Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 3. Teil

Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 3. Teil 

Der Mensch nutzt Kupfer schon seit vielen Jahrtausenden. War der Werkstoff zunächst vor allem als Gebrauchsmetall interessant, gewannen im Zuge der Industrialisierung Merkmale wie die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Beständigkeit gegenüber chemischen und atmosphärischen Einflüssen oder die Legierungsfähigkeit an Bedeutung. 

Im Allgemeinen können Kupferwerkstoffe gut geschweißt werden. Welche Verfahren sich dabei eignen und worauf geachtet werden muss, erläutern wir in einem ausführlichen, mehrteiligen Ratgeber.

Dabei beschäftigte sich der 1. Teil mit den werkstofftechnischen Grundlagen von Kupfer. Im 2. Teil ging es um das Gas-, das Lichtbogenhand- und das Schutzgasschweißen.

Jetzt, im 3. Teil, geht es mit Schweißverfahren weiter:

 

Das Widerstandsschweißen von Kupfer

Beim Widerstandsschweißen kommt es durch den Stromfluss zu einem elektrischen Widerstand der Schweißzone. Dadurch entsteht die Wärme, die für das Fügen benötigt wird. Diese Wärme wird auch als Widerstandswärme oder Joule’sche Wärme bezeichnet. Widerstandsschweißverfahren können sowohl mit als auch ohne Kraftaufbringung und sowohl mit als auch ohne Schweißzusatzstoffe durchgeführt werden. Meistens werden sie jedoch mit Anwendung von Kraft und ohne Zusatzwerkstoffe umgesetzt.

Verglichen mit dem Schmelzschweißen mit einer Gasflamme oder einem Lichtbogen schneidet das Widerstandsschweißen deutlich besser ab. Allerdings ist die Größe der fügbaren Querschnitte durch die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupferwerkstoffen begrenzt. Mengenmäßig wird in der industriellen Fertigung das meiste Kupfer durch Widerstandsschweißverfahren gefügt.

Dies liegt hauptsächlich daran, dass schnell und kostengünstig qualitativ hochwertige Verbindungen erstellt werden können. Zudem lassen sich die Verfahren automatisieren und somit auch in der Massenfertigung einsetzen. Aus der Gruppe der Widerstandsschweißverfahren spielen beim Verschweißen von Kupferwerkstoffen insbesondere das Punkt-, das Rollennaht-, das Buckel-, das Pressstumpf- und das Abbrennstumpfschweißen eine Rolle.

 

Das Ultraschallschweißen von Kupfer

Beim Ultraschallschweißen liegen die Werkstücke zwischen einer Sonotrode und einem Amboss. Die Sonotrode schwingt in hohen Frequenzen und versetzt dadurch auch das obere Blech in Schwingung.

Dies führt zu einer Reibung zwischen dem oberen Blech und dem Fügepartner, durch die Wärme entsteht. Gleichzeitig verformen sich die Atome der beiden Wertstückoberflächen durch die statisch einwirkende Druckkraft und nähern sich auf Gitterabstand an. Diese beiden Effekte lassen eine Verbindung in festem Zustand entstehen.

Damit die notwendige Reibung und die mechanische Bindung sichergestellt sind und somit eine haltbare Verbindung überhaupt zustande kommen kann, müssen die Werkstücke vor dem Schweißen aber sorgfältig von sämtlichen Fett- und Schmierstoffrückständen befreit werden.

Beim Ultraschallschweißen bewegen sich die Schweißzeiten zwischen 0,001 und 3 Sekunden, die Anpresskraft liegt im Bereich zwischen 0,01 und 5.000 Newton. Die Frequenzen betragen je nach Maschinenleistung zwischen 20 und 75 kHz. Dabei entscheidet die Maschinenleistung auch darüber, welche Blechdicke das Werkstück, das an der Sonotrode anliegt, maximal haben kann. Beim unteren Werkstück hingegen spielt die Stärke kaum eine Rolle. Denn das obere Werkstück kann auf eine Unterlage in praktisch jeder beliebigen Stärke aufgeschweißt werden.

Die Verbindung zwischen den beiden Werkstücken erfolgt in festem Zustand. Deshalb treten im Schweißübergang keine nennenswerten Veränderungen der Werkstoffe auf. Außerdem können fast alle Werkstoffe, bei denen die metallische Festigkeit ausreicht, miteinander verbunden werden. Sogar Verbindungen aus Kupfer und Glas oder Kupfer und Keramik sind möglich. Lediglich Paarungen aus Kupfer und Zinn sind beim Ultraschallschweißen nicht umsetzbar. 

Das Ultraschallschweißen wird bei der Fertigung von Kondensatoren, beim Bau von Motoren und Transformatoren, bei der Herstellung von Kabelbäumen und im Bereich der Optik und Feinmechanik eingesetzt. Lackisolierte und metallbeschichtete Kupferdrähte können ebenfalls mit Blechen verbunden werden, ohne dass die Drähte zuvor abisoliert werden müssen.

 

Das Reibschweißen von Kupfer

Beim Reibschweißen versetzt eine Axialkraft einen oder beide Fügepartner in Rotation. Dadurch entsteht die benötigte Energie. Die Reibungswärme wiederum weicht die Bauteile lokal auf. Ist die für den jeweiligen Werkstoff erforderliche Temperatur erreicht, wird ein Stauchdruck aufgebracht.

Durch diesen Druck verbinden sich die beiden Werkstücke miteinander und eine wulstartige Schweißverbindung entsteht. Dabei kann ein Schmelzfluss auftreten. Für eine dauerhafte Verbindung ist der Schmelzfluss aber nicht erforderlich. Zusatzwerkstoffe oder Schutzgase werden beim Reibschweißen nicht verwendet.

Das Reibschweißen zählt zu den voll mechanisierten und automatisierbaren Pressschweißverfahren. Deshalb kommt es hauptsächlich in der Massenfertigung bei rotationssymmetrischen Bauteilen zum Einsatz, die mittels Stumpfstößen gefügt werden. Dabei können auch zwei Schweißstöße gleichzeitig gefertigt werden.

Inzwischen ist es außerdem möglich, Bauteile mit rechteckigen und vielkantigen Querschnitten zu fügen. Hier wird jedoch meist ein Schutzgas eingesetzt. Beim Reibschweißen können Kupferrundstäbe mit 3,5 bis 100 mm Durchmesser, Kupferrohre bis 250 mm Außendurchmesser und unterschiedliche Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium oder Kupfer und Stahl gefügt werden. Auf den Verbindungsflächen müssen aber sämtliche Verschmutzungen und Fremdstoffe entfernt werden, weil die Verbindung zumindest teilweise im festen Zustand entsteht.

 

Das Rührreibschweißen von Kupfer

Beim Rührreibschweißen erzeugt ein externes Werkzeug die notwendige Energie und den benötigten Druck. Bei diesem Werkzeug handelt es sich um einen Zapfen, der sich dreht und mittig mit einem Stift ausgestattet ist. Der Zapfen, der normalerweise kürzer ist als die zu verschweißende Blechstärke, wird in die Stoßflächen der beiden Werkstücke gedrückt.

Damit die Werkstücke dabei nicht verrutschen und die einwirkenden Kräfte optimal aufnehmen können, müssen sie sowohl gegeneinander als auch auf einer Unterlage fixiert sein. Durch die Rotation des Zapfens entsteht Reibungswärme, die die Werkstoffe aufweicht. Der rotierende Zapfen transportiert den aufgeweichten Werkstoff einerseits nach oben und nach außen. Andererseits schließt der Stift auf der Stirnseite des Zapfens das feste Schweißgut ein. Dadurch entsteht im Stoß die Schweißnaht.

Durch das Rührreibschweißen können punkt- und linienförmige Verbindungen in Stumpf- und Überlappungsstößen erzeugt werden. Die Festigkeits- und die Zähigkeitswerte sind gut und typische Schwierigkeiten wie Poren und Heißrisse, Gasaufnahmen oder Verzug, die bei Verbindungen aus dem flüssigen Zustand heraus gerne auftreten, tauchen nicht auf.

Minuspunkte sind aber die hohen Anlagekosten und die aufwändigen Vorrichtungen beim Einspannen der Werkstücke. Zudem gibt es nur eine begrenzte Auswahl an Materialien, die hart und fest genug sind, um daraus Werkzeuge für das Schweißen von Kupfer anzufertigen. Deshalb ist das Rührreibschweißen erst bei hohen Stückzahlen oder bei Sondereinsätzen wirtschaftlich. Verwendet wird es unter anderem bei Mischverbindungen und beim Verschweißen von dickwandigen Kupferkanistern.

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