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Beim Fügen von Titan-Bauteilen dominiert das WIG-Schweißen

29.09.2006 | Redakteur: MM

Wegen seiner vorteilhaften physikalischen Eigenschaften findet Titan vermehrt Anwendung, vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie im chemischen Apparatebau. Entsprechend gewinnen auch die...

Wegen seiner vorteilhaften physikalischen Eigenschaften findet Titan vermehrt Anwendung, vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie im chemischen Apparatebau. Entsprechend gewinnen auch die Fügeverfahren an Bedeutung. Neben dem Kleben und Löten spielt dabei das WIG-Schweißen die wichtigste Rolle, wobei besonders auf eine Schutzgas-Abschirmung der Schweißstelle und der über 300 °C erwärmten Zonen zu achten ist.Titan ist ein verhältnismäßig neuer Werkstoff, der in letzter Zeit immer häufiger im chemischen Apparatebau, im Motoren- und Turbinenbau sowie in der Flug- und Raumfahrtindustrie vermehrt als Konstruktionswerkstoff eingesetzt wird. Dabei spielt die Fügetechnik eine wichtige Rolle und es sind häufig Klebe-, Löt- oder Schweißprobleme zu lösen.Für die Verwendung von Titan sprechen die folgenden Vorteile:- Das geringe spezifische Gewicht von nur 4,5 g/cm3. Titan ist demzufolge etwas mehr als halb so schwer wie Stahl. - Sehr hohe Festigkeitswerte. Reines Titan hat eine Zugfestigkeit bis zu 750 N/mm2. Titan-Legierungen erreichen Zugfestigkeitswerte bis zu 1850 N/mm2.- Eine ganz besonders hohe Korrosionsbeständigkeit - ähnlich der von Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle.Doch kein Licht ohne Schatten und so hat Titan auch seine Nachteile. Der gravierendste ist sein hoher Preis. Ein Kilogramm kostet etwa 100 DM. Im Vergleich hierzu liegt der übliche 18.8 Chrom-Nickel-Stahl der Qualität 1.4301 bei einem Kilogrammpreis von 4 DM. Ein weiteres Manko ist, dass Titan sich an der Luft nicht auf mehr als 300°C erwärmen darf, da es ansonsten seine Zähigkeitseigenschaften verliert.Diese Temperatureinschränkung sorgt aber dafür, dass sich vor allem die Klebetechnik, die ja für die Polymerisation in der Regel keine Wärmezufuhr benötigt, sehr gut für Titan eignet.Beim Kleben von Titan ist in ähnlicher Weise wie bei Chrom-Nickel-Stählen vorzugehen und die gleichen Gesichtspunkte zu beachten. Zu berücksichtigen sind die Grundsätze der klebegerechten Konstruktion: Vorwiegend nur Überlappverbindungen herstellen, weil die übliche Zugscherfestigkeit der Klebverbindungen meist nicht mehr als 20 N/mm2 beträgt.Grundsätzlich ist Titan mit einer rotierenden Drahtbürste aus rostbeständigen Stahl aufzurauen und dann mit Tetrachlorkohlenstoff zu entfetten. Anschließend empfiehlt sich ein etwa drei Minuten langes Ätzen in einer 15-prozentigen Flusssäure. Hiernach ist der vom Ätzbad stammende braune Belag mit Dampf zu behandeln und die zu verklebenden Oberflächen abzutrocknen. Statt der Dampfbehandlung kann auch der braune Belag mit einer harten Bürste unter fließenden Wasser entfernt werden.Höhere Festigkeiten in der Klebeverbindung sind durch Sandstrahlen mit rostbeständigem Stahlkies zu erzielen. Ferner ist zu beachten, dass die zu verklebenden Oberflächen parallel aufeinander liegen und der Klebespalt nicht mehr als 0,1 bis 0,15 mm