ESTUDOS PARAMÉTRICOS NA SOLDAGEM DE TITÂNIO COM LASER CO 2

ESTUDOS PARAMÉTRICOS NA SOLDAGEM DE TITÂNIO COM LASER CO

Aleir Antonio Fontana De Paris DEM - CT – UFSM

Campus Universitário Camobi 97105-900 Santa Maria, RS E-mail: aparis@ct.ufsm.br

Resumo. O titânio é empregado para a fabricação de vários tipos de peças e componentes para indústria mecânica, médica e esportiva. A principal característica além da baixa densidade, é a sua excelente resistência aos meios naturais, principalmente água do mar, e numerosos produtos químicos, em particular aqueles que contém cloro. Procurando ampliar este grau de utilização, principalmente na forma de peças soldadas, alguns estudos paramétricos utilizando laser CO2 na soldagem de titânio puro foram efetuados. Os principais parâmetros foram a velocidade de soldagem e a focalização do feixe laser com relação à superfície da peça. Em função disto obteve- se cordões de penetração variável com a presença de defeitos do tipo mordedura em alguns casos.

A potência do feixe laser mostrou ser de grande importância no grau de fusão e aumento da penetração. Os cordões não apresentaram zona termicamente afetada e a dureza aumentou em função da mudança microestrutural das soldas.

Palavras-chave: titânio, solda laser CO2, parâmetros.

1. INTRODUÇÃO

O titânio comercialmente puro é normalmente mais utilizado que suas ligas para aplicações contra corrosão, especialmente quando alta resistência não é requerida (Welding Handbook, 1998).

O titânio existe em duas formas cristalográficas. Na temperatura ambiente o titânio puro é do tipo hexagonal compacto com uma fase do tipo α. A 883ºC, transforma-se em cúbico de corpo centrado (CCC) e tem uma estrutura tipo fase β. O titânio tem excelentes propriedades de resistência à corrosão, baixa densidade (Ti = 4,5 , Fe = 7,8 , Al 2,7) e sobretudo uma biocompatibilidade muito superior a dos outros metais . Suas aplicações variam desde próteses, odontologia, turboreatores, turbinas a gás, tubulações de trocadores de calor, entre outros, além de ser amagnético.

O titânio apresenta, em temperatura elevada, uma grande afinidade para o oxigênio, nitrogênio, carbono e hidrogênio. Portanto, deve-se levar em consideração estas características essenciais na elaboração e as transformações do metal.

A solubilidade do O2 no titânio α, na temperatura ambiente, é aproximadamente 14% em peso.

Com o aumento da temperatura a taxa de reação torna-se mais rápida e o oxigênio que formou o óxido na superfície é rapidamente dissolvido para o interior da peça. Esta ação resulta em uma superfície multicamadas, consistindo de óxido de titânio na camada mais externa, que forma a coloração, uma camada endurecida (potencialmente frágil) e uma camada mais interna enriquecida em oxigênio, Figura 1 (Talkington et al, 2000; Sammons, 2002). A excessiva oxidação pode degradar a resistência da solda tanto à fadiga como a tenacidade à fratura, além de aumentar a dureza. Em alguns casos podem ocorrer trincas no cordão.

Figura 1. Camadas superficiais de titânio expostas ao ar em altas temperaturas

O titânio pode ser soldado praticamente com todos os processos clássicos (MIG, TIG, Laser, Feixe de Elétrons, etc) (Titane, 2000). Com o emprego de soldagem laser CO₂, feixe de elétrons e TIG (Yunlian et al, 2000) encontrou-se que a menor taxa de deformação e cordão mais estreitos foi obtido com o processo laser. A limpeza e desengraxamento das superfícies devem ser realizadas com cuidado para evitar a presença de elementos contaminantes que poderiam ser fontes de O2, H2, C, N2. Este critério de limpeza foi testado (Denney e Metzbower, 1989), e não foram achadas diferenças acentuadas utilizando duas metodologias. Primeiro, as amostras foram limpas com acetona seguido de ataque com 3% HF-HNO3, posteriormente lavadas com H2O destilada e finalmente secas com gás N2. Outra técnica foi a limpeza das peças com acetona, lavadas em H2O destilada e secas com gás N2.

