Wie schweißt man Aluminium?

Wenn Sie privat oder beruflich schon einmal ein Schweißgerät in der Hand hatten, können Sie es bestätigen: Wenn die Schweißnaht akkurat und die Verbindung langlebig sein soll, muss man beim Schweißen von Metallen schon ein gewisses Fingerspitzengefühl an den Tag legen. Geht es jedoch ums Aluminium-Schweißen, so darf's in puncto Fähigkeiten durchaus etwas mehr sein. Doch warum ist das Schweißen von Aluminium so anspruchsvoll? Liegt es an den Werkstoffeigenschaften? Sind die Aluminium-Schweißverfahren so kompliziert? Welche Verfahren gibt es überhaupt und worauf sollte man beim Alu-Schweißen für ein ordetliches Resultat achten? Diesen und weiteren Fragen widmen wir uns in diesem Ratgeber!

Aluminium: kein einfacher Werkstoff zum Schweißen

Ob wir aus einer Getränkedose trinken, mit dem Fahrrad unterwegs sind, in unser Auto steigen oder am ein Flugzeug am Himmel erblicken – Aluminium ist quasi überall im Einsatz, und das aus vielen guten Gründen. Es ist mit einer Dichte von nur 2,6989 g/cm³ ein echtes Leichtgewicht. Zum Vergleich ist Stahl mit ganzen 8 g/cm³ fast drei Mal so schwer. Trotz seines geringen Gewichts beeindruckt Aluminium mit seiner hohen Stabilität und Festigkeit.

So leicht das Metall auch ist, so schwer ist es allerdings auch zu schweißen. Dies liegt nicht direkt am Material an sich, sondern vielmehr an dem, was sich auf dessen Oberfläche befindet: Aluminiumoxid. Innerhalb kürzester Zeit bildet sich davon eine hauchdünne Schicht, sobald man das Aluminium der Umgebungsluft aussetzt. Das Aluminiumoxid verleiht dem Metall dieses typische silbergrau-matte Aussehen und schützt das Metall vor dem Einfluss von Wasser, Sauerstoff, Chemikalien und vielen anderen Stoffen.    

Gewissermaßen "schützt" es das Metall aber auch vom Schweißen. Die Schmelztemperatur von Aluminium beträgt lediglich etwa 660 °C. Aluminiumoxid hingegen schmilzt erst bei 2050° C. Würde man also ein Aluminium-Werkstück schweißend bearbeiten wollen, müsste dies unter sehr hohen Temperaturen geschehen. Dann wäre allerdings auch das Aluminium unter der Oxidschicht längst geschmolzen, bis auch die Oxidschicht ihren Schmelzpunkt erreicht hätte. Es ist also völlig klar: Bevor es mit dem Aluminium-Schweißen losgehen kann, muss die Schicht Aluminiumoxid gründlich entfernt werden.
 

Gut zu verarbeiten, ungefähr halb so schwer wie Stahl und zugleich sehr stabil: diese Kombination der Eigenschaften ist wohl einer der wesentlichen Gründe, weswegen Aluminium als Werkstoff so gefragt ist. Hinzu kommt allerdings auch ein sehr geringer Schmelzpunkt im Vergleich zu anderen Metallen: Aluminium schmilzt bereits bei 660,3 °C. Die Oxidschicht, die sich bei Luftkontakt über das Material legt, hat hingegen einen Schmelzpunkt von ca. 2050 °C.

Und hier beginnt bereits die Herausforderung beim Schweißen. Wenn man bedenkt, dass Aluminium außerdem eine vier- bis fünfmal so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Stahl besitzt, wird klar, dass deshalb beim Schweißvorgang noch mehr Wärme eingebracht werden muss. Wie jedes Metall dehnt es sich außerdem bei Wärme aus – in diesem Fall allerdings doppelt so stark. 

Es können also große Spannungen und damit unkontrollierte Verzüge der Schweißkonstruktion entstehen – es sei denn, man wählt das optimale Schweißverfahren und die richtigen Schweißparameter, bereitet das Material sorgfältig vor und arbeitet in der richtigen Reihenfolge.

Eine gute Vorbereitung ist beim Aluminium schweißen alles, wenn Sie sicherstellen wollen, dass der Schweißvorgang problemlos vonstatten geht und das Schweißergebnis ordentlich ausfällt. Vor dem Schweßen müssen deshalb Öle, Fette, aber vor allem auch die Oxidschicht müssen entfernt werden, damit die zu schweißenden Stellen metallisch rein sind. Wichtig ist die Reihenfolge: Erst kommt die Reinigung, dann die Entfernung der Oxidschicht. 
 

