Het lassen van titanium-legeringen

De kwaliteit van titanium laswerk leest men af aan de kleur na afkoelen. De kleur van een goede las is zilverachtig. Bij een blauwe, groene, paarse, of roze las is de las bros. De verkleuring wijst op hitte en actieve elementen (verontreinigingen) uit de omgeving. Zeer bros is de las als er wit/gele schilfers op zitten. Actieve elementen als zuurstof, stikstof en waterstof diffunderen bij het lassen diep door in het titanium. Verkeerd gelast titanium is niet te herstellen, of het vervuilde stuk moet weggefreesd worden. Opname van actieve elementen in de warmte beïnvloede zone (WBZ) zorgen voor breuk of scheur in combinatie met thermische en mechanische trillingen. Het lassen van titanium moet worden uitgevoerd onder een inert gaswolk.

Bestaansrecht van titanium

Titanium is een reactief metaal; brandt in zuivere zuurstof bij 600 ° C en in stikstof bij ongeveer 800 ° C. Titanium heeft een grote affiniteit tot koolstof alsmede tot de gassen zuurstof, stikstof en waterstof. Deze elementen diffunderen bij temperaturen boven de 400°C in het titanium en nestelen zich in de holten tussen de titanium atomen (z.g.n. interstitiële oplossing) en maken het metaal bros. Ondanks deze reactiviteit wordt titanium toegepast vanwege:

• De beschermende oxidelaag, waardoor titanium-legeringen corrosiebestendig zijn, vooral in chloridehoudende omgevingen.
• Geen verlies van taaiheid bij lage temperaturen tot -196 °C.
• Goede kruip en oxidatie weerstand tot circa 600 °C.
• Sterkte vergelijkbaar met de sterkte van staal, bij slechts de helft van het gewicht.

Toegepaste lasmethoden

MIG-MAG- lassen

(MIG=metaal-inert-gas/MAG=metaal-actief-gas) is het meest gebruikte lasproces. Grote lassnelheid, mooie gladde las en geringe vervorming. Bij het MIG-MAG-proces brandt de elektrische vlamboog tussen de afsmeltende, automatisch aangevoerde lasdraad die tegelijk de elektrode is, en het werkstuk. Toegevoerd gas beschermt vlamboog en laszone tegen verontreinigende gassen uit de omgeving.

Tig- Lassen

TIG-lassen (TIG=tungsten-inert-gas) heeft vele voordelen tegenover andere lasprocessen. De geringe werkstuk vervorming, de smalle laszone, het wegvallen van vloeimiddelen en een spatvrije vlamboog zorgen voor schone naden zonder slakinsluitsels. Bij het TIG-proces brandt de elektrische vlamboog tussen de niet afsmeltende wolfram-elektrode en het werkstuk. Aangevoerd argon gas beschermt vlamboog en laszone tegen de buitenlucht. Indien nodig wordt extra metaal met de hand toegevoegd.

Titanium wordt met gelijkstroom gelast, de elektrode is op de min-pool aangesloten en tot een punt geslepen. Aluminium, magnesium-legeringen worden om de oxidehuid open te breken met wisselstroom gelast.

BMBE-lassen

BMBE (=booglassen-met-beklede-elektrode) is voor bijna alle lasbare materialen toe te passen. Lassen met beklede elektroden is eenvoudig en veilig en de apparaten zijn eenvoudig te bedienen. Bij het BMBE-proces brandt de elektrische vlamboog tussen een afsmeltende elektrode en het werkstuk. De elektrode levert tegelijkertijd extra metaal. De elektroden hebben een bekleding, de bekleding smelt eveneens af en beschermt door vrijkomende gassen en als slak het smeltbad tegen toetreden van vreemde elementen.

De structuren van titanium

Titanium kan twee kristalstructuren aannemen, afhankelijk van temperatuur en chemische samenstelling ontstaan:

• Alfafase: hexagonaal rooster onder de 880°C.
• Bèta-fase: Kubisch ruimtelijk gecenterd rooster boven 880°C.

