Warum erfordert das Schweißen von Titan so viel Präzision und Fachwissen? In diesem Artikel gehen wir auf die besonderen Herausforderungen ein, die das Schweißen von Titan mit sich bringt, z. B. die hohe chemische Reaktivität und die Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen. Entdecken Sie wichtige Techniken und bewährte Verfahren, um starke, zuverlässige Schweißnähte zu gewährleisten, und lernen Sie, wie Sie häufige Fallstricke vermeiden können. Ganz gleich, ob Sie ein erfahrener Schweißer oder ein Neuling in der Arbeit mit Titan sind, dieser Leitfaden vermittelt Ihnen wertvolle Erkenntnisse, um Ihre Fähigkeiten und Ihr Verständnis für diesen bemerkenswerten Werkstoff zu verbessern.
Titanlegierungen haben eine geringe Dichte, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine gute Korrosionsbeständigkeit, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, sind ungiftig, nicht magnetisch und können geschweißt werden. Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Chemie-, Erdöl-, Energie-, Medizin-, Bau- und Sportindustrie verwendet.
(1) Versprödung aufgrund von Verunreinigungen:
Aufgrund der hohen chemischen Reaktivität von Titan ist die Schweißwärme Zyklus kann dazu führen, dass das Schweißbad, das Metall in der Schmelzzone oberhalb von 350℃ und die Wärmeeinflusszone leicht mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff sowie mit Verunreinigungen wie Öl, Feuchtigkeit usw. reagieren, die in der Luft oder auf dem Werkstück vorhanden sind. Schweißmaterial und Draht.
Titan absorbiert schnell Wasserstoff über 300℃, Sauerstoff über 600℃ und Stickstoff über 700℃. Wenn es eine hohe Menge an Kohlenstoff enthält, kann es eine spröde TiC-Netzwerkstruktur entwickeln. Diese Bedingungen verringern die Duktilität und Zähigkeit von Titan und seinen Legierungen erheblich, was zu einer Verschlechterung der Leistung der Schweißverbindung führt.
Die Farbe der Oxidschicht, die sich auf der Titanoberfläche bildet, hängt von der Herstellungstemperatur ab.
Unter 200℃ erscheint es silberweiß; bei 300℃ wird es blassgelb; bei 400℃ wird es goldfarben; bei 500℃ und 600℃ weist es blaue bzw. violette Farben auf; und von 700℃ bis 900℃ erscheint es in verschiedenen Grautönen.
Anhand der Farbe der Oxidschicht lässt sich die Temperatur des ungeschützten Bereichs während des Schweißverfahren.
(2) Leistungsverschlechterung durch Phasenumwandlung beim Schweißen:
Es gibt zwei Kristallstrukturen von Titan: oberhalb von 882℃ hat es eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur, die als β-Titan bekannt ist, und unterhalb von 882℃ hat es eine dicht gepackte hexagonale Gitterstruktur, die α-Titan genannt wird. Das für Gefäße verwendete Titan enthält nur sehr wenig β-stabilisierende Elemente und besteht zumeist aus α-Eisen-Legierungen.
Beim Schweißen bei hohen Temperaturen wandeln sich die Schweißnaht und Teile der Wärmeeinflusszone in das β-Kristallgefüge um, was zu einer erheblichen Kornwachstumstendenz führt.
Da Titan einen hohen Schmelzpunkt, eine große spezifische Wärmekapazität und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, ist die Verweilzeit bei hohen Temperaturen während des Schweißens etwa drei- bis viermal länger als bei Stahl.
Dies führt zu einer breiteren Hochtemperatur-Wärmeeinflusszone, die ein deutliches Kornwachstum in der Schweißnaht und der Hochtemperatur-Wärmeeinflusszone verursacht, was zu einer erheblichen Abnahme der Duktilität führt.
Daher ist es beim Schweißen von Titan im Allgemeinen ratsam, eine geringere Schweißwärmezufuhr und schnellere Abkühlungsraten zu verwenden, um die Verweilzeit bei hohen Temperaturen zu reduzieren, das Ausmaß des Kornwachstums zu minimieren, die Größe der Hochtemperatur-Wärmeeinflusszone zu verringern und die Abnahme der Duktilität zu mildern.
