Kupfer schweißen: Experten-Techniken & praktischer Leitfaden

Wie man Kupfer schweißt

Kupferschweißen ist nicht schwer. Die dafür erforderliche Hitze beträgt ungefähr das Doppelte der für Stahl gleicher Dicke benötigten. Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Um diesen Wärmeverlust auszugleichen, wird eine Düse empfohlen, die ein oder zwei Größen größer ist als die für Stahl erforderliche.

Beim Schweißen großer Abschnitte mit großer Dicke ist ergänzendes Heizen ratsam. Dieses Verfahren erzeugt eine weniger poröse Naht.

Kupfer kann mit einer leicht oxidierenden Flamme geschweißt werden, da das geschmolzene Metall durch das von der Flamme gebildete Oxid geschützt wird. Wenn ein Flussmittel zum Schutz des geschmolzenen Metalls verwendet wird, sollte die Flamme neutral sein. Sauerstofffreies Kupfer (entoxidierter Kupferstab) sollte anstelle von sauerstoffhaltigem Kupfer für gasgeschweißte Baugruppen verwendet werden. Der Stab sollte die gleiche Zusammensetzung wie das Grundmetall haben.

Was ist Kupfer?

Kupfer ist ein weiches, nicht-eisenhaltiges Metall, das leicht gebogen, geschnitten, geformt und mit verschiedenen Schweißverfahren verbunden werden kann. Während es oft zur Herstellung dekorativer Haushalts- und Architekturelemente verwendet wird, ist es ein hervorragender Leiter von Elektrizität und Wärme und wird daher in der Elektroindustrie weit eingesetzt, während Kupferrohre, Ventile und andere Armaturen häufig für die Sanitärinstallation verwendet werden.

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

Da reines Kupfer zu duktil ist, um erfolgreich bearbeitet zu werden, werden kleine Mengen anderer Elemente zu den verschiedenen Legierungen hinzugefügt, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, sowie um das Metall zu entoxidieren, es korrosionsbeständiger zu machen, seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern und seine Reaktion auf Wärmebehandlungen zu verbessern. Insgesamt sind mehr als 300 Kupferlegierungen kommerziell erhältlich.

Die verschiedenen Methoden zum Kupferschweißen

Kupfer kann durch verschiedene Methoden geschweißt werden. Wir besprechen hier nur die gängigsten Techniken in diesem Artikel über das Erlernen des Kupferschweißens. Dazu gehören Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) und Manuelles Metall-Lichtbogenschweißen (MMAW). Folgt eine Erklärung zu jedem.

Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW / MIG)

Auch MIG-Schweißen genannt, folgt das Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) dem SMAW-System für das Schweißen. Das bedeutet, dass das bei dieser Schweißtechnik verwendete Füllmaterial eine Elektrode ist.

Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen den beiden Methoden: Während SMAW eine Reihe kurzer Stäbe als Verbrauchselektrode verwendet, führt die GMAW-Methode automatisch einen kontinuierlichen „Draht“ mit einer vom Benutzer definierten Geschwindigkeit zum Schweißbrenner zu. Zusätzlich gibt es eine geregelte Einstellung für die Zuführung des Schutzgases.

Bei Verwendung der GMAW-Methode zum Kupferschweißen wird empfohlen, ERCu-Kupferelektroden zu verwenden. Die Verwendung von Aufhauser entoxidiertem Kupfer wird ebenfalls empfohlen; dies ist eine Kupferlegierung oder ein Füllmaterial mit 98,5 % Reinheit.

Die Dicke des zu schweißenden Kupferabschnitts bestimmt die benötigte Gasmischung. Generell wird Argon für Dicken bis 6 mm verwendet. Für größere Dicken wird eine Helium-Argon-Mischung verwendet. Im GMAW-Verfahren für Kupferschweißen müssen Sie das Füllmaterial mit schmalem Weben oder Stringer-Perlen ablagern; dies kann mit Spritzübertragung (Spray Transfer) erfolgen.

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW / WIG)

Auch WIG-Schweißen genannt, schweißt das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) Kupfer ähnlich wie die meisten Lichtbogenschweißverfahren; das bedeutet, dass GTAW die Verwendung eines elektrischen Lichtbogens zum Erhitzen und Schmelzen sowohl des Kupferstücks als auch des Füllmaterials beinhaltet.

