Sveising av titan

Mange anser fortsatt sveising av titan som problematisk. Dette er en av mytene om titan. Til tross for de ekstra forholdsregler som kreves for å sveise titan, og den ekstra omtanke materialet krever sveises titan og de fleste titanlegeringer i dag med utmerket resultat og på en økonomisk tilfredsstillende måte. Flere sveisemetoder er aktuelle; TIG, MIG, plasma, elektronstråle, laser, friksjons-sveising og punktsveising.

Sveisemetoder

TIG/GTAW .
Den mest anvendte sveisemetoden for titan er vanlig TIG med likestrøm og negativ elektrode. Metoden anvendes både som manuell og automatisk. Thoriumlegerte elektroder anbefales. Disse slipes spisse for å få en konsentrert og stabil lysbue. Det anvendes høyfrekvent tenning av lysbuen. Strømkildene er utstyrt med strømkontroll for gradvis reduksjon av sveisestrømmen. Nedtoningen av strømstyrken under avslutning  med redusering av varmetilførselen til sveisebadet minsker risikoen for kratersprekker.

TIG metoden kan anvendes for nær sagt alle typer sveiseforbindelser, platetykkelser og sveiseposisjoner. Den gir sveiseren stor frihet til å utføre forskjellige sveiser med minimal omstilling av sveiseutstyret. Ved TIG sveising kan buttsveiser med materialtykkelser opp til ca 2,0 mm utføres uten tilsatstråd. Større materialtykkelser vil generelt kreve preparerte fuger og tilsatstråd. Fugene kan gjøres noe trangere enn for stål.

MIG/GMAW

MIG-sveising er karakterisert ved store avsettmengder pr tidsenhet og skulle således være en attraktiv prosess. For sveising av titan er den imidlertid lite brukt. Det er flere grunner til dette. MIG er effektiv på større materialtykkelser, der bunnstreng kan legges med TIG og oppfylling skje med MIG. Relativt få titankonstruksjoner er hittil fremstilt med store materialtykkelser. Videre skaper den store sveisehastigheten problemer med den skjermingen av sveisebadet som er nødvendig ved titansveising. I Europa er MIG sveising brukt svært lite på titan
mens den i USA er anvendt en del på sveiser med moderate krav til kvalitet.

Plasmasveising/PA

Plasmasveising er en sveisemetode som brukes for titansveising, spesielt for automatsveising av langskjøter ved rørfremstilling. Med metoden oppnås bedre sveisehastigheter enn med TIG. Metoden har også et godt dybde/bredde forhold.

Elektronstrålesveising/EBW

Elektronstrålesveising er velegnet for sveising av titan. Også her er utstyret kostbart. Fordelene er at ett og samme utstyr kan brukes fra meget små tiÌ store materialtykkelser. En 6 kW maskin kan sveise tykkelser fra noen  hundredels millimeter til ca 35mm tykkelse i en operasjon. Sveiseprosessen foregår i vakuum. Som den eneste av de nevnte sveisemetoder trengs derfor ingen gasskjerming av sveisebadet ved elektronstrålesveising. Men siden sveiseprosessen foregår i vakuumkammer blir størrelsen på dette bestemmende for komponentstørrelsen. Sveiseprosessen er rask. En elektronstrålesveis har liten bredde i forhold til dybde. Dybde/bredde-forholdet kan f.eks. være 20:1. Om ønskelig kan en gjøre sveisen noe bredere. På grunn av liten varmetilførsel får man meget beskjedne sveisedeformasjoner med elektronstrålesveising.

Lasersveising/LBW

Automatisk lasersveising er også en egnet prosess for sveising av titan. Utstyret er imidlertid kostbart. Materialtykkelse er begrenset. En 15 kW C02 laser kan sveise 12-15 mm plate i Grade 5 i en operasjon. Laserstrålen kan avbøyes v.h.a. speil og sveisingen kan foregå i god avstand fra maskinen og på vanskelig tilgjengelige steder.

Friksjonssveising/FRW

Titan kan friksjonsveises. Metoden er relativt kapitalintensiv, og har store verktøykostnader. Metoden krever derfor store serier og den har et meget begrenset anvendelsesområde.

Punktsveising/RSW

Titan kan punktsveises stort sett på samme måte som andre metaller. Sveiseparametre vil være som for austenittisk rustfritt stål av samme materialtykkelse. Den gode flatekontakten i sveisesonen sammen med den korte varigheten på sveisesyklusen, gjør spesiell gasskjerming unødvendig ved denne sveisemetoden.

