Wie kann man Titanwerkstoffe schweißen?

Inhalt:

1. Überblick Über die Titanwerkstoffe
2. Werkstoffverhalten
3. Schutzgasschweißen der Titanwerkstoffe
4. WIG-Schweißen
5. Zusatzwerkstoffe - WIG-Stäbe
6. Schweißprozessgase
7. Gasschutz

1. Überblick über die Titanwerkstoffe 

Unlegiertes Titan wird eingesetzt, wenn die Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als die Festigkeit (Beispiel nach DIN: Ti2). Niedriglegiertes Titan mit Palladium (Pd) verbessert die gute Korrosionsbeståndigkeit noch weiter (Beispiel: Ti2Pd). Hochlegiertes Titan wild wegen der hohen Festigkeit eingesetzt. Beispiel: Die Legierung TiA16V4 ist eine der gebråuchlichsten Legierungen. Es gibt darüber hinaus Legierungen, die bei hohen Temperaturen kriechfest Sind, wie beispielsweise TiV8Al3Cr6Zr4Mo4.

In der Praxis werden auch Bezeichnungen aus den USA benutzt. „Titan Grade 12" ist eine Bezeichnung nach dem dort gültigen Regelwerk ASTM. Das Wort „Grade" steht für GÜte. Die entsprechende DIN-Bezeichnung für diese Legierung ist TiNi0,8Mo0,3.

2. Werkstoffverhalten

Titan ist im schmelzflüssigen Zustand sehr dünnflüssig, damit ergibt sich eine sehr geringe und feine Nahtschuppung. Im Gegensatz zu dem zähen Schweißgut der nichtrostenden Stähle besteht nicht die Schwierigkeit bei der Benetzung des Schweißguts. Die Titanwerkstoffe bilden, wie die nichtrostenden Stähle bei Raumtemperatur, mit dem Luftsauerstoff eine Schutzschicht. Diese Passivschicht ist der Grund für die sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Ab ca. 400 oc zeigt Titan eine starke Reaktionsfreudigkeit mit den Gasen Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Die Titanwerkstoffe verspröden und verlieren ihre gute plastische Verformbarkeit (Dehnung). Die entstandenen Anlauffarben bei Sauerstoff vermindern also nicht nur die Korrosionsbeständigkeit wie bei den nichtrostenden Stählen. Für die Umsetzung und Kontrolle gibt es in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Musterbilder für Anlauffarben.

Musterbild von Anlauffarben zur Beurteilung der Zulassigkeit WIG-Schweißprobe mit Anlauffarben in der Naht und WEZ aus dem Bereich des Luft-und Raumfahrzeugbaus. 

3. Schutzgasschweißen der Titanwerkstoffe 

Das Wärmeeinbringen soll in Grenzen gehalten werden, weil mit der Entstehung des grobkörnigen Schweißnahtgefüges ein Zähigkeitsverlust verbunden ist. In der Praxis Sind das WIG- und Plasmaschweißen im Einsatz. Dabei gilt für den Einsatz, dass das WIG-Schweißen zum manuellen und mechanischen Schweißen geeignet ist, während der Vorteil des Plasmaschweißens beim vollmechanischen Schweißen liegt. Für das MIG-Schweißen gibt es, bedingt durch die Bauteile, keine Anwendungen. Die Hauptschwierigkeit besteht beim Schweißen darin, die Aufnahme von Gasen -Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen zu verhindern, weil sonst eine Versprödung auftreten kann.

Die zu verschweißenden Teile müssen absolut sauber sein. Es müssen alle Oberflächenverschmutzungen, wie Fett oder ähnliches, beseitigt werden. Das gleiche gilt auch für den Zusatzwerkstoff, der nur mit sauberen Lederhandschuhen gehalten werden darf. In der Praxis werden bei einigen Anwendungen nach der mechanischen Bearbeitung die Schweißkanten entgratet und anschließend bei Temperaturen bis etwa 60°C gebeizt. Danach erfolgt Spülen und Trocknen.

Direkt vor dem Schweißprozess erfolgt eine Reinigung mit Aceton.

Hinweis: Es dürfen keine chlorionenhaltigen Lösungsmittel, wie Trichloräthylen, eingesetzt werden.

Beim Schweißen müssen dann alle erwärmten Bereiche bis zu Temperaturen unter 5000C mit einem gut ausgebildeten Schutzgasschleier geschützt werden. Eventuell vorhandene gelbliche Anlauffarben müssen vor dem Schweißen der nächsten Lage, beispielsweise mit nichtrostenden Drahtbürsten, unbedingt entfernt werden.

4. WIG-Schweißen

Geschweißt wird, wie bei den Stählen, mit Gleichstrom und negativ gepolter Elektrode.

5. Zusatzwerkstoffe - WIG-Stäbe

Die Zusätze Sind in der EN ISO 24034 genormt. Der Zusatz für die legierten Titanwerkstoffe ist etwas höher legiert, um die etwas geringere Korrosionsbeständigkeit der Gussstruktur des Schweißguts zu kompensieren.

Beispiel: Massivstab ISO 24034 -S Ti 6402 (TiA16V4B). Dabei handelt es sich bei „Ti 6402" urn die numerische und bei „TiA16V4B" um die chemische Bezeichnung.

6. Schweißprozessgase

Zum Schweißen und Formieren wird Argon (ISO 14175 II-Ar) mit einer erhöhten Reinheit im Vergleich zum Stahl eingesetzt. Die Linde Bezeichnung dafÜr lautet: Argon 5.0. Die Zusammensetzung ist Ar 99,999 vol.-%.

7. Gasschutz

Das Schutzgas aus dem WIG-Brenner schützt das Schweißgut und einen kleinen Bereich der Wärmeeinflusszone (WEZ). Der geschweißte Bereich muss bis zur Abkühlung von 300°C durch eine Schleppdüse geschützt werden.

Sekundärer Gasschutz durch Schleppdüse

Schutzkammer

Falls viele geometrisch unterschiedliche Teile oder solche mit komplizierter Formgebung zu schweißen sind, empfiehlt sich das Schweißen in einer Schutzkammer. Die Kammer muss nach der Evakuierung immer unter einem leichten Schutzgasdruck stehen, damit das Eindringen von Luft vermieden wird.

Schutzgaskammer zum Schweißen

Wurzelschutz

Beim Wurzelschutz (Formieren) der Nahtunterseite gelten die gleichen Bedingungen wie beim Schweißen nichtrostender Stähle - die Schutzgasmenge darf nicht zu hoch sein, damit nicht durch die Injektorwirkung Luft angesaugt wird. Die Spülzeit bei konstanter Schutzgasmenge wird durch Vorversuche ermittelt. 

Vorrichtungen zurn Wurzelschutz (1)

Offener Schutz mit porösen, gasdurchlässigen Seitenwänden aus Kupfer oder Bronze.

Vorrichtungen zurn Wurzelschutz (2)

Wurzelschutz durch verschieden gestaltete Kupfer- Oder Bronzeschienen.

Grafiken: SLV Duisburg, Niederlassung der GSI mbH