Aluminiumspulen werden an zwei unterschiedlichen Punkten in einer Produktionslinie verbunden: beim Spleißen von Spule -zu-, sodass ein fortlaufendes Band einer Presse oder einem Walzenformer zugeführt werden kann, und beim Fertigungsschweißen zum Bau von Tanks, Kanälen, Rahmen und Gehäusen. Bei beiden Vorgängen bestehen die gleichen zwei Hindernisse, nämlich ein Oxidfilm, der bei mehr als dem Dreifachen des Schmelzpunkts des Grundmetalls schmilzt, und eine Wärmeleitfähigkeit, die dem Schweißbad Wärme schneller entzieht als Stahl. Der richtige Umgang mit beidem ist der Unterschied zwischen einer einwandfreien Schweißnaht und einer Schweißnaht, die beim Abkühlen reißt.
Oxidentfernung und Fugenvorbereitung
Aluminiumoxid schmilzt bei etwa 2070 °C, während das darunter liegende Metall bei etwa 660 °C schmilzt. Daher muss der Film mechanisch entfernt oder elektrisch aufgebrochen werden, bevor der Lichtbogen eine Lache bilden kann. Das Bürsten von Edelstahldraht mit einer speziellen Bürste und anschließendes Entfetten ist die übliche Werkstattpraxis, und die gereinigte Oberfläche sollte innerhalb weniger Stunden geschweißt werden. Das Abwischen mit Lösungsmittel allein reicht nicht aus, da dadurch Öl, nicht aber das Oxid entfernt wird. Kanten werden normalerweise für Material bis etwa 4 mm quadratisch vorbereitet und für schwerere Abschnitte im Gesamtwinkel von 60 Grad abgeschrägt. Die Vorrichtungen müssen aus nichtmagnetischem Edelstahl oder Aluminium bestehen, da die Kupferträger die Wärme zu schnell ableiten.
Prozessauswahl: WIG, MIG und Laser
Das Wechselstrom-Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen mit einer lanthan- oder zirkonhaltigen Wolframelektrode ist die Standardwahl für Materialien von 1 mm bis etwa 6 mm, da die positive Halbwelle für die kathodische Reinigung sorgt, die die Oxidschicht aufbricht. Wolframelektroden sind unter AWS A5.12 klassifiziert und bei Wechselstrom wird eine Elektrode mit einer kugelförmigen oder stumpfen Spitze verwendet. Die negative Gleichstromelektrode wird für dickere Abschnitte verwendet, bei denen das Eindringen wichtiger ist als die Oberflächenreinigung. Das Metallschutzgasschweißen mit Impulsübertragung wird ab 3 mm aufwärts für höhere Abschmelzraten eingesetzt und ist in der Tank- und Kanalfertigung weit verbreitet. Das Laserschweißen erzeugt die schmalste Wärmeeinflusszone und die geringste Verformung, was es für das Spleißen von Spulen und für Arbeiten an dünnen Gehäusen attraktiv macht. Es erfordert jedoch eine enge Verbindungspassung, typischerweise einen Spalt von weniger als dem 0,1-fachen der Materialdicke.
Auswahl des Zusatzwerkstoffes
Zusatzmetalle für Aluminium sind in AWS A5.10 klassifiziert und zwei Familien decken die meisten Arbeiten ab. Der Füllstoff vom Typ 4043-, eine Aluminium---Siliziumlegierung, bietet die beste Rissbeständigkeit und das glatteste Aussehen der Raupe und ist die erste Wahl für 6061 und andere wärmebehandelbare Legierungen, die rissempfindlich sind. Der Nachteil ist eine etwas geringere Auftragsfestigkeit und eine dunklere Eloxalfarbe. Der Füllstoff vom Typ 5356, eine Aluminium-Magnesium-Legierung, sorgt für eine höhere Auftragsfestigkeit und passt sich nach dem Eloxieren der Grundfarbe an, was ihn zum Standard für 5052- und 5083-Arbeiten macht, aber er ist anfälliger für Heißrisse in stark beanspruchten Verbindungen. Wenn ein 5xxx-Grundmetall mit einem 6xxx-Grundmetall verschweißt wird, wird normalerweise ein Zusatzwerkstoff vom Typ 4043 bevorzugt, um das Risiko von Rissen zu verringern. Der Füllerdurchmesser sollte dem Fugenvolumen entsprechen; Ein häufiger Fehler bei dünnen Spulen besteht darin, einen zu großen Füllstoff zu verwenden und den Lichtbogen zu verlangsamen.
