Exothermes Schweißen erklärt: Prozess, Anwendungen & Vorteile

Was ist exothermes Schweißen?

Exothermes Schweißen, auch exothermes Verbinden, Thermitschweißen (TW) oder Thermit-Schweißen genannt, ist ein Schweißverfahren, das flüssiges Metall nutzt, um Leiter dauerhaft zu verbinden.

Exothermes Schweißen verbindet ähnliche Metalle wie Kupfer zu Stahl oder Kupfer zu Kupfer. Es nutzt eine exotherme Reaktion, um eine molekulare Bindung zwischen den beiden Stücken zu schaffen.

Die Verbindung entsteht in einer eigens dafür entwickelten Graphitform. Das Schweißen nutzt eine exotherme Reaktion von Thermit (Metallpulver), um das Metall zu erhitzen. Vereinfacht: Der exotherme Prozess umfasst eine chemische Reaktion, die Wärme freisetzt und keine externe Wärmequelle benötigt. Die wärmeerzeugende Reaktion ist eine aluminothermische Reaktion zwischen Aluminiumpulver und Metalloxid.

Exothermes Schweißverfahren

Das exotherme Schweißverfahren ist eine Methode zur Herstellung elektrischer Verbindungen von Kupfer zu Kupfer oder Kupfer zu Stahl, bei der keine externe Wärme- oder Stromquelle erforderlich ist. Ein spezielles Schweißmaterial wird in eine hochtemperaturbeständige Form gegeben und gezündet.

Das Zünden der Partikel erzeugt extrem hohe Hitze und flüssiges Metall (exotherme Reaktion) bis zu 1400 °C und produziert eine flüssige Metallschlacke. Dieses flüssige Kupfer fließt in die Schweißkavität, füllt jeden verfügbaren Raum und vollendet die Schweißung.

Die Schweißung kühlt dann ab und erstarrt, bevor sie aus der Form entnommen wird. Die Form ist nach kurzer Reinigung mit einer Bürste für den nächsten Schweiß bereit. Der gesamte Prozess dauert nur Sekunden.

Exotherm geschweißte Verbindungen erzeugen eine permanente Verbindung, die in der Leistung jedem bekannten mechanischen oder druckbasierten Flächenkontaktverbinder überlegen ist. Da es sich um eine molekulare Bindung handelt, lockert sich eine exotherm geschweißte Verbindung nicht und erhöht ihren Widerstand nicht über die Lebensdauer der Installation.

EIGENSCHAFTEN

• Überlegene elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu den Leitern selbst.
• Keine Korrosion, Oxidation oder Alterungserscheinungen; beständig gegen galvanische Kopplung.
• Hält wiederholten elektrischen Entladungen stand.
• Der Widerstand nimmt nie zu.
• Höhere mechanische und Druckfestigkeit als die Leiter selbst.
• Bietet dauerhaftes Schweißen und niedrigwiderständige Verbindung – essenziell für langlebige, vertrauenswürdige Ergebnisse in Erdungsanlagen.

Garantiert die gängigsten Verbindungen nicht nur zwischen Kupferkabeln, sondern auch für das Schweißen von Bändern und metallischen Teilen aus Messing, rostfreiem Stahl und kupferbeschichteten Stahlerdungsstäben.

Wann wird exothermes Schweißen eingesetzt?

Exothermes Schweißen wird am häufigsten zum dauerhaften Verbinden von Kupferleitern verwendet. Es ist das einzig akzeptable Mittel, um Kupfer mit verzinktem Kabel zu verbinden. Es kann auch an rostfreiem Stahl, Gusseisen, Stahl, Messing, Bronze und mehr angewendet werden. Bei der Verbindung zweier ungleicher Metalle ist exothermes Schweißen eine gute Option.

Prozess für exothermes Schweißen

Schritt 1: Immer Schutzbrille und Handschuhe tragen bei der Arbeit mit exothermen Schweißprodukten.

Schritt 2: Alle geeigneten Materialien und Geräte/Zubehör für den Verbindungstyp zusammenstellen. Typisches Schweißsystem erfordert: Graphitform, Spannzange, Schweißmaterial, Naturborstenbürste zur Formreinigung, Drahtbürste zur Reinigung/Vorbereitung der Leiter, Feuersteinzünder, Propanbrenner. Prüfen, ob die Graphitform nicht abgenutzt oder beschädigt ist, was zu Leckagen von flüssigem Schweißmetall führen könnte.

