SB_17.524NLP

2016
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung des Einflusses
der materialabhängigen
Eigenschaften
von Aluminiumdrahtelektroden
auf die Stabilität
und das Schweißergebnis
bei Schutzgasschweißprozessen

Untersuchung des Einflusses
der materialabhängigen
Eigenschaften von
Aluminiumdrahtelektroden auf
die Stabilität und das
Schweißergebnis bei
Schutzgasschweißprozessen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.524 N
DVS-Nr.: 01.084
RWTH Aachen University Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.524 N / DVS-Nr.: 01.084 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 279
Bestell-Nr.: 170388
ISBN: 978-3-96870-278-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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IV Inhaltsverzeichnis
VI
IV Inhaltsverzeichnis
I Zusammenfassung I
II Ziel der Untersuchungen II
III Wissenschaftliche und Wirtschaftliche Rahmenbedingungen III
IV Inhaltsverzeichnis VI
V Abbildungsverzeichnis IX
VI Tabellenverzeichnis XII
1. Einleitung 13
1.1 Anlass für den Forschungsantrag 13
1.2 Ausgangssituation 13
2. Stand der Technik 15
2.1 Wasserstoffquellen beim Schutzgasschweißen von Aluminium 15
2.2 Die natürliche Oxidschicht auf Aluminium 16
2.3 Empfehlungen zur Verarbeitung und Lagerung von
Aluminiumzusatzwerkstoffen 17
2.4 Charakterisierung von (Aluminium-)Drahtzusatzwerkstoffen 17
2.5 Messmethoden zur Quantifizierung der (natürlichen) Aluminiumoxidschicht 18
2.6 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) an Aluminium 18
3. Methodischer Ansatz 21
3.1 Vorversuche 21
3.2 Langzeit-Auslagerungsversuche 21
4. Untersuchungsmethoden und Versuchsaufbau 24
4.1 Versuchswerkstoffe 24
4.1.1 Grundwerkstoff und Probengeometrie 24
4.1.2 Zusatzwerkstoffe und Lieferform 24
4.2 Klimata für die Auslagerungen 25
4.3 Grundwerkstoffhalterung für Schweißversuche 26
4.4 Schweißanlage 27
4.4.1 Prozessparameter 28
4.5 Methoden zur Bewertung der Auftragraupen 29
4.5.1 Strom- und Spannungsmessung 29
4.5.2 Tropfenablösefrequenz 29
4.5.3 Sichtprüfung 29
4.5.4 Röntgenoptische Bewertung 29
4.5.5 Mikroskopische Bewertung 30
4.5.6 Bewertung mittels Rasterelektronenmikroskop 30
4.6 Rückstandsanalyse 30

IV Inhaltsverzeichnis
VII
4.7 Bestimmung absoluter Wasserstoffmengen 31
4.8 Reibwertuntersuchung 32
4.9 Sprungmaß (Dressur) und Drall 33
4.10 Optische Profilometrie 33
5. Durchführung und Ergebnisse der Vorversuche 35
5.1 Vergleichsversuch Referenzdraht versus kondensierter Draht 35
5.2 Versuche über eine Zeitspanne („Zeitversuch“) 44
5.3 Generierung eines neuen Schweißprozess-Standardparameters 50
6. Durchführung und Ergebnisse der Langzeit-Auslagerungsversuche 53
6.1 Veränderungen der Wasserstoffmenge 53
6.2 Veränderung des Sprungmaßes mit der Zeit 54
6.3 Veränderung des Reibwertes mit der Zeit 55
6.4 Veränderung der verdampfbaren Rückstände 57
6.5 Veränderung der Schweißprozessspannungs- und -Stromwerte 58
6.6 Veränderung der Tropfenablösung mit der Zeit 59
6.7 Veränderung der Porenmenge mit der Zeit 60
6.8 Vergleich zwischen Schliffbild, Röntgenaufnahme und Mikrofokus-CT 64
6.9 Oberflächenrauheit an ausgewählten Drahtoberflächen 67
7. Stichversuch Korrelation Wasserstoffmenge und Porenmenge 72
7.1 Wasserstoffmengen und Porenmenge 72
7.2 Änderung der Schweißprozessparameter 76
8. Stichversuch zum Einfluss der Verpackung in kondensierendem Klima 78
9. Untersuchung der Drahtoberflächen mit der elektrochem.
Impedanzspektroskopie (EIS) 80
9.1 EIS - eine kurze Einführung 80
9.2 Prototyp einer Messzelle für drahtförmige Proben 82
9.3 Ablauf der Messung 84
9.4 Ersatzmodell 86
9.5 Messungen und Fits der Referenzdrähte 88
9.6 Messungen und Fits der gealterten Drähte 89
9.7 Wertetabellen der Fits 91
10. Zusammenfassung der Ergebnisse 94
11. Formales 96
12. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen für die Industrie 97
12.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse 97
12.2 Wirtschaftliche Ergebnisse 97
12.3 Gewerbliche Schutzrechte 98

IV Inhaltsverzeichnis
VIII
12.4 Einschätzung zur Realisierbarkeit 98
VII Anhang 100
VIII Literaturverzeichnis 104

