なぜチタンは溶接するのが難しいのか
チタン合金は、高強度、腐食抵抗、軽量特性により、航空宇宙、海洋工学、生物医学などの畑でかけがえのない位置を保持しています。しかし、「未来の金属」と称賛されたこの資料は、長い間溶接の「技術的なノーゴーゾーン」と見なされてきました。溶接されたジョイントは脆弱性が生じ、亀裂が非常に感受性が高く、高品質の溶接には真空環境が必要です。チタンの溶接の難しさは、そのユニークな物理的および化学的特性と冶金反応特性に由来しており、プロセスの課題の複雑なウェブを作成するために絡み合っています。
高温での「化学嵐」
室温でチタンの表面に形成される密な酸化物膜（Tio₂）は、優れた腐食抵抗をもたらしますが、溶接温度が高い場合に危険の源になります。温度が600度を超えると、チタンの化学活性は劇的に増加し、酸素、窒素、および空気中の水素と激しく反応します。
酸化的汚染：800度を超えると、チタンへの酸素の溶解度は指数関数的に増加し、数ミクロンの厚さの脆性酸化物層を形成します。この酸化物層は、溶接の靭性を大幅に低下させます。酸素含有量が臨界値を超えると、衝撃の靭性が50％以上急落し、サービス中のジョイントの予測不可能な骨折になります。
水素抱負リスク：空気中の水分と溶接線の表面上の油は、高温で分解して水素を生成します。水素原子はチタン格子を浸透させ、針型の水素化物（Tih₂）を形成します。これらの水素化物は、「遅延した脆性」を引き起こす可能性があります。つまり、低温では、ストレスが最小限に及ぶため、関節が突然骨折する可能性があります。水素抱合は、特に生物医学インプラントなどの非常に高い信頼性を必要とするアプリケーションでは、絶対的なタブーです。
ニトリッドembritlement：温度が700度を超えると、チタンは窒素と反応して窒素チタン（TIN）を形成します。この硬くて脆性相は、溶接の延性を大幅に低下させます。チタン合金と鋼の異なる溶接では、ニトリッドは、酸化汚染の重症度を超えて、関節の腹立に寄与する主要な要因です。
この化学物質の嵐と戦うために、チタン溶接は「完全に囲まれた」保護戦略を採用する必要があります。シールド媒体として高純度の不活性ガス（アルゴンなど）を使用する必要があります。溶接中、溶接の両側はガスシールドによって保護する必要があります。高温溶接の二次酸化を防ぐために、溶接後にガスシャットオフが遅れます。ハイエンドの製造では、真空電子ビーム溶接が採用されているため、10 paの真空で溶接を完了して、ガス汚染から溶接を完全に分離します。
熱物理特性の「自然欠陥」
チタンの熱物理特性は、その溶接性と鋭い対立しています。
低熱伝導率：チタンの熱伝導率は、鋼の6分の1に過ぎません。溶接中の熱濃度により、散逸することが困難になり、局所的な過熱と熱に影響を受けたゾーン（HAZ）の拡大につながります。この熱濃度は、HAZの穀物を大幅に粗くし、関節の可塑性と靭性を減らします。不適切な冷却速度は、粗いwidmanstätten構造の形成にもつながり、関節の性能がさらに悪化する可能性があります。
高弾性率：チタンの弾性弾性率は鋼の半分に過ぎないため、同じ溶接応力の下で鋼の2倍の変形が発生します。この「柔らかくて丈夫な」特性により、溶接中にチタンが波状の変形を起こしやすくなります。特に、薄いプレートを溶接する場合。変形を制御するには、剛性固定や強制冷却などの補助測定が必要です。
位相変換感度：チタンは、882度の位相変換温度を持つ（六角形の密集）および（体中心の立方体）の2つの同種に存在します。溶接中、HAZは位相から相転換を受けます。過度に速いまたはゆっくりと冷却すると、酢酸マルテンサイトや粗いウィドマンスタッタナイトの形成など、構造的な異常につながり、関節の靭性が大幅に減少します。
