Wie man Titan schweißt:Verfahren und Techniken

Titan gilt aufgrund seines geringen Gewichts, seiner guten Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als exotisches Metall. In der Vergangenheit wurde jedoch angenommen, dass ein ordnungsgemäßes Titanschweißen nur in abgedichteten Kammern durchgeführt werden kann.

Es ist ein reaktives Metall, das durch atmosphärische Gase kontaminiert werden kann. Aber das Schweißen von Titan ist eigentlich gar nicht so schwierig, wie viele Schweißer denken. Sie müssen nur während des Schweißens eine angemessene Gasabschirmung aufrechterhalten, der Rest ist dem Schweißen anderer Metallarten sehr ähnlich.

Schweißen von Titan

Titan und seine Legierungen werden am häufigsten mit den Gas-Wolfram-Lichtbogen- (GTA oder TIG) und Gas-Metall-Lichtbogen- (GMA oder MIG) Schweißverfahren geschweißt. Widerstands-, Plasmalichtbogen-, Elektronenstrahl- und Reibschweißen werden in begrenztem Umfang auch auf Titan angewendet. Alle diese Verfahren bieten Vorteile für bestimmte Situationen.

Titan und die meisten Titanlegierungen sind unter Verwendung mehrerer Schweißverfahren leicht schweißbar. Richtig hergestellte Schweißnähte im geschweißten Zustand sind duktil und in den meisten Umgebungen so korrosionsbeständig wie das Grundmetall. Andererseits können unsachgemäße Schweißnähte im Vergleich zum Grundmetall spröde und weniger korrosionsbeständig sein.

Die beim Schweißen von Titan verwendeten Techniken und Geräte ähneln denen, die für andere Hochleistungsmaterialien wie Edelstahl oder Legierungen auf Nickelbasis erforderlich sind. Bei Titan muss jedoch mehr auf Sauberkeit und die Verwendung zusätzlicher Inertgasabschirmung geachtet werden als bei diesen Materialien.

Geschmolzenes Titan-Schweißgut muss vollständig vor Kontamination durch Luft geschützt werden. Außerdem müssen heiße Wärmeeinflusszonen und die Wurzelseite von Titanschweißnähten abgeschirmt werden, bis die Temperaturen unter 427 °C (800 °F) fallen.

Titan reagiert leicht mit Luft, Feuchtigkeit, Fett, Schmutz, feuerfesten Materialien und den meisten anderen Metallen und bildet spröde Verbindungen. Die Reaktion von Titan mit Gasen und Flussmitteln macht gängige Schweißverfahren wie Gasschweißen, Schutzgasschweißen, Fülldrahtlichtbogen und Unterpulverschweißen ungeeignet.

Ebenso ist das Schweißen von Titan an die meisten unterschiedlichen Metalle nicht möglich, da Titan mit den meisten anderen Metallen spröde Verbindungen eingeht; Titan kann jedoch mit Zirkonium, Tantal und Niob verschweißt werden.

Trotz der Vorsichtsmaßnahmen, die getroffen werden müssen, schweißen viele Verarbeiter Titan routinemäßig und wirtschaftlich und stellen solide, duktile Schweißnähte mit vergleichbaren Raten wie viele andere Hochleistungsmaterialien her.

Einer der wichtigen Vorteile des Schweißens der kommerziell reinen Titanqualitäten besteht darin, dass sie zu über 99 % aus reinem Titan bestehen und keine Segregation zu befürchten ist. Dasselbe gilt für Schweißdraht oder Schweißdraht in kommerziell reinen Qualitäten.

Schweißumgebung

Die meisten Titanschweißungen werden heute in der offenen Fertigung durchgeführt, obwohl das Kammerschweißen immer noch in begrenztem Umfang praktiziert wird. Feldschweißen ist üblich. Wo auch immer geschweißt wird, zum Schweißen von Titan ist eine saubere Umgebung erforderlich.

