Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 4. Teil

Ausführlicher Ratgeber zum Schweißen von Kupfer, 4. Teil

Kupfer ist ein Werkstoff, der den Menschen schon seit vielen Jahrtausenden begleitet, zunächst hauptsächlich als Gebrauchsmaterial, später dann auch in der industriellen Fertigung. Mit Blick auf die Fügetechnik gilt, dass sich Kupferwerkstoffe insgesamt gut schweißen lassen.

Je nach Material, Bauteil und Verwendung stehen dabei verschiedene Schweißverfahren zur Auswahl. In einem mehrteiligen Ratgeber nehmen wir das Schweißen von Kupfer genauer unter die Lupe. Dabei ging es im 1. Teil um die werkstofftechnischen Grundlagen. In Teil 2 und 3 standen verschiedene Schweißverfahren im Mittelpunkt.

Jetzt, im 4. Teil, geht es mit den möglichen Schweißverfahren beim Fügen von Kupfer weiter:

 

Das Sprengschweißen von Kupfer

Das Sprengschweißen gehört zu den Plattierverfahren und wird hauptsächlich eingesetzt, um große, blechförmige Werkstücke flächig miteinander zu verbinden. Dafür wird das Auftragsblech mit gleichmäßigem Abstand über dem Grundblech angeordnet. Zwischen die beiden Bleche wird eine Sprengladung deponiert. Wenn der Sprengstoff dann gezündet wird, reibt sich das Auftragsblech mit hoher Geschwindigkeit auf das Grundblech auf.

Die plastische Verformung, die dabei auftritt, führt dazu, dass sich die Oberflächen der beiden Werkstoffe bis auf den atomaren Gitterabstand annähern. Die Kräfte der metallischen Bindung werden dadurch wirksam. Ein nennenswerter Legierungsaustausch erfolgt nicht. Die Fügezone weist eine wellenförmige Struktur auf, die gleichzeitig für die hohe Verbindungsdichtigkeit sorgt. Ihre Breite liegt im Durchschnitt bei 300 μm.

Je nach Material können Plattierungen standardmäßig mit einer Stärke zwischen zwei und 15 Millimetern umgesetzt werden, außerhalb der Standardeinstellungen sind auch größere Stärken möglich. Das Grundblech kann jede beliebige Dicke aufweisen. Damit der Schweißprozess gelingt, müssen die Oberflächen aber metallisch blank sein.

Durch die prozessbedingte Verformung ist die Scherfestigkeit der Verbindung in der Fügezone meist höher als die Streckgrenzen der verarbeiteten Werkstoffe. Probleme können nur dann auftreten, wenn die Werkstoffe spröde oder schockempfindlich sind und mit der einwirkenden Schockbelastung nicht zurechtkommen.

Der große Pluspunkt vom Sprengschweißen ist, dass verschiedene Werkstoffe miteinander verbunden werden können, die mit anderen Schweißverfahren gar nicht oder nur unter großem Aufwand gefügt werden könnten. Dadurch lassen sich funktionsgerechte Bauteile wirtschaftlich fertigen.

Ein weiterer Pluspunkt ist, dass kupferplattierte Verbundstoffe, die kritischen Beanspruchungen standhalten müssen, Werkstoffen aus beispielsweise reinem Kupfer technisch und wirtschaftlich überlegen sind. Häufige Werkstoffkombinationen, die mittels Sprengschweißen gefügt werden, sind Kupfer auf Stahl oder Aluminium.

 

Das Diffusionsschweißen von Kupfer

Beim Diffusionsschweißen werden entweder nur die Fügeflächen oder die gesamten Bauteile gleichmäßig erwärmt. Statische Druckeinwirkung für dann zu einer Diffusion der Atome, die sich über die Stoßflächen hinweg miteinander verbinden. Damit es zu keiner Oxidation kommt, erfolgt das Fügen in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum. Die Parameter Zeit, Temperatur und Druck wirken sich direkt aufeinander aus.

So kann beispielsweise die Schweißzeit verkürzt werden, wenn eine höhere Temperatur oder ein größerer Druck gewählt wird. Je nach Werkstoff bewegt sich die Schweißdauer dabei in einem Bereich zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden. Aus diesem Grund wird das Diffusionsschweißen vor allem dann angewendet, wenn die beteiligten Werkstoffe anderweitig nur schwer zu verschweißen sind.

Ein großer Pluspunkt vom Diffusionsschweißen besteht darin, dass auf Maß hergestellte und fertig bearbeitete Bauteile miteinander verbunden werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Fügefläche fast jede beliebige Größe haben kann.

