Titan schweißen

Einführung in das Titanschweißen

Titanlegierungen werden aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und ihrer guten Biokompatibilität häufig in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten, in Automobilabgassystemen, in chemischen Geräten und in anderen Bereichen eingesetzt. Das Titanschweißen als Kerntechnologie im Herstellungsprozess von Titanlegierungen wirkt sich direkt auf die strukturelle Integrität und Leistung des Produkts aus. Da Titan extrem empfindlich auf Sauerstoff und Stickstoff reagiert, muss der Schweißprozess unter dem Schutz von hochreinem Inertgas durchgeführt werden, um die Qualität der Schweißnaht und die Materialeigenschaften zu gewährleisten.

Die Wahl des richtigen Schweißverfahrens und der richtigen Ausrüstung ist der Schlüssel zu einem effizienten und präzisen Titanschweißen. Unabhängig davon, ob es sich um manuelles Schweißen oder automatisierte Produktion handelt, erfordert die Titanschweißtechnologie vom Bediener professionelle Kenntnisse und reiche Erfahrung sowie die Ausstattung mit fortschrittlichen Schweißgeräten und Hilfswerkzeugen.

Schwierigkeiten beim Schweißen von Titanlegierungen

Titanlegierungen werden aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihres hohen Temperaturverhaltens häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Chemie, in der Medizin und in der High-End-Fertigung eingesetzt. Der Schweißprozess von Titanlegierungen steht jedoch vor vielen technischen Herausforderungen, insbesondere bei der Kontrolle der Schweißqualität und der strukturellen Leistung. Im Folgenden sind die häufigsten Schwierigkeiten beim Schweißen von Titanlegierungen aufgeführt:

Oxidation bei hohen Temperaturen und Gasverschmutzung

Titan reagiert bei hohen Temperaturen leicht mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und anderen Gasen zu einer spröden Schicht, die dazu führt, dass die Schweißnaht spröde wird, sich verfärbt oder sogar versagt. Ist das Schutzgas unrein oder wird der Schweißbereich beim Schweißen der Luft ausgesetzt, kommt es häufig zu blauen, violetten, grauen oder sogar weißen Verfärbungen – dies ist ein typisches Zeichen für eine Schweißnahtoxidation. Daher ist die Kontrolle der Reinheit und Abdeckung der Schutzatmosphäre einer der wichtigsten Schritte zur Sicherstellung der Schweißqualität.

Thermische Risse und Fugenverformungen

Titanlegierung hat einen kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Beim Schweißen wird die Wärme konzentriert und die Abkühlgeschwindigkeit ist hoch, was leicht zu thermischen Spannungen und Rissen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone führen kann. Gerade beim Schweißen von Blechen und dünnwandigen Rohren kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Schweißverformungen durch lokale Überhitzung oder ungleichmäßige Abkühlung.

Änderungen der metallographischen Schweißnahtstruktur

Thermische Schweißzyklen können leicht zur Vergröberung der Schweißzone der Titanlegierung führen, insbesondere α+β Titanlegierungen (wie Ti-6Al-4V), die aufgrund der Umwandlung der Struktur nach dem Schweißen harte und spröde Phasen erzeugen, wodurch die Zähigkeit und Ermüdungsleistung der Struktur verringert wird. Bei Druckbehältern oder Luftfahrtkomponenten, die lange Zeit dienen müssen, ist die metallographische Kontrolle der Schweißnaht besonders wichtig.

Unterschiedliche Schweißbarrieren aus Metall

Beim direkten Schweißen zwischen Titan und anderen Metallen wie Stahl, Edelstahl und Aluminium entsteht eine spröde intermetallische Verbindungsschicht, die zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung führt. Solche unterschiedlichen Metallverbindungen erfordern in der Regel das Einbringen von Zwischenübergangsmaterialien oder den Einsatz spezieller Schweißtechniken wie Sprengschweißen, Laserschweißen und Diffusionsschweißen, um eine zuverlässige Verbindung zu erreichen.

Vorbereitungs- und Reinigungsanforderungen vor dem Schweißen

Beim Schweißen von Titanlegierungen entscheidet die Qualität der Vorvorbereitung direkt über den Erfolg oder Misserfolg des Schweißens. Selbst wenn fortschrittliche Schweißgeräte und angemessene Prozessparameter verwendet werden, führt die Vorbehandlung nicht zu Defekten wie Schweißnahtverunreinigungen, Poren und sogar Schlackeneinschlüssen, die die Gesamtstrukturleistung beeinträchtigen. Im Folgenden finden Sie den Vorbereitungsprozess, der vor dem Schweißen strikt befolgt werden muss:

Reinigung des Schweißbereichs

Titanlegierungen reagieren äußerst empfindlich auf Verschmutzungen. Vor dem Schweißen müssen Öl, Feuchtigkeit, Oxidzunder und andere Verunreinigungen im Schweißbereich und mindestens 25 mm um ihn herum entfernt werden:

Mechanische Reinigung

Zum Schleifen kann eine Edelstahldrahtbürste, ein Schmirgelleinen oder ein ölfreies Drehwerkzeug verwendet werden, um sicherzustellen, dass kein sichtbarer Oxidfilm auf der Oberfläche vorhanden ist.

