Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 2. Teil

Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 2. Teil 

Kupfer ist ein Werkstoff, den der Mensch schon seit vielen Jahrtausenden nutzt. Wurde Kupfer anfangs wegen seiner guten Umformbarkeit und seiner typischen Farbe in erster Linie als Gebrauchsmetall verwendet, rückten im Zuge der Industrialisierung andere Merkmale in den Vordergrund.

Die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Beständigkeit gegenüber chemischen und atmosphärischen Einflüssen oder die Fähigkeit, Legierungen mit anderen Metallen zu bilden, sind Beispiele dafür.

Kupferwerkstoffe lassen sich insgesamt gut schweißen. Wie bei allen Werkstoffen müssen aber auch beim Schweißen von Kupfer ein paar Dinge beachtet werden. In einem ausführlichen Ratgeber gehen wir dem Schweißen von Kupfer auf den Grund. Dabei ging es im 1. Teil des Ratgebers um die werkstofftechnischen Grundlagen.

Jetzt, im 2. Teil, geht es mit den Schweißverfahren weiter: 

 

Grundlegendes zum Schweißen von Kupfer

Kupferwerkstoffe können mit vielen verschiedenen Schweißverfahren gefügt werden. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupferwerkstoffen ist es aber ratsam, entweder Schweißverfahren mit einer hohen Energiedichte anzuwenden oder die Werkstücke vorzuwärmen. Die Höhe der Vorwärmtemperatur hängt dabei von der Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffs und der Größe des Bauteils ab.

Um saubere und fehlerfreie Schweißnähte sicherzustellen, können bei konventionellen Schmelzschweißverfahren Flussmittel eingesetzt werden. Sie schützen gleichzeitig auch die Wurzelseite. Die Flussmittel werden vor dem Schweißvorgang auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Hier lösen sie im Zuge der Erwärmung einerseits vorhandene Oxidschichten und verhindern andererseits, dass sich neue Oxidschichten bilden.

Die meisten Flussmittel sind pastös und bestehen aus Verbindungen mit Bor, angereichert durch oxidlösende Metallsalze. Werden Kupferbleche mit einer Stärke von mehr als zehn Millimetern geschweißt oder werden mehrlagige Schweißungen durchgeführt, ist es ratsam, auf die Zusatzwerkstoffe ebenfalls eine dünne Schicht Flussmittel aufzutragen.

Die reinigende Wirkung der Flussmittel kann durch den Lichtbogen verstärkt, teilweise sogar ersetzt werden. Beim Schweißen von aluminiumhaltigen Kupferlegierungen beispielsweise kann die Oberfläche von Aluminium-Oxidschichten befreit werden, indem die Elektrode an den Pluspol angelegt wird.

Die hohe Geschwindigkeit, mit der die Elektronen auftreffen, führt aber zu einer starken thermischen Belastung der Elektrode. Aus diesem Grund wird üblicherweise mit Wechselstrom gearbeitet. Die negativen Stromanteile senken dann die thermische Belastung, während in den positiven Phasen die beabsichtigte Reinigungswirkung eintritt.

 

Das Gasschweißen von Kupfer

Beim Gasschweißen wird der Schmelzfluss dadurch ausgelöst, dass eine Flamme aus Sauerstoff und Acetylen als Brenngas direkt und örtlich begrenzt einwirkt. Anders als beim Schweißen von Stahlwerkstoffen ist einem Schweißen von Kupferwerkstoffen aber eine höhere Wärmeeinbringung notwendig.

Aus diesem Grund kommt eine größere Düse zum Einsatz. Die Schweißwärme und die Zusatzwerkstoffe werden getrennt voneinander zugeführt. Um einem Bauteilverzug entgegenzuwirken und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit zu steigern, lassen sich bei Bauteilen mit einer Wandstärke ab fünf Millimetern Stumpfnähte durch beidseitiges Schweißen in steigender Position umsetzen. 

Je nach Blechstärke und Leitfähigkeit muss der jeweilige Kupferwerkstoff auf Temperaturen zwischen 300 und 600 Grad Celsius vorgewärmt werden. Die Flussmittel werden meist auf die Nahtfugen und auf die Schweißstäbe aufgebracht. Als Alternative können aber auch Schweißzusätze mit einer Ummantelung oder einer Füllung aus Flussmitteln eingesetzt werden. 

