Nichteisenmetalle | Geheimtipps zum Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen

Einfluss hoher Wärmeleitfähigkeit
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit, des hohen Längenausdehnungskoeffizienten und der hohen Schrumpfungsrate von Kupfer und Kupferlegierungen schmilzt das Grundmaterial beim Schweißen mit ähnlichen Parametern wie bei niedriggekohltem Stahl gleicher Dicke nur schwer, und das Schweißzusatzmaterial verbindet sich nicht gut mit dem Grundmaterial, was zu unvollständigem Durchschweißen führt. Auch die Verformung nach dem Schweißen ist stark und das Erscheinungsbild unbefriedigend. Daher ist selbst bei hoher Wärmeleitfähigkeit und hohen Schweißparametern die Schweißnaht nicht optimal.Leistung Für das Schweißen wird eine Wärmequelle benötigt; eine Vorwärmung oder eine synchrone Erwärmung während des Schweißens ist erforderlich. Je dicker das Grundmaterial ist, desto stärker ist die Wärmeabfuhr und desto schwieriger ist es, die Schmelztemperatur zu erreichen.

Hohe Heißrissneigung von Schweißverbindungen
Beim Schweißen kann Kupfer mit seinen Verunreinigungen verschiedene niedrigschmelzende Eutektika bilden. Zudem erfahren Kupfer und Kupferlegierungen beim Erhitzen keine allotrope Umwandlung, wodurch sich in Kupferschweißnähten zahlreiche Säulenkristalle bilden. Gleichzeitig erhöhen der hohe Längenausdehnungskoeffizient und die hohe Schrumpfungsrate von Kupfer und Kupferlegierungen die Spannungen in den Schweißverbindungen und verstärken somit die Heißrissneigung. Daher werden beim Schmelzschweißen häufig folgende Maßnahmen ergriffen: ① Strenge Begrenzung des Verunreinigungsgehalts im Kupfer, insbesondere des Sauerstoffgehalts; ② Zugabe von Legierungselementen wie Silizium, Mangan und Phosphor über die Schweißdrähte zur Verbesserung der Desoxidationsfähigkeit der Schweißnaht; ③ Auswahl von Schweißdrähten, die eine Zweiphasenstruktur bilden können, um das Schweißkorn zu verfeinern.

Porosität
Die Neigung zur Porositätsbildung beim Schmelzschweißen ist bei Kupfer deutlich stärker ausgeprägt als bei kohlenstoffarmem Stahl. Die entstehende Porosität verteilt sich nahezu über die gesamte Schweißnaht und besteht hauptsächlich aus Diffusionsporosität durch gelösten Wasserstoff und reaktiver Porosität durch Redoxreaktionen. Um die Porosität in Kupferschweißnähten zu reduzieren oder zu eliminieren, sollten daher vor allem die Wasserstoff- und Sauerstoffquellen verringert und durch Vorwärmen die Verweildauer des Schmelzbades verlängert werden, um das Entweichen von Gasen zu erleichtern.

Veränderungen der Gelenkleistung
Beim Schmelzschweißen kommt es aufgrund von Kornwachstum, dem Einbau von Verunreinigungen und Legierungselementen sowie der Oxidation und Verdampfung nützlicher Legierungselemente zu Veränderungen der Verbindung. Dazu gehören eine verminderte Plastizität, eine reduzierte elektrische Leitfähigkeit, eine geringere Korrosionsbeständigkeit und Kornvergröberung. Um die Eigenschaften der Verbindung zu verbessern, sind neben der Minimierung thermischer Einflüsse und der Durchführung einer Spannungsarmglühung nach dem Schweißen die wichtigsten Maßnahmen die Kontrolle des Verunreinigungsgehalts, die Modifizierung der Schweißnaht durch Legierungen und die Auswahl von Werkstoffen entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Kupferlegierungsverbindungen.

