جوشکاری تیتانیوم
تیتانیوم عنصر شیمیائی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ti وعدد اتمی 22 است. تیتانیوم عنصری است نرم، سبک، نقره‌ای براق، درخشان و فلزی مقاوم در برابر فرسایش است و در آلیاژهای محکم و سبک و رنگدانه‌های سفید کاربرد دارد. این عنصر در مواد معدنی متعددی وجود دارد، ولی منابع اصلی آن، روتیل و ایلمنیت هستند. دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم بر اساس ساختار کریستالی آن آلیاژ در دمای محیط به سه دسته آلفا،بتا و آلفا، بتا تقسیم می شوند. تیتانیوم دارای تمایل شیمیایی زیادی به اکسیژن است و یک لایه اکسیدی پایدار و چسبنده به­ سرعت روی یک سطح تمیز حتی در دمای اتاق تشکیل می­ شود. این رفتار منجر به تشکیل یک رفتار غیرفعال­شدگی طبیعی می­ شود که موجب میزان بالایی مقاومت به خوردگی می­ گردد. تمایل قوی تیتانیوم به اکسیژن با دما افزایش یافته و لایه اکسید سطحی در دماهای بالا، افزایش ضخامت می ­دهد. در دماهایی بالاتر از °C 500 (°F 930) مقاومت به اکسیداسیون تیتانیوم به سرعت کاهش یافته و به وسیله اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن که بصورت بین­ نشین در تیتانیوم حل می­ شوند فلز به شدت به تردی مستعد می­ شود. در نتیجه، ذوب، انجماد و تبرید در حالت جامد مربوط به جوشکاری ذوبی را باید در محیط­ های خنثی یا خلا انجام داد.
جوش پذیری آلیاژهای مختلف آلومینوم با یک دیگر متفاوت است و بسیار متاثر از فاز آن می‌باشد.
آلیاژهای آلفا و شبه ­آلفا نظیر Ti-5Al-2.5Sn، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo، Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo، Ti-6Al-2Cb-1Ta-1Mo و Ti-8Al-1Mo-1V همواره در شرایط آنیل­ شده جوشکاری می­ شوند. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم آلفا دارای جوش ­پذیری خوبی هستند زیرا این آلیاژها به عملیات­ حرارتی حساس نیستند. به سبب داکتیلیته خوب، این آلیازها در صورت آنیل شدن، دارای قابلیت جوشکاری خوبی هستند.
جوشکاری آلیاژهای آلفا- بتا می ­تواند استحکام، داکتیلیته و چقرمگی را به عنوان نتیجه چرخه گرمایی­ ای که آلیاژها در معرض آن قرار می­ گیرند به شدت تغییر دهد. آلیاژهای آلفا- بتا نظیر Ti-6Al-4V و دیگر آلیاژهای ضعیف پایدارشده بتا را می­ توان با موفقیت در شرایط آنیل یا در شرایط عملیات انحلالی ­شده یا پیرسازی ناقصی که در حین عملیات ­حرارتی آزادسازی تنش پسا جوشکاری کامل می­ شود اتصال­ دهی نمود.
آلیاژهای شبه­ پایدار بتا نظیر Ti-13V-11Cr-3Al، Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn، Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al، Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn و Ti-3Al-5V-6Cr-4Zr-4Mo در شرایط آنیل­ شده یا عملیات انحلالی ­شده جوش ­پذیر هستند. اتصالات جوشکاری­ شده دارای داکتیلیته مناسب اما استحکام نسبتا کم در شرایط جوشکاری ­شده هستند. اما از این اتصالات غالبا در این شرایط استفاده می­ شود زیرا اتصال جوشکاری­ شده می­ تواند نسبت به فلز پایه پاسخ متفاوتی به عملیات­ حرارتی داشته باشد و عملیات­ حرارتی آلیاژهای جوشکاری­ شده بتا می­ تواند منجر به دشواری­ هایی در داکتیلیته اتصال شود.
