Tecnologie per la saldatura del titanio.

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1 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio. Lavorazione tramite tecnologie per la saldatura di materiali al titanio.

2 02 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio Tecnologie per la saldatura del titanio. Lavorazione tramite tecnologie per la saldatura di materiali al titanio. La lavorazione di materiali al titanio mediante tecnologie di saldatura può essere effettuata senza particolari difficoltà, a condizione che vengano adottate adeguate misure tecniche capaci di tenere conto delle specifiche caratteristiche metallurgiche. I materiali al titanio sono caratterizzati da una combinazione di proprietà eccellenti grazie alle quali, nel tempo, hanno conosciuto un importante espansione del loro campo di applicazione, in particolar modo in quei settori che mettono in primo piano il rapporto resistenza-densità o una buona resistenza alla corrosione. Per lo svolgimento di questo tipo di lavorazione occorre considerare il comportamento altamente reattivo ad alte temperature. Nell ambito dei processi descritti occorre assolutamente evitare l assorbimento di gas presenti nell atmosfera o nelle impurezze, onde evitare peggioramenti delle proprietà, se non addirittura la totale inutilizzabilità dei materiali. I lavori di saldatura devono essere pertanto effettuati utilizzando adeguati dispositivi di protezione, sotto vuoto o in ambienti chiusi con gas protettivo ad alta purezza, quale argon o elio. Con un peso dello 0,44 %, il titanio è un elemento relativamente abbondante nella crosta terrestre e dopo il magnesio, che ne costituisce il 2,1 %, si colloca al nono posto tra tutti gli elementi chimici. Tra i metalli in uso sono maggiormente presenti soltanto l alluminio e il ferro. L estrazione del titanio risulta tuttavia difficile a causa della sua presenza ampiamente distribuita e scarsamente concentrata. Allo stato puro il titanio si presenta come un metallo di colore argenteo e lucente e integra molte caratteristiche importanti quali: elevata resistenza meccanica, peso specifico ridotto, basso coefficiente di dilatazione termica, elevato punto di fusione e resistenza alla corrosione rispetto agli acidi e ai basici. Estrazione e preparazione Il titanio viene prodotto utilizzando il biossido di titanio (TiO₂) che viene ottenuto dal rutilo (TiO₂ Immagine 1) o dall ilmenite (FeTiO₃). Dato che il biossido di titanio è difficile da ridurre, in una fase successiva viene trattato con cloro gassoso a temperature di circa C per trasformare il minerale in tetracloruro di titanio (TiCl₄) che, mediante magnesio a circa C, può essere ridotto a metallo in atmosfera argon pervenendo così a un prodotto finemente distribuito (spugna di titanio) che, in atmosfera di gas inerti, può essere a sua volta fuso in blocchi compatti. Immagine 1: Cristallo di rutilo Tramite riciclaggio è possibile recuperare una considerevole parte del titanio. Durante la produzione dei blocchi grezzi e dei semilavorati, circa un quarto del peso operativo risulta infatti residuo di produzione mentre, in speciale modo durante la lavorazione ad asportazione di truciolo, fino al 90 % del materiale pieno risulta scarto truciolare. Trasformazione in semilavorato I blocchi di titanio vengono dapprima deformati a caldo presso impianti di forgiatura o laminazione, laddove per il comportamento di deformazione e per i necessari trattamenti a caldo si applicano gli stessi metodi utilizzati per altri metalli nel settore della metallurgia. Le lamiere grezze vengono per lo più formate su laminatoi duo, mentre le lamiere e i nastri laminati a freddo su laminatoi quarto. Le superfici devono essere trattate meccanicamente e chimicamente prima e dopo la laminazione. In modo analogo viene effettuata la produzione di barre e fili, tramite laminatura a caldo in calibri aperti (pre-laminazione) e infine in laminatoi continui. I fili più sottili vengono prodotti tramite trafilatura a freddo. Come per gli altri metalli, l impostazione dei tempi e delle temperature per il trattamento a caldo del titanio varia a seconda del grado di formatura, delle dimensioni dei pezzi lavorati e delle proprietà finali perseguite. Si applicano i seguenti valori di riferimento:

3 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio 03 ASTM Gradi Denominazione Contenuto max. di lega in % Contenuto medio in % Altri elementi Fe O₂ N₂ C H₂ Pd Al V 1 Ti1 0,200 0,180 0,030 0,080 0,015 2 Ti2 0,300 0,250 0,030 0,080 0,015 3 Ti3 0,300 0,350 0,050 0,080 0,015 4 Ti4 0,500 0,400 0,050 0,080 0,015 5 Ti-6Al-4V 0,400 0,200 0,050 0,080 0,015 6,10 4,00 6 Ti-5Al-2.5Sn 0,500 0,200 0,030 0,080 0,015 5,00 2,5 Sn 7 Ti-0.2Pd 0,300 0,250 0,030 0,080 0,015 0,18 9 Ti-3Al-2.5V 0,250 0,150 0,030 0,080 0,015 3,00 2,50 11 Ti-0.2Pd 0,200 0,180 0,030 0,080 0,015 0,18 12 Ti-0.3Mo-0.8Ni 0,300 0,250 0,030 0,080 0,015 0,3 Mo 0,75 Ni 16 Ti-0.05Pd 0,300 0,250 0,030 0,080 0,015 0,06 18 Ti-3Al-2.5V-0.05Pd 0,250 0,150 0,030 0,080 0,015 0,06 3,00 2,50 19 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo 0,300 0,120 0,030 0,050 0,020 3,50 8,00 4,0 Mo 6,0 Cr 4,0 Zr 20 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-0.05Pd 0,300 0,120 0,030 0,050 0,020 0,06 3,50 8,00 4,0 Mo 6,0 Cr 4,0 Zr 21 Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si 0,400 0,170 0,030 0,050 0,015 3,00 15,0 Mo 2,7 Nb 0,2 Si 22 Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si-0.05Pd 0,050 0,040 0,050 0,150 0,015 0,06 3,00 15,0 Mo 2,7 Nb 0,2 Si 23 Ti-6Al-4V ELI 0,250 0,130 0,030 0,080 0,013 6,00 4,00 24 Ti-6Al-4V-0.05Pb 0,400 0,200 0,050 0,080 0,015 0,06 6,10 4,00 26 Ti-0.1Ru 0,100 0,300 0,030 0,250 1,150 0,11 Ru 27 Ti-0.1Ru 0,100 0,020 0,030 0,180 0,015 0,11 Ru 28 Ti-3 Al-2.5V-0.1Ru 0,250 0,165 0,030 0,080 0,015 0,11 Ru 29 Ti-6Al-4V-0.1Ru 0,250 0,030 0,080 0,080 0,013 0,11 Ru Ti-8Al-1Mo-1V 0,300 0,120 0,050 0,080 0,015 7,85 1,00 1,0 Mo 0,005 Y Ti-2.5Cu 0,200 0,200 0,050 0,100 0,010 2,5 Cu Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si 0,200 0,250 0,050 0,080 0,013 4,00 4,0 Mo 2,0 Sn 0,5 Si Ti-6Al-6V-2Sn-1Cu-1Fe 1,000 0,200 0,040 0,050 0,013 5,50 5,50 2,0 Sn Ti-13V-11Cr-3Al 0,350 0,170 0,050 0,050 0,025 3,00 13,50 11,0 Cr Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 0,250 0,130 0,050 0,050 0,015 3,00 15,00 3,0 Cr 3,0 Sn Tabella 1 Forgiatura e laminazione a caldo C Ricottura di cristallizzazione C Ricottura di distensione C Aspetti metallurgici La purezza e la struttura sono le proprietà meccaniche che contraddistinguono il titanio. Le impurezze agiscono negativamente per cui dovrebbero essere mantenute in misura ridotta, cosa non del tutto facile essendo il titanio molto reattivo a temperature elevate. In particolar modo con gli elementi non metallici a piccoli atomi si formano legami stabili i cosiddetti metalloidi che possono rendere estremamente fragile il materiale. A partire da 500 C circa, i gas quali ossigeno, azoto e idrogeno possono essere assorbiti, attenuando sensibilmente la durezza. I trattamenti di fusione e quelli a caldo devono pertanto essere in ogni caso effettuati sotto vuoto o in atmosfera di gas protettivo ad alta purezza e, prima dei trattamenti a caldo e della saldatura, occorre rimuovere accuratamente tutti i residui superficiali e le impurezze. La realizzazione di leghe con altri metalli migliora in modo duraturo le proprietà fisiche e meccaniche. Le leghe di titanio vengono distinte in base al tipo di fase