~ 20% | ~ 10-14% |
| Conduttività termica | 15-22 W/m·K | 6.5-7.2 W/m·K |
| Concentrazione di calore nella zona di saldatura | Bassa (si diffonde rapidamente) | Alto (concentrato) |
| Tolleranza alla contaminazione | Più elevato | Abbassare |
| Trattamento termico post-saldatura | Di solito non richiesto | Generalmente richiesto per saldature critiche o sottoposte a carichi di fatica. |
| Applicazioni tipiche di saldatura | processi chimici, acqua di mare, scambiatori di calore | Componenti aerospaziali, portanti e ciclici |
Perché la saldatura di grado 2 è la più facile
Il grado 2 è titanio commercialmente puro, essenzialmente monofase alfa con circa il 99% di titanio. La sua resistenza è determinata dall'ossigeno interstiziale, non dagli elementi di lega, quindi non si formano prodotti di trasformazione in fase beta durante il raffreddamento della saldatura.
Questa semplicità conferisce all'acciaio di grado 2 due vantaggi pratici. In primo luogo, la sua maggiore duttilità, con un allungamento di circa il 20%, assorbe le tensioni di ritiro di una saldatura in raffreddamento senza fessurarsi. In secondo luogo, la sua conducibilità termica, pari a circa 15-22 W/m·K, disperde il calore lontano dal giunto, in modo che il bagno di fusione e la zona termicamente alterata rimangano più piccoli e meno concentrati.
Il risultato è un'ampia finestra di saldatura. Piccole variazioni di amperaggio, velocità di avanzamento o protezione vengono tollerate. Per questo motivo, tubazioni e condotti in titanio di grado 2 vengono saldati in loco presso impianti chimici e di desalinizzazione, spesso con apparecchiature TIG portatili. La nostra guida al titanio di grado 2 illustra in dettaglio le proprietà e le applicazioni di questo materiale.
Perché la lega di grado 5 (Ti-6Al-4V) richiede un controllo più rigoroso
La lega di grado 5 è una lega alfa-beta rinforzata con circa il 6% di alluminio e il 4% di vanadio. Questa composizione chimica offre una resistenza circa tre volte superiore a quella della lega di grado 2, ma determina un comportamento diverso della saldatura.
Durante il raffreddamento, la zona di saldatura di una lega alfa-beta può formare microstrutture più dure e meno duttili. Inoltre, la lega di grado 5 conduce il calore a una velocità di soli 6.5-7.2 W/m·K, un terzo del valore della lega di grado 2, pertanto il calore rimane concentrato nella giunzione. Tale concentrazione aumenta il rischio di surriscaldamento, crescita dei grani e contaminazione proprio nell'area più difficile da proteggere.
Per questi motivi, la saldatura del titanio di grado 5 richiede un controllo meticoloso del processo: superfici pulite, protezione ad alta purezza, apporto termico controllato, temperature tra le passate prossime ai 150-200 °C e spesso un trattamento termico post-saldatura. Il metallo di saldatura stesso ha una duttilità inferiore rispetto al metallo base, motivo per cui il trattamento termico post-saldatura è comunemente specificato. Se il vostro progetto è limitato dalla resistenza o dalla fatica, la guida al titanio di grado 5 e il nostro confronto di resistenza tra grado 5 e grado 2 spiegano quando la maggiore difficoltà è giustificata.
Selezione del metallo d'apporto: ERTi-2 vs ERTi-5
La scelta del materiale d'apporto segue innanzitutto una regola: abbinarlo al metallo base in modo che la composizione chimica della saldatura rimanga costante. Le combinazioni standard previste dalla norma AWS A5.16 sono semplici.
| Base in metallo | Corrispondenza tra gli elementi di riempimento (AWS A5.16) | Servizio tipico |
|---|---|---|
| Grado 2 (titanio CP) | ERTi-2 (UNS R50120) | Servizi di corrosione, fabbricazione chimica e navale |
| Grado 5 (Ti-6Al-4V) | ERTi-5 (UNS R56400) | Saldature strutturali e aerospaziali ad alta resistenza |
| Dalla seconda alla quinta elementare (dissimili) | ERTi-2 (regola del lato più debole) | Giunti saldati su misura e giunti di transizione |
ERTi-2 è un materiale d'apporto CP ad elevata purezza con limiti interstiziali ristretti. Offre buona saldabilità, resistenza alla corrosione e un costo contenuto, caratteristiche che lo rendono il materiale d'apporto ideale per le apparecchiature di saldatura resistenti alla corrosione.