Een aantal elementen kunnen toegevoegd worden om de mechanische eigenschappen van titanium te verbeteren, sommige bevorderen de alfa-fase en andere bevorderen de bèta-fase. Alfa-fase wordt bevorderd door zuurstof, koolstof, stikstof en aluminium. De bèta-fase wordt bevordert door chroom, molybdeen, niobium, tin en vanadium. Door toevoeging van deze elementen ontstaan, ingedeeld op basis van hun microstructuur, vier titaniumgroepen:

• Commercieel zuiver titaan;
• Alfa-legeringen;
• Alfa-bèta-legeringen;
• Bèta-legeringen.

Lassen van titanium met TIG en MIG-MAG

Commercieel zuiver titanium met een kleine hoeveelheid zuurstof, stikstof en koolstof, totaal minder dan 0,2%, heeft mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van ongelegeerd koolstofarm staal. Hoe meer verontreinigingen, hoe groter de treksterkte, maar des te lager de taaiheid. De meeste titaanlegeringen worden gebruikt om hun corrosieweerstand. Titanium wordt gelast in de gegloeide toestand.

Alfa-legeringen, zoals de Ti-5Al-2.5Sn hebben een treksterkte van 500-900 MPa (N/mm2), 0,2% strekgrens van 600-800 MPa (N/mm2) en een rek van ongeveer 18%. Als bij commercieel zuiver titanium zijn de mechanische eigenschappen ongevoelig voor warmtebehandelingen. Lasbaarheid is goed, de legeringen worden gelast in de gegloeide toestand.

Titaan-legeringen geschikt voor verouderingsharding

Vanadium stabiliseert de beta-fase door verlaging van de transformatie temperatuur van alfa naar bèta. Bèta is voldoende gestabiliseerd om bij kamertemperatuur te bestaan naast alfa. Er ontstaat een titaan-legering die verder kan worden versterkt door warmtebehandeling.

Wanneer tot 1% vanadium wordt toegevoegd aan alfa-legering ontstaat bijvoorbeeld de legering Ti-8AL-1MO-1V, die wordt gebruikt in vliegtuigmotoren voor ventilator en compressorschoepen. Wanneer vanadium wordt toegevoegd in een hoeveelheid van 4% en meer, aan titanium kunnen alfa-bèta en bèta-legeringen aanzienlijk worden versterkt door warmtebehandeling. Extreem hoge sterkte kan worden verkregen en de sterkte wordt gehandhaafd tot redelijke temperaturen. Titanium-vanadium legeringen hebben de hoogste sterkte-gewicht verhouding van alle technische materialen.

De sterkte van de alfa-bÈta-legeringen kan opgevoerd worden door een warmtebehandeling, namelijk oplossend gloeien gevolgd door verouderingsharding, waardoor de sterkte met 50% toeneemt ten opzichte van de gegloeide toestand. Alfa-bèta-legeringen zoals Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr kunnen een treksterkte van 1200MPa (N/mm2) bereiken bij een taaiheid van circa 10%. Lasbaarheid van de alfa-bèta-legeringen is slechter. Bèta-gestabiliseerde legeringen worden door het lassen bros, hoewel het mogelijk is om de taaiheid gedeeltelijk te herstellen door een warmtebehandeling achteraf, is dat weer een extra kostenpost.

Alfa-bètalegeringen worden meestal niet gelast. Ti-6Al-4V heeft een treksterkte van 950 MPa (N/mm2), een strekgrens van 850MPa(N/mm2) en een rek van 15%. Deze legering is goed vervormbaar, goed gietbaar en uitstekende lasbaar. Het is wegens deze compromis de meest gebruikte titaanlegering.

De honderd procent bèta-legeringen, bijvoorbeeld Ti-13V-11Cr-3Al, heeft een vergelijkbare sterkte maar met een verbeterde taaiheid van circa 15% rek. De bèta-fase is in feite metastabiel - koud bewerken of verhitten kan een gedeeltelijke transformatie veroorzaken naar de alfa structuur. De legeringen zijn goed hardbaar, goed smeedbaar en taai. Lasbaarheid is goed, gelast wordt in de gegloeide toestand. Voor de maximale sterkte wordt verouderingsharding toegepast.

