WIG-Orbital-Schweißen von Aluminium-werkstoffen mit dem

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1 Polysoude Praxis-Berichte WIG-Orbital-Schweißen von Aluminium-werkstoffen mit dem Gleichstromverfahren bei negativ gepolter Elektrode (DC EN) T. UNDI POLYSOUDE S.A. - BP F NANTES cedex 3 - Tel : (33) Fax : (33) The right to duplicate this document is reserved to the autorisation of POLYSOUDE. Ref: Alu_D

2 1. Einleitung Aluminiumwerkstoffe werden mit Erfolg in den verschiedensten Bereichen wie Bauwesen, Flugzeug- und Fahrzeugbau, Schiffbau, Maschinenbau, Apparate- und Reaktorbau usw. eingesetzt. Dabei hat der Konstrukteur heute die Wahl aus einer Vielzahl von Legierungen, Halbzeugformen, sowie von Fügeverfahren. Die Schutzgasschweißverfahren, die dem Einsatz des Werkstoffes Aluminium in vielen Bereichen erst zum Durchbruch verholfen haben, erlauben heute die Herstellung von Schweißkonstruktionen aus Aluminiumwerkstoffen nach ähnlichen Qualitätskriterien, wie sie von Stahlkonstruktionen her bekannt sind. Für eine erfolgreiche schweißtechnische Verarbeitung müssen jedoch die werkstofflichen Besonderheiten und die daraus resultierenden Anforderungen an die Gerätetechnik, die Vorbereitung der Schweißstelle und die Ausführung der Schweißung beachtet werden. In diesem Bericht werden die Rahmenbedingungen für spezifikationsgerechte Schweißungen nach dem WIG-Gleichstromverfahren bei negativ gepolter Elektrode (DC EN) dargestellt. Ausgehend vom Aufbau und den Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe werden die Besonderheiten der schweißtechnischen Verarbeitung im Vergleich zum Stahl erläutert und mit Hilfe von Anwendungsbeispielen weiter vertieft. Seite: 2

3 2. Der Werksstoff Aluminium Die Bezeichnung Aluminium ist nur als Oberbegriff für alle Werkstoffe auf Basis des Aluminiums, wie Reinst- und Reinaluminium, Al-Legierungen, anzusehen. Die Eigenschaften von Aluminium hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Dabei spielen die dem Werkstoff zugesetzten oder zufällig vorhandenen Beimengungen (Verunreinigungen) anderer Elemente eine entscheidende Rolle. Mit Ausnahme des Reinstaluminiums (Al 99,99) werden großtechnisch nur Legierungen des Aluminiums eingesetzt. Aluminiumwerkstoffe enthalten neben dem Basismetall Aluminium meistens mehrere Legierungselemente, die die Eigenschaften nicht unerheblich verändern. Hauptlegierungselemente: Kupfer (Cu) Silizium (Si) Magnesium (Mg) Zink (Zn) Mangan (Mn) Nebenlegierungselemente bzw. Verunreinigungen: Eisen (Fe) Chrom (Cr) Titan (Ti) Für Sonderlegierungen: Nickel, Kobalt, Silber, Lithium, Vanadium, Zirkonium, Zinn, Blei, Wismut Die Legierungselemente bzw. die Verunreinigungen beeinflußen über die Gefügeausbildung die Eigenschaften der Werkstoffe beträchtlich. Seite: 3

4 3. Grundlagen des WIG-Orbitalschweißens nach dem Gleichstromverfahren bei negativ gepolter Elektrode 3.1. Allgemeines Das WIG-Minuspolschweißen von Al-Werkstoffen unter Helium eignet sich hervorragend für eine Mechanisierung des Schweißprozesses. Dabei kommen die Vorteile einer relativ hohen Schweißgeschwindigkeit und der Ausbildung eines schmalen Einbrandprofiles mit steilen Flanken zum Tragen. Es können Wandstärken bis 8 mm im I-Stoß orbital geschweißt werden. Bei Rohrwandstärken über 8 mm bzw. bei Rohren mit relativ großen Toleranzen in Bezug auf Wandstärke und Ovalität ist das Anarbeiten einer Nahtvorbereitung unumgänglich. Im Folgenden wird auszugzweise auf die Rahmenbedingungenen, deren Einhaltung für eine spezifikationsgerechte und reproduzierbare Schweißnahtqualität nach EN, AD-Regelwerk usw. unabdingbar ist, eingegangen Nahtvorbereitung Für das vollmechanisierte WIG-Orbitalschweißen von Aluminiumwerkstoffen werden generell spaltfreie Fugenformen angewendet. Wandstärken bis 8 mm können je nach Legierungstyp des Grundwerkstoffes und den vorliegenden Rohrtoleranzen im I-Stoß verschweißt werden. Werden besondere Anforderungen bezüglich der Nahtüberhöhung gestellt, so kann eine zweite Lage zur Korrektur des Nahtaussehens erforderlich werden. Bei darüber-hinausgehenden Wandstärken kommt eine U-Fuge zur Anwendung. Die Qualität eines normalen Sägeschnittes ist nicht ausreichend für das vollmechanisierte WIG-Orbitalschweißen von Aluminiumwerkstoffen. Die Bearbeitung der Rohrstirnseite für das Schweißen im I-Stoß bzw. der Kontur bei einer U-förmigen Fuge erfolgt am zweckmäßigsten durch Drehen oder mittels Rohrendenfräsen unter Verwendung fettfreier Werkzeuge und Alkohol als Schmiermittel. Durch den Einsatz von Alkohol kann eine Ausbildung von umlaufenden Bearbeitungsriefen wirksam vermieden werden. Umlaufende Bearbeitungsriefen führen zu einem sprunghaften Anstieg der Schweißnaht-porosität. In diesem Fall spricht man auch von einer mechanisch verursachten Porosität. Zum Ausrichten und Fixieren der zu verschweißenden Rohrenden sollten auf jedem Fall Außenspannsysteme eingesetzt werden. Heftschweißungen nach dem Wechselstrom- oder Gleichstromverfahren führen bei ordnungsgemäßer Ausführung nicht zu Problemen in Hinblick auf die Schweißnahtporosität, wobei die Heftstellen jedoch generell als kritische Bereiche anzusehen sind. Seite: 4

