Tipps zum Schweißen von Titan

Infos und Tipps zum Schweißen von Titan 

Titan weist eine hohe Affinität zu den atmosphärischen Gasen Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf und im schmelzflüssigen Zustand würde der Kontakt mit einem dieser Elemente zu einer Versprödung des Werkstoffes führen. Aus diesem Grund scheiden autogene Schweißverfahren aus.

Stattdessen kommen beim Schweißen von Titan in erster Linie Schmelzschweißverfahren unter Edelgasatmosphäre zur Anwendung, wobei das WIG-Verfahren das am weitesten verbreitete Schweißverfahren im Behälter- und Apparatebau ist.

 

Beim Fügen von dicken Platten hingegen wird das Plasmaschweißen bevorzugt. Zu den weiteren Schweißverfahren, die für das Schweißen von Titan in Frage kommen, gehören das Diffusions-, das Elektronenstrahl, das Widerstands-, das Reib-, das Ultraschall-, das Laser- und das Sprengschweißen.

Wird die Schweißung sachgemäß ausgeführt und das Grundmaterial nicht angegriffen, kann eine Titanschweißnaht die gleiche Korrosionsbeständigkeit und nahezu identische mechanische Eigenschaften erreichen wie das Grundmaterial. Werden Reintitanwerkstoffe gefügt, kann auf eine anschließende Wärmebehandlung im Normalfall verzichtet werden, bei Titanlegierungen, sehr komplexen Bauteilen oder Schweißungen in mehreren Lagen hingegen sind Maßnahmen zum Abbau der Schweißeigenspannungen ratsam.

Hier nun aber die wichtigsten Infos und Tipps
zum Schweißen von Titan in der Übersicht:
  
 

Das Schweißen von Titan mit MSG-Schweißverfahren

Ähnlich wie beim Schmelzen müssen auch beim Schweißen von Titan die Schweiße selbst, die Wärmeeinflusszone, die angrenzenden Bereiche des Werkstoffs und die Wurzelseite vor dem Zutritt der Atmosphäre geschützt werden. Dieser Schutz muss zudem solange aufrechterhalten werden, bis die Fügestelle auf unter 100 Grad abgekühlt ist.

Je nach Abmessung und Geometrie wird der Zutritt von Luft verhindert, indem mithilfe von Schutzgasbrausen, Schleppdüsen oder porösen Unterlegschienen gearbeitet oder indem in mit Schutzgas gefüllten Kammern geschweißt wird. Als Schweißzusatz muss grundsätzlich ein eignungsgeprüfter Blankdraht aus der gleichen Titangruppe verwendet werden. In der Praxis lässt sich jedoch nicht immer vermeiden, dass kleine Mengen atmosphärischer Gasbestandteile aufgenommen werden, die eine geringere Aushärtung der Schweißnaht zur Folge haben.

Daher kann sinnvoll sein, einen Blankdraht aus einer niedrigeren Titangruppe zu verwenden als die Titangruppe, der der Grundwerkstoff angehört. Werden Titanwerkstoffe mit unterschiedlichen Festigkeiten miteinander verbunden, hängt der gewählte Schweißzusatz in aller Regel von den Anforderungen ab, die bei der Schweißnaht im Vordergrund stehen. Ist die Festigkeit die wichtigste Anforderung an die Schweißnaht, kommt ein Blankdraht aus einer härteren Titangruppe zum Einsatz.

Steht hingegen die Duktilität und damit die Fähigkeit, sich unter Belastung plastisch zu verformen, im Vordergrund, wird als Schweißzusatz ein Blankdraht aus einer weicheren Titangruppe verwendet. Ein weiteres Kriterium, das bei der Wahl des Schweißzusatzes eine Rolle spielt, ist zudem die Einsatztemperatur.    Die Voraussetzung für qualitativ gute Schweißverbindungen ist eine sorgfältige Vorbereitung der Schweißnaht.

Hierfür wird der Schweißbereich unmittelbar vor dem Schweißen von sämtlichen Verunreinigungen der Oberfläche befreit, indem er geschmirgelt, gebürstet, bei Bedarf entfettet und danach mit einer wässrigen Lösung aus Fluss- und Salpetersäure gebeizt wird. Bleche, die zwischen 2 und 2,5mm dick sind, können in einer Lage geschweißt werden. Weisen die Bleche größere Stärken auf, ist eine Schweißung in zwei oder mehr Lagen erforderlich.

