Soldagem de Titânio e suas Ligas

As ligas monofásicas alfa possuem boa soldabilidade por causa de sua boa dutilidade. Operações de soldagem não introduzem muitas alterações nas propriedades mecânicas do metal recozido na chamada zona termicamente afetada (ZTA). Entretanto, a resistência mecânica do material trabalhado a frio na ZTA é reduzida pelo aquecimento associado à soldagem. Por este motivo estas ligas são geralmente soldadas na condição de material recozido. É recomendada a realização de tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldagem.

Por outro lado, a soldagem das ligas alfa-beta pode modificar significativamente sua resistência mecânica, sua dutilidade e sua tenacidade como resultado da exposição do material ao ciclo térmico de soldagem. A baixa dutilidade da maioria das soldas de ligas alfa-beta é causada por transformações de fase no metal d solda ou na ZTA, ou em ambas as regiões.

Estas ligas bifásicas podem ser soldadas com metais de adição de titânio comercialmente puro ou de ligas monofásicas alfa, de modo a produzir um metal de solda com baixo percentual de fase beta, o que melhora a dutilidade da junta soldada. Entretanto, este procedimento não resolve o problema de baixa dutilidade da ZTA em ligas que contêm elevados percentuais de elementos betágenos.

Entre as ligas bifásicas alfa-beta, a que apresenta melhor soldabilidade é a liga Ti-6Al-4V. Isso pode ser atribuído a dois fatores: primeiramente, à formação de uma martensita alfa linha que nesta liga não é tão dura e frágil como em outras ligas com maiores teores de elementos betágenos, como Ti-6Al-6V-2Sn, e também devido à endurecibilidade relativamente baixa da liga Ti-6Al-4V, que permite a formação de maiores proporções de uma microestrutura mais desejável como a estrutura de Widmanstätten da fase alfa junto com a fase beta retida, mesmo no caso de elevadas taxas de resfriamento após a soldagem.

Devido ao modo de solidificação da liga Ti-6Al-4V, que não apresenta formação de eutéticos de baixo ponto de fusão, esta liga é também altamente resistente ao trincamento na solidificação (liquação). Entretanto, a ocorrência de trincamento no estado sólido e a formação de porosidade podem ocorrer como conseqüência da soldagem.

Felizmente esses defeitos não são inerentes à liga Ti-6Al-4V, mas podem ocorrer devido a deficiências, que podem ser corrigidas, na limpeza pré-soldagem da peça que será soldada e na proteção da junta soldada contra a contaminação atmosférica.

Por outro lado, ligas bifásicas alfa-beta com elevados teores de elementos betágenos, como as ligas Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn apresentam soldabilidade limitadas, apresentando tendência ao trincamento quando soldadas em condições de restrições severas ou quando apresentam pequenos defeitos na zona de solda.

A resistência ao trincamento pode ser melhorada por um pré-aquecimento na faixa de 150 a 175 ºC e por um tratamento de alívio de tensões realizado imediatamente após a soldagem.

As ligas beta metaestáveis são suficientemente ricas em elementos betágenos (e pobres em elementos alfágenos) de modo a que a fase beta é totalmente retida em condições (taxas) de resfriamento adequadas. Estas ligas são metaestáveis e a precipitação de fase alfa é um método usado para endurecer estas ligas, que contêm pequenas adições de elementos alfágenos que atuam como agentes endurecedores.

De um modo geral as ligas metaestáveis beta apresentam maior tenacidade à fratura do que as ligas alfa-beta para um dado nível de resistência mecânica. Contudo, as ligas beta e beta metaestáveis necessitam de um rígido controle nas etapas de processamento e fabricação de modo a se obter propriedades otimizadas. No passado as ligas metaestáveis beta eram usadas em poucas aplicações, como molas e prendedores, nas quais se exige alta resistência mecânica. Recentemente, entretanto, estas ligas têm sido consideradas para aplicações nas quais suas características de tenacidade à fratura correspondem bem à necessidade crescente de resistir a danos impostos pelo uso em estruturas de aeronaves.

Adicionalmente, algumas ligas metaestáveis beta contendo molibdênio apresentam boa resistência à corrosão. Ligas metaestáveis beta também mostram: melhor conformabilidade à temperatura ambiente do que as ligas alfa-beta, resistência mecânica mais alta do que as ligas alfa-beta a temperaturas nas quais a resistência ao escoamento (e não à fluência) é o critério aplicável, e melhor resposta ao tratamento térmico (solubilização, resfriamento rápido e envelhecimento) em seções mais largas do que as ligas alfa-beta.

