Aushärtbare und nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen

Einleitung

Aluminiumlegierungen werden oft in zwei große Familien eingeteilt:

Nicht aushärtbare Legierungen, die ihre Festigkeit hauptsächlich durch Mischkristallbildung und Kaltverfestigung erlangen, und aushärtbare Legierungen, die durch Ausscheidungshärtung (Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern) an Festigkeit gewinnen.

Aus schweißtechnischer Sicht handelt es sich hierbei nicht um eine theoretische Unterscheidung. Diese Eigenschaften wirken sich direkt darauf aus, wie viel Festigkeit in der Wärmeeinflusszone verloren geht, ob die ursprünglichen Eigenschaften wiederhergestellt werden können, wie man Verbindungen konstruiert und welche Schweißzusätze sinnvoll sind. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Wahl des richtigen Schweißzusatzes für Aluminium.  

Dieser Artikel befasst sich zunächst mit den beiden Produktfamilien und ihrem Verhalten beim MIG/WIG-Aluminiumschweißen.

Übersicht der Legierungsgruppen

Die erste Ziffer der vierstelligen Legierungsbezeichnung gibt Auskunft über das Hauptlegierungselement und liefert einen unmittelbaren Hinweis auf das Verhalten.

Was „aushärtbar“ tatsächlich bedeutet

Bei Aluminium bezieht sich der Begriff „aushärtbar“ speziell auf Legierungen, die durch Ausscheidungshärtung in der Festigkeit gesteigert werden können.

Aushärtbare Legierungen wie die meisten 2xxx-, 6xxx- und 7xxx-Legierungen werden lösungsgeglüht, damit ihre Legierungselemente in feste Lösung gehen, dann abgeschreckt und ausgehärtet, damit sich feine Ausscheidungen bilden. Diese Ausscheidungen blockieren Versetzungen und erhöhen die Festigkeit. Beim Schweißen dieser Legierungen verändert der lokale thermische Zyklus in der Wärmeeinflusszone (WEZ) die Ausscheidungsstruktur, was häufig zu einer Erweichung des Werkstoffs und einer Verringerung der Festigkeit führt.

Nicht aushärtbare Legierungen (1xxx, 3xxx, 4xxx als gewalzte Legierungen, 5xxx) basieren auf Mischkristall- und Kaltverfestigung. Walzen, Umformen und andere Kaltverformungsprozesse steigern die Festigkeit; die Erwärmung beim Schweißen führt tendenziell zu einer Auflösung dieser Kaltverfestigung und versetzt die Wärmeeinflusszone wieder in einen geglühten Zustand.

In beiden Fällen ist die Wärmeeinflusszone am Ende weicher als der ursprünglich festigkeitsgesteigerte Zustand. Der große Unterschied besteht darin, dass aushärtbare Legierungen im Prinzip durch Lösungsglühen und Auslagern ihre Festigkeit wiedererlangen können, während nicht aushärtbare Legierungen mehr Kaltverformung benötigen würden, was bei einer fertigen Konstruktion selten praktikabel ist.

Nicht aushärtbare Legierungen

Nicht aushärtbare Legierungen sind hauptsächlich die Serien 1xxx, 3xxx, 4xxx (im gewalzten Zustand) und 5xxx.

1xxx – Kommerziell reines Aluminium

Diese Sorten entsprechen nahezu reinem Aluminium. Sie weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Leitfähigkeit, aber eine geringe Festigkeit auf. Das Schweißen ist unkompliziert; die Erweichung der Wärmeeinflusszone ist gering, da das Material bereits weich ist. Sie werden typischerweise eher nicht bei Kosntruktionen eingesetzt, bei denen die Festigkeit der Verbindungen von entscheidender Bedeutung ist.

3xxx – Aluminium–Mangan

3xxx-Legierungen gewinnen eine moderate Festigkeit durch Mischkristallbildung und, bei vielen Produkten, durch Kaltverformung. Sie werden in Blechen, Wärmetauschern und allgemeinen Formteilen verwendet. Die Schweißbarkeit ist in der Regel gut; beim Schweißen von Werkstoffen im H-Zustand verliert die WEZ zwar einen Teil der Kaltverfestigung, dies ist jedoch oft akzeptabel.

4xxx – Aluminium–Silizium (im Knetzustand)

Als Knetlegierungen sind 4xxx-Legierungen nicht aushärtbar, werden aber beim Schweißen hauptsächlich als Schweißzusätze wie beispielsweise 4043 und 4047 eingesetzt. Der hohe Siliziumgehalt sorgt für einen niedrigeren Schmelzpunkt und ausgezeichnetes Anfließverhalten, was die Verarbeitung und die Rissbeständigkeit verbessert. Die Festigkeit des Schweißguts ist typischerweise geringer als die von hochfesten 5xxx-Schweißzusätzen, dafür ist die Verarbeitung allerdings leichter.

