Expertenrat zum Kupferschweißen: Techniken, Tipps & Best Practices

Kupfer schweißen – Wie geht das?

Kupferschweißen ist nicht schwer. Die dafür nötige Hitze beträgt etwa das Doppelte von gleich dickem Stahl. Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Um diesen Wärmeverlust auszugleichen, wird eine Düse empfohlen, die ein bis zwei Größen größer ist als für Stahl.

Beim Schweißen großer, dicker Abschnitte ist zusätzliche Vorwärmung ratsam. Dieser Prozess erzeugt eine weniger poröse Schweißnaht.

Kupfer kann mit leicht oxidierender Flamme geschweißt werden, da das flüssige Metall durch das von der Flamme gebildete Oxid geschützt wird. Wird Flussmittel zum Schutz des Schmelzbads verwendet, sollte die Flamme neutral sein. Sauerstofffreies Kupfer (entoxidierter Kupferstab) sollte für gasgeschweißte Baugruppen statt sauerstoffhaltigem Kupfer verwendet werden. Der Stab sollte dieselbe Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff haben.

Was ist Kupfer?

Kupfer ist ein weiches, nicht-eisernes Metall, das sich leicht biegen, schneiden, formen und mit verschiedenen Schweißverfahren verbinden lässt. Während es oft für dekorative Haushalts- und Architekturartikel verwendet wird, ist es ein hervorragender Leiter für Elektrizität und Wärme und daher in der Elektroindustrie weit verbreitet; Kupferrohre, Ventile und Fittings sind im Sanitärbereich üblich.

Da es duktil und hochformbar ist, dient Kupfer als Hauptbestandteil in hunderten verschiedener Legierungen, darunter Messing, Bronze und Nickel-Kupfer. Die häufigsten Legierungselemente für Kupferlegierungen sind Aluminium, Nickel, Zinn, Zink und Silicium.

Weil reines Kupfer zu duktil für erfolgreiche Zerspanung ist, werden kleine Mengen anderer Elemente zu den Legierungen hinzugefügt, um Zerspanbarkeit zu verbessern, das Metall zu entoxidieren, korrosionsbeständiger zu machen, mechanische Eigenschaften zu verbessern und die Reaktion auf Wärmebehandlungen zu optimieren. Insgesamt sind über 300 Kupferlegierungen kommerziell erhältlich.

Die verschiedenen Methoden zum Kupferschweißen

Kupfer kann über mehrere Verfahren geschweißt werden. Hier besprechen wir nur die gängigsten Techniken in diesem Artikel über das Kupferschweißen. Dazu gehören Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) und Elektrodenhandschweißen (MMAW). Erklärung jeweils:

Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW / MIG)

Auch MIG-Schweißen genannt, folgt GMAW dem SMAW-System. Das bedeutet, der Zusatzwerkstoff ist eine Elektrode.

Der Unterschied: SMAW nutzt eine Reihe kurzer Stäbe als Verbrauchselektrode, GMAW führt automatisch einen kontinuierlichen „Draht“ mit benutzerdefinierter Geschwindigkeit zum Brenner zu. Zudem gibt es eine geregelte Einstellung für das Schutzgas.

Beim GMAW-Schweißen von Kupfer werden ERCu-Kupferelektroden empfohlen. Auch Aufhauser entoxidiertes Kupfer (Kupferlegierung/Füllmaterial mit 98,5 % Reinheit) wird empfohlen.

Die Dicke des zu schweißenden Kupferabschnitts bestimmt das benötigte Gasgemisch. Generell wird Argon für Dicken bis 6 mm verwendet. Darüber ein Helium-Argon-Gemisch. Beim GMAW für Kupfer muss der Zusatzwerkstoff mit schmaler Webe- oder Strangperlen (stringer beads) abgeschieden werden; dies kann mit Spritzübertragung (Spray Transfer) erfolgen.

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW / WIG)

Auch WIG-Schweißen genannt, schweißt GTAW Kupfer ähnlich wie die meisten Lichtbogenschweißverfahren: GTAW nutzt einen elektrischen Lichtbogen zum Erhitzen und Schmelzen sowohl des Kupferstücks als auch des Zusatzmaterials.

Beim Abkühlen und Erstarren des flüssigen Schweißbads wird es durch Einführen eines Schutzgases wie Argon oder Helium an der Brennerspitze vor atmosphärischen Einflüssen geschützt. Obwohl GTAW vielen Lichtbogenschweißverfahren ähnelt, schweißt es nicht wie Verfahren, die den Lichtbogen über verbrauchbare Elektroden zum zu schweißenden Kupfer leiten.

Stattdessen nutzt GTAW eine nicht verbrauchbare Elektrode, um eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken herzustellen – mit oder ohne Zusatzmaterial. Auch bei vielen anderen Lichtbogenverfahren dient das Füllmaterial als Elektrode, die den Lichtbogen zum Kupfer leitet.

Beim GTAW wird separater Fülldraht verwendet. Zudem ist es keineswegs nötig, beim GTAW-Schweißen von Kupfer Zusatzmaterial einzusetzen.