cristallografica: Leghe alfa soltanto struttura reticolare esagonale, fase α Leghe beta soltanto fase β cubica a corpo centrato Leghe alfa-beta strutture di α e β Dal bagno di fusione a 1668 C il titanio puro si solidifica dapprima nella struttura reticolare cubica a corpo centrato β per poi passare alla fase α a struttura esagonale alla temperatura di 882 C. Con l aggiunta di elementi leganti, questo punto di trasformazione può essere spostato: alluminio, ossigeno, azoto, carbonio e boro realizzano una stabilizzazione α. La maggior parte degli elementi leganti, quali cromo, vanadio, molibdeno, ferro, nichel, palladio, tantalio e silicio spostano la trasformazione a temperature più basse ed espandono così l ambito β per cui la fase β può essere stabile fino alla temperatura ambiente. A seconda del tipo di lega, quindi, possono avere luogo le modifiche α, α + β e β. Le condizioni di raffreddamento influiscono sulla stabilità della modifica β, per cui processi di trasformazione imprevisti possono dare luogo a fenomeni di infragilimento, ad esempio durante la saldatura.

4 04 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio La tabella 1 mostra un riepilogo di importanti materiali al titanio, incluse le analisi degli elementi leganti caratteristici conformi ASTM e al Manuale di Aviazione Tedesca. La tabella 2 mostra un confronto delle proprietà fisiche con altri materiali da costruzione metallici. Il coefficiente di dilatazione termica del titanio è relativamente basso per cui dopo la saldatura e la distorsione si possono prevedere tensioni residue ridotte. L ultima colonna mostra che il rapporto di limite elastico e densità, e quindi il potenziale di leggerezza, del titanio rispetto ad altri materiali metallici è il più elevato. Settori d impiego A causa degli elevati costi di produzione, il titanio e le sue leghe vengono utilizzati in contesti dove le loro speciali caratteristiche, quali il rapporto favorevole limite elastico-densità o l elevata resistenza alla corrosione determinano il profilo dei requisiti richiesti al materiale. Immagine 2: Impianto di Ti-6Al-4V (INOX-Schweisstechnik Zug) Materiali a base di titanio Per migliorare le caratteristiche del titanio puro, vengono considerati e utilizzati numerosi elementi leganti e le loro combinazioni. Oltre agli elementi metallici quali alluminio, molibdeno, vanadio, nichel, niobio, zircone, palladio e ferro, come elementi leganti vengono utilizzati anche non metalli quali carbonio e silicio o anche ossigeno. Una lega universale è il Ti-6Al-4V che con un limite elastico di 800 N/mm² e una resistenza alla trazione di oltre 1000 N/mm² presenta un eccellente idoneità alla saldatura. I principali settori di impiego sono rappresentati nella tabella 3. Negli ultimi anni, il consumo totale ha fatto registrare un aumento continuo ed è al momento stimato su tonnellate a livello mondiale. Con tonnellate circa, l industria aeronautica detiene la quota maggiore: il peso dei moderni aerei passeggeri a lungo raggio è costituito anche fino all 8 % di materiali al titanio, valore che sale addirittura al 35 % del peso a vuoto degli aeri militari. Densità r (10³ g / mm³) Modulo di elasticità E (10³ N / mm²) Limite elastico 0,2 % R p ₀₂ (N/ mm²) Conducibilità termica l (W / mk) Coefficiente di dilatazione termica a (10 ⁶/ K) Limite elastico/ densità R p ₀₂ / r (10 ³ Nmm / g) Titanio in forma pura 4, , Materiali di titanio 4,10 5, ,5 10, Acciai da costruzione generici 7, , Acciaio inossidabile con il 7, , % Cr, 8 % Ni Leghe a base di nichel 8,20 8, ,4 14, Metalli a base di alluminio 2,60 2, ,0 24, Leghe di rame 7,90 8, ,2 20, Tabella 2

