MIG-Schweißen von Aluminium
Aluminium ist ein Werkstoff, der sich von bekannten – wie Stahl – gravierend unterscheidet. Die speziellen Eigenschaften, wie z.B. niedrige Dichte, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die die Anwendung von Al-Werkstoffen sehr beeinflussen, haben auch auf den Schweißprozess MIG-Schweißen gravierende Einflüsse.
Werkstoff Aluminium und MIG-Schweißen
Die Eigenschaften von Aluminium haben die Entwicklung der Schweißgeräte und -ausrüstung geprägt. Sie beeinflussen die Arbeitstechnik und die Strategien beim MIG-Schweißen. Die Ausbildung der Schweißer und Bediener wird durch die Eigenschaften des Werkstoffs Aluminium geprägt und ist konsequent darauf abzustimmen. Anderenfalls sind keine überzeugenden Schweißergebnisse zu erwarten.
Auch bei der Planung von Fertigungseinrichtungen zum MIG-Schweißen von komplexeren Aluminiumkomponenten sind die Einflüsse der Al-Werkstoffe zu berücksichtigen. Abläufe und Strategien aus dem MAG-Schweißen von Stahlwerkstoffen funktionieren meist nicht. Zur Erläuterung: Beim MIG-Schweißen werden die Schutzgase Argon, Helium oder Mischungen aus beiden verwendet, beim MAG-Schweißen hingegen Mischungen von Argon mit Kohlendioxid und Sauerstoff.
Aluminium wird sehr häufig als Metall eingestuft und so in den Regelwerken für Ausbildung in einem Atemzug mit Stahl und anderen Werkstoffen genannt. Auch der unzureichend vorbereitete Einstieg von erfolgreichen Stahlverarbeitern in die Produktionstechnik von Al-Werkstoffen endet oft im qualitativen und wirtschaftlichen Fiasko.
Um Auswirkungen dieser Art zu vermeiden, ist dieser Beitrag geschrieben. Er wendet sich an Schweißer und Prozessverantwortliche, die einen professionellen Stand bei der Verarbeitung von Al-Werkstoffen erreichen wollen. Besonders soll er aber dazu beitragen, Anregungen für die Planung, Konzeption und die Umsetzung von qualitativ anspruchsvollen Produktionsanlagen und -linien zu geben.
Besonderheiten von Aluminium und MIG-Schweißen
Der Beitrag kann sicher keine praktische Erfahrung ersetzen. Er will aber die Sensibilität für die Verarbeitung und den Schweißprozess MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen erwecken und dazu motivieren, sich bei geeigneten Spezialisten rechtzeitig Unterstützung zu holen. Für Praktiker hat er das Ziel, das Grundverständnis für das MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen zu erwecken bzw. zu vertiefen und Unterstützung bei der Anwendung eines geeigneten Lichtbogens zu geben.
Der Einfluss der Eigenschaften von Aluminium ist beim MIG-Schweißen unbedingt bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen.
MIG-Schweißen ist ein thermischer Fügeprozess. Er eignet sich ausgezeichnet für manuelles und mechanisiertes Fügen, z.B. mit Robotern. Durch die zentrale Zuführung der Drahtelektrode lässt sich der Prozess in der Praxis gut handhaben.
MIG-Schweißen wird z.B. in diesen Bereichen eingesetzt:
- Metallbau und Bauwesen
- Karosserie, Struktur und Komponenten im Automobilbau
- tragende Komponenten im Aluminiumbau gemäß DIN EN 1090-2
- Behälter und Rohrleitungsbau
- Schiffbau und maritime Anwendung
Prozesse, wie Impuls-, CMT-, AC- oder Hochschweißungsprozesse, erweitern den Anwendungsbereich von MIG-Schweißen hinsichtlich Wandstärken und Abschmelzleistung erheblich. Wichtig ist der Einsatz des jeweiligen Fügeprozesses innerhalb der geeigneten Prozessgrenzen, um qualitativ hochwertige Schweißergebnisse effektiv zu erzielen.
Welche Eigenschaften von Aluminium beeinflussen den MIG-Lichtbogen?
