TITAN

Följande sidor har färdigställts med hjälp av Morgan Kilman från Hammarö Svetsteknik

 samt av Claes Örtengren från Harald Pihl AB

morgan2.jpg (13904 bytes)

Morgan Kilman

Olika Standards

Titan har på senare år fått en stor spridning industriellt, av en stor del svetsade produckter. Det existerar många standarder för Titansvetsning och Titanlegeringar som ligger som underlag för behandling av Titanprodukter. Nedan några av dom viktigaste.

ANCC (ANCC: Associazione Nazionale Controllo Combustione - Italy) (Nu ISPESL)

ANCC standarden är ett regelverk som refererar till tillverkning av trycksatta applikationer för svetsning av Titan och Titanlegeringar. Refererar till Grade 1, 2, 3, och 7 i ASTM. ANCC standard är begränsad till tillverkning av titan som ingår i kemiska industrier och hänvisar till dessa specifika titanlegeringar.

AWS (AWS: American Welding Society -USA)

AWS A5.16 standard refererar till karaktäristiken på tillsatsmaterial, speciellt för titanlegeringar som används i flygindustrin. Ett tillägg som fins i standarden ger en generell anvisning om titan svetsning. AWS A5.16 är den standard som används i de flesta länder för att specificera tillsatsmaterial.

ANSI / AWS (ANSI: American National Standard Institute - USA)

ANSI / AWS D 10.6-85 standard gäller Tig-svetsnings procedurer för titantuber. Materialen är ASTM Grade. 1, 2, 3, 7, och 12 tillsatsmaterialen är dom som är kopplade till AWS A5. 16 standard.  ANSI / AWS är att betrakta mer som rekommendationer för svetsning än som en fastslagen standard. Men den är utan tvekan en användbar information om olika typer av svetsteknik för titan. ANSI / AWS är en standard framtagen av representanter för representativa Amerkanska tillverkare av titanprodukter.

AMS (AMS: Arrospace Material Specification -USA)

AMS 2689 standard handlar om svetsning inom flygindustrin. Metoderna som beskrivs är normalt TIG, MIG och PLASMA svetsning. Den behandlar 1) Gränser för oxygeninnehåll i svetsar. 2) Kvalificering av svetsare och svetsprocedurer. 3) Fogar och förberedning. 4) Gränser för acceptans i extra tjocka material. 5) Gränser för acceptans av porer. 6) Dimensionsgränser för hörnfogar och svetsar i överlappsfogar. 7) Svetsinträngning. Det finns en AMS standard för rekommenderade tillsatsmaterial AMS 4951 för Titan (ASTM Grade. 1, 2, 3, 4).

 Materialegenskaper

Inledning

Titan och titanegeringar kan svetsas med samma teknik som andra  svetsmetoder, men titan reagerar med andra kemiska sammansättningar vid höga temperaturer. Det viktigaste vid svetsning är att skydda smältan från föroreningar. Detta är en anledning till att manuell bågsvetsning med elektroder och Mag-svetsning inte är gångbara. Två saker är viktiga att hålla i minnet vid svetsning av titan. 1) Fogen måste vara noga rengjord från alla föroreningarex: olja,oxider,fingeravtryck, bläck från märkpennor mm. 2) Förhindra att gaser som hydrogen, oxygen och nitrogen finns närvarande i och omkring svetszonen. Titan absorverar nämda gaser även vid låga temperaturer (300 graderC).Titan finns i hela universum, det har upptäckts i stjärnor, meteoriter och i jordskorpan. Koncentrationen av titan i jordskorpan ligger på 0,6%, det gör titan till den fjärde mest förekommande metallen efter aluminium, järn och magnesium. Titan är som exempel 20 gånger vanligare än krom. 30 gånger mer än nickel och 60 gånger mer än koppar. Trots detta finns titan ej i ekonomiskt utvinnbara koncentrationer. Titan är mycket starkt bundet i kemiska förbindningar och den viktigaste orsaken till den kostbara produktionen är titans starka reaktivitet och affininitet till element som oxygen, nitrogen, hydrogen och kol.