A maioria das ligas metaestáveis beta são soldáveis tanto na condição recozida quanto na condição termicamente tratada. Entre estas ligas estão a Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-3Al-2Fe e Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn. As juntas soldadas destas ligas apresentam boa dutilidade, porém resistência mecânica relativamente baixa na condição como soldada. Elas são usadas mais freqüentemente nesta condição, porque a resposta ao tratamento térmico da junta soldada é diferente da do metal base, e possui baixa dutilidade após o envelhecimento. O envelhecimento também pode ocorrer se as juntas soldadas são expostas a temperaturas relativamente elevadas em serviço.

O titânio apresenta elevada afinidade química com o oxigênio e uma camada de óxido estável tenaz se forma rapidamente numa superfície limpa, mesmo à temperatura ambiente. Essa passivação confere elevada resistência à corrosão. A afinidade do titânio pelo oxigênio aumenta com a temperatura, assim como a espessura da camada de óxido. Entretanto, acima de 500 ºC a resistência à oxidação diminui rapidamente e o titânio torna-se muito suscetível à fragilização pelo hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, que se dissolvem intersticialmente no titânio. Por este motivo, a fusão, a solidificação e o resfriamento no estado sólido, associados com a soldagem por fusão, devem ocorrer em ambientes completamente inertes ou em vácuo.

Os processos de soldagem por fusão mais utilizados para a junção do titânio são os processos TIG, MIG, soldagem por plasma, soldagem a laser e soldagem por feixe de elétrons. No caso dos processos a arco (TIG e MIG) e na soldagem a laser a zona de solda é protegida pela atmosfera de gás inerte. Já no caso da soldagem por feixe de elétrons deve ser realizada numa câmara de vácuo, que normalmente é mais efetiva na proteção da zona de solda do que a atmosfera inerte usada nos demais processos. Outro aspecto importante para evitar a contaminação é a limpeza dos metais de adição e de outros componentes. As tensões residuais decorrentes da soldagem, que afetam significativamente o desempenho de componentes soldados de titânio, devem ser minimizadas com a utilização de processos que permitam concentração de calor em regiões estreitas, soldagem autógena, o menor número de passes possível.

As ligas alfa-beta apresentam, após a soldagem por fusão, grãos colunares grosseiros resultantes da solidificação, que inicialmente se formam com fase beta em altas temperaturas. O tamanho e a morfologia desses grãos dependem da natureza do fluxo de calor que ocorre durante a solidificação subseqüente à soldagem. Em condições simples de fluxo de calor uniaxial os grãos de fase beta se nucleiam epitaxialmente a partir dos grãos de fase beta presentes no metal base do substrato e se solidificam preferencialmente numa direção paralela ao gradiente máximo de temperatura, ou seja, paralela aos eletrodos de soldagem, até se encontrarem numa linha de solda horizontal e central. Sob condições de fluxo de calor bidimensional com elevada penetração, como no caso dos processos de soldagem a laser, plasma e feixe de elétrons, os grãos colunares de fase beta solidificam a partir do interior do metal base numa direção praticamente paralela à superfície da chapa ou da placa, chegando finalmente a se encontrar com os grãos que crescem em sentido contrário, formando uma linha de solda central e vertical.

Por outro lado, condições de fluxo de calor tridimensional ou misto bidimensional/tridimensional, como ocorre na soldagem TIG e MIG multipasse, promovem a formação de grãos de fase beta multidirecionais com morfologia mais complexa. O tamanho de grão de fase beta na zona de fusão depende essencialmente do aporte térmico, que, sendo maior, resulta em grãos mais grosseiros.

Devido ao crescimento de grão epitaxial , o tamanho de grão de fase beta na zona de fusão pode depender também do tamanho de grão de fase beta na região da ZTA mais próxima à linha de fusão. Este efeito é mais significativo na soldagem de ligas fundidas ou recozidas para formar fase beta com grãos muito grosseiros, e quando acontece, evidentemente prejudica as propriedades mecânicas, principalmente a dutilidade. Como mencionado anteriormente na região da ZTA mais próxima à zona de fusão, na qual a temperatura pode atingir 995 º, portanto bem acima da temperatura de formação da fase beta (882 ºC, que é a chamada beta transus), ocorre crescimento de grão acentuado. Como no caso da zona de fusão, esse crescimento aumenta com a elevação do aporte térmico na zona de soldagem.

Conseqüentemente esta região de grãos grosseiros da ZTA pode variar em largura, sendo extremamente estreita, quase não observada, no caso de soldagem a laser ou com feixe de elétrons, e ainda assim tendo a largura de vários grãos de fase beta em soldas TIG. Em regiões mais afastadas da zona de fusão, atinge-se temperaturas abaixo da beta transus, que promovem a transformação de fase alfa na microestrutura trabalhada e recozida para várias proporções de fase beta de alta temperatura. A presença de pequenas quantidades de fase alfa nas temperaturas de pico de ciclo térmico de soldagem já é suficiente para evitar, ou minimizar, o crescimento de grão de fase beta, assim contribuindo para melhorar a dutilidade desta região quando comparada com a região de grãos grosseiros da ZTA próxima à zona de fusão.

