Titanschweißen meistern: Bewährte Prozesse & Techniken

Titan gilt als exotisches Metall aufgrund seines geringen Gewichts, guter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Früher glaubte man, dass ordnungsgemäßes Titanschweißen nur in abgedichteten Kammern möglich sei.

Es ist ein reaktives Metall, das durch atmosphärische Gase verunreinigt werden kann. Doch Titanschweißen ist eigentlich nicht so schwierig, wie viele Schweißer denken. Man muss lediglich während des Schweißens eine ordnungsgemäße Gasabschirmung aufrechterhalten – der Rest ist dem Schweißen anderer Metalle sehr ähnlich.

Titanschweißen

Titan und seine Legierungen werden am häufigsten mit Gas-Wolfram-Lichtbogen (GTA / WIG) und Gas-Metall-Lichtbogen (GMA / MIG) geschweißt. Widerstands-, Plasmalichtbogen-, Elektronenstrahl- und Reibschweißen werden ebenfalls in begrenztem Umfang an Titan angewendet. Alle diese Verfahren bieten Vorteile für spezifische Situationen.

Titan und die meisten Titanlegierungen sind gut schweißbar, mit mehreren Verfahren. Ordnungsgemäß hergestellte Nähte im ungeschweißten Zustand sind duktil und in den meisten Umgebungen genauso korrosionsbeständig wie der Grundwerkstoff. Unzulängliche Nähte hingegen können versprödet und weniger korrosionsbeständig sein als der Grundwerkstoff.

Die Techniken und Ausrüstung beim Titanschweißen ähneln denen für andere Hochleistungsmaterialien wie rostfreier Stahl oder Nickelbasislegierungen. Titan verlangt jedoch größere Aufmerksamkeit auf Sauberkeit und den Einsatz von Hilfs-Inertgasabschirmung als diese Materialien.

Flüssiges Titanschweißmetall muss vollständig vor Verunreinigung durch Luft geschützt werden. Auch heiße wärmebeeinflusste Zonen und die Wurzelseite von Titanschweißnähten müssen abgeschirmt bleiben, bis die Temperaturen unter 427 °C (800 °F) fallen.

Titan reagiert bereitwillig mit Luft, Feuchtigkeit, Fett, Schmutz, Feuerfestmaterialien und den meisten anderen Metallen zu spröden Verbindungen. Die Reaktion von Titan mit Gasen und Flussmitteln macht gängige Schweißverfahren wie Gasschweißen, Elektrodenhandschweißen, Fülldrahtschweißen und Unterpulverschweißen ungeeignet.

Ebenso ist das Schweißen von Titan mit den meisten ungleichen Metallen nicht machbar, da Titan mit den meisten anderen Metallen spröde Verbindungen bildet; Titan kann jedoch mit Zirconium, Tantal und Niob geschweißt werden.

Trotz der notwendigen Vorsichtsmaßnahmen schweißen viele Fertiger routinemäßig und wirtschaftlich Titan und erzeugen gesunde, duktile Nähte mit vergleichbaren Raten wie viele andere Hochleistungsmaterialien.

Ein wichtiger Vorteil beim Schweißen der kommerziell reinen Titan-Grade ist, dass sie über 99 % reines Titan enthalten und keine Segregation auftritt. Gleiches gilt für Schweißdraht oder -stab in kommerziell reinen Graden.

Schweißumgebung

Die meisten Titanschweißarbeiten werden heute in offener Fertigungswerkstatt durchgeführt, obwohl Kammerschweißen noch in begrenztem Umfang praktiziert wird. Feldeinsätze sind üblich. Wo auch immer geschweißt wird, ist eine saubere Umgebung für das Titanschweißen notwendig.

Ein separater, speziell für das Titanschweißen reservierter Bereich hilft, qualitativ hochwertige Nähte zu erzeugen. Dieser Bereich sollte sauber gehalten und von schmutzerzeugenden Arbeiten wie Schleifen, Brennschneiden und Lackieren isoliert sein. Zudem sollte der Schweißbereich zugluftfrei sein und die Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden.

Nahtvorbereitung

Einer der wichtigsten Faktoren für eine qualitativ hochwertige Titanschweißnaht ist die ordnungsgemäße Nahtvorbereitung.