L'ERTi-5 ha la stessa composizione chimica della lega, con alluminio in una percentuale compresa tra il 5.5% e il 6.75% e vanadio tra il 3.5% e il 4.5%. È lo standard per le saldature strutturali ad alta resistenza ed è leggermente più sensibile durante la saldatura, pertanto richiede la stessa disciplina di processo del metallo base.
La regola del lato più debole per le saldature di materiali dissimili
Quando si saldano materiali di grado 2 e di grado 5, la resistenza del giunto è limitata al materiale più debole, ovvero quello di grado 2. La regola pratica è di seguire il lato più debole e utilizzare il materiale d'apporto ERTi-2 anziché ERTi-5. L'utilizzo di un materiale d'apporto più resistente non rende un giunto limitato al grado 2 più robusto, ma ne aumenta i costi e la sensibilità.
Non si tratta di una questione teorica. I produttori aerospaziali uniscono rivestimenti di Grado 2 a longheroni di Grado 5 per realizzare lamiere saldate su misura, combinando la formabilità del Grado 2 con la resistenza del Grado 5. Sia la saldatura a fascio di elettroni che quella laser a fibra sono state qualificate per queste giunzioni. Se si intende unire i due gradi di acciaio, è necessario verificare la procedura con il produttore del materiale e qualificarla secondo le norme AWS D17.1 o ISO 15614-5 prima della produzione.
Saldatura TIG del titanio: parametri e configurazione della protezione
La saldatura TIG (Tungsten Intensity) è il processo standard per il titanio. La maggior parte delle saldature del titanio utilizza la corrente continua con polarità negativa dell'elettrodo (DCEN), innesco ad alta frequenza, una lente per il flusso del gas per un flusso uniforme e una coppa più grande rispetto a quella utilizzata per l'acciaio.
Schermatura: Torcia, Traccia e Purga posteriore
Il titanio necessita di una strategia di schermatura a tre strati, poiché il metallo rimane reattivo finché non si raffredda al di sotto di circa 425 °C.
- Schermatura della torcia. Argon ad elevata purezza, minimo 99.995% (argon 4.6), ideale per lavori critici con purezza del 99.999% (argon 5.0). La portata tipica della torcia è di 15-20 CFH.
- Scudo di coda. Il cordone di saldatura dietro la torcia rimane caldo e vulnerabile. Uno schermo protettivo posteriore estende la copertura di argon di diversi centimetri dietro la torcia per proteggere il metallo in raffreddamento.
- Spurgo posteriore. Se non protetta, la radice della saldatura si ossida dal basso. Per tubi e condotti, spurgare l'interno con argon e, per applicazioni critiche, mantenere la concentrazione di ossigeno al di sotto di 20 ppm fino al raffreddamento del giunto.
Dopo l'arresto dell'arco, continuare il flusso di gas per almeno 10 secondi in modo che il metallo caldo non venga mai esposto all'aria. La contaminazione è facile da causare e difficile da individuare. Olio, impronte digitali, filo d'apporto sporco, tubi del gas in gomma che hanno assorbito umidità e utensili che sono venuti a contatto con l'acciaio al carbonio possono tutti introdurre difetti. Utilizzare utensili e filo dedicati e sgrassati esclusivamente per il titanio.
Amperaggio e temperatura tra i passaggi
Il titanio si salda a freddo. Come guida introduttiva per la saldatura TIG manuale su lamiere sottili:
| Spessore materiale | Amperaggio approssimativo |
|---|---|
| 1.5 mm | 40-70 A |
| 3.0 mm | 90-130 A |
| 6.0 mm | 160-220 A |
Mantenere la temperatura tra le passate pari o inferiore a circa 150-200 °C per controllare la crescita dei grani nella zona termicamente alterata. Se state realizzando apparecchiature in titanio saldate per applicazioni in ambienti corrosivi e desiderate confrontarle con le leghe di acciaio inossidabile che lavoriamo, il nostro team di elaborazione personalizzata può aiutarvi a valutare le alternative.