Verzerrungs- und Wärmekontrolle
Aluminium dehnt sich bei gleichem Temperaturanstieg etwa doppelt so stark aus wie Stahl und seine Wärmeleitfähigkeit ist um ein Vielfaches höher. Daher muss die Wärmezufuhr konzentriert und die Bewegungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden. Zu den praktischen Maßnahmen zählen das Hinterstufenschweißen, ausgewogene Abläufe um die neutrale Achse, Heftschweißungen in geringem Abstand und die Verwendung von Kühlstäben oder wassergekühlten Unterlagen auf dünnem Material. Vorwärmen ist bei 1xxx-, 3xxx- und 5xxx-Materialien selten erforderlich und wird normalerweise vermieden, da es die Breite der erweichten Zone vergrößert, ohne die Eindringung zu verbessern. Eine Ausnahme bilden dicke 6061-Profile, bei denen eine Vorwärmung im Bereich von 150 °C zur Vermeidung von Porosität beitragen kann. Die Temperatur zwischen den Lagen sollte begrenzt werden, da eine übermäßige Wärmezufuhr die Struktur vergröbert und die Schweißfestigkeit verringert.
Inspektion und Abnahme
Schweißnahtqualitätsprüfungen kombinieren normalerweise eine visuelle Prüfung mit mindestens einer volumetrischen Methode. Die Flüssigkeitseindringprüfung folgt ASTM E165/E165M und ist nützlich für Oberflächenbruchfehler wie Kraterrisse und mangelnde Verschmelzung am Fuß. Die Röntgenprüfung der fertigen Verbindung folgt ASTM E1032 und ist die übliche Abnahmemethode für druckhaltende Schweißnähte. Die mechanische Qualifizierung erfolgt durch Zugtests nach ASTM B557 oder ASTM E8/E8M, oft ergänzt durch Biegetests auf Verfahrensqualifizierungscoupons. Porosität ist der häufigste Defekt und wird in der Regel eher auf unzureichende Schutzgasabdeckung, Kontamination an der Verbindung oder Oxideinschluss als auf die Schweißparameter selbst zurückgeführt.
Häufig gestellte Fragen
Q:Warum benötigt das Schweißen von Aluminium eine andere Vorbereitung als das Schweißen von Stahl?
A: Der Oxidfilm auf Aluminium schmilzt bei etwa 2070 °C, während das Metall bei 660 °C schmilzt. Daher muss der Film mechanisch entfernt oder durch kathodische Reinigung aufgebrochen werden, bevor der Lichtbogen eine Lache bilden kann.
Q:Welcher Füllstoff sollte für die 5052-Spule verwendet werden?
A: Ein Füllstoff vom Typ 5356- ist die normale Wahl, da er nach dem Eloxieren eine ausreichende Festigkeit und Farbübereinstimmung bietet. Ein Füllstoff vom Typ 4043 wird verwendet, wenn das Risiko von Heißrissen in einer kraftschlüssigen Verbindung den Festigkeitsunterschied überwiegt.
Q:Ist vor dem Schweißen von Aluminiumspulen ein Vorwärmen erforderlich?
A: Nicht für 1xxx-, 3xxx- oder 5xxx-Material in normalen Stärken. Das Vorwärmen ist im Allgemeinen auf dicke 6061-Abschnitte beschränkt, wo es zur Kontrolle der Porosität und Durchdringung beiträgt.
Q:Wie wird Porosität in einer Aluminiumschweißnaht festgestellt?
A: Die Röntgenuntersuchung gemäß ASTM E1032 ist die standardmäßige volumetrische Methode. Die Flüssigkeitseindringprüfung gemäß ASTM E165/E165M erkennt Anzeichen von Oberflächenbrüchen, kann jedoch keine innere Porosität aufdecken.
Q:Was verursacht Kraterrisse am Ende einer Schweißnaht?
A: Der Krater schrumpft schnell, wenn der Lichtbogen stoppt, und das erstarrende Metall reißt, wenn der Lichtbogen abrupt erlischt. Das Füllen des Kraters mit einem Stromkegel oder Ablauffahnen vermeidet den Defekt.
Q:Kann eine Aluminiumspule an Edelstahl geschweißt werden?
A: Nicht durch konventionelles Schmelzschweißen ohne dazwischenliegende Übergangsverbindung. Durch die direkte Fusion entstehen spröde intermetallische Verbindungen, daher wird stattdessen ein bimetallisches Übergangsstück oder eine mechanische Verbindung verwendet.