O emprego do processo Laser vem sendo intensificado devido às altas velocidades permitidas para a soldagem e as qualidades das soldas obtidas, quase ou isentas de ZAC. A alta densidade de energia e um baixo aporte térmico são características do processo. Entretanto, o resfriamento e solidificação rápidos associados com estas características afetam a microestrutura e as propriedades da solda (Denney e Metzbower, 1989).

A aplicação do processo laser tipo CO2 ou Nd:YAG foi bastante utilizado em ligas de titânio, principalmente Ti6Al4V (Li and Gobbi, 1997; Li et al, 1997; Harwig et al, 2000), não se encontrando muitos trabalhos para o titânio puro.

O objetivo deste trabalho é estudar as propriedades da geometria e dureza de cordões de solda em Ti de alta pureza na soldagem Laser CO2.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O titânio empregado nos experimentos foi o T40 (ASTM B265 Grau 2), de alta pureza, com a composição química especificada na Tabela 1.

Tabela 1. Composição química do titânio T40

Composição química Particularidade

Tipo O Fe H C N Ti

ASTM B265 – 2 < 0,25 < 0,20 < 0,015 < 0,10 < 0,03 Balanço

Excelente resistência à corrosão

O laser utilizado foi um modelo CILAS CI-4000, tipo CO2 com 4 kW de potência máxima, operando em modo contínuo. A Figura 2 mostra de forma esquemática o equipamento laser empregado nos experimentos. Os parâmetros utilizados na soldagem foram potência interna medida de 1152 W (20 mA), 1287 W (22 mA) e 1470 W (24 mA), com uma perda no caminho ótico de 6 a 10% o que reduz o valor que atinge a peça.

Exposição ao ar ou oxigênio em altas temperaturas

Titânio de base

Camada enriquecida com oxigênio Subcamada α

Óxido de titânio Ti02 (rutilo)

Figura 2. Esquema da instalação do sistema laser CO2.

Os cordões de solda tipo “bead-on-plate” foram executados sobre uma chapa de titânio com espessura de 3,0 mm. As velocidades escolhidas para os ensaios foram de 100 mm/min e 150 mm/min. Como gás de proteção foi empregado argônio de pureza comercial com vazão de 13,5 l/min. Antes da soldagem, foi feita uma limpeza com acetona seguido de secagem com argônio seco sob pressão.

A focalização do feixe laser sobre a peça foi de + 0, + 5 e + 10 mm acima da superfície como mostra a Figura 3.

A dureza foi verificada empregando um durometro marca Shimadzu modelo HMV-2, com carga de 200 gramas e tempo de aplicação 10 s.

A Tabela 2, mostra a denominação das amostras e os parâmetros utilizados.

Figura 3. Posição do feixe laser: no foco 0, desfocado em + 5 mm e + 10 mm.

Tabela 2 – Nomenclatura dos cordões de solda e parâmetros empregados.

Cordão Potência kW

Velocidade de soldagem, mm/min

Focalização, mm

A1 1,152 100 + 10

A2 1,152 100 + 5

A3 1,152 100 0

A4 1,287 100 + 5

A5 1,470 100 + 10

A6 1,287 100 + 10

A7 1,470 100 + 5

A8 1,470 100 0

A9 1,287 100 0

A10 1,152 150 0

A11 1,152 150 + 5

A12 1,152 150 + 10

Entrada do gás

laser

Espelho de reenvio (Mo)

Lente Gás de

proteção

Peça Caminho

ótico Cavidade

Medida de potência Lâmina

escamoteável

Lente

0 + 5 + 10

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 4 mostra alguns cordões de solda obtidos sobre a chapa de Ti puro. Na seqüência de A1

até A8, vê-se o aspecto e a coloração superficial dos mesmos. A coloração apresentada é de grande importância na determinação do grau de oxidação durante a soldagem de titânio.

