Aluminium unterscheidet sich beim Schweißen deutlich von Stahl. Der Werkstoff leitet Wärme schnell weiter, besitzt einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt und bildet an seiner Oberfläche eine Oxidschicht. Diese Eigenschaften beeinflussen die Vorbereitung des Werkstücks, die Wärmeeinbringung und die Wahl des Schweißverfahrens. Beim Alu-Schweißen bestimmen Werkstoff und Bauteildicke, welcher Zusatzwerkstoff und welche Verfahrensparameter für die Verbindung erforderlich sind. Fehler können sich als Poren, Risse, mangelnder Einbrand, Durchbrand oder Verzug zeigen und die Belastbarkeit einer Verbindung beeinträchtigen.
Kurzfassung
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Wärmeverhalten von Aluminium beim Schweißen
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium verändert den Schweißvorgang erheblich. Eingebrachte Wärme bleibt nicht ausschließlich im Bereich der Naht, sondern verteilt sich rasch im Werkstück. Zu Beginn des Schweißens kann deshalb vergleichsweise viel Energie erforderlich sein, um ein Schweißbad zu bilden. Mit zunehmender Erwärmung kann dieselbe Wärmeeinbringung das Schweißbad stärker vergrößern und bei dünnem Material einen Durchbrand begünstigen.
Hinzu kommt der relativ niedrige Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs. Die Wärmeeinbringung muss ausreichen, um den Nahtbereich aufzuschmelzen, ohne das Bauteil übermäßig zu erhitzen. Bei dünnen Blechen kann zu viel Wärme einen Durchbrand verursachen. Größere Bauteile nehmen dagegen beträchtliche Wärmemengen auf, bevor sich ein geeignetes Schweißbad bildet.
Beim Erwärmen dehnt sich Aluminium aus, beim Abkühlen zieht es sich wieder zusammen. Verteilt sich die Wärme ungleichmäßig über das Werkstück, können sich dünne Bleche verziehen oder Profile ihre ursprüngliche Form verändern.
Die Oxidschicht verändert den Schweißvorgang
Auf einer Aluminiumoberfläche bildet sich unter normalen Umgebungsbedingungen eine dünne Oxidschicht. Deren Schmelztemperatur liegt erheblich über derjenigen des darunterliegenden Aluminiums. Beim Schweißen liegt damit eine hochschmelzende Oxidschicht auf einem Grundwerkstoff, der bereits bei deutlich niedrigerer Temperatur schmilzt.
Vor dem Schweißen sind deshalb Öl, Fett, Schmutz und andere Verunreinigungen von den vorgesehenen Nahtbereichen zu entfernen. Die Oxidschicht im vorgesehenen Nahtbereich muss bei der Vorbereitung ebenfalls berücksichtigt werden. Welche Arbeitsschritte erforderlich sind, hängt unter anderem vom verwendeten Verfahren und vom Zustand der Oberfläche ab.
Verunreinigungen und Feuchtigkeit können Gase in den Schweißbereich einbringen und dadurch die Entstehung von Poren begünstigen. Werden diese während der Erstarrung im Schweißgut eingeschlossen, bleiben kleine Hohlräume zurück. Solche Poren können einzeln auftreten oder sich über größere Bereiche einer Naht verteilen.
WIG und MIG für verschiedene Schweißaufgaben
Beim Aluminium werden unter anderem WIG- und MIG-Verfahren eingesetzt. Beide arbeiten mit Schutzgas, unterscheiden sich jedoch bei Elektrodenführung, Zusatzwerkstoff und typischen Einsatzgebieten.
Beim WIG-Schweißen brennt der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück. Falls Zusatzwerkstoff benötigt wird, erfolgt dessen Zuführung getrennt. Bei Aluminium wird häufig Wechselstrom verwendet. Die getrennte Führung von Elektrode und Zusatzwerkstoff ermöglicht eine genaue Kontrolle des Schweißbades, beispielsweise bei dünneren Bauteilen oder Schweißnähten mit besonderen Anforderungen an die Ausführung.
