Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 1. Teil

Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 1. Teil 

Insgesamt lassen sich Kupferwerkstoffe gut schweißen. Allerdings müssen dabei ein paar Punkte beachtet werden. Welche das sind, erklärt dieser mehrteilige Ratgeber.

 

Kupfer weist eine Reihe von besonderen Eigenschaften auf. Da dies der Mensch schon sehr früh erkannt hat, wird Kupfer bereits seit tausenden von Jahren verwendet. So lässt sich Kupfer beispielsweise sehr gut umformen und kennzeichnet sich zudem durch seine typische Farbe. Dadurch wurde der Werkstoff zu einem der ersten Gebrauchsmetalle.

Im Zuge der Industrialisierung gewannen dann noch andere Merkmale an Bedeutung. Hierzu gehört beispielsweise die hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit oder die Beständigkeit gegenüber atmosphärischen und teils auch chemischen Einflüssen. Weil Kupfer außerdem Legierungen mit vielen anderen Metallen bilden kann, ist es möglich, auf Eigenschaften wie die Härte, die Zugfestigkeit, die Dehngrenze oder den Verschleißwiderstand Einfluss zu nehmen.

Die meisten Kupferwerkstoffe lassen sich durch Schweißverfahren gut fügen. Voraussetzung ist aber natürlich, dass die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs berücksichtigt und das Schweißverfahren, die Schweißzusätze und die Arbeitsschritte bei der Verarbeitung passend gewählt werden.

In einem ausführlichen Ratgeber zum Schweißen von Kupfer beschäftigen wir uns mit dieser Thematik.

Dabei dreht sich dieser 1. Teil um die Grundlagen
aus werkstofftechnischer Sicht:

 

Die Eigenschaften von Kupfer

Kupfer gehört zu den Nichteisen-Metallen. Seine Dichte liegt bei 8,9 kg/dm3. Die kubischflächenzentrierte Gitterstruktur, kurz Kfz-Gitterstruktur, verleiht dem Werkstoff eine hervorragende Tieftemperaturzähigkeit und eine sehr gute Kaltverformbarkeit. Wird Kupfer in kaltem Zustand umgeformt, erhöht sich seine Festigkeit.

Weitere besondere Eigenschaften von Kupfer sind seine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Außerdem zeigt sich Kupfer korrosionsbeständig gegenüber vielen Materialien. Kupferwerkstoffe werden

·         auf Basis des Behandlungszustands in ausscheidungshärtende und kaltverfestigte Werkstoffe und

·         auf Basis der Werkstoffzusammensetzung in einphasige und mehrphasige Werkstoffe

unterschieden. Anders als bei Stahl führt das Schweißen bei Kupferwerkstoffen meist nicht zu Gitterumwandlungen. Um wichtige werkstofftechnische Eigenschaften zu verbessern, werden häufig Legierungen aus Kupfer und Elementen wie Eisen, Aluminium, Nickel, Chrom oder Zink gebildet.

 

Die schweißtechnisch relevanten Eigenschaften von Kupferwerkstoffen

Grundsätzlich lassen sich Kupferwerkstoffe ebenso gut schweißen wie Stähle. Allerdings neigt Kupfer, wie alle Nichteisen-Metalle, dazu, beim Schweißvorgang atmosphärische Gase aufzunehmen. Dies kann die Schweißnaht beeinträchtigen. Aus diesem Grund müssen alle Bereiche, die beim Schweißen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, durch inerte Gase, Beschichtungen oder andere geeignete Maßnahmen vor dem Zutritt von Luft geschützt werden.

Zwei weitere Faktoren, die beim Schweißen von Kupfer eine große Rolle spielen, sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung des Werkstoffs. So ist bei Kupfer

·         die Wärmeleitfähigkeit bei Zimmertemperatur 6-mal und bei einer Temperatur von 1000 Grad Celsius 15-mal höher,

·         die Wärmedehnung 1,4-mal größer und

·         die Schrumpfung beim Erstarren ungefähr doppelt so groß

wie bei unlegiertem Stahl. Die hohe Wärmeleitfähigkeit hat zur Folge, dass ein großer Teil der eingebrachten Schweißenergie in den Grundwerkstoff abgeleitet wird. Dadurch steht diese Energie nicht mehr zur Verfügung, um den Grundwerkstoff aufzuschmelzen.

Deshalb muss die Wärme konzentriert eingebracht oder das Bauteil vorgewärmt werden. Andernfalls lässt sich der Schmelzfluss nicht erzeugen und aufrechterhalten. Wird Kupfer erwärmt, dehnt sich der Werkstoff aber aus und verformt sich entsprechend. Beim Erstarren wiederum schrumpft Kupfer gefügebedingt.

 

Die Metallurgie des Schweißens

Unlegiertes Kupfer ist einphasig und lässt sich durch Umformung kaltverfestigen. Die meisten Kupferlegierungen sind ebenfalls einphasig und können deshalb auch kaltverfestigt werden. Maßgeblich in diesem Zusammenhang ist der Anteil der Legierungselemente. Wird Kupfer mit Elementen wie Chrom, Nickel und Silicium oder Nickel und Phosphor legiert, lässt sich der Werkstoff ausscheidungshärten. 

Ähnlich wie bei Stahl führt die Einbringung von Wärme auch bei Kupferwerkstoffen dazu, dass neben der Schweißzone ein thermisch beeinflusster Bereich entsteht. Dieser Bereich wird als Wärmeeinflusszone bezeichnet.

Wie breit die Wärmeeinflusszone wird und in welchem Ausmaß es zu einem Kornwachstum kommt, hängt von der eingebrachten Wärme, der Vorwärmtemperatur und der Gitterstruktur des Werkstoffs ab. Durch das Erhitzen und das Abkühlen können sich durch Ausscheidungen unerwünschte Gefüge bilden. Diese Gefahr besteht vor allem

·         bei Werkstoffen, die verunreinigt sind und deshalb niedrig schmelzende Phasen bilden oder verspröden,

·         bei ausscheidungshärtenden Werkstoffen und

·         bei Legierungen, die wegen ihres großen Erstarrungsintervalls nach dem Schweißen kristalline Bereiche zeigen.

Die Gefügeveränderungen können im Schweißgut, in der Wärmeeinflusszone und in der Schweißnaht auftreten. Im Nachhinein lassen sie sich aber kaum noch beseitigen.

 

Der Sauerstoffgehalt von Kupferwerkstoffen

Die einzelnen Kupfersorten und deren chemische Zusammensetzungen sind in der DIN CEN/TS 13388 definiert. Dabei spielt mit Blick auf die Schweißbarkeit der Sauerstoffgehalt eine maßgebliche Rolle. So eignen sich Kupferwerkstoffe, die Sauerstoff enthalten, nur bedingt für Schmelzschweißverfahren.

Denn zum einen können spröde Gefügephasen entstehen und zum anderen kann die Aufnahme von Wasserstoff Risse verursachen. In letzterem Fall wird von der Wasserstoffkrankheit gesprochen. Sollen Bauteile aus Kupfer mittels Schmelzschweißverfahren gefügt werden, ist es deshalb ratsam, auf eine sauerstofffreie Kupfersorte zurückzugreifen. 

Damit Verunreinigungen, die sich nachteilig auf die Leitfähigkeit auswirken, oxidieren, wird Kupfer mit Sauerstoff angereichert. Solche Kupfersorten finden vor allem im Bereich der Elektronik und der Elektrotechnik Verwendung, wo es auf eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit ankommt. Nimmt ein sauerstoffhaltiger Kupferwerkstoff aber zusätzlich Wasserstoff auf, entsteht die Wasserstoffkrankheit. Dieser Gefahr lässt sich mit entsprechenden Maßnahmen entgegenwirken, allerdings mit nachteiligen Effekten auf die Schweißbarkeit.

Kupfersorten für den Apparate- und den Behälterbau werden üblicherweise mit Phosphor angereichert. Phosphor bindet den Sauerstoff. Dadurch verbessert sich die Schweißbarkeit, gleichzeitig wird aber die Leitfähigkeit herabgesetzt. Weil im Apparate- und Behälterbau die Festigkeit, die Dehnungseigenschaften und das Korrosionsverhalten wichtigere Kriterien sind, wird die reduzierte Leitfähigkeit jedoch in Kauf genommen.

Mehr Anleitungen, Ratgeber und Tipps:

Thema: Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 1. Teil

Teilen:

Kommentar verfassen