Schlechte Aluminiumschweißnähte verhindern: Von der Oberflächenvorbereitung bis zur Endbearbeitung

Mittlerweile sind Sprühapplikatoren erhältlich, die Schweißdüsenoberflächen beschichten und das Anhaften von Spritzern und Düsenverstopfungen verhindern. Dadurch können Schutzgase ungehindert strömen und der Draht gleichmäßig zugeführt werden, wodurch schlechte Metallschweißnähte vermieden werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Produkten auf Gelbasis halten diese Anwendungen nachweislich länger und reduzieren den Düsenaustausch, die Behandlungskosten und die Arbeitskosten für die Spritzerentfernung.

Wie alle Materialien hat auch Aluminium, das „Metall mit Flügeln“, Vor- und Nachteile.

Das hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Aluminium macht es seit langem zu einer offensichtlichen Wahl im Automobil- und Luft- und Raumfahrtsektor, vor allem weil es leicht und korrosionsbeständig ist. Obwohl Aluminium nicht das stärkste Metall ist, trägt die Legierung mit anderen Metallen wie Kupfer, Magnesium, Zinn und Zink dazu bei, seine Festigkeit, Haltbarkeit und Masse zu erhöhen.

Aluminiumlegierungen lassen sich leicht bearbeiten, haben aber wie jedes Fertigungsmaterial Vor- und Nachteile. Einerseits sind Aluminiumgussprodukte aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts von Aluminium relativ kostengünstig. Andererseits weisen sie geringere Zugfestigkeiten auf. Darüber hinaus verziehen sich Aluminiumlegierungen bei hohen Temperaturen. Sie haben niedrigere Ermüdungsgrenzen als Stahl und werden bei wiederholter Beanspruchung schwächer, weshalb Aluminiumlegierungen selten in Anwendungen mit hoher Ermüdungstoleranz wie Trägern im Hochbau und bei Eisenbahnen verwendet werden.

Während die industriellen Vorteile von Aluminium beeindruckend sind (über die oben genannten Vorteile hinaus ist es recycelbar, langlebig und energieeffizient in Militärqualität), kann es Metallarbeiter vor einzigartige Herausforderungen stellen.

Was die Probleme vor oder nach dem Schweißen angeht, hat Aluminium einige Gemeinsamkeiten mit Stahl, allerdings nicht immer. Aluminium leitet Wärme sechsmal schneller als Stahl und hat einen niedrigen Schmelzpunkt, wodurch es sehr anfällig für Verformungen und Durchbrennen ist. Aluminiumdraht hat eine relativ geringe Zugfestigkeit, was zu Problemen bei der Drahtzufuhr und zu Schweißfehlern führen kann, wenn nicht die richtige Ausrüstung verwendet wird. Häufige Schweißfehler bei Aluminium sind Spritzer, Porosität, Risse und mangelnde Verschmelzung.

Porosität entsteht, wenn Wasserstoff beim Schmelzen in das Schweißbad eindringt und dann beim Erstarren in der Schweißnaht eingeschlossen wird. Schutzgas schützt ein geschmolzenes Schweißbad vor der umgebenden Atmosphäre – die die Schweißnaht verunreinigen kann –, es müssen jedoch andere Best Practices befolgt werden, wie z. B. die richtigen Gasdurchflussraten und Spülzyklen. Auch die Verwendung von Gasen mit niedrigem Taupunkt sollte in Betracht gezogen werden.

Schweißspritzer oder Schlacke sind Tröpfchen aus geschmolzenem Metall oder nichtmetallischen Materialien, die während des Schweißvorgangs verspritzen. Diese winzigen heißen Materialstückchen können am Grundmaterial und allen umliegenden metallischen Materialien haften bleiben. Die Hauptursachen für diese Mängel sind typischerweise eine schlechte Oberflächenvorbereitung und falsche Geräteeinstellungen. Für Metallbauer sind Spritzer, die in der Regel durch Störungen im Schweißbad verursacht werden, eine unnötige und kostspielige Belästigung.

