Wie schweiße ich Aluminium?

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Aluminium und seine Legierungen

Da reines Aluminium relativ weich ist, werden meist geringe Mengen an Legierungselementen hinzugefügt, um eine Reihe von mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Die Legierungen werden nach den wichtigsten Legierungselementen gruppiert. Spezifische handelsübliche Legierungen haben eine vierstellige Bezeichnung nach den internationalen Spezifikationen für Knetlegierungen und dem alphanumerischen ISO-System. Die folgenden Abschnitte und Tabellen beschreiben den grundsätzlichen Aufbau dieser Klassifizierungen.

Die erste Ziffer der Reihe gibt das der Aluminiumlegierung zugesetzte Hauptlegierungselement an und wird zur Beschreibung der Serie (oder Reihe) verwendet, d.h. 1000er Serie oder 6000er Serie usw. Die zweite Ziffer steht für die Modifikation der spezifischen Legierung innerhalb der Serie; d.h. x1xx steht für die erste Modifikation der angegebenen Legierung, während x2xx die zweite Modifikation darstellt. Die dritte und die vierte Ziffer kennzeichnen die Legierung innerhalb einer bestimmten Serie. Zusammenfassend lässt sich beispielsweise sagen, dass die Legierung 2024 zur Legierungsreihe 2000 gehört, keine Modifikationen aufweist und als Legierungstyp 24 spezifiziert ist. Tabelle 1 enthält Einzelheiten über die Hauptlegierungselemente dieser Serien und deren Anwendungsmöglichkeiten.

Es gibt jedoch eine Ausnahme von diesem Nummerierungssystem, und zwar für Aluminium der Serie 1000: Dabei geben die letzten beiden Ziffern den Mindestanteil an Aluminium über 99% an. Zum Beispiel bedeutet 1050 einen Mindestaluminiumgehalt von 99,50%.

Aluminiumlegierungen enthalten oft auch eine Zustandsbezeichnung. Diese definiert zusätzliche Verarbeitungsschritte (falls implementiert). Die Zustandsbezeichnungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Zusätzlich zu den in Tabelle 2 aufgeführten Grundzustandsbezeichnungen gibt es zwei Unterbezeichnungen: "H" für kaltverfestigt und "T" für thermisch behandelt. Tabelle 3 und 4 beschreiben diese "H"- und "T"-Werkstoffzustands-Bezeichnungen.

*¹ Abhängig von den Legierungsbestandteilen und den Verarbeitungsverfahren

*² Die zweite 'x'-Stelle gibt den Grad der Kaltverfestigung an: x2 – viertel hart, x4 – halb hart, x6 – drei viertel hart, x8 – vier viertel hart (voll durchgehärtet), x9 – extra hart

*³ Der Bezeichnung 'Tx' können zusätzliche Ziffern hinzugefügt werden, die eine Spannungsreduzierung anzeigen. TX51 oder TXX51 - Spannungsfreigabe durch Dehnen und TX52 oder TXX52 - Spannungsfreigabe durch Stauchen

Warum Aluminium schweißen?

Aluminiumlegierungen sind im Transportwesen allgegenwärtig, weil sie technische Werkstoffe mit einem guten Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht zu vernünftigen Kosten sind. Weitere Anwendungen machen sich die Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit (sowohl thermisch als auch elektrisch) einiger Legierungen zunutze. Obwohl sie normalerweise eine geringe Festigkeit aufweisen, können einige der komplexeren Legierungen mechanische Eigenschaften haben, die denen von Stählen entsprechen. Aufgrund der vielen Vorteile von Aluminiumlegierungen, die der Industrie angeboten werden, besteht die Notwendigkeit, die besten Verfahren für deren Verbindung zu ermitteln.

Ist das Schweißen von Aluminium schwierig?

Das Schweißen von Aluminiumlegierungen ist unter anderem aus folgenden Gründen schwieriger als das Schweißen von Stahl:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu einer übermäßigen Wärmeableitung, die das Schweißen erschweren kann bzw. zu unerwünschtem Verzug der Teile führen kann, da ein größerer Wärmeeintrag erforderlich ist.
• Löslichkeit von Wasserstoff. Wasserstoff ist in geschmolzenem Aluminium sehr gut löslich, was dazu führt, dass das Schweißbad während der Verarbeitung Wasserstoff absorbiert. Sobald das geschmolzene Material erstarrt, werden die Wasserstoffblasen eingeschlossen, wodurch Porosität entsteht.
• Oxidschicht. Aluminium hat eine Oxidschicht (Aluminiumoxid), die einen viel höheren Schmelzpunkt (2060 °C) hat als die Ausgangsaluminiumlegierung (660 °C). Beim Schweißen kann dies dazu führen, dass die Oxidschicht in den Schweißbereich eingeschlossen wird, was zu Bindefehlern führen kann und die Festigkeit der Schweißnaht verringern kann. Daher sollten die Werkstücke vor dem Schweißen mit einer Drahtbürste oder durch chemisches Ätzen gereinigt werden, um Oxideinschlüsse zu vermeiden.

Wie kann Aluminium geschweißt werden?

Es gibt zahlreiche Verfahren, die für das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen eingesetzt werden können und im Folgenden näher erläutert werden:

Lichtbogenschweißen

Lichtbogenschweißen wird häufig zum Verbinden von Aluminiumlegierungen verwendet. Die meisten Knetlegierungen der 1xxx-, 3xxx-, 5xxx-, 6xxx- und mittelfesten 7xxx-Serien (z.B. 7020) können mit lichtbogenbasierten Verfahren schmelzgeschweißt werden. Insbesondere die Legierungen der Serie 5xxx haben eine ausgezeichnete Schweißbarkeit. Hochfeste Legierungen (z.B. 7010 und 7050) und die meisten Legierungen der 2xxx-Serie werden nicht zum Schmelzschweißen empfohlen, da sie anfällig für Heiß- und Erstarrungsrisse sind.

• Kann man Aluminium MIG-Schweißen? MIG-Schweißen kann zum Verbinden von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich am besten für dünnere Materialstärken, wie z.B. Aluminiumbleche, da die erforderliche Wärmemenge im Vergleich zu dickeren Blechen geringer ist. Reines Argon ist das bevorzugte Schutzgas für dieses Verfahren, und der verwendete Schweißdraht/Stab sollte in seiner Zusammensetzung den zu schweißenden Teilen so ähnlich wie möglich sein.
• Kann man Aluminium WIG-Schweißen? WIG-Schweißen kann auch zum Verbinden von Aluminiumlegierungen verwendet werden. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ermöglicht das WIG-Verfahren eine ausreichende Wärmeerzeugung, um den Schweißbereich so heiß zu halten, dass ein Schweißbad entsteht. Das WIG-Schweißen kann zum Verbinden dicker und dünner Querschnitte verwendet werden. Ähnlich wie beim MIG-Schweißen ist reines Argon das bevorzugte Schutzgas, und der verwendete Schweißdraht/Stab sollte in seiner Zusammensetzung den zu schweißenden Teilen ähnlich sein.

Laser-Schweißen

Wie andere Schmelzschweißerfahren, einschließlich Lichtbogenschweißen, können Laserstrahlen zum Schweißen vieler Serien von Aluminiumlegierungen verwendet werden. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren ist das Laserschweißen aufgrund seiner hohen Leistungsdichte an der Materialoberfläche in der Regel ein schnelleres Schweißverfahren.  Das Keyhole-Laserschweißen ist in der Lage, Schweißnähte mit hohem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis zu erzeugen (d.h. mit großer Schweißnahttiefe bei schmaler Schweißnahtbreite), was zu schmalen Wärmeeinflusszonen führt. Das Laserstrahlschweißen kann bei rissempfindlichen Werkstoffen, wie z.B. den Aluminiumlegierungen der 6000er Serie, in Kombination mit einem geeigneten Zusatzwerkstoff, wie z.B. Aluminiumlegierungen 4032 oder 4047, eingesetzt werden. Die verwendeten Schweißgase werden in Abhängigkeit von der zu verbindenden Aluminiumsorte ausgewählt.

 Elektronenstrahlschweißen

Ähnlich wie Laserstrahlen sind Elektronenstrahlen gut geeignet, Schweißnähte mit hohen Schweißgeschwindigkeiten und kleinen Schweißbädern zu erzeugen. Elektronenstrahlschweißen eignet sich auch hervorragend für die Herstellung von Schweißnähten in sehr dicken Aluminiumplatten. Im Gegensatz zu anderen Schmelzschweißverfahren findet das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum statt, was bedeutet, dass kein Schutzgas erforderlich ist, was zu sehr reinen Schweißnähten führt.