Die Anforderungen an den Lichtbogen werden maßgeblich durch die Eigenschaften der zu verschweißenden Al-Werkstoffe bestimmt. Physik, Werkstofftechnik und Chemie bestimmen den erforderlichen Umgang beim Schweißen und in dieser Darstellung insbesondere beim MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen.
Physikalische Eigenschaften
Die für das MIG-Schweißen entscheidenden Eigenschaften von Aluminium sind:
- der niedrige Schmelzpunkt 660 °C (Stahl: ca. 1.500 °C)
- die bis zu vierfache Wärmeleitfähigkeit von Stahlwerkstoffen
- der Schutz von Aluminium gegen Korrosion durch eine Oxidhaut mit einer Schmelztemperatur jenseits von 2.000 °C, die Lichtbogen und Schweißergebnis beeinflussen kann
- das Fehlen der Anlauffarben beim Schweißen als Indikator für den Schweißer über den thermischen Zustand des Grundwerkstoffs
- der zweifache Ausdehnungskoeffizient von Stahl, der deutlich höhere Verzüge beim Schweißen verursacht
Werkstofftechnische Eigenschaften
Auch werkstofftechnisch verhalten sich Al-Werkstoffe anders als Stähle und verlangen daher eine entsprechende Behandlung beim Schweißen.
Sowohl aushärtbare als auch kaltverfestigte naturharte Al-Werkstoffe neigen dazu, neben der Naht in der Wärmeeinflusszone zu entfestigen. Die hohe Wärmeleitfähigkeit, die die Breite der WEZ deutlich vergrößert, stellt hohe Ansprüche an die Wärmeführung beim Schweißen. Eine geeignete Leistungsdichte und die passende Wärmeführung sind wichtige Voraussetzungen zum erfolgreichen Fügen von Al-Werkstoffen durch den MIG-Prozess.
Verzüge, die aufgrund der Wärmeeinbringung beim Laser erfolgen, können die Geometrie eines geschweißten Bauteils erheblich verändern. Verzüge lassen sich durch konstruktive Maßnahmen, aber auch durch geeignete Nahtquerschnitte und optimierte Wärmeführung beeinflussen und reduzieren.
Chemische Eigenschaften
Die Korrosionseigenschaften von Aluminium können durch die Verarbeitung und den Schweißprozess beeinflusst werden. Die hochschmelzende Oxidhaut ist für den guten Korrosionsschutz der Al-Werkstoffe verantwortlich. Beim MIG-Schweißen kann sie Qualitätsprobleme durch Oxideinschlüsse verursachen. Entscheidend sind die methodischen Lösungen, die unzulässige Oxideinschlüsse in der Naht verhindern.
Kontaktkorrosion entsteht bei elektrisch leitender Berührung von Al-Werkstoffen mit edleren Metallen unter Einwirkung eines Elektrolyts. Situationen, die Kontaktkorrosion auslösen können, sind in der Produktion und im Betrieb zu vermeiden.
Das ist bei der Verarbeitung von Aluminium zu beachten
- Al-Werkstoffe sind in zu Fremdmetallen (Stahl, Kupfer usw.) getrennten Fertigungseinrichtungen und Bereichen zu verarbeiten, z.B. durch Aluminiumfertigung in eigener Halle.
- Es sind eigene Werkzeuge für Aluminium notwendig, wie z.B. Schleifer, Fräser, Hammer und Schweißeinrichtungen, um Verschleppung von Fremdmetallen, auch Partikeln, zu verhindern.
Andere Korrosionsarten, wie interkristalline Korrosion oder lokale Korrosionsarten, sind meist von der Wahl der Werkstoffe, aber auch von der Wärmeeinbringung beim MIG-Schweißen abhängig.
Oxidhaut beim MIG-Schweißen von Aluminium
Eigenschaften der Oxidhaut bei Al-Werkstoffen sind:
- eine Schmelztemperatur von 2.050°C
- Oxidhaut kann vom Lichtbogen nicht geschmolzen werden.
- Oxideinschlüsse sind qualitativ nicht zulässig. Größere Oxideinschlüsse in der Schweißnaht sind unzulässige Kerben.
- Oberflächenoxide haben aber eine stabilisierende Wirkung auf den Lichtbogen und können, solange sie dünn und gleichmäßig sind, vorteilhaft für den MIG-Lichtbogen sein.