Wenn eine Reihe von Best Practices nicht befolgt werden, ist die Entstehung von Ruß, insbesondere beim Wolfram-Schutzgasschweißen (GTAW), beim Schweißen von Aluminium so gut wie unvermeidlich. Alle Schweißnähte, unabhängig davon, ob sie durch GTAW- oder Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) hergestellt werden, sollten hell und glänzend sein. Ruß ist schwarz, weshalb viele Schweißer davon ausgehen, dass es sich um Kohlenstoff oder eine rußige Verunreinigung handelt. Tatsächlich haben Röntgenanalysen gezeigt, dass Schweißbrand eine Kombination aus Aluminium und Magnesium ist.

Verfärbungen und Schmutz entstehen, wenn sich Aluminium- oder Magnesiumoxide auf dem Grundmaterial ansammeln und verschweißen. Da die Siedepunkte von Aluminium und Magnesium niedriger sind als die Temperaturen eines Schweißlichtbogens, verdampfen Aluminium und Magnesium im Schweißzusatzwerkstoff während des Schweißens tatsächlich und kondensieren auf dem kühleren Grundmetall, wenn sie nicht ausreichend durch Schutzgas geschützt sind.

Warum reißen Aluminiumschweißnähte?

Bei der Reinigung von Aluminium gibt es eine Abkehr von herkömmlichen Drahtbürsten und aggressiven chemischen Reinigungslösungen. Heute ist es möglich, effiziente und umweltfreundliche elektrochemische Technologien einzusetzen. Diese Geräte beschädigen Edelstahloberflächen nicht, und einige verwenden eine pH-neutrale Elektrolytlösung, die direkt auf die zu reinigende Oberfläche gepumpt wird, und die dynamische Steuerung des elektrischen Stroms verhindert Mikropitting auf Schweißoberflächen.

„Heißknacken“ ist eine Frage der Chemie. Spannung oder „Kaltrissbildung“ ist die Folge mechanischer Beanspruchungen. Ob klein oder groß, ein Riss ist ein Defekt, der zu einer fehlgeschlagenen Schweißnahtprüfung führen kann, da ein Riss im Laufe der Zeit zu einem Versagen der Schweißnaht führen kann. Die Vermeidung von Heißrissen ist durch den Einsatz hochwertiger Zusatzwerkstoffe mit geringerer Rissempfindlichkeit möglich. Kaltrisse (beim Abkühlen der Schweißnaht) können innerhalb eines Tages nach dem Schweißen auftreten, normalerweise aufgrund von in der Schweißnaht über das Schweißbad eingeschlossenem Wasserstoff. Liegen während der Erstarrung übermäßige Schrumpfspannungen vor, die durch ein konkaves Nahtprofil, eine zu langsame Vorschubgeschwindigkeit oder eine Vertiefung am Ende der Schweißnaht (Kraterriss) verursacht werden, entstehen Spannungsrisse.

Ein Durchbrennen wird dadurch verursacht, dass Aluminium zu stark erhitzt wird und ein Spalt darin brennt. Da beim Schweißen genügend Wärme erforderlich ist, um die Metalle ordnungsgemäß zu verschmelzen, kommt es zu einem Durchbrennen, wenn ein Schweißer es nicht schafft, Wärme und Geschwindigkeit in Einklang zu bringen. Um ein Durchbrennen beim WIG-Schweißen von Aluminium zu verhindern, sollte der Bediener bei niedriger Stromstärke und einer langen Spitze der Elektrode schweißen. Beim GMAW sollte der Schweißer eine pulsierende Pistole verwenden (dies ist eine gute Praxis für 1/8 Zoll oder dünneres Aluminium). Elektrische Impulse sorgen in geeigneten Abständen für ausreichend Wärme und Kühlung, um ein Durchbrennen zu verhindern. Wenn dickes Aluminium geschweißt wird, sollte die Stromstärke hoch genug eingestellt werden, um ausreichend in die Schweißnaht einzudringen: zum Beispiel 250 Ampere zum Schweißen von ¼-Zoll. dickes Material und 350 Ampere zum Schweißen von ½ Zoll dickem Material. Dem Schutzgasgemisch könnte Helium zugesetzt werden, da es in dickeren Abschnitten für einen heißeren, durchdringenderen Lichtbogen sorgt.