Ispezione del colore della saldatura: cosa ti sta dicendo la tua saldatura
Il colore della saldatura è il metodo di controllo qualità più rapido per il titanio. Il colore si sviluppa nelle zone in cui il metallo è stato esposto a temperature superiori a circa 450 °C, indicando quindi se la protezione ha preservato la saldatura durante l'intero ciclo di raffreddamento.
| Colore della saldatura | Significato | Action |
|---|---|---|
| Argento brillante | Schermatura adeguata | Accetta |
| Paglietta chiara / oro chiaro | Contaminazione minore | Di solito accettabile |
| Azzurro | Alcuni contaminanti | Valutare; spesso accettabile in servizi non critici |
| Blu scuro / viola | Contaminazione da ossigeno o azoto | Rielaborare o rimuovere |
| Polvere grigia/bianca | Contaminazione grave, caso alfa | Rimuovere e risaldare |
Se una saldatura appare di colore blu scuro, viola, grigio o bianco, significa che la protezione non ha funzionato correttamente e il metallo è fragile. Levigare o lavorare la zona interessata e risaldare con la corretta copertura di gas. Una colorazione da argento a paglierino in una passata di prova conferma che la configurazione della protezione è corretta prima di eseguire le saldature di produzione.
Trattamento termico post-saldatura: quando necessario per il grado 5
Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è l'aspetto in cui i gradi 2 e 5 presentano le maggiori differenze nella pratica.
Il grado 2 generalmente non richiede trattamento termico post-saldatura (PWHT) per l'impiego in ambienti corrosivi. La saldatura si raffredda fino a raggiungere una struttura alfa duttile e la natura "tollerante" del materiale consente alla maggior parte delle lavorazioni di passare direttamente dalla saldatura all'impiego in servizio o alla prova idrostatica.
Il grado 5 è diverso. La zona di saldatura del Ti-6Al-4V si raffredda assumendo una struttura più dura e meno duttile rispetto al metallo base, e le tensioni residue derivanti dalla saldatura possono rendere i giunti critici o sottoposti a carichi di fatica vulnerabili alle cricche. Il trattamento di distensione o ricottura dopo la saldatura ripristina la duttilità, allevia le tensioni residue e migliora le prestazioni a fatica. Per questo motivo, le procedure di saldatura di grado 5 per i componenti portanti includono quasi sempre il trattamento termico post-saldatura (PWHT).
Un'officina di lavorazione che conosciamo ha imparato questa lezione quando un lotto di staffe in Ti-6Al-4V si è incrinato in corrispondenza della saldatura durante la prova di carico. Le saldature apparivano pulite e argentate, ma l'officina aveva saltato il trattamento termico post-saldatura per risparmiare un giorno di lavoro. Un ciclo di ricottura ha alleviato le tensioni residue e ripristinato la duttilità, e le staffe, una volta ritestate, hanno superato la prova. La lezione è stata chiara: con l'acciaio di grado 5, le fasi aggiuntive non sono facoltative.
Applicazioni di saldatura: dove ogni grado vince
Il grado di resistenza scelto per un assieme saldato deve corrispondere alla modalità di rottura che si sta considerando in fase di progettazione.
- Per applicazioni con corrosione da saldatura, scegliere il grado 2. Gli impianti di lavorazione chimica, desalinizzazione, le tubazioni navali e gli scambiatori di calore sono realizzati in acciaio di grado 2 perché è facile da saldare, resistente alla corrosione e riparabile in loco. La sua saldabilità mantiene bassi i costi di fabbricazione.
- Scegli il grado 5 per resistenza alla fatica e alla saldatura. Le strutture aerospaziali, le staffe soggette a carichi elevati e i componenti ciclici giustificano le saldature più rigorose del Grado 5, poiché la lega presenta una resistenza circa tre volte superiore a parità di densità.
Prima di optare per un assemblaggio saldato, confrontate i costi delle due opzioni , poiché il prezzo dei materiali e la facilità di lavorazione spesso determinano congiuntamente la scelta.
Se la vostra applicazione è soggetta a corrosione e state valutando il titanio rispetto a materiali saldati più economici, l'acciaio inossidabile 316L è l'alternativa più comune. DAPU fornisce prodotti e tubi in acciaio inossidabile 316 che coprono la maggior parte delle applicazioni di movimentazione fluidi saldati a una frazione del costo del titanio.
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Domande frequenti
È possibile saldare titanio di grado 2 a grado 5?
Sì. Il titanio di grado 2 e di grado 5 possono essere saldati insieme come materiali dissimili. Per la saldatura TIG, utilizzare il materiale d'apporto ERTi-2 e seguire il lato più debole, poiché la giunzione non è più resistente del titanio di grado 2. I produttori aerospaziali uniscono i due gradi anche mediante saldatura a fascio di elettroni e laser per realizzare semilavorati saldati su misura.
Quale lega di titanio è la più facile da saldare?
