Aluminium wird unter anderem im Maschinen- und Anlagenbau, bei Geländern, Rohrleitungen und leichten Tragkonstruktionen verarbeitet. Die Verarbeitung stellt jedoch andere Anforderungen als das Schweißen von Stahl. Wärmeleitung, Oxidschicht und Legierung beeinflussen, wie sich das Material während des Schweißens verhält.
Bereits vor dem ersten Lichtbogen müssen Oberfläche, Kanten und Zusatzwerkstoff aufeinander abgestimmt sein. Verunreinigungen oder ungeeignete Einstellungen können Poren, Risse, Verzug und unzureichenden Einbrand verursachen. Belastbare Verbindungen erfordern eine abgestimmte Bearbeitung vom Reinigen des Werkstücks bis zur Prüfung der fertigen Naht.
Kurzfassung
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Materialeigenschaften bestimmen die Verarbeitung
Aluminium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Eingebrachte Wärme verteilt sich rasch vom Schweißbereich in das angrenzende Material. Gleichzeitig liegt der Schmelzbereich von Aluminium deutlich niedriger als bei vielen Stahlwerkstoffen. Dadurch ist es schwieriger, den geschmolzenen Metallbereich während des Schweißens zu kontrollieren. Bei ungeeigneten Einstellungen können Fehler wie Durchbrand oder eine unzureichende Verbindung entstehen.
An der Oberfläche bildet Aluminium durch den Kontakt mit Sauerstoff eine dünne Oxidschicht. Deren Schmelztemperatur liegt erheblich über der des darunterliegenden Metalls. Bleiben störende Oxidrückstände im Bereich der Fügestelle bestehen, können sie die Verbindung zwischen Grund- und Zusatzwerkstoff beeinträchtigen. Vor dem Schweißen werden deshalb Fett, Schmutz und störende Oxidrückstände entfernt.
Auch die jeweilige Legierung beeinflusst die Verarbeitung. Aluminiumwerkstoffe unterscheiden sich beispielsweise hinsichtlich Festigkeit und Schweißeignung. Vor Beginn der Arbeiten müssen Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff deshalb bekannt sein. Eine pauschale Einstellung für sämtliche Aluminiumbauteile gibt es nicht.
Einsatzbereiche von WIG- und MIG-Schweißen
Beim WIG-Schweißen entsteht der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück. Benötigter Zusatzwerkstoff wird getrennt zugeführt. Beim WIG-Schweißen von Aluminium wird häufig Wechselstrom eingesetzt, der während des Schweißvorgangs das Aufbrechen der Oxidschicht unterstützt.
Für dünnere Werkstücke oder Arbeiten, bei denen der Schweißvorgang sehr genau geführt werden muss, kommt das WIG-Verfahren häufig infrage. Die getrennte Zuführung des Zusatzwerkstoffs erlaubt eine unmittelbare Kontrolle darüber, wie viel Material in die Naht eingebracht wird.
Beim MIG-Schweißen dient dagegen ein kontinuierlich zugeführter Draht zugleich als Elektrode und Zusatzwerkstoff. Das Verfahren wird unter anderem bei größeren Bauteilen und höheren Materialstärken eingesetzt. Drahtvorschub, Stromstärke, Schutzgas und Schweißgeschwindigkeit müssen zum jeweiligen Werkstück passen.
Welches Verfahren beim Alu-Schweißen eingesetzt wird, hängt von Bauteildicke, Legierung, Nahtgeometrie und späterer Beanspruchung ab.
Saubere Oberflächen verringern typische Nahtfehler
Öl, Fett, Feuchtigkeit und andere Rückstände können das Schweißergebnis beeinträchtigen. Vorhandene Verunreinigungen werden deshalb vor der Bearbeitung entfernt. Auch die Oxidschicht muss im Bereich der vorgesehenen Verbindung berücksichtigt werden. Werkzeuge für die Reinigung sollten keine Fremdpartikel in die Oberfläche eintragen.
Poren entstehen unter anderem, wenn Gase im erstarrenden Schweißgut eingeschlossen werden. Risse können mit ungeeigneter Werkstoffkombination, ungünstiger Wärmeeinbringung oder der jeweiligen Legierung zusammenhängen. Bei zu hoher örtlicher Erwärmung droht insbesondere an dünnen Blechen Durchbrand.