これらの問題に対処するために、エンジニアは「パルスティグ溶接」技術を開発しました。このテクノロジーは、高周波パルス電流を使用して熱入力を制御し、溶接に細かく等軸の粒子構造をもたらします。さらに、「両面の同時のアルゴンシールド」プロセスが採用されており、溶接部の背面にドラッグシールドが配置され、400度を超える領域が常に不活性ガスによってシールドされ、酸化とニトリッドが防止されます。
異なる材料溶接の「禁止ゾーン」
他の金属（鋼、アルミニウム、銅など）でチタンを溶接することは、さらに複雑な課題をもたらします。
チタン鋼溶接：チタン中の鉄の固体溶解度は非常に低く、溶接中に界面で大量の硬く脆いフェティおよびフェチティ間の金属間化合物が大量に形成されます。これらの化合物は、チタンマトリックス（HV200-300）をはるかに超えるHV800-1000の硬度に達する可能性があり、関節の脆性骨折につながります。さらに、チタンと鋼の熱膨張係数は3倍に異なり、溶接中に有意な応力を生成し、関節障害のリスクをさらに高めます。
チタン - アルミニウム溶接：高温では、チタンとアルミニウムは、ティアルやチアルなどの金属間化合物を形成します。これらの化合物は非常に脆く、チタンとアルミニウムの熱伝導率は16倍異なり、溶接中の不均一な熱分布をもたらし、亀裂が発生しやすくなります。さらに、液体アルミニウムへの水素の溶解度は、固体アルミニウムの1000倍です。固化中、水素ガスが逃げ、毛穴を形成し、関節の性能が低下します。
チタン銅溶接：銅とチタンは、高温でのTi₂CUやTICUなどの金属間化合物を形成します。さらに、銅はチタンよりも融点が低いため、チタン側の融解が不十分な融解や溶接中の銅側の過熱に簡単につながる可能性があります。さらに、液体銅の水素溶解度の違いは、水素の毛穴を引き起こし、関節の緊張を軽減する可能性があります。
異なる溶接の限界を克服するために、エンジニアは「遷移層」テクノロジーを開発しました。これにより、金属間化合物の形成を阻害するために、チタンと異なる金属の間にバナジウムまたはニッケルの中間層が導入されます。さらに、真空拡散溶接や摩擦溶接などの固体状態溶接技術は、融解に関連する冶金の問題を回避し、原子拡散を介して接続を達成します。
プロセス制御の「精密ダンス」
チタン溶接は、プロセスパラメーターに非常に敏感です。
現在のコントロール：溶接電流は、プレートの厚さに応じて正確に調整する必要があります。電流が過剰になると粒の粗大化が発生しますが、電流が低すぎると浸透が不十分になります。パルスTIG溶接では、ベース電流とピーク電流の一致を最適化して、熱入力と溶接プールの形態. 2.溶接速度を制御する必要があります。溶接速度は、電流およびシールドガス流量と組み合わせて制御する必要があります。過度の速度は多孔性を容易に引き起こす可能性がありますが、速度が遅すぎると熱に影響を受けるゾーンが拡大する可能性があります。レーザー溶接では、スポットの直径とパルス周波数を調整することにより、熱入力を制御する必要があります。
グルーブデザイン：チタン溶接には、鋭いV字型の溝が必要です。鈍いエッジは、金属が輝くまで、ステンレス鋼線ブラシで厳密に制御し、洗浄する必要があります。酸化物層または油の汚れは溶接汚染を引き起こすため、溶接前にアセトンまたは無水アルコールで最終的にきれいになります。
環境統制：低湿度環境ではチタン溶接を行う必要があり、水素細孔の形成を防ぐために相対湿度は60％未満に保たれます。自動溶接には、密閉室と乾燥した不活性ガスの流れが必要で、絶対に清潔な溶接環境を確保します。
チタン溶接の課題は、そのアプリケーションを長い間妨げてきました。しかし、材料科学と溶接技術の進歩により、エンジニアは、真空電子ビーム溶接、レーザー溶接、パルスティグ溶接などの高度なプロセスなど、さまざまなソリューションを開発しました。これらのプロセスは、インテリジェント制御システムと組み合わせて、経験豊富な溶接機の経験のみに依存して、パラメトリック制御の正確な制御に依存するチタン溶接をシフトしました。