Chemische Reinigung

Oft wird chlorfreies Reinigungsmittel oder wasserfreies Ethanol verwendet, um den Schweißbereich abzuwischen und trocken zu halten.

Anforderungen an Handschuhe und Werkzeuge

Der Bediener muss puderfreie Nitrilhandschuhe tragen, und alle Werkzeuge und Vorrichtungen, die mit Titan in Berührung kommen, sollten sauber und fettfrei sein, um eine Kontamination zu vermeiden.

Vorbereitung von Schweißdraht und Zusatzwerkstoffen

Der verwendete Schweißdraht oder die verwendete Elektrode muss zum Grundmaterial passen und sicherstellen, dass es sauber, trocken und ölfrei ist. Es wird in der Regel empfohlen, speziellen Titanschweißdraht (z. B. ER Ti-2, ER Ti-5) zu verwenden und ihn vor dem Gebrauch mit wasserfreiem Ethanol abzuwischen.

Inspektion des Gasschutzsystems

Bei der Verwendung von Argon oder Helium als Schutzgas ist auf eine Gasreinheit von ≥99,99 % zu achten und die Verwendung von recyceltem Gas oder Industriegas mit geringer Reinheit zu vermeiden. Das Schutzgas sollte vor dem Schweißen 20-30 Sekunden lang gelüftet werden, um die Restluft im System abzusaugen und zu überprüfen, ob keine Leckagen in der Gasversorgungsleitung vorhanden sind.

Vorinstallation und Punktfixierung

Bei großen Titankonstruktionen oder dünnwandigen Titanteilen sollte vor dem Schweißen ein Punktschweißen oder eine Vorrichtungspositionierung verwendet werden, um die Montagegenauigkeit der Verbindung sicherzustellen und Schwankungen in der Schweißqualität aufgrund von Montagespalten oder Fehlausrichtungen zu vermeiden.

Gängige Methoden zum Schweißen von Titanlegierungen

Die Wahl des Schweißverfahrens für Titanlegierungen hängt von Faktoren wie Werkstückgröße, Anforderungen an die Schweißnahtqualität, Produktionseffizienz und Umwelt ab. Im Folgenden finden Sie einige schweißtechnische Lösungen, die in der Industrie weit verbreitet sind und sich als zuverlässig erwiesen haben:

WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen)

Das WIG-Schweißen ist das am häufigsten verwendete Schweißverfahren für Titanlegierungen, insbesondere für dünne Bleche, Rohre und Stellen mit hohen Anforderungen an Schweißnähte. Dieses Verfahren wird unter dem Schutz von hochreinem Argongas mit stabiler Schweißqualität und geringer Verformung durchgeführt und eignet sich besonders für Präzisionsschweißaufgaben wie Titan-Auspuffrohre, Luft- und Raumfahrtkomponenten und medizinische Implantate.

Mit Hilfe von Spezialgeräten wie Titan WIG 200 und dem WIG-Fußpedalsteuerungssystem können die Stromintensität und die Form des Schmelzbads genau eingestellt werden, um die Steuerbarkeit und Formkonsistenz zu verbessern.

Laserschweißen

Das Laserschweißen ist bekannt für seine hohe Energiedichte und seine extrem kleine Wärmeeinflusszone und eignet sich zum Schweißen von Mikrogeräten und Strukturteilen mit strengen Verformungsanforderungen. Aufgrund seiner berührungslosen, hohen Geschwindigkeit und präzisen Eigenschaften eignet es sich für automatisierte Produktionslinien wie Mikroelektronik, medizinische Geräte und andere Bereiche.

Die Lasertechnologie kann auch auf unterschiedliche Metallschweißszenarien angewendet werden, wie z. B. die Präzisionsverbindung von Titan mit Edelstahl oder Aluminium. Das Wachstum der Grenzflächenreaktionsschicht kann durch Optimierung der Parameter effektiv gesteuert werden.