beträgt. Hierdurch werden die weit höheren Adhäsionskräfte und nicht die viel geringeren Kohäsionskräfte für die Kraftübertragung herangezogen.Für großflächige Verklebungen eignen sich EpoxidharzeFür Titan-Werkstoffe empfehlen sich sowohl Einkomponenten- als auch Zweikomponenten-Klebstoffe. Als Einkomponentenklebstoffe kommen sowohl Zyanoacrylate als auch Polyacryldiester in Frage. Bei den zweikompontigen Klebstoffen hat sich vorwiegend Epoxydharz durchgesetzt.Zyanoacrylate sind kalt aushärtende Einkomponentenklebstoffe, die durch Luftfeuchtigkeit polymerisieren. Die Aushärtung auf Handfestigkeit geschieht innerhalb weniger Sekunden. Die Endfestigkeit wird in 24 Stunden erreicht. Zyanoacrylat-Klebstoffe sind besonders für kleine Fügeflächen geeignet und empfehlen sich speziell dort, wo Temperaturen von 80 bis 100 °C nicht überschritten werden.Polyacryldiester sind anaerob aushärtende Klebstoffe und härten durch Entzug von Luftsauerstoff aus. Es sind reine Einkomponentenprodukte, die meist ohne einen beizumischenden Reaktionspartner bei Raumtemperatur verfestigen. Beim Verkleben von Titan muss in der Regel die zu verklebende Titanoberfläche mit einem so genannten Aktivator vorbehandelt werden.Für großflächigere Verklebungen empfehlen sich die durch Polyaddition aushärtende Epoxydharze. Diese Klebstoffe lassen sich ohne Anwendung von Druck aushärten. Sie benötigen bei Raumtemperatur etwa zwölf Stunden und bei Erwärmung auf etwa 180 °C kann mit einer Aushärtedauer von nur 3 bis 5 Minuten gerechnet werden.Titan-Verklebungen sind besonders bei großflächigen Verbindungen sinnvoll, wo Bleche überlappt gefügt werden können. Die erreichbare Zugscherfestigkeit beträgt etwa 20 bis 30 N/mm2 bezogen auf Raumtemperatur. Der Einsatz von Titan-Klebeverbindungen reicht bis zu Betriebstemperaturen von etwa 120 bis 130 °C, wobei hier nur Zugscherfestigkeiten von etwa 2 bis 3 N/mm2 erreicht werden.Ähnlich wie beim Schweißen müssen auch für das Löten von Titan-Werkstücken die Verbindungsflächen zunächst gründlich gereinigt werden. Grundsätzlich ist sowohl das Weichlöten als auch das Hartlöten bei Titan anwendbar. Wegen der unangenehmen Eigenschaft von Titan an der Luft bei Temperaturen über 300 °C zu verspröden soll entweder weichgelötet werden oder das Löten in Vakuum oder unter Schutzgas stattfinden. Letztere Verfahren bedingen jedoch sehr aufwendige Einrichtungen wie Vakuum-Lötöfen oder Schutzgas-Lötanlagen.Weichgelötet wird Titan bei Temperaturen zwischen 200 und 305 °C. Dabei kann es bezüglich der Benetzbarkeit der Lötflächen Schwierigkeiten geben. Es empfiehlt sich daher die Titan-Verbindungsflächen mit Kupfer oder Silber galvanisch vorzubehandeln. Als übliche Lote zum Weichlöten kommen Zinn-Blei-Verbindungen, Aluminium-Zinn oder Zinn-Zink-Lote in Frage. Für das Auftragen der Titan-Lote empfiehlt sich neben dem Lötkolben vor allem der Propangas-Lötbrenner.Bei den hohen Temperaturen des Hartlötens treten Schwierigkeiten auf, da Titan - wegen Verlust seiner Zähigkeitseigenschaften - nicht über 300 °C erwärmt werden soll. Aus diesem Grunde werden bevorzugt Hartlote für Titan auf der Basis Silber-Kupfer-Lithium herangezogen. Gut zum Löten geeignet sind die Titan-Legierungen TiA16V4, TiA15Sn2 und TiA18Mo. Bevorzugt