Ein separater Bereich, der speziell für das Schweißen von Titan vorgesehen ist, hilft bei der Herstellung hochwertiger Schweißnähte. Dieser Bereich sollte sauber gehalten und von schmutzerzeugenden Vorgängen wie Schleifen, Brennschneiden und Lackieren isoliert werden. Außerdem sollte der Schweißbereich frei von Luftzügen sein und die Luftfeuchtigkeit sollte kontrolliert werden.

Schweißvorbereitung

Einer der wichtigsten Faktoren bei der Bestimmung einer hochwertigen Titanschweißnaht ist die richtige Vorbereitung der Schweißnaht.

• Reinigen Sie die Oberfläche des Titans, um Verunreinigungen zu beseitigen und Öl, Fett oder Schmutz zu entfernen. Verwenden Sie am besten Chemikalien, die speziell für Titan entwickelt wurden. Denken Sie daran, dass Ihre erstellte Schweißnaht umso stärker ist, je sauberer das Titan ist.
• Um die Verunreinigungen zu entfernen, können Sie einen Dampfreiniger oder eine verdünnte Natriumhydroxidlösung verwenden.
• Verwenden Sie ein kleines Heißluftgebläse, um sicherzustellen, dass keine Feuchtigkeit auf der Oberfläche zurückbleibt. Stellen Sie jedoch sicher, dass Sie es nicht mit brennbaren Lösungsmitteln verwenden.
• Stellen Sie sicher, dass alle Schweißteile ebenfalls sauber und trocken sind.
• Verwenden Sie niemals eine Reinigungslösung auf Chlorbasis für Titan.
• Sogar Ihre Hände können eine Kontaminationsquelle sein. Aber denken Sie daran, dass Gummihandschuhe Chlor enthalten können, also entscheiden Sie sich stattdessen für Plastik- oder Baumwollhandschuhe.
• Bevor Sie den Lichtbogen zünden, vergewissern Sie sich, dass die Lösungsmittel, die Sie zum Reinigen der Oberfläche verwendet haben, vollständig verdunstet sind, da sie normalerweise einen niedrigen Flammpunkt haben.

Wählen Sie ein Schutzgas

Da Titan leicht mit Luft, Öl, Schmutz, Feuchtigkeit und anderen Metallen reagiert und spröde Verbindungen bildet, ist die Verwendung des richtigen Schutzgases unerlässlich, wenn Sie sicherstellen möchten, dass Sie am Ende eine starke Schweißnaht erhalten. Normalerweise verwenden die meisten Schweißer 99,999 % reines Argon für den Prozess. Nur wirklich reines Argon und Helium bieten optimalen Schutz vor der Atmosphäre.

Achten Sie beim Kauf des Schutzgases für Ihr Schweißprojekt darauf, dass Sie dieses Gas nur von vertrauenswürdigen Lieferanten beziehen. Auch wenn das Argon etwas weniger rein ist als erforderlich, kann es zu Verfärbungen kommen. Sie erhalten am Ende eine gelblich gefärbte Schweißnaht, was nicht erwünscht ist. Unreines Gas oder unvollständige Abdeckung können ebenfalls Blaustich und Sprenkelung verursachen.

Bei Titan müssen Sie darauf achten, dass nicht nur die Vorderseite, sondern auch die Rückseite vor der Atmosphäre geschützt ist. Jeder Bereich, der von Hitze betroffen ist, reagiert negativ, wenn er mit Sauerstoff in Kontakt kommt.

Für kleinere Teile können Sie geschlossene Fächer aus Handschuhkästen verwenden, die mit Schutzgas gefüllt sind. Sie können sogar speziell angefertigte Spülgaskammern aus Polyethylen in Kombination mit einem Spülwächter verwenden. Mit ihnen können Sie überprüfen, ob die Kammer über genügend Argon verfügt, um einen optimalen Schutz zu bieten.