Metallurgi

Olegerad titan har en hexagonal tätpackad struktur, hcp. som kallas alfa. Denna fas är stabil upp till 882 grader C. Över denna temperatur omvandlas alfafasen till rymdcentrerad tätpackad struktur, bcc (betafas). Denna fas är stabil upp till smältpunkten på 1670 grader C. Fasomvandlingen mellan alfa och beta kallas B-omvandlingstemperatur och är som nämnt 882 grader. För vanlig komersiell ren titan ligger den på 910-945 grader beroende på oxygeninnehållet. Legeringselement som nickel, krom, molybden, vanadin, mangan, niob, järn, tantal stabiliserar betafasen, temperaturen för omvandling mellan alfa ock beta minskar  och beta området ökar. Titanlegeringar delas i tre kategorier alfa, alfa-beta och betalegeringar.

Alfa leg

Alfalegeringar visar en enfas microstruktur och kan inte ökas med värmebehandling. Någon ökning kan erhållas med kallbearbetning, men vanligtvis blir legeringen mjukglödgad efter kallbearbetning. Oxygen är en stark alfastabilisator. Oxygen är alltså en fast lösningshärdare i alfa titan. Det finns olika grader av ren titan, beroende på oxygeninnehållet.

Alfa-beta leg

Alfa-beta legeringar innehåller kontrollerade mängder Alfa-beta legeringselement. Vid rumstemperatur är strukturen en blandning av alfa-beta faser. Hållfastheten kan ökas om alfa-beta legeringen värmes till ca: 20-80 grader under B omvandlingstemperaturen. Om man går över denna temperatur avtar segheten. Egenskaperna kan ej återvinnas vid ny påföljande uthärdning.

Beta leg

Betalegeringar innehåller en hög procentandel av betastabiliserande element, som resulterar i en microstruktur som vid rumstemperatur huvudsakligen består av beta. Betalegeringen har god härdbarhet. Betalegeringar benämns ofta som metastabil för att de tenderar att gå över till alfafas vid kallbearbetning, en relativt liten temperaturökning kan också medföra en fullständig omvandling till alfafas.

Föroreningar

Titan löser en stor andel interstitilla element som ex: oxygen, hydrogen, ock kol. Med ett innehåll på 0,1-0,4% av dessa element vill hållfastheten öka, men segheten ock formbarheten att minska. Hydrogen är alltid oönskad på grund av sin försprödande effekt. Hydrogen är mest löslig i B-fasen. Oxygen och nitrogen betraktas som legeringselement på grund av sin härdande verkan.

Egenskaper

1. Rent titan har en täthet på 4,51 g/cm3 som är ca: 60% av rostfritt. Med så låg täthet räknas titan som en lättmetall                   

2. Titan har en smältpunkt på 1670 grader C.

3. Ren titan har god svetsbarhet.

4. Titan är ej magnetisk.

Mekaniska

egenskaper

1. De mekaniska egenskaperna varierar med oxygeninnehållet. Ju mer oxygen ju större hållfasthet, men till priset av låg seghet och formbarhet.            

2. Ren titan ASTM Grad 2 har en minimum sträckgrens på 275 MPa (typisk 350-450 MPa), det är ca: 30% lägre än för rostfritt 6Mo stål vid rumstemperatur.                

3. Alfa-beta legering ASTM Grad 5 (Ti-6Al-4V) har en min sträckgräns på 825 Mpa (typisk 910 Mpa) som är lika som för de bästa seghärdningsstålen. ASTM Grad 5 kan uthärdas till en sträckgräns på över 1000 Mpa

4. Betalegering kan framställas med mycket hög hållfasthet. Beta C legering,ASTM Grad 19, har en min sträckgräns på 1104 MPa ( typisk 1152 Mpa).