5xxx – Aluminium–Magnesium

5xxx-Legierungen sind die Arbeitspferde der nicht aushärtbaren Aluminiumsorten, insbesondere im Schiffbau, Transportwesen und schweren Konstruktionen. Magnesium in fester Lösung und Kaltverformung im H-Zustand ergeben eine hohe Festigkeit und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit.

Für das Schweißen sind 5xxx-Legierungen allgemein sehr gut geeignet: MIG und WIG funktionieren beide gut. Wichtig zu beachten ist, dass die Wärmeeinflusszone (WEZ) weicher ist als der kaltverformte Grundwerkstoff, sodass bei der Auslegung der Verbindung Eigenschaften auf WEZ-Niveau berücksichtigt werden müssen, und dass hochmagnesiumhaltige Legierungen bei erhöhten Betriebstemperaturen anfällig für Sensibilisierung und Spannungsrisskorrosion sein können, wenn sie nicht sachgemäß behandelt werden.

Lesen Sie mehr über Vermeidung von Porosität und Rissbildung bei Aluminium. 

Aushärtbare Legierungen

Bei aushärtbaren Legierungen handelt es sich meist um Knetlegierungen der Serien 2xxx, 6xxx und 7xxx.

2xxx – Aluminium–Kupfer

2xxx-Legierungen erreichen hohe Festigkeiten und werden in der Luft- und Raumfahrt häufig eingesetzt, wenn Gewicht und Leistung entscheidend sind. Ihr Kupfergehalt verringert die Korrosionsbeständigkeit und macht sie anfälliger für Heißrisse beim Schweißen. Das Schmelzschweißen ist in einigen Fällen möglich, wird aber in der Regel mit Vorsicht durchgeführt, und es ist mit einem Festigkeitsverlust in der Schweißzone zu rechnen, sofern keine vollständige Wärmenachbehandlung erfolgt.

6xxx – Aluminium–Magnesium–Silizium

Legierungen der 6xxx-Serie wie 6061 und 6082 sind äußerst verbreitet für Strukturprofile, Rahmen, Fahrzeugkarosserien und allgemeine Konstruktionen. Die Festigkeit resultiert aus Mg₂Si-Ausscheidungen nach der Lösungsglühung und der anschließenden Alterung.

Für das Schweißen gelten Legierungen der Serie 6xxx im Allgemeinen als schweißbar. Das Schlüsselproblem ist die Entfestigung der Wärmeeinflusszone: Bei einem T6-Zustand kann die Festigkeit der Wärmeeinflusszone deutlich abnehmen, und diese weichere Zone bestimmt fast immer die zulässige mechanische Belastung. Bei kleineren Konstruktionen kann durch eine Wärmenachbehandlung ein Großteil der ursprünglichen Festigkeit wiederhergestellt werden, bei großen Konstruktionen ist dies jedoch oft nicht praktikabel.

7xxx – Aluminium–Zink–Magnesium (± Kupfer)

Die Legierungen der Serie 7xxx decken den Bereich der sehr hochfesten Aluminiumwerkstoffe ab. Viele der klassischen 7xxx-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt sind mit herkömmlichen Schmelzverfahren schwer oder gar nicht zu schweißen, da sie rissempfindlich sind und im Schweißbereich an Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verlieren.

Es gibt spezielle schweißbare 7xxx-Varianten mit modifizierter chemischer Zusammensetzung, die jedoch sorgfältige Verfahren und realistische Erwartungen hinsichtlich der Festigkeit im Schweißzustand erfordern. In vielen Fällen entscheiden sich Konstrukteure beim Verbinden von 7xxx-Teilen für mechanische Verbindungstechniken oder Prozesse, die ohne Aufschmelzen auskommen, wie das Rührreibschweißen anstelle des herkömmlichen MIG/WIG-Schweißens.

Schweißverhalten in der Wärmeeinflusszone

Die Wärmeeinflusszone ist der entscheidende Bereich aus konstruktiver Sicht.

Bei nicht aushärtbaren Legierungen führt das Schweißen lokal zum Abbau der Kaltverfestigung und kann den Mischkristallzustand geringfügig verändern. Das Ergebnis ist ein aufgeweichter Streifen auf beiden Seiten der Schweißnaht. Bei H-Zuständen der Serie 5xxx ist beispielsweise die Bruchfestigkeit der Wärmeeinflusszone deutlich geringer als die des Grundwerkstoffs im Walzzustand. Die Berechnungen für die Verbindung sollten daher auf den Eigenschaften der Wärmeeinflusszone basieren und nicht auf der im Anlieferzustand angegebenen Festigkeit des ursprünglichen H-Zustands.