wird das Hartlöten von Titan im Muffelofen unter Argonschutz angewandt. Weitere Wärmequellen für das Hartlöten von Titan sind die Azetylenflamme, HF-Induktionsspulen, Infrarotstrahler sowie Schutzgaslichtbogen mit Graphit- und Wolframelektroden und in einzelnen Fällen das Widerstandserwärmen mit Hilfe einer Punktschweißmaschine.Beim Löten bilden sich spröde intermetallische PhasenSollte jedoch nicht im Vakuum oder unter Schutzgas hartgelötet werden, sind Flussmittel erforderlich, welche die Oxidschichten aufzulösen haben und vor weiterer Gasaufnahme schützen sollen. Für Silberlote sind Flussmittel geeignet, die aus Mischungen von Alkalichloriden und Alkalifluoriden mit geringen Zusätzen an Silberchlorid oder auch an Kupferchlorid bestehen.Die Aussagen über das Löten von Titan sollen nicht darüber hinwegtäuschen, dass diese Verbindungstechnik ihre Probleme mit sich bringt: Spröde intermetallische Phasen, die die Zähigkeitseigenschaften beeinflussen. Ferner können die Flussmittel die erwärmten Werkstoffzonen nicht restlos gegen eine Aufnahme von atmosphärischen Gasen schützen. Es ist daher ratsam, entsprechende Versuche vor dem Löten durchzuführen und sich eher dem Schweißen von Titan zuzuwenden.Wärmeausdehnung von Titan ist geringer als bei StahlDas wichtigste Verbindungsverfahren für Titan ist ohne Zweifel das Schweißen. Im Besonderen das WIG-Schutzgasschweißen, was im Weiteren noch ausführlicher erörtert werden soll. Wenig Bedeutung haben Warmpressschweißen, Diffusionsschweißen, Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen. Einige für das schweißtechnische Verhalten wichtige physikalische Eigenschaften von Titan bezüglich Chrom-Nickel-Stahl X12CrNi19.9 sind in Bild 1 gegenübergestellt.Während der Schmelzpunkt von Titan um rund 200 °C über dem von Stahl liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit für Titan und seine Legierungen nur halb so groß wie die von rostbeständigem Stahl. Die Unterschiede heben sich somit beim Schweißen auf, so dass bei etwa gleich großer Schmelzwärme die Titan-Werkstoffe genauso wie die Chrom-Nickel-Stähle geschweißt werden können. Günstig bei Titan ist hierbei die im Vergleich zu rostbeständigem Stahl geringere Wärmeausdehnung, die demnach auch zu geringeren Schrumpfungen und Spannungen führt.Die auffallendste und zugleich unangenehmste Erscheinung beim Schweißen ist die Eigenschaft von Titan, bei etwa 300°C Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aufzunehmen. Diese chemischen Verbindungen sind sehr spröde und müssen deshalb unbedingt vermieden werden. Abgesehen von dieser Einschränkung ist der größte Teil aller Titan-Werkstoffe durch eine gute Schweißeignung gekennzeichnet.Werden die in der Schweißtechnik bekannten Grundsätze der Sauberkeit und der Nahtanordnung berücksichtigt, so sind weder Risse noch Poren in den Schweißnähten zu erwarten. Lediglich einige hochfeste Titan-Legierungen, wie zum Beispiel TiAlMo4, TiAlMoV3, TiA1VSn2 und TiV13Cr11A13 neigen wegen ihres hohen Verhältnisses von Streckgrenze zu Zugfestigkeit zu einer verzögerten Rissbildung, zu Spannungsrisskorrosion und zum Aufhärten. Ein Spannungsarmglühen oder eine vollständige Wärmebehandlung kann hier Abhilfe schaffen.Kritische Temperatur liegt bei 300 °CFür