MIG-Schweißen (Metall-Inertgas-Schweißen)

Das MIG-Schweißen eignet sich für die großflächige Verbindung von dickwandigen Titan-Strukturbauteilen und hat eine hohe Abschmelzeffizienz, stellt aber extrem hohe Anforderungen an das Schutzgasströmungsfeld und die Prozessführung.

Wenn der Prozess stabil und der Gasschutz gut ist, kann das MIG-Schweißen auch als eines der Hilfsmittel für die Massenproduktion von Titanlegierungen eingesetzt werden.

Vakuum-Elektronenstrahlschweißen

Es eignet sich zum Verbinden von Teilen aus Titanlegierungen mit hohen Präzisions- und hohen Dichteanforderungen, wie z. B. Flugzeugtriebwerkskomponenten, Luft- und Raumfahrtausrüstung usw.

Das Vakuum-Elektronenstrahlschweißen wird in einer Vakuumumgebung durchgeführt, wodurch Störungen durch Verunreinigungen in der Luft vermieden werden. Die inneren Fehler der Schweißnaht sind extrem gering, aber die Kosten sind hoch und die Anforderungen an die Ausrüstung sind hoch. Es wird häufig in High-End-Fertigungsbereichen eingesetzt.

Unterschiedliche Schweißlösungen für Titanlegierungen und gängige Metalle

Das unterschiedliche Schweißen von Titanlegierungen und anderen Metallen (wie Edelstahl, Aluminium, Kohlenstoffstahl usw.) steht vor erheblichen metallurgischen Herausforderungen. Da Titan bei hohen Temperaturen leicht spröde intermetallische Verbindungen mit anderen Metallelementen (wie Fe und Al) bildet, führt das direkte Schmelzschweißen in der Regel zu einer geringen Verbindungsfestigkeit und einer hohen Rissneigung. Die Lösung dieses Problems erfordert den kombinierten Einsatz mehrerer fortschrittlicher Schweißverfahren und struktureller Designmethoden.

Schweißen der Zwischenübergangsschicht

Durch die Zugabe von Übergangsmetallen wie Molybdän, Nickel und Kupfer als Zwischenschicht wird die direkte Reaktion zwischen Titan und anderen Metallen effektiv isoliert, um die Bildung spröder Verbindungen zu vermeiden. Diese Technologie eignet sich für Kombinationen wie Titan-Stahl und Titan-Edelstahl und wird häufig bei der Herstellung von Druckbehältern und Wärmetauschern eingesetzt.

Explosives Schweißen (Explosive Compounding)

Der durch die Explosionswelle erzeugte momentane hohe Druck wird genutzt, um den metallischen Grenzflächenkontakt zu fördern und eine metallurgische Bindung im nicht schmelzenden Zustand zu bilden. Es wird häufig bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen wie Titan-Stahl-Verbundplatten verwendet.

Diffusionsschweißen

Die atomare Diffusionsbindung wird durch Langzeitdruck in einer Hochtemperatur-Vakuumumgebung erreicht. Es eignet sich für Anlässe mit extrem hohen Anforderungen an die strukturelle Integrität und Schweißnahtdichte, wie z. B. Raumkapseln, Wärmetauscherkomponenten usw.

Lasergestütztes Schweißen

Die hohe Präzision und der geringe Wärmeeintrag des Laserschweißens machen es vorteilhaft beim Schweißen unterschiedlicher Metalle wie Titan und Edelstahl, Titan und Aluminium usw. Durch die Steuerung des Laserfokus und der Parameter kann die Dicke der Reaktionsschicht präzise gesteuert werden.

Löten und Kaltschweißen

Geeignet für den Anschluss kleiner Präzisionsgeräte wie elektronische Bauteile, medizinische Katheter usw. Beim Löten wird in der Regel dünne Metallfolie oder Pulver kombiniert, um eine Verbindung bei mittlerer Temperatur zu erreichen. Das Kaltschweißen eignet sich für flexible Kontaktschnittstellen.

Titan auf Edelstahl

Wird häufig für chemische und medizinische Geräte verwendet und eignet sich für Zwischenschicht-, Laser- oder Diffusionsschweißen.

Titan auf Aluminium

Ideal für Leichtbaukonstruktionen und Wärmetauscher; Explosionsschweißen, Löten oder Kaltdruckschweißen empfohlen.

Titan auf Stahl

Wird häufig in Verbundplatten und -stützen verwendet, die über explosive Verbund- oder Zwischenschichttechnologie verbunden sind.