Bei aushärtbaren Legierungen stört das Schweißen die ausscheidungsgehärtete Struktur. Je nach Temperatur und Zeit kann die Wärmeeinflusszone überaltern oder sich sogar lokal wieder auflösen und dann durch Luftkühlung in einen viel weicheren Zustand übergehen. Bei 6xxx T6-Legierungen kann dies die Wärmeeinflusszone in Richtung der Festigkeit vom Typ T4 oder O senken. Ohne eine vollständige Wärmenachbehandlung bleibt die Wärmeeinflusszone (WEZ) die Schwachstelle.

Bei hochfesten Legierungen der Serien 2xxx und 7xxx führt die Kombination aus Entfestigung, möglicher Rissbildung und Korrosionsempfindlichkeit dazu, dass das Schweißen nur dann gerechtfertigt ist, wenn die zulässigen Spannungen reduziert werden und die Einsatzbedingungen gut bekannt sind.

Überlegungen zum Schweißzusatz

Bei der Wahl des Schweißzusatzes treffen werkstofftechnische Theorie und praktische Abwägungen aufeinander. Die Kategorie der Basislegierung (aushärtbar vs. nicht aushärtbar) ist einer der wichtigsten Fragen.

Bei 5xxx-Basislegierungen werden üblicherweise 5xxx-Schweißzusätze wie 5356, 5183 oder 5556 verwendet. Diese gewährleisten ein gutes Korrosionsverhalten und eine angemessene Festigkeit, insbesondere bei Anwendungen im maritimen und konstruktiven Bereich. Der Magnesiumgehalt des Schweißzusatzes und die Servicetemperatur müssen im Hinblick auf Sensibilisierungsrisiken überprüft werden.

Bei Basislegierungen der Serie 6xxx werden typischerweise 4xxx- oder 5xxx-Schweißzusätze verwendet. 4043 (AlSi) bietet ein ausgezeichnetes Anfließverhalten und eine geringere Rissempfindlichkeit, allerdings mit einer etwas geringeren Schweißgutfestigkeit. 5356 (AlMg) bietet in einigen Fällen eine höhere Festigkeit im Schweißzustand und eine bessere Farbanpassung oder Anodisierung, kann aber ein anderes Riss- und Korrosionsverhalten aufweisen. Die Wahl spiegelt in der Regel wider, was wichtiger ist: Rissbeständigkeit und Anfließverhalten bzw. Festigkeit und Aussehen.

Die Basislegierungen der Serien 1xxx und 3xxx sind im Allgemeinen tolerant und können je nach Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Servicebedingungen mit passenden Schweißzusätzen der Serien 4xxx oder 5xxx verarbeitet werden.

2xxx- und 7xxx-Basislegierungen erfordern deutlich mehr Wartung. Beim Schweißen werden häufig 4xxx- oder 5xxx-Schweißzusätze verwendet, die eher auf Rissbeständigkeit und akzeptables Korrosionsverhalten als auf die Festigkeit des Grundwerkstoffs abgestimmt sind. In vielen Anwendungen wird der Schweißbereich bewusst in weniger beanspruchte Bereiche gelegt, oder das Schweißen ganz vermieden.

Bei Mischverbindungen (z. B. 5xxx an 6xxx) orientiert sich die Auswahl des Schweißzusatzs oft an den anspruchsvolleren Eigenschaften der Kombination – in der Regel Korrosionsbeständigkeit und Rissbeständigkeit – und stützt sich dabei auf eine formale Tabelle zur Schweißzusatzauswahl oder eine technische Leitfäden.

Praktische Auswahlübersicht

Dies ist eher eine kurze gedankliche Übersicht als ein genaues Verfahren, aber sie hilft dabei, den Rahmen zu setzen, wie die Aushärtbarkeit die Entscheidungen beeinflusst:

Schlüsselerkenntnisse

Die Unterscheidung zwischen aushärtbar und nicht aushärtbar ist nicht nur eine Frage der Werkstofftechnik. Sie ist ein einfacher Indikator dafür, wie sich die Wärmeeinflusszone (WEZ) beim Schweißen entfestigt, ob die Festigkeit durch eine Wärmenachbehandlung wiederhergestellt werden kann, wie konservativ man bei den Auslegungsbelastungen der Schweißverbindung vorgehen sollte und welche Schweißzusätze in Frage kommen.

Bei nicht aushärtbaren 5xxx-Legierungen ist mit einer ausgezeichneten Schweißbarkeit zu rechnen, allerdings muss man in Kauf nehmen, dass die Festigkeit der Wärmeeinflusszone geringer ist als die des ursprünglichen Wärmebehandlungszustands. Bei Legierungen der Serie 6xxx ist mit schweißbaren Strukturen zu rechnen, bei denen die Wärmeeinflusszone (WEZ) den bestimmenden Bereich darstellt. Richten Sie Ihre Konstruktion danach aus. Bei exotischeren Legierungen der Serien 2xxx und 7xxx ist das Schweißen oft mit erheblichen Kompromissen verbunden oder wird zugunsten alternativer Fügeverfahren vermieden.