Während der geschmolzene Schweißpool abkühlt und erstarrt, wird er durch Einführen eines Schutzgases wie Argon oder Helium an der Brennerspitze vor atmosphärischen Einflüssen geschützt. Während GTAW vielen Lichtbogenschweißverfahren ähnelt, schweißt es nicht wie Lichtbogenverfahren, die den elektrischen Lichtbogen über verbrauchbare Elektroden zum zu schweißenden Kupfer leiten.

Stattdessen verwendet GTAW eine nicht verbrauchbare Elektrode, um eine Nahtverbindung zwischen den Werkstücken herzustellen; dies kann mit oder ohne Füllmaterial geschehen. Auch bei vielen anderen Lichtbogenschweißverfahren wird das Füllmaterial als die den elektrischen Lichtbogen zum zu schweißenden Kupfer tragende Elektrode verwendet.

Im Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahren wird jedoch separater Zusatzdraht verwendet. Außerdem ist es keineswegs notwendig, ein Füllmaterial einzuführen, während die GTAW-Methode zum Kupferschweißen verwendet wird.

Die GTAW-Methoden können Kupferstücke mit einer Dicke von bis zu 16 mm erfolgreich schweißen. Der empfohlene Zusatzdraht für diese Methode ist jedes Metall mit einer dem Grundmetall ähnlichen Zusammensetzung. Argonschutzgas wird für Kupferabschnitte mit einer Dicke von bis zu 1,6 mm bevorzugt. Für Werkstücke, die diese Dicke überschreiten, wird eine Helium-Argon-Mischung verwendet.

Im Vergleich zu Argon ermöglicht eine Helium-Argon-Mischung höhere Vorschubgeschwindigkeiten und tiefere Durchdringung bei ähnlichem Schweißstrom. Um dem zu schweißenden Kupferstück Heliums gute Durchdringungseigenschaften zusammen mit Argons Lichtbogenstabilität zu bieten, beträgt die übliche Mischung 25 % Ar / 75 % He. Schließlich wird Vorhandschweißen (Forehand Welding) empfohlen, wenn diese Methode an einem Kupferstück mit schmalem Weben oder Stringer-Perlen durchgeführt wird.

Manuelles Metall-Lichtbogenschweißen (MMAW / Stab)

Diese Methode wird hauptsächlich für Reparatur- oder Wartungsschweißen an Kupfer und Kupferlegierungen verwendet. Das empfohlene Füllmaterial für diese Methode ist die ECuSn-C-Elektrode. Eine weitere Empfehlung ist die Verwendung einer Gleichstrom-Elektrode positiv (DC+) mit Stringer-Perlen-Technik. Wenn dieses Füllmaterial verwendet wird, kann die MMAW-Methode bei Folgendem helfen:

• Schweißen von Kupfer auf andere Metalle
• Kleine Reparaturen an dünnen Kupferstücken
• Nahtverbindungen mit eingeschränktem Zugang

Dies sind die drei gängigsten Methoden zum Kupferschweißen. Nun, da Sie grundlegende Informationen zu jeder Methode haben, können Sie eine Technik/Methoden wählen, die am besten zu Ihren Bedürfnissen und der auszuführenden Arbeit passt. Unabhängig von der gewählten Methode zum Kupferschweißen müssen Sie jedoch einige grundlegende Schritte befolgen, um eine effektive Naht zu erzeugen. Diese Schritte besprechen wir im nächsten Abschnitt.

Die wichtigsten Schritte beim Kupferschweißen

Wenn Sie Kupfer selbst schweißen, müssen Sie die kritischen Schritte kennen, die für ein effektives Kupferschweißen involviert sind. Es sind 11 Schritte beim DIY-Kupferschweißen involviert. Indem Sie diese Schritte in der folgenden Reihenfolge ausführen, werden Sie in der Lage sein, eine extrem haltbare Kupferschweißnaht zu erzeugen.

#1. Sicherheit gewährleisten

Wenn Sie Kupfer selbst schweißen möchten, ist das erste, was Sie tun müssen, Ihre Sicherheit zu gewährleisten. Egal welches Metall Sie schweißen, Sie müssen angemessene Vorsichtsmaßnahmen treffen, bevor Sie mit dem Schweißen beginnen. Das Versäumnis, dies zu tun, kann Sie dem Verletzungsrisiko aussetzen.

