Kupferschweißen mit Industrierobotern

Kupfer und Kupferlegierungen bieten eine einzigartige Kombination von Materialeigenschaften, die sie ideal für viele Fertigungsumgebungen machen. Sie werden wegen ihrer ausgezeichneten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, einfachen Herstellung, guten Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit weit verbreitet verwendet. Weitere nützliche Eigenschaften sind Funkenbeständigkeit, Metall-auf-Metall-Verschleißfestigkeit, geringe Permeabilitätseigenschaften und unverwechselbare Farbe.

Kupferschweißverfahren

Kupfer wird oft durch Schweißen verbunden. Dabei stehen die Lichtbogenschweißverfahren im Vordergrund. Das Lichtbogenschweißen kann unter Verwendung von Schutzgasschweißen (SMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW), Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) und Unterpulverschweißen (SAW) durchgeführt werden.

Schweißverfahren mit Schutzgas werden im Allgemeinen bevorzugt, obwohl SMAW für viele unkritische Anwendungen verwendet werden kann. Als Schutzgase für GTAW, PAW und GMAW werden Argon, Helium oder Mischungen aus beiden verwendet. Im Allgemeinen wird Argon verwendet, wenn manuell geschweißtes Material weniger als 3 mm dick ist, eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat oder beides. Helium oder eine Mischung aus 75 % Helium und 25 % Argon wird zum maschinellen Schweißen dünner Abschnitte und zum manuellen Schweißen dickerer Abschnitte aus Legierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit empfohlen. Zur Erhöhung des effektiven Wärmeeintrags können dem Schutzgas Argon geringe Mengen Stickstoff zugesetzt werden. Das Lichtbogenschweißen mit abgeschirmtem Metall kann zum Schweißen einer Vielzahl von Kupferlegierungsdicken verwendet werden. Umhüllte Stabelektroden zum Unterpulverschweißen (UP) von Kupferlegierungen sind in Standardgrößen von 2,4 bis 4,8 mm erhältlich.

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen

Das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen eignet sich aufgrund seines intensiven Lichtbogens, der eine extrem hohe Temperatur an der Verbindungsstelle und eine schmale Wärmeeinflusszone (HAZ) erzeugt, gut für Kupfer und Kupferlegierungen.

Beim Schweißen von Kupfer und bei den wärmeleitfähigeren Kupferlegierungen ist die Intensität des Lichtbogens wichtig, um die Verschmelzung mit minimaler Erwärmung des umgebenden, hochleitfähigen Grundmetalls abzuschließen. Eine schmale WEZ ist besonders beim Schweißen von ausscheidungsgehärteten Kupferlegierungen wünschenswert.

Viele der standardmäßigen Elektroden aus Wolfram oder legiertem Wolfram können beim GTAW von Kupfer und Kupferlegierungen verwendet werden. Für Kupfer und Kupferlegierungen gelten allgemein die für Wolframelektroden üblichen Auswahlfaktoren. Mit Ausnahme der spezifischen Klassen von Kupferlegierungen wird thoriertes Wolfram (normalerweise EWTh-2) wegen seiner besseren Leistung, längeren Lebensdauer und größeren Beständigkeit gegen Kontamination bevorzugt.

Metall-Schutzgasschweißen

Das Metall-Schutzgasschweißen wird zum Verbinden von Kupfer und Kupferlegierungen mit einer Dicke von weniger als 3 mm verwendet, während GMAW für Querschnittsdicken über 3 mm und zum Verbinden von Aluminiumbronzen, Siliziumbronzen und Kupfer-Nickel-Legierungen bevorzugt wird.

Plasma-Lichtbogenschweißen

Das Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen mit PAW ist vergleichbar mit dem GTAW dieser Legierungen. Argon, Helium oder Mischungen aus beiden werden zum Schweißen aller Legierungen verwendet. Beim Schweißen von Kupfer darf niemals Wasserstoffgas verwendet werden.

Das Plasma-Lichtbogenschweißen hat gegenüber GTAW zwei deutliche Vorteile:

1. Wolfram ist verdeckt und vollständig abgeschirmt, was die Kontamination der Elektrode stark reduziert, insbesondere bei Legierungen mit niedrigsiedenden Bestandteilen wie Messing, Bronzen, Phosphorbronzen und Aluminiumbronzen.
2. Konstruierte Lichtbogenfahne führt zu höheren Lichtbogenenergien und minimiert gleichzeitig das Wachstum der HAZ. Wie beim GTAW können auch Strompulsation und Stromrampe verwendet werden. Plasmalichtbogenschweißgeräte wurden für komplizierte Arbeiten miniaturisiert, die als Mikroplasmaschweißen bekannt sind.