Elektroden
Elektroden für das Lichtbogenhandschweißen werden in drei Kategorien unterteilt: Reinkupfer, Bronze und Kupfernickel (siehe Kapitel 2). Aufgrund der leichten Verdampfung von Zink in Messing wird das Lichtbogenhandschweißen für Messing selten angewendet. Die Elektroden werden in der Regel anhand der Zusammensetzung des Grundwerkstoffs ausgewählt, wobei ein Kerndraht mit entsprechender Zusammensetzung verwendet wird. Für Messing werden üblicherweise Bronzeelektroden wie ECuSi und ECuSnB verwendet. Reinkupferelektroden (Modell ECu) besitzen eine wasserstoffarme Umhüllung und werden zum Schweißen von desoxidiertem Kupfer oder sauerstofffreien Kupferbauteilen eingesetzt. Die Elektroden müssen vor Gebrauch gründlich getrocknet werden. Kupfer- und Kupferlegierungselektroden entsprechen der Norm GB/T3670—1995 „Kupfer- und Kupferlegierungselektroden“; siehe hierzu die spezifischen Auswahlkriterien.

Schweißdrähte und Flussmittel für das Unterpulverschweißen
Das Unterpulverschweißen zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad des Lichtbogens und einen guten Schutz des Schmelzbades aus. Das Schweißverfahren für große und mitteldicke Werkstücke entspricht im Prinzip dem für Stahl, erfordert jedoch in bestimmten Arbeitsgängen spezielle Maßnahmen. Hochmangan- und hochsiliziumhaltiges Flussmittel HJ431 kann verwendet werden, jedoch kann es zu einem Übergang von Legierungselementen in die Schweißnaht kommen. Für Werkstücke mit hohen Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit werden HJ260 und HJ150 bevorzugt. Zum Schweißen von Reinkupfer und Messing werden Reinkupfer- oder Bronzedrähte verwendet. Kupfer- und Kupferlegierungsschweißdrähte entsprechen der Norm GB/T 9460-2008 „Kupfer- und Kupferlegierungsschweißdrähte“; dies ist für die spezifische Auswahl zu beachten.

Schweißdrähte und Schutzgase für das Schutzgasschweißen
Für das Schweißen dünner und mitteldicker Kupferplatten wird das Schutzgasschweißen zunehmend durch das Metall-Schutzgasschweißen ersetzt. Nicht abschmelzende Elektroden sind in der Regel Thorium-Wolfram-Elektroden. Beim Schutzgasschweißen werden Zusammensetzung und Eigenschaften der Schweißnaht hauptsächlich über den Schweißdraht an die Anforderungen des Werkstücks angepasst. Daher werden für das Schweißen von Reinkupfer üblicherweise sauerstofffreie Kupferdrähte wie SCu1898 verwendet. Für das Schweißen von normalem Messing kommen Zinnbronzedrähte mit sauerstofffreiem Kupfer und Desoxidationsmitteln wie SCu5210 zum Einsatz. Für hochfestes Messing werden Siliziumbronzedrähte oder Aluminiumbronzedrähte mit Bronze und Desoxidationsmitteln wie SCu6560 und SCu6100A verwendet. Für das Schweißen von Kupfernickel können Kupfernickeldrähte wie SCu7158 gewählt werden. Für das Schweißen von Bronze werden entsprechende Bronzedrähte verwendet. Das Prinzip der Drahtauswahl ist beim Schutzgasschweißen mit und ohne abschmelzende Elektroden gleich. Bei Stumpfstößen mit geraden Fasen und einer Dicke unter 3 mm ist kein Schweißdraht erforderlich; bei Dicken über 3 mm ist Schweißdraht üblicherweise notwendig; und bei Dicken über 12 mm wird das Schweißen mit abschmelzendem Schutzgas bevorzugt. Üblicherweise wird Argon als Schutzgas verwendet; in Sonderfällen, wie z. B. beim Schweißen von Reinkupfer oder Kupferlegierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wo Vorwärmen nicht zulässig ist und eine größere Einbrandtiefe erforderlich ist, kann ein Gemisch aus 70 % Argon und 30 % Helium (Volumenprozent) verwendet werden. Der Hauptvorteil des Mischgases besteht darin, dass es die Benetzbarkeit des Schweißguts verbessert und die Schweißqualität erhöht. Kupfer- und Kupferlegierungsschweißdrähte entsprechen der Norm GB/T9460-2008 „Kupfer- und Kupferlegierungsschweißdrähte“; für die spezifische Auswahl.