Sveisbarhet

Tabell 1 viser sveisbarhet for noen titankvaliteter. Rangering av sveisbarhet er basert på egenskaper som duktilitet, fasthet og motstand mot sprekkdannelse. Titan og titanlegeringer rangert som A eller B er til de fleste applikasjoner anvendbare i som sveist tilstand. Titanlegeringer innen samme gruppe kan sveises til hverandre. Rene titankvaliteter kan sveises til hverandre, til alfa legeringer og til noen alfa-beta legeringer.

Kontroll av sveiser

Visuell kontroll vil kunne avdekke manglende gass-skjerming og dermed forsprøing av sveisen. Riktig utført sveis vil ha en sølvblank farge, men en rekke farger kan forekomme. Farger fra gul til lyseblå kan også aksepteres, mens sveiser som er mørkeblå til grå og hvit må forkastes.

Andre kontroller er hardhetsprøving. Hardheten på sveisen bør ikke ligge mer enn 30 Hv over grunnmaterialet. Bøyeprøving gir god indikasjon på sveisens duktilitet. Ellers kan røntgen, ultralyd og virvelstrøm anvendes som for andre materialer. Magnetpulvermetoden er ikke anvendbar for titan.

Sveisefeil

Porer er den vanligste feil i titansveiser. I de fleste tilfelle vil denne form for feil være relativt harmløs. Men en bør se opp for følgende:

• Om porene er lineære og på linje med rotstrengen. Dette kan indikere bindingsfeil
• Om porene er så store at de kan dekke andre mulige feil
• Om de går gjennom overflaten
• Om porene opptrer i små materialtykkelser (0,5-  1,5 mm) utsatt for sykliske påkjenninger. I slike tilfelle kan utmattingssprekker initieres i porene.

I disse tilfellene bør reparasjon av porer overveies. For øvrig bør en unngå å foreta reparasjon av porer. Dette fordi en ved oppboring eller sliping med etterfølgende omsveising lett kan kontaminere sveisen, noe som igjen kan være mer skadelig enn de opprinnelige porene.

Varmebehandling i forbindelse med sveising

Forvarming er generelt unødvendig ved sveising av titan. Hvis en imidlertid har mistanke om at det kan være fuktighet tilstede på grunn av lav temperatur, høy relativ fuktighet eller fuktig arbeidsområde, så bør en foreta forvarming. Oppvarming til 65ºC er vanligvis tilstrekkelig til å fjerne fuktigheten.

Behovet for avspenningsgløding av titankonstruksjonen vil være avhengig av anvendt titankvalitet, konstruksjonens kompleksitet samt bruksområde.

Maskinerte komponenter med strenge dimensjonskrav bør avspenningsglødes
rett før sluttmaskinering.

Avspenningsgløding bør også overveies for komponenter som vil bli utsatt for dynamisk belastning (utmatting). Avspenningsgløding ved ca. 500 -  52ºC er vanligvis tilstrekkelig. Alfa-beta legeringer f.eks. Grade 5 avspenningsglødes ved noe høyere temperatur, 500 - 650ºC.

Tilsatsmaterialer

Tilsatstråd for titansveising leveres etter AWS 5.16-90 ERTi.

Denne standarden har betydelig lavere maksimale verdier for C, O, N, H og Fe for de forskjellige titankvaliteter enn ASTM standarden for grunnmaterialet. Det er god praksis å velge tilsatstråd som svarer til grunnmaterialets egenskaper, men om en ønsker spesielle egenskaper i sveiseforbindelsen kan en få dette fram ved å velge en annen grad av tilsatstråd enn grunnmaterialet. For de ulegerte titankvalitetene kan en redusere hardhetsøkningen i sveisen ved å anvende sveisetråd av en grad lavere enn grunnmaterialet. Spesielt kan dette være aktuelt ved montasjesveising.

Gass-skjerming

Titan har høy affinitet til oksygen, hydrogen og nitrogen ved temperaturer over 400º. Dette innebærer at en fullgod gassbeskyttelse må etableres rundt titansveisen og under avkjølingsperioden. Argon og helium er to inerte gasser som anvendes som beskyttelsesgass ved titansveising.

Argon er den vanligst brukte gassen. Dette har sin bakgrunn i pris og tilgjengelighet. Gassen skal ha største renhet (99,995 %) og være tilstrekkelig tørr til å tillate et visst opptak av fuktighet fra tilførselsledninger etc. For fremføring av gass må en bruke plastslanger, da gummislanger kan være porøse.