5 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio 05 Settori Applicazioni Industria aerea e missilistica Parti dei carrelli retrattili, rivestimenti, strutture portanti, serbatoi del carburante, condotte degli impianti di climatizzazione, guarnizioni Impiantistica chimica Condutture, scambiatori di calore, contenitori, pompe Industria meccanica di precisione Montature di occhiali, orologi, gioielli Tecnologia medicale Viti ortopediche, articolazioni dell anca, impianti dentali, involucri per passmaker Articoli sportivi Racchette da tennis, da badminton e da golf, biciclette Impiantistica speciale Impianti di desalinizzazione, impianti di desolforazione dei gas di combustione, industria della carta e tessile Tabella 3 Il titanio nella lavorazione tramite le tecnologie di saldatura Allo stato fuso il titanio è molto liquido, per cui da un lato rende necessario controllare continuamente e con la massima attenzione il bagno di saldatura, dall altro risulta tuttavia anche una discagliatura del cordone di saldatura molto ridotta e fina. È stato già accennato che, a caldo, il titanio ha una elevata affinità con altri gas, quali ossigeno, azoto e idrogeno. L assorbimento di gas è particolarmente elevato nello stato di fusione liquida e ad esclusione dell idrogeno (punto di infiammabilità a 650 C) non può essere annullato. L assorbimento di gas dà luogo ad un evidente infragilimento del materiale, pregiudicando quindi l affidabilità del componente. La perdita di durezza è direttamente correlata ad un elevata resistenza alla trazione, tuttavia non utilizzabile a causa dell infragilimento. È da osservare che dopo il processo di solidificazione del bagno di fusione possono ancora verificarsi reazioni superficiali fino a circa 250 C e che i colori di rinvenimento sorti anche a basse temperature indicano un evidente assorbimento di gas prevalentemente ossigeno che può dare luogo ad un infragilimento del materiale. Durante la saldatura di materiali al titanio è assolutamente necessario lavorare sotto vuoto o in atmosfera di gas protettivo totale. In questo secondo caso conviene utilizzare gas protettivo ad elevata purezza. Di regola viene utilizzato argon con un grado di purezza di 4,8 (99,998 %) o più elevato e un punto di rugiada di massimo 50 C. Può essere utilizzato anche l elio ad elevata purezza. Dati gli elevati costi di produzione viene tuttavia impiegato soltanto in casi speciali. Immagine 4: Camera di protezione per la saldatura di metalli reattivi (RUAG Emmen) Con i cordoni di saldatura dritti, la protezione a gas può essere utilizzata sul lato superiore del cordone di saldatura tramite ugelli condotti a tiro e argini del gas protettivo in corrispondenza della radice mediante barre del gas protettivo perforate; nella maggior parte dei casi sono realizzazioni speciali. Per la congiunzione di molte parti geometricamente diverse o di forma complessa, si consiglia di saldare in una camera di protezione (immagine 4). Questa può essere realizzata come costruzione fissa o come tenda a gas protettivo. L aspetto importante dopo avere lasciato la camera, è assicurare sempre la presenza di una lieve sovrappressione, per evitare l entrata di aria. Immagine 3: Costruzione tubolare in Ti2 (INOX-Schweisstechnik Zug) Occorre inoltre osservare che le parti da saldare siano perfettamente pulite, onde evitare problemi con il cordone di saldatura, in particolare la presenza di pori. Prestare pertanto attenzione non soltanto allo sporco superficiale quale grasso o sostanze simili, bensì rimuovere completamente anche colori di rinvenimento e residui di ossido, poiché il bagno di fusione del titanio ad alte temperature scioglie anche il proprio ossido. Ciò vale naturalmente anche per il metallo d apporto che deve essere quindi manipolato soltanto con guanti di pelle puliti.