5 3.3. Sauberkeitsanforderungen /Schweißhygiene Der Oberflächenzustand der zu schweißenden Nahtfuge hat einen entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Schweißnaht. Mangelnde Sauberkeit bzw. kleinste Nachlässigkeiten führen unweigerlich zu Qualitätseinbussen. Die sich unter atmosphärischen Bedingungen auf Aluminiumwerkstoffen ausbildende natürliche Oxidschicht absorbiert wasserstoffhaltige Gase und Dämpfe. Ferner verbleiben oft Beizrückstände, Öle und Fette nach der mechanischen Bearbeitung, sowie der Schmutz von Transport und Lagerung auf der Oberfläche. Die an den zu verschweißenden Stoß angrenzenden Bereiche müssen frei von jeglichen Verunreinigungen, sowie Öl- und Fettrückständen und absolut trocken sein. Ein Beizen mit anschließender Trocknung unmittelbar vor der Weiterverarbeitung ist notwendig, wenn an die Schweißnahtqualität erhöhte Anforderungen gestellt werden. Das mechanische Entfernen der Oxidschicht im Schweißnahtbereich ist eine unabdingbare Forderung, wenn mit dem WIG-Orbitalschweißen porenarme und oxideinschlußfreie Schweißnähte ausgeführt werden sollen. In Hinblick auf die Mindestsauberkeitsanforderungen besteht kein Unterschied zwischen dem Gleichbzw. Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen. Bei der Wechselstromschweißung sind noch zusätzliche Maßnahmen (Startprogramme zum Aufschmelzen des Werkstoffes, mehrlagiges Schweißen) erforderlich, um die Restporosität auf ein akzeptables Niveau zu senken. Unter Berücksichtigung der vorliegenden Fugenform haben sich folgende Methoden zum Entfernen dieser Oxidschichten in der Praxis bewährt: Für das Schweißen im I-Stoß: Rohrinnenseite: Rohrstirnseite: Rohraußenseite: Schaben Fräsen bzw. Drehen und gegebenenfalls mit einer Spezialfeile für Aluminium abziehen Feilen Diese Reinigung des Schweißnahtbereiches erfolgt unmittelbar vor der Schweißung, da die Neubildung der Oxidschicht unter atmosphärischen Beding-ungen sofort wieder einsetzt. Für das Schweißen mit U-Fuge: Wenn die Fugenkontur, einschließlich Innenbearbeitung, unmittelbar vor dem Schweißen spanend unter Alkoholschmierung angearbeitet wird, kann auf eine zusätzliche mechanische Reinigung mittels Feilen und Schaben verzichtet werden. Seite: 5

6 3.4. Halbzeugtoleranzen Um eine reproduzierbare Wurzelausbildung beim Schweißen im I-Stoß sicherzustellen, ist eine Reduzierung der Rohrtoleranzen bezüglich Wandstärke und Ovalität erforderlich. Dabei muß v.a. die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen berücksichtigt werden. Rohrwanddickentoleranzen von maximal +0,1 mm sind als optimale Voraussetzungen anzusehen, wobei Toleranzen von +0,2 mm noch beherrschbar sind, aber mit Einschränkungen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Wurzeldurchhanges. Ovalitäten größer als 0,4 mm erfordern im Durchmesserbereich von 30 bis 100 mm einen zusätzlichen Vorrichtaufwand Schutzgase Als Schutzgas für das WIG-Orbitalschweißen von Aluminiumwerkstoffen mit dem Gleichstromverfahren und negativ gepolter Elektrode kommt in erster Linie Helium zum Einsatz. Aus den spezifischen Eigenschaften dieses Gases resultieren einige Besonderheiten im Vergleich zur klassischen Stahlschweißung. Da der Lichtbogen unter Helium extrem kurz ist, muß zwingend mit einer lichtbogenspannungsabhängigen Brennerhöhenregulierung gearbeitet werden. Aufgrund der geringeren Dichte des Heliums muß mit einem höheren Gasdurchsatz gearbeitet werden, um in allen auftretenden Schweißpositionen eine sichere Gasabdeckung des Schmelzbades gewährleisten zu können. Je nach eingesetzten Brennertyp ist mit einem realen Gasdurchsatz von 30 bis 60 l/min bei einer Schweißgeschwindigkeit von 200 bis 300 mm/min zu rechnen. Für das Schweißen am rotierenden Bauteil liegen Untersuchungsergebnisse von Schweißversuchen mit einem modifizierten Doppelgasbrenner vor. Helium übernimmt hierbei wieder die Funktion des Schweißgases, welches durch einen zusätzlichen Schutzgasmantel stark gebündelt wird. Damit reduziert sich der Heliumverbrauch auf etwa 10 l/min. Für den Schutzgasmantel wird Argon bei einer Durchflußmenge von 15 l/min verwendet. Das Zünden des Lichtbogens erfolgt generell direkt unter Helium, sodaß auf ein Umschalten des Schutzgases während des Schweißzyklus verzichtet werden kann. Seite: 6

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