Wenn Sie beim Schweißen eine ideale Abdeckung erzielen möchten, müssen Sie die folgenden drei Schritte befolgen:

• Primäre Abschirmung – Es ist normalerweise in den Schweißbrenner eingebaut und bietet eine primäre Abdeckung, die zum Schutz der geschmolzenen Schweißpfütze erforderlich ist. Sie können eine normale, wassergekühlte Taschenlampe verwenden, die mit einem Keramikbecher und Gaslinsen ausgestattet ist. Wir empfehlen Ihnen, eine Taschenlampe mit einer breiteren Schale zu wählen, um die beste Abdeckung zu erzielen.
• Sekundäre Abschirmung – Schleppschilde bieten sekundären Schutz. Sie werden am Ende der meisten Schweißbrenner angebracht und garantieren, dass alle wärmebeeinflussten Bereiche vor Verunreinigungen geschützt sind.
• Backup-Abschirmung – Diese Geräte sehen Schleppschilden ähnlich und erfüllen praktisch die gleiche Funktion. Sie sind entweder Handgeräte oder werden mit Klebeband in Position gehalten. Sie kommen selten vormontiert in den Schweißbrenner.

Auswahl des richtigen Fülldrahts

Bei der Auswahl des Füllmetalls zum Schweißen von Titan und seinen Legierungen empfehlen wir Ihnen, einen Schweißdraht zu wählen, der in erster Linie die gleichen Eigenschaften wie das Grundmaterial aufweist. Sie können auch einen Draht auswählen, der in einer Festigkeitsklasse kategorisiert ist, die eine Klasse unter der des Grundmetalls liegt. In einigen Situationen kann der Schweißer sogar eine ganz andere Kategorie von Schweißdraht verwenden.

Ihre Wahl des Zusatzdrahtes hängt von den Eigenschaften und der Kombination der Verbindung ab. Zur Verbesserung der Gelenkduktilität:

• Verwenden Sie beim Schweißen von unlegiertem Titan mit höherer Festigkeit ein Füllmetall mit einer geringeren Streckgrenze der Basis.
• Sie können beim Schweißen von Titan der Klassen Ti-5A1-2,5Sn und Ti-6A1-4V unlegierten Zusatzwerkstoff verwenden.
• Eine weitere Option ist Füllmetall mit geringeren Prozentsätzen an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und anderen Legierungsanteilen als das Grundmetall.

Verwendbare Schweißverfahren

Beim Schweißen von Titan und Titanlegierungen können Sie eines der folgenden Schweißverfahren anwenden:

• Elektronenstrahlschweißen (EBW)
• Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) oder (TIG) Wolfram-Inertgasschweißen
• Widerstandsschweißen (RW)
• Laserstrahlschweißen (LBW)
• Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW)
• Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) oder (MIG) Metall-Inertgas
• Reibschweißen (FRW)

1. Elektronenstrahlschweißen

Dies ist ein Fusionsprozess, bei dem ein Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl verwendet wird, um zwei Metalle miteinander zu verbinden. Wenn der Strahl mit den Metallteilen in Kontakt kommt, erzeugt er intensive Hitze. Die beiden Platten schmelzen und verschmelzen zu einer festen Verbindung. Die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Flugzeugindustrie verwenden das Elektronenstrahlschweißen aufgrund der Haltbarkeit der hergestellten Verbindungen.

Das Elektronenstrahlschweißverfahren können Sie für Bleche von 6mm bis 76mm und mehr einsetzen. Das Verfahren erzeugt hochwertige Schweißnähte mit geringen Verschmutzungsgraden, da das Verfahren in einer Hochvakuumatmosphäre stattfindet.

2. Wolfram-Inertgas/GTAW

WIG- oder GTA-Schweißverfahren verwenden eine nicht abschmelzende Wolframelektrode, die Strom auf den Schweißlichtbogen überträgt. Schutzgas wird verwendet, um das Schweißbad vor äußerer Verunreinigung zu schützen, die zu schwachen und minderwertigen Schweißnähten führen kann. Dabei benötigen Sie einen Zusatzwerkstoff oder Draht für die Schweißverbindung.