GTAW kann Kupferstücke bis 16 mm Dicke erfolgreich schweißen. Empfohlener Fülldraht: jedes Metall mit ähnlicher Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff. Argonschutzgas wird für Kupferabschnitte bis 1,6 mm Dicke bevorzugt. Für dickere Werkstücke wird ein Helium-Argon-Gemisch verwendet.

Verglichen mit Argon erlaubt ein Helium-Argon-Gemisch höhere Vorschubgeschwindigkeiten und tieferen Einbrand bei gleichem Schweißstrom. Um dem zu schweißenden Kupferstück Heliums gute Einbrandeigenschaften mit Argons Lichtbogenstabilität zu kombinieren, wird häufig 25 % Ar / 75 % He verwendet. Vorwärtschweißen (forehand) wird bei schmaler Webe- oder Strangperlen auf Kupfer empfohlen.

Elektrodenhandschweißen (MMAW / Stick)

Diese Methode wird hauptsächlich für Reparatur- oder Instandhaltungsschweißen an Kupfer und Kupferlegierungen eingesetzt. Empfohlener Zusatzwerkstoff: ECuSn-C-Elektrode. Eine weitere Empfehlung: Gleichstrom mit positivem Elektrodenpol (DC+) mit Strangperlen-Technik. Mit diesem Zusatzwerkstoff kann MMAW helfen bei:

• Verbinden von Kupfer mit anderen Metallen
• Kleinen Reparaturen an dünnen Kupferstücken
• Schweißnähten mit eingeschränktem Zugang

Das sind die drei gängigsten Methoden zum Kupferschweißen. Mit den Grundinformationen zu jeder Methode können Sie die für Ihre Bedürfnisse und den Job passende Technik wählen. Unabhängig von der gewählten Methode müssen Sie einige Grundschritte befolgen, um einen effektiven Schweiß zu erzeugen. Diese besprechen wir im nächsten Abschnitt.

Die Schlüsselschritte beim Kupferschweißen

Beim selbstständigen Kupferschweißen müssen Sie die kritischen Schritte kennen. Es sind 11 Schritte beim DIY-Kupferschweißen. Führen Sie diese in folgender Reihenfolge aus, um eine extrem haltbare Kupferschweißnaht zu erzeugen.

#1. Sicherheit gewährleisten

Beim selbstständigen Kupferschweißen ist der erste Schritt, Ihre Sicherheit zu gewährleisten. Egal welches Metall Sie schweißen, Sie müssen vor dem Start richtige Vorsichtsmaßnahmen treffen. Versäumnis kann Sie Verletzungsrisiken aussetzen.

Welche Vorsichtsmaßnahmen können Sie vor dem Kupferschweißen treffen? Schutzausrüstung anlegen, sicherstellen, dass keine brennbaren Gegenstände in der Nähe sind, in sauberer oder fremdstofffreier Umgebung arbeiten.

Sicherheitsvorkehrungen sind besonders wichtig beim Kupferschweißen, da Kupfer ein extrem guter Stromleiter ist – Sie können einen Stromschlag erleiden, wenn Sie das Metall mit bloßen Händen anfassen.

Zusätzlich zum Stromschlagrisiko kann Kupferschweißen Sie giftigen Gasen aussetzen. Deshalb nicht bei Lederhandschuhen und Schutzkleidung aufhören. Atemschutzmaske und Augenschutz gehören ebenfalls zur Schutzausrüstung.

#2. Oberfläche vorbereiten

Oberflächenvorbereitung beim Kupferschweißen bedeutet, den Schweißbereich frei von Fett, Öl, Farbe, Schmutz und anderen Fremdpartikeln zu halten, bevor Sie schweißen. Warum? Weil die Naht reißen kann, wenn sie sich mit dem Metall vermischen. Zudem können sie schädliche Chemikalien wie Schwefel, Phosphor und Blei enthalten.

Zusätzlich zum Schweißbereich sollten Sie das Kupfer selbst vor dem Schweißen reinigen. Wie? Mit einer Bronzedrahtbürste und einem geeigneten Reinigungsmittel. Erst drahtbürsten, dann mit dem Reinigungsmittel entfetten. Auch den während des Schweißens entstehenden Oxidfilm nach jedem Schweißlauf mit Drahtbürste entfernen.

#3. Vorwärmen

Warum ist Vorwärmen vor dem Kupferschweißen wichtig? Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit. Besonders wichtig, wenn die Kupferdicke über 0,25 mm (0,01 Zoll) liegt. Alle zu schweißenden Segmente sollten gleichmäßig vorgeheizt werden.

Da Kupfer Wärme schnell von der Schweißnaht in das umliegende Grundmetall ableitet, ist hohe Vorwärmung für dicke Kupferabschnitte erforderlich. Die Temperatur hängt von der Metalldicke ab und reicht von 10 °C bis 400 °C (50 °F bis 752 °F).