• Oberfläche des Titans reinigen, um Verunreinigungen zu beseitigen und Öl, Fett oder Schmutz zu entfernen. Am besten Chemikalien verwenden, die speziell für Titan entwickelt wurden. Je sauberer das Titan, desto fester Ihre Naht.
• Zur Entfernung der Verunreinigungen können Sie einen Dampfreiniger oder eine verdünnte Natriumhydroxidlösung verwenden.
• Kleinen Heißluftföhn nutzen, um sicherzustellen, dass keine Feuchtigkeit auf der Oberfläche verbleibt. Nicht auf brennbare Lösungsmittel anwenden.
• Sicherstellen, dass alle Schweißteile ebenfalls sauber und trocken sind.
• Niemals chlorhaltige Reinigungslösungen auf Titan anwenden.
• Auch Ihre Hände können Verunreinigungsquelle sein. Beachten Sie: Gummihandschuhe können Chlor enthalten – besser Kunststoff- oder Baumwollhandschuhe verwenden.
• Vor Zünden des Lichtbogens sicherstellen, dass die zum Reinigen verwendeten Lösungsmittel vollständig verdunstet sind, da sie meist einen niedrigen Flammpunkt haben.

Schutzgas wählen

Da Titan bereitwillig mit Luft, Öl, Schmutz, Feuchtigkeit und anderen Metallen zu spröden Verbindungen reagiert, ist das richtige Schutzgas essenziell für eine feste Naht. Meist verwenden Schweißer 99,999 % reines Argon. Nur wirklich reines Argon und Helium bieten optimalen Schutz vor der Atmosphäre.

Beim Kauf des Schutzgases für Ihr Schweißprojekt achten Sie darauf, es nur von vertrauenswürdigen Lieferanten zu beziehen. Auch wenn das Argon nur leicht weniger rein ist als erforderlich, kann es zu Verfärbungen führen. Sie erhalten einen gelblich getönten Schweiß – unerwünscht. Unreines Gas oder unvollständige Abdeckung kann auch Blaufärbung und Fleckenbildung verursachen.

Bei Titan müssen Sie sicherstellen, dass nicht nur die Vorder-, sondern auch die Rückseite vor der Atmosphäre geschützt ist. Jeder wärmebeeinflusste Bereich reagiert nachteilig bei Kontakt mit Sauerstoff.

Für kleine Teile können abgeschlossene Kammern aus Handschuhboxen verwendet werden, die mit Schutzgas gefüllt sind. Auch spezielle Polyethylen-Spülgaskammern mit Spülmonitor sind einsetzbar – damit lässt sich prüfen, ob die Kammer genug Argon für optimalen Schutz enthält.

Für ideale Abdeckung beim Schweißen sind drei Schritte nötig:

• Primäre Abschirmung – meist im Schweißbrenner integriert, schützt das flüssige Schweißbad. Standard wassergekühlter Brenner mit Keramikdüse und Gaslinsen empfohlen. Breitere Düse für beste Abdeckung wählen.
• Sekundäre Abschirmung – Nachlaufschilde (Trailing Shields) bieten sekundären Schutz. Sie werden am Ende der meisten Schweißbrenner angebracht und garantieren, dass alle wärmebeeinflussten Bereiche vor Kontamination sicher sind.
• Rückseitige Abschirmung (Backup Shielding) – Diese Geräte sehen Nachlaufschildern ähnlich und erfüllen praktisch dieselbe Funktion. Sie sind entweder Handgeräte oder werden festgeklebt. Selten sind sie werkseitig in den Brenner integriert.

Passenden Fülldraht wählen

Bei der Wahl des Füllmetalls für Titan und seine Legierungen empfehlen wir einen Fülldraht, der im Wesentlichen dieselben Eigenschaften wie der Grundwerkstoff hat. Sie können auch einen Draht wählen, der in einer Festigkeitsstufe eine Klasse unter dem Grundwerkstoff liegt. In manchen Situationen kann der Schweißer sogar eine ganz andere Fülldrahtkategorie verwenden.

Ihre Wahl des Fülldrahts hängt von den Eigenschaften und der Kombination der Naht ab. Zur Verbesserung der Nahtduktilität:

• Bei höherfesten unlegierten Titan: Füllmetall mit niedrigerer Streckgrenze als Basis verwenden.
• Unlegiertes Füllmaterial bei Titan der Klassen Ti-5Al-2,5Sn und Ti-6Al-4V einsetzbar.
• Alternative: Füllmetall mit niedrigeren Anteilen an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und anderen Legierungselementen als der Grundwerkstoff.