Das Plasmalichtbogenschweißen von Kupfer und Kupferlegierungen kann entweder autogen oder mit Zusatzmetall durchgeführt werden. Die Auswahl des Schweißzusatzes ist identisch mit der für GTAW beschriebenen. Die Automatisierung und Mechanisierung dieses Prozesses lässt sich leicht durchführen und ist dem GTAW vorzuziehen, wo Verunreinigungen die Produktionseffizienz einschränken können. Die Schweißpositionen für PAW sind identisch mit denen für GTAW. Der Plasma-Keyhole-Modus wurde jedoch für dickere Schnitte in vertikaler Position evaluiert. Im Allgemeinen gelten alle für GTAW präsentierten Informationen für PAW.

Unterpulverschweißen

Das Schweißen von dickwandigem Material, wie z. B. aus Grobblech geformten Rohren, kann durch kontinuierlichen Metalllichtbogenbetrieb unter einem körnigen Flussmittel erreicht werden. Effektive Desoxidation und Schlacke-Metall-Reaktionen zur Bildung der erforderlichen Schweißmetallzusammensetzung sind entscheidend, und das SAW-Verfahren für Materialien auf Kupferbasis befindet sich noch in der Entwicklung. Eine Variation dieses Prozesses kann zum Schweißplattieren oder Hartauftragen verwendet werden. Für die Kupfer-Nickel-Legierungen sollten handelsübliche Flussmittel verwendet werden.

Legierungsmetallurgie und Schweißbarkeit

Viele gängige Metalle werden mit Kupfer legiert, um die verschiedenen Kupferlegierungen herzustellen. Die häufigsten Legierungselemente sind Aluminium, Nickel, Silizium, Zinn und Zink. Andere Elemente und Metalle werden in geringen Mengen zulegiert, um bestimmte Materialeigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit oder Bearbeitbarkeit zu verbessern.

Neun Kupfer- und Kupferlegierungsgruppen:

1. Kupfer, das mindestens 99,3 % Cu enthält
2. Kupferreiche Legierungen, die bis zu 5 % Legierungselemente enthalten
3. Kupfer-Zink-Legierungen (Messing), die bis zu 40 % Zn enthalten
4. Kupfer-Zinn-Legierungen (Phosphorbronzen), die bis zu 10 % Sn und 0,2 % P enthalten
5. Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminiumbronzen), die bis zu 10 % Al enthalten
6. Kupfer-Silizium-Legierungen (Siliziumbronzen), die bis zu 3 % Si enthalten
7. Kupfer-Nickel-Legierungen, die bis zu 30 % Ni enthalten
8. Kupfer-Zink-Nickel-Legierungen (Neusilber), die bis zu 7 % Zn und 18 % Ni enthalten
9. Sonderlegierungen, die Legierungselemente enthalten, um eine bestimmte Eigenschaft oder Eigenschaft zu verbessern, beispielsweise die Bearbeitbarkeit.

Viele Kupferlegierungen haben gemeinsame Namen, wie z. B. sauerstofffreies Kupfer (99,95 % Cumin), Berylliumkupfer (0,02 bis 0,2 % Be), Muntz-Metall (Cu40Zn), Marinemessing (Cu-39,5Zn-0,75Sn) und kommerziell Bronze (Cu-10Zn).

Eigenschaften

Viele der physikalischen Eigenschaften von Kupferlegierungen sind wichtig für die Schweißprozesse, darunter Schmelztemperatur, Wärmeausdehnungskoeffizient sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit. Bestimmte Legierungselemente verringern die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kupfer und Kupferlegierungen.

Schweißbarkeit

Mehrere Legierungselemente haben ausgeprägte Auswirkungen auf die Schweißbarkeit von Kupfer und Kupferlegierungen. Kupfer und seine Legierungen enthalten oft geringe Mengen an flüchtigen, toxischen Legierungselementen. Infolgedessen ist die Anforderung an ein wirksames Belüftungssystem zum Schutz des Schweißers und/oder des Bedieners der Schweißmaschine kritischer als beim Schweißen von Eisenmetallen.

Zink verringert die Schweißbarkeit aller Messinge im Verhältnis zum prozentualen Anteil an Zink in der Legierung. Zink hat einen niedrigen Siedepunkt, wodurch beim Schweißen von Kupfer-Zink-Legierungen giftige Dämpfe entstehen.

