HBS Bolzenschweiss-Systeme GmbH & Co. KG

Gründliche Oberflächenvorbereitung

Um optimale Schweißergebnisse zu erzielen, sollten die Werkstückoberflächen blank, trocken und frei von schweißungeeigneten Schichten sein. Tiefziehmittel, Staub und Öl können das Resultat ebenso nachteilig beeinflussen wie Fingerabdrücke. Auch Lackierungen sowie Eloxierungen bzw. Anodisierungen beeinträchtigen die Schweißung in hohem Maße und verhindern zum Teil sogar die Zündung des Lichtbogens. Zu erkennen ist eine unsaubere Oberfläche an einem schwarzen Hof um den geschweißten Bolzen herum. Grundsätzlich gilt: Je schneller ein Schweißprozess abläuft, desto sorgfältiger muss das Werkstück gereinigt werden.

Die größte Herausforderung beim Schweißen von Aluminium ist die natürliche Oxidschicht, die sich unter Einfluss von Sauerstoff bildet. Oxide in der Schweißzone können zur Festigkeitsminderung und damit zur Bruchgefahr führen sowie das Risiko für Bindefehler und die sogenannte Blaswirkung erhöhen. Bei Letzterer handelt es sich um einen Effekt, der entsteht, wenn der Lichtbogen aufgrund von Dichteänderungen des magnetischen Eigenfeldes abgelenkt wird. Mögliche Folgen sind ein unsymmetrisches Anschmelzen bzw. ein ungünstiger Einbrand und Schweißfehler wie eine vermehrte Porenbildung, qualitätsmindernde Einbrandkerben und eine gestörte Ausbildung der Nahtoberfläche.

Um die Oxidschicht abzutragen, bieten sich sowohl mechanische Verfahren wie die Oberflächenaufrauung der Schweißstelle durch spanende Bearbeitung als auch chemische Behandlungen an. Negativ auswirken können manuelles Schleifen und das Verwenden ungeeigneter Schleifmittel. Beides kann Riefen in der Oberfläche der Oxidschicht hinterlassen und das Entfernen von Verunreinigungen erschweren. Kommen andere Verfahren nicht infrage, ist es besser, die Oxidschicht auf dem Werkstück zu belassen.

Während des Schweißens von Aluminium bildet sich rings um den angeschweißten Bolzen ein weißer Schweißnebel. Um streunende Resultate zu vermeiden, sollte dieser entfernt werden, bevor im selben Bereich ein weiterer Bolzen geschweißt wird.

Optimale Schweiß- und Randbedingungen

Das Tragverhalten von Aluminiumbolzenschweißungen wird in erster Linie durch Porosität und Bindefehler beeinträchtigt. Um diese zu vermeiden, bedarf es neben der gründlichen Oberflächenvorbereitung einer exakten Abstimmung verschiedener Schweiß- und Randbedingungen. Einerseits muss die Schweißenergie zum Bolzendurchmesser, zur Blechdicke und zum Schweißverfahren passen. Andererseits ist eine hohe Eintauchgeschwindigkeit erforderlich, um ein kaltes Eintauchen zu vermeiden.

Auch der Umgang mit den Schweißelementen beeinflusst die Qualität des Schweißergebnisses. Um Oxidation an den Bolzen zu verhindern und saubere Bolzenstirnflächen sowie einwandfreie Kontaktbedingungen zu gewährleisten, ist eine trockene Lagerung unabdingbar. Verpackte Bolzen sollten erst unmittelbar vor dem Verschweißen geöffnet und nicht genutzte Bolzen wieder luftdicht verpackt werden. Das Überschreiten der maximalen Lagerdauer ist ebenso zu vermeiden wie das Vermischen verschiedener Chargen.

Das richtige Bolzenschweißverfahren

Bei Blechdicken von 1 bis 4 Millimetern kommt vorwiegend das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung zur Anwendung, beispielsweise im allgemeinen Metallbau, in der Haushaltsgerätetechnik, im Geräte-, Gehäuse- und Schaltschrankbau sowie beim Fenster- und Fassadenbau.

Durch die sehr kurze Schweißzeit von 1 bis 3 Millisekunden ist der Wärmeeintrag im Werkstück sehr gering. Die Schmelzzone ist mit maximal 0,5 Millimetern sehr flach. Folglich entstehen durch das Schweißen in aller Regel keine Spuren auf der Bauteilrückseite. Aufgrund der Prozesscharakteristik kann auf ein Schutzgas verzichtet werden.