den Schweißer ergibt sich daher die besonders sorgfältig zu beachtende Arbeitsvorschrift, die Schweißkanten, den Zusatzwerkstoff und alle Werkstückzonen, die während des Schweißens mehrmals einer Temperatur von 300 °C ausgesetzt sind, gründlich von Fett, Zunder und allen sonstigen Verschmutzungen zu säubern. Darüber hinaus müssen diese Werkstückzonen unmittelbar vor dem Schweißen vor der Atmosphäre geschützt werden, bis die kritische Temperatur von etwa 300 °C unterschritten ist.Im Anlieferungszustand ist Titan, ähnlich wie Aluminium, mit einer Oxidschicht überzogen, die vor dem Schweißen entfernt werden muss. Hierzu ist folgende Behandlung zu empfehlen: Vorreinigen mit Azeton und Spülen mit warmen Wasser, dann Beizen mit 35% HNO3 + 5% H2F2 + 60% H2O, Nachspülen mit warmen Wasser und Trocknen an Luft. Ist die zu verschweißende Titanoberfläche in optisch sehr guten und augenscheinlich reinem Zustand, so genügt auch das Reinigen mit einer Bürste aus rostbeständigem Stahl. Bei ganz besonders verschmutzten Oberflächen ist vor dem Schweißen ein Sandstrahlen und dann die beschriebene Beizbehandlung vorzunehmen.Jede Reinigung sollte unmittelbar vor dem Schweißen beginnen und nach Möglichkeit mit gründlichen Spülen und Trocknen in warmer Luft beendet werden. Die Anarbeitung der Schweißkanten hat ähnlich wie bei normalem Baustahl zu erfolgen.Das WIG-Verfahren bietet sich aufgrund wichtiger Vorteile besonders für das Schweißen von Titan an. Die Arbeitstechnik ähnelt dem Schweißen anderer Metalle wie Chrom-Nickel-Stahl. Da praktisch in jedem stahlverarbeitenden Betrieb WIG-Schweißgeräte vorhanden sind, erfordert das Schweißen von Titan in der Regel bis auf Abschirmvorrichtungen keine größeren Investitionen. Der Schweißvorgang selbst ist gut zu übersehen und zu beherrschen.Ein einfacher Schweißversuch mit dem WIG-Brenner zeigt jedoch anhand der Anlauffarben, dass der übliche Argon-Schutzmantel die Bedingungen für einen ausreichenden Schutz des gasempfindlichen Titans nicht erfüllt. Die deshalb zusätzlich erforderlichen Maßnahmen reichen von geringen Veränderungen am Schweißbrenner bis zu umfangreichen und aufwendigen Schutzgaskammern. In der Regel erfolgt das Titan-Schweißen mit einer örtlichen Schutzgasabschirmung. Die Schweißstelle wird hierbei allseitig durch Schutzgas abgeschirmt.Bild 2 zeigt Kupferschienen als Wurzelschutz, wie man sie beim Schweißen von Titan verwenden kann. Dabei ist die Oberseite des Werkstückes der Luft ausgesetzt und muss ebenfalls abgeschirmt werden. Hier hat sich in erster Linie eine an den WIG-Schweißbrenner zu befestigende Schleppdüse bestens bewährt. Am WIG-Brenner wird ein etwa 80 bis 100 mm langer und rund 30 mm breiter Blechkasten montiert, der mit einem Sintermetall ausgefüllt ist.Diesem wird über einem Schlauch Argon zugeführt. Es erfolgt nun über der Schweißnaht während des Auskühlens ein Argon-Schutzgasstrom, der den Zutritt der Luft an die noch erhitzte Schweißstelle verhindert. Bild 4 zeigt nochmals den Einsatz dieses SpezialWIG-Brenners beim Schweißen von Stumpfnähten.Schutzgaskammer verhindert GasaufnahmeBeim Titan-Schweißen von Kehlnähten ist ebenfalls ein Brenner mit Schleppdüse erforderlich (Bild 5). Die Unterseite des Werkstücks muss dabei mit Argon