Zu den Nachteilen gehören die teils sehr langen Schweißzeiten und die sehr hohen Anforderungen an die Vorbereitung der Schweißfugen. Zudem erfordert das Diffusionsschweißen eine aufwändige Ausstattung. Angewendet wird das Diffusionsschweißen unter anderem in der Energietechnik, im Flugzeugbau und in der Kerntechnik. Eine typische Werkstoffkombination ist Kupfer mit Keramik.

 

Das Kaltpressschweißen von Kupfer

Beim Kaltpressschweißen werden begrenzte Oberflächenbereiche unterhalb der Rekristallisationstemperatur miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt durch eine plastische Verformung unter hohem Druck. Dafür werden die beiden Fügeflächen entweder überlappend zwischen keilförmigen Druckstempeln oder stumpf aufeinandergepresst. Durch die Kohäsionskräfte der beiden Oberflächen kommt eine Bindung zustande.

Da die Verbindung im festen Zustand erfolgt, eignet sich das Kaltpressschweißen für nahezu alle Metallwerkstoffe mit einem ausreichend hohen Umformgrad. Bei harten und gehärteten Werkstoffen hingegen lässt sich dieses Schweißverfahren nicht anwenden. Damit eine stabile Verbindung entstehen kann, müssen die Fügeflächen sauber, fett- und oxidfrei sein.

Außerdem muss mindestens eine Komponente eine ausreichende Kaltverformbarkeit aufweisen. Angewendet wird das Kaltpressschweißen unter anderem bei der Fertigung von elektrischen Leitersystemen, zur Herstellung von Bimetallkontakten und Drahtverbindungen aus Kupfer und Aluminium sowie in der Verpackungsindustrie.

 

Das Lichtbogenbolzenschweißen von Kupfer

Vom Bolzenschweißen wird gesprochen, wenn stiftförmige Teile mit flächigen Werkstücken durch Pressen miteinander verschweißt werden. Der Bolzen wird dabei mit einer Pistole oder einem Bolzensetzgerät auf das Werkstück aufgebracht. Ein Lichtbogen sorgt dafür, dass die Oberfläche anschmilzt. Die Verbindung findet im flüssigen Zustand in der Schweißzone statt. Um das Schmelzbad zu schützen, wird entweder ein Schutzgas oder ein Ring aus Keramik eingesetzt.

Die beiden großen Pluspunkte dieses Schweißverfahrens sind zum einen die kurzen Schweißzeiten und zum anderen die großen Stromstärken, die einen geringen Einbrand ermöglichen und mit geringen Fügekräften auskommen. Durch die leichten und handlichen Positionen kann in sämtlichen Positionen geschweißt werden, sowohl in Werkstätten als auch auf Baustellen.

Die Verbindungen weisen eine hohe Festigkeit auf, neigen kaum zu Verzug und sind reproduzierbar. Die einfache und kostengünstige Gerätetechnik macht das Lichtbogenbolzenschweißen außerdem zu einem sehr wirtschaftlichen Verfahren.

 

Das Auftragsschweißen mit Kupfer

Beim Auftragsschweißen handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren. Es wird eingesetzt, um Reparaturen durchzuführen und um Werkstoffverbunde mit bestimmten Eigenschaften herzustellen. Wenn verschleißfreie Schichten aufgebracht werden, wird vom Panzern gesprochen. Das Aufbringen von chemisch beständigen Schichten wird als Plattieren bezeichnet und das Erzeugen von Werkstoffkombinationen mit Zwischenschichten aus Zusatzwerkstoffen wird Puffern genannt.

Das Auftragsschweißen mit Kupfer findet hauptsächlich statt, um Oberflächen mit einem Korrosionsschutz auszustatten. Insofern handelt es sich meist um eine Schweißplattierung. Dabei werden kleinere Auftragsschweißungen normalerweise manuell durchgeführt. Zum Einsatz kommen dann gängige Lichtbogenschweißverfahren, die eine niedrige Streckenergie und eine geringe Aufschmelzung sicherstellen.

Bei großflächigen Bauteilen hingegen sorgen Hochleistungsverfahren für eine wirtschaftliche und technisch optimale Umsetzung der korrosionsbeständigen Beschichtung. Zu den am häufigsten eingesetzten Schweißverfahren in diesem Bereich gehören das MIG-Impulsschweißen, teils in Kombination mit dem WIG-Schweißen, das UP-Schweißen mit Bandelektroden und das Elektroschlackeschweißen.

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