Welche Vorsichtsmaßnahmen können Sie vor dem Kupferschweißen treffen? Sie müssen Schutzausrüstung anlegen, sicherstellen, dass keine brennbaren Gegenstände in Ihrer Nähe sind, und in einem sauberen Bereich oder einem Bereich ohne Fremdmaterialien arbeiten.

Sicherheitsvorkehrungen sind besonders wichtig beim Kupferschweißen, da Kupfer ein extrem guter Stromleiter ist und Sie einen elektrischen Schlag erleiden können, wenn Sie das Metall mit bloßen Händen handhaben.

Zusätzlich zum Risiko eines elektrischen Schlags kann das Kupferschweißen Sie giftigen Gasen aussetzen. Deshalb sollten Sie nicht bei Lederhandschuhen und Schutzkleidung aufhören, um Ihre Sicherheit beim Kupferschweißen zu gewährleisten. Stattdessen sollten Sie auch eine Atemschutzmaske und Augenschutz in Ihre Schutzausrüstung aufnehmen.

#2. Oberfläche vorbereiten

Die Oberflächenvorbereitung für das Kupferschweißen bedeutet, den Schweißbereich frei von Fett, Öl, Farbe, Schmutz und anderen Fremdpartikeln zu halten, bevor Sie mit dem Schweißen beginnen. Warum müssen Sie den Schweißbereich frei von diesen Partikeln halten? 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 auch vor dem Schweißen reinigen. Wie können Sie den Schweißbereich und das Kupfer reinigen? Mit einer Bronzedrahtbürste und einem geeigneten Reinigungsmittel. Zuerst mit der Drahtbürste, dann mit dem Reinigungsmittel entfetten. Achten Sie auch darauf, den Oxidfilm, der sich während des Schweißens bildet, nach jedem Nahtlauf mit einer Drahtbürste zu entfernen.

#3. Vorwärmen

Warum ist es wichtig, Kupfer vor dem Schweißen vorzuwärmen? Weil dieses Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Dies ist besonders wichtig, wenn die Dicke des Kupfermetalls mehr als 0,25 mm (0,01 Zoll) beträgt. Sie sollten alle zu schweißenden Segmente gleichmäßig vorwärmen.

Da Kupfer Wärme schnell von der Nahtverbindung in das umgebende Grundmetall ableiten kann, ist eine hohe Vorwärmtemperatur erforderlich, um dicke Kupferabschnitte zu schweißen. Die Temperatur hängt von der Dicke des Metalls ab und kann zwischen 10 °C und 400 °C (50 °F bis 752 °F) liegen.

Wenn Sie jedoch Kupferlegierungen schweißen, können Sie diesen Abschnitt überspringen, da die thermische Diffusivität in diesem Fall viel niedriger ist als bei Kupfer. Falls Sie Kupfer und nicht Kupferlegierung schweißen, müssen Sie die geeignete Vorwärmtemperatur für Ihre Anwendung wählen. Sie müssen besondere Aufmerksamkeit auf das zu schweißende Kupfer, seine Grundmetalldicke, das Schweißverfahren und sogar die Gesamtmasse des Schweißguts richten.

Zusätzlich zum Obigen ist ein weiterer wichtiger Punkt, die Hitze so weit wie möglich auf einen lokalisierten Bereich zu beschränken; dies hilft Ihnen, sicherzustellen, dass nicht zu viel Material in einem Temperaturbereich ist, der zu einem Verlust an Duktilität führt.

Zudem sollten Sie die Vorwärmtemperatur beibehalten, bis die Naht geschweißt ist. Nachdem Sie mit dem Schweißen beginnen, beginnt die Hitze des vorgewärmten Kupfers zu dissipieren, was das Rissrisiko senkt.

#4. Nahtdesign berücksichtigen

Ein weiterer wichtiger Schritt beim effektiven Kupferschweißen ist die Berücksichtigung des Nahtdesigns. Was beinhaltet dies? Zunächst müssen Sie den Abstand zwischen den Nähten betrachten. Idealerweise sollten Sie diesen Abstand innerhalb bestimmter Toleranzen basierend auf dem Grundmetall und der verwendeten Hartlotlegierung kontrollieren. Der optimale Spalt für Nähte liegt jedoch zwischen 0,04 und 0,20 mm.

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Nahtüberlappung. Die ideale Nahtüberlappung wird mindestens dreimal so dick sein wie der dünnste Teil, den Sie verbinden müssen. Sie sollten versuchen, so wenig Material wie möglich zu verwenden, da dies Ihnen hilft, die gewünschte Festigkeit zu erreichen.