Silizium wirkt sich aufgrund seiner desoxidierenden und fluxenden Wirkung positiv auf die Schweißbarkeit von Kupfer-Silizium-Legierungen aus.

Zinn

Zinn erhöht die Heißrissanfälligkeit beim Schweißen, wenn es in Mengen von 1 bis 10 % vorhanden ist. Zinn ist im Vergleich zu Zink weitaus weniger flüchtig und toxisch. Beim Schweißen kann Zinn gegenüber Kupfer bevorzugt oxidieren. Das Ergebnis ist ein Oxideinschluss, der die Festigkeit der Schweißverbindung verringern kann.

Zähe Oxide

Beryllium, Aluminium und Nickel bilden zähe Oxide, die vor dem Schweißen entfernt werden müssen. Die Bildung dieser Oxide während des Schweißprozesses muss durch Schutzgas oder durch Flussmittel in Verbindung mit der Verwendung des geeigneten Schweißstroms verhindert werden. Die Oxide von Nickel stören das Lichtbogenschweißen weniger als Beryllium oder Aluminium. Folglich sind die Neusilber- und Kupfer-Nickel-Legierungen weniger empfindlich gegenüber der Art des Schweißstroms, der während des Prozesses verwendet wird. Auch berylliumhaltige Legierungen erzeugen beim Schweißen giftige Dämpfe.

Sauerstoff

Sauerstoff kann Porosität verursachen und die Festigkeit von Schweißnähten verringern, die in bestimmten Kupferlegierungen hergestellt wurden, die keine ausreichenden Mengen an Phosphor oder anderen Desoxidationsmitteln enthalten. Sauerstoff kann als freies Gas oder als Kupferoxid gefunden werden. Die am häufigsten geschweißten Kupferlegierungen enthalten desoxidierende Elemente, normalerweise Phosphor, Silizium, Aluminium, Eisen oder Mangan.

Eisen und Mangan beeinträchtigen die Schweißbarkeit der sie enthaltenden Legierungen nicht wesentlich. Eisen ist typischerweise in einigen Sondermessingen, Aluminiumbronzen und Kupfer-Nickel-Legierungen in Mengen von 1,4 bis 3,5 % vorhanden. Mangan wird üblicherweise in denselben Legierungen verwendet, jedoch in geringeren Konzentrationen als Eisen.

Zusätze für die Automatenbearbeitung

Blei, Selen, Tellur und Schwefel werden Kupferlegierungen zugesetzt, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Wismut wird auch für diesen Zweck verwendet, wenn bleifreie Legierungen erwünscht sind. Diese geringfügigen Legierungsmittel verbessern zwar die Bearbeitbarkeit, beeinflussen jedoch die Schweißbarkeit von Kupferlegierungen erheblich, indem sie die Legierungen heißrissanfällig machen. Die nachteilige Wirkung auf die Schweißbarkeit ist bei etwa 0,05 % des Additivs offensichtlich und bei größeren Konzentrationen schwerwiegender. Blei ist das schädlichste der Legierungsmittel in Bezug auf die Heißrissanfälligkeit.

Faktoren, die die Schweißbarkeit beeinflussen

Neben den Legierungselementen, aus denen eine bestimmte Kupferlegierung besteht, beeinflussen mehrere andere Faktoren die Schweißbarkeit. Diese Faktoren sind die Wärmeleitfähigkeit der zu schweißenden Legierung, das Schutzgas, die beim Schweißen verwendete Stromart, das Verbindungsdesign, die Schweißposition sowie die Oberflächenbeschaffenheit und -sauberkeit.

Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit

Das Verhalten von Kupfer und Kupferlegierungen beim Schweißen wird stark von der Wärmeleitfähigkeit der Legierung beeinflusst. Beim Schweißen von handelsüblichem Kupfer und leicht legierten Kupferwerkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit müssen die Stromart und das Schutzgas so gewählt werden, dass eine maximale Wärmeeinbringung in die Verbindung erreicht wird. Dieser hohe Wärmeeintrag wirkt der schnellen Wärmeabgabe weg von der lokalisierten Schweißzone entgegen.

Je nach Querschnittsdicke kann bei Kupferlegierungen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit ein Vorwärmen erforderlich sein. Die Zwischenlagentemperatur sollte die gleiche sein wie beim Vorwärmen. Kupferlegierungen werden nicht so häufig nach dem Schweißkopf behandelt wie Stähle, aber einige Legierungen erfordern möglicherweise kontrollierte Abkühlgeschwindigkeiten, um Eigenspannungen und Heißbrüchigkeit zu minimieren.