Verontreiniging

Lasbaarheid van de titaanlegeringen is in het algemeen goed. De uitzonderingen zijn de bèta- en alfa-bèta-legeringen. Het fundamentele probleem bij het lassen van titanium-legeringen zijn de verontreinigingen. Verontreiniging van het lasmetaal en de aangrenzende warmte beïnvloede zone (WBZ) verhogen treksterkte en hardheid maar verlagen de taaiheid, zodat scheurtjes reeds bij een matige belasting kunnen optreden. De meeste verontreinigingen zijn zuurstof en stikstof, uit lucht of uit onzuivere schermgas en waterstof uit vocht en oppervlakte vuil.

Een schone omgeving, inclusief werkstuk, lasdraad en beschermgas is essentieel voor het lassen van titanium. Geoxideerde delen moeten worden gebeitst. De gereinigde draad en werkstuk moeten behandeld worden met schone katoenen handschoenen, vet en zweet van de vingers kunnen lokale porositeit veroorzaken.

Tijdens het lassen zullen werkstuk delen voor en achter de toorts, die blootgesteld worden aan temperaturen boven 520 ° C, zuurstof en stikstof absorberen en moeten daarom evenals het smeltbad worden beschermd door een inert gasschild totdat de delen beneden deze kritische temperatuur zijn afgekoeld. Warmtegeleidingsvermogen van titanium is relatief slecht zodat de warmte beïnvloede zone (WBZ) beperkt in omvang is.

Kwaliteitscontrole van de titaniumlas

Oppervlakte verkleuring geeft een indicatie van de hoeveelheid opgenomen verontreinigingen. Onder bescherming van inert gas zal de las een licht zilverachtige kleur aannemen. Als de opname van verontreiniging toeneemt verandert de kleur van zilver in een stro kleur, vervolgens donker stro, donkerblauw, lichtblauw, grijs en tenslotte poederachtige wit, de laatste las moet zeker afgekeurd worden.

De lichte en donkere stro kleur wijst op een lichte verontreiniging en is normaal gesproken acceptabel. Donker blauw geeft zwaardere verontreiniging die aanvaardbaar kunnen zijn, afhankelijk van de eisen. Licht blauw, grijs en wit geven een te hoog niveau van verontreiniging en moet afgekeurd worden. De oppervlak kleuren alleen vormen geen betrouwbare informatie om te beslissen over afkeur of goedkeur. Een buigproef is betrouwbaarder maar destructief. Hardheid controles kunnen ook op de las uitgevoerd worden, dit vereist kennis van de relatie tussen hardheid in het lasmetaal en andere mechanische eigenschappen.

Lasfouten

Titaan en zijn legeringen zijn goed bestand tegen scheurvorming. Stollingsscheuren komen weinig voor en koudscheuren alleen door brosheid vanwege verontreinigingen.

Warmscheuren

De kristallen groeien gedurende het stollen naar het midden van het lasbad. Laatste beetje smelt bevat de meeste verontreinigingen. Scheuren worden gevormd aan het einde van het stollingsproces en zijn interkristallijn. In dit stadium komen de aangroeiende dendrieten met elkaar in contact. Bij afkoeling treedt krimp op, hetgeen leidt tot krimpspanning. Indien deze spanning hoog oploopt kan het metaal langs de laatst vloeibare lijn midden in de las van elkaar worden getrokken. Als er aan het eind van het stoltraject voldoende vloeistof aanwezig is kan de warmscheur nog worden 'gelijmd', doordat vloeibaar materiaal de ontstane scheur opvult.

Porositeit van de lasnaden

Porositeit wordt veroorzaakt door verontreinigingen. Men onderscheidt twee soorten porositeit: microporositeit gevormd door het invangen van gassen in de armen van de dendrieten tijdens het stollen van het titaniumbad; ten tweede de grotere poriën in het midden van de las.

