A titán hegesztése, hegesztését befolyásoló tulajdonságai
A görög mitológia titánjairól elnevezett elemet, Martin Heinrich Klaproth német vegyész azonosította 1795-ben. A Föld kérgében a 9. leggyakoribb elem, melynek oxidjai fehérek, legismertebb oxidjáról, a rutilról mégis csak ritkán gondolunk a titánra. Jó korrózióálló, tömegéhez (sűrűségéhez) képest igen jó szilárdságú fém. A szerencsések repülőgépgyártás és űrhajózás kapcsán találkoznak vele. Sokan, a magas biokompatibilis tulajdonságai miatt, az egészségügyben (protézisek). Alakíthatósága, forgácsolhatósága rossz, erősen oxidálódó és dezoxidáló valamint karbidképző anyag. Rozsdamentes acélok fontos ötvözője, a korrózió állóságot jelentősen növelő hatása miatt. A titán hegesztése komoly tisztasági előírások betartása és totális gázvédelem mellett hajtható végre.
| Anyagok és jellemzőik | ρ (g/cm-3) | ReH (MPa) | Olvadásp. (⁰C) | Tkúszás (⁰C) |
|---|---|---|---|---|
| Magnézium és ötvözetei | 1,7 | 70-270 | 1107 | 150-250 |
| Alumínium és ötvözetei | 2,7 | 25-650 | 660 | 150-250 |
| Titán és ötvözetei | 4,5 | 170-1300 | 1667 | 400-600 |
| Szerkezeti acélok | 7,9 | 180-1600 | 1438 | 400-600 |
| Réz és ötvözetei | 8,9 | 180-1600 | 1085 |
Ötvözetlen állapotában a szilárdsági tulajdonságai az egyes ötvözött acélokéval vetekszik, azonban lényegesen könnyebb azoknál. Szintén fontos kiemelni a kiváló, korrózióálló képességét, melyet a felületén kialakuló kémiailag inert oxidrétegnek köszönhet. A savakkal és lúgokkal szemben szobahőmérsékleten gyakorlatilag teljesen ellenálló. Sem a sósav, kénsav, salétromsav vagy az erős lúgok mint pl. a nátrium-hidroxid nem képesek standard körülmények között oldani. A titánt – az előállítás nehézségei miatt – inkább olyan helyeken használják, ahol a jó szilárdsági tulajdonságok mellett fontos a kis súly, azonban az ár kevésbé játszik szerepet a szerkezeti anyag választásában. [forrás]
A titán gázoldó képessége jelentős, N2:O2:H2=1:5:1000. Az oldott gázok a titán elridegedését okozzák. A nitrogén és oxigén, azaz a levegőben előforduló leggyakoribb gázok együttes hatása a szilárdság növekedését és az anyag nyúlásának teljes csökkenését és a korrózió állóság romlását idézi elő. [forrás 4.3.4.]
A gázoldó képesség a hőmérséklet növekedésével emelkedik, 200°C felett drasztikusan megnő. Ez a probléma fokozottan jelentkezik hegesztéskor, hiszen az ömledék hőmérséklete meghaladja az 1670°C-ot és az olvadt fém belső részeibe is könnyebben keveredik. A gázok jelenléte az alapanyag, hegesztőanyagok szennyezettségére, helytelen tárolásból és előkészítésből adódó nedvességre, vagy technológiai hibákra vezethető vissza.
A titán hegesztése nagy tisztaság és teljes gázvédelem mellett hajtható végre.
A megfelelő gázvédelem védelem megvalósulása hegesztéskor, azonnal ellenőrizhető. Hegesztéskor a titán elszíneződik, melynek mértéke megmutatja felületi réteg oxidtartalmát. A fényes ezüst, a szalmasárga, arany, illetve a képen nem szereplő fémesen csillogó viola kék még elfogadható. Az erősebb, matt elszíneződések, a matt szürke varrat a magas oxidtartalomra, porozitásra, a kötés elridegedésére utal.
Titán és ötvözeteit leggyakrabban (141) Tömör huzallal vagy pálcával végzett volfrámelektródás, semleges védőgázos ívhegesztés, (tömör hozaganyagos TIG-hegesztés), (131) Tömör huzalelektródás, semleges védőgázos ívhegesztés; (MIG-hegesztés tömör huzalelektródával) eljárások alkalmazásával hegesztik. Egyéb eljárások az ellenállás-hegesztések(21 és 22), a (151) huzalelektródás, semleges védőgázos plazmaívhegesztés. Az (511) Elektronnyalábos hegesztés vákuumban, (513) Elektronnyalábos hegesztés védőgáz-adagolással, illetve a sajtoló hegesztési eljárások.