gespült und die Rückseite des stehenden Bleches mit Argon-Schutzgas gegenüber der Luft abgedeckt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schweißstelle nicht über 300 °C erwärmen zu lassen. Dies kann beispielsweise durch Abkühlen während des Schweißens mit einem kalten Wasserstrahl geschehen.Beim WIG-Schweißen von Titan in Schutzgaskammern besteht eine relativ einfache Möglichkeit darin, einen über das Werkstück hinausreichenden Blechkasten anzufertigen, in diesem das zu schweißende Titan-Werkstück zu legen und von unten Argon-Schutzgas einströmen zu lassen. Da Argon schwerer als Luft ist, müsste es normalerweise das Schweißstück in der Blechschachtel abdecken. Wenn aber geschweißt wird erwärmt sich das Werkstück und damit wird auch das Argongas wärmer. Es steigt empor, weil es jetzt leichter als Luft ist und die nun schwerere Luft gelangt an das heiße Titan-Schweißstück. Dadurch entstehen die Anlauffarben und damit die Versprödungen.Deshalb ist eine genügend hohe Blechschachtel vorzusehen, damit das Werkstück sehr tief unten liegt.Hermetisch abgeschlossene Kammern oder Hauben, die mit Schutzgas gefüllt sind, bieten die größte Sicherheit gegenüber Gasaufnahme, da auch Einflüsse aus Zugluft und eingewirbelter Luft ausgeschlossen sind.Bei den Überdruckkammern ist darauf zu achten, dass das Schutzgas vom Boden her laminar nach oben drückt und die Luft ohne Verwirbelung verdrängt wird. Am höchsten Punkt der Kammer muss eine Öffnung für die austretende Luft und das nachströmende Schutzgas vorhanden sein. Diese Art von Kammern lassen sich am besten mit Argon betreiben. Bei evakuierbaren Schutzkammern wird die Luft aus der Kammer abgesaugt und in das Vakuum dann Argongas mit etwa 10 l/min hineingepumpt.Manuelles WIG-Schweißen erfolgt mit GleichstromBei der manuellen Technik erfolgt das WIG-Schweißen mit Gleichstrom und negativ gepolter Wolframelektrode. Wegen des sehr ruhigen Lichtbogens wird eine Rein-Wolframelektrode empfohlen. In Bezug auf eine längere Standzeit kann jedoch auch eine Wolframelektrode mit 2 bis 4% Thorium verwendet werden. Als Schutzgas kommt ausschließlich Argon zum Einsatz, wobei WIG-Brenner samt Schleppdüse etwa 15 bis 20 l/min erfordern.Wie Bild 7 zeigt wird der WIG-Brenner unter 70° zur Oberfläche gehalten und der Schweißzusatz in einem Winkel von 30° tupfenweise zugegeben. Unmittelbar vor dem WIG-Schweißen müssen der Schweißbereich und die Zusatzdrähte mit einen chlorionenfreien Lösungsmittel gereinigt werden. Damit wird sichergestellt, dass weder Fingerabdrücke noch Staub auf der Schweißstelle verbleiben. Bezüglich der Schweißzusätze gilt die Regel: Zusatzwerkstoff = Grundwerkstoff.Das Schweißen von Titan ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie auch Chemieanlagenbau derzeit häufig im Einsatz. Jüngste Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Ventilatorenbau. Deshalb muss man sich immer mehr mit dem Schweißen von Titan auseinander setzen, wie früher mit dem Schweißen von Aluminium. Ähnlich wie vor über 100 Jahren der Preis von Aluminium enorm hoch war wird sich der derzeitige Titanpreis auch auf ein vernünftiges Niveau einpendeln und dem Werkstoff Titan zum Durchbruch verhelfen.

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