Schoon gereedschap en een schone omgeving is het geheim van goede lasnaden in titanium en dit betekent dat niet alleen de onderdelen worden ontvet maar ook de lasdraden en dat het beschermgas van hoge zuiverheid moet zijn. TIG lasdraden worden gereinigd met een doek en een ontvettingsmiddel. De draad mag na het reinigen niet met blote handen worden aangepakt, maar met schone, vetvrije handschoenen.

Elektrisch gereedschap gebruiken

Een verdere potentiële bron van besmetting is het gebruik van lucht aangedreven gereedschappen zoals voor een (rvs)staalborstel. De meeste perslucht bevat vocht en olie, zodat, een film van vocht en/of olie op het te lassen oppervlak terecht komt. Gebruik daarom elektrisch gereedschap.

Toevoegmetaal

Een aanzienlijk deel van het lassen van titaan wordt uitgevoerd zonder toevoeging van lasdraad. Als lasdraad wordt gebruikt, is het meestal van dezelfde legering als het moedermetaal. Er zijn uitzonderingen, bij het lassen van een legering met hoge sterkte maar lage taaiheid wordt commercieel zuiver titanium gebruikt om de gewenste laskwaliteit (taaiheid) te bereiken. Zo wordt vaak ongelegeerd titanium toevoegmetaal gebruikt bij het lassen van de bekende legering Ti-6Al-4V. Door verlaging van de hoeveelheid bèta-fase verbetert de taaiheid van de las.

Lastechnieken voor titanium legeringen

Titanium en zijn legeringen in vaste toestand kunnen worden gelast met alle technieken die ook voor koolstof staal worden gebruikt, zoals wrijvings-, weerstands-, en puntlassen.

Lasparameters

Lasparameters en lasvoorbereiding zijn vergelijkbaar met die worden gebruikt voor het lassen normaal koolstofstaal. Vanuit het oogpunt van de lasser, is titanium gemakkelijker te lassen dan staal, door goede vloeibaarheid en hoge oppervlaktespanning.
TIG lassen is waarschijnlijk het meest gebruikte proces, handmatig of gemechaniseerde met een zuivere argon als beschermgas, De diameter van de wolframelektrode is 1 à 1,5 mm, de booglengte moet zo kort mogelijk zijn om het risico van verontreiniging te verminderen met neemt circa 1,5 maal de elektrode diameter.

De beschermende gasschilden

De beschermende gasstroom wordt in stand gehouden nadat de boog is gedoofd, zodat de las kan afkoelen onder beschermgas. Geadviseerd wordt om de uiteinde van de lasdraad ook binnen het beschermgas te houden totdat het is afgekoeld tot de temperatuur waarbij geen zuurstof, stikstof en waterstof meer wordt opgenomen. Extra gastoevoer moet zodanig worden bevestigd aan de toorts dat het afkoelend lasmetaal voor en achter de las eveneens beschermd wordt tegen infiltratie van ongewenste elementen uit de omgeving. Veel lassers vervaardigen hun eigen aanvullende lasschilden.

MIG-lassen met argon zal niet dezelfde hoge kwaliteit lassen afleveren als het TIG-proces en het is een probleem om aan de strenge kwaliteitseisen van bijvoorbeeld lucht- en ruimtevaart te voldoen. MIG lassen is ondanks moderne apparatuur nog steeds moeilijk voor handlassers, wegens de moeilijkheid van het nauwkeurig sturen van de MIG toorts. Daarom wordt het MIG-lassen zo veel mogelijk gemechaniseerd.

Handschoenkast

Atmosferische vervuiling wordt best vermeden door toepassing van een glovebox (handschoenkast) die kan worden gevuld met argon. Nadeel is dat de grootte van het te lassen onderdeel beperkt is en het manipuleren moeilijker. De glovebox is bij de lasser niet populair.

Noot

1Pa=1N/m2
MPa =10↑6Pa=10↑6N/m2=1N/mm2
GPa=10↑9 Pa=10↑9N/m2=1000N/mm2