Il grado 2 è il più semplice. Si tratta di titanio commercialmente puro monofase con una finestra di saldatura più ampia, maggiore duttilità e una conduttività termica circa 2-3 volte superiore a quella del grado 5. Tolera maggiori variazioni di apporto termico e di schermatura rispetto alla lega.
È difficile saldare il titanio?
Il titanio non è difficile da saldare come l'acciaio. Reagisce con ossigeno, azoto e idrogeno al di sopra di circa 426 °C, quindi richiede una protezione inerte completa con uno schermo protettivo per la torcia, uno schermo posteriore e un sistema di spurgo posteriore. Quando la protezione è corretta, la saldatura del titanio risulta pulita.
Quale materiale d'apporto si usa per saldare il titanio?
Utilizzare il materiale d'apporto compatibile con il metallo base: ERTi-2 (AWS A5.16) per il grado 2 e ERTi-5 per il grado 5. Per una giunzione tra un metallo base di grado 2 e uno di grado 5, utilizzare ERTi-2 e seguire il lato più debole, poiché la resistenza della saldatura è limitata alla resistenza del metallo base di grado 2.
La saldatura indebolisce il titanio di grado 5?
La saldatura riduce la duttilità nella zona di saldatura di grado 5 e la struttura saldata risulta più dura e meno tenace del metallo base. Il trattamento termico post-saldatura ripristina la duttilità, allevia le tensioni residue e migliora la resistenza alla fatica, motivo per cui è specificato per le saldature critiche di grado 5.
Il titanio di grado 5 necessita di un trattamento termico post-saldatura?
Il grado 5 richiede in genere un trattamento termico post-saldatura (PWHT) per le saldature portanti o sottoposte a carichi di fatica, poiché la zona di saldatura si raffredda assumendo una struttura più dura e meno duttile con tensioni residue. Il grado 2, in genere, non richiede un trattamento termico post-saldatura per l'impiego in ambienti corrosivi.
Quale gas di protezione è necessario per la saldatura TIG del titanio?
Utilizzare argon ad elevata purezza, almeno 99.995% e idealmente 99.999%. Il titanio richiede la protezione della torcia, uno schermo di protezione posteriore alla saldatura e la purga posteriore della radice della saldatura, con il flusso di gas che continua fino a quando il metallo non si raffredda al di sotto di circa 425 °C.
Perché una saldatura di titanio diventa blu?
Una saldatura blu, viola o grigia indica che la protezione non ha funzionato correttamente e che il metallo caldo ha assorbito ossigeno o azoto. Un colore che varia dall'argento brillante al giallo paglierino chiaro indica una protezione adeguata. Le contaminazioni di colore blu scuro, viola, grigio o bianco devono essere rimosse e la saldatura rifatta.
La saldatura di grado 2 è diversa da quella di grado 5?
La configurazione della schermatura è la stessa, ma il controllo è diverso. Il grado 2 consente una finestra più ampia con maggiore tolleranza alle variazioni di temperatura e schermatura. Il grado 5 richiede un controllo della temperatura tra le passate più rigoroso, una schermatura più stringente e, di solito, un trattamento termico post-saldatura.
L'acciaio inossidabile può sostituire il titanio saldato in ambienti corrosivi?
Spesso sì. Per applicazioni in ambienti con cloruri e agenti chimici, dove il costo aggiuntivo del titanio è difficile da giustificare, l'acciaio inossidabile 316L si salda molto più facilmente e costa molto meno. Laddove il titanio viene scelto per il peso, la resistenza alla fatica o l'immunità a specifici agenti, nessun tipo di acciaio inossidabile lo sostituisce completamente.
Conclusione
La differenza tra la saldatura del titanio di grado 2 e quella di grado 5 risiede nel controllo, non nella capacità. Entrambi i gradi sono saldabili, ma il grado 2 è più tollerante e adatto all'uso sul campo, mentre il grado 5 offre un'elevata resistenza solo con una protezione rigorosa, un apporto termico controllato e, solitamente, un trattamento termico post-saldatura.
In pratica, il concetto è semplice. Utilizzare l'acciaio di grado 2 con materiale d'apporto ERTi-2 quando la resistenza alla corrosione, la formabilità e la facilità di lavorazione sono i fattori determinanti nella progettazione. Utilizzare l'acciaio di grado 5 con materiale d'apporto ERTi-5 e una procedura PWHT qualificata quando la resistenza e la durata a fatica giustificano lo sforzo aggiuntivo. Quando si saldano i due materiali, seguire il lato più debole e utilizzare ERTi-2.
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