چون تیتانیوم یک ماده بسیار واکنشی بوده و با بسیاری از اتمسفرها برهم­ کنش می­ کند، ملاحظات خاصی قبل و در حین اتصال ­دهی لازم است تا از ایجاد اتصالی موفقیت­ آمیز و استحکام قابل ­قبول اطمینان حاصل گردد. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را می­ توان بطور موفقیت­ آمیزی برای کاربردهایی شامل دماهای زیرصفر تا دماهای بالا اتصال­ دهی کرد اگر اقدامات پیش گیرانه صحیحی اتخاذ گردند. بیشتر روش­های جوشکاری قابل کاربرد برای تیتانیوم هستند. آلیاژهای تیتانیوم را می­ توان بصورت ذوبی یا حالت جامد جوشکاری کرده و نیز لحیم­ کاری نمود. در هنگام جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم، هیچ فلاکسی مورد نیاز نیست اما می­ توان برای لحیم­ کاری در برخی مواقع از فلاکس استفاده کرد.
چون جوش­ های آلیاژی تیتانیوم معمولا در کاربردهای حساس به خستگی استفاده می ‌شوند معمولا یک عملیات آزادسازی تنش پس از جوشکاری لازم است. دماهای خاص آزادسازی تنش و زمان­های آن به فلز پایه بستگی دارند. موارد زیر می بایست در جوشکاری تیتانیوم در نظر گرفته شود.
1.   عناصر بین­ نشین مضر نباید در ناحیه اتصال وجود داشته باشند.
2.   آلودگی­ها (نظیر پوسته و روغن) نباید در ناحیه اتصال وجود داشته باشند.
3.   از تغییرات فازی مضر باید جلوگیری کرد تا داکتیلیته اتصال حفظ شود.
تیتانیوم و آلیاژهای آن اغلب با فرآیندهای جوشکاری قوسی تنگستن گاز (GTAW یا TIG) و قوسی فلز گاز (GMAW یا MIG) جوش داده می شوند. جوشکاری مقاومتی، قوس پلاسما، پرتو الکترونی و جوشکاری اصطکاکی نیز به میزان محدود روی تیتانیوم اجرا می شوند.
هرکدام از این فرایندها در موقعیت های خاص مزایای خاص خود را دارند. با این حال، تمرکز اصلی ما روی MIG و  TIG خواهد بود. لازم به ذکر است که بسیاری از اصول مورد بحث، برای کلیۀ فرایندها قابل استفاده است. در فرآیندهای جوشکاری TIG یا GTAW از یک الکترود تنگستن غیر مصرفی استفاده می شود که جریان را به قوس جوش منتقل می کند. از گاز محافظ برای محافظت از گودال جوش در برابر آلودگی های خارجی استفاده می شود که می تواند منجر به جوش های ضعیف و بی کیفیت شود. در این فرآیند، به یک فلز یا سیم پرکننده برای اتصال جوش نیاز است. از TIG می توان بدون ماده پرکننده برای اتصالات شیار لب به لب مربع روی فلزات پایه تا ضخامت 2.5 میلی متر استفاده کرد. برای ورق های ضخیم تر، باید از فلز پرکننده استفاده شود تا تضمین شود که اتصال جوش حاصل دوام دارد.
در جوشکاری MIG از یک سیم فلزی پرکننده جامد استفاده می شود که به طور مداوم گرم شده و از طریق یک تفنگ جوش تغذیه می شود. این فرآیند استفاده از گاز محافظ را برای محافظت از گودال جوش در برابر آلودگی تضمین می کند. بسیاری از جوشکاران GMAW را به دلیل رسوب فلز و نرخ بهره وری بالا ترجیح می دهند. همچنین می توان از این فرآیند برای جوش تیتانیوم روی صفحاتی با ضخامت بیش از سه میلی متر استفاده کرد. با استفاده از تکنیک جریان پالسی می توان جوش هایی با کیفیت بالا تولید کرد. این روش نسبت به روش های دیگر هزینه کمتری دارد، به ویژه برای استفاده در صفحات تیتانیوم با ضخامت بیش از 13 میلی متر.
