Titan-schweißen – die hohe Kunst des Schweißens von extrem hochwertigen Werkstoffen
Deutlich leichter und stabiler als Stahl, ist Titan ein bevorzugtes Material, sollen extrem präzise oder hochbelastbare Werkstücke angefertigt werden. Allerdings ist dies nicht ganz einfach, denn wegen seiner Struktur lässt sich Titan nur unter besonderen Bedingungen schweißen. Zudem können die Schweißtechniken stark variieren, abhängig davon, welcher Titan Grade für ein Werkstück genutzt wird.
Titan – ein einzigartiges Basismaterial
Im Vergleich zum Edelstahl verträgt Titan höhere Temperaturen, wiegt nur gut die Hälfte, besitzt eine vergleichbare Zugfestigkeit und ist gegenüber Säuren, Chloriden und Seewasser korrosionsbeständig, ähnlich wie V4A Edelstahl. Darüber hinaus ist Titan niemals magnetisch, während einige Edelstahlsorten magnetisch sein können, abhängig vom Gefüge. Allerdings ist Titan aufgrund des hohen Aufwandes bei der Produktion erheblich teurer als Edelstähle. Deshalb wird Titan vorzugsweise in der Raumfahrt, der Luftfahrttechnik und in der Medizin eingesetzt, wo eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht entscheidende Faktoren sind. Besonders häufig findet 3.7035 Titan Werkstoff Verwendung, unter Fachleuten als Titan Grade 2 geläufig.
Titan von Aluminium und Edelstahl unterscheiden
Rein vom Aussehen ist die Ähnlichkeit von Aluminium, Edelstahl und Titan recht hoch. Glücklicherweise lässt sich relativ leicht feststellen, ob ein Werkstück aus Titan besteht.
Bei der sogenannten Glasprobe wird ein kleines Stück normales Fensterglas über die Oberfläche des Werkstücks gerieben. Wichtig ist, dass die Oberfläche vorher mit Wasser benetzt wurde. Entstehen schwarze Schlieren, die sich mit einem trockenen Tuch leicht wegwischen lassen, handelt es sich um Titan.
Zahlreiche kleine und immer weiße Funken entstehen, wenn Titan geschliffen wird.
Am Gewicht ist Titan recht leicht zu identifizieren, denn das Metall ist fast um die Hälfte leichter als Edelstahl, aber rund 60 % schwerer als Aluminium.
Verwendungszwecke von Titan
Im Vergleich zu einem Edelstahl mit ähnlichen Belastungswerten, ist Titan aufgrund des aufwendigen Produktionsprozesses erheblich teurer. Deshalb wird das Material nur für Teile herangezogen, die obendrein besonders leicht sein müssen. Aus diesem Grund ist Titan häufig in der Raumfahrt zu finden, genau wie im Flugzeugbau und in der Medizintechnik. In der Medizin wird Titan beispielsweise verstärkt eingesetzt, um Prothesen herzustellen. Außerdem wird Titan militärisch genutzt, vor allem für Raketen und Geschosse jeden Kalibers. Im militärischen Bereich genießt Titan vorzugsweise bei den Sprengstoffspezialisten einen sehr guten Ruf. Grund dafür ist, dass Titan bei geringem Gewicht und hoher Belastungsfähigkeit antimagnetisch ist. Deshalb wird Titan für Minenräumfahrzeuge und -gerät eingesetzt, auch für Minenräumboote oder Minenjagdboote.
Titan schweißen
Das Titanschweißen unterscheidet sich erheblich von den Schweißverfahren, die bei Edelstahl oder Aluminium eingesetzt werden. Auch wenn Titan leichter als Edelstahl ist, ist das Metall doch erheblich robuster, was das Schweißen deutlich erschwert. So ist es beinahe unmöglich, mit herkömmlichen Schweißverfahren wie dem Schmelzschweißen eine sichere Verbindung zwischen zwei Werkstücken aus Titan herzustellen. Außerdem muss beim Titan schweißen unbedingt unterbunden werden, dass beim Schweißvorgang Sauerstoff bis zur Verbindung vordringen kann.
Um eine dauerhafte Verbindung zu etablieren, ist es unerlässlich, die Werkstücke vor dem Schweißen sorgfältig zu reinigen. Schmutz, Fett, Öle, Lacke und andere Beschichtungen müssen vollständig entfernt werden, weil sich ansonsten keine dauerhafte Verbindung herstellen lässt. Als Reinigungsmittel empfehlen sich reiner Alkohol oder Aceton.