Gassavskjermingen kan deles i tre faser:

• Primær skjerming av sveisebadet.
• Sekundær skjerming av størknet sveis og varmepåvirket sone.
• Skjerming av rotside med tilhørende varmepåvirket sone.

Primærskjermingen blir tatt vare på v.h.a. riktig valg av sveiseholder og gassdyse med gasslinse. Gassdysens åpning bør være 50 % større enn bredde av sveisen for å oppnå en adekvat beskyttelse av smelten. Videre kreves at gasstrømmen er tilpasset slik at det ikke oppstår virvler.

Sekundærskjermingen må en ta vare på v.h.a. en slepesko festet til sveiseholderen. Slepeskoen må være lang nok og bred nok til å skjerme den størknede sveisen og det oppvarmede materialet til temperaturen har sunket under 400ºC. Slepesko må utformes slik at de passer for den enkelte sveis eller sveisekonfigurasjon. F. eks må en ved sveising av rundsømmer på rør ha slepesko for hver rørdiameter.

Skjerming av sveisens rotside kan gjøres på flere måter. For rør kan en stenge av et rom som går litt til begge sider for sveisen. Før sveising gjennomspyles dette med gassmengde lik 6-7 ganger det innestengte volum. Under sveising sørges det for en viss gjennomstrømming av gass. Ellers kan rotside-skjermingen skje v.h.a. en løs “slepesko”. For større konstruksjoner kan det være behov for å ha en hjelpemann til å føre denne. Både i sveiseholderens slepesko og i rotside-skjermingen må gassmengden tilpasses til den aktuelle sveiseoperasjonen. For rotside-skjerminger er det en god regel å ha minst mulig gassmengde for ikke å risikere at sveiser blåser bort.

Montasjesveising

På grunn av de kravene en må sette til miljøet ved sveising av titan, er det klart at montasjesveising av dette materialet er noe mer problematisk enn montasjesveising av stål. Ved titankonstruksjoner et det derfor viktig å planlegge for færrest mulig montasjesveiser.

Sammendrag av retningslinjer for TIG sveising

• Arbeidsplass: Holdes ren og isoleres fra trekk, høy fuktighet og arbeidsoperasjoner som produserer skitt som f.eks. slipestøv
• Utstyr: Vannkjølt eller luftkjølt sveiseholder 3/4 keramikk­hylse med gasslinse. Begrens elektrodeutstikk til 10 mm
• Kraftkilde:   Likestrøm med negativ elektrode. Fot- eller håndbryter for å bryte strømmen
• Inert gassbeskyttelse:   Argon eller Argon/Helium blanding. (99,995 %)
• Primær: Fra sveiseholder som beskytter sveisebad.
• Sekundær: Fra slepesko som beskytter størknet sveis og HAZ rotside.
• Sveisefuger:  Rene og med god tilpassing. Synlig fra begge sider for inspeksjon av sveis
• Tilsatstråd: Må tilsvare egenskapene til grunnmaterialet. Må være ren før sveisestart. Oppvarmet ende må holdes i beskyttelsesgassen.
• Før sveising: Gjennomspyl sveiseholder og skjermingsarrangement. Start lysbuen på en skrap-bit. Farven er en test på primær beskyttelsen. Gjør en sveisesøm. Farven er en test på sekundær- og rotbeskyttelse. Bøyeprøve gir uttrykk for duktilitet.
• Under sveising:  Med tilsatstråd, buelengde = 1,5 x elektrodediameter. Uten tilsatstråd, buelengde = 1 x elektrodediameter.
• Rengjøring av komponenter: Alle kanter og sveiseoverflater må være fri for kontaminering. Fjern grader og skarpe kanter med fil. Bruk ikke smergelpapir. Bruk fille som ikke loer til å vaske arbeidsstykkene. Vask med acetone eller etylalkohol. Etter vasking, børst med rustfri stålbørste. Bruk ikke stålull. Hvis vaskemidlene ikke virker forsøk; lett sliping, filing eller beisingFjern glødeskall med sandblåsing etterfulgt av beising. Dekk til vaskede deler med plastikk eller papir når det ikke arbeides med dem.

Tabell 1     Relativ sveisbarhet for noen titan-legeringer

A:        Utmerket
B:         God
C:        Begrenset til spesielle anvendelser
D:        Ikke sveisbar