6 06 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio È ormai una pratica consolidata sbavare e infine decapare gli spigoli saldati dopo la lavorazione meccanica. Di regola, questa operazione viene effettuata con una soluzione acquosa costituita da acido nitrico (HNO₃) e dal 2 4 % di acido fluoridrico (HF) ad una temperatura di circa 60 C. Il lavaggio e l asciugatura finali sono due passaggi obbligatori. Immediatamente prima del processo di saldatura dovrebbe essere effettuata una pulizia conclusiva con acetone e etanolo; l utilizzo di solventi clorurati, quali il tricloroetano, può causare tensocorrosione, per cui è sconsigliato. Saldatura laser Negli ultimi anni, la tecnologia al laser per il taglio e la saldatura ha conosciuto una crescita esponenziale per cui, anche nella tecnologia della giunzione del titanio, la sostituzione della saldatura WIG a punto di resistenza e a rulli sembra essere ormai una questione di tempo. Oltre ai vantaggi tecnici quali cordone più stretto, zona di influenza Se le misure descritte vengono eseguite con la dovuta accuratezza, la saldatura del titanio può essere effettuata senza problemi o particolari difficoltà. Di seguito una breve spiegazione di alcune procedure rilevanti. Saldatura MIG Per i parametri odierni, la saldatura metallo-gas inerte non è consigliata, sebbene sotto il profilo economico-aziendale sarebbe auspicabile realizzare prestazioni di saldatura maggiori. Dal punto di vista tecnico sarebbe interessante la buona copribilità della luce. Fino a che sarà tuttavia necessario l uso di ugelli condotti a tiro estremamente lunghi, dovendo quindi fare i conti con schizzi di saldatura in misura inaccettabile, non è possibile pensare ad una svolta reale. Dall attuale punto di vista, alla domanda in che misura i lavori di sviluppo nel settore della tecnologia delle apparecchiature di saldatura e dei gas protettivi possano portare a soluzioni praticabili, non può essere data risposta. Immagine 6: Cordone di saldatura WIG urto a I (rettifica trasversale 4:1, EMPA-Dübendorf) termica minore e aspetto del cordone uniforme convincono anche gli aspetti di natura più strettamente economica grazie alle velocità di saldatura estremamente elevate. Rispetto al metodo WIG è quindi possibile aumentare la prestazione di saldatura di un fattore 100. Specialmente nel settore della costruzione aerea si prospetta un campo di applicazione interessante, ovvero la saldatura delle condotte degli impianti di climatizzazione in lega Ti2. Saldatura a fascio di elettroni I sistemi di saldatura a fascio di elettroni si contraddistinguono grazie ad un elevata densità del flusso di energia radiante per cui consentono di saldare pareti di spessore elevato come saldatura a I- e senza aggiunte. Per la saldatura di materiali al titanio, si osserva positivamente la possibilità di lavorare sotto vuoto e quindi al riparo da gas atmosferici. Gli intagli ai bordi che si verificano in alcuni casi e le curvature sul lato superiore e inferiore del cordone possono essere spesso eliminati tramite lisciatura successiva ad una potenza radiante ridotta. Dopo la saldatura a fascio di elettroni, le caratteristiche del materiale saldato sono particolarmente buone. Saldatura ad attrito Immagine 5: Saldatura WIG di Ti2 (INOX-Schweisstechnik Zug) Saldatura WIG La saldatura al wolframio a gas inerte (WIG) è una tecnica ormai