Muss man Aluminium vor dem Schweißen vorwärmen?
Meistens nicht. Beim Aluminium gibt es keine Aufhärtung und keine wasserstoffbedingten Kaltrisse wie beim Stahl, deshalb auch keine Mindestvorwärmtemperatur. Vorgewärmt wird gezielt: um Feuchte zu entfernen, den Kaltstart zu verbessern, große Dickenunterschiede auszugleichen oder bei dicken Teilen die Abkühlung zu bremsen. Für Aluminium gelten dabei Höchstwerte, denn zu viel Wärme kostet Festigkeit.
Das ist der wichtigste Unterschied zum Stahl. Dort berechnet man, wie warm ein Bauteil mindestens sein muss, etwa mit dem Vorwärmtemperatur-Rechner nach DIN EN 1011-2. Beim Aluminium legt DIN EN 1011-4 fest, wie warm es höchstens werden darf.
Wann ist Vorwärmen beim Aluminium sinnvoll?
DIN EN 1011-4 nennt vier Gründe: Feuchte vor dem Schweißen entfernen, etwa auf Baustellen; Unregelmäßigkeiten beim Kaltstart vermeiden; Wärme ausgleichen, wenn sehr unterschiedliche Dicken zusammenkommen; und die Abkühlung beim Schweißen dicker Teile mildern.
- Feuchte: Kalte Teile beschlagen in warmer Hallenluft. Kurzes Anwärmen trocknet die Fügestelle, siehe Kondensation. Nach dem ASM-Handbuch genügt dafür eine kurze Erwärmung auf höchstens 120 °C.
- Kaltstart: Aluminium leitet die Wärme rund dreimal so gut wie Stahl. Am kalten Nahtanfang fließt sie so schnell ab, dass Bindefehler entstehen und das Gas zu wenig Zeit zum Entweichen hat. Auch gegen Poren empfiehlt die Norm deshalb mehr Wärmeeinbringung oder Vorwärmen.
- Dickenunterschiede: Das dicke Teil zieht die Wärme ab, das dünne überhitzt. Vorwärmen des dicken Teils gleicht das aus. Als Faustregel aus der Praxis gilt ein Wanddickenverhältnis von höchstens 1:3.
- Dicke Teile: Bei großen Querschnitten bremst Vorwärmen die schnelle Abkühlung, die sonst zu Bindefehlern und Poren führt.
Oft lässt sich das Vorwärmen auch vermeiden. Nach DIN EN 1011-4 kann ein Schutzgas aus Argon und Helium oder reines Helium die sonst nötige Vorwärmung ersetzen, weil Helium die Wärme wirkungsvoller in das Werkstück bringt, mehr dazu unter Schutzgasschweißen.
Im Film: Dünnes auf dickes Aluminium schweißen, wenn die Wärmeleitung zur Falle wird.
Wie hoch darf die Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur sein?
Nach DIN EN 1011-4 höchstens 120 °C für nicht aushärtbare Legierungen, 120 °C Vorwärm- und 100 °C Zwischenlagentemperatur für 6xxx-Legierungen und 100 °C beziehungsweise 80 °C für 7xxx-Legierungen. Die Zwischenlagentemperatur gilt jeweils zu Beginn jeder neuen Raupe.
| Grundwerkstoff | Vorwärmtemperatur höchstens | Zwischenlagentemperatur höchstens |
|---|---|---|
| Nicht aushärtbar: 1xxx, 3xxx, 5xxx, AlSi-Guss, AlMg-Guss | 120 °C | 120 °C |
| Aushärtbar: 6xxx, AlSiMg-Guss, AlSiCu-Guss | 120 °C | 100 °C |
| Aushärtbar: 7xxx | 100 °C | 80 °C |
Empfohlene Höchstwerte nach DIN EN 1011-4:2001-02, Tabelle 1. Die Werte sind als Richtlinie gedacht und können vertraglich anders festgelegt werden; dann gehören sie in die Verfahrensprüfung.
- Die Dauer der Erwärmung muss so kurz wie möglich sein. Langes Halten auf Temperatur kann kaltverfestigte Legierungen teilweise weichglühen und ausgehärtete Legierungen überaltern.
- Bei 5xxx-Legierungen mit mehr als 3,5 % Magnesium und bei 7xxx-Legierungen können sich Phasen ausscheiden, die in bestimmten Einsatzumgebungen die Anfälligkeit für Schicht- und Spannungsrisskorrosion erhöhen.
- Bei aushärtbaren Legierungen erreicht man nach dem ASM-Handbuch die höchste Festigkeit mit einer Zwischenlagentemperatur von höchstens 65 °C. Wer zwischen den Lagen abkühlen lässt, gewinnt also Festigkeit.
Höhere Werte aus der Praxis für dicke Bauteile
Für dicke Bauteile werden in der Praxis auch höhere Vorwärmtemperaturen genannt, dafür mit begrenzter Vorwärmzeit. Ein Beispiel aus einem Vortrag von Air Liquide (Cerkez Kaya, 19. ÖGS-Workshop 2018):
| Werkstoff | Blechdicke | Vorwärmtemperatur höchstens | Vorwärmzeit höchstens |
|---|---|---|---|
| AlMgSi | über 20 mm | 180 °C | 60 min |
| AlSi1MgMn | über 20 mm | 200 °C | 30 min |
| AlZn4,5Mg1 | über 16 mm | 140 °C | 30 min |
| AlMg4,5Mn0,7, AlMg3 | über 16 mm | 150 bis 200 °C | 10 min |
Diese Werte liegen deutlich über den Höchstwerten von DIN EN 1011-4. Sie setzen die genannte Mindestdicke und eine streng begrenzte Zeit auf Temperatur voraus und sind keine Norm. Wer sie nutzen will, legt sie vertraglich fest und weist in der Verfahrensprüfung nach, dass die geforderte Festigkeit erreicht wird.