10 mm

Figura 4. Aspecto superficial e coloração dos cordões de solda feitos com laser CO2 em titânio.

Baseados nos estudos apresentados de coloração, na bibliografia citada na introdução, verifica- se que os cordões de solda realizados foram de boa qualidade mostrando que houve uma proteção adequada do gás com a vazão empregada, em função das cores obtidas nos cordões de teste.

A Figura 5 mostra a penetração dos cordões de solda obtidos em função da desfocalização do feixe laser com relação à superfície da peça e velocidades de 100 e 150 mm/min.

Figura 5. Penetração das soldas em função de desfocalização do laser, potências e velocidades empregadas nos experimentos.

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

0 + 5 + 10

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0

Focalização do laser, mm

Penetração do cordão, mm

Potência 1,15 kW 1,28 kW 1,47 kW 3,0

v = 100 mm/min v = 150 mm/min

Como esperado, a desfocalização do laser bem como o aumento de velocidade ocasiona uma diminuição na penetração pela redução da densidade de energia incidente na superfície das peças. A variação acentuada em função do ponto focal (zero), está de acordo com os resultados obtidos na soldagem de titânio puro com laser Nd:YAG (Liu et al, 2002). Para o laser focalizado, nota-se um aumento do volume central do metal do cordão de solda e a presença de mordeduras no cordão. A penetração com o laser focalizado é acentuada, mostrando que as soldas no ponto focal recebem uma maior concentração de energia. As Figuras 6 e 7 mostram algumas macroestruturas mais relevantes. Com relação à largura do cordão, empregando o laser desfocalizado de + 5 e +10 mm, não houve mudanças significativas, com resultados contrários aos já pesquisados (De Paris, 1992).

Provavelmente, isto ocorreu devido a uma absorção diferente do titânio ao comprimento de onda de 10,6 µm do laser CO2.

Figura 6. Macroestrutura do cordão de solda A8 (P = 1,47 kW, d = 0, v = 100 mm/min). Penetração total e presença de mordeduras no cordão de solda.

Figura 7. Macroestrutura dos cordões de solda, da esquerda para direita, amostras A5 (P = 1,47 kW, d = +10, v = 100 mm/min), A₄ (P = 1,28 kW, d = + 5, v = 100 mm/min), A₃ (P = 1,15 kW, d = 0, v = 100 mm/min), A2 (P = 1,15 kW, d = + 5, v = 100 mm/min), A1 (P = 1,15, d = + 10, v = 100 mm/min).

A microestrutura do cordão de solda, Figura 8, obtida da amostra A5 (P = 1,47 kW, d = +10 e v

= 100 mm/min) mostra uma matriz α acicular fina (fase β transformada). Estes resultados estão de acordo com os encontrados na literatura (Yunlian et al, 2000). A formação dos grãos aciculares seria devido ao rápido resfriamento da solda no processo laser.

1,0 mm 1,0 mm

Figura 8. Microestrutura da solda laser CO2 de titânio puro.

Na Figura 9 encontra-se o perfil de dureza ao longo da seção transversal do cordão de solda A5. A dureza aumenta no cordão de solda com relação ao metal de base, devido a concentrações de tensões e mudança microestrutural. A medida de dureza apresentada na figura para um cordão de solda é representativa para todos os outros já que as medidas efetuadas não mostraram variações entre os cordões.

Figura 9. Microdureza Vickers ao longo da seção transversal do cordão de solda da amostra A5.