Bevor wir uns mit der Schweißtechnik beschäftigen, müssen wir erst das richtige Aluminiummaterial auswählen. Aluminiumlegierungen werden in Serien eingeteilt, wobei jede Serie bestimmte Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit aufweist. Zum Beispiel sind die Legierungen der 5000er Serie mit Magnesium legiert und bieten eine gute Schweißbarkeit, während die 2000er Serie mit Kupfer legiert ist und zum Schweißen weniger geeignet ist, da sie zu Rissen neigen kann. Die richtige Auswahl entscheidet am Ende über Erfolg oder Misserfolg. 

Kümmern Sie sich zunächst um die Öle und Fette, die noch am Aluminium anhaften. Dies geht am besten mit organischen Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Aceton oder einem handelsüblichen Bremsenreiniger auf Acetonbasis, einer milden alkalischen Lösung beziehungsweise Seifenlauge oder Entfetter auf Zitrusbasis. Stellen Sie sicher, dass sie die gereinigten Stellen hinterher gründlich abspülen und trocknen. Anschließend können Sie sich dem nächsten wichtigen Schritt in der Vorbereitung widmen.

Als nächstes geht es an die Oxidschicht. Warum muss diese entfernt werden? Wir erinnern uns: Der Schmelzpunkt der Oxidschicht liegt bei etwa 2.050 °C, die des Aluminiums je nach Legierung schon bei gut 660 °C. Möchte man die Oxidhaut einfach aufschmelzen, dann würde das Aluminium darunter einfach verrinnen und ein Schweißen des Werkstoffs wäre unmöglich. Es ist allerdings auch möglich, die Oxidschicht während des Schweißvorgangs aufzubrechen, nämlich dann, wenn mit Wechselstrom geschweißt wird. Hierbei wird zwischen positiver und negativer Halbwelle gewechselt. Die positive Halbwelle bricht die Oxidschicht auf, während durch die negative Halbwelle der Einbrand bzw. die Einschweißtiefe erzielt wird.

Sorgen Sie dafür, dass Sie sie sowohl vor dem Schweißen als auch nach längeren Unterbrechungen des Schweißvorgangs entfernen. Dies kann zum Beispiel auf mechanische Art und Weise geschehen, zum Beispiel mithilfe einer Edelstahlbürste. Sie sollte deswegen aus Edelstahl bestehen, da mit anderen Bürsten Einschlüsse von Kohlenstoffstahl im Aluminium auftreten können. Stark saure oder alkalische Lösungen eignen sich ebenfalls dazu. Es existieren auch spezielle Lösungen zur Oxid-Entfernung, die lokal aufgesprüht werden. Neben den allgemeinen Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit solchen Mitteln, ist es ratsam, diese Stellen nach der Anwendung gut abzuspülen und zu trocknen. 

Vergessen Sie auch nicht, den Schweißstab zu reinigen, damit die Naht sicher hält. Hierfür können Sie beispielsweise Schleifpapier verwenden. Nachdem Sie die Oxidschicht vom Aluminium entfernt haben, sollten Sie die Naht innerhalb weniger Tage schweißen. Idealerweise decken Sie das Material in der Zwischenzeit ab, um es vor Staub und Schmutz zu schützen. Hierzu eignet sich gewöhnliches braunes Packpapier sehr gut.

Die Auswahl des passenden Schweißzusatzwerkstoffes ist entscheidend für die Qualität der Schweißnaht und die Performance des geschweißten Bauteils. Für Aluminium gibt es verschiedene Zusatzwerkstoffe, die auf die spezifische Aluminiumlegierung des Grundmaterials abgestimmt sein sollten. Die Zusammensetzung des Schweißdrahtes oder -stabes muss die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung unterstützen.

Die Festlegung der Schweißparameter ist ein kritischer Schritt, der die Qualität der Schweißnaht maßgeblich beeinflusst. Dazu gehören die Schweißgeschwindigkeit, die Stromstärke und die Wahl zwischen Wechsel- oder Gleichstrom. Beim WIG-Schweißen von Aluminium wird häufig Wechselstrom verwendet, um die Oxidschicht effektiv zu durchbrechen und eine saubere Schweißnaht zu erzielen. Die Parameter müssen auf die Dicke des Materials, die Art der Schweißnaht (z.B. Stumpfnaht, Kehlnaht) und die Positionierung des Schweißvorgangs abgestimmt werden.