1 Einleitung 13
1. Einleitung
1.1 Anlass für den Forschungsantrag
Die schweißtechnische Verarbeitung von Aluminium mit Schutzgasschweißprozessen verursacht
häufig Probleme, wie z.B. Lichtbogeninstabilitäten oder Porenbildung, die dann auf die
Eigenschaften der Drahtelektroden bzw. der Blechoberflächen zurückgeführt werden. Immer
wieder kommt es zu Produktionsstörungen durch nicht nachvollziehbaren Änderungen des
Schweißprozesses, Anlagenstillständen sowie Nacharbeit und Ausschuss. In [DILT02] wurde
bereits der Einfluss der Blechoberflächen untersucht. Es konnte kein praxisrelevanter Einfluss
festgestellt werden. Es ist daher naheliegend, dass auch Veränderungen der Drahtelektroden
zu den sporadisch beobachteten Schwierigkeiten führen. In Abhängigkeit von Lagerdauer und
Lagerbedingungen verändert sich die Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes, was Einfluss
auf den Wasserstoffeintrag in das Schweißgut hat. Des Weiteren verändert sich z.B. aufgrund
von Relaxation das Sprungmaß mit der Zeit.
Dabei ändern sich die Eigenschaften auch über die Abspullänge. Dieses beeinflusst sowohl
die Verarbeitungseigenschaften der Drahtelektroden als auch die metallurgischen Eigenschaften
der damit erstellten Verbindungen. Es finden sich darüber hinaus aber auch auf Erfahrung
basierende Hinweise in der Literatur, die auf die Bedeutung der Lagerung der Drahtelektrode
hinweisen [DILT02, DVS10, DVS94].
Der Zusammenhang zwischen Drahtelektrodeneigenschaften (insbesondere dem Alterungsverhalten)
und dem Schweißergebnis war werkstoffwissenschaftlich bisher nur unzureichend
untersucht. Forschungsergebnisse, die quantitative Aussagen über das Alterungsverhalten
von Aluminiumdrähten mit den Verarbeitungseigenschaften und den Eigenschaften des
Schweißergebnisses korrelieren, lagen bisher nicht vor.
1.2 Ausgangssituation
Der Werkstoff Aluminium und seine Legierungen sind in der heutigen Industrie aufgrund ihrer
guten Eignung für den Leichtbau unverzichtbar. Zusätzlich zeichnet sich Aluminium durch
seine passivierende Oxidschicht aus, die den Werkstoff vor Witterungseinflüssen schützt,
[KAMM02].
Eine der Schlüsseltechnologien für die Herstellung von Bauteilen aus Aluminium ist die Fügetechnik,
die den jeweiligen Anforderungen der Bauteile genügen muss. Das meist eingesetzte
Fügeverfahren ist das Metall-Schutzgasschweißen. Der Schweißer muss hier besondere
Sorgfalt walten lassen, da Aluminiumlegierungen zu Porosität und/oder Heißrissigkeit neigen.
Während die Heißrissigkeit durch die richtige Wahl des Zusatzwerkstoffs und/oder Temperaturbehandlungen
vermieden werden kann, ist der Grad der Porosität abhängig von der Reinheit
der Aluminiumschmelze während des Schweißprozesses.
Die Löslichkeit atomaren Wasserstoffs in der Aluminiumschmelze ist sehr groß, Abbildung 1-1.
Der Wasserstoff dringt in der Regel durch Verunreinigungen der Prozesszone in die Schmelze
ein. Da dieser bei der Erstarrung nicht schnell genug entgasen kann und die Löslichkeit des
Wasserstoffs im erstarrten Aluminium stark abnimmt, kommt es zur Bildung metallurgischer

1 Einleitung 14
Poren, Abbildung 1-2, die im schlimmsten Fall zum Versagen des Bauteils führen. Grundsätzlich
sind die Poren nicht nach außen offen, sodass sich bei der Sichtprüfung der Bauteile keine
Rückschlüsse auf die Porosität ziehen lassen.
Abbildung 1-1: Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium und Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit
der Temperatur [REIS16]
Abbildung 1-2: Wachstum und Loslösung von Gashohlräumen an der Phasengrenzfläche
[DILT05]

2 Stand der Technik 15
2. Stand der Technik
2.1 Wasserstoffquellen beim Schutzgasschweißen von Aluminium
Eine große Problematik beim Schweißen von Aluminiumverbindungen besteht darin, die Fügestelle
möglichst frei von Wasserstoff zu halten. Jede chemische Verbindung dissoziiert im
Lichtbogen, sodass auch atomarer Wasserstoff frei werden kann, der sich in der Aluminiumschmelze
löst. Es sind verschiedene Quellen für das Eindringen von Wasserstoff ins Schweißgut
bekannt, Abbildung 2-1.
Abbildung 2-1: Wasserstoffquellen durch den Schweißprozess [REIS16]
Eine mögliche Wasserstoffquelle kann beispielsweise das Schutzgas sein, welches unrein aus
der Schutzgasdüse strömt, z.B. weil es im Gasführungssystem verunreinigt wurde. Weiterhin
kann es vorkommen, dass das Schutzgas die Schweißstelle nicht vollständig abdeckt und so
Feuchte aus der Umgebungsluft die Schweißung beeinträchtigt.
Die häufigsten Quellen für Wasserstoff sind allerdings die beschriebenen (inhomogenen) Oxidschichten
auf dem Werkstoff, die neben Oxidbestandteilen aus Aluminiumoxid (Al 2O 3) auch
Aluminiumhydroxid aufweisen sowie verschiedene, meist organische Beschichtungsmittel wie
Öle (Kohlenwasserstoff-Verbindungen). Daher wird häufig empfohlen, Aluminiumbleche nur
nach Reinigung und Entfernung der Oxidschicht zu fügen [BRUN05, DVS08a, DVS08b,
GRAV98, KAMM03, OSTE07, REIS16, SCHU04].
In der Vergangenheit sind bereits zu einigen der möglichen Ursachen für Porenbildung Untersuchungen
durchgeführt worden. Das Forschungsprojekt „Einfluss von Gasschläuchen auf die
Feuchte-, Wasserstoff- und Sauerstoffproblematik in Schutzgasschweißprozessen“ befasste