Schweißen von Titan und Titanlegierungen

Einordnung und Eigenschaften von Titan

Titan gilt als noch recht junger Werkstoff, der erst seit gut 50 Jahren kommerziell angewendet wird. Reintitan hat die Werkstoffnummer 3.7034. Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und befindet sich in der vierten Nebengruppe bzw. in der Titangruppe des Periodensystems.

Die CAS-Registrierungsnummer (Chemical Abstracts Service) lautet 7440-32-6.

Die chemische Zusammensetzung der unlegierten und niedriglegierten Titansorten ergibt sich aus der folgenden Tabelle:

Quelle: WEKA MEDIA GmbH & Co. KG

Vorteile von Titan

Korrosionsbeständigkeit

Titan verfügt über eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. An der Luft bildet Titan eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht aus. Daher ist es in vielen Medien korrosionsbeständig. Allerdings stellt sich bei Temperaturen über 300 °C eine hohe Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- oder Kohlenstoffaufnahme ein.

Titan ist in Salzwasser oder Meeresatmosphäre beständig. Außerdem zeigt es eine besondere Resistenz gegen Säuren, Alkalien und Industriechemikalien.

Festigkeit von Titan

Die Dichte von Titan-Basiswerkstoffen liegt zwischen 4,43 und 4,84 g/cm³. Für Titan Grad 1 befinden sich die Dehngrenzen bei 170 N/mm², für Titanlegierungen Grad 5 und Grad 5 ELI bei bis zu 900 N/mm² und bei wärmebehandelten Beta-Legierungen bei bis zu 1.240 N/mm².

Hiermit besitzt Titan ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Es ist höher als bei den meisten anderen Metallen. Bei einer relativ geringen Dichte ist die Festigkeit also hoch. Titan ermöglicht dadurch die Anwendung dünner Wandstärken.

Leichtes Gewicht von Titan

Insgesamt gesehen verfügt reines Titan über eine geringe Dichte, woraus sich ein niedriges Bauteilgewicht ergibt. Titan zählt aufgrund seiner Dichte noch zur Gruppe der Leichtmetalle.
Es ist 40 % leichter als rostfreier Stahl, allerdings 60 % schwerer als Aluminium.

Temperaturbeständigkeit

Titanbauteile, die keiner hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden, sind in der Lage, kurzfristig 1.650 °C auszuhalten. Das Leichtmetall verfügt über einen außergewöhnlichen Wärmewiderstand: Es leitet etwa zwölfmal weniger Wärme durch sich hindurch als beispielsweise Aluminium. Titan gilt auch als ein guter elektrischer Leiter.

Über die physikalischen Eigenschaften (Richtwerte) und Umformparameter der unlegierten und niedriglegierten Titansorten bei bestimmten Temperaturen gibt diese Tabelle Auskunft:

Quelle: Software Schweißaufsicht kompakt

Biokompatibilität

Titan erweist sich als gut verträglich für Mensch und Umwelt, was es zu einem wertvollen Metall für die Medizin macht.

Verträglichkeit für den menschlichen Körper

Nicht bekannt sind biologische Risiken des Titans für den menschlichen Körper. Beim Menschen hat das Leichtmetall keinen Einfluss auf biologische Abläufe. Daher wird Titan häufig als Grundlage für die Herstellung von Hüftgelenken und Kieferimplantaten verwendet.

Umweltverträglichkeit

Experten stufen Titan als grundsätzlich verträglich gegenüber Flora und Fauna und damit als vollständig biologisch kompatibel ein. Es hat keine Einwirkung auf mikrobiologische Prozesse.

Umweltschäden an Land, Wasser und Luft werden durch die Korrosionsbeständigkeit reduziert, da die Wahrscheinlichkeit von Leckagen deutlich vermindert wird. Auch eine Verschmutzung von Regenwasser durch Abtropfungen von Dächern oder Fassaden wird vermieden.

Aufgrund des geringen Gewichts von Titan sinkt beispielsweise der Treibstoffverbrauch bei Schiffen, Flugzeugen und Landfahrzeugen. Die Fahrtdauer verringert sich. Der Energieverbrauch ist daher günstiger als bei einigen anderen Werkstoffen.

Titanschrott komplett wiederverwendbar

Die Möglichkeit, Titan zurückzugewinnen und zu recyceln, ist sehr groß: Titanschrott aus dem Herstellungs- und Verarbeitungsprozess ist komplett wiederverwendbar.

Werden Titananoden verwendet, erhöht sich die Umweltfreundlichkeit elektrochemischer Prozesse wie bei der Chlorinproduktion deutlich. Die Prozesseffizienz, also der Energieeinsatz pro Produktionsstück, und die Prozesskontrolle, gemeint sind Konsistenz und Sicherheit, sind erheblich höher bei Titanelektroden.

