Ambos os tipos de titânio soldam bem com TIG, mas a soldagem do titânio grau 2 e do grau 5 não exige o mesmo esforço. O titânio comercialmente puro grau 2 solda facilmente, com uma ampla janela de processo e alta tolerância à contaminação. Já o titânio grau 5 (Ti-6Al-4V) só solda com controle rigoroso da entrada de calor, proteção inerte rigorosa e, geralmente, tratamento térmico pós-soldagem.
Um supervisor de manutenção de uma fábrica de produtos químicos aprendeu essa diferença da maneira mais difícil. Ele solicitou um orçamento para um coletor de água do mar em aço de Grau 5 porque a ficha técnica indicava uma "liga mais resistente", e então viu sua equipe de soldagem enfrentar dificuldades com o controle de cor, retrabalho e um corpo de prova trincado que falhou no teste de dobramento. Quando a engenharia reespecificou a linha em aço de Grau 2 com metal de adição ERTi-2, as soldas ficaram prateadas na primeira passada, e o coletor opera há três anos sem falhas.
Neste guia, detalhamos a soldagem de titânio grau 2 versus grau 5 : qual grau solda mais facilmente e por quê, qual metal de adição especificar, como proteger e soldar cada grau, como soldá-los entre si e como inspecionar a solda finalizada. Ao final, você saberá exatamente o que seu procedimento de soldagem precisa incluir.
Principais lições
- O titânio de grau 2 é muito mais fácil de soldar do que o de grau 5. Trata-se de titânio alfa monofásico com uma janela de soldagem mais ampla, cerca de 20% de alongamento e aproximadamente 2 a 3 vezes a condutividade térmica, o que lhe confere maior tolerância a variações de calor e proteção.
- A liga de grau 5 (Ti-6Al-4V) é soldável, mas exige processos complexos. Requer proteção meticulosa com gás de proteção, controle rigoroso da entrada de calor, temperaturas entre passes próximas a 150-200°C e, geralmente, tratamento térmico pós-soldagem para restaurar a ductilidade.
- Utilize o metal de adição adequado ao metal base: ERTi-2 para aço de grau 2 e ERTi-5 para aço de grau 5. Para soldar aço de grau 2 com aço de grau 5, siga o lado mais fraco e utilize o ERTi-2.
- O titânio reage com o ar acima de aproximadamente 426°C (800°F), portanto, toda soldagem precisa de proteção da tocha, uma proteção traseira e purga traseira com argônio de alta pureza (99.995% ou melhor).
- A cor da solda é o indicador de qualidade. Uma cor prata brilhante ou palha clara significa proteção adequada; azul, roxo, cinza ou branco indicam contaminação e necessidade de retrabalho.
É possível soldar titânio de grau 2 e grau 5?
Sim. O titânio de grau 2 e o de grau 5 são ambos soldáveis e podem ser soldados entre si como materiais de graus diferentes. As diferenças residem na dificuldade e no controle do processo, não na possibilidade de união dos materiais.
- Solda com facilidade usando grau 2. O titânio comercialmente puro (CP) é o tipo mais tolerante da família, razão pela qual domina a fabricação soldada em aplicações químicas, navais e de trocadores de calor.
- Soldas de grau 5 com controle mais rigoroso. A liga Ti-6Al-4V produz soldas resistentes, mas apenas quando o procedimento é realizado com precisão.
- As juntas dissimilares de grau 2 a grau 5 são comprovadas. Os fabricantes aeroespaciais unem revestimentos de Grau 2 a longarinas de Grau 5 como peças soldadas sob medida, utilizando soldagem por feixe de elétrons, laser e resistência a ponto, e a combinação também pode ser soldada por TIG com metal de adição ERTi-2.
Um mito comum diz que "o titânio não pode ser soldado". A verdade é o oposto. O titânio solda-se de forma muito limpa quando protegido do ar. As falhas decorrem da contaminação, não do arco. Uma vez controlada a proteção, ambos os tipos de metal comportam-se de forma previsível.