Das Gasschweißen kommt mit einer einfachen und kostengünstigen Gerätetechnik aus und erfordert keine besondere Stromversorgung. Andererseits lässt sich das Gasschweißen nur bedingt mechanisieren und automatisieren. Die geringe Energiedichte bringt es mit sich, dass der Fertigungsaufwand recht hoch ist und die Fertigung vergleichweise lange dauert. Welche Güte die Schweißnaht aufweist, wird stark von den Fertigkeiten des Schweißers beeinflusst.

Um die Festigkeit der Schweißnaht, die geringer ist als die Festigkeit des Grundwerkstoffs, zu verbessern, können die einzelnen Nahtabschnitte in der Rotwärme bei über 700 Grad Celsius hammervergütet werden. Dabei wandelt sich das Gussgefüge der Schweißnaht in ein feinkörnigeres Gefüge um. Gleichzeitig wird so aber ein weiterer Arbeitsschritt notwendig. Insgesamt spielt das Gasschweißen bei Kupferwerkstoffen deshalb heute keine große Rolle mehr. Es kommt hauptsächlich noch bei manuellen Reparaturen zum Einsatz.

 

Das Lichtbogenhandschweißen von Kupfer

Das Lichtbogenhandschweißen verwendet eine abschmelzende Stabelektrode, die meist positiv gepolt ist und von Hand zugeführt wird. Wenn das Werkstück mit der Elektrode berührt wird, kommt es zu einem Kurzschluss, der den Lichtbogen zündet. Dabei sollte der Lichtbogen beim Schweißen weich und energiearm eingestellt sein.

Die niedrige Schweißtemperatur bringt es mit sich, dass eine geringe Wärmeabgabe ausreicht, damit das Schweißgut erstarrt. Die Umhüllung der Stabelektrode verursacht beim Abschmelzen Gase und Schlacken. Diese schützen sowohl das Schmelzbad als auch den Lichtbogen vor atmosphärischen Einflüssen.  

Je nach Leitfähigkeit muss der verwendete Kupferwerkstoff auf bis zu 500 Grad Celsius vorgewärmt werden. Denn die Strombelastbarkeit der Elektrode ist begrenzt und so reicht die Wärmeleistung meist nicht aus, um den Kupferwerkstoff ausreichend aufzuschmelzen. Außerdem müssen beim Lichtbogenhandschweißen von Kupferwerkstoffen immer Flussmittel eingesetzt werden.

Sie können aber bereits in der Stabelektrode enthalten sein. Das Lichtbogenhandschweißen beschränkt sich in der Praxis auf wenige Anwendungsbereiche. Hierzu gehören beispielsweise Instandsetzungsschweißungen und Reparaturarbeiten.

 

Das Schutzgasschweißen von Kupfer

Mit Ausnahme vom Elektronikbereich sind das WIG– und das MIG-Schweißen die Schutzgasschweißverfahren, die beim Fügen von Kupferwerkstoffen die größte Rolle spielen und am häufigsten angewendet werden. Unter dem Oberbegriff Schutzgasschweißen werden alle Lichtbogenschweißverfahren zusammengefasst, bei denen ein Schutzgas den Lichtbogen, die Elektrode und das Schmelzbad gegen die Atmosphäre abschirmt.

Um zu verhindern, dass das Schmelzbad mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagiert, werden inerte Schutzgase eingesetzt. Dabei hat das Schutzgas großen Einfluss auf den Schweißvorgang. Verglichen mit Argon, bringt beispielsweise Helium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit mit.

Damit die erforderliche Ionisierungsenergie sichergestellt ist, muss die Lichtbogenspannung deshalb höher sein. Anders als beim Schweißen mit reinem Argon ist das Schmelzbad heißer und hat eine geringere Viskosität. Der Einbrand ist tiefer und gleichmäßiger. Außerdem führt die veränderte Schmelzbadbewegung dazu, dass die Gase besser entweichen können.

In der Folge neigen die Schweißnähte weniger zur Porenbildung. Weitere Pluspunkte von Helium sind, dass die Vorwärmung reduziert und die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden kann. Allerdings ist Helium vergleichsweise teuer. Aus diesem Grund wird meist mit Gasgemischen aus Argon und Helium gearbeitet.

Die verwendeten Schweißzusätze lassen im Zusammenspiel mit der Legierungszusammensetzung und der Homogenität des Schweißguts Verbindungen entstehen, die die gleichen oder sogar höhere Festigkeiten haben als weich geglühtes Kupfer. Die Schweißnähte sind beim WIG-Schweißen qualitativ hochwertiger und porenärmer. Dafür ermöglicht das MIG-Schweißen höhere Schweißgeschwindigkeiten, weil mehr Wärme eingebracht wird.

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