Worauf kommt es beim Titan Schweißen an? Welches Schutzgas ist zu verwenden und welche unterschiedlichen Titan Schweißverfahren gibt es und wann werden sie angewendet? Um Titan zu schweißen, bedarf es genauer Kenntnisse über die Beschaffenheit des Werkstoffes, die verschiedenen Verfahren zum Fügen dieses außergewöhnlichen Materials und entsprechende Erfahrung im Umgang mit den angewendeten Schweißverfahren.
Die besonderen physikalischen wie chemischen Eigenschaften des seltenen Werkstoffes machen ihn attraktiv für zahlreiche hochtechnologische Anwendungen.
Was macht Titan so besonders?
Titan ist ein beliebter Mikrolegierungsbestandteil für Stahl. Bereits geringe Konzentrationen von 0,01 bis 0,1 % im Stahl verbessern dessen Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität merklich. Noch interessanter ist, dass Titan ein ausgesprochen gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist. So ist das Material auch bei geringer Stärke sehr steif und hält großen Belastungen stand. Reines Titan hat eine hohe Temperaturbeständigkeit (Schmelzpunkt 1668 °C), eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte (4,507 g/cm3).
Titan ist keineswegs selten, mit einem Gehalt von 0,565% steht es sogar an neunter Stelle der Elementhäufigkeit innerhalb der Erdkruste. Reines Titan kommt in der Erde allerdings kaum, es ist größtenteils an Sauerstoff gebunden und liegt dann in Form von Titanoxiden vor. Es wird meistens aus Ilmenit (FeTiO3) oder Rutil (TiO2) gewonnen. Die Gewinnung nach dem sogenannten Kroll-Prozess ist langwierig und aufwendig, so ergibt sich ein hoher Rohstoffpreis für Titan. Die Preise für Titan sind relativ stabil, seit 2016 steigt der Preis für die Ausgangsrohstoffe allerdings stetig an.
Titan Eigenschaften und Verwendung
Titan ist somit ca. 40 % leichter als rostfreier Stahl, jedoch 60 % schwerer als Aluminium. Der Werkstoff selbst hält bei Temperaturen von bis zu 1650 °C kurzen, sehr hohen mechanischen Belastungen stand und gilt als guter elektrischer Leiter, wobei er eine zwölfmal niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweist. Zusätzlich ist Titan korrosionsbeständig.
Titan ist durch diese Eigenschaften ein gern genutzter Werkstoff in der Hochtechnologie, so findet es hauptsächlich Verwendung:
- in der Luftfahrttechnik
- in der Raumfahrt
- in Rennfahrzeugen (insbesondere für Abgasanlagen und Federungen)
- beim Schiffsbau
- und bei Anwendungen, die hohe Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht erfordern
Was macht das Titan Schweißen so besonders?
Da Titan bei hohen Temperaturen mit atmosphärischem Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff reagiert, sind zum Titan Schweißen alle Schweißverfahren von vornherein ausgeschlossen, bei denen die Schmelze mit diesen Elementen in Kontakt kommen kann. Sonst ist eine Versprödung des Titans die Folge. Das autogene Schweißen ohne Schweißgas ist also keine Option zum Titan Schweißen.
Metall Schutzgas Schweißen wie das WIG- und MIG-Verfahren finden Anwendung, wenn es darum geht, Titan zu schweißen. Die Edelgasatmosphäre, die das Schutzgas bildet, schirmt das Schweißbad von der Umgebungsluft ab. Diese Schweißverfahren machen sich hauptsächlich Firmen im Behälter- und Apparatebau zunutze.
Weitere Verfahren zum Fügen von Titan und mit Titan legierten Stählen sind:
- das Plasmaschweißen
- das Widerstandschweißen
- das Elektronenstrahlschweißen
- das Diffusionsschweißen
- das Reibschweißen
- sowie das Sprengschweißen
Wichtig: Richtige Schutzgasanwendung während und nach dem Titan Schweißen
Sachgemäßes Titan Schweißen mit dem passendem Schweißgas verspricht Schweißnähte, deren Eigenschaften denen des Grundmaterials sehr nahekommen. Geringfügige Duktilitätsverluste in den aufgeschmolzenen Bereichen sind durch die gröbere Gefügestruktur bedingt. Die Nähte sind außerdem in ihrer Korrosionsbeständigkeit gleichwertig, solange sie unter Schweißgas auskühlen konnten und das Grundmaterial nicht bereits angegriffen wurde.
Beim Titan Schweißen von reinen Werkstoffen ist keine Wärmebehandlung erforderlich, solange keine hochkomplexen Bauteile oder mehrlagige Schweißungen vorliegen. Lediglich nach dem Schweißen von Titanlegierungen ist ein Spannungsarm- oder Rekristalisationsglühen empfehlenswert, da diese Verfahren den Abbau von Spannungen im fertigen Werkstück gewährleisten.
Die verschiedenen Titan Schweißverfahren im Detail
Die oben genannten Titan Fügungsverfahren unterscheiden sich jeweils in ihrer Anwendung und den Produktionsabläufen, hier werden sie nochmal detailliert erläutert.
Titan Schweißen mit WIG und MIG
Zum Titan Schweißen eignet sich das Metall Schutzgas Schweißen, da dieses Verfahren das Schweißbad durch ein Schutzgas abschirmt. Das WIG- sowie das MIG-Verfahren sind üblich im Behälter und Apparatebau, bei denen Bleche und dünnere Werkstücke miteinander zu fügen sind. Der Schweißvorgang erfolgt mittels Gleichstrom und negativ gepolter Elektrode.
Das Titan Schweißen findet unter Edelgasatmosphäre statt, meistens besteht verwendete Schweißgas aus Argon. Wichtig beim Titan Schweißen ist, dass das Schutzgas eine hohe Reinheit aufweist. Argon mit einer Reinheit ab 4.8 und höher ist hier durchaus üblich, da bereits eine Reinheit von nur 4.6 zu niedrig sein kann und sich unsaubere, brüchige und spröde Nähte bilden.
Wichtig: Richtige Vorbereitung und Schutzgas beim Auskühlen
Wie bei den meisten Schweißverfahren ist auch beim Titan Schweißen auf absolute Sauberkeit zu achten. Die Vorarbeiten, wie das Reinigen und die rückstandslose Entfernung von Ölen, Fetten und Schmutz sind unabdinglich, um Einschlüsse und unsaubere Schweißnähte zu vermeiden. Als Reinigungsmittel eignen sich üblicherweise reiner Alkohol oder Aceton.
Beim Titan Schweißen unter Schutzgas ist auch die Nachlaufzeit der Gaszufuhr passend einzustellen. Ist das Werkstück noch nicht unter 300 °C ausgekühlt, kommt es zu Reaktionen mit der Umgebungsluft, welche die Beständigkeit und Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigen. Der Verbrauch des Schweißgases liegt in etwas bei 6 bis 8 l pro Meter.
Die Auswahl des Schweißzusatzes gestaltet sich einfach, da dieser lediglich der gleichen Titangruppe angehören sollte. Alternativ ist auch ein Blankdraht einer niedrigeren Gruppe verwendbar.
Direkte Qualitätsprüfung anhand der Färbung der Schweißnaht
Die Schweißnaht sollte nach dem Titan Schweißen möglichst Silbern glänzen. Eine hellblaue oder gelbe Färbung der Schweißnaht deutet darauf hin, dass das Werkstück nicht optimal verschweißt wurde. Färbt sich die Naht nach dem vollständigem Erkalten Blau oder Grau, ist sie vermutlich nach innen kontaminiert worden und hält wahrscheinlich keiner Belastung stand. In diesem Fall muss eine Setzung der Naht stattfinden.
Titan Plasmaschweißen
Das Titan Schweißen durch das Plasmaschweißverfahren findet vorwiegend beim Fügen von Titanplatten von 3 bis 20 mm Anwendung. Diese Methode zeichnet sich durch eine hohe Schweißgeschwindigkeit aus, wodurch sie bei größeren Stückzahlen auch effizienter und wirtschaftlicher ist. Qualitativer Gewinn ergibt sich aus einer größeren Einbrandtiefe, die eine höhere Stabilität und größere Festigkeit verspricht.
Da diese Technik sehr kostspielig ist und sich nur bedingt eignet, um Zwangslagen zu schweißen, findet sie seltener Gebrauch und muss sich durch höhere Stückzahlen rentieren, um einen wirtschaftlichen Mehrwert zu erzielen.
Titan Widerstandsschweißen
Wie eingangs erwähnt, ergeben sich Probleme in Bezug auf Beständigkeit, Festigkeit und Sprödigkeit beim Titan Schweißen ohne Schweißgas. Jedoch bildet das Punktschweißen eine Ausnahme: Der sehr kurze Stromstoß in Verbindung mit der geringen thermischen Leitfähigkeit des Materials lässt ein Schweißen ohne Schutzgas zu.
Finden Kupferbasiselektroden mit flachem Kopf bis zu 75 mm Verwendung, lassen sich in der Schmelzzone hohe Scherfestigkeiten bei kleinen Elektrodeneindrücken und wenig Spritzern erreichen.
Beim Rollennahtschweißen und Abbrennstumpfschweißen muss jedoch aufgrund der längeren Schweißzeit und hohen Ströme wiederum eine Argonschutzatmosphäre wie beim WIG- und MIG-Schweißen vorhanden sein, damit die ausgekühlte Naht porenfrei und ohne Einschlüsse ist.
Titan Elektronenstrahlschweißen
Zum Schweißen von Titan ist das Elektronenstrahlschweißen besonders geeignet, da dieses Verfahren mit einer geringen Wärmeeindringtiefe auskommt. Daraus ergeben sich geringe Schweißspannungen und Materialverzug.
Mit dieser Technik lassen sich I-Nähte ohne Schweißzusatz bei Materialstärken von bis zu 100 mm realisieren.
Da das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum stattfindet, ist kein Schutzgas notwendig. Die hohe Leistungsdichte im Elektronenstrahl macht darüber hinaus sehr schmale Nähte möglich, die sich durch geringe Wärmeeinflusszonen auszeichnen.
Es lassen sich hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielen und die Reproduzierbarkeit der Qualität solcher Schweißnähte ist unerreichbar.
Titan Diffusionsschweißen
Das Diffusionsschweißen zeichnet sich durch eine Verbindung zweier Werkstücke unter hohem Druck und hoher Temperatur ohne lokales Aufschmelzen aus. Dies geschieht, wie beim Elektronenstrahlschweißen, im Vakuum oder unter einer Atmosphäre aus Schutzgas. Vorteilhaft ist, dass sich durch die fehlende Aufschmelzung in der Fügezone ein ähnliches Gefüge wie im Grundwerkstoff erreichen lässt.
Die Schweißstelle ist bei idealer Ausführung des Verfahrens nachher nicht mehr zu erkennen und entspricht der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Grundwerkstoffes.
Charakteristisch für Titan ist, dass eine homogene Bindung im festen Zustand leichter erreicht werden kann, als bei anderen Werkstoffen. Darum eignet sich das Diffusionsschweißen für dieses Material ausgezeichnet.
Der hohe Aufwand macht das Verfahren kostspielig und es findet nur in hochtechnischen Nischen Anwendung. Nur wenige Firmen und Forschungseinrichtungen beherrschen diese Technik einwandfrei, sodass sich der Einsatz auf spezielle Anwendungen beschränkt.
Titan Laserschweißen
Das Laserschweißen verspricht wie das Elektronenstrahlschweißen geringe Schweißspannungen und geringen Verzug im Material. Dies lässt sich durch die hohe Energiedichte des Laserstrahls erklären, welcher für ein schmales Schmelzbad sorgt und hohe Schweißgeschwindigkeiten zulässt.
Die Schweißnahttiefe und die dadurch resultierende maximale Materialdicke, die sich durch dieses Verfahren schweißen lässt, hängt von der Intensität des Lasers ab. Erreichbar sind Breite-Tiefe-Verhältnisse von 1:5, wodurch auch Durchschweißungen von Bauteilen möglich sind.
Titan Schweißen mit CO2- und Nd:Yag Laser
Titan sowie Titanlegierungen lassen sich mithilfe von CO2-Lasern und sogenannten Nd:Yag Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) bis zu einer Dicke von 12 mm fügen. Die Leistung des Lasers bestimmt dabei die maximal schweißbare Dicke und die Schweißgeschwindigkeit.
Sonst schwer zugängliche Stellen und komplizierte Formen lassen sich durch Linsen, Spiegel und Lichtleitfasern ebenfalls gut verschweißen.
Um Aufhärtungen im Bereich der Schmelzzone zu vermeiden, ist bei dieser Technik Schweißgas in Form von Argon zu verwenden.
Titan Reibschweißen
Das Titan Schweißen durch das Reibschweißverfahren hat den großen Vorteil, dass keine schmelzflüssige Phase während des Fügens auftritt. Die Verbindung der Werkstücke erfolgt bei Temperaturen, die sonst zur Warmumformung genutzt werden. Dabei hat das Titan eine teigige Konsistenz.
Fehler beim Aufschmelzen und Erstarren wie Lunker, Poren, Risse und grobkörnige Gefüge treten somit nicht auf. Die kurze Schweißzeit, die zur Verbindung notwendig ist, schließt die Gefahr von Gasaufnahme ebenfalls aus.
Das Reibschweißverfahren kommt ohne Schutzgas aus. Sinnvoll ist die Anwendung dieser Technik bei großflächigen Verschweißungen, wobei die 3D-Gestaltung der Bauteile bedingt durch die schnelle Rotation eingeschränkt ist.
Das Verfahren ist beliebt im Flugzeug-, Schiffs- und Autobau sowie in der Raumfahrttechnik.
Lässt sich Titan mit anderen Metallen fügen?
Titan mit anderen Werkstoffen zu fügen gestaltet sich als schwierig, ist aber möglich. Das Problem liegt dabei an der Bildung von intermetallischen Phasen, die dazu neigen, stark zu verspröden. Diese Schweißnähte sind durch ihre geringe Festigkeit untauglich für stabile Schweißkonstruktionen.
Lediglich Silber, Vanadium, Niob und Hafnium lassen sich durch das WIG-Verfahren mit Titan verbinden und versprechen haltbare Schweißnähte, die größeren Belastungen standhalten.
Zur Erzeugung brauchbarer Kupfer-Titan-Verbindungen ist Niob ein geeigneter Werkstoff für Zwischenlagen. Silber ist hingegen für Aluminium-Titan-Verbindungen geeignet.
Diese Verbindungen sind in der Praxis jedoch selten und lassen sich nur sehr aufwendig herstellen, da zahlreiche Zwischenlagen notwendig sind. Sie gelten als unwirtschaftlich und werden nur hergestellt, wenn es sich nicht vermeiden lässt.
Sprengplattieren als alternative Fügungsmethode zum Titan Schweißen
Das Reibschweißen von Titan und anderen Metallen wie korrosionsbeständigem Stahl und Aluminium ist ebenfalls möglich, wobei aber die geometrischen Möglichkeiten der Bauteile eingeschränkt sind. Zudem ist ein Festigkeitsverlust an der Schweißnaht kaum zu vermeiden.
Großflächige Verschweißungen lassen sich durch sogenanntes Sprengplattieren realisieren. Brisante Sprengstoffe mit Detonationsgeschwindigkeiten von 2000 bis 5000 m/s werden ganzflächig aufgetragen und sorgen bei Zündung dafür, dass sonst schwer zu fügende Materialien sich verbinden.
Titan Schweißen: Werkstoff der Spitzentechnologie
Titan Schweißen ist anspruchsvoll, kostspielig und erfordert viel Erfahrung mit dem Werkstoff und den angewandten Schweißverfahren. Die Verwendung von Titan und insbesondere Titanlegierungen beschränkt sich auf hauptsächlich auf Spezialanwendungen und hochwertige Endprodukte. Firmen, die diese Techniken einwandfrei beherrschen, sind in der Regel hoch spezialisiert und haben viel Erfahrung mit dem Werkstoff Titan.
Essentiell für die meisten Verfahren (insbesondere für das Metall Schutzgas Schweißen) ist die Nutzung von Argon als Schweißgas mit hohem Reinheitsgrad, die sehr sorgfältige Vorbereitung der zu fügenden Stellen sowie die korrekte Einstellung der Schweißparameter.
Das Titan Schweißen ist dementsprechend ein Handwerk, das viel Aufwand erfordert und sich nur anbietet, wenn die speziellen physischen und chemischen Eigenschaften des Titans unabdingbar, um die lang anhaltende Funktionstüchtigkeit des fertigen Bauteils zu gewährleisten.