Zum Schweißen von Aluminiumbolzen empfiehlt sich insbesondere die Spitzenzündung im Spaltverfahren, da sich mit dieser kürzere Schweißzeiten und höhere Eintauchgeschwindigkeiten realisieren lassen. Grundsätzlich eignen sich Bolzendurchmesser von M3 bis M6. 

Beim Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzündung ist das Kurzzeit-Bolzenschweißen unter Schutzgasabdeckung das Verfahren der ersten Wahl. Dieses bietet mit kurzen Schweißzeiten, geringer thermischer Bauteilbelastung und hoher Prozesssicherheit ähnliche Vorteile wie das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung und zeichnet sich überdies durch eine hervorragende Automatisierbarkeit aus.

Um eine Beeinträchtigung des Tragverhaltens der Schweißverbindung durch Makroporen oder ein ungenügendes Schmelzverhalten zu vermeiden, ist ein ausreichender Gasschutz unverzichtbar. Dafür eignen sich besonders gut Schutzgase wie Argon und Helium sowie deren Gemische.

Beim Aluminium-Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzündung ist die geeignete Polung von Bedeutung. Bei geringen Blechdicken bis circa 2 Millimeter lassen sich mit negativ gepolten Bolzen bessere Ergebnisse erzielen, während bei größeren Blechdicken oder Bolzendurchmessern positiv gepolte Bolzen Vorteile bieten.

Gleichstrom oder Wechselstrom?

Stromquellen mit Gleichstrom haben sich unter anderem im Metallbau, im Fahrzeug- und Schiffbau, im Fenster-, Türen- und Fassadenbau und beim Schweißen dünner Bleche etabliert. Dank der Möglichkeit der Umpolung in Kombination mit einer auf die Applikation abgestimmten Parametrierung sind die gewünschten Qualitätsanforderungen vergleichsweise einfach zu erzielen.

Inverter mit Wechselstrom kommen schon seit Jahren beim Schweißen von Automobilteilen wie Trägern oder Karosserien erfolgreich zum Einsatz. Auch hier ist ein Polaritätswechsel möglich. Mit diesem und einer auf den jeweiligen Bolzen abgestimmten Programmierung lassen sich die speziellen Anforderungen des Automobilbaus an hochwertige Schweißverbindungen für marktspezifische Sonderbolzen erfüllen.

Für jedes Einsatzfeld das richtige Schweißelement

Für das Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium im Spitzenzündungsverfahren sind die Bolzen in der DIN EN ISO 13918 technisch spezifiziert. Die Hubzündung bzw. Kurzzeit-Hubzündung unterliegt hingegen keiner internationalen Normung. Im Automobilbau wird das Lichtbogenschweißen von Aluminiumbolzen über Werksnormen definiert. Meist werden die hierfür verwendeten Bolzen aufgrund der hohen Festigkeitsanforderungen aus AlMg5 gefertigt. Im Schiffbau gelten ähnliche Lösungen.

Qualitätssicherung nicht zerstörungsfrei realisierbar

Beim Bolzenschweißen ist es nicht möglich, das Schweißergebnis mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren vollständig zu bewerten. Deshalb erfolgt die Qualitätssicherung über definierte Stichprobenprüfungen.

Zur Beurteilung der Qualitätsanforderungen lässt sich grundsätzlich in allen Bereichen die DIN EN ISO 14555 nutzen. In dieser werden sowohl Bolzenschweißprozesse, Werkstoffe und Parameter als auch zulässige Prüf- und Qualitätsmerkmale von Bolzenschweißungen beschrieben. Weitere Hinweise zu Qualitätskriterien finden sich in der DIN EN 1999-1-1/NA sowie in herstellerspezifischen technischen Regeln bzw. Normen im Automobilbau.

Das Lichtbogen-Bolzenschweißen von Aluminium eignet sich für jeden aluminiumverarbeitenden Metallbaubetrieb. Wichtig ist jedoch, dass die Bediener nicht nur eine gewisse Handfertigkeit mitbringen, sondern auch Kenntnisse zu schweißtechnischen Zusammenhängen. Nur so können sie Änderungen beurteilen und bei Bedarf Gegenmaßnahmen einleiten, um die Fügequalität der Schweißverbindung sicherzustellen.