Was macht das Schweißen von Aluminiumlegierungen so schwierig?

Die Schweißbarkeit ist ein kombiniertes Maß für die Rissbeständigkeit eines Werkstoffs, die Sicherheit der geschweißten Konstruktion und die Wirtschaftlichkeit der vorgesehenen Anwendungen des Produkts. Ein Werkstoff gilt als schweißbar, wenn seine chemischen, metallurgischen und physikalischen Eigenschaften für das Schweißverfahren geeignet sind und die Verbindung die erforderlichen Festigkeitsparameter erfüllt.

Da Aluminium und seine Legierungen besondere physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, bringt das Schweißen dieser Werkstoffe folgende Schwierigkeiten mit sich.

1. Schnelle Oxidation

Aluminium oxidiert leicht an der Luft und beim Schweißen. Das dabei entstehende Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist stabil und lässt sich nur schwer entfernen. Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 2.500 °C und damit weit über dem Schmelzpunkt von Aluminiumlegierungen, der bei etwa 660 °C liegt. Beim Schweißen behindert der Oxidfilm das Schmelzen und die Verschmelzung des Grundmetalls. Da seine Dichte etwa das 1,4-Fache der von Aluminium beträgt, schwimmt er nicht ohne Weiteres aus dem Schweißbad heraus und kann zu unvollständiger Verschmelzung und Schlackeneinschlüssen führen. Außerdem nimmt er Feuchtigkeit auf, was zu Porosität in der Schweißnaht führen kann.

Vor dem Schweißen muss daher die Oxidschicht durch eine gründliche chemische oder mechanische Oberflächenreinigung entfernt werden, und eine erneute Oxidation während des Schweißens muss verhindert werden.

2. Anfälligkeit für Porosität

Zu den potenziell porenbildenden Gasen zählen Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff. Stickstoff ist in flüssigem Aluminium unlöslich, während Aluminiumlegierungen keinen Kohlenstoff enthalten, der Kohlenmonoxidporen erzeugen würde. Daher ist Wasserstoff das porenbildende Gas, das Anlass zur Sorge gibt. Seine Löslichkeit beträgt 7 ml/kg in flüssigem Aluminium, bei der Erstarrungstemperatur von 660 °C jedoch nur noch 0,4 ml/kg. Ein Großteil des ursprünglich im flüssigen Metall gelösten Wasserstoffs fällt aus und bildet Blasen, während die Schweißnaht erstarrt. Reines Aluminium und korrosionsbeständige Aluminiumlegierungen sind hierfür besonders anfällig.

Das Eindringen von Wasserstoff in das Grund- und Zusatzmetall muss begrenzt werden, und es sollte hochreines Schutzgas verwendet werden. Oxide, Feuchtigkeit und Öl müssen vor dem Schweißen gründlich von Werkstücken, Draht und Elektroden entfernt werden. Unterbrechungen sollten auf ein Minimum beschränkt werden. Es werden starke Schweißparameter empfohlen: Beim WIG-Schweißen wird ein hoher Strom bei relativ hoher Schweißgeschwindigkeit verwendet, während beim MIG-Schweißen ein hoher Strom bei niedrigerer Schweißgeschwindigkeit zum Einsatz kommt, um das Schweißbad länger flüssig zu halten und dem Wasserstoff das Entweichen aus der übersättigten festen Lösung zu ermöglichen.

3. Durchbrennrisiko

Aluminium zeigt beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand keine auffällige Farbveränderung, wodurch sich die Temperatur des Bades nur schwer einschätzen lässt. Auch seine mechanische Festigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab und beträgt bei 370 °C nur noch 10 MPa. Das Material könnte daher dem geschmolzenen Metall nicht standhalten, was zu einer schlechten Nahtform, zum Zusammenbruch oder zum Durchbrennen führen kann.

Häufig wird eine Stützleiste verwendet. Die Erwärmung muss zudem sorgfältig geregelt werden, es sollte nach Möglichkeit in waagerechter Position geschweißt werden, und der Lichtbogen sollte an den An- und Auslaufstellen gezündet und gelöscht werden.

4. Neigung zu Heißrissen

Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ist fast doppelt so hoch wie der von Stahl, und auch seine Erstarrungsschrumpfung ist etwa doppelt so hoch, was zu erheblichen Schweißspannungen führt. Auch die Legierungszusammensetzung spielt eine wichtige Rolle: Verunreinigungen, die über den festgelegten Grenzwerten liegen, führen zur Bildung von mehr niedrigschmelzenden eutektischen Bestandteilen im Schweißbad. Diese Effekte begünstigen gemeinsam die Heißrissbildung.

Risse treten häufig an den Stellen auf, an denen der Lichtbogen zündet, er erlischt, plötzlich unterbrochen wird, sowie an Heftnähten und Reparaturschweißnähten. Um dies zu verhindern, sind daher eine Verringerung der Schweißspannungen, eine Anpassung der Zusammensetzung des Schweißguts, verbesserte Bedingungen für die Erstarrung des Schweißbads, ein geeignetes Verfahren sowie kontrollierte Parameter erforderlich.

5. Festigkeit der Verbindung unterhalb der Festigkeit des Grundmetalls

Die Schweißwärme erweicht die Wärmeeinflusszone, wodurch die Festigkeit abnimmt und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Folglich erreicht die Schweißnaht möglicherweise nicht die Festigkeit des Grundmetalls. Um eine Stoßverbindung mit gleicher Festigkeit zu erzielen, muss die Materialdicke in der Schweißzone erhöht werden.

6. Verminderte Korrosionsbeständigkeit nach dem Schweißen

Verbindungen in wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Duraluminium, können erheblich an Korrosionsbeständigkeit einbüßen. Eine stärkere mikrostrukturelle Ungleichmäßigkeit führt zu einer stärkeren Verringerung. Auch die Reinheit und Dichte des Schweißguts spielen eine Rolle: Reichlich vorhandene Verunreinigungen, grobe Körner und die Ausscheidung spröder Phasen wie FeAl₃ verringern die Korrosionsbeständigkeit deutlich und können sowohl lokalen Oberflächenangriff als auch interkristalline Korrosion verursachen. Schweißspannungen sind ein weiterer wichtiger Faktor.

Die Korrosionsbeständigkeit lässt sich wie folgt verbessern:

1. Verringerung von Ungleichmäßigkeiten in der Zusammensetzung und Mikrostruktur durch Legierung der Schweißnaht mit geeigneten Schweißzusätzen, Kornverfeinerung, Vermeidung von Fehlern, Anpassung des Verfahrens zur Begrenzung der Wärmeeinflusszone und der Überhitzung sowie Durchführung einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
2. Abbau von Schweißspannungen; lokale Zugspannungen an der Oberfläche lassen sich beispielsweise durch lokales Hämmern verringern.
3. Anwendung von Schutzbehandlungen wie Eloxieren oder Beschichtungen.