Por que a soldagem de titânio exige proteção
O titânio é um metal extremamente reativo acima de aproximadamente 426°C (800°F). Ele reage com o oxigênio, o nitrogênio e o hidrogênio da atmosfera, e essas reações danificam a solda.
O produto mais prejudicial é a camada alfa. O oxigênio é um poderoso estabilizador alfa e, quando o titânio quente o absorve, forma-se uma camada superficial dura e quebradiça chamada camada alfa. A camada alfa tem baixa ductilidade e baixa tenacidade à fratura, podendo iniciar trincas de fadiga em uma solda que, de outra forma, pareceria perfeita. O oxigênio pode ser absorvido acima de aproximadamente 250 °C, o hidrogênio acima de cerca de 400 °C e o nitrogênio acima de cerca de 600 °C, portanto, a contaminação começa bem abaixo da temperatura de soldagem.
Esses interstícios absorvidos distorcem a estrutura cristalina do titânio. Eles aumentam a dureza e a resistência, mas destroem a plasticidade e a tenacidade. O hidrogênio também pode formar plaquetas frágeis de hidreto de titânio. Por esses motivos, as soldas de titânio são feitas em atmosfera completamente inerte e a solda deve permanecer protegida até que esfrie abaixo de aproximadamente 425 °C.
O titânio também requer menos calor do que o aço. A soldagem deve ser feita "o mais frio possível", o que torna o processo de blindagem ainda mais importante, pois a margem de erro é mínima. Para uma visão mais abrangente do comportamento do titânio em toda a sua gama de classes, consulte nossa tabela de classes de titânio e nossos guias de propriedades do titânio.
Titânio Grau 2 vs. Grau 5: Comparação de Soldabilidade
A tabela abaixo resume a comparação entre as duas categorias em soldagem. As diferenças físicas são o foco de todo o restante deste artigo.
| Fator de soldagem | Grau 2 (CP Ti, R50400) | Grau 5 (Ti-6Al-4V, R56400) |
|---|---|---|
| Tipo de nota | Comercialmente puro (alfa) | Liga alfa-beta (6% Al, 4% V) |
| soldabilidade relativa | Excelente janela ampla. | Bom e rigoroso controle de processos |
| Carga típica (AWS A5.16) | ERTi-2 (UNS R50120) | ERTi-5 (UNS R56400) |
| Alongamento | ~% 20 | ~10-14% |
| Condutividade térmica: | 15-22 W/m·K | 6.5-7.2 W/m·K |
| Concentração de calor na zona de solda | Baixa (espalha-se rapidamente) | Alto (concentrados) |
| Tolerância à contaminação | Mais elevado | Abaixe |
| Tratamento térmico pós-soldagem | Geralmente não é necessário | Geralmente necessário para soldas críticas ou sujeitas à fadiga. |
| Aplicações típicas de soldagem | Processamento químico, água do mar, trocadores de calor | Componentes aeroespaciais, estruturais e cíclicos |
Por que a liga Grau 2 é a mais fácil de soldar?
O titânio grau 2 é titânio comercialmente puro, essencialmente de fase alfa única com aproximadamente 99% de titânio. Sua resistência é determinada pelo oxigênio intersticial, não por elementos de liga, portanto não há formação de produtos de transformação da fase beta na solda durante o resfriamento.
Essa simplicidade confere ao aço de grau 2 duas vantagens práticas. Primeiro, sua maior ductilidade, em torno de 20% de alongamento, absorve as tensões de contração de uma solda em resfriamento sem trincar. Segundo, sua condutividade térmica, de cerca de 15 a 22 W/m·K, dissipa o calor da junta, de modo que a poça de fusão e a zona afetada pelo calor permaneçam menores e menos concentradas.