#5. Flamme einstellen

Wenn Sie eine effektive Kupferschweißnaht erzeugen möchten, müssen Sie die Flamme angemessen einstellen. Das Beste wäre, eine neutrale Flamme zu verwenden. Was bedeutet eine neutrale Flamme? Eine neutrale Flamme ist eine Flamme, die so eingestellt ist, dass gleiche Mengen Acetylen und Sauerstoff mit derselben Rate gemischt werden. Ein weiterer kritischer Punkt ist die klare Definition des weißen inneren Kegels und die Sicherstellung, dass kein Schleier vorhanden ist.

#6. Flussmittel entfernen

Wenn Flussmittel verwendet wurde, müssen Sie den Rückstand auf eine der folgenden Arten entfernen:

• Bürsten mit Draht und Dämpfen
• Bürsten mit Draht und Abspülen mit heißem Wasser
• Verdünnen in heißem Natronlaugenbad

Wenn Sie das Flussmittel nicht vollständig entfernen, kann dies zur Schwächung und sogar zum Versagen der Naht führen.

Füllmaterial wählen

Die Wahl des richtigen Füllmaterials ist einer der kritischsten Schritte beim effektiven Kupferschweißen. Die Wahl des richtigen Füllmaterials hilft beim Schweißen eines Kupferstücks, das stärker ist als das Grundmetall. Das beste oder am besten geeignete Füllmaterial für das Kupferschweißen hängt von der Korrosionsbeständigkeit des Metalls, der erforderlichen Festigkeit der Naht, der Betriebstemperatur und den beteiligten Kosten ab.

Für die besten Ergebnisse sollten Sie ein Füllmetall mit Silizium (Si) oder Mangan (Mn) Gehalt als Entoxidationsmittel wählen. Dies gilt unabhängig davon, ob Sie die GMAW-, GTAW- oder MMAW-Methode zum Kupferschweißen verwenden.

Bei Füllmaterialien für das Kupferschweißen sind die am meisten empfohlenen und häufig verwendeten Materialien ERCu und ERCuSi-A. Ersteres erleichtert die Fließfähigkeit, da es sowohl Si als auch Mn mit Zinn (Sn) enthält. Andererseits sollten Sie ERCuSi-A-Füllmaterial wählen, wenn Sie P-oxidiertes Kupfer schweißen möchten; es ist auch eine gute Option beim Schweißen von hartem Pech-Kupfer, das sowohl Si als auch Mn als Entoxidationsmittel enthält.

Kupfer-Löten (Weichlöten)

Löten, eine der frühesten Methoden zum Verbinden von Metall, beinhaltet das Erhitzen von Füllmetall (in Form eines Zusatzdrahts), sodass es schmilzt und Nähte füllt. Weichlöten ist der einfachste Prozess und der, der häufig im und um das Haus zur Reparatur kleiner Metallgegenstände verwendet wird. Es ist auch die Methode, die Klempner verwenden, um Kupferrohre und Kupferarmaturen zu verbinden und zu reparieren.

Sie können einen kostengünstigen Lötkolben oder einen Brenner mit geeignetem Flussmittel für Weichlöten verwenden. Hartlöten beinhaltet das Erhitzen der Füllmaterialien auf eine viel höhere Temperatur, sodass die Naht viel stärker ist als andere gelötete Nähte.

Das Füllmaterial ist anders und enthält meist Silber, weshalb die Technik oft als Silberhartlöten bezeichnet wird. Echtes Hartlöten wird jedoch bei noch höheren Temperaturen ausgeführt.

Kupfer-Hartlöten (Brazing)

Hartlöten ist im Wesentlichen eine dem Löten ähnliche Technik und nutzt dieselbe Art von Füllmaterial (Draht oder Hartlotstab), das für das Löten verwendet wird. Nähte müssen sehr passgenau sein, damit die Kapillarwirkung das Füllmetall zwischen die zu verbindenden Kupferstücke ziehen kann.

Auch wenn die verwendeten Temperaturen erheblich höher sein müssen als die für das Löten erforderlichen, darf das Grundmetall nicht auf den Schmelzpunkt erhitzt werden.

Hartlöten wird umfangreich für Sanitärarbeiten verwendet, kann aber auch zum Verbinden verschiedener Metalltypen sowie von Metallwerkstücken unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden.