Titanschweißen: Abschirmung, Parameter und Kontrolle der Schweißfarbe

Warum das Schweißen von Titan eine besondere Kontrolle erfordert

Titan ist bei erhöhter Temperatur chemisch sehr aktiv. Bei Raumtemperatur ist es durch einen stabilen passiven Oxidfilm geschützt, aber sobald das Metall auf über etwa 400 Grad erhitzt wird, beginnt es Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu absorbieren, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die mit der Temperatur steil ansteigt. Im Schmelzbad ist die Affinität so stark, dass ungeschütztes Titanmetall innerhalb von Sekunden oxidiert und nitridiert.

Dieses Verhalten ist der Grund, warum das Titanschweißen durch die Atmosphärenkontrolle und nicht nur durch die Lichtbogentechnik gesteuert wird. Titan hat außerdem eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass die Lichtbogenwärme in der Nähe der Schweißnaht konzentriert bleibt, und einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Verformungen begrenzt und bei ausreichender Abschirmung zur Herstellung sauberer, stabiler Verbindungen beiträgt.

Wie interstitielle Elemente die Schweißnahteigenschaften verändern

Da Sauerstoff und Stickstoff die Härte erhöhen und gleichzeitig die Zähigkeit zerstören, ist das Aussehen der Schweißnaht ein praktischer Prozessindikator: Ein Farbwechsel von Silber über Gold über Blau nach Grau zeigt die Menge der absorbierten Verunreinigung an. Die meisten Titanqualitäten begrenzen den Kohlenstoffgehalt auf maximal 0,10 % und gängige handelsübliche Reinheitsgrade liegen bei maximal 0,08 %. Daher müssen das Werkstück und der Zusatzdraht vor dem Schweißen frei von Öl und Markierungsmasse sein.

Schutzgas und Nachlaufschutz

Eine Brennerabschirmung allein reicht für Titan nicht aus. Das Schweißbad wird durch das Brennergas geschützt, aber die erstarrte Schweißnaht und die angrenzende Wärmeeinflusszone bleiben nach dem Durchgang des Lichtbogens mehrere Sekunden lang über der Verunreinigungsschwelle. Sie müssen bis zum Abkühlen unter Schutzgas bleiben.

Verwenden Sie Argon mit einer Reinheit von 99,99 % oder besser als Fackelgas, Schleppgas und Stütz- oder Spülgas.

Bringen Sie einen nachlaufenden Schutz an, der dem Brenner folgt und die Schweißnaht und die von der Hitze betroffene Zone auf beiden Seiten abdeckt.

Spülen Sie das Innere von Rohr- und Behälterverbindungen, bis der Restsauerstoff im niedrigen ppm-Bereich liegt.

Überprüfen Sie den Taupunkt und die Durchflussrate am Auslass und vermeiden Sie Turbulenzen, die Luft in die Abschirmung ziehen.

Lassen Sie niemals zu, dass der Lichtbogen unterbrochen wird, während die Elektrode noch heiß und freiliegt; Der Post--Fluss muss fortgesetzt werden, nachdem der Lichtbogen gelöscht wurde.

Verbindungsvorbereitung und Reinigung vor dem Schweißen

Sauberkeit ist nicht optional. Oxidablagerungen, Schneidflüssigkeit, Fingerabdrücke, Markierungstinte und Bearbeitungsspäne führen Kohlenstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff in die Schweißnaht ein.

Bereiten Sie Schweißfasen durch maschinelle Bearbeitung statt durch Schleifen vor, sodass keine abrasiven Partikel oder eingebettete Verunreinigungen in der Verbindungsfläche verbleiben.

Mit einem geeigneten Lösungsmittel entfetten, dann die Oxidschicht durch Bürsten mit Edelstahldraht oder Säurereinigung entfernen und trocken wischen.

Behandeln Sie vorbereitete Verbindungen nur mit sauberen Handschuhen; Verwenden Sie nicht die gleichen Werkzeuge wie für Kohlenstoffstahl.

Bewahren Sie den Fülldraht bis unmittelbar vor der Verwendung in der Originalverpackung auf und wischen Sie ihn vor dem Zuführen ab.

Füllmetall wird aus der AWS-Klassifizierung A5.16 ausgewählt, zum Beispiel ERTi-2 für Grundmetall der Güteklasse 2 oder ERTi-5 für Ti-6Al-4V, und muss auf die Grundmetallsorte sowie auf die erforderliche Festigkeit und Duktilität der Verbindung abgestimmt sein.

Schweißparameter und Lichtbogenpraxis

Titan wird normalerweise durch Wolfram-Schutzgasschweißen mit negativer Gleichstromelektrode oder für Produktionsarbeiten durch Plasmalichtbogen-, Elektronenstrahl- oder Laserverfahren geschweißt. Die wesentlichen Regeln sind bei allen gleich: geringer Wärmeeintrag, kein Pendeln, keine übermäßigen Schwankungen der Fahrgeschwindigkeit und kontinuierliche Abschirmung.

Lichtbogenschläge, Spritzer und abrupte Änderungen der Fahrgeschwindigkeit führen zu lokaler Verunreinigung oder ungleichmäßiger Erstarrung. Wenn eine Verbindung neu positioniert werden muss, sollte die teilweise fertiggestellte Schweißnaht noch abgeschirmt werden, bis sie unter die Oxidationsschwelle abgekühlt ist.

Nach-Wärmebehandlung der Schweißnaht und Abnahme der Schweißfarbe

Wann immer die Konstruktion dies zulässt, sollte eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen vermieden werden, da jeder Wärmezyklus das Risiko einer weiteren Verunreinigung und eines Kornwachstums erhöht. Wenn eine Spannungsentlastung erforderlich ist, wird die Temperatur im Allgemeinen unter etwa 650 Grad gehalten und die Ofenatmosphäre muss Vakuum oder hochreines Inertgas sein. Das Werkstück muss sauber sein, bevor es in den Ofen gelangt, da sich Restöl zersetzt und Kohlenstoff ablagert.

Die Farbe der Schweißnaht ist das Standard-Akzeptanzkriterium für Titanfertigungen. Die Reihenfolge reicht von Silber-Weiß, was keine Oxidation bedeutet, über helles Stroh, dann tiefes Stroh und Blau, bis hin zu Grau oder Weiß, was starke Oxidation bedeutet. Silberne und helle Schweißnähte weisen auf eine akzeptable Abschirmung hin. Für unkritische Aufgaben kann tiefes Einstreuen toleriert werden. Blaue und graue Oberflächen weisen auf eine verunreinigte, harte und spröde Schweißnaht hin. Solche Verbindungen werden normalerweise eher entfernt und neu geschweißt als akzeptiert.

Zu den unterstützenden Prüfungen gehören Härteprüfungen über die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone, Biegeprüfungen, Röntgen- oder Eindringprüfungen der fertigen Verbindung und bei Druckgeräten die in der geltenden Bauordnung vorgeschriebene Druckprüfung.

FAQ

F: Warum ist die Farbe von Titanschweißnähten so wichtig?
Die Farbe spiegelt Oxidation wider: Silber bedeutet korrekte Abschirmung, Gold oder Stroh weisen leichte Oxidation auf und Blau oder Grau weist auf starke Verschmutzung mit verringerter Duktilität und Zähigkeit hin.

F: Welche Reinheit des Schutzgases wird zum Titanschweißen benötigt?
Als Brenner-, Nachlauf- und Hintergrundgas wird Argon mit einer Reinheit von 99,99 % oder besser verwendet, wobei das Innere der Verbindung auf einen sehr niedrigen Restsauerstoffgehalt gespült wird.

F: Sollten Schweißfasen aus Titan geschliffen oder maschinell bearbeitet werden?
Fasen werden maschinell bearbeitet und nicht geschliffen, sodass abrasive Partikel und eingebettete Verunreinigungen nicht in die Verbindung gelangen.

F: Ist bei Titan eine Wärmebehandlung nach-dem Schweißen erforderlich?
Es wird vermieden, sofern die Anwendung dies zulässt; Wenn Spannungsabbau vorgeschrieben ist, wird die Temperatur normalerweise im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre unter etwa 650 Grad gehalten.

F: Welches Zusatzmetall wird für Ti-6Al-4V verwendet?
ERTi-5-Füller gemäß AWS A5.16-Klassifizierung entsprechen Ti-6Al-4V-Basismetallen, während unlegierte Verbindungen der Güteklasse 2 normalerweise ERTi-2 verwenden.

F: Was passiert, wenn Titan beim Schweißen Wasserstoff absorbiert?
Die Schlagzähigkeit nimmt stark ab und die Hydridbildung versprödet die Verbindung, weshalb vor dem Schweißen sowohl Wasserstoffgrenzwerte als auch eine vollständige Entfettung erforderlich sind.