A titán hegesztésekor a tökéletes gázvédelem, kisebb tompa varratok esetében helyi védelemmel, közepes méretű vagy összetettebb darabok esetében térvédelemmel, izolátorban történő hegesztéssel érhető el. A nagy méretű szerkezetek hegesztésére gyakran alkalmaznak argon kabinokat, amelyekben a hegesztők a zárt levegős rendszerű szkafanderben dolgoznak.
A titán hegesztésének végrehajtása
A titánt és ötvözeteit egyenárammal egyenes polaritással kell hegeszteni (az elektróda negatív póluson van). A jó kötés készítésének alapfeltétele a megfelelő gázvédelem. A hegesztéshez semleges védőgázt kell alkalmazni. Nemcsak az ívet és a varratot, hanem a titán felületének minden olyan részét, amely 200 °C fölé melegedhet védeni kell és a védelmet fenn kell tartani mindaddig, amíg az anyag 200 °C hőmérséklet felett van. Védőgázként nagy tisztaságú argont kell használni (min. 4.5 azaz 99,995 % tisztaság szükséges). Fontos, hogy a hegesztőanyag végét sem szabad a védőgázból kivenni. A védőgáz mennyiségének beállítása kiemelt fontosságú. Túl kevés védőgáz esetén a varrat és a volfrám elektróda szennyeződése és a varrat elszíneződése következhet be. Túl sok és nagy sebességű gáz az olvadt fém mozgását, hullámzását és ezáltal porozitást illetve homorú varratot eredményezhet.
A fentiek miatt a titán előmelegítése nem célszerű, azonban a nedvesség vagy páralecsapódás elkerülése érdekében 100-120°C melegítés alkalmazható.
Érdekes megfigyelni, hogy a TIG eljárásnál a megfelelő hegesztési paraméterek betartása mellett a volfrám elektróda vége tökéletesen tiszta, gömb alakúra olvadt és higanyszerűen fényes. Amennyiben a félgömbön feltapadt szemcsék láthatóak, az elektróda terhelése nem volt elegendő. A túlterhelés jele az elektróda végén keletkező nagy méretű volfrám gömb. [forrás 4.3.4.]
Szintén érdekes, hogy a szilárdságilag igénybe vett varratok hegesztésénél rézből készült kezdő és kifutó lemezek alkalmazása és a volfrám elektróda rézlemezeken történő előmelegítése ajánlott.
Titán hegesztés alkalmazási köre
A titán és ötvözeteinek alkalmazási körét alapvetően az ára határozza meg. Olyan területeken kerülnek előtérbe, amelyek magasabb költségeket is elbírnak. Repülőgép és rakétagyártás, vegyipar, gyógyászati implantátumok, turbóreaktorok és gázturbinák. Vegyipari szivattyúk és csővezetékek, hőcserélők illetve versenygépek nagy terhelésű alkatrészei, páncélzatok, fegyverek. Orvosi eszközök, implantátumok, protézisek és sporteszközök. Óragyártás, optikai eszközök.
Titán ötvözetek típusai. Akorrózióálló típusokat, ötvözetlen és gyengén ötvözött (Ti-0,2Pd), közepes szilárdság jellemzi míg a nagyszilárdságú típusok folyáshatára akár 800 MPa feletti, Ehhez akár 25%-os ötvözést alkalmaznak. Sok típusa van, repüléstechnikai, kriogéntechnika alkalmazásokhoz.
A kúszás- és hőálló ötvözetek a Ni ötvözeteknél jóval nagyobb szilárdságúak, akár 700°C-ig alkalmazhatóak, rendkívül drága.
A titán anyagokkal kapcsolatos szabványok listája megtalálható az ÍVVILÁG – volfram.hu oldalon. A hegesztőanyagokra vonatkozó előírásokat az MSZ EN ISO 24034:2020 Hegesztőanyagok. Tömör huzalelektródák, hegesztőhuzalok és -pálcák titán és titánötvözetek ívhegesztéséhez. Osztályba sorolás szabvány tartalmazza. Az alapanyagok csoportosítását is tárgyaló MSZ CEN ISO/TR 15608:2021 Hegesztés. A fémek csoportosítási rendszerének irányelvei szabvány a titánt az 5-ös csoportba sorolja.
A titán előállítását részletesen bemutató jegyzet érhető el a Miskolci Egyetem honlapján. A Jegyzet alapvető anyagát gyűjtötte és összeállította: Illés István Balázs, tudományos segédmunkatárs és az anyagot átdolgozta, kiegészítette és szerkesztette: Prof. Dr. Kékesi Tamás, DSc., egyetemi tanár