Bei den robustesten Strategien zum Aluminiumschweißen werden die Legierungsfamilie, der Schweißzusatz, das Verfahren (MIG/WIG) und die Wärmeeinbringung als ein zusammenhängendes System betrachtet, anstatt als vier unabhängige Stellschrauben.

Häufig gestellte Fragen

Gibt es eine schnelle Methode, um festzustellen, ob eine Legierung aushärtbar ist?

Ja. Als Faustregel gilt: Knetlegierungen der Serien 2xxx, 6xxx und die meisten 7xxx sind aushärtbar. Die Knetlegierungen 1xxx, 3xxx, 4xxx (als Knetlegierung) und 5xxx sind nicht aushärtbar. Die Bezeichnung des Wärmebehandlungszustands (T vs. H) gibt auch einen Hinweis darauf, ob die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung oder Kaltverfestigung erzielt wird.

Warum weisen Schweißverbindungen aus 6061-T6 so viel geringere Festigkeit auf als der Grundwerkstoff?

Weil der T6-Zustand in der Wärmeeinflusszone durch den Wärmeeinflusszyklus beim Schweißen gestört wurde. Die erweichte Wärmeeinflusszone verhält sich eher wie ein Zustand vom Typ T4 oder O, und diese Region bestimmt die Festigkeit der Verbindung.

Sind nicht aushärtbare Legierungen immer leichter zu schweißen?

Nicht immer, aber viele 5xxx- und 3xxx-Legierungen sind sehr fehlertolerant. Auch in der Wärmeeinflusszone erweichen sie noch, und bei hochmagnesiumhaltigen 5xxx-Sorten müssen die Grenzwerte für die Betriebstemperatur eingehalten werden, um eine Sensibilisierung zu vermeiden.

Kann ich mich bei aushärtbaren Legierungen darauf verlassen, dass eine Wärmenachbehandlung alle Probleme löst?

Nur wenn die gesamte Struktur unter kontrollierten Bedingungen lösungsgeglüht, abgeschreckt und ausgehärtet werden kann. Bei großen oder zusammengesetzten Konstruktionen ist das oft nicht praktikabel, daher werden die Festigkeiten in den Schweißbereichen bewusst niedriger ausgelegt.

Wie gehe ich bei der Auswahl von Schweißzusätzen vor, wenn ich mir unsicher bin?

Beginnen Sie mit einem zuverlässigen technischen Leitfaden für Aluminium oder einer Tabelle zur Auswahl von Schweißzusätzen und legen Sie Ihre Prioritäten fest: Zuerst die Schweißnahtqualität und Rissbeständigkeit, dann das Korrosionsverhalten, dann die Festigkeit und das Aussehen. Im Zweifelsfall sollten Sie die genaue Legierungskombination und die Betriebsbedingungen mit Ihrem Schweißzusatzlieferanten oder Schweißfachingenieur besprechen, bevor Sie eine Schweißanweisung (WPS) festlegen.

Sprechen Sie mit ESAB 

Ob Sie ein neues Aluminiumprojekt starten oder eine bestehende Anlage modernisieren möchten, die Spezialisten von ESAB helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Verfahrens, des richtigen Brennersystems und der richtigen Schweißzusätze – von manuellen bis hin zu vollautomatisierten und robotergestützten Lösungen.

Entdecken Sie Aluminiumlösungen

Manuelle MIG-Lösungen für Aluminium

• Warrior Edge 500 DX – Aluminium-geeignete MIG-/Impuls-MIG-Stromquelle
• RobustFeed Edge DX – stabiler Aluminiumdrahtförderer 
• PP 350W Inline-Push-Pull-Brenner – Aluminium-Push-Pull-Brenner für lange Schlauchpakete
• Exeor MIG 4.0W² – wassergekühlter, leistungsstarker manueller MIG-Brenner
• OK Autrod Aluminium-Schweißdrähte + passende Liner, Vorschubrollen, Stromkontaktrohre

Roboter- und automatisierte Aluminiumlösungen

• Aristo Edge 500R – Roboter-fähige Aluminium-MIG-/Impuls-MIG-Stromquelle
• RoboFeed Edge – kompakter Aluminium-Drahtvorschub für Robotersysteme
• Aristo RT Push-Pull Roboterbrenner / Roboter-Aluminium-Brenner
• Integrierte Aluminium-MIG-Zellen mit digitaler Überwachung und Unterstützung