 Die richtige Auswahl des Zusatzwerkstoffs (insbesondere bezüglich der Legierung und des Durchmessers des Schweißdrahts oder Schweißstabs), sorgfältig ausgewählte Schweißparameter und die Gestaltung der Verbindung sind von entscheidender Bedeutung, um das Risiko von Heißrissen in Aluminiumlegierungen bei der Anwendung von Schmelzschweißverfahren wie Lichtbogen-, Elektronenstrahl- und Laserschweißen zu minimieren.

Reibschweißen

Reibschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren (d.h. es findet kein Schmelzen des Metalls statt), das sich besonders zum Fügen von Aluminiumlegierungen eignet. Reibschweißen ist in der Lage, alle Aluminiumlegierungen zu verbinden, einschließlich der 2000er und 7000er Serie, die mit Schmelzschweißverfahren schwierig zu verbinden sind. Darüber hinaus ist, weil es keine Schmelze gibt, kein Schutzgas erforderlich, und im Vergleich zu Schmelzschweißverfahren wird eine bessere mechanische Festigkeit der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone erzielt. Es gibt mehrere Varianten des Reibschweißens:

• Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW): FSW wurde 1991 am TWI entwickelt. FSW arbeitet mit einem verschleißfesten Werkzeug, das sich dreht und in die Fügezone zweier Werkstücke eingetaucht wird. Das Werkzeug wird dann entlang der Fügezone bewegt, wobei die Reibungswärme bewirkt, dass sich das Material erwärmt und erweicht. Das rotierende Werkzeug knetet das erweichte Material und presst es zusammen, um eine Schweißnaht herzustellen. Das Verfahren kann zum Verschweißen von Aluminiumblechen, Aluminiumplatten, Aluminiumstrangpressprofilen und Aluminiumguss verwendet werden sowie für Kombinationen dieser und anderer Werkstoffe.
• Refill-Rührreibpunktschweißen (Refill Friction Stir Welding, RFSSW): RFSSW ist eine Weiterentwicklung des FSW- und FSSW-Verfahrens und wird als Punktschweißtechnik eingesetzt, um Nieten in Aluminiumblechanwendungen zu ersetzen.
• Linearreibschweißen (Linear Friction Welding, LFW): LFW arbeitet durch Oszillieren eines Werkstücks relativ zu einem anderen unter einer großen Druckkraft. Die Reibung zwischen den oszillierenden Oberflächen erzeugt Wärme, wodurch das Grenzflächenmaterial plastifiziert wird. Das plastifizierte Material wird dann aus der Grenzfläche ausgestoßen, wodurch sich die Werkstücke in Richtung der Druckkraft verkürzen (Abbrand). Während des Abbrandes werden die Grenzflächenverunreinigungen, wie Oxide und Fremdpartikel, die die Eigenschaften und möglicherweise die Lebensdauer einer Schweißnaht beeinflussen können, in den Wulst ausgetrieben. Sobald sie frei von Verunreinigungen sind, entsteht ein reiner Metall-zu-Metall-Kontakt, der zu einer Schweißnaht führt. Das Verfahren wird zum Fügen von massiven Aluminiumkomponenten verwendet, um endkonturnahe Formen herzustellen.
• Rotationsreibschweißen (RFW): Rotationsreibschweißen ist ähnlich wie das Linearreibschweißen, mit der Ausnahme, dass die Aluminiumstangen oder Rohre zylindrisch sind und gedreht werden, um Reibungswärme zu erzeugen, anstatt linear zu oszillieren.

Was ist die beste Methode zum Schweißen von Aluminium?

Die beste Methode zum Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die folgenden Punkte sollten in Betracht gezogen werden, bevor man sich für ein Schweißverfahren entscheidet:

• Kosten für Schweißausrüstung, Zusatzmaterial, Abfallentsorgung, Personal usw.
• Gewünschte Schweißfestigkeit
• Geometrische Beschränkungen
• Verfügbarkeit von Lieferanten
• Wiederholbarkeit
• Maßhaltigkeit und Verzug
• Geschwindigkeit der Produktion
• Gesundheit und Arbeitssicherheit

Wie kann das TWI helfen?

Das TWI kann auf eine lange Geschichte der Zusammenarbeit mit seinen Mitgliedern zurückblicken, um die Herausforderungen zu bewältigen, die mit dem Verbinden von Aluminium und seinen Legierungen verbunden sind, einschließlich der Anwendung von Reibschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen und Hartlöten sowie vielen weiteren Verfahren.

Weitere Fragen?

Dieser Artikel gehört zu einer Reihe von häufig gestellten Fragen (FAQs). Bei weiteren Fragen zum Aluminiumschweißen senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an: kontakt@twi-deutschland.com