5. Hårdheten för rena titankvaliter ligger i området 115-250 HV.

6. Elastisiteten för titan är låg med värden omkring 103 GPa. Det är ungefär hälften av stål.

7. Varmhållfastheten är god upp till 300 grader.

 

Jämförelsetabell

Material

Sträckgräns

vid 20 grader

min MPA

Vikt g/cm3

Styrka/Vikt

vid 20 grader

Styrka/Vikt

jämfört med

Ti Gr 2

Styrka/Vikt

jämfört med

Ti Gr 5

Titan Gr 2

275

4,51

61

100

32

Titan Gr 5

830

4,42

188

308

100

Titan Gr 12

345

4,43

78

128

41

Alumin B51S

300

2,70

110

180

59

Rostfritt 13% Cr

350

7,72

45

74

24

Rostfritt 316 L

210

7,94

26

43

14

Rostfritt Duplex

450

7,80

58

95

31

Rostfritt 254 SMO

300

8,0

38

62

20

Monell 400

200

8,83

23

38

12

Inconell 625

415

8,44

49

80

26

Hasteloy C-276

355

8,89

40

66

21

Cu/Ni 90/10

90

8,90

10

16

5

Titanlegeringar

Inledning

Det finns i dag omkring 30 titanlegeringar som har ASTM nummer, och det finns en hel rad speciallegeringar. Bara av ren titan, dvs titan med mindre än 1-2% legeringsämnen, är det 16 stycken som alla är listade i Tabell 1 som exempel är det fem legeringar med Ru. Grad 26 och 27 har bara tillsats av Ru, men skiljer sig från varandra genom att Grad 27 är en ELI grad med lite interstitiella element, medan grad 26 har ett mera normalt innehåll. Grad 13,14 och 15 innehåller 0,5% Ni i tillägg till Ru och har också varierande mängder interstitiella element. De andra rena titantyperna innehåller upp till 0,15% Pd. Så mycket Pd är emellertid sällan nödvändigt, 0,05% Pd ger mycket goda korrosionsegeskaper till lägre kostnader. För att få lika goda egeskaper är det därför vanligare att sätta till 0,1% Ru.

I höghållfasta legeringar finns varianter med Pd eller Ru. Grad 9 (Ti-3Al-2.5V) med 0.05% Pd eller 0,1% Ru är vanligtsvis grad 18 och 28. Den mest använda, Ti-6Al-4V,har också varierande oxygeninnehåll. Grad 29, som är ELI med 0,05% Ru är det mest intressanta alternativet till den vanliga grad 5 ELi kvaliten. Grad 23. Beta-C (grad 19) finns också med Pd som Grad 20, medan kvaliter med Ru är under utveckling. Som tillsatser har Pd och Ru samma effekt på mickrostrukturen, båda har lite löslighet i titan, vilket gör att de fälls ut i korngränserna.

Mekaniska egenskaper

Varken Ru eller Pd påvärkar de mekaniska egeskaperna i titanlegeringar när de sätts till i små mängder. De mekaniska egenskaperna står i förhållande till andra legerinselement. Oxygen och andra interstitiella spelar en större roll tillsammans med Al och V.

Korrosionsegenskaper

Titan har generellt mycket god korrosionsbeständihet i sjövattensystem. Legeringen kan emellertid vara utsatt för grop och spaltkorrosion i lösningar som innehåller oxydationsmedel. Upptag av hydrogen med påföljande sprödhet är också ett stort problem i titanlegeringar. Spalt och gropkorrosionsegenskaperna hänger samman och den kritiska temperaturen som ligger vanligsvis vid 30-50 grader. Formen på spalten har en avgörande betydelse, ju tätare spalt, ju lättare börjar det att korrodera i spalten. För de flesta legeringar utan Pd eller Ru ligger den lägsta temperaturen runt 80 grader vid pH2. Ett undantag är Beta-C som ligger runt 180-200 grader vid pH2. Palladium och ruthenium ökar tröskeln för spaltkorrosion betydligt. Reducerande syror har varit en akilleshäl för titan. De korroderar i syrelösningar.

