Was ist der Grund, warum Titanlegierungen und Aluminium schwer zu schweißen sind?

Titanlegierung ist ein leichtes, hochfestes und korrosionsbeständiges Material. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, der medizinischen Ausrüstung, der chemischen Industrie und anderen Bereichen eingesetzt. Allerdings ist die Schweißleistung von Titanlegierungen relativ schlecht, hauptsächlich aus folgenden Gründen:
Bildung der Oxidschicht:Auf der Oberfläche einer Titanlegierung bildet sich leicht eine feste Oxidschicht. Diese Oxidschicht erhöht nicht nur die Schwierigkeit beim Schweißvorgang, sondern verringert auch die Schweißfestigkeit. Vor dem Schweißen sind in der Regel einige spezielle Vorbehandlungsmethoden wie Beizen oder mechanisches Polieren erforderlich, um die Oxidschicht zu entfernen und dadurch die Schweißleistung zu verbessern.
Geringe Wärmeleitfähigkeit:Die Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen ist relativ gering, was zu einem großen Temperaturgradienten in der Nähe der Schweißnaht führt, was leicht zu Schweißverformungen und Rissen führen kann. Um den Temperaturgradienten zu reduzieren, sind häufig Maßnahmen wie Vorwärmen und Regelung der Schweißgeschwindigkeit erforderlich, was die Komplexität des Schweißprozesses erhöht.
Wasserstoffempfindlichkeit:Titanlegierungen reagieren empfindlich auf Wasserstoff und absorbieren während des Schweißvorgangs leicht Wasserstoff, was zu einer Wasserstoffversprödung führt. Wasserstoffversprödung kann zu Sprödbrüchen von Schweißverbindungen führen. Daher müssen einige Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. die Kontrolle des Wasserstoffgehalts in der Schweißumgebung, um das Risiko einer Wasserstoffversprödung zu verringern.

Selektive Auflösung:Titanlegierungen neigen bei hohen Temperaturen dazu, sich mit einigen Metallelementen selektiv aufzulösen und eine spröde Phase zu bilden, die die Leistung von Schweißverbindungen beeinträchtigt. Daher muss bei der Auswahl von Schweißmaterialien und Schweißverfahren besonderes Augenmerk auf die Vermeidung dieser selektiven Auflösung gelegt werden.
Hoher Schmelzpunkt:Der relativ hohe Schmelzpunkt von Titanlegierungen erfordert hohe Temperaturen für den Schweißprozess, wodurch der Energieverbrauch und die Anforderungen an die Schweißausrüstung steigen.
Um diese Probleme zu lösen, erfordert das Schweißen von Titanlegierungen in der Regel den Einsatz spezieller Schweißverfahren, darunter Schutzgasschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen und andere fortschrittliche Schweißtechnologien. Darüber hinaus sind die Auswahl geeigneter Schweißmaterialien, die Steuerung der Schweißparameter und die Anwendung von Vorbehandlungsmethoden wichtige Mittel zur Verbesserung der Schweißqualität von Titanlegierungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Titanlegierungen und Aluminium aus folgenden Gründen schwer zu schweißen sind:
1. Aluminium und Titan reagieren leicht mit Sauerstoff
⑴ Aluminium reagiert mit Sauerstoff und bildet einen dichten und feuerfesten Al2O3 (Oxidfilm) mit einem Schmelzpunkt von bis zu 2050 Grad, der die Verbindung der beiden Grundmaterialien behindert und die Schweißnaht anfällig für Einschlüsse macht.
⑵Titan beginnt bei 600 Grad zu oxidieren. Je höher die Temperatur, desto schwerwiegender ist die Oxidation. Dabei entsteht TiO2 (Titandioxid), das eine spröde Zwischenschicht in der Schweißnaht bildet und die Plastizität und Zähigkeit verringert.
2. Aluminium und Titan reagieren bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich
⑴. Bei 1460 Grad bilden Aluminium und Titan eine TiAl-Verbindung (Titanaluminid) mit einem Massenanteil von 36,03 % Aluminium, was die Sprödigkeit des Metalls erhöht.
⑵ Aluminium und Titan bilden bei 1340 Grad eine TiAl3-Verbindung (Titantrialuminid), die einen Massenanteil von 60 bis 64 % Aluminium enthält.
⑶ Nach dem Schmelzen von Aluminium und Titan entsteht bei einem Massenanteil von Titan von 0,15 % eine feste Lösung von Titan in Aluminium.
3. Die gegenseitige Löslichkeit von Aluminium und Titan ist sehr gering
⑴Bei 665 Grad beträgt die Löslichkeit von Titan in Aluminium 0,26 %~0,28 %. Mit sinkender Temperatur nimmt die Löslichkeit ab.
⑵Wenn die Temperatur auf 20 Grad sinkt, sinkt die Löslichkeit von Titan in Aluminium auf 0,07 %, was es schwierig macht, die beiden Grundmaterialien zu kombinieren.
Die Löslichkeit von Aluminium in Titan ist begrenzter, was die Bildung von Schweißnähten zwischen den beiden Grundmaterialien sehr erschwert.
4. Aluminium und Titan haben bei hohen Temperaturen eine starke Wasseraufnahme.
⑴Flüssiges Aluminium kann eine große Menge Wasserstoff lösen, ist jedoch im festen Zustand nahezu unlöslich. Wenn die Schweißnaht erstarrt, hat der Wasserstoff keine Zeit, zu entweichen und Poren zu bilden.
⑵Wasserstoff hat eine hohe Löslichkeit in Titan. Bei niedrigen Temperaturen reichert sich Wasserstoff in den Poren an, wodurch die Plastizität und Zähigkeit der Schweißnaht verringert wird und es leicht zu Sprödrissen kommt.
5. Aluminium bildet mit Titan und anderen Verunreinigungen spröde Verbindungen
⑴. Das aus Aluminium und Sauerstoff gebildete Oxid erhöht die Sprödigkeit des Metalls und erschwert das Schweißen.
⑵Titan und Stickstoff bilden Titannitrid, was die Plastizität des Metalls verringert.
⑶Titan und Kohlenstoff bilden Karbide. Wenn der Massenanteil von Kohlenstoff mehr als 0,28 % beträgt, verschlechtert sich die Schweißbarkeit beider Grundmetalle erheblich.
6. Aluminium und Titan reagieren bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich
⑴Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und Titan ist sehr unterschiedlich. Aluminium (206,9 W·m-2·K-1) ist etwa 16-mal größer als Titan (13,8 W·m-2·K-1).
⑵Die linearen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Titan sind sehr unterschiedlich und Aluminium ist etwa dreimal größer als Titan. Anfällig für Risse unter Druck.
7. Die Legierungselemente in Aluminium und Titan verbrennen und verdampfen
⑴Wenn Aluminium oder eine Aluminiumlegierung schmilzt, beginnen Elemente mit niedrigeren Schmelzpunkten, wie Magnesium, Zink usw., zu brennen oder zu verdampfen.
⑵ Wenn der Schmelzpunkt von Titan oder einer Titanlegierung erreicht ist (1677 Grad), verbrennen und verdampfen Legierungselemente wie Aluminium stärker, was zu einer ungleichmäßigen chemischen Zusammensetzung der Schweißnaht und einer verringerten Festigkeit führt.