Es ist ein weit verbreitetes Verfahren zum Schweißen von Titan und seinen Legierungen. Sie können WIG ohne Zusatzwerkstoff für Vierkant-Stumpfnutverbindungen an unedlen Metallen bis zu einer Dicke von 2,5 mm verwenden. Bei dickeren Blechen müssen Sie ein Füllmetall verwenden, um eine dauerhafte Schweißverbindung zu gewährleisten.

3. Widerstandsschweißen (RW)

Das Widerstandsschweißen ist ein thermoelektrisches Verfahren. Es verbindet zwei Metallstücke miteinander, indem es für einen kontrollierten Zeitraum einen kontrollierten Strom durch die Platten leitet. Es ist üblich, auch einen erheblichen Druck für das Verfahren anzuwenden. Bei dieser Methode wird die Wärme strikt auf den zu verbindenden Bereich beschränkt.

Sie können das Widerstandsschweißen verwenden, um Titan und seine Legierungen für Punkt- oder kontinuierliche Schweißnähte zu verbinden. Es ist besonders nützlich, wenn Titan mit anderen Metallen wie Kohlenstoffstahl oder Edelstahlplatten verschweißt werden soll.

4. Laserstrahlschweißen (LBW)

Dies ist ein weiteres Schmelzschweißverfahren, bei dem zwei Metallteile über einen Laser miteinander verbunden werden. Es erwärmt den Schnittpunkt zwischen den beiden Platten, die schmelzen und verschmelzen und die Verbindung bilden. Sobald die geschmolzene Schweißpfütze abkühlt und sich verfestigt, ergibt sich eine feste, dauerhafte Schweißnaht.

Schweißer bevorzugen heute zunehmend das Laserstrahlschweißen für Titan, da es eine Vakuumkammer überflüssig macht. Die Verwendung von Schutzgas ist jedoch immer noch ein Muss, da das Kontaminationsrisiko bestehen bleibt.

Obwohl sowohl ein Laserstrahl als auch ein Elektronenstrahl Schmelzschweißverfahren sind, ist der Anwendungsbereich des ersteren eingeschränkter. Sie können das Verfahren nicht effizient auf Titanplatten mit einer Dicke von mehr als 13 mm anwenden.

5. Plasmalichtbogenschweißen (PAW)

Das Plasmalichtbogenschweißen ähnelt dem WIG, da es auch einen Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück verwendet. Es ist für fast alle Titanklassifizierungen geeignet und funktioniert auch auf dickeren Metallblechen gut. Mit der Keyhole-Technik können Sie es auch auf einer One-Pass-Platte mit einer Dicke von bis zu 13 mm verwenden.

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

Beim MIG-Schweißen wird ein fester Zusatzmetalldraht verwendet, der kontinuierlich erhitzt und über eine Schweißpistole zugeführt wird. Das Verfahren erfordert die Verwendung von Schutzgas, um das Schweißbad vor Verunreinigungen zu schützen. Viele Schweißer bevorzugen GMAW wegen seiner hohen Metallabscheidung und Produktivitätsraten.

Sie können das Verfahren auch für Titanschweißungen an Blechen verwenden, die mehr als drei 3 mm dick sind. Mit der Impulsstromtechnik können Sie hochwertige Schweißnähte herstellen. Das Verfahren erweist sich als weniger kostspielig als andere, insbesondere für die Verwendung auf Titanplatten mit einer Dicke von mehr als 13 mm.

7. Reibschweißen (FRW)

Wie der Name schon sagt, verwendet das Verfahren Reibung, um zwei Metallteile miteinander zu verbinden. Es ist ein Festkörper-Schweißverfahren, bei dem die resultierende Verbindung so stark ist wie die Basis. Es ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet und eignet sich zum Verbinden von Rohren, Rohren oder Stangen. Besonders bewährt hat es sich dort, wo Fugensauberkeit ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen erreicht werden kann. Für weitere Informationen klicken Sie auf Was ist Reibschweißen?

Video zum Titanschweißen