Nach jeder Lage müssen die eventuell entstandenen Anlauffarben im Schweißbereich jedoch gründlich entfernt werden. Gleiches gilt für sämtliche Oxidationspunkte sowie eine eventuell oxidierte Spitze des Schweißzusatzes, um auf diese Weise örtliche Sauerstoffanreicherungen zu vermeiden. Als Schutz für die Schmelze, die Wurzelseite und die erhitzten Randzonen kommt Argon zum Einsatz. Dabei sollte Argon mit einem Reinheitsgrad von 99.99%, einem sehr niedrigen Feuchtigkeitsgehalt und einem Taupunkt unter -50 Grad verwendet werden. Sehr gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Argonmenge bei rund sechs bis acht Litern pro Minute liegt, eine höhere Durchflussgeschwindigkeit verbessert den Schutz nicht, sondern kann im Gegenteil eine Wirbelbildung verursachen.

Das Schweißen erfolgt mit negativ gepolter Elektrode und Gleichstrom, wobei sich die Schweißgeschwindigkeit und die Stärke des Schweißstroms an der Qualität des Schutzgasschleiers orientieren.    

Beim MSG-Schweißen müssen solche Bedingungen herrschen, dass eine metallisch blanke Schweißnaht entsteht. Durch die Auflauffarben lassen sich dann nämlich Rückschlüsse auf die Schweißqualität ziehen. So sind gelbliche bis bläuliche Anlauffarben ein Indiz für eine geringfügige, aber akzeptable Aushärtung der Schweißnaht. Dunkelblaue Anlauffarben oder eine graue Oxidschicht hingegen deuten auf einen nicht ausreichenden Schutz der Schweißnaht und damit auf Versprödungen hin, die infolge einer Aufnahme von Sauerstoff oder Stockstoff entstanden sind.

Die Schweißnaht selbst darf um höchstens 50 Einheiten härter sein als das vollständig rekristallierte Grundmaterial. Zeigt die Härteprüfung, nachdem die Nahtoberfläche leicht überschliffen wurde, höhere Werte, ist die Schweißnaht versprödet und muss komplett beseitigt werden.  

Das Schweißen von Titan mit anderen Schweißverfahren

Um Titanplatten, die zwischen 3 und 20mm dick sind, zu fügen, ist das Plasmaschweißen sehr gut geeignet. Verglichen mit dem WIG-Schweißen bietet das Plasmaschweißen dabei die Vorteile, dass eine größere Einbrandtiefe, eine höhere Schweißgeschwindigkeit und eine kleinere Schweißnaht mit beidseitig gleichmäßigerer Oberfläche möglich sind. 

Ein ebenfalls hervorragend geeignetes und in vielerlei Hinsicht vorteilhaftes Verfahren beim Schweißen von Titan ist das Elektronenstrahlschweißen. Die geringere Wärmeeindringtiefe bewirkt, dass die Schweißspannungen und der Verzug ebenfalls gering bleiben. Bei Blechen bis zu einer Stärke von 100mm kann die Schweißnaht als I-Naht und damit ohne Schweißzusätze ausgeführt werden. Hinzu kommen die Vorteile, die sich durch das Schweißen im Vakuum ergeben.

So erlaubt die große Leistungsdichte im Elektronenstahl sehr schmale Schweißnähte und engbegrenzte Wärmeeinflusszonen ohne Anlauffarben. Zudem können Platten mit großen Dicken gefügt und hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielt werden. Nicht zuletzt kommt hinzu, dass selbst komplizierte Schweißungen exakt reproduziert werden können, was wiederum eine gleichbleibende Qualität garantiert. 

Ähnliche Pluspunkte wie das Elektronenstrahlschweißen bietet auch das Laserschweißen. So sorgt auch hier die hohe Energiedichte des Laserstrahls dafür, dass der Querschnitt des Schmelzbades vergleichsweise klein bleibt, eine hohe Schweißgeschwindigkeit erzielt werden kann und nur geringe Schweißspannungen entstehen, wodurch die Verzugsgefahr bei Schweißkonstruktionen deutlich gesenkt ist.