Die Gestaltung der Schweißnaht spielt eine wichtige Rolle für die Festigkeit und das Aussehen des geschweißten Bauteils. Bei dickeren Materialien kann es notwendig sein, eine V-Naht oder eine U-Naht vorzubereiten, um eine durchgehende Durchschweißung zu gewährleisten. Die Auswahl der Nahtform hängt von der Dicke des Materials und den spezifischen Anforderungen an die Schweißverbindung ab.

Beim MIG- und WIG-Schweißen von Aluminium ist die Verwendung von Schutzgas essentiell, um die Schweißnaht vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen und Oxidation zu vermeiden. Reines Argon ist das am häufigsten verwendete Schutzgas für das Aluminiumschweißen, da es eine stabile Schweißbogen und eine saubere Schweißnaht gewährleistet. Bei dickeren Materialien oder für höhere Schweißgeschwindigkeiten kann auch eine Argon-Helium-Mischung vorteilhaft sein.

Die Qualität und Eignung der Schweißausrüstung spielt eine entscheidende Rolle. Hochwertige Schweißgeräte, die eine präzise Steuerung des Schweißstroms und der Schweißgeschwindigkeit ermöglichen, sind essentiell. Für das WIG-Schweißen sind Geräte mit AC-Funktion (Wechselstrom) erforderlich, während beim MIG-Schweißen Geräte mit einer guten Drahtvorschubkontrolle bevorzugt werden sollten. Die Verwendung von speziell für Aluminium entwickelten Schweißbrennern und -düsen kann zudem die Qualität der Schweißnaht verbessern und die Handhabung erleichtern.

Bevor mit dem eigentlichen Schweißvorgang begonnen wird, empfiehlt es sich, einen Probelauf auf einem Stück Restmaterial durchzuführen. Dies ermöglicht es, die Schweißparameter zu testen und anzupassen, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen. Es bietet auch die Gelegenheit, die Handhabung des Schweißgeräts und die Bewegungsführung zu üben, insbesondere wenn es sich um komplexere Schweißnahtgeometrien handelt.

Eine gut vorbereitete Arbeitsumgebung trägt wesentlich zum Erfolg des Schweißvorgangs bei. Der Arbeitsbereich sollte gut belüftet sein, um gesundheitsschädliche Dämpfe abzuleiten, und frei von entflammbaren Materialien, um Unfälle zu vermeiden. Eine stabile und saubere Arbeitsfläche ist notwendig, um das Werkstück während des Schweißens sicher zu fixieren. Zudem sollte das Arbeitsumfeld so organisiert sein, dass der Schweißer einen bequemen Zugang zum Werkstück hat und eine ergonomische Arbeitshaltung einnehmen kann.

Jetzt, da wir alle notwendigen Vorbereitungen getroffen haben, um das Aluminium optimal auf den Schweißprozess vorzubereiten, wenden wir uns den verschiedenen Schweißverfahren zu. Die Welt des Schweißens bietet eine Vielzahl von Techniken, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen, abhängig von der spezifischen Anwendung, den Materialanforderungen und dem gewünschten Endergebnis. Allerdings wäre es unpraktisch und überwältigend, jedes einzelne Verfahren detailliert zu behandeln. Daher konzentrieren wir uns auf die am häufigsten genutzten Methoden für das Schweißen von Aluminium. Im Folgenden erläutern wir, welche Technologien es gibt, um Ihnen ein tiefereres Verständnis für ihre Anwendungsbereiche, Vorzüge und möglichen Schwierigkeiten zu vermitteln.

Das Metall-Inertgas (MIG) bzw. Metall-Aktivgas (MAG)-Schweißen ist eine der am häufigsten verwendeten Schweißmethoden, besonders in der industriellen Produktion. Beim Schweißen von Aluminium bietet das MIG-Schweißen eine Kombination aus hoher Produktivität und guter Nahtqualität, was es zu einer beliebten Wahl für eine breite Palette von Anwendungen macht.

Grundprinzipien des MIG-/MAG-Schweißens

Beim MIG-/MAG-Schweißen wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einem kontinuierlich zugeführten Drahtelektrodenwerkstoff und dem Werkstück gezündet. Das Schutzgas, typischerweise Argon oder eine Argon-Helium-Mischung beim Schweißen von Aluminium, umgibt den Lichtbogen und schützt die Schweißnaht vor atmosphärischer Kontamination.