consolidata per i materiali al titanio e universalmente utilizzabile. La saldatura viene effettuata a corrente continua ed elettrodo a polarità negativa. L immagine 6 9 mostra esempi di cordoni WIG. Come metallo d apporto viene generalmente utilizzato materiale dello stesso genere. La saldatura al plasma viene prevalentemente applicata in modo completamente meccanico e soltanto su pareti di spessore compreso tra i 2 e i 12 mm, principalmente nel settore della costruzione di turbine. La saldatura ad attrito dei materiali al titanio è ormai divenuta realtà nel settore della costruzione delle turbine, tanto più che il pericolo di assorbimento dei gas è soltanto marginale grazie alla breve durata del processo. Favorevole a questo proposito è anche il fatto che i residui di sporco presenti ovunque e le sfogliature provenienti dal centro del cordone vengono spinti nel bordo, da rimuovere dopo la saldatura, per limitare il pericolo della sensibilità ai solchi, generalmente elevata nei materiali al titanio. Tenendo conto delle frequenti sollecitazioni dinamiche e termiche, questo aspetto deve essere tenuto in seria considerazione. La saldatura ad attrito consente di combinare materiali a base di titanio con acciai austenitici inox o leghe di alluminio. La combinazione con altri metalli può dare luogo alla formazione di fasi intermetalliche fragili (ad es. con il Ni o il Cu), che anche in caso di solubilità totale (ad es. Mo) possono causare un aumento di durezza dovuto alla formazione di una soluzione solida e quindi ad un infragilimento. In questi casi occorre considerare metodi relativamente freddi, quali la saldatura a diffusione.

7 Numero speciale Tecnologie per la saldatura del titanio 07 Sintesi Immagine 7: Saldatura d angolo WIG su Ti-6Al-4V (RUAG Emmen) Grazie alle loro speciali caratteristiche, le leghe di titanio si sono ormai affermate come materiali moderni nel settore aerospaziale, per far fronte a sollecitazioni altamente corrosive, nonché nel campo medico e fanno registrare una continua crescita del loro impiego. Il titanio fa parte dei metalli sensibili ai gas per cui devono essere saldati in atmosfera di gas inerti purissimi, preferibilmente argon, o sotto vuoto. La pulizia delle parti da congiungere e del metallo d apporto è un aspetto estremamente importante. Osservando le regole descritte, il titanio può essere ritenuto un materiale ben saldabile. Bibliografia Schreiber, F. Verarbeitung von Sondermetallen Radex-Rundschau Fascicolo 1, 1992, Pagina Austria Immagine 8: Saldatura d angolo WIG su Ti-6Al-4V (RUAG Emmen) Ruge, J. Handbuch der Schweisstechnik Volume I: Materiali Springer Berlino 1980 Scheda tecnica DVS 2713 Schweissen von Titanwerkstoffen Edizioni DVS Düsseldorf 1987 Krüger, U. in: Fügen zukunftsweisender Werkstoffe Scritto sul VI Aachener Schweisstechnik-Kolloquium Pagina Aachen 1999 Immagine 9: Cordone a sovrapposizione WIG- su Ti-6Al-4V (RUAG Emmen) Trube, S. Schutzgasschweissen von A Z Schutzgase für Aluminium bis Zirkon Rapporto non pubblicato della Linde AG Höllriegelskreuth 1998 Saldatura sotto polvere La saldatura sotto polvere di materiali a base di titanio è un sistema ormai collaudato e viene effettuata con polveri sia con che senza fluoruro di sodio. Una buona copertura della polvere assicura una sufficiente protezione dai gas atmosferici.

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