O resultado é uma ampla faixa de soldagem. Pequenas variações na amperagem, velocidade de deslocamento ou proteção são toleradas. É por isso que tubulações e canos de titânio Grau 2 são soldados em campo em instalações químicas e de dessalinização, frequentemente com equipamentos TIG portáteis. Nosso guia sobre titânio Grau 2 abrange todas as propriedades e aplicações do material.
Por que o grau 5 (Ti-6Al-4V) exige um controle mais rigoroso?
A liga de grau 5 é uma liga alfa-beta reforçada com cerca de 6% de alumínio e 4% de vanádio. Essa composição química proporciona aproximadamente três vezes a resistência da liga de grau 2, mas altera o comportamento da solda.
Ao resfriar, a zona de solda de uma liga alfa-beta pode formar microestruturas mais duras e menos dúcteis. A liga de grau 5 também conduz calor a uma taxa de apenas cerca de 6.5 a 7.2 W/m·K, um terço do valor da liga de grau 2, fazendo com que o calor permaneça concentrado na junta. Essa concentração aumenta o risco de superaquecimento, crescimento de grãos e contaminação justamente na área mais difícil de proteger.
Por esses motivos, a soldagem de titânio grau 5 exige um controle de processo meticuloso: superfícies limpas, proteção de alta pureza, aporte térmico controlado, temperaturas entre passes próximas a 150-200 °C e, frequentemente, um tratamento térmico pós-soldagem (TTPS). O metal de solda em si possui menor ductilidade que o metal base, razão pela qual o TTPS é comumente especificado. Se o seu projeto for limitado por resistência ou fadiga, o guia de titânio grau 5 e nossa comparação de resistência entre os graus 5 e 2 explicam quando a dificuldade adicional compensa.
Seleção de metal de adição: ERTi-2 vs ERTi-5
A seleção do material de adição segue uma regra fundamental: combinar o material de adição com o metal base para que a composição química da solda permaneça consistente. As combinações padrão da norma AWS A5.16 são simples.
| Metal Base | Massa de enchimento correspondente (AWS A5.16) | Serviço Típico |
|---|---|---|
| Grau 2 (titânio CP) | ERTi-2 (UNS R50120) | Serviços de corrosão, fabricação química e marítima |
| Grau 5 (Ti-6Al-4V) | ERTi-5 (UNS R56400) | Soldas estruturais e aeroespaciais de alta resistência |
| 2º ao 5º ano (diferentes) | ERTi-2 (regra do lado mais fraco) | Juntas soldadas sob medida e juntas de transição |
O ERTi-2 é um material de enchimento CP de alta pureza com limites intersticiais rigorosos. Oferece boa soldabilidade, resistência à corrosão e custo acessível, o que o torna o material de enchimento ideal para equipamentos soldados resistentes à corrosão.
A liga ERTi-5 apresenta a composição química da liga, com cerca de 5.5 a 6.75% de alumínio e 3.5 a 4.5% de vanádio. É o padrão para soldas estruturais de alta resistência e é ligeiramente mais sensível durante a soldagem, exigindo, portanto, a mesma disciplina de processo que o metal base.
Regra do Lado Mais Fraco para Soldas de Materiais Dissimilares
Ao soldar aço de grau 2 com aço de grau 5, a resistência da junta é limitada pelo material mais frágil, que é o aço de grau 2. A recomendação prática é seguir o lado mais frágil e usar metal de adição ERTi-2 em vez de ERTi-5. Usar um metal de adição mais resistente não torna uma junta limitada pelo grau 2 mais resistente, além de aumentar o custo e a sensibilidade.
Isso não é teórico. Fabricantes aeroespaciais unem revestimentos de Grau 2 a longarinas de Grau 5 para obter chapas soldadas sob medida, combinando a conformabilidade do Grau 2 com a resistência do Grau 5. A soldagem por feixe de elétrons e a soldagem a laser de fibra foram qualificadas para essas juntas. Se você estiver unindo os dois graus, verifique o procedimento com o fabricante do material e qualifique-o de acordo com as normas AWS D17.1 ou ISO 15614-5 antes da produção.