Vorteile beim Schweißen von Aluminium

• Hohe Schweißgeschwindigkeit: MIG-Schweißen ermöglicht eine schnelle Schweißgeschwindigkeit, was die Produktivität erhöht.
• Flexibilität: Es eignet sich sowohl für dünne als auch für dicke Aluminiumbleche und -profile.
• Gute Nahtqualität: Bei korrekter Anwendung können saubere und gleichmäßige Schweißnähte erzielt werden.

Herausforderungen und Lösungen

• Spritzerbildung: Eine Herausforderung beim MIG-Schweißen von Aluminium ist die Neigung zu Spritzern. Durch die Optimierung der Schweißparameter wie Drahtvorschubgeschwindigkeit, Stromstärke und Schutzgasfluss kann die Spritzerbildung jedoch minimiert werden.
• Wärmeableitung: Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist es wichtig, die Wärmeeinbringung zu kontrollieren, um Verzug zu vermeiden. Die Verwendung von Impulsschweißverfahren kann hier Abhilfe schaffen.

Technische Vorbereitung und Durchführung

• Schutzgasauswahl: Für das MIG-Schweißen von Aluminium wird in der Regel reines Argon oder eine Argon-Helium-Mischung empfohlen, um eine stabile Lichtbogen und eine hochwertige Schweißnaht zu erzielen.
• Drahtauswahl: Die Wahl des richtigen Schweißdrahtes ist entscheidend. Aluminiumschweißdrähte sind in verschiedenen Legierungen erhältlich, die auf das Basismaterial abgestimmt sein sollten.
• Ausrüstung: Spezielle MIG-Schweißgeräte mit einer geeigneten Drahtvorschubeinheit sind erforderlich, um den weichen Aluminiumdraht ohne Verklemmen zu fördern.

Das Wolfram-Inertgas (WIG)-Schweißen, auch als GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) bekannt, ist eine weitere beliebte Methode für das Schweißen von Aluminium. Diese Technik ist bekannt für ihre Fähigkeit, hochqualitative Schweißnähte mit ausgezeichneter Optik und geringem Verzug zu erzeugen.

Grundprinzipien des WIG-Schweißens

Beim WIG-Schweißen wird der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück gezündet. Das Schutzgas, meist Argon, schützt den Lichtbogen und die Schweißstelle vor atmosphärischer Kontamination. Das Füllmaterial wird, falls erforderlich, manuell in den Lichtbogen eingebracht.

Vorteile beim Schweißen von Aluminium

• Präzision und Kontrolle: WIG-Schweißen ermöglicht eine präzise Kontrolle über den Schweißvorgang, was zu hochqualitativen Schweißnähten führt.
• Vielseitigkeit: Es eignet sich hervorragend für dünne Bleche und komplexe Schweißaufgaben, wo Feingefühl erforderlich ist.
• Ästhetik: WIG-Schweißnähte sind in der Regel sauber und optisch ansprechend, was sie ideal für sichtbare Anwendungen macht.

Herausforderungen und Lösungen

• Geschwindigkeit: Im Vergleich zu MIG-Schweißen ist WIG langsamer, was in einer niedrigeren Produktionsgeschwindigkeit resultiert. Für hochwertige Anwendungen, bei denen die Nahtqualität im Vordergrund steht, ist dies jedoch oft ein akzeptabler Kompromiss.
• Fertigkeit des Schweißers: WIG-Schweißen erfordert ein hohes Maß an Geschick und Erfahrung. Die Qualität der Schweißnaht hängt stark von der Fähigkeit des Schweißers ab, den Lichtbogen stabil zu halten und das Füllmaterial gleichmäßig einzubringen.

Technische Vorbereitung und Durchführung

• Schutzgasauswahl: Reines Argon ist das bevorzugte Schutzgas für das WIG-Schweißen von Aluminium, da es eine saubere Schweißumgebung und eine stabile Lichtbogen gewährleistet.
• Elektrodenauswahl: Die Wahl der richtigen Wolframelektrode (in der Regel mit Lanthan oder Cer legiert) und deren Vorbereitung (Schleifen der Elektrodenspitze) ist für eine effektive Wärmeübertragung und Lichtbogenstabilität entscheidend.
• Wärmeableitung: Besondere Aufmerksamkeit sollte der Wärmeeinbringung und -verteilung gewidmet werden, um Verzug und Materialbeschädigung zu vermeiden.

Ein Lichtstrahl, so scharf und fokussiert, dass er Metalle verschweißen kann, ohne sie übermäßig zu erhitzen oder zu verformen – genau das macht das Laserschweißen mit Aluminium möglich. Diese Methode ist wie das Zeichnen mit einem extrem feinen Stift auf einem Blatt Papier, nur dass wir hier mit Metall arbeiten und unser Stift ein Laser ist.