Beim MIG-Schweißen bildet ein kontinuierlich zugeführter Draht zugleich die Elektrode und den Zusatzwerkstoff. Das Verfahren ermöglicht höhere Abschmelzleistungen und wird unter anderem bei größeren Bauteilen sowie längeren Nähten eingesetzt. Bauteildicke, Legierung und Nahtgeometrie beeinflussen die erforderliche Drahtförderung, Stromstärke, Spannung und Schweißgeschwindigkeit.
Die Entscheidung zwischen beiden Verfahren lässt sich daher nicht allein anhand des Werkstoffnamens treffen. Wandstärke, Legierung, Nahtgeometrie und vorgesehene Beanspruchung gehören ebenfalls zur technischen Beurteilung.
Legierung und Zusatzwerkstoff müssen zusammenpassen
Unter dem Begriff Aluminium werden zahlreiche Legierungen zusammengefasst. Zusätze wie Magnesium oder Silizium verändern Eigenschaften des Materials und können dessen Schweißverhalten beeinflussen. Nicht jede Aluminiumlegierung lässt sich unter denselben Bedingungen verarbeiten.
Beim Alu-Schweißen ist deshalb zunächst zu klären, welcher Werkstoff tatsächlich vorliegt. Erst anschließend kann ein geeigneter Zusatzwerkstoff festgelegt werden. Eine unpassende Kombination kann unter anderem die Rissneigung oder die Eigenschaften der fertigen Verbindung beeinflussen.
Bei Geländern, Behältern und dünnwandigen Gehäusen unterscheiden sich Bauteildicke, Nahtgeometrie und mechanische Beanspruchung. Diese Merkmale müssen bei der Ausführung der jeweiligen Schweißverbindung berücksichtigt werden.
Typische Nahtfehler haben unterschiedliche Ursachen
Poren zählen zu den bekannten Fehlerbildern beim Aluminiumschweißen. Poren können durch Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder eine gestörte Schutzgasabdeckung entstehen. Risse können dagegen mit Werkstoffkombination, Nahtgestaltung oder Temperaturverlauf zusammenhängen.
Ein mangelnder Einbrand entsteht, wenn Grundwerkstoff und Schweißgut nicht ausreichend miteinander verbunden werden. Zu hohe Wärmeeinbringung kann Durchbrand und stärkeren Verzug verursachen. Die sichtbare Erscheinung eines Fehlers gibt daher nicht automatisch Aufschluss über dessen genaue Ursache.
Auch eine gleichmäßig aussehende Oberfläche allein belegt noch nicht sämtliche Eigenschaften einer Verbindung. Bei belasteten Bauteilen reicht das äußere Erscheinungsbild der Naht daher nicht aus, um sämtliche Eigenschaften der Verbindung zu beurteilen.
Sichtprüfung und weitere Kontrollen von Schweißnähten
Nach Abschluss der Arbeiten lassen sich bei einer Sichtprüfung unter anderem Nahtverlauf, Oberflächenfehler und erkennbare Unregelmäßigkeiten beurteilen. Fehler innerhalb einer Schweißverbindung lassen sich durch eine reine Sichtprüfung jedoch nicht vollständig erfassen.
Bei tragenden oder sicherheitsrelevanten Bauteilen können weitergehende Prüfungen erforderlich sein. Welcher Prüfumfang erforderlich ist, hängt vom Bauteil, seiner Funktion und den dafür geltenden Vorgaben ab. Tragende Konstruktionen oder sicherheitsrelevante Komponenten sind anders zu beurteilen als Bauteile ohne vergleichbare Beanspruchung.
Eine Prüfung ersetzt zudem keine korrekte Vorbereitung und Ausführung.
Fazit
Werkstoff und Bauteildicke geben wesentliche Bedingungen für die Ausführung einer Aluminium-Schweißverbindung vor. Die Wahl zwischen WIG und MIG hängt zusätzlich von Nahtgeometrie, Legierung und vorgesehener Beanspruchung des Bauteils ab.
Oberflächenvorbereitung, Zusatzwerkstoff und Wärmeeinbringung beeinflussen, ob Poren, Risse, Durchbrand oder mangelnder Einbrand entstehen. Nach dem Schweißen richtet sich der erforderliche Prüfumfang nach dem Bauteil, seiner Beanspruchung und den dafür geltenden technischen Anforderungen.
