Vorbereitung und Schweißen von Titan und Titanlegierungen

Zum Schweißen von Titan und Titanlegierungen müssen zunächst Oxide, Öl, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen aus dem Fügebereich entfernt werden. Anschließend sind alle noch oxidationsgefährdeten heißen Metallbereiche zu schützen. Dieser Beitrag behandelt das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG/TIG) und das Metall-Inertgasschweißen (MIG); die Schutzgasführung wird auf die Verbindung und die Werkstückdicke abgestimmt.

Vorbereitung von Titan und Titanlegierungen für das Schweißen

Bevor Titan oder eine Titanlegierung geschweißt wird, müssen der Verbindungsbereich und dessen Umgebung sorgfältig gereinigt werden, um Öl, Schmutz, Rost und Zunder zu entfernen, und die Oberflächen müssen trocken gehalten werden.

1. Oxidablagerungen entfernen. Oxidablagerungen können mit einer Edelstahl-Drahtbürste oder einer Feile, durch Dampfstrahlen oder Kugelstrahlen oder durch Schleifen mit einer Siliziumkarbid-Scheibe entfernt werden. Unmittelbar nach der Entfernung der Ablagerungen sollte eine Säurebeizung erfolgen, um sicherzustellen, dass die Oberfläche frei von Oxiden und Fett ist.
2. Entfetten Sie die Oberfläche. Sollte sich Zunder auf der Oberfläche befinden, muss dieser vor dem Entfetten entfernt werden; ist kein Zunder vorhanden, reicht das Entfetten allein aus. Auf mit Öl verschmutzten Oberflächen können geeignete Lösungsmittel verwendet werden. Eine häufig verwendete Reinigungslösung enthält 3% Flusssäure und 35% Salpetersäure (nach Volumen). Das Werkstück wird bei Raumtemperatur etwa 10 Minuten lang eingetaucht, abgespült, um die Lösungsreste zu entfernen, und getrocknet. Ein Werkstück, das anfällig für Spannungskorrosion ist, sollte nach dem Beizen mit chloridfreiem Wasser statt mit Leitungswasser abgespült werden. Gummihandschuhe können Weichmacher auf dem Werkstück hinterlassen und dadurch Schweißporosität verursachen. Auch frisch gescherte Blechkanten erfordern dieses Beizverfahren, da Metallfragmente und kleine Risse, die beim Scheren entstehen, Porosität beim Schweißen begünstigen können.

Gereinigte Teile sollten unverzüglich geschweißt werden. Ist eine Lagerung erforderlich, legen Sie die Teile in einen Behälter mit Trockenmittel oder lagern Sie sie in einem Raum mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit. Andernfalls führen Sie vor dem Schweißen erneut eine leichte Beizbehandlung durch.

Auswahl eines Schweißverfahrens

Titan oxidiert in Schweißzonen bei Temperaturen über 400 °C sehr leicht. Alle Bereiche oberhalb dieser Temperatur erfordern daher beim Schweißen einen Schutz durch Inertgas. Das Acetylen-Sauerstoff-Schweißen, das Lichtbogenschweißen mit umhüllten Elektroden, das Unterpulverschweißen und das Elektroschlackeschweißen sind für Titan und Titanlegierungen ungeeignet.

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG/TIG)

Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (GTAW oder WIG) kann manuell oder automatisch erfolgen. Je nach Schweißumgebung lässt es sich in Freiluftschweißen und Kammerschweißen unterteilen.

1. Offenes Schweißen. Bei einer herkömmlichen Anordnung kommen eine Brennerdüse mit großem Durchmesser, ein Nachlaufschild und eine Schutzgasvorrichtung zum Einsatz. Das Nachlaufschild und die Schutzgasvorrichtung schützen das Schweißgut bei Temperaturen über 400 °C mit Argon oder einem Argon-Stickstoff-Gemisch, damit es nicht oxidiert.
2. Kammerschweißen. Komplexe Schweißkonstruktionen lassen sich bei Temperaturen über 400 °C unter Umständen nur schwer wirksam abschirmen, weshalb sie möglicherweise in einer starren oder flexiblen Kammer geschweißt werden.
   1. Starre Kammer. Vor dem Schweißen muss die Kammer auf 1,3–13 Pa evakuiert und anschließend mit Argon oder einem Argon-Helium-Gemisch befüllt werden. Der Brenner kann relativ einfach aufgebaut sein und auf eine Nachlaufabschirmung verzichten; während des Schweißens ist kein zusätzlicher Schutzgasstrom erforderlich.
   2. Flexible Kammer. Die Luft kann entweder durch Evakuieren der Kammer vor dem Schweißen oder durch wiederholtes Falten und Spülen mit Argon entfernt werden. Da die Reinheit des Schutzgases in einer flexiblen Kammer geringer ist, wird weiterhin ein herkömmlicher Schweißbrenner verwendet, und die Schutzgaszufuhr muss während des gesamten Schweißvorgangs aufrechterhalten werden.

Metall-Inertgasschweißen (MIG)

Das Metall-Schutzgasschweißen (GMAW oder MIG) wird üblicherweise für mittelstarke und dicke Werkstücke eingesetzt. Der Kurzschlussübertrag ist für dünnwandige Werkstücke geeignet, während der Sprühübertrag für mittelstarke und dicke Werkstücke geeignet ist.

Im Vergleich zum GTAW weist das GMAW eine höhere Wärmezufuhr auf. Da mehr Schweißdraht aufgebracht wird, ist in der Regel ein größerer Fugenwinkel erforderlich. Bei Werkstücken mit einer Dicke von 15–25 mm wird üblicherweise eine 90°-Einzel-V-Fuge oder eine I-Fuge mit einem Spalt von 1–2 mm und jeweils einem Schweißgang pro Seite verwendet. GMAW kann die Anzahl der Lagen verringern, die Porosität reduzieren und die Produktionskosten senken. Ein nachlaufender Schutzschild ist weiterhin erforderlich. Da der Abschnitt der Schweißnaht, der Temperaturen über 400 °C ausgesetzt ist, länger ist als beim GTAW, muss auch der nachlaufende Schutzschild länger und wassergekühlt sein. Der wesentliche Nachteil ist eine stärkere Schweißspritzerbildung.