Einsetzbare Schweißverfahren

Beim Schweißen von Titan und Titanlegierungen können folgende Verfahren genutzt werden:

• Elektronenstrahlschweißen (EBW)
• Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) / WIG (Wolfram-Inertgas-Schweißen)
• Widerstandsschweißen (RW)
• Laserstrahlschweißen (LBW)
• Plasmalichtbogenschweißen (PAW)
• Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) / MIG (Metall-Inertgas-Schweißen)
• Reibschweißen (FRW)

1. Elektronenstrahlschweißen

Dies ist ein Fusionsprozess, der einen hochgeschwindigen Elektronenstrahl nutzt, um zwei Metalle zu verbinden. Bei Kontakt mit den Metallteilen erzeugt der Strahl intensive Hitze. Die beiden Platten schmelzen und verschmelzen zu einer festen Verbindung. Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt Elektronenstrahlschweißen wegen der Haltbarkeit der Verbindungen.

Elektronenstrahlschweißen für Platten von 6 mm bis 76 mm und mehr einsetzbar. Der Prozess erzeugt hochwertige Nähte mit niedrigen Kontaminationswerten, da er in Hochvakuumatmosphäre abläuft.

2. Wolfram-Inertgas / GTAW

WIG- oder GTA-Schweißprozesse nutzen eine nicht verbrauchbare Wolframelektrode, die Strom zum Schweißlichtbogen leitet. Schutzgas schützt das Schweißbad vor externer Kontamination, die zu schwachen, minderwertigen Nähten führen kann. Ein Füllmetall oder -draht wird für die Naht benötigt.

Weit verbreitetes Verfahren für Titan und seine Legierungen. WIG ohne Füllmaterial für quadratische Stumpfnähte an Grundwerkstoffen bis 2,5 mm Dicke nutzbar. Für dickere Bleche Füllmetall nötig, um eine dauerhafte Naht zu gewährleisten.

3. Widerstandsschweißen (RW)

Widerstandsschweißen ist ein thermoelektrisches Verfahren. Es verbindet zwei Metallstücke, indem ein kontrollierter Strom für eine kontrollierte Zeit durch die Platten geleitet wird. Üblicherweise wird erheblicher Druck angewendet. Die Hitze ist strikt auf den zu verbindenden Bereich begrenzt.

Widerstandsschweißen kann Titan und seine Legierungen für Punktschweißungen oder Nahtschweißungen verbinden. Besonders nützlich beim Schweißen von Titan mit anderen Metallen wie Baustahl oder rostfreien Stahlplatten.

4. Laserstrahlschweißen (LBW)

Ein weiteres Fusionsschweißverfahren, das zwei Metallstücke über einen Laser verbindet. Er erhitzt die Schnittstelle zwischen den Platten, diese schmelzen und verschmelzen zur Naht. Nach Erstarren des flüssigen Schweißbads ergibt sich eine feste, dauerhafte Naht.

Schweißer bevorzugen zunehmend Laserstrahlschweißen für Titan, da es die Vakuumkammer überflüssig macht. Dennoch ist Schutzgas zwingend, da Kontaminationsrisiko besteht.

Obwohl Laser- und Elektronenstrahl beides Fusionsschweißverfahren sind, ist der Anwendungsbereich des Lasers begrenzter. Titanplatten über 13 mm Dicke können nicht effizient bearbeitet werden.

5. Plasmalichtbogenschweißen (PAW)

Plasmalichtbogenschweißen ähnelt WIG, da es ebenfalls einen Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück nutzt. Es eignet sich für fast alle Titanklassifikationen und performt gut auch auf dickeren Blechen. Mit der Schlüssellochtechnik (Keyhole) auch für Einzellagen bis 13 mm Dicke einsetzbar.

6. Metall-Inertgas (MIG) / Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW)

MIG-Schweißen nutzt einen massiven Fülldraht, der kontinuierlich erhitzt und über einen Schweißbrenner zugeführt wird. Der Prozess erfordert Schutzgas zum Schutz des Schweißbads vor Kontamination. Viele Schweißer bevorzugen GMAW wegen hoher Auftragsraten und Produktivität.

Auch für Titanschweißnähte auf Platten über 3 mm Dicke einsetzbar. Mit Pulsstromtechnik lassen sich hochwertige Nähte erzeugen. Das Verfahren ist kostengünstiger als andere, besonders für Titanplatten über 13 mm.

7. Reibschweißen (FRW)

Wie der Name impliziert, nutzt die Methode Reibung, um zwei Metallstücke zu verbinden. Es ist ein Festkörperschweißprozess, bei dem die resultierende Naht so fest ist wie der Grundwerkstoff. Weit verbreitet in verschiedenen Branchen, nützlich für Rohre, Rohre oder Stäbe. Besonders gut in Situationen, wo Nahtsauberkeit ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen erreicht werden kann. Weitere Infos: Was ist Reibschweißen?