Översikt över låglegerade titanlegeringar

Tillsats

Låg

(max 0.18)

Normal

(max 0,25)

Hög

(max 0,35)

Extra hög

 (max 0,40)

Ingen

Grad 1

Grad 2

Grad 3

Grad 4

0,15% Pd

Grad 11

Grad 7

 

 

0,05% Pd

Grad 17

Grad 16

 

 

0,1% Ru

Grad 27

Grad 26

 

 

0,5% Ni, 0,05% Ru

Grad 13

Grad 14

Grad 15

 

0,3% Co, 0,05% Pd

Grad 31

Grad 30

 

 

0,3% Mo, 0,8% Ni

 

Grad 12

 

 

Översikt över Ti-3Al-2.5V och Ti-6Al-5V legeringar med Pd och Ru

Legering

Tillsats

Lite interstitiell

(max o,13% / 0.15% O)

Normal interstitiell

Ti-3Al-2.5V

Ingen

Grad 9

 

 

0,05% Pd

Grad 18

 

 

0,1% Ru

Grad 28

 

Ti-6Al-5V

Ingen

Grad 23

Grad 5

 

0,05% Pd

 

Grad 24

 

0,5% Ni, 0,05% Pd

 

Grad 25

 

0,1% Ru

Grad 29

 

Jämförelse av korrosionshastighet mellan Titan med Pd kontra

Nickelbas Inconell 625 och Hastelloy C 276 i kokande HCI lösning

Lösning i %

Korrosionshastighet - mm/år

Wt. % HCI

Ti-Pd

Inconell 625

Hastelloy C-276

2.0

0,05

11.5

0.96

3.0

0,07

17.5

1.65

4.0

0,12

20.7

2.21

 

Svetsmetoder

Svetsmetoder

De svetsmetoder som är mest förekommande vid titansvetsning är TIG, Plasma, Elektronstråle, Motståndssvetsning (punkt och sömsvetsning). TIG- svetsning är den mest förekommande. Plasma-svetsning ger ett utomordentligt bra resultat men är vanligast vid automatsvetsning. Elektronstråle och Plasma-svetsning används mestadels inom flygindustrin, vid mer sofistikerade titanlegeringar. Punkt och sömsvetsning anväds ofta för titan och kan jämföras med rostfri svetsning. Svetstekniken är således densamma och utrustning för rostfritt kan också användas för titan. Det är den enda metoden som inte behöver skyddsgas på grund av man här pressar ihop två delar och svetstiden är kort vilket gör att luftens skadliga inverkan förhindras. Olika kombinationer av strömtäthet, kontakttid, tryck mellan elektroderna ger ett bra resultat. Ett praktiskt tips är att samma parametrar används som för rostfritt med samma godstjocklek, man kan justera svetstid och strömtäthet om så erfordras.

 

Strömkällor

Likströmsströmkällor(konstantspänning) rekommenderas. Svetsningen sker med -pol . Högfrekvensutrustning för att starta ljusbågen samt gasflödesregulatorer för gasförspolning och gasefterspolning är ett måste. Tigpistolen skall vara utrustad med gaslins och gaskåpans innerdiameter bör ej understiga 20mm. Thorium / tungsten elektrod skall användas med en till två % thoriumlegering,  valigtvis rödmärkt.

Fogutformning

I-fog 2 -4 mm

V-fog 4 -9,5 mm

U-fog 4 -9,5 mm

Modifierad U-fog > 9,5 mm

Tillsatsmaterial

 Titan ASTM Standard

Tillsatsmaterial AWS Standard

Grade 1

ERTi - 1

Grade 2

ERTi - 2

Grade 3

ERTi - 3

Grade 5

ERTi - 5

Grade 6

ERTi - 6

Grade 9

ERTi - 9

Kemisk analys

AWS  Kod

Kol %

Oxygen %

Hydrogen %

Nitrogen %

Alu %

Vanadin %

Tenn %

Järn %

Titan %

ERTi - 1

0,10

0,10

0,005

0,015

     

0,10

Rest

ERTi - 2

0,03

0,10

0,008

0,020

     

0,20

Rest

ERTi - 3

0,03

0,10-0,15

0,008

0,020

     

0,20

Rest

ERTi - 4

0,03

0,15-0,25

0,008

0,020

     

0,30

Rest

ERTi - 5

0,05

0,18

0,015

0,030

5,5-6,7

3,5-4,5

 

0,30

Rest

ERTi - 6

0,08

0,18

0,015

0,050

4,5-5,8

 

2,0-3,0

0,50

Rest

ERTi - 9

0,03

0,12

0,008

0,020

2,5-3,5

2,0-3,0

 

0,25

Rest

Notering: När endast ett värde anges är det maxvärde.