(3) Im Schweißbereich ist eine Schutzgasabschirmung erforderlich:
Bei hohen Temperaturen hat Titan eine starke Affinität für den Sauerstoff in der Luft. Daher ist es notwendig, eine Schutzgasabschirmung über 200℃ zu verwenden, um Oxidation zu verhindern.
(4) Signifikant Schweißverzug:
Der Elastizitätsmodul von Titan ist nur halb so groß wie der von Kohlenstoffstahl. Bei gleicher Schweißspannung ist der Schweißverzug von Titan doppelt so groß wie der von Kohlenstoffstahl.
Daher wird beim Schweißen von Titan im Allgemeinen die Verwendung von Unterlegplatten und Spannen Platten, um den Schweißverzug zu minimieren.
(5) Anfällig für Porosität:
Porosität ist ein häufiger Fehler in Titanschweißnähten. Bei den beim Titanschweißen gebildeten Poren handelt es sich hauptsächlich um Wasserstoffporen, es können aber auch Poren durch CO-Gas entstehen.
(6) Potenzial für Rissbildung:
Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff in Titan haben einen niedrigen Schmelzpunkt und einen engen Erstarrungstemperaturbereich mit Titan an Korngrenzen.
Infolgedessen ist die Schrumpfung der Schweißnaht während der Erstarrung gering, und es kommt im Allgemeinen nicht zu thermischen Rissen in der Schweißnaht. Die Risse in Titanschweißnähten sind in der Regel wasserstoffinduziert kalte Risse.
(7) Unverträglichkeit mit Stahl beim Schmelzschweißen:
Eisen löst sich in Titan bei sehr geringen Massenanteilen, die von nur 0,05% bis 0,10% reichen.
Daher können Titan und Stahl nicht direkt schmelzgeschweißt werden.
Die wichtigsten Schweißverfahren für Titan und Titanlegierungen sind das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), das Schmelzelektroden-Inertgas-Schweißen (MIG) und das Plasmaschweißen Lichtbogenschweißen.
Hartlöten kann zum Schweißen von abgedichteten, nicht belasteten Strukturen verwendet werden. Das Explosionsschweißen kann auch für Verbundwerkstoffe eingesetzt werden. Schweißen von Titan und Stahlverbundplatten.
(1) Schweißdraht:
Die Auswahl von Titan und Titan Legierungsschweißen Die Auswahl des Drahtes basiert im Allgemeinen auf der Übereinstimmung mit dem Grundmaterial, aber er sollte auch die Qualifizierung des Schweißprozesses bestehen.
Bei der Auswahl von Schweißdraht besteht die Herausforderung darin, eine geeignete Verbindung zu finden, da der Gehalt an Verunreinigungen im Draht nur innerhalb einer Obergrenze kontrolliert wird. In den meisten Fällen gibt es keine Kontrolle über die Untergrenze.
Außerdem gewährleistet jede Charge des produzierten Schweißdrahtes nur die chemische Zusammensetzung, nicht aber die mechanischen Eigenschaften nach dem Schweißen. Es besteht die Möglichkeit, dass einige Produktionschargen von Schweißdraht einen ungewöhnlich niedrigen Gehalt an Verunreinigungen aufweisen, was sie zu qualifizierten Produkten macht.
Allerdings sind ihre Schweißnahtfestigkeit kann niedriger sein, so dass die Anforderung einer Mindestzugfestigkeit, die unter der Norm für den geglühten Zustand des Grundmaterials liegt, nicht erfüllt werden kann.
In solchen Fällen ist es notwendig, auf eine andere Produktionscharge derselben Schweißdrahtmarke oder sogar auf einen höherwertigen Draht (z. B. industriell reinen) umzusteigen, um eine neue Prozessbewertung durchzuführen, bis dieser qualifiziert ist, bevor die Auswahl des Schweißdrahtes abgeschlossen ist.