در این فرایند همجوشی، از یک پرتو الکترونی با سرعت بالا برای اتصال دو فلز به یکدیگر استفاده می کند. هنگامی که پرتو با قطعات فلزی تماس پیدا می کند، گرمای شدید تولید می کند. این دو صفحه ذوب می‌شوند و به هم می‌پیوندند تا یک مفصل جامد تشکیل دهند. صنایع هوافضا و تولید هواپیما به دلیل دوام اتصالات تولید شده از جوشکاری پرتو الکترونی استفاده می کنند. از روش جوشکاری پرتو الکترونی می توان برای صفحاتی از 6 میلی متر تا 76 میلی متر و بیشتر استفاده کرد این فرآیند جوش‌هایی با کیفیت بالا با سطوح آلودگی کم تولید می‌کند زیرا فرآیند در فضای خلاء بالا انجام می‌شود.
جوشکاری مقاومتی یک روش ترمو الکتریک است. این دو قطعه فلز را با عبور جریان کنترل شده از صفحات برای یک دوره کنترل شده به یکدیگر متصل می کند. استفاده از فشار قابل توجهی برای این روش نیز معمول است. در این روش، گرما به شدت محدود به ناحیه ای است که نیاز به اتصال دارد. می توان از جوش مقاومتی برای اتصال تیتانیوم و آلیاژهای آن برای جوش های نقطه ای یا پیوسته استفاده کرد. این به ویژه در مورد جوشکاری تیتانیوم با فلزات دیگر مانند فولاد کربنی یا صفحات فولادی ضد زنگ مفید است.
جوشکاری قوس پلاسما مشابه TIG است زیرا از قوس بین الکترود تنگستن و قطعه کار نیز استفاده می کند. تقریباً برای استفاده در تمام طبقه بندی های تیتانیوم مناسب است و حتی بر روی ورق های فلزی ضخیم تر نیز عملکرد خوبی دارد. با استفاده از تکنیک سوراخ کلید می توان آن را روی صفحه تک پاس تا ضخامت 13 میلی متر نیز استفاده کرد.
در این روش از اصطکاک برای اتصال دو قطعه فلز به یکدیگر استفاده می کند. این یک فرآیند جوش حالت جامد است که در آن اتصال حاصل به اندازه پایه قوی است. به طور گسترده در صنایع مختلف استفاده می شود و برای اتصال لوله ها، لوله ها یا میله ها مفید است. به ویژه در شرایطی که می توانید بدون استفاده از اقدامات حفاظتی اضافی به تمیزی مفصل دست یابید، عملکرد خوبی دارد.
در هنگام جوشکاری GTAW و GMAW از گازهای محافظ آرگون یا هلیوم استفاده می شود. این گازها با نقطۀ شبنم 46- درجۀ سلسیوس و کمتر به کار می روند. نقطۀ شبنم (Dew Point) دمایی است که در آن، هوا با استفاده از بخار مایع اشباع شده است. در این دما نرخ معیان بخار و نرخ تبخیر مایع، با یکدیگر برابر هستند. پایین تر از دمای شبنم، مایع شروع به نشستن روی سطوح جامد می کند.
به طور کلی برای موارد زیر، لازم است تأمین گاز به صورت جداگانه انجام گیرد:
·       محافظت اولیه از حوضچۀ جوش مذاب
·       محافظت ثانویه از رسوب جوش درحال خنک شدن و مناطق HAZ مرتبط با آن
·       گاز محافظ پشتیبان برای پشت جوش و مناطق HAZ مرتبط با آن
محافظت اولیه از گودال جوش مذاب با انتخاب مشعل جوشکاری مناسب فراهم می شود. کاپ بزرگ برای تأمین محافظت کافی برای کل حوضچۀ مذاب تیتانیوم لازم است. لنزهای گازی مناسب نیز جریان گاز خنثای یکنواخت و غیر توربولانت (نامتلاطم) را فراهم می کنند.
در دستیابی به قوس پایدارتر در محافظت اولیه، آرگون نسبت به هلیوم بهتر عمل می کند. در صورت تمایل به ولتاژ بالاتر، قوس داغ تر و نفوذ بیشتر، می توان از مخلوط آرگون-هلیوم استفاده کرد. توجه شود که حتما باید از نرخ جریان گاز توصیه شده توسط سازندۀ مشعل استفاده شود.