Soldagem TIG de titânio: parâmetros e configuração de proteção
A soldagem a arco de tungstênio com gás, ou TIG, é o processo padrão para titânio. A maioria das soldagens de titânio utiliza corrente contínua com polaridade negativa no eletrodo (DCEN) e ignição por alta frequência, uma lente de gás para fluxo suave e um bocal maior do que o utilizado para aço.
Proteção: Exaustão de tocha, rastro e retorno
O titânio requer uma estratégia de blindagem de três camadas, pois o metal permanece reativo até esfriar abaixo de aproximadamente 425°C.
- Proteção da tocha. Argônio de alta pureza com pureza mínima de 99.995% (argônio 4.6), sendo 99.999% (argônio 5.0) ideal para trabalhos críticos. A vazão típica da tocha varia de 15 a 20 pés cúbicos por hora (CFH).
- Escudo de proteção traseiro. O cordão de solda atrás da tocha permanece quente e vulnerável. Um escudo de proteção estende a cobertura de argônio por vários centímetros atrás da tocha para proteger o metal em resfriamento.
- Limpeza traseira. A raiz da solda oxida por baixo se não estiver protegida. Para tubos e canos, faça uma purga reversa do interior com argônio e, para aplicações críticas, mantenha o oxigênio abaixo de 20 ppm até que a junta esfrie.
Após a interrupção do arco, mantenha o fluxo de gás por pelo menos 10 segundos para que o metal quente nunca entre em contato com o ar. A contaminação é fácil de causar e difícil de detectar. Óleo, impressões digitais, arame de solda sujo, mangueiras de gás de borracha que absorveram umidade e ferramentas que entraram em contato com aço carbono podem introduzir defeitos. Use ferramentas e arame específicos e desengordurados somente para titânio.
Amperagem e temperatura entre passes
A soldagem de titânio é feita a frio. Como guia inicial para soldagem TIG manual em chapas finas:
| Espessura do material | Amperagem aproximada |
|---|---|
| 1.5 mm | 40 70-A |
| 3.0 mm | 90 130-A |
| 6.0 mm | 160 220-A |
Mantenha a temperatura entre passes em torno de 150-200 °C ou abaixo disso para controlar o crescimento de grãos na zona afetada pelo calor. Se você fabrica equipamentos de titânio soldados para serviço em ambientes corrosivos e deseja compará-los com os aços inoxidáveis que processamos, nossa equipe de processamento personalizado pode ajudá-lo a avaliar alternativas.
Inspeção da cor da solda: o que sua solda está lhe dizendo.
A cor da solda é o método mais rápido de verificação de qualidade para o titânio. A cor se desenvolve onde o metal foi exposto a temperaturas acima de aproximadamente 450°C, indicando se a proteção atuou durante todo o ciclo de resfriamento da solda.
| Cor da solda | Significado | Ação |
|---|---|---|
| Prata brilhante | Blindagem adequada | Aceitar |
| Palha clara / dourado claro | Contaminação menor | Geralmente aceitável |
| Azul claro | Alguma contaminação | Avaliar; geralmente aceitável em serviços não críticos. |
| Azul escuro/roxo | Contaminação por oxigênio ou nitrogênio | Refazer ou remover |
| Pó cinza/branco | Contaminação grave, caso alfa | Remover e soldar novamente |
Se uma solda apresentar coloração azul escura, roxa, cinza ou branca, a proteção falhou e o metal está fragilizado. Remova a área afetada por esmerilhamento ou usinagem e refaça a soldagem com a cobertura de gás adequada. Uma coloração prateada ou palha em um passe de teste confirma que a configuração da proteção está correta antes de iniciar as soldagens de produção.
Tratamento térmico pós-soldagem: quando o aço de grau 5 precisa dele
O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT, na sigla em inglês) é onde os graus 2 e 5 mais divergem na prática.