Schweißt man jedoch Kupferlegierung, kann man diesen Abschnitt überspringen, da die thermische Diffusivität hier viel niedriger ist als bei Kupfer. Falls Sie Kupfer (nicht Legierung) schweißen, wählen Sie die passende Vorwärmtemperatur für Ihre Anwendung. Beachten Sie besonders das zu schweißende Kupfer, seine Grundmetalldicke, das Schweißverfahren und sogar die Gesamtmasse des Schweißstücks.

Zusätzlich dazu: Hitze so weit wie möglich auf einen lokalisierten Bereich beschränken; dies hilft sicherzustellen, dass nicht zu viel Material in einen Temperaturbereich gelangt, der zu Duktilitätsverlust führt.

Zudem sollten Sie die Vorwärmtemperatur beibehalten, bis die Naht geschweißt ist. Nach Schweißbeginn beginnt die Wärme des vorgeheizten Kupfers zu dissipieren, was das Rissrisiko senkt.

#4. Nahtdesign beachten

Ein weiterer wichtiger Schritt für effektives Kupferschweißen ist die Nahtdesign-Betrachtung. Was beinhaltet das? Erstens: Abstand zwischen den Nähten beachten. Ideal: innerhalb bestimmter Toleranzen basierend auf Grundwerkstoff und Hartlotlegierung. Optimaler Nahtspalt: 0,04–0,20 mm.

Wichtige Überlegung: Nahtüberlappung. Ideale Überlappung: mindestens dreimal so dick wie der dünnste zu verbindende Teil. So wenig Material wie möglich verwenden, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen.

#5. Flamme einstellen

Um einen effektiven Kupferschweiß zu erzeugen, müssen Sie die Flamme korrekt einstellen. Am besten: neutrale Flamme verwenden. Was bedeutet neutrale Flamme? Eine Flamme, bei der Acetylen und Sauerstoff im gleichen Verhältnis und mit gleicher Rate gemischt werden. Ebenfalls kritisch: den weißen inneren Kegel klar definieren und sicherstellen, dass kein Schleier (Haze) vorhanden ist.

#6. Flussmittel entfernen

Wenn Flussmittel verwendet wurde, muss der Rückstand auf eine der folgenden Weisen entfernt werden:

• Drahtbürsten und Abdampfen
• Drahtbürsten und mit heißem Wasser spülen
• In heißer ätzender Sodalösung einlegen

Wird das Flussmittel nicht vollständig entfernt, kann dies zur Schwächung und sogar zum Versagen der Naht führen.

Zusatzwerkstoff wählen

Die Wahl des richtigen Zusatzwerkstoffs ist einer der kritischsten Schritte beim effektiven Kupferschweißen. Der richtige Zusatzwerkstoff hilft, ein Kupferstück zu schweißen, das fester ist als der Grundwerkstoff. Der beste oder geeignetste Zusatzwerkstoff hängt von der Korrosionsbeständigkeit des Metalls, der benötigten Nahtfestigkeit, der Betriebstemperatur und den Kosten ab.

Für beste Ergebnisse sollten Sie ein Füllmetall mit Silicium (Si) oder Mangan (Mn) als Entoxidationsmittel wählen – unabhängig davon, ob Sie GMAW, GTAW oder MMAW für Kupferschweißen nutzen.

Bei Füllmaterialien für Kupferschweißen sind die am meisten empfohlenen und gängigsten ErCu und ErCuSi-A. ErCu erleichtert die Fließfähigkeit, da es Si, Mn und Zinn (Sn) enthält. ErCuSi-A wählen, wenn Sie P-oxidiertes Kupfer schweißen wollen; auch gut für hartes Pech-Kupfer, das Si und Mn als Entoxidationsmittel enthält.

Kupferweichlöten

Weichlöten, eine der frühesten Methoden zum Verbinden von Metall, erhitzt Füllmetall (als Fülldraht), sodass es schmilzt und Nähte füllt. Weichlöten ist der einfachste Prozess und der im Haushalt übliche für kleine Metallreparaturen. Auch von Klempnern zum Verbinden und Reparieren von Kupferrohren und -fittings verwendet.

Man kann einen günstigen Lötkolben oder einen Brenner mit geeignetem Flussmittel für Weichlöten nutzen. Hartlöten erfordert deutlich höhere Temperaturen für das Füllmaterial, sodass die Naht viel fester ist als andere gelötete Nähte.

Das Füllmaterial unterscheidet sich und enthält meist Silber, weshalb die Technik oft als Silberhartlöten bezeichnet wird. Echtes Hartlöten erfolgt jedoch bei noch höheren Temperaturen.

Kupferhartlöten

Hartlöten ist im Wesentlichen eine dem Weichlöten ähnliche Technik und nutzt dieselbe Art Füllmaterial (Draht oder Hartlotstab). Nähte müssen sehr passgenau sein, damit Kapillarwirkung das Füllmetall zwischen die zu verbindenden Kupferstücke zieht.

Auch wenn die Temperaturen deutlich höher sein müssen als beim Weichlöten, darf das Grundmetall nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden.

Hartlöten wird umfangreich für Sanitärarbeiten genutzt, kann aber auch verschiedene Metalltypen sowie Werkstücke unterschiedlicher Dicke verbinden.