Warum eignet sich Laserschweißen gerade bei Aluminium?

• Präzision: Wie bereits erwähnt, erlaubt uns der Laser, sehr genau zu arbeiten. Wir können feine, saubere Schweißnähte erzeugen, die mit herkömmlichen Methoden schwer zu erreichen wären.
• Geringer Wärmeeintrag: Ein großer Vorteil des Laserschweißens ist, dass viel weniger Wärme insgesamt ins Material gebracht wird. Das bedeutet weniger Verzug, weniger Probleme mit dem Material.
• Geschwindigkeit: Im Vergleich zu traditionellen Schweißmethoden kann das Laserschweißen die Arbeit in einem Bruchteil der Zeit erledigen.

Ideal für komplexe Projekte

Das Laserschweißen eignet sich besonders gut für komplizierte oder präzise Anwendungen. Ob in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder bei filigranen Aufgabenstellungen – einfach überall dort, wo es auf Präzision ankommt, ist das Laserschweißen von Aluminium eine hervorragende Wahl.

Aber es gibt auch Herausforderungen

So beeindruckend das Laserschweißen auch ist, es erfordert Fachwissen und die richtige Ausrüstung. Die Einstellungen des Lasers – von der Leistung bis zum Fokus – müssen genau auf das spezifische Aluminiumstück abgestimmt sein. Und obwohl die Ausrüstungskosten allmählich sinken, bleibt das Laserschweißen eine Investition, die sich nicht für jedes Projekt oder jeden Geldbeutel eignet.

Abschließend

Das Laserschweißen von Aluminium ist ein faszinierender Prozess, der die Tür zu neuen Möglichkeiten in der Metallverarbeitung öffnet. Mit seiner Präzision, Effizienz und Flexibilität kann es Aufgaben bewältigen, die mit herkömmlichen Methoden schwierig oder unmöglich wären. Wenn Sie also das nächste Mal ein Projekt haben, das feine, präzise Schweißnähte erfordert, könnte Laserschweißen genau das Richtige sein.

Wie wir nun wissen, ist das Schweißen von Aluminium sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance für Schweißer und Fertigungstechniker. Von der komplexen Vorbereitung des Materials über die Auswahl des richtigen Schweißverfahrens bis hin zur Ausführung – jede Phase erfordert Verständnis, Geschick und die richtige Ausrüstung.

Aluminium, mit seinen einzigartigen Eigenschaften und Vorteilen, ist ein unverzichtbarer Werkstoff in vielen Branchen. Die Leichtigkeit, mit der es sich in Form bringen lässt, seine Stärke und Korrosionsbeständigkeit machen es zum Material der Wahl für Anwendungen, die von der Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zu Alltagsgegenständen reichen. Die Herausforderung seiner Schweißbarkeit ist jedoch nicht zu unterschätzen, geprägt durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die Präsenz der hartnäckigen Oxidschicht.

Durch die detaillierte Untersuchung der Vorbereitungsmaßnahmen und Schweißtechniken wie MIG-/MAG-Schweißen, WIG-Schweißen und Laserschweißen haben wir einen Einblick erhalten, welches Fachwissen notwendig ist, um mit diesem vielseitigen Metall zu arbeiten. Jedes Verfahren bringt seine eigenen Vorteile in den Schweißprozess ein, sei es die Geschwindigkeit und Flexibilität des MIG-/MAG-Schweißens, die Präzision und Sauberkeit des WIG-Schweißens oder die unübertroffene Kontrolle und Effizienz des Laserschweißens.

Wir haben uns uns darauf konzentriert, die Grundlagen zu vermitteln und einen Überblick über die gängigsten Techniken zu geben, um Aluminium effektiv zu schweißen. Es ist klar, dass jedes Projekt seine eigene Herangehensweise und Technik erfordert, angepasst an die spezifischen Anforderungen des Werkstücks und die Ziele des Endprodukts.

Und so mag das Schweißen von Aluminium auf den ersten Blick überwältigend wirken, aber mit dem richtigen Wissen, guter Vorbereitung und der notwendigen Praxis kann es zu einer der lohnendsten Fähigkeiten werden, die in der Metallverarbeitung zu meistern sind. Es eröffnet Türen zu innovativen Konstruktionen und ermöglicht die Realisierung von Projekten, die mit anderen Materialien nicht möglich wären.