نرخ جریان گاز در حدود 20cfh در عمل رضایت بخش بوده است. اعمال جریان بیش از حد به مشعل، ممکن است باعث تلاطم و از بین رفتن محافظت شود. به طور کلی این که محافظت اولیه اثربخش خواهد بود یا خیر را باید قبل از جوشکاری ارزیابی کرد.
اعمال گاز محافظ، باید تا پس از تشکیل حوضچۀ مذاب، قطع شدن قوس و سرد شدن جوش ادامه یابد. جوش های غیر آلوده و به درستی محافظت شده، ظاهری براق و نقره ای خواهند داشت.
محافظ ثانویه وظیفۀ محافظت از فلز جوش داده شدۀ تیتانیوم و مناطق HAZ مرتبط با آن را به عهده دارد. این محافظت تا رسیدن دما به 427 درجۀ سلسیوس یا پایین تر ادامه خواهد داشت.
محافظ های ثانویه، متناسب با یک مشعل خاص و یک عمل جوشکاری خاص تولید می شوند. شرایط اعمال این گازها باید بسیار جمع و جور طراحی شود. و البته امکان توزیع یکنواخت گاز محافظ را در دستگاه فراهم کند.
همچنین نیاز احتمالی به خنک کردن با آب (خصوصا برای مقاطع بزرگتر) باید در نظر گرفته شود. پخش کننده های برنزی متخلخل (Porous bronze diffusers) با فراهم کردن جریان یکنواخت و غیر متلاطم گاز خنثی، بهترین پیشنهاد برای اعمال محافظت ثانویه هستند.
هدف اصلی سیستم های پشتیبان، ایجاد محافظت از طریق گاز خنثی در سمت ریشۀ جوش و مناطق تحت تأثیر حرارت مرتبط با آن است. این سیستم ها غالباً شبیه محافظ های ثانویه هستند. همچنین ممکن است به صورت دستی، گیره ای یا دائمی نصب شوند.
میله های پشتیبان مسی خنک شونده با آب (یا میله های فلزی عظیم) برای سرد کردن جوش استفاده می شوند. این میله ها اغلب دارای یک شیار هستند. این شیار درست در زیر (یا بالای) محل اتصال قرار می گیرد. برای ایجاد محافظت کافی، حدود 10cfh جریان گاز بی اثر در هر فوت خطِ شیار لازم است. در این راستا اغلب از سیستم های محافظ Makeshift برای جوشکاری تیتانیوم در شرایط کارگاهی یا روباز استفاده می شود. این سیستم برای محصور کردن کامل قطعۀ کار و پر کردن آن با گاز بی اثر، از پلاستیک استفاده می کند. به علاوه، از فویل آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ به عنوان محافظ پشتیبان استفاده می شوند. هنگامی که از چنین تکنیک هایی استفاده می شود، بسیار مهم است که تمام هوایی که باعث آلودگی جوش تیتانیوم می شود، از سیستم زدوده شود. اعمال گاز بی اثر با حجم ده برابر حجم هوای خارج شده، یک میزان مناسب است. توجه شود که تا زمان اتمام جوشکاری، باید میزان متوسط ​​گاز بی اثر حفظ شود.
در بسیاری از سیستم­ های آلیاژی، جوش­ پذیری توسط قابلیت آلیاژ برای ایجاد جوشی عاری از نقایص یا عیوب تعیین می­ شود. نقایصی ­که ممکن است در حین جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم با آن برخورد شود عبارتند از: در سازه ­های جوشکاری­ شده گدازشی از جنس آلیاژ تیتانیوم، ماکروجدایش عمدتا به­ صورت باند عرضی از عنصر حل­ شونده رخ می­ دهد. این باندهای غنی یا تهی از عنصر حل­ شونده معمولا به شکل  حلقه ­هایی از خطوط منحنی روی سطح سازه جوشکاری­ شده پولیش و حکاکی­ شده پدیدار می­ شوند و به تغییرات گرمایی در حوضچه جوش که به طور دوره ­ای سرعت فصل­ مشترک جامد- مذاب را تغییر می­ دهد نسبت داده می ­شود. باند عرضی از عنصر حل­ شونده با استفاده از فرایندهای جوشکاری قوسی و پرانرژی رخ داده است.