Titan reagiert bei höheren Temperaturen überaus empfindlich, kommt das Metall mit Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff in Verbindung. Damit entfallen alle autogenen Schweißverfahren, denn bei diesen ist immer mindestens eine der drei Substanzen zugegen.
Ausschlaggebend für das Schweißverfahren ist zudem der Reinheitsgrad des Titans selbst. Titan Grad 1 weist den höchsten Anteil an Titanmolekülen auf. Bei Titan Grad 2, 3 und 4 nimmt der Anteil des reinen Titans ab. Je höher der Grad des Materials ist, desto zäher ist dieses.
Neben den reinen Titanmaterialien der Grade 1 bis 4 gibt es zahlreiche Legierungen, die teils für Spezialanwendungen entwickelt wurden. Die wichtigsten davon sind:
- Grade 7
- Grade 11 – CP Ti-0.15Pd
- Grade 5 – Titanium 6Al-4V
- Grade 6 – Titanium 5Al-2.5Sn
- Grade 9 – Titanium 3Al-2.5V
- Grade 12 – Ti-0.3-Mo-0.8Ni
- Grade 19 – Titanium Beta C
- Grade 23 – Titanium 6Al-4V ELI
- 6Al-6V-2Sn
- 6Al-2Sn-4Zr-2Mo
- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo
- 8Al-1Mo-1V
- 10V-2Fe-3Al
- 15V-3Cr-3Sn-3Al
- Alpha Alloys
- Beta Alloys
- Alpha Beta Alloys
Wer sich beim Schweißen von Titan versuchen will, der kann den Erfolg seiner Bemühungen direkt an der Schweißnaht ablesen. Eine sehr gute Schweißnaht auf Titan-Werkstücken glänzt silbrig und besitzt eine durchgehende Oberfläche. Präsentiert sich eine Schweißnaht in gelb oder hellblau, ist es nicht zu einer dauerhaften Verbindung gekommen und das Material ist nicht verwendbar. Außerdem ist es möglich, dass sich eine Schweißnaht nach dem Auskühlen grau oder blau verfärbt. Dann muss eine Schweißnaht gesetzt werden, weil wahrscheinlich die Verbindung der Werkstücke im Innenbereich kontaminiert ist. Eine solche Schweißnaht ist nicht belastbar.
Bewährte Schweißverfahren für Titan
Im Prinzip bleiben für das Schweißen von Titan nur das Widerstandsschweißen und das Wig-Schweißverfahren übrig. Sollen zwei Werkstücke aus Titan mit unterschiedlichem Reinheitsgrad verschweißt werden, ist bei der Wahl des Schweißverfahrens erhöhte Aufmerksamkeit gefragt. Grund dafür ist, dass die Schweißnaht im Außenbereich gerade zu perfekt erscheint, aber im Innenbereich keine Verbindung stattgefunden hat oder diese brüchig ist. Dies gilt ähnlich auch dann, wenn Titan und Stahl verschweißt werden sollen. Es besteht immer die Gefahr, dass sich intermetallische Phasen ausbilden, die sehr hart, aber auch schnell brüchig werden.
Um dem entgegenzuwirken, sollte das bewährte Verfahren des Reibschweißens angewandt werden. Das Reibschweißen ist eine Methode, die zum Verfahren des Pressschweißens gerechnet wird. Hierbei werden zwei Teile unter hohem Druck aufeinander zu bewegt, wodurch sich an den Berührungsflächen hohe Temperaturen entwickeln. Dies führt dazu, dass die Werkstücke miteinander verschmelzen. Auf diese Weise kann Titan auch mit anderen Metallen oft erfolgreich dauerhaft verbunden werden.
Fazit und Schlussgedanken zum Schweißen von Titan
Das Titanschweißen gehört zur hohen Kunst der Schweißerei. Trotzdem wird Titan immer häufiger im Do-it-yourself-Bereich genutzt. Die Gründe dafür sind vielfältig. Einerseits ist das Schweißen von Titan eine Herausforderung für jeden versierten Heimwerker. Andererseits begeistern die Vorzüge des Materials zahlreiche Erfinder und Hobby-Konstrukteure, die gerne Edelstahl gegen Titan austauschen wollen. Mit ein wenig Geduld und Geschick sollte dem Erfolg beim Schweißen von Titan nach kurzer Zeit nichts mehr im Wege stehen.