Schließlich handelt es sich um ein sehr resistentes Material: Titanrahmen etwa sind äußerst langlebige Produkte. Bei einer Beschädigung können sie weitestgehend repariert werden.

Ästhetik

Die Optik von verarbeitetem Titan gilt allgemein als edel. Daher wird das Leichtmetall etwa für die Herstellung von Uhren verwendet.

Voraussetzungen beim Titanschweißen

Das Schweißen von Titan erfordert qualifiziertes Personal, aber auch eine entsprechend gut ausgerüstete Werkstatt.

Persönliche Voraussetzungen

Schulung von Schweißer und Prüfpersonal

Liegt keine Erfahrung im Umgang mit Titan und Titanlegierungen vor, ist eine Schulung von Schweißer und Prüfpersonal erforderlich.

Ausbildungsnachweis

Empfehlenswert ist es, das – meist kostenlos verfügbare – Wissen der Lieferanten zu nutzen. Im gewerblichen Bereich ist ein Ausbildungsnachweis (z.B. Facharbeiterbrief oder Lehrgangsprüfung einer Handwerkskammer) erforderlich.

Prüfbescheinigung

Für alle Schweißer sollte die Prüfbescheinigung nach DIN EN ISO 9606-1vorliegen. Für Schweißarbeiten dürfen nur nach DIN EN ISO 9606-1 entsprechend ausgebildete und geprüfte Schweißer sowie nach DIN EN 1418 ausgebildete und geprüfte Bediener und Einrichter eingesetzt werden.

Fachgrundnorm DIN EN ISO 9606-4 beachten

Als Fachgrundnorm bei Schweißerprüfungen ist speziell für Titan und Titanlegierungen auch DIN EN ISO 9606-4 zu beachten.

Schweißer, die Kehlnahtschweißungen vornehmen, müssen ein Kehlnahtprüfstück geschweißt haben. Der Schweißbetrieb ist verpflichtet, sich gegebenenfalls über Arbeitsproben zu vergewissern, dass der Schweißer die Qualitätsanforderungen erfüllt, die an das Bauteil gestellt werden.

Betriebliche Voraussetzungen

Neben der persönlichen Eignung des Schweißpersonals müssen für das Schweißen von Titan und Titanlegierungen auch betriebliche Voraussetzungen erfüllt werden. Dazu gehören im Einzelnen qualifiziertes Aufsichtspersonal und eine entsprechend ausgerüstete Werkstatt.

Schweißaufsicht

Neben dem Einsatz qualifizierten Fachpersonals wird im europäischen Regelwerk auch qualifiziertes Aufsichtspersonal vorgeschrieben. Das ist nach DIN EN 719 geregelt.

Nach EN 719 hat die Schweißaufsicht zahlreiche Aufgaben und muss hierfür die Verantwortung übernehmen.

Konstruktion kontrollieren

Die Schweißaufsicht ist beispielsweise für die Vertragsüberprüfung zuständig. Die Konstruktion muss ebenfalls kontrolliert werden.

Werkstoffe wie Grundwerkstoffe und Schweißzusätze werden durch das entsprechende Personal kontrolliert. Die Schweißeinrichtung wird von ihm auf Richtigkeit hin untersucht. Außerdem liegt die Planung der Herstellung in den Händen der Schweißaufsicht. Zu beobachten sind die schweißtechnischen Vorgänge wie vorbereitende Tätigkeiten und das Schweißen selber.

Schweißung bewerten und dokumentieren

In den Aufgabenbereich des Schweißaufsichtspersonals fallen auch die Sichtprüfung sowie die zerstörende und zerstörungsfreie Prüfung. Schließlich muss die Schweißung bewertet und dokumentiert werden.

Um die Aufgaben erfüllen zu können, muss das Schweißaufsichtspersonal über entsprechende Kenntnisse verfügen. Gefordert sind nicht nur allgemeines technisches Know-how, sondern auch besondere schweißtechnische Kenntnisse. Daher ist in der Regel eine Zusatzausbildung erforderlich. Umfassende schweißtechnische Kenntnisse bieten der Schweißfachingenieur, spezielle schweißtechnische Kenntnisse der Schweißtechniker und schweißtechnisches Basiswissen der Schweißfachmann.

Werkstatt

Grundsätzlich gilt für das Schweißen von Titan: Die betrieblichen Voraussetzungen sollten denen für das Schweißen von austenitischem Stahl entsprechen. Für das Schweißen von Titanwerkstoffen sind Werkstatteinrichtungen zu nutzen, die von der übrigen Fertigung getrennt sind. Entsprechende Werkzeuge sollten außerdem markiert sein.

Geeignete Einrichtungen notwendig

Wichtig ist, dass der Betrieb für die Oberflächenvorbereitung der Titanwerkstücke geeignete Einrichtungen besitzen muss. Erforderlich ist außerdem, dass Zusatzausrüstungen vorhanden sind, falls das Schutzgasschweißen angewendet wird.