MIG-Schweißen: Voraussetzung
Voraussetzung zum MIG-Schweißen ist eine dünne Oxidhaut und eine saubere Oberfläche, die einen stabilen Lichtbogen sicherstellt.
Die Oxidhaut hat folgende Auswirkungen auf den Lichtbogen:
- ohne Oxidhaut: Der Lichtbogen ist instabil; das Einbrandverhalten leidet darunter.
- dicke Oxidhaut: Der Lichtbogen kann die Oxide nicht zerstören, wie z.B. eloxierte Oberflächen.
- unterschiedliche Oxidhautdicken: Sie führen zu wechselnden Lichtbogeneigenschaften.
Veränderungen der Oxidhaut in der Verarbeitung
Oxidhautdicke kann sich unter Einwirkung von Feuchtigkeit oder Glühen, z.B. in der Produktion, deutlich zum Nachteil beim MIG-Schweißprozess verändern.
Wichtig ist hier vor allem:
- geeignete Lagerung der Halbzeuge und Untergruppen vor dem Schweißen
- empfohlene Nahtvorbereitung zum MIG-Schweißen
- gezieltes Trocknen der gereinigten Einzelteile nach dem Reinigungsprozess
- Oberflächenbehandlung: Reinigen, Entfetten oder Beiz-Passivieren mit anschließendem Spülen und Trocknen
- Brennerstellung: grundsätzlich stechend bei Al-Werkstoffen. Eine stechende Brennerstellung verhindert unerwünschte Oxidhauteinschlüsse in die Schweißnaht.
Die Art der Oberflächenbehandlung ist abhängig von der zu produzierenden Stückzahl und vom Verschmutzungsgrad der Einzelteile. Auch eine mechanische Reinigung z.B. durch Bürsten und Entfetten mit flüchtigen Lösungsmitteln ist z.B. bei Einzelfertigung im Handwerk möglich.
Aluminium im trockenen Zustand verarbeiten
Auf jeden Fall ist Aluminium im trockenen Zustand zu verarbeiten, um Poren und Gaseinschlüsse in der Schweißnaht zu vermeiden.
Oberfläche und Lichtbogenstabilität beim MIG-Schweißen
Die Lichtbogenstabilität wird intensiv durch den Zustand der Oberfläche der zu verschweißenden Einzelteile oder Untergruppen beeinflusst:
- Einfluss und Zustand der Oxidhaut
- Verschmutzung: Öl, Fett und sonstige Verunreinigungen destabilisieren den Lichtbogen und verändern das Einbrandverhalten.
- An der Atmosphäre getrocknete Wasserflecken verändern punktuell die Oxidhaut. Die Folge ist ein undefiniertes Ablenken des Lichtbogens.
MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen und Poren in der Schweißnaht
Poren werden beim Schmelzschweißen von Aluminium bevorzugt durch die hohe Löslichkeit von Wasserstoff im flüssigen Aluminium im Schweißbad verursacht. Die schlagartige Abnahme der Löslichkeit bei der Erstarrung der Schmelze verursacht die Ansammlung des freiwerdenden Wasserstoffs zu Poren in der Schweißnaht.
Schutzgase beim MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen
Grundsätzlich sind beim MIG-Schweißen inerte Schutzgase, also Edelgase, zum Schweißen für Al-Werkstoff im Einsatz. Es eignen sich Argon und Helium als Schutzgase.
In der Regel wird das preiswertere Argon eingesetzt. Helium und Gemische aus Argon mit Helium verursachen eine höhere Wärmeeinbringung und eignen sich besser für dickere Wandstärken. Die Abkühlbedingungen können ein Ausgasen der Gaseinschlüsse aus der Schweißnaht zulassen und zu geringeren Porenanteilen in der Naht führen, z.B. bei langsamer Schweißgeschwindigkeit.
Die verwendeten Schutzgase müssen geeignete Reinheit ≥ 4.6 aufweisen. Die hohe Reinheit des Schutzgases ist beim Transport des Schutzgases zum Brenner sicherzustellen. Geeignete Wahl der Schlauchwerkstoffe und festsitzende Verschraubungen sind erforderlich, um Diffusion von Feuchte und Gasen zu verhindern.