Mangelnde Verschmelzung oder „Kaltläppen“ ist ein häufiger Fehler bei Aluminiumschweißnähten und wird oft durch das Vorhandensein von Aluminiumoxid (das in geschmolzenem Aluminium unlöslich ist) auf den Schweißoberflächen verursacht. Auch eine schlechte Schweißtechnik kann die Verschmelzung verhindern. Dies tritt auf, wenn die Spannung oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit zu niedrig ist oder wenn die Fahrgeschwindigkeit des Schweißgeräts zu hoch ist. Da Aluminium Wärme schneller leitet als Stahl, kann es zu Beginn einer Schweißnaht zu einer mangelnden Verschmelzung kommen, bis genügend Energie in die Schweißnaht eingebracht wird. Einige Schweißgeräte beheben dieses Problem automatisch, indem sie den Strom zu Beginn einer Schweißung erhöhen und ihn dann senken, um einen Wärmestau zu vermeiden. Auch eine zu breite Schweißnaht kann eine Verschmelzung verhindern, lässt sich aber dadurch beheben, dass man die Naht verengt oder den Schweißlichtbogen auf die Seitenwand der Grundplatte richtet.

Keramische Beschichtungstechnologien gehören zu den neuesten Werkzeugen im Arsenal der Aluminium-Metallverarbeiter. Wie bei Stahl können Schweißspritzer auch bei Aluminiumschweißnähten problematisch sein. Wenn heiße Schweißspritzer an Schweißdüsen und -spitzen festschmelzen, führt die daraus resultierende Verstopfung dazu, dass das Schutzgas nicht frei strömen kann. Ein schlechter Gasfluss kann zu Porosität, inkonsistenten Schweißnähten oder Schweißnähten führen, die eine vollständige Nachbearbeitung erfordern.

Mittlerweile sind Sprühapplikatoren erhältlich, die Schweißdüsenoberflächen beschichten und das Anhaften von Spritzern und Düsenverstopfungen verhindern. Dadurch können Schutzgase ungehindert strömen und der Draht gleichmäßig zugeführt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Produkten auf Gelbasis halten diese Anwendungen nachweislich länger und reduzieren den Düsenaustausch, die Behandlungskosten und die Arbeitskosten für die Spritzerentfernung.

Über die Brennerdüsen hinaus können Werkstücke auch vor Spritzern geschützt werden, um nicht nur saubere Schweißnähte zu gewährleisten, sondern auch kostspielige Nacharbeiten zu vermeiden. Anti-Spritzer-Emulsionen schützen Werkstücke vor Spritzern. Eine solche Emulsion ist mit Aluminium, Edelstahl und Stahl kompatibel und soll Schweißern dabei helfen, porösitätsfreie Schweißnähte zu erzielen und Schweißrisse zu verhindern. Es ist VOC-frei, lösungsmittelfrei, silikonfrei und biologisch abbaubar. Entscheidend ist, dass sich die Emulsion bei Hitzeeinwirkung zusammenzieht und die Schweißbereiche frei von Flüssigkeit bleiben.

Obwohl keramische Beschichtungstechnologien und Anti-Spritzer-Emulsionen sehr effektiv sind, gibt es andere Maßnahmen zur Optimierung der Bedingungen bei der Aluminiummetallbearbeitung. Der Wert der Reinigung von Aluminium vor dem Schweißen kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Schlechtes Schutzgas oder schlechter Draht können Porosität verursachen, aber auch mangelnde Reinigung vor dem Schweißen. Dabei kommen zwei Schritte ins Spiel: Erstens ist es entscheidend, alle Öle, Fette, Schmiermittel, Lösungsmittel und andere Kohlenwasserstoffe aus dem Grundmaterial im Aluminium-Schweißbereich zu entfernen. Diese Schadstoffe enthalten Wasserstoff. Gelangen sie in den Schweißlichtbogen, verursachen sie Schweißporosität.

Premium-Entfetter entfernen Verunreinigungen aus dem Schweißbereich und einige davon sind speziell für Aluminium und andere empfindliche Legierungen konzipiert. Einige sind biologisch abbaubar, sodass für die Entsorgung keine zusätzlichen Kosten anfallen.