Schweißposition

Aufgrund der sehr flüssigen Natur von Kupfer und seinen Legierungen wird wann immer möglich die flache Position zum Schweißen verwendet. Die horizontale Position wird bei einigen Kehlnahtschweißungen von Eckverbindungen und T-Verbindungen verwendet.

Ausscheidungshärtbare Legierungen

Die wichtigsten Ausscheidungshärtungsreaktionen werden mit Beryllium, Chrom, Bor, Nickel, Silizium und Zirkonium erzielt. Beim Schweißen von ausscheidungshärtbaren Kupferlegierungen ist darauf zu achten, dass Oxidation und unvollständiges Aufschmelzen vermieden werden. Wenn möglich, sollten die Bauteile im geglühten Zustand geschweißt werden, und anschließend sollte die Schweißnaht einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung unterzogen werden.

Heißrisse

Kupferlegierungen wie Kupfer-Zinn und Kupfer-Nickel sind bei Erstarrungstemperaturen anfällig für Heißrisse. Diese Eigenschaft wird in allen Kupferlegierungen mit einem breiten Liquidus-zu-Solidus-Temperaturbereich gezeigt. Starke Schrumpfspannungen erzeugen eine interdendritische Trennung während der Metallerstarrung. Heißrisse können minimiert werden, indem die Rückhaltung während des Schweißens reduziert wird, Vorwärmen zur Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit und zur Reduzierung der Schweißspannungen vorgenommen wird und die Größe der Wurzelöffnung verringert und die Größe der Wurzellage erhöht wird.

Porosität

Bestimmte Elemente (z. B. Zink, Cadmium und Phosphor) haben niedrige Siedepunkte. Die Verdampfung dieser Elemente während des Schweißens kann zu Porosität führen. Beim Schweißen von Kupferlegierungen, die diese Elemente enthalten, kann die Porosität durch höhere Schweißgeschwindigkeiten und einen Zusatzwerkstoff mit niedrigem Gehalt an diesen Elementen minimiert werden.

Oberflächenzustand

Fett und Oxid auf Arbeitsflächen sollten vor dem Schweißen entfernt werden. Es kann Drahtbürsten oder Glanztauchen verwendet werden. Milzhaut auf den Oberflächen von Aluminiumbronzen und Siliziumbronzen wird mindestens 13 mm von der Schweißnaht entfernt, meist mechanisch. Fett, Farbe, Kreidespuren, Werkstattschmutz und ähnliche Verunreinigungen auf Kupfer-Nickel-Legierungen können zu Versprödung führen und sollten vor dem Schweißen entfernt werden. Milzhaut auf Kupfer-Nickel-Legierungen muss durch Schleifen oder Beizen entfernt werden; Drahtbürsten ist nicht effektiv.

Kupferschweißlegierungen

Das ideale Elektrodenmaterial hätte die Druckfestigkeit von Werkzeugstahl und die Leitfähigkeit von Silber. Leider gibt es kein solches Material. Daher wurden mehrere verschiedene Kupferlegierungen entwickelt. Alle von RWMA empfohlenen Materialien haben höhere Glüh- oder Erweichungstemperaturen als reines Kupfer, zusammen mit einer verbesserten Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Da das Kupfer legiert wurde, um höhere Festigkeits- und Verschleißeigenschaften zu erreichen, muss die Leitfähigkeit etwas geopfert werden.

Kupferlegierungsklassen:

Klasse 1:Diese Klasse wird am häufigsten für das Schweißen von Aluminium und anderen hochleitfähigen Materialien spezifiziert. Dies ist die leitfähigste der RWMA-Legierungen. Es ist auch das weichste (und hat die geringsten Festigkeits- und Verschleißeigenschaften).

Klasse 2:Diese Klasse von Kupferlegierungen ist die am weitesten verbreitete und empfohlene Kupferlegierung. Es wird für eine Vielzahl von Stahllegierungen empfohlen. Das Material wird zum Punkt-, Naht-, Buckel- und Kreuzdrahtschweißen empfohlen. Es hat eine etwas geringere Leitfähigkeit als Klasse 1 und hat höhere Festigkeits- und Verschleißeigenschaften.

Klasse 3:Diese hat die niedrigste Leitfähigkeit, aber die höchsten Festigkeitseigenschaften der drei Hauptqualitäten von Kupferelektrodenmaterial. Es wird für die meisten Anwendungen empfohlen, bei denen hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit unerlässlich sind.