Bolzenschweiß-Verbindungen mit Aluminium: eine interessante Option für den Metallbau

Das Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium hat sich über viele Jahre in verschiedenen Branchen bewährt. Es bedarf jedoch einer sorgfältigen Oberflächenvorbereitung und geeigneter Schweißparameter, um ähnlich gute Ergebnisse wie beim Schweißen von Stahlwerkstoffen zu erzielen.

Das Tragverhalten von Aluminiumbolzenschweißungen leidet vor allem an Porosität und Bindefehlern. Um derartige Beeinträchtigungen zu vermeiden, ist neben einer gründlichen Oberflächenvorbereitung eine exakte Abstimmung diverser Schweiß- und Randbedingungen erforderlich. Zum einen muss die Schweißenergie zum Durchmesser der Bolzen, zur Dicke des Blechs und zum Schweißverfahren passen. Zum anderen bedarf es einer hohen Eintauchgeschwindigkeit, um kaltes Eintauchen zu verhindern.

Der Umgang mit den Bolzen hat ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf das Schweißresultat. Damit die Schweißelemente nicht oxidieren und saubere Bolzenstirnflächen sowie optimale Kontaktbedingungen gewährleistet sind, ist eine trockene Lagerung unerlässlich. Die Bolzenverpackungen sollten erst direkt vor dem Lichtbogen-Bolzenschweißen geöffnet und nicht genutzte Bolzen zeitnah wieder luftdicht eingepackt werden. Das Vermischen verschiedener Chargen kann sich nachteilig auswirken. Gleichzeitig sollten die Schweißbolzen zeitnah verarbeitet werden, um Oxide durch lange Lagerdauer zu vermeiden.

Grundsätzlich sollten die Werkstückoberflächen trocken und blank sein und keine schweißungeeigneten Beschichtungen aufweisen. Staub und Fingerabdrücke wirken sich ebenso nachteilig auf das Schweißresultat aus wie Öl und Tiefziehmittel. Lackierungen und Eloxierungen bzw. Anodisierungen können sogar das Zünden des Lichtbogens verhindern. Im Nachhinein ist eine unzureichend vorbereitete Oberfläche an einem dunklen Hof rund um den geschweißten Bolzen zu erkennen. Als Faustregel gilt, dass das Werkstück umso sorgfältiger gereinigt werden muss, je schneller der Schweißprozess abläuft.

Die größte Herausforderung beim Aluminiumschweißen ist die natürliche Oxidschicht, die sich auf dem Leichtmetall unter Sauerstoffeinfluss bildet. Oxide in der Schweißzone können Folgendes bewirken:

• Festigkeitsminderung/erhöhte Bruchneigung,

• höheres Risiko für Bindefehler,

• Verstärken der sogenannten Blaswirkung.

Letztere entsteht, wenn der elektrische Lichtbogen durch Änderungen im umgebenden Magnetfeld aus seiner Mittelachse gelenkt wird. Das begünstigt ein unsymmetrisches Anschmelzen bzw. einen ungünstigen Einbrand sowie Schweißfehler wie vermehrte Porenbildung, die gestörte Ausbildung der Nahtoberfläche oder qualitätsmindernde Einbrandkerben.

Zum Abtragen der Oxidschicht bieten sich neben mechanischen Verfahren (z. B. durch spanende Bearbeitung) auch chemische Behandlungen an. Manuelles Schleifen und ungeeignete Schleifmittel können sich hingegen unvorteilhaft auswirken. Hierdurch können Riefen in der Oberfläche der Oxidschicht entstehen, die das Beseitigen von Verunreinigungen erschweren. Sofern andere Verfahren nicht infrage kommen, empfiehlt es sich, das Aluminiumoxid auf der Werkstückoberfläche zu belassen.

Während des Lichtbogen-Bolzenschweißens bildet sich um den angeschweißten Bolzen herum ein weißer Schweißnebel. Dieser sollte vor dem erneuten Schweißen im selben Bereich entfernt werden, um streunende Resultate zu vermeiden.

Im Feinblechbereich, d.h. bei Blechdicken ca. 1 bis 4 mm findet in erster Linie das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung Verwendung. Bei diesem ist der Wärmeeintrag aufgrund des nur ein bis drei Millisekunden dauernden Schweißprozesses sehr gering und die Schmelzzone maximal 0,5 mm tief. Dadurch gibt es für gewöhnlich keine thermischen oder geometrischen Markierungen auf der Werkstückrückseite. Ein Schutzgas ist nicht erforderlich.

Für das Aluminiumschweißen ist vor allem die Spitzenzündung im Spaltverfahren zu empfehlen, das sich durch besonders kurze Schweißzeiten und höhere Eintauchgeschwindigkeiten auszeichnet. Gut geeignet sind Bolzendurchmesser von M3 bis M6, während M8 als unsicher gilt.