4. CONCLUSÕES

Pela análise dos resultados obtidos, verifica-se que a soldagem de titânio de alta pureza é bem sucedida com o processo laser CO2. Uma proteção gasosa é imperativa para evitar a absorção de oxigênio já que o metal é altamente reativo. Com as potências e velocidades empregadas nos experimentos, obtiveram-se cordões de boa qualidade sem a presença de porosidades e com uma coloração dentro de padrões aceitáveis de qualidade. Com as amostras situadas no ponto focal, a penetração foi acentuada, atingindo toda a espessura da peça para a potência mais elevada. No entanto, a presença de mordeduras foi notada. A desfocalização do feixe laser diminui acentuadamente a penetração das soldas. A dureza do cordão de solda aumenta devido a mudanças

50 µm

150 200

100

0,5 1 1,5 2,0 2,5

Dureza Vickers, HV0,2

Distância, mm

P = 1,47 kW d = + 10 v = 100 mm/min

microestruturais sofridas durante a fusão e solidificação. Novos estudos para determinar parâmetros melhores de soldagem deverão ser efetuados, principalmente para evitar a formação de mordeduras.

5. REFERÊNCIAS

De Paris, A.A.F., 1992, “Assemblage de céramiques du type oxyde para faisceau laser”, Tese de Doutorado, INSA, Lyon, França.

Denney, P.E. ; Metzbower, E.A., 1989, “Laser beam welding of titanium”, Welding Journal, V. 79, No. 8, pp. 342s-346s.

Haarwig, D.D. ; Fountain, C. ; Ittiwattana, W. ; Castener, H., 2000, “Oxygen equivalent effects on the mechanical properties of titanium welds”, Welding Journal, V. 79, No. 11, pp. 305s-316s.

Li, Z. ; Gobbi, S.L., 1997, “Laser welding for lightweigth structures”, Journal of Materials Processing Technology, V. 70, pp. 137-144.

Li, Z. ; Gobbi, S.L. ; Norris, I. ; Zolotovsky, S. ; Richter, K.H., 1997, “Laser welding techniques for titanium alloy sheet”, Journal of Materials Processing Technology, V. 65, pp. 203-208.

Liu, J. ; Watanabe, I. ; Yoshida, K. ; Atsuta, M., 2002, “Joint strength of laser-welded titanium”, Dental Materials, V. 18, pp. 143-148.

Sammons, M., 2002, “Navy upgrades ship’s piping’”, Welding Journal, V. 81, No. 6, pp. 31-33.

Talkington, J. ; Harwig, D. ; Castener, H. ; Mitchell, G., 2000, “Development of titanium weld color inspection tools”, Welding Journal, V. 79, No. 3, pp. 35-38.

Welding Handbook, 1998, “Materials and Application- Part2”, V. 4, 8ª ed, Ed. AWS (American Welding Society), Miami, USA, 619 p.

www.titane.asso.Fr, 2000.

Yunlian, Q. ; Ju, D. ; Quan, H. ; Liying, Z., 2000, “Electron beam welding, laser beam welding and gas tungsten arc welding of titanium sheet”, Materials Science and Engineering, A280, pp. 177- 181.

PARAMETRIC STUDIES IN TITANIUM WELDING WITH LASER CO2

Aleir Antonio Fontana De Paris Federal University of Santa Maria Campus Universitário Camobi 97105-900 Santa Maria, RS, Brazil E-mail: aparis@ct.ufsm.br

Abstract. The titanium is used for the production of several types of pieces and components for mechanical industry, medical and sporting. The main characteristic besides the low density, is its excellent resistance to the natural ways, mainly sea water, and numerous chemical products, in particular those that contains chlorine. Trying to enlarge this use degree, mainly in the form of welded pieces, some parametric studies using laser CO2 in the welding of pure titanium was made.

The main parameters went welding speed and the focusing of the laser beam with relationship to the surface of the piece. In function of this beads were obtained of variable penetration with the presence of undercutting in some cases. The power beam laser showed to be of great importance in the melting degree and increase of the penetration. The weld bead didn't present thermal affected zone and the hardness increased in function of the microstructure change of the welds.

Keywords: titanium, CO2 laser weld, parameters.