شرایط انجماد غیرتعادلی تجربه­ شده در حین جوشکاری گدازشی منجر به شکسته­ شدن فصل­ مشترک در حال پیشرفت جامد-مذاب به زیرساختارهای سلولی، سلولی- دندریتی و دندریتی می­ شود. شکسته­ شدن فصل­ مشترک در جوش­ های آلیاژهای تجاری تیتانیوم به جدایش عناصر آلیاژی در یک مقیاس بین­ سلولی یا بین­ دندریتی مربوط می­ شود. میکروجدایش در سازه­ های جوشکاری­ شده از جنس آلیاژ شبه ­پایدار بتا بارزتر از آلفا- بتاست. این رفتار عمدتا بدلیل سطح بسیار بالاتر عناصر آلیاژی (و در نتیجه تفاوت­های مطلق ترکیبی در ناحی جدایش­ یافته) و نبودن یک ساختار استحاله­ شده در ناحیه گدازش بتای باقیمانده است.
نسبت به بسیاری از دیگر آلیاژهای سازه­ ای نظیر آلیاژهای آلومینیوم و بسیاری از فولادهای ضدزنگ آستنیتی، آلیاژهای تیتانیوم معمولا مستعد به ترک انجمادی در ناحیه گدازش محسوب نمی­ شوند. اما تحت شرایط سخت قیدگذاری، ترک انجمادی در راستای مرزدانه­ های بتای ستونی می­ تواند رخ دهد. برخی کارهای پژوهشی روی ترک انجمادی Ti-6Al-4V نشان دادند که ترک انجمادی را باید در هنگام طراحی اتصالات در قطعات سازه­ ای Ti-6Al-4V در نظر گرفت. اما این موضوع معمولا با مقاومت به ترک مشهور این آلیاژ در تناقض است. شرایط قید و کرنش در تست می ­تواند به شدت بر موضوع مقاومت به ترک تاثیر بگذارد.
در بیشتر آلیاژهای تیتانیوم، وجود رسوبات ریز فاز ثانویه یا ذرات رسوب کرده نظیر رسوبات آلومینیوم و نیکل در آلیاژهای پیرسخت­ شده منتفی است.  با توجه به این واقعیت که ناخالصی­ های موجود در مرزدانه ­ها محدود هستند آلیاژهای تیتانیوم معمول معمولا به ترک در HAZ یا ترک ذوبی در فلز جوش بسیار مقاوم هستند. در آلیاژهای تیتانیوم استحکام یافته توسط رسوبات ریز RE، ذوب ذرات رسوبی ریز در HAZ جوش می­ تواند رخ دهد که این مذاب، متعاقبا مرزدانه­ های بتای همسایه را تر می­ کند. هرچند ترک در راستای این مرزها مشاهده نشده است اما انتظار می ­رود که در جوشکاری قوی این آلیاژها تحت شرایط قید بالا روی جوش، ترک رخ دهد.
هنگامی که تیتانیوم در معرض هوا، رطوبت یا هیدروکربن­ها در دماهایی بیش از °C 500 (°F 930) قرار می­ گیرد به سادگی اکسیژن، نیتروژن، کربن و هیدروژن را جذب خواهد کرد. این اتم­ های کوچک عناصر بین ­نشین به شبکه بلوری به شکل تک ­اتمی وارد خواهند شد و به مکان­ های بین ­نشین (مکان­های واقع بین اتم­های تیتانیوم) مهاجرت خواهند کرد. همانطور که قبلا ذکر شد، این عناصر بین ­نشین از تغییرشکل پلاستیک جلوگیری کرده و استحکام را افزایش می ­دهند اما موجب یک افت محسوس در داکتیلیته می­ شوند.
در حالی­که هیدروژن نقشی کلیدی در ترک ناشی از آلودگی و ناخالصی ایجاد می­ کند، همانطور که قبلا ذکر شد، این عنصر هم­چنین می ­تواند منجر به تردی هیدروژنی یا ترک تاخیری هیدروژنی با وارد شدن به تیتانیوم به شیوه­ های دیگر شود.