1. Gesamtschweißbarkeit von Titanmaterialien
Kommerziell reines (CP) Titan (GR.1/GR.2/GR.3)
CP-Titan (einphasig -) weist eine ausgezeichnete Schweißbarkeit auf. Sein niedriger Legierungsgehalt minimiert die Bildung spröder intermetallischer Phasen beim Schweißen und seine hohe Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich zu Titanlegierungen) hilft, die Wärme gleichmäßig zu verteilen und so lokale Überhitzungen zu reduzieren. Gängige Schweißmethoden (GTAW/WIG, PAW/Plasmalichtbogenschweißen, LBW/Laserstrahlschweißen) sind alle anwendbar und mit der richtigen Abschirmung können Schweißverbindungen mit hoher Integrität erreicht werden.
+ Titanlegierungen (z. B. GR.5/Ti-6Al-4V)
GR.5 weist eine mäßige Schweißbarkeit auf. Das Vorhandensein von Aluminium (-Stabilisator) und Vanadium (-Stabilisator) führt zu Herausforderungen wie Phasentrennung und Kornvergröberung in der Schweißzone. Bei strenger Prozesskontrolle (z. B. geringer Wärmeeintrag, präzise Abschirmung) lässt es sich dennoch zuverlässig verschweißen.
Titanlegierungen (z. B. Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)
Legierungen sind aufgrund ihrer stabilen --Phase bei Raumtemperatur und einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Wärmeeintrag gut schweißbar, werden jedoch im Vergleich zu CP-Titan und GR.5 in industriellen Anwendungen seltener geschweißt.
2. Rissanfälligkeit von Titanschweißnähten
Fehlende Erstarrungsrisse
Titan hat einen breiten Gefrierbereich, sein Schweißgut verfestigt sich jedoch einphasig (oder), wodurch die Bildung niedrigschmelzender eutektischer Phasen an Korngrenzen (die Hauptursache für Erstarrungsrisse) vermieden wird. Dadurch ist Titan auch bei hoher Wärmeeinbringung immun gegen Erstarrungsrisse.
Wasserstoff-Induziertes Kaltcracken (HICC)
Dies ist die häufigste Rissart bei Titanschweißnähten. Wasserstoff kann durch Feuchtigkeit im Schutzgas, kontaminiertes Zusatzmetall oder Umgebungsluft in die Schweißnaht und die HAZ gelangen. Bei Temperaturen unter 250 Grad (482 Grad F) verbindet sich Wasserstoff mit Titan und bildet entlang der Korngrenzen spröde Hydrid-Ausscheidungen (TiH₂). Diese Hydride erzeugen Spannungskonzentrationen, die beim Abkühlen nach dem Schweißen oder im anschließenden Betrieb (insbesondere unter Zugbelastungen) zu Kaltrissen führen. CP-Titan und GR.5 sind beide anfällig für HICC, wenn die Abschirmung unzureichend ist.
Spannungsrisse
Restspannungen beim Schweißen (verursacht durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung/-kontraktion) können Spannungsrisse in der WEZ hervorrufen, insbesondere bei Bauteilen mit dickem{0}}Querschnitt oder Schweißnähten mit hoher Spannung. Die HAZ von GR.5 neigt zur Kornvergröberung, was die Duktilität verringert und es anfälliger für Spannungsrisse unter Restzugspannung macht.
3. Änderungen der mechanischen Eigenschaften nach dem Schweißen
Stärkevariationen
CP Titan: Das Schweißgut und die HAZ von CP-Titan haben typischerweise eine etwas höhere Festigkeit als das BM, aber eine geringere Duktilität. Durch die Schweißhitze kommt es in der HAZ zu einer Kornvergröberung, die die Zugfestigkeit um 5–10 % erhöht (z. B. GR.2 BM-Zugfestigkeit von 485 MPa gegenüber einer Schweißnahtfestigkeit von 510–530 MPa), die Dehnung jedoch um 10–15 % verringert (von 25 % auf 20–22 %).
GR.5 Titanlegierung: Das geschweißte GR.5-Schweißgut hat eine martensitische Phase (die durch schnelles Abkühlen der --Phase beim Schweißen entsteht), die die Zugfestigkeit auf ~1000 MPa erhöht (höher als 860 MPa des geglühten BM), aber die Duktilität drastisch verringert (Dehnung sinkt von 12 % auf 5–8 %). In der WEZ von GR.5 kommt es zu einer Kornvergröberung und Phasenumwandlung, wobei die Streckgrenze im Vergleich zum BM aufgrund der erweichten Mikrostrukturen um 5–10 % abnimmt.
Duktilitäts- und Zähigkeitsreduzierung
Bei allen Titansorten führt das Schweißen zu einem erheblichen Rückgang der Duktilität und Zähigkeit in der Schweißzone. Die groben Körner der WEZ und die Nicht-Gleichgewichtsmikrostruktur des Schweißmetalls (z. B. Martensit in GR.5) wirken als Rissinitiationsstellen und verringern die Bruchzähigkeit um 20–30 % (z. B. GR.5 BM-Bruchzähigkeit von 60 MPa·m¹/² gegenüber einer Schweißverbindungszähigkeit von 40–45 MPa·m¹/²). Die Schweißnahtdehnung von CP-Titan nimmt aufgrund der Kornvergröberung in der WEZ um 20–25 % ab.
Verschlechterung der Ermüdungsleistung
Schweißverbindungen sind das schwächste Glied für die Ermüdungsfestigkeit. Die Kombination aus Eigenspannungen, mikrostruktureller Inhomogenität und potenzieller Porosität/Einschlüssen verringert die Ermüdungsfestigkeit von Titanschweißnähten im Vergleich zu BM um 30–50 %. Beispielsweise hat geglühtes GR.5 BM eine Ermüdungsfestigkeit bei 10⁷-Zyklen von 400 MPa, während die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung auf 180–250 MPa abfällt. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (z. B. Spannungsarmglühen oder Rekristallisationsglühen) kann die Ermüdungsleistung teilweise wiederherstellen, indem Restspannungen reduziert und Mikrostrukturen verfeinert werden.
Änderungen der Korrosionsbeständigkeit
Unsachgemäß abgeschirmte Titanschweißnähte können in der WEZ eine Sauerstoff-/Stickstoffverunreinigung aufweisen, die die Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien (z. B. Meerwasser, Säuren) verringert. Bei vollständiger Abschirmung ist die Korrosionsbeständigkeit der Schweißverbindung jedoch vergleichbar mit der BM.