Zweitens ist es wichtig, Oxide von allen schweißbaren Oberflächen zu entfernen. Dies kann mit einer Kraftbürste aus rostfreiem Stahl mit feinen Borsten durchgeführt werden, es sollte jedoch eine leichte Berührung erfolgen – übermäßiger Druck glättet tatsächlich Oxide und treibt sie in die Aluminiumoberfläche.

Auch nach dem Schweißen auftretende Probleme wie Verfärbungen, Schweißflecken und Anlauffarben in hitzebeeinflussten Zonen müssen angegangen werden.

Bei der Reinigung von Aluminium gibt es eine Abkehr von herkömmlichen Drahtbürsten und aggressiven chemischen Reinigungslösungen. Drahtbürsten sind schnell, können aber Aluminium zerkratzen und die Oberfläche verändern. Scharfe Chemikalien (Beizpasten) können Schweißnähte reinigen, verursachen aber je nach Art Oberflächenschäden. Auch Gesundheitsrisiken und teure Entsorgungsprobleme spielen eine Rolle.

Heute ist es möglich, effiziente und umweltfreundliche elektrochemische Technologien einzusetzen. Diese Geräte beschädigen Aluminium- oder Edelstahloberflächen nicht, und einige verwenden eine pH-neutrale Elektrolytlösung, die direkt auf die zu reinigende Oberfläche gepumpt wird, und die dynamische Steuerung des elektrischen Stroms verhindert Mikropitting auf Schweißoberflächen. Je nach Anwendung kann er Metalle mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 bis 5 Fuß pro Minute verarbeiten.

Im Vergleich dazu werden beim Beizen stark saure Lösungen von Salpeter- und Flusssäure verwendet. Schweißer müssen die Paste auftragen, eine Stunde warten, bis sie wirkt, und sie dann vom Metall abspülen. Wenn spezielle Verfahren zur Abwasserentsorgung erforderlich sind, bei denen es sich in der Regel um giftige Säuren handelt, kommen kostspielige Umweltschutzmaßnahmen ins Spiel. Einige Hersteller zahlen bis zu 8 US-Dollar pro Liter für die Entsorgung der Beizpaste und der dazugehörigen Flüssigkeiten.

Wenn es um das Mischen oder Veredeln von Aluminiumlegierungen geht, müssen Betriebe Produktivität und Sicherheit im Auge behalten.

Beim Schleifen oder Schneiden von Aluminium ist es wichtig, leistungsstarke Geräte zu verwenden, die die Arbeit nicht mit unnötigen Arbeitsschritten verlängern. Bei der Arbeit mit Aluminium und anderen Nichteisenmetallen sollten Werkstätten Schleif- und Trennscheiben verwenden, die weder verstopfen noch verglasen. Sie möchten auch sicherstellen, dass die Räder wiederholten Anwendungen standhalten.

Die Arbeit mit Aluminiumlegierungen kann alle möglichen Herausforderungen in der Werkstatt mit sich bringen – sei es vor dem Schweißen oder nach dem Schweißen. Für Hersteller, die Schweißfehler verhindern möchten, stehen innovative Werkzeuge zur Verfügung. Für Metallarbeiter, die sichere und effiziente Methoden zur Entfernung von Anlauffarben und Verfärbungen von MSG-, GTAW- und Punktschweißnähten suchen, bieten elektrochemische Reinigungs- und Poliertechnologien hervorragende Ansätze zur umweltfreundlichen Korrektur von Schweißfehlern.

Beim Schneiden, Mischen und Polieren von Aluminiumlegierungen entwickeln sich die Technologien von Jahr zu Jahr weiter. Ein Hersteller sollte seinen Lieferanten konsultieren, wie die Werkstatt mit den richtigen Werkzeugen effizienter gestaltet werden kann.

Jonathan Douville, Ing., Eng., PMP, ist Senior Product Manager, R&D International, bei Walter Surface Technologies, 5977 TransCanada Highway West, Pointe-Claire, Que., H9R 1C1, 514-630-2800, www.walter.com /de. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Walter Surface Technologies.