Em geral, o Grau 2 não requer tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) para serviço anticorrosivo. A solda esfria até atingir uma estrutura alfa dúctil, e a natureza tolerante do material significa que a maioria das peças fabricadas passa diretamente da soldagem para o serviço ou teste hidrostático.
O grau 5 é diferente. A zona de solda do Ti-6Al-4V, ao esfriar, torna-se mais dura e menos dúctil que o metal base, e as tensões residuais da soldagem podem tornar juntas críticas ou sujeitas à fadiga vulneráveis a trincas. O alívio de tensões ou recozimento após a soldagem restaura a ductilidade, alivia as tensões residuais e melhora o desempenho à fadiga. Por esse motivo, os procedimentos de soldagem de grau 5 para componentes estruturais quase sempre incluem o tratamento térmico pós-soldagem (TTPS).
Uma oficina de fabricação que conhecemos aprendeu isso quando um lote de suportes de Ti-6Al-4V trincou na solda durante o teste de resistência. As soldas pareciam limpas e prateadas, mas a oficina havia pulado o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) para economizar um dia de trabalho. Um ciclo de recozimento aliviou a tensão residual e restaurou a ductilidade, e os suportes retestados foram aprovados. A lição ficou: com o Grau 5, as etapas extras não são opcionais.
Aplicações de soldagem: onde cada grau de soldagem se destaca
A classe de resistência escolhida para uma montagem soldada deve corresponder ao modo de falha contra o qual você está projetando.
- Escolha o Grau 2 para serviço de soldagem com resistência à corrosão. Processamento químico, dessalinização, tubulações marítimas e trocadores de calor são construídos em aço de grau 2 devido à sua facilidade de soldagem, resistência à corrosão e possibilidade de reparo em campo. Sua soldabilidade mantém o custo de fabricação baixo.
- Escolha o grau 5 para resistência da solda e fadiga. Estruturas aeroespaciais, suportes de alta carga e componentes sujeitos a ciclos de carga justificam a soldagem mais rigorosa da liga de Grau 5, pois esta apresenta resistência aproximadamente três vezes maior com densidade semelhante.
Antes de optar por uma montagem soldada, compare os custos das duas opções , pois o preço do material e a facilidade de fabricação geralmente determinam a escolha em conjunto.
Se a sua aplicação for sensível à corrosão e você estiver comparando o titânio com materiais soldados mais econômicos, o aço inoxidável 316L é a alternativa mais comum. A DAPU fornece produtos e tubos de aço inoxidável 316 que atendem à maioria das aplicações de manuseio de fluidos soldados, a uma fração do custo do titânio.
Não tem certeza se sua montagem soldada precisa de titânio? Nossa equipe de consultoria técnica ajuda os engenheiros a comparar diferentes tipos de titânio e materiais com base nas condições reais de serviço, e não apenas no catálogo.
Perguntas frequentes
É possível soldar titânio de grau 2 a titânio de grau 5?
Sim. Titânio grau 2 e grau 5 podem ser soldados entre si como materiais de graus diferentes. Para soldagem TIG, utilize metal de adição ERTi-2 e solde pelo lado mais frágil, pois a junta resultante não é mais resistente que o titânio grau 2. Fabricantes da indústria aeroespacial também unem os dois graus por meio de soldagem por feixe de elétrons e a laser para a produção de peças soldadas sob medida.
Qual tipo de titânio é o mais fácil de soldar?
O titânio de grau 2 é o mais fácil de trabalhar. Trata-se de titânio comercialmente puro monofásico com uma janela de soldagem mais ampla, maior ductilidade e condutividade térmica aproximadamente 2 a 3 vezes maior que a do grau 5. Ele tolera maior variação na entrada de calor e na blindagem térmica do que a liga.
O titânio é difícil de soldar?