Eine zu geringe Wärmeeinbringung kann wiederum verhindern, dass Grund- und Zusatzwerkstoff ausreichend miteinander verschmelzen. Das äußere Erscheinungsbild einer Naht allein erlaubt deshalb keine vollständige Aussage über ihre Eigenschaften.
Wärmeeintrag und Bauteilgeometrie hängen zusammen
Aluminiumbauteile verändern ihre Form unter Wärmeeinwirkung. Werden einzelne Bereiche stark erwärmt, während benachbarte Zonen kühler bleiben, entstehen Spannungen. Nach dem Abkühlen kann sich das Werkstück verziehen. Das betrifft beispielsweise längere Profile, Bleche und Konstruktionen mit mehreren Schweißnähten.
Eine festgelegte Schweißreihenfolge, die Positionierung der Bauteile und geeignete Spannmittel können den entstehenden Verzug begrenzen. Bei Konstruktionen mit mehreren Fügestellen ist zudem zu berücksichtigen, dass jede weitere Naht erneut Wärme in das Bauteil einbringt.
Um solche Abweichungen frühzeitig zu erkennen, werden in der Fertigung verschiedene Kontrollschritte eingesetzt. Eine Produktionskontrolle vergleicht unter anderem geplante Vorgaben mit den tatsächlich erreichten Ergebnissen und bezieht Qualitätsmerkmale in die Betrachtung ein.
Prüfumfang hängt von der Beanspruchung des Bauteils ab
Nach dem Schweißen lassen sich zunächst sichtbare Auffälligkeiten beurteilen. Dazu zählen beispielsweise unregelmäßige Nahtverläufe, erkennbare Poren, Risse oder Veränderungen der Bauteilgeometrie. Eine Sichtprüfung kann jedoch nur Fehler erfassen, die an der Oberfläche erkennbar sind.
Je nach Bauteil und vorgesehenem Einsatz können weitergehende Prüfungen erforderlich sein. Welche Merkmale untersucht werden, hängt von technischen Vorgaben, Belastung und Verwendungszweck ab. Technische Prüfverfahren dienen dazu, Eigenschaften von Werkstoffen oder Erzeugnissen anhand festgelegter Kriterien zu untersuchen.
Bei tragenden oder anderweitig sicherheitsrelevanten Konstruktionen sind die jeweils geltenden technischen Anforderungen maßgeblich. Eine optisch gleichmäßige Oberfläche ersetzt keine Beurteilung der Verbindung nach den für das Bauteil vorgesehenen Kriterien.
Nacharbeit ist nicht bei jedem Fehler gleich möglich
Fehlerhafte Aluminiumnähte lassen sich nicht grundsätzlich durch erneutes Überschweißen beheben. Zunächst muss geklärt werden, welche Art von Fehler vorliegt und wie weit der betroffene Bereich reicht. Wiederholtes Erwärmen verändert zudem erneut den Temperaturverlauf im Bauteil.
Bei Rissen oder unzureichender Verschmelzung kann es erforderlich sein, den betroffenen Nahtbereich zu entfernen und anschließend neu aufzubauen. Bei starkem Verzug oder umfangreichen Schäden ist zu prüfen, ob eine Nacharbeit technisch noch vertretbar ist. Insbesondere bei belasteten Konstruktionen darf die Reparatur nicht ausschließlich nach dem sichtbaren Zustand beurteilt werden.
Fazit
Das Schweißen von Aluminium unterscheidet sich in mehreren Punkten von der Verarbeitung von Stahl. Hohe Wärmeleitfähigkeit, der niedrigere Schmelzpunkt des Grundwerkstoffs und die Oxidschicht mit ihrem deutlich höheren Schmelzpunkt verlangen eine abgestimmte Vorbereitung und Führung des Schweißprozesses.
WIG- und MIG-Verfahren decken verschiedene Einsatzbereiche ab, müssen jedoch an Legierung, Materialstärke und Bauteilgeometrie angepasst werden. Zur Bearbeitung gehören die Reinigung der Fügestelle, die Kontrolle der Wärmeeinbringung und die Prüfung der fertigen Verbindung. Fehlerhafte Aluminiumschweißnähte lassen sich nicht in jedem Fall ohne Auswirkungen auf das Bauteil nacharbeiten.