Aluminium und Aluminiumlegierungen: Schweißen

Aluminium und dessen Legierungen

Aluminium-Eigenschaften

Aluminium ist ein leichtes, silbrig-weißes und relativ weiches Metall. Es ist bekannt für seine gute Korrosionsbeständigkeit gegen Luft, Öl, Nahrungsmittel und viele chemische Substanzen. Dieser Widerstand ist auf die Existenz einer Schicht aus Aluminiumoxid, auch Tonerde genannt, zurückzuführen, die die Korrosion des Metalls verhindert.

Diese Schicht ist feuerfest, d.h. sie hat eine sehr hohe Schmelztemperatur und muss vor oder während des Schweißens entfernt werden, um die richtige Mischung der unedlen Metalle zu ermöglichen. Aluminium ist ein sehr zähes Metall (auch bei tiefen Temperaturen) und hat eine geringe mechanische Festigkeit. Aluminiumlegierungen haben jedoch eine höhere mechanische Festigkeit als reines Aluminium, da die Legierungselemente das Aluminium verfestigen und seine mechanischen Eigenschaften verbessern.

Aluminiumlegierungen

Aluminium wird in erster Linie mit Kupfer, Magnesium, Silizium und Zink legiert. Oft werden auch geringe Mengen an Chrom, Eisen, Nickel und Titan hinzugefügt. Es gibt viele Aluminiumlegierungen mit dem Vorteil, dass jede einige Eigenschaften aufweist, die unlegiertem Aluminium überlegen sind.

Es gibt zwei Arten von Legierungen:

• Warmaushärtbare Legierungen - auch aushärtbare oder durch Wärmebehandlung härtbare Legierungen genannt.
• Nicht warmaushärtbare Legierungen - auch nicht aushärtbare oder nicht durch Wärmebehandlung härtbare Legierungen genannt.

Die Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung wird als Aushärtung bezeichnet. Sie besteht aus einer Erhitzung auf 500 °C und schnellem Abkühlen. Je nach Art der Legierung erfolgt dann eine natürliche oder künstliche Alterung. Die natürliche Alterung besteht in der Aufbewahrung bei Raumtemperatur und die künstliche Alterung in der Aufbewahrung bei etwa 200 °C.

Wenn diese Behandlung an aushärtbaren Legierungen durchgeführt wird, erhöht sich ihre Härte. Bei nicht aushärtbaren Legierungen treten jedoch keine Veränderungen ihrer Eigenschaften auf.

Einflussfaktoren auf die Performance von Schweißverbindungen

Schmelzen von Aluminium

Reines Aluminium schmilzt bei ca. 660 °C und Aluminiumlegierungen bei etwa 560 °C. Das sind extrem niedrige Temperaturen im Vergleich zu Stahl (1535 °C) und Kupfer (1082 °C). Aluminiumlegierungen ändern jedoch ihre Farbe während der Erwärmung nicht, so dass die Gefahr besteht, dass das Werkstück durchschmilzt.

Wärmeleitfähigkeit

Aluminiumlegierungen leiten die Wärme dreimal schneller als Stahl. Das bedeutet, dass beim Schweißen von Aluminium eine höhere Wärmezufuhr benötigt wird als bei Stahl, obwohl beide die gleichen Abmessungen haben. Um eine gute Durchschmelzung zu erreichen, ist bei dicken Werkstücken ein Vorwärmen erforderlich.

Wärmeausdehnung

Aluminiumlegierungen dehnen sich beim Erhitzen zweimal mehr aus als Stahl, was zu großen inneren Spannungen und Verformungen in den Teilen beim Schweißen führen kann. Auch die Neigung zum Aufreißen an der Wurzelnaht ist größer. Das Schweißen mit niedrigen Geschwindigkeiten und mit viel Schweißzusatzwerkstoff erhöht die Verformung und die Neigung zum Bruch.

Aluminiumoxid

In Verbindung mit Luft bildet Aluminium eine Oxidschicht. Es ist unbedingt notwendig, die Oxidschicht zu beseitigen oder zu entfernen. Dies kann durch chemisches Abbeizen, ein Flussmittel, Schleifen oder durch die Ätzwirkung des Lichtbogens erfolgen.