O titânio não é difícil de soldar da mesma forma que o aço. Ele reage com oxigênio, nitrogênio e hidrogênio acima de aproximadamente 426 °C, portanto, exige proteção inerte completa com um protetor de tocha, um protetor de arraste e purga traseira. Quando a proteção é adequada, o titânio solda-se de forma limpa.
Que metal de adição você usa para soldar titânio?
Utilize o metal de adição que corresponda ao metal base: ERTi-2 (AWS A5.16) para Grau 2 e ERTi-5 para Grau 5. Para uma junta de Grau 2 com Grau 5, utilize ERTi-2 e siga o lado mais fraco, visto que a resistência da solda é limitada pela resistência do metal base de Grau 2.
A soldagem enfraquece o titânio de grau 5?
A soldagem reduz a ductilidade na zona de solda de Grau 5, e a estrutura soldada resultante é mais dura e menos resistente que o metal base. O tratamento térmico pós-soldagem restaura a ductilidade, alivia as tensões residuais e melhora o desempenho à fadiga, razão pela qual é especificado para soldas críticas de Grau 5.
O titânio de grau 5 precisa de tratamento térmico após a soldagem?
O aço de grau 5 geralmente requer tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) para soldas estruturais ou sujeitas à fadiga, pois a zona de solda, ao esfriar, torna-se mais dura e menos dúctil, apresentando tensões residuais. O aço de grau 2 geralmente não requer PWHT para serviços em ambientes corrosivos.
Que gás de proteção é necessário para soldagem TIG de titânio?
Utilize argônio de alta pureza, no mínimo 99.995% e idealmente 99.999%. O titânio requer proteção da tocha, uma proteção posterior à solda e purga reversa da raiz da solda, com o fluxo de gás continuando até que o metal esfrie abaixo de aproximadamente 425°C.
Por que uma solda de titânio fica azul?
Uma solda azul, roxa ou cinza significa que a proteção falhou e o metal quente absorveu oxigênio ou nitrogênio. Uma solda prateada brilhante ou amarelo-palha claro indica proteção adequada. Contaminação azul escura, roxa, cinza ou branca deve ser removida e a solda refeita.
A soldagem de aço de grau 2 é diferente da soldagem de aço de grau 5?
A configuração de proteção é a mesma, mas o controle é diferente. O grau 2 permite uma janela de operação mais ampla, com maior tolerância a variações de calor e proteção. O grau 5 exige um controle de temperatura entre passes mais baixo, proteção mais rigorosa e, geralmente, tratamento térmico pós-soldagem.
O aço inoxidável pode substituir o titânio soldado em ambientes corrosivos?
Muitas vezes sim. Para aplicações com cloretos e produtos químicos, onde o custo adicional do titânio é difícil de justificar, o aço inoxidável 316L é muito mais fácil de soldar e custa bem menos. Quando o titânio é escolhido por sua leveza, resistência à fadiga ou imunidade a determinados agentes, nenhum tipo de aço inoxidável o substitui completamente.
Conclusão
A soldagem de titânio grau 2 versus grau 5 se resume ao controle, não à capacidade. Ambos os graus podem ser soldados, mas o grau 2 é mais tolerante e adequado para uso em campo, enquanto o grau 5 oferece alta resistência apenas com proteção rigorosa, aporte térmico controlado e, geralmente, tratamento térmico pós-soldagem.
A conclusão prática é simples. Use aço de grau 2 com metal de adição ERTi-2 quando a resistência à corrosão, a conformabilidade e a facilidade de fabricação forem os fatores determinantes do projeto. Use aço de grau 5 com metal de adição ERTi-5 e um procedimento de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) qualificado quando a resistência e a vida útil à fadiga justificarem o esforço adicional. Ao soldar os dois materiais, priorize o lado mais frágil e utilize o metal de adição ERTi-2.
Para obter ajuda na seleção do material e do procedimento de soldagem adequados para o seu projeto, entre em contato com a LIANYUNGANG DAPU METAL para orientações sobre a seleção de materiais ou solicite um orçamento.
