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Schweißen von Titan und Titanlegierungen 2.4 Schweißbarkeit von Titan und Titanlegierungen Es gibt immer noch einige Ingenieure, die das Schweißen von Titan als schwierig betrachten. Einer der Gründe liegt vermutlich in den Anforderungen hinsichtlich der Verwendung von Argon- oder Heliumgasschutz. Auch war Titanschweißen in der Vergangenheit eine Sache ausgewiesener Spezialisten.

Titan ist leichter zu schweißen Meinungen, denen aber widersprochen werden muss. Titan ist vielmehr leichter zu schweißen als viele andere metallurgisch komplexere Metalle und Legierungen. So ist Titan etwa aufgrund seiner guten Dehnungswerte grundsätzlich gut schweißbar. Zurückgegriffen wird auf Schweißprozesse, wie sie für rostfreie Stähle oder Nickelbasislegierungen verwendet werden. Das gilt auch für die Schweißausrüstungen. Unbedingt zu beachten ist aber, dass alle Prozesse, bei denen eine Verunreinigung durch Fe (Eisen) auftritt, vermieden werden.

Reintitan sehr leicht schweißbar Reintitan gilt als sehr leicht schweißbar. Je nach ihrer Phasenzusammensetzung sind Titanlegierungen dagegen schwieriger zu schweißen. β-Legierungen sind wiederum leichter zu schweißen als (α+β)-Legierungen. Im Allgemeinen besitzen Titanlegierungen im Vergleich zu Reintitan in der Schweißnaht geringere Duktilität und Zähigkeit.

Exzellent schweißbare Titansorten Als exzellent schweißbar gelten die gebräuchlichen Titansorten und Titanlegierungen der ASTM-Grade 1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 12, 13, 16, 17, 26 und 27. Hierbei handelt es sich um handelsreines Titan und um niedrige Legierungsgrade mit geringem Zusatz von etwa Pd, Ru, Mo. Ebenfalls als besonders gut schweißbar gelten die ASTM-Grade 9, 18 und 28 – also mit dem Legierungsgrad Ti-3AI-2.5V. Als gut bis befriedigend werden von Experten die Grade 23, 24 und 29 mit dem Legierungsgrad Ti-6AI-4V eingestuft.

2.4.1 Kontamination mit Fremdstoffen Unbedingt zu vermeiden ist eine Kontamination von Titan beim Schweißen mit Eisen. Außerdem muss ausgeschlossen werden, dass es zu einer Berührung mit Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff kommt – das gilt beim Vorbereiten auf das Schweißen, aber auch beim Schweißprozess selbst. So führt beispielsweise Wasserstoff zur Bildung von Titanhydrid, was eine Versprödung der Schweißnaht zur Folge hat.

Verunreinigungen beeinflussen Titan Auch Verunreinigungen durch Schweiß- und Salzrückstände beeinflussen das zu schweißende Titan negativ. Schwer geschädigt werden Titanbauteile durch Berührung mit Cadmium, Blei, Zinn, Gold, Zink und Silber. Um den Kontakt zu diesen Metallen auszuschließen, müssen persönliche Gegenstände wie Ringe, Uhren und Gürtelschnallen vorher abgelegt werden.

Halogene von Titan fern halten Halogene wie Fluor, Chlor, Brom und Jod sowie deren Verbindungen können Spannungsrisskorrosion bei erhöhten Temperaturen auslösen und müssen von Titan und von Titanlegierungen fern gehalten werden. Eine Gefahr für den Schweißprozess stellen aber auch Verschmutzungen dar, wie zum Beispiel Fingerabdrücke und Kleberrückstände. Wichtig ist es daher, solche Rückstände durch Aceton und Spiritus zu entfernen.

2.4.2 Veränderung des Titangefüges im Schweißprozess Bei 882 °C kommt es bei Titan und Titanlegierungen zu einer allotropischen Phasenumwandlung. Alpha, die hexagonal dichteste Packung, wird zu Beta, einem kubisch-raumzentrierten Gefüge. Das macht das Gefüge dieses Sonderwerkstoffs zu einem sehr komplexen, das der Umwandlung von Ferrit nach Austenit bei Eisen und Stahl ähnelt. Je nach Behandlung variiert das Gefüge stark. Zum Beispiel kann geglühtes Titan aus einem Gefüge im Gleichgewichtszustand mit gleichmäßiger Kornstruktur bestehen. Dagegen bildet schnell abkühlendes Titan metastabile Phasen wie etwa Martensit und Bainit, oder es kommt zu einem nadeligen Gefüge.

Verunreinigungen aus der Luft Verstärkt werden kann die Komplexität des Gefüges durch Verunreinigungen aus der Luft – etwa bei Sauerstoff und Stickstoff. Die hexagonal dichteste Packung bleibt unberührt, wenn es sich nur um geringe Mengen dieser Stoffe handelt. Weil Sauerstoff und Stickstoff kleine Elemente darstellen, lagern sie sich an Zwischenstellen des Gitters ein. Dabei verhindern sie die Bewegung von Versetzungen. Die Folge: Härte und Festigkeit nehmen zu, die Schweißverbindung versprödet.

Schnelles Oxidieren bei Erhitzung Beachtet werden muss außerdem, dass Titan bei der Erhitzung in normaler Luft sehr schnell oxidiert. Daher ist Titan immer unter Schutzgas wie Argon oder Helium zu schweißen, um einen Gefügeverfall zu verhindern.

2.4.3 Affinität zu atmosphärischen Gasen Unbedingt zu beachten ist also, dass Titan eine hohe Affinität zu den atmosphärischen Gasen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff besitzt. Aus diesem Grund scheiden beim Verbinden Schweißverfahren aus, bei denen das schmelzflüssige Metall mit einem dieser Elemente in Kontakt kommt. Ein solcher Kontakt ließe den Werkstoff verspröden. Daher ist ein autogenes Schweißen nicht möglich. Grundsätzlich gilt, dass Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Titanschweißnaht beeinträchtigt werden, falls unsachgemäß geschweißt wird. Abb. 16: Eingeschweißte Wärmetauscherrohre. Das Bild stellt beispielhaft eine gelungene Schweißung dar: Bei dieser Schweißung wurde erfolgreich auf die Affinität von Titan zu den atmosphärischen Gasen geachtet.


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Schweißbarkeit von Titan und Titanlegierungen  

Titan etwa aufgrund seiner guten Dehnungswerte grundsätzlich gut schweißbar.

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