Qualitätskontrolle und Vorsichtsmaßnahmen beim Schweißen von Titanlegierungen

Die Qualitätskontrolle ist beim Schweißen von Titanlegierungen von entscheidender Bedeutung. Da Titan sehr empfindlich auf Gase wie Sauerstoff und Stickstoff reagiert, kann jeder kleine Betriebsfehler zu Schweißnähtversprödung, Verfärbung oder verminderter Festigkeit führen. Im Folgenden sind die wichtigsten Kontrollpunkte aufgeführt, um die Schweißqualität sicherzustellen:

Reinigung und Schweißvorbereitung

Die Titanoberfläche muss vollständig von Öl, Oxidschicht und Fingerabdrücken befreit sein. Es wird empfohlen, chlorfreies Reinigungsmittel und mechanischen Schliff zu verwenden und anschließend mit einem staubfreien Tuch abzuwischen. Der Schweißdraht und die Werkstückoberfläche sollten sauber gehalten werden, um das Eindringen von Verunreinigungen in die Schweißnaht zu vermeiden.

Tipp: Verschmutzung ist der Hauptursachenfaktor für Schweißfehler. Vor dem Schweißen sollte der Vorgang so weit wie möglich in einem sauberen und geschlossenen Raum durchgeführt werden.

Schutzgasabdeckung

Verwenden Sie hochreines Argon (Reinheit ≥ 99,999 %) als Schutzgas und achten Sie darauf, dass der Schweißbereich vor dem Abkühlen immer mit Argon bedeckt ist, einschließlich der Rückseite der Schweißnaht (Rückenschutz). Beim WIG-Schweißen sollte ein titanspezifischer Gasdiffusor oder ein Brenner-Rückbremssystem verwendet werden, um Verfärbungen und Oxidation der Schweißnaht zu vermeiden.

Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs

Beim Schweißen von Titanlegierungen sollten Zusatzwerkstoffe verwendet werden, die mit dem Grundwerkstoff übereinstimmen oder mit ihm kompatibel sind. Zu den gängigen Zusatzdrähten gehören ERTi-2, ERTi-5, ERTi-23 usw. Bei der Auswahl sollten der Grundwerkstofftyp, die strukturellen Anforderungen und die Einsatzumgebung umfassend berücksichtigt werden, um ein Versagen durch Festigkeitsfehlanpassung oder Spannungskonzentration zu vermeiden.

Betriebliche Konsistenz und Prozessstabilität

Die Gewährleistung der Stabilität von Schweißstrom, -spannung und -schweißgeschwindigkeit sowie Feineinstellungen über Fußschalter (z. B. WIG-Fußpedale) können die Schweißkonsistenz effektiv verbessern. Automatisierte oder mechanisierte Systeme können auch in der Massenproduktion für eine stabilere Schweißqualität sorgen.

Schweißfarbe und Schweißnahtbeurteilung

Die Farbe der Schweißnaht ist ein wichtiger Indikator für das Aussehen der Beurteilung der Qualität des Schweißens von Titanlegierungen. Silberweiß bis Goldgelb weisen in der Regel auf ein ausreichendes Schutzgas und eine gute Kontrolle des Schweißprozesses hin, während bläulich-violette, graue oder dunkle Farben auf eine übermäßige Oxidation oder ein Versagen des Schutzes hinweisen können. Diese Farbänderung gibt an, ob der Schweißprozess durch Sauerstoff, Stickstoff und andere Elemente in der Luft verunreinigt ist.

Da Titan bei hohen Temperaturen extrem empfindlich auf Atmosphäre reagiert, wird die Farbe der Schweißnaht zu einem der Hauptkriterien, um schnell zu beurteilen, ob die Schweißnaht vor Ort qualifiziert ist. Obwohl die Farbe der Schweißnaht die Schweißfestigkeit oder innere Defekte nicht vollständig widerspiegeln kann, ist sie im tatsächlichen Betrieb der erste Kontrollpunkt, um die Wirksamkeit des Schweißschutzes sicherzustellen.

Referenzstandards: AWS D17.1 und AMS 2801 haben klare Sorten für Titanschweißfarben und können als Referenz für die Produktionsqualität verwendet werden.

Anzeige von Schweißgeräten und Prozessfähigkeiten von Titanlegierungen

Wir sind mit einem kompletten Schweißprozesssystem für Titanlegierungen und fortschrittlichen Geräten ausgestattet, die eine Vielzahl gängiger Schweißverfahren abdecken, darunter WIG-Schweißen, Laserschweißen, Diffusionsschweißen usw., die verschiedene Anforderungen erfüllen können, von einzelnen Proben bis hin zur Massenproduktion.