Recentemente foram desenvolvidas novas técnicas para refinar o grão nas soldas de ligas de titânio, como agitação eletromagnética e inoculação com terras raras e partículas que aceleram o resfriamento da zona de fusão, de modo a promover a nucleação não epitaxial de grãos de fase beta durante a solidificação, e assim resultando numa microestrutura de zona de fusão com grãos refinados. Vários desses métodos têm se mostrado efetivos em refinar a microestrutura de grãos de fase beta, melhorando assim as propriedades mecânicas da zona de fusão. Apesar do sucesso dessas técnicas, particularmente no caso de chapas finas, seu uso ainda é muito limitado.

Além do efeito do tamanho de grão de fase beta prévia, as propriedades mecânicas da zona de solda da liga Ti-6Al-4V são muito influenciadas pelo modo em que ocorre a transformação da fase beta CCC de alta temperatura em fase alfa HCP de baixa temperatura. As características dessa microestrutura “beta-transformada” dependem principalmente da taxa de resfriamento a partir da alta temperatura do campo monofásico beta, a qual é influenciada pelo tipo de processo de soldagem, pelos parâmetros de processo de soldagem e outras condições de soldagem, como a geometria da peça e sua montagem para a operação de soldagem. Nas regiões próximas à ZTA, altas taxas de resfriamento, associadas a processos de baixo aporte térmico como soldagem a laser, soldagem com feixe de elétrons e soldagem por resistência (100 a 10.000 ºC/s), promovem a transformação de fase beta em fase alfa linha martensítica. Esta fase acicular extremamente fina apresentam alta resistência mecânica e dureza, porém baixa dutilidade e tenacidade.

No caso das taxas de resfriamento mais baixas associadas aos processos TIG ou soldagem a plasma (10 a 100 ºC/s), surge uma microestrutura de Widmanstätten mais grosseira de fase alfa com fase beta retida, ou uma mistura dessa microestrutura com a fase alfa linha, que apresenta tensão limite de ruptura e de escoamento superiores às encontradas para o metal base recozido e dutilidade e tenacidade superiores às encontradas para a microestrutura completamente martensítica. Na região mais distante da ZTA, a microestrutura é constituída de fase alfa primária que se origina de uma microestrutura de metal base numa matriz de fase beta transformada. A microestrutura da solda e suas propriedades mecânicas também podem ser influenciadas pelo tratamento térmico pós-soldagem, o qual pode apresentar efeitos específicos, dependendo do tempo de tratamento e da temperatura atingida, na microestrutura do material soldado.

A microestrutura da ZTA e da zona de fusão de grãos beta da solda de ligas de titânio metaestáveis beta são essencialmente semelhantes à encontrada nas ligas alfa-beta. Devido ao considerável teor de elementos betágenos e a difusividade relativamente baixa desses elementos nas ligas beta metaestáveis, a fase beta de alta temperatura é retida durante o resfriamento após a soldagem até a temperatura ambiente (embora possa ocorrer transformação atérmica para fase omega em algumas ligas). O tratamento térmico pós-soldagem subseqüente, em temperaturas da ordem de 450 a 650 ºC promove a precipitação de fase alfa em grãos finos, tanto intragranularmente como ao longo dos contornos da fase beta prévia.

Através de controle adequado da temperatura e do tempo de envelhecimento, pode ser obtida uma grande variedade de combinações de resistência mecânica e dutilidade no metal base e na zona de solda. A precipitação relativamente uniforme de fase alfa extremamente fina durante o envelhecimento em baixa temperatura (482 ºC por 24 horas), para o caso de zona de fusão de solda obtida pelo processo TIG de liga beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo), resulta em elevada dureza e resistência mecânica (resistência à tração da ordem de 1382 MPa) e baixa dutilidade (apenas 2,5 % de alongamento) na zona de fusão.

O aumento da temperatura de envelhecimento promove a precipitação de fase alfa mais grosseira, amolecimento (resistência à tração da ordem de 1121 MPa) e um aumento de dutilidade (alongamento de 8,0 %), como no caso da zona de fusão da mesma liga, soldada pelo mesmo processo, porém envelhecida a 593 ºC por 8 horas. Verifica-se que, ao contrário das ligas alfa-beta, a microssegregação residual da solidificação da solda pode influenciar a precipitação da fase alfa durante o envelhecimento, particularmente para o caso de tratamentos térmicos com baixas temperaturas de envelhecimento [5].