Warum kostet zu viel Wärme Festigkeit?
Weil die Wärmeeinflusszone neben der Naht ihren Festigkeitszustand verliert. Kaltverfestigte Legierungen werden weich, ausgehärtete überaltern. Jedes Grad Vorwärmen und jede zu warme Zwischenlage verbreitert diese Zone.
- Nicht aushärtbare, kaltverfestigte Legierungen wie 5083-H verlieren ihre Kaltverfestigung schon nach wenigen Sekunden über 345 °C, nach dem ASM-Handbuch auf 25 bis 38 mm neben der Naht. Im weichen Zustand O geschweißt, bleiben sie dagegen fast voll tragfähig: In einer Untersuchung an 13 mm dickem 5083-O erreichte die MIG-Naht 308 MPa Zugfestigkeit, der Grundwerkstoff rund 333 MPa.
- Aushärtbare Legierungen wie 6082-T6 überaltern in der Wärmeeinflusszone, am schnellsten zwischen 290 und 425 °C. In derselben Untersuchung erreichten MIG-Nähte an 6082-T6 nur 232 MPa statt rund 300 MPa, der Bruch lag in der Wärmeeinflusszone. Vorwärmen, fehlendes Abkühlen zwischen den Lagen und langsames Pendeln senken diesen Wert weiter, bis eine Verfahrensprüfung scheitern kann.
Auch die Naht selbst reagiert. Im Forschungsvorhaben AiF 12.239 N änderte eine auf 40 °C erwärmte Unterlage nichts. Bei 85 °C wurden die Nähte breiter und der Einbrand tiefer, mit Neigung zum Durchfallen. Wer vorwärmt, muss die Parameter darauf abstimmen.
Mehr zu den Unterschieden der Legierungsgruppen und zur Wahl des Zusatzes: Unterschiede zu Stahl.
Wie wärmt man richtig vor und wie misst man?
Gleichmäßig, so kurz wie möglich und mit gemessener Temperatur. Geeignet sind Ofen, elektrische Heizmatten, Induktion oder Warmluft. Die Temperatur wird nach DIN EN 1011-4 mit Kontaktthermometer, Thermofarben oder Temperaturmessstiften geprüft, die Zwischenlagentemperatur so nah wie möglich am Schweißgut.
Mit der Flamme vorzuwärmen ist verbreitet, beim Aluminium aber heikel. Die Flamme bringt selbst Wasserdampf mit: nach Angaben von Air Liquide rund 31 % bei Propan-Sauerstoff und rund 3,6 % bei Acetylen-Sauerstoff. Auf kaltem Metall schlägt er sich zuerst als Wasser nieder. Wer mit der Flamme arbeitet, wärmt so weit, dass die Oberfläche trocken ist, und vermeidet einen Sauerstoffüberschuss, der nach DIN EN 1011-4 Oxideinschlüsse begünstigt.
Zwischen den Lagen jede Raupe mit einer Edelstahlbürste reinigen, bevor die nächste darübergelegt wird. Das empfiehlt DIN EN 1011-4 ebenso.
Häufige Fragen
Ab welcher Dicke muss Aluminium vorgewärmt werden?
Eine feste Grenze gibt es nicht. Ob vorgewärmt wird, hängt von Dicke, Dickenverhältnis, Umgebung und Schutzgas ab und wird in der Schweißanweisung festgelegt. Mit Argon-Helium-Gemischen kann man oft darauf verzichten.
Wie warm darf 6082 beim Schweißen werden?
Nach DIN EN 1011-4 höchstens 120 °C beim Vorwärmen und 100 °C zwischen den Lagen. Die beste Festigkeit erreicht man mit noch niedrigerer Zwischenlagentemperatur, nach dem ASM-Handbuch höchstens 65 °C.
Was ist die Zwischenlagentemperatur?
Die Temperatur der Schweißverbindung zu Beginn jeder weiteren Raupe. Sie wird so nah wie möglich am Schweißgut gemessen und soll die Höchstwerte nicht überschreiten.
Warum braucht Aluminium keine Mindestvorwärmtemperatur wie Stahl?
Beim Stahl verhindert das Vorwärmen Aufhärtung und wasserstoffbedingte Kaltrisse. Aluminium härtet beim Schweißen nicht auf. Hier geht es nur um Feuchte, Wärmeausgleich und Bindung, und zu viel Wärme schadet der Festigkeit.
Weiterlesen: Fachbeiträge zum Aluminiumschweißen
Die Reihe in der Reihenfolge der Fertigung, von der Oberfläche bis zur Prüfung der Naht. Den Überblick gibt Aluminium schweißen: Was anders ist als bei Stahl.
Über den Autor
Robert Lahnsteiner, Ing., ist Schweißfachingenieur (SFI/IWE) und Geschäftsführer der MIGAL.CO GmbH. Nach seiner Ausbildung in Nachrichtentechnik und Elektronik an der HTL Braunau arbeitete er ab 1983 achtzehn Jahre bei Fronius in der Schweißtechnik. Seit 2001 führt er MIGAL.CO, den Hersteller von Aluminium-Schweißdraht in Landau an der Isar, gemeinsam mit Martin Erl. Seine Schwerpunkte sind Aluminium-Schweißzusätze, Drahtfertigung und Drahtförderung sowie die Überwachung von Schweißprozessen. Im DVS arbeitet er seit rund 30 Jahren im Fachausschuss FA03 „Lichtbogenschweißen“ mit und ist Obmann der Arbeitsgruppe 2.4.4 „MIG-Schweißen von Aluminium“.