WIG-Titan-Schweißgeräte und -konfiguration

Wir verwenden WIG-Schweißsysteme, die für Titanwerkstoffe optimiert sind. Zu den repräsentativen Geräten gehören Titanium WIG 200 und andere Modelle zur Steuerung von Hochfrequenz-Impulsen mit den folgenden Merkmalen:

• Stabile Leistung beim Starten des Lichtbogens mit niedrigem Strom, geeignet für Präzisionsschweißen
• Dynamische Stromregelung mit WIG-Fußpedal
• Ausgestattet mit einem effizienten Wasserkühlungssystem und einem Inertgas-Abschleppschutz, um Oxidation in der Wärmeeinflusszone zu vermeiden

Laserschweißanlage

Die Laserschweißstation unterstützt das Schweißen mit hoher Energiedichte und eignet sich zum Schweißen von Mikrotitanbauteilen oder unterschiedlichen Metallverbundteilen:

• Ausgestattet mit einer hochpräzisen Servoplattform und einem Strahlfokussierungssystem
• Erzielen Sie eine geringe Verformung und einen automatisierten Betrieb mit hoher Konsistenz
• Besonders geeignet für das Laserschweißen von Grenzflächen aus Titan und Edelstahl

Spezielle Schweiß- und Hilfsverfahren

Darüber hinaus verfügen wir über folgende spezielle schweiß- und verbindungstechnische Fähigkeiten

Diffusionsschweißen und Explosionsschweißen

Für Verbundplatten oder unterschiedliche Metallkonstruktionen

Vakuum-Umweltschutzschweißen

Geeignet für die Qualitätskontrolle von Schlüsselkomponenten beim Schweißen

Kleine Löt- und Kaltschweißprozesse

Geeignet für Präzisionsbauteile und Musterherstellung

Alle Geräte sind mit einem Prozessüberwachungssystem ausgestattet und können Schweißparameteraufzeichnung, Zertifizierung durch Dritte und Prozessrückverfolgbarkeit bieten, um sicherzustellen, dass der Schweißprozess kontrollierbar und die Ergebnisse zuverlässig sind.

Unterstützung und Servicevorteile beim Chalcotitan-Schweißen

Als professioneller Lieferant von Titanlegierungsmaterialien bietet Chalkotitan nicht nur Titanprodukte in verschiedenen Qualitäten und Spezifikationen an, sondern verfügt auch über die unterstützenden Servicekapazitäten, um Kunden bei der Schweißverarbeitung und der Herstellung von Fertigprodukten zu unterstützen. Von der Materialauswahl über die Schweißeignungsanalyse bis hin zur kooperativen Abstimmung von Verarbeitungsressourcen sind wir bestrebt, unseren Kunden dabei zu helfen, qualitativ hochwertige und effiziente Schweißanwendungen für Titanlegierungen zu erzielen.

Auswahl des Titanmaterials und Vorschläge zur Schweißanpassung

• Stellen Sie Rohstoffe für Titanlegierungen bereit, die für verschiedene Schweißverfahren wie WIG, Laser, Diffusionsschweißen, Explosionsschweißen usw. geeignet sind.
• Empfehlung geeigneter Titanwerkstofftypen, -zustände und -oberflächenbehandlungsverfahren entsprechend der Produktstruktur des Kunden und den Anforderungen des Schweißprozesses
• Wir können Titandraht, Titanstab und andere unterstützende Materialien zum Schweißen bereitstellen, um die Materialkonsistenz und Schweißverträglichkeit zu gewährleisten

Unterstützung bei der Verarbeitung des fertigen Produkts und Integration technischer Ressourcen

• Unterstützung bei der Prüfung von Kleinserienmustern, der Entwicklung kundenspezifischer Schweißteile und anderer Projektkooperationsmodelle
• Bereitstellung von Vorschlägen zur Anpassung des Schweißprozesses entsprechend der Anwendungsbranche (z. B. Chemie, Medizin, Luftfahrt)

Technische Beratung und langfristige Projektbegleitung

Wir bieten technische Beratungsdienstleistungen im Zusammenhang mit dem Schweißen von Titanlegierungen an, die häufige Probleme wie die Kontrolle von Schweißrissen, die Reaktion auf thermische Verformungen und die Verbesserung der Schweißqualität abdecken. Gleichzeitig können wir bei großvolumigen oder hochwertigen Projekten mit unseren Kunden zusammenarbeiten, um Vorvorbereitungen wie die Anpassung der Materialnorm und die Überprüfung der Schweißleistung durchzuführen und die kundenspezifische Entwicklung spezieller Titanmateriallösungen für spezielle Prozesse (wie z. B. Explosivschweißen, Löten usw.) zu unterstützen. Bitte kontaktieren Sie uns für professionelle Beratung und Materialunterstützung, um Ihr Schweißprojekt für Titanlegierungen effizient voranzutreiben.