30.10.2017

MIG-Schweißen von Aluminium

Aluminium ist ein Werkstoff, der sich von bekannten – wie Stahl – gravierend unterscheidet. Diese 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.

Schweißen

Einleitung

Werkstoff Aluminium beeinflusst Ausbildung

Sie haben die Entwicklung der Schweißgeräte und -ausrüstung geprägt und beeinflussen die Arbeitstechnik und die Strategien beim MIG-Schweißen. Dadurch wird die Ausbildung der Schweißer und Bediener 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.

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.

Anregungen für Planung, Konzeption und Umsetzung

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.

Sensibilisierung für die Besonderheiten von Aluminium

Der Beitrag kann sicher keine praktische Erfahrung ersetzen, kann 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.

Der Einfluss der Eigenschaften von Aluminium ist beim MIG-Schweißen unbedingt bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen.

Der Beitrag ist für den Praktiker kreiert, er soll das Grundverständnis zu MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen erwecken bzw. vertiefen und Hilfe bei der Anwendung eines geeigneten Lichtbogens geben.

Bedeutung von MIG-Schweißen in der Aluminiumverarbeitung

Hervorragend geeignet für manuelles und mechanisiertes Fügen

MIG-Schweißen ist ein thermischer Fügeprozess, der hervorragend für manuelles und mechanisiertes Fügen, z.B. mit Robotern, geeignet ist. Durch die zentrale Zuführung der Drahtelektrode lässt sich der Prozess in der Praxis gut handhaben.

Anwendungsbeispiele

  • MIG-Schweißen wird eingesetzt – um nur einige Beispiele zu nennen – für:
  • 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

Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsmöglichkeiten des MIG-Schweißens wurden durch aktuelle Entwicklungen in der Prozesstechnik noch deutlich erweitert. Prozesse, wie Impuls-, CMT-, AC- oder Hochschweißungsprozesse erweitern den Anwendungsbereich hinsichtlich Wandstärken und Abschmelzleistung erheblich.

Wichtig ist dabei der Einsatz des jeweiligen Fügeprozesses innerhalb der geeigneten Prozessgrenzen, um qualitativ hochwertige Schweißergebnisse effektiv zu erzielen.

Welche Eigenschaften von Aluminium beeinflussen den MIG-Lichtbogen?

Physik, Werkstofftechnik und Chemie als Einflussgrößen

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 von Aluminium (Stahl: ca. 1.500 °C)
  • die bis zu vierfache Wärmeleitfähigkeit von Stahlwerkstoffen
  • der Schutz von Aluminium gegen Korrosion durch eine Oxidhaut mit einer Schmelztemperatur jenseit von 2.000 °C, die Lichtbogen und Schweißergebnis beeinfluss 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.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

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.

Beeinflussung der Bauteilgeometrie

Verzüge

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

Korrosionseigenschaften

Die Korrosionseigenschaften von Aluminium können durch die Verarbeitung und durch 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 [5].

Kontaktkorrosion durch Fremdmetalle

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.

Maßnahmen bei der Verarbeitung

Folgende Maßnahmen sind bei der Verarbeitung zu beachten:

  • Al-Werkstoffe sind 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 [5].

Oxidhaut beim MIG-Schweißen von Aluminium

Eigenschaften

Eigenschaften der Oxidhaut bei Al-Werkstoffen sind:

  • eine Schmelztemperatur von 2.050°C
  • sie 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.

Voraussetzung zum MIG-Schweißen ist eine dünne Oxidhaut und eine saubere Oberfläche, die einen stabilen Lichtbogen sicherstellt.

Auswirkung der Oxidhaut

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 führen zu wechselnden Lichtbogeneigenschaften.

Veränderungen der Oxidhaut in der Verarbeitung

Einwirkung von Feuchtigkeit oder Glühen

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.

Verarbeitung im trockenen Zustand

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

Einfluss der Oberfläche auf die Lichtbogenstabilität

Die Lichtbogenstabilität wird intensiv durch den Zustand der Oberfläche der zu verschweißenden Einzelteile oder Untergruppen beeinflusst:

  • Einfluss und Zustand der Oxidhaut, siehe oben.
  • Verschmutzung: Öl, Fett und sonstige Verunreinigungen destabilisieren den Lichtbogen udn 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

Entstehung von Poren

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 [5].

Schutzgase beim MIG-Schweißen von Al-Werkstoffen

Argon und Helium als Schutzgase

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.

Reinheit

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

Gasmenge

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

Einfluss von Sondergasen

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

Auf Aluminium abgestimmte Reinigungsprozesse

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.

Beispiele

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 [5]. 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 zugführten Wärme fließt in den Grundwerkstoff, ohne den Schmelzvorgang zu beeinflussen. Sie ist direkt abhängig von der Wanddicke der zu verschweißenden Einzelteile.

Wärmeüberschuss bei dünnen Wandstärken

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

Sehr gute elektrische Leitfähigkeit

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 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.

Autor: Alois Lang