Das Schweißen von Titanwerkstoffen mittels Laser kann ohne Schweißzusatz erfolgen, Aufhärtungen lassen sich durch eine Spülung mit Schutzgas vermeiden. Wie tief die Schweißnaht ausfällt und wie dick die zu verschweißenden Bauteile sein können, ergibt sich aus der Laserleistung. Generell ermöglicht das Laserschweißen aber Schweißnähte, deren Verhältnis zwischen Breite und Tiefe 1 zu 5 beträgt. Insofern können Bauteile auch durchgeschweißt werden und weil es möglich ist, den Laserstrahl mithilfe von Linsen, Spiegeln oder Lichtleitfasern zu führen, können selbst Schweißnähte mit kompliziertem Verlauf an schwer zugänglichen Stellen zuverlässig realisiert werden. 

Unter ähnlichen Bedingungen wie bei korrosionsbeständigen Stählen ist es auch möglich, Titan punktzuschweißen. Weil der Stromstoß nur kurz ist und Titan eine vergleichsweise geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, ist beim Schweißen kein Schutzgas erforderlich. Kupferbasiselektroden mit flachem Kopf sorgen dabei dafür, dass hohe Scherfestigkeitswerte bei geringem Verzugsrisiko, reduzierter Spritzgefahr und weitestgehender Porenfreiheit erzielt werden können.

Das Fügen von Titan mittels Rollennaht- oder Abbrennstumpfschweißverfahren hingegen ist nur unter Schutz von Argon möglich.    Beim Reibschweißen findet keine schmelzflüssige Phase statt, sondern stattdessen werden die Oberflächen in einem teigigen Zustand miteinander verbunden. Dadurch sind typische Fehler wie beispielsweise Poren, Lunker oder Schrumpfrisse, die beim Aufschmelzen und Erstarren auftreten können, von vorneherein ausgeschlossen.

Da die Schweißzeit nur kurz ausfällt, sinkt außerdem auch die Gefahr einer Gasaufnahme. Ähnlich wie beim Reibschweißen erfolgt auch beim Diffusionsschweißen die Verbindung ohne lokale Aufschmelzung. Gleichzeitig bewirken die hohe Temperatur und das Fügen unter Druck im Vakuum oder geschützt durch Schutzgas, dass das Gefüge der Schweißzone dem Gefüge des Grundwerkstoffs entspricht. Im Zusammenhang mit Titan ist das Diffusionsschweißen aus zwei Gründen interessant.

So lässt sich bei Titan zum einen leichter eine homogene Bindung in festem Zustand erzielen als bei anderen Metallen. Zum anderen ermöglicht das Diffusionsschweißen neben Nähten auch großflächige Verschweißungen und bringt damit bei komplexen Konstruktionen Materialeinsparungen mit sich. In den meisten Fällen wird das Diffusionsschweißen in Kombination mit einer superplastischen Umformung durchgeführt.

Etwas größere Schwierigkeiten bereitet das Verschweißen von Titan mit anderen metallischen Werkstoffen, denn hierbei bilden sich intermetallische Phasen, die eine starke Versprödung zur Folge haben. Um dennoch verformungsfähige und solide Schweißverbindungen herstellen zu können, besteht die Möglichkeit, mit Zwischenlagen zu arbeiten.

Diese Zwischenlagen müssen aus solchen Werkstoffen bestehen, die sich sowohl mit Titan als auch mit dem jeweils anderen Metall verschweißen lassen, ohne dass sich spröde Phasen bilden. Zu diesen Werkstoffen gehört Vanadium, der sich als Zwischenlage bei Titan-Stahl-Verbindungen bewährt hat. Ein geeigneter Werkstoff für Schweißverbindungen von Titan und Kupfer wiederum ist Niob, während Silber für Titan-Aluminium-Verbindungen verwendet werden kann.

Anstelle von Zwischenlagen können Schweißverbindungen zwischen Titan und anderen Metallen aber auch durch Reibschweißverfahren hergestellt werden. Da bei allen Möglichkeiten jedoch der Aufwand vergleichsweise hoch und beim Reibschweißen zudem die Geometrie eingeschränkt ist, hat sich bei großflächigen, ebenen Verbindungen zwischen Titan und anderen Metallen das Sprengplattieren durchgesetzt.

Mehr Ratgeber und Tipps zu Schweißverfahren und Schweißtechniken:

Thema: Infos und Tipps zum Schweißen von Titan

Teilen:

Kommentar verfassen