Schritt 3: Spannzange in die vorgebohrten Löcher mit korrekter Ausrichtung für die Daumenschrauben schieben. Daumenschrauben auf der Form festziehen und Griffe schließen, um die Form fest zu arretieren. Einstellungen zur Festigung/Lockerung der Spannzange vornehmen.

Schritt 4: Das zu schweißende Material (Kabel, Stab, Band) muss sauber und trocken sein – mit der im Zubehör enthaltenen Bürste. Damit werden Oxidschicht und oberflächliche Verunreinigungen entfernt. Da die Graphitform auch Feuchtigkeit aufnimmt, sollte diese durch Vorwärmen mit einem Gasbrenner entfernt werden, um poröses Schweißen zu vermeiden. Nach dem ersten Schweißen ist erneutes Vorheizen nicht nötig, wenn der nächste Schweiß innerhalb von 15 Minuten erfolgt, da die zuvor erzeugte Wärme erhalten bleibt.

Schritt 5: Leiter in die Form legen und Spanngriffe schließen, um Materialaustritt während der Reaktion zu vermeiden.

Hinweis: Bei auch nur minimalem Spalt zwischen den beiden Leitern Dichtmasse an den Austrittsstellen der Leiter auftragen, sonst breitet sich das Pulver beim Schweißen als Flamme aus und es entsteht eine fehlerhafte Verbindung.

Schritt 6: Zapfenloch mit der Metallscheibe verschließen. Inhalt des Schweißpulverpakets leeren.

Schritt 7: 50 % des Anzündpulvers über dem Exothermen Schweißpulver verteilen (nicht mischen, nur streuen), dann Formmund schließen und die restlichen 50 % Anzündpulver auf dem Formmund in der Nähe des kleinen Lochs oben am Formmund streuen.

Schritt 8: Das auf der Ober-/Seite der Form verteilte Anzündpulver mit dem Feuersteinzünder entzünden. Einmal gestartet, dauert die Reaktion 3–4 Sekunden; in dieser Zeit vom Formbereich fernbleiben.

Schritt 9: Nach mind. 2 Minuten Aushärten die Form durch Öffnen des Spanngriffs öffnen. Form von der Verbindung entfernen und die Verbindung von Schlacke reinigen. Nach dem Öffnen anhaftende Schlacke mit passendem Werkzeug und Kavitäten reinigen. Die Form ist nun wieder einsatzbereit, ohne erneutes Vorheizen, da sie noch warm ist.

WARTUNG & LAGERUNG

• Form im Feldeinsatz meist für 50–60 Verbindungen gut.
• Geräte sind empfindlich und während der Nutzung sorgfältig zu handhaben.
• Formenreinigung mit geeignetem Werkzeug/Bürste nach angemessener Abkühlung nach dem Schweißprozess. Heiße Formreinigung vermeiden.
• Kavitätenreinigung sorgfältig durchführen, um Beschädigungen/Absplitterungen zu vermeiden.
• Nach Abschluss der Aufgabe Form innen und außen mit weichem Tuch gründlich reinigen. In Luftpolsterfolie verpackt lagern.
• Formen und Schweißpulver stets an kühlen, trockenen Orten lagern.
• Alle Werkzeuge und Zubehör vor Lagerung reinigen für sichere Wiederverwendung.

ANWENDUNGEN

Exothermes Schweißen wird meist für Kupferleiter verwendet, eignet sich aber für eine breite Palette von Metallen, einschließlich rostfreiem Stahl, Gusseisen, Baustahl, Messing, Bronze und Monel. Besonders nützlich zum Verbinden ungleicher Metalle.

Wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit und hohen Stabilität gegenüber Kurzschlusspulsen sind exotherme Schweißungen eine der in §250.7 des US-National Electrical Code (NEC) spezifizierten Optionen für Erdungsleiter und Verbindungssprünge.

Es ist die bevorzugte Verbindungsmethode und tatsächlich das einzig akzeptable Mittel, um Kupfer mit verzinktem Kabel zu verbinden.

Der NEC verlangt nicht, dass solche exotherm geschweißten Verbindungen gelistet oder gekennzeichnet sind, aber manche technischen Spezifikationen fordern, dass fertige exotherme Schweißnähte mit Röntgengeräten geprüft werden.

Ein exothermer Schweiß hat höhere mechanische Festigkeit als andere Schweißformen und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Er ist auch bei wiederholten Kurzschlusspulsen hochstabil und leidet nicht unter erhöhtem elektrischen Widerstand über die Lebensdauer der Installation.