Für Schweißdraht und Schweißzusatzdraht, die in Behältern aus Titan und Titanlegierungen verwendet werden, ist die chemische Zusammensetzung (Schmelzanalyse) in Tabelle 4-29 angegeben.
Bei der Nachprüfung der chemischen Zusammensetzung von fertigen Schweißdraht- und Schweißzusatzdrahtproben sind die zulässigen Abweichungen für die Analyse in Tabelle 4-30 aufgeführt. Die empfohlene Arten des Schweißens Draht und Fülldraht für häufig verwendete Titanwerkstoffe in Behältern finden Sie in Tabelle 4-31.
Tabelle 4-29 Chemische Zusammensetzung (Schmelzanalyse) von Titan und Titan-Legierung Schweißdraht und Schweißzusatzdraht für Container.
| Drahtmodell | Chemische Zusammensetzung (Massenanteil, %) | ||||||||||
| Hauptkomponenten | Verunreinigende Elemente | Verbleibende Elemente | |||||||||
| Ti | Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H. | Einzeln | Gesamtbetrag | |
| ERTAIELI | Rem. | – | – | – | ≤0.08 | 0.03~0.10 | ≤0.03 | ≤0.012 | ≤0.005 | ≤0.05 | ≤0.20 |
| ERTA2ELI | Rem. | – | – | – | ≤0.12 | 0.08~0.16 | ≤0.03 | ≤0.015 | ≤0.008 | ≤0.05 | ≤0.20 |
| ERTA3ELI | Rem. | – | – | – | ≤0.16 | 0.13~0.20 | ≤0.03 | ≤0.02 | ≤0.008 | ≤0.05 | ≤0.20 |
| ERTA4ELI | Rem. | – | – | – | ≤0.25 | 0.18~0.32 | ≤0.03 | ≤0.025 | ≤0.008 | ≤0.05 | ≤0.20 |
| ERTA9 | Rem. | – | – | 0.12-0.25 | ≤0.12 | 0.08~0.16 | ≤0.03 | ≤0.015 | ≤0.008 | ≤0.05 | ≤0.20 |
| ERTA10 | Rem. | 0.2-0.4 | 0.6-0.9 | – | ≤0.15 | 0.08~0.16 | ≤0.03 | ≤0.015 | ≤0.008 | ≤0.05 | ≤0.20 |
Tabelle 4-30: Analyse der chemischen Zusammensetzung und zulässige Abweichungen von fertigen Schweißdrähten aus Titan und Titanlegierungen und Schweißzusatzdrähten
| Komponente Elemente | Chemische Zusammensetzung (Massenfraktion, %) | |||||||||||
| Mo | Ni | Pd | Fe | O | C | N | H | Individuelles Restelement | ||||
| ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.10 | 0.10~0.15 | ≤0.25 | ||||||||
| Zulässige Abweichungen | ±0.03 | ±0.03 | ±0.02 | +0.05 | +0.10 | +0.02 | ±0.02 | +0.03 | +0.01 | +0.01 | +0.002 | +0.02 |
Tabelle 4-31: Empfohlene Draht- und Fülldrahtmodelle für häufig verwendete Titanwerkstoffe in Behältern
| Titan-Güteklasse | Draht- und Fülldrahtmodelle |
| TAI | ERTAIELI |
| TA2 | ERTA2ELI |
| TA3 | ERTA3ELI |
| TA4 | ERTA4ELI |
| TA9 | ERTA9 |
| TA10 | ERTA10 |
(2) Abschirmgas:
Argongas wird in der Regel als Schutzgas zum Schweißen von Eisen- und Titanlegierungen verwendet. Die Reinheit des Argongases (Volumenanteil) sollte nicht weniger als 99,99% betragen.
Die Volumenanteile der anderen Gaskomponenten sollten wie folgt sein: Sauerstoff weniger als 0,002%, Stickstoff weniger als 0,005%, Wasserstoff weniger als 0,002% und der Feuchtigkeitsgehalt weniger als 0,001 mg/L. Der Druck in der Gasflasche sollte nicht niedriger als 0,5 MPa sein.