Skyddsgaser

Gaser

Endast Argon , Helium eller Argon/Helium blandningar skall användas och med en hög renhetsgrad ( 99.995%. Argon är att föredra på grund av lägre kostnader, samt att den erbjuder en bättre bågstabilitet och ger ett bättre skydd på grund av den högre densiteten. Alla komponenter för gasdistribution från flaska till svetsställe måste vara rena och läckprovade. Använd inte slangar som är av poröst gummi.

 

Kammare

 De mest sofistikerade kammarna är byggda i stål  med öppningar för endast armarna vilket gör att man får en hög grad av renhet när kammaren är helt fylld med innert gas. Denna typ av kammare används mestadels vid serietillverkning. Det mest vanliga är att svetsaren själv tillverkar sina egna kammare för de speciella ändamål som för tillfället krävs. Det finns i dag bakgasverktyg att köpa till rimliga kostnader. Nedan ett par exempel på bakgasverktyg.

 

Sluten kammare av stål

Kammare av aluminium

Böjbar kammare med gummiskivor

Kammare för små rördimensioner

Släpskor

Släpskor

Smältan skyddas av gaskåpan, diametern på gaskåpan skall minst vara 20 mm inv.  Större kåpa kan väljas, det är endast handhavandet som begränsar storleken. Gaslinsen som är placerad inne i gaskåpan producerar ett stadigt flöde  utan turbulens vid rätt inställning L / min.  Svetssträngen skall svalna till under 300-500 grader i fullständigt gasskydd för att uppnå ett fullgott resultat. På grund av detta skall någon typ av släpsko monteras på Tigpistolen. Form och utseende kan variera, beroende på svetsställe. Det viktigaste är dock att fullgott gasskydd erhålles i och omkring svetssträngen. I dag finns färdiga släpskor att köpa, men det är vanligt att svetsarna själva skräddarsyr individuella applikationer. Nedan ett expel på släpsko för plåtsvetsning.

 

Släpsko med kjolar av gummi för plåtsvetsning

Samma släpsko sedd underifrån

Släpsko för rörsvetsning

Svetsparametrar för TIG-Svetsning

Tjocklek i mm

Antal strängar

Tråd diameter

Diameter på wolfram

Amper

Argon flöde L/min

Diameter på gaskåpa (inv)

Fog utformning

1 - 2,5

1

1,6

1,6

80 - 120

6 - 7

13 - 16

i-fog

2,5 - 5,5

1 - 2

1,6- 2,4 -3,2

1,6 - 2,4

120 - 210

7 - 9

16 - 19

v-fog

6,5

1 - 3

2,4 - 3,2 - 4,0

2,4 - 3,2

140-225

7 - 9

19 - 25

v-fog

Flersträngssvetsning och Reparationer

Om svetsens yta får en skinande silverfärg behövs ingen rengörning. Guldgul eller skinande blå kan avlägsnas med (rostfri) stålborste. Mörk blå eller gula oxider ger en indikation på  felaktigheter. Vid flersträngssvetsning är det synnerligen viktigt att mellansträngstemperaturen ej överstiger 170 grader C. 

Visuell Kvalitetskontroll

Färg

Kvalitet

Grad av gasskydd

Anmärkning

Silver

Generellt bra

Bra

 

Halmgul eller skinande blå

Acceptabel

Ganska bra

Färgen måste avlägsnas med rostfri stålborste före nästa sträng

Blå eller Lila

Ej godkänd

Oacceptabel

Ta bort svetsskarven helt och testa ev: fel med gasskyndet innan reparationsvetsningen

Grå eller mörk Gul

Ej godkänd

Oacceptabel

Ta bort svetsen och kringliggande zon helt. Kontrollera och testa att gasskyddet fungerar innan reparationssvetsningen utförs

Brytprovning

 

Bock diameter

Godstjocklek på testbitar =T

Grade 1 - 2

Grade 3

< 2 mm

3T

4T

2 - 5 mm

4T

5T

> 5 mm

5T

6T