Bei Störungen der Schweißqualität durch Poren können eine unsachgemäß installierte Zentralversorgungsleitung oder Gasschläuche ursächlich sein.
Anforderung an die Schutzgasströmung
Die Schutzgasströmung sollte möglichst laminar erfolgen. Eine gestörte Schutzgasströmung führt zu veränderten Lichtbogeneigenschaften, zu Gaseinschlüssen und Qualitätsstörungen in der Schweißnaht. Die Gasmenge ist an die Lichtbogenleistung anzupassen und sollte mindestens 12 × Drahtelektrodendurchmesser [l/min] betragen.
Lichtbogenstabilität
Die Lichtbogenstabilität ist ebenfalls von der Art des Schutzgases abhängig. Sondergase mit Zusätzen an Sauerstoff, Stickstoff und/oder Stickoxide im Ppm-Bereich verbessern die Stabilität und die Richtungsstabilität und so das Einbrandverhalten des Lichtbogens. Diese Sondergase stehen bei verschiedenen Herstellern mit sehr eng begrenzten Beimischungen zur Verfügung.
Sauberkeit von Aluminium beim Schweißen
Die saubere und trockene Oberfläche ist eine wichtige Voraussetzung für einen stabilen Lichtbogen und damit für eine zuverlässige Schweißqualität. Durch geeignete, auf Aluminium abgestimmte Reinigungsprozesse lassen sich Oberflächen zum MIG-Schweißen aufbereiten, die einen reproduzierbaren Lichtbogen und damit eine den Anforderungen entsprechende Schweißqualität zulassen.
Dazu eignen sich:
- Entfetten, um Verschmutzungen durch C-H-Stoffe zu vermeiden.
- Beiz-Pasiivieren, um eine definierte Oxidhaut sicherzustellen.
- Der Abschluss der Oberflächenvorbereitung besteht aus Spülen mit Wasser (sicheres Entfernen der Chemie der Vorbehandlung) und konsequentem Trocknen, z.b. durch heiße Luft.
Oberfläche in einer Serienfertigung
Ziel muss es sein, eine saubere und trockene Oberfläche mit gleichmäßig dünner Oxidhautdicke sicherzustellen, die einen reproduzierbaren und chargenunabhängigen Lichtbogen ermöglicht. Lager- und Transportbedingungen sind darauf abzustimmen. Andere an die Produktion und Stückzahl angepasste Reinigungsprozesse sind denkbar.
Einfluss der Wärmeleitung von Aluminium auf den Schweißprozess
Aluminium ist ein sehr guter Wärmeleiter. Ein nicht unerheblicher Teil der durch den Lichtbogen zugeführten Wärme fließt in den Grundwerkstoff, ohne den Schmelzvorgang zu beeinflussen. Sie ist direkt abhängig von der Wanddicke der zu verschweißenden Einzelteile.
Bei dünnen Wandstärken existiert bei Al-Werkstoffen ein hoher Wärmeüberschuss. Mit steigender Wandstärke steigt der Wärmeverlust durch die Wärmeleitung im Grundwerkstoff. Im Extremfall kann die erforderliche Wärmezufuhr den Lichtbogen überfordern und ein Vorwärmen erforderlich machen. Besondere Anforderungen an den Lichtbogen stellen Verbindungen zwischen dünnen und dicken Wandstärken.
Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium auf den Schweißprozess
Aluminium und auch seine Legierungen sind Werkstoffe mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit. Stromleitung und Kontaktierung im Schweißstromkreis werden dadurch intensiv beeinflusst. Betroffen sind der Zündvorgang und die Kontaktierung zwischen Drahtelektrode und Kontaktrohr. Angepasste Bohrungsdurchmesser und geeignete Zündstrategien sind erforderlich, um die Zünd- und Prozesssicherheit zu gewährleisten.
Spezielle Alumiumkontaktrohre verwenden
Spezielle Aluminiumkontaktrohre mit einem Bohrungsdurchmesser, der um ca. 0,3 bis 0,4 mm größer ist als der Drahtdurchmesser aus Elektrodenkupfer, eignen sich aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit besser als beim MAG-Schweißen von Stahlwerkstoffen bekannte Kupferlegierungen.
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