Bei der Verwendung sollte die Luft im Schutzgassystem, z. B. in Gasschläuchen, Schweißbrennern und Schweißmasken, durch sauberes Gas ersetzt werden. Als Schutzgas kann auch Heliumgas oder Argon-Helium-Mischgas verwendet werden.
(3) Wolfram-Elektrode:
Häufig verwendete Wolframelektroden sind reine Wolframelektroden und keramische Wolframelektroden. Keramische Wolframelektroden enthalten Ceroxid als Verunreinigung (Massenanteil von höchstens 0,1%).
Keramische Wolframelektroden haben eine niedrige Elektronenemissionsarbeit, eine hohe chemische Stabilität, eine hohe zulässige Stromdichte, keine Radioaktivität und eine bessere Leistung als reine Wolframelektroden. Sie sind weit verbreitete Wolfram-Elektroden zur Zeit.
(1) Reinigung vor dem Schweißen:
Vor dem Schweißen von Titan und seinen Legierungen sollte die Oberfläche sorgfältig gereinigt werden, um Oxide, Nitride, Öl, Feuchtigkeit usw. zu entfernen. Üblicherweise wird dazu saures Beizen oder Schleifen mit einer Schleifscheibe oder Sandpapier verwendet.
Bei schwer zu bearbeitenden Teilen wie Längsschweißnähten, Eckschweißnähten von Behältern und dem Schweißen von Rohren und Platten in Wärmetauschern können die Seiten der Fase mit einer Schleifscheibe oder Schleifpapier geschliffen werden, wobei darauf zu achten ist, dass der verbleibende Sand und Staub entfernt wird.
Schweißdrähte, -köpfe, -kompensatoren und andere Teile, die nicht leicht zu schleifen sind, sollten vor dem Schweißen gebeizt und anschließend mit sauberem Wasser abgespült werden.
Wenn das Beizen nicht möglich ist, kann ein Hartlegierung kann ein Schaber verwendet werden. Nach dem oben beschriebenen Reinigungsverfahren sollte der Schweißbereich vor dem Schweißen mit Lösungsmitteln wie Aceton oder wasserfreiem Alkohol gereinigt und nicht mit der Hand berührt werden, um eine erneute Verunreinigung zu vermeiden. Falls es zu einer erneuten Verunreinigung kommt, sollte der Bereich erneut gereinigt und gewaschen werden.
(2) Herstellung von anderen Schutzvorrichtungen in der Schweißen Zone:
Beim Schweißen von Titan und Titanlegierungen schützt die Schweißpistolendüse das Schmelzbad, die Schweißmaske die Vorderseite des Schweißers. geschweißte Verbindung während der Abkühlung, und die Stützplatte schützt die Rückseite der Schweißnaht.
Die Schweißpistole für das Schweißen von Titan und Titanlegierungen unterscheidet sich von der für das Schweißen von Aluminium oder rostfreiem Stahl und verwendet in der Regel eine Düse mit großem Durchmesser.
Beim manuellen Schweißen beträgt der Düsendurchmesser in der Regel 14-20 mm, während er beim automatischen Schweißen 16-22 mm beträgt. Die Schweißmaske kann die Schweißnaht und die Wärmeeinflusszone über 400°C schützen.
Die Form und Größe der Schweißmaske sollte anhand von Faktoren wie der Dicke des Werkstücks, der Kühlmethode, dem Schweißstrom und der Schweißnahtform festgelegt werden. Die Schweißmaske sollte sich zusammen mit der Schweißpistole über die Schweißzone bewegen.
Auf der Rückseite der Schweißnaht können Kupferplatten verwendet werden, um die Abkühlung zu beschleunigen und die Luft zu isolieren. Schutzgas kann auch durch die Kupferplatte geblasen werden, oder es kann eine Schweißmaske auf der Rückseite der Schweißnaht angebracht werden, die mit dem Schweißprozess mitläuft.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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