Beim Bolzenschweißen mit Hubzündung bietet sich vorrangig das Kurzzeit-Verfahren an. Dieses punktet mit ähnlichen Vorteilen (kurze Schweißzeiten, geringe thermische Bauteilbelastung, sehr gute Automatisierbarkeit) wie das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung und hat darüber hinaus eine sehr hohe Prozesssicherheit.

Die Hubzündung muss unter ausreichendem Gasschutz erfolgen, um ein mangelhaftes Schmelzverhalten oder ein ungenügendes Tragverhalten der Schweißverbindung aufgrund von Makroporen zu vermeiden. Ideal hierfür sind Schutzgase wie Argon, Helium und deren Gemische.

Wichtig beim Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzündung ist außerdem die geeignete Polung der Schweißelemente. Bei geringen Blechdicken von bis zu circa 2 mm können negativ gepolte Bolzen Vorteile besitzen, bei größeren Blechstärken oder Bolzendurchmessern positiv gepolte.

Beim Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium sind Inverter-Schweißgeräte der aktuelle Stand der Technik. Bewährt haben sich diese vergleichsweise kostengünstigen Schweißstromquellen beispielsweise im Metallbau, im Fenster-, Türen- und Fassadenbau, im Fahrzeug- und Schiffbau sowie bei Schweißen dünner Bleche. Durch die Möglichkeit der Umpolung im Zusammenspiel mit einer auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Parametrierung lassen sich die angestrebten Qualitätsanforderungen verhältnismäßig einfach realisieren.

Da die Bewegungsvorrichtung höheren Anforderungen unterliegt als beim Schweißen von Stahl, sind neben elektrischen Parametern an der Stromquelle auch mechanische Einflussgrößen an der Schweißpistole zu berücksichtigen. So können exakt laufende, mechanisch wirkende Magnet-Feder-Systeme insbesondere bei kurzen Schweißzeiten von weniger als 20 ms hochdynamische Bewegungsprofile abbilden.

Beim Schweißen von Automobilteilen (z. B. Träger, Karosserien) kommen bereits seit Jahren Inverter mit Wechselstrom erfolgreich zur Anwendung. Mit diesen gestaltet sich die Vorbehandlung der Bauteiloberflächen weniger aufwändig, da die Wärme des Wechselstroms reinigend wirkt. Ein Polaritätswechsel ist auch hier möglich. Durch diesen lassen sich in Verbindung mit einer auf den jeweiligen Bolzen zugeschnitten Programmierung und motorisch gesteuerten Schweißpistolen respektive Schweißköpfen spezielle Anforderungen an hochwertige Schweißverbindungen für die im Automobilbau genutzten marktspezifischen Sonderbolzen erfüllen. Da das Schweißen mit Wechselstrom und motorisch gesteuerten Schweißpistolen bzw. Schweißköpfen gerätetechnisch aufwendiger ist, ist diese Technik im Vergleich zu Gleichstrom teurer.

Die Schweißelemente bzw. Bolzen für das Aluminium-Bolzenschweißen mit Spitzenzündung sind in der DIN EN ISO 13918 technisch spezifiziert. Zum Schweißen von Aluminiumbolzen per Hubzündung oder Kurzzeit-Hubzündung gibt es bislang keine internationale Normung.

Normative Sonderfälle sind die Bereiche Automotive und Schiffbau. Im Automobilbau kommen die technischen Regeln der Hersteller (Werksnormen) zur Anwendung. Bei den verwendeten Schweißelementen handelt es sich in aller Regel um herstellerspezifische Zeichnungsteile. Diese Bolzen werden aufgrund der hohen Festigkeitsanforderungen meist aus AlMg5 gefertigt. Im Schiffbau existieren ähnliche Lösungen.

Es gibt technisch keine Möglichkeit, das Schweißergebnis beim Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium vollständig mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren zu bewerten. Aus diesem Grund werden zur Qualitätssicherung Maßnahmen zur Überwachung der relevanten Prozessparameter und verbundener definierter Stichprobenprüfungen durchgeführt.

Die Beurteilung der Qualitätsanforderungen lässt sich grundsätzlich über die DIN EN ISO 14555 realisieren, die neben Bolzenschweißprozessen, Werkstoffen und Prozessparametern auch die zulässigen Prüf- und Qualitätsmerkmale von Bolzenschweißungen definiert. Weitere Angaben zu Qualitätskriterien beinhalten die DIN EN 1999-1-1/NA sowie die herstellerspezifischen technischen Regeln und Normen im Automobilbau.

Das Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium kann in jedem aluminiumverarbeitenden Metallbaubetrieb zur Anwendung kommen. Für ein optimales Schweißergebnis ist es jedoch wichtig, dass die Bediener neben einer gewissen Handfertigkeit auch Kenntnisse zu schweißtechnischen Zusammenhängen mitbringen. Dieses Wissen ermöglicht es ihnen, Änderungen und Auffälligkeiten zu beurteilen, nötigenfalls Gegenmaßnahmen zu ergreifen und damit eine ähnlich hohe Qualität wie beim Schweißen von Stahlbolzen zu erzielen.