Beim WIG- und MIG-Schweißen (mit Gleichstrom oder Wechselstrom) hält der Lichtbogen die Oberfläche oxidfrei und das Schutzgas verhindert die Verunreinigung des Schmelzbades. Manchmal kann eine schlechte Reinigung dazu führen, dass Oxid in der Schmelze eingeschlossen wird und zu einer Unvollkommenheit in der Schweißnaht führt. Es ist wichtig, die Teile vor dem Schweißen zu reinigen und mit einer Edelstahlbürste zu bürsten. Diese Bürsten sollten nur für die Reinigung von Aluminium verwendet werden.

Schweißverfahren

Aluminium und seine Legierungen können mit den meisten Schmelzschweißverfahren, hart- und weichgelötet und festkörpergeschweißt werden. Das Schmelzschweißen erfolgt in der Regel mit MIG, WIG, Widerstand, Plasma, Laser und Elektronenstrahl. Das Schweißen mit umhüllten Elektroden und das Gasschweißen werden nur für Reparaturen oder bei fehlenden Ressourcen verwendet, wenn kein anderes Verfahren angewendet werden kann. Das Unterpulverschweißen wird nicht verwendet (wegen zu hoher Temperatur).

Empfehlungen für die Durchführung von Schweißarbeiten

Geometrie der Verbindung

Eine spezielle Konstruktion kann nur beim einseitigen WIG- oder MIG-Schweißen verwendet werden und dient dazu, eine glatte Wurzel zu erhalten. Sie kann für Dicken von mehr als 3 mm in jeder Position verwendet werden. Obwohl es sehr einfach ist, eine gute Durchschweißung zu erzielen, wird viel Zusatzmetall benötigt und die Verformungen können größer sein als bei herkömmlichen Konstruktionen. Es wird vor allem in Rohrleitungen verwendet, insbesondere in fester Position. Bei V-Verbindungen sind Fasenwinkel von weniger als 60° nicht zu empfehlen.

Vorwärmen

Ein Vorwärmen ist normalerweise notwendig. Als Ausnahme sind dicke Teile zu nennen, bei denen durch geeignetes Vorwärmen die für die Durchschmelzung und das Einbrand erforderliche Wärmezufuhr reduziert werden kann. Während es beim WIG-Schweißen normal ist, vorzuwärmen, ist es beim MIG-Schweißen nicht üblich.

Reinigung und Vorbereitung der Schweißoberfläche

Normalerweise wird das Plasmaschneiden zum Anfasen verwendet. Es ist sehr wichtig, vor dem Schweißen eine Reinigung durchzuführen, da alle Spuren von Fett, Öl oder Rost die Qualität der Schweißnaht verschlechtern können. Es werden alkalische Lösungsmittel verwendet, die keine giftigen Dämpfe erzeugen. Eine weit verbreitete Methode ist die Verwendung eines sauberen Tuches, das mit einem Lösungsmittel wie Alkohol oder Aceton getränkt ist. Die Oberflächen müssen vor dem Schweißen gründlich trocknen, da sonst Poren entstehen können. Die Oxidschichten lassen sich am besten durch Schaben und Kratzen entfernen.

Jede Schleifscheibe, Bürste oder jedes Schleifpapier darf nur für Aluminium verwendet werden. Stahl und Aluminium dürfen nicht im gleichen Bereich eines Raumes bearbeitet werden, da die Aluminiumteile verunreinigt werden können.

Heftschweißungen

Es ist darauf zu achten, dass die Heftschweißungen im weiteren Verlauf des Schweißens entfernt werden. Falls Risse in die Schweißnaht aufgenommen werden, sollten die Heftschweißungen vor dem Schweißen entfernt und der Anfangs- und Endpunkt für ein gutes Anschmelzen vorbereitet werden. Bei beidseitigen Schweißnähten sollte vor dem Schweißen der ersten Lage die Gegenseite nachgearbeitet werden. In der Regel sollte jeder Punkt eine Länge haben, die dem Zehnfachen der Dicke des Werkstücks entspricht.

Schweißzusätze

Es können sowohl Stäbe als auch Drähte und umhüllte Elektroden verwendet werden.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Gelegentlich wird eine Wärmebehandlung von geschweißten Teilen aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen durchgeführt. Bei anderen Gelegenheiten kann es nützlich sein, die Schweißnähte zu hämmern, um innere Spannungen abzubauen. Dies sollte nur bei dicken Schweißnähten durchgeführt werden.