Kaltpressschweißen: Arten, Vor- und Nachteile, Ausrüstung

Das Kaltpressschweißen, auch bekannt als Kaltschweißen oder Festkörperschweißen, ist ein innovatives Fügeverfahren, das hochfeste metallische Verbindungen ohne Wärmeeinwirkung herstellt. Dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip der plastischen Verformung, um eine Verbindung auf atomarer Ebene zwischen zwei Metalloberflächen bei Raumtemperatur herzustellen.

Beim Kaltpressschweißen wird eine erhebliche Druckkraft auf die Metallgrenzflächen ausgeübt, die in der Regel die Streckgrenze der Werkstoffe übersteigt. Dieser starke Druck verursacht eine lokale plastische Verformung, die zwei wichtige Funktionen erfüllt:

1. Unterbrechung der Oberflächenoxide: Durch den plastischen Fluss werden Oberflächenverunreinigungen und Oxidschichten gewaltsam von der Grenzfläche verdrängt, wodurch saubere, neu entstehende Metalloberflächen freigelegt werden.
2. Atomare Diffusion: Der extreme Druck bringt die sauberen Metalloberflächen in engen Kontakt, was die atomare Diffusion über die Grenzfläche und die Bildung von Metallverbindungen ermöglicht.

Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Schmelzschweißmethoden:

1. Fehlen einer Wärmeeinflusszone (WEZ): Durch den Wegfall der Wärmezufuhr bleiben beim Kaltschweißen das ursprüngliche Gefüge und die mechanischen Eigenschaften der Grundmetalle erhalten.
2. Keine Erweichung oder Versprödung: Das Verfahren vermeidet thermisch bedingte Phänomene wie Kornwachstum, Phasenumwandlungen oder die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen.
3. Minimale Eigenspannungen: Das Verfahren bei Raumtemperatur reduziert thermische Spannungen und Verzug erheblich.

Das Kaltpressschweißen eignet sich besonders gut zum Verbinden von hochverformbaren Metallen und Legierungen, wie z. B.:

• Aluminium und seine Legierungen
• Kupfer und Kupferlegierungen
• Silber
• Gold
• Einige Sorten von rostfreiem Stahl

Das Verfahren findet in verschiedenen Branchen Anwendung, darunter in der Elektro- und Elektronikindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Schmuckherstellung. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass das Verfahren Grenzen hat, wie z. B. die Notwendigkeit extrem sauberer Oberflächen und die mangelnde Eignung für die Verbindung unterschiedlicher Metalle mit sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.

Prinzip der Kaltverschweißung

Das Kaltpressschweißen, auch Festkörperschweißen genannt, ist ein Fügeverfahren, das auf der Anwendung von hohem Druck bei Raumtemperatur beruht, um eine metallurgische Verbindung zwischen zwei Werkstücken herzustellen. Das Prinzip dieser Technik beruht im Wesentlichen auf plastischer Verformung und atomarer Diffusion.

Während des Prozesses wird ein erheblicher Druck auf die Werkstücke ausgeübt, was zu einer erheblichen lokalen plastischen Verformung an der Grenzfläche führt. Diese Verformung erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

1. Unterbrechung der Oxidschicht: Die aufgebrachte Kraft bricht die natürlich vorkommenden Oxidschichten auf den Metalloberflächen auf, die in der Regel eine Verbindung verhindern.
2. Oberflächenausdehnung: Wenn sich die Materialien verformen, werden frische, nicht kontaminierte Metalloberflächen freigelegt und in engen Kontakt gebracht.
3. Atomare Wechselwirkung: Durch die unmittelbare Nähe sauberer Metalloberflächen kommen interatomare Kräfte ins Spiel, die die Bildung von Metallverbindungen an der Grenzfläche erleichtern.

Beim Kaltpressstumpfschweißen umfasst das Verfahren in der Regel die folgenden Schritte:

1. Vorbereitung: Die Werkstücke werden gründlich gereinigt und in einer speziellen Vorrichtung präzise positioniert, wobei eine bestimmte Länge über die Einspannstelle hinausgeht.
2. Aufstoßen: Die bewegliche Vorrichtung bewegt sich vorwärts und übt Druck aus, um eine kontrollierte plastische Verformung zu bewirken. Die Größe dieser Stauchkraft wird sorgfältig auf der Grundlage der Materialeigenschaften und der Querschnittsfläche der Werkstücke kalibriert.
3. Extrusion: Durch die anfängliche Verformung wird ein Teil des Oberflächenmaterials und der Verunreinigungen aus der Verbindungsstelle herausgedrückt, wodurch die Oberflächenreinheit weiter verbessert wird.
4. Bindung: Die fortgesetzte Anwendung von Druck fördert die Diffusion von Atomen und die Ausrichtung der Kristallstruktur an der Grenzfläche, was zu einer Festkörperbindung führt.
5. Wiederholung: Je nach Materialeigenschaften kann dieser Stauchvorgang 1-3 Mal wiederholt werden, um eine optimale Haftfestigkeit zu gewährleisten.

Zu den wichtigsten Faktoren, die den Erfolg des Kaltpressschweißens beeinflussen, gehören:

1. Angewandter Druck: Eine ausreichende Kraft ist unerlässlich, um die notwendige plastische Verformung herbeizuführen und die atomare Bindung zu fördern. Beim Schweißen in einem engen Formhohlraum können sogar noch höhere Drücke erforderlich sein.
2. Plastizität des Materials: Die Werkstoffe des Werkstücks müssen eine ausreichende Tieftemperaturplastizität aufweisen, um die erforderliche Verformung ohne Bruch zu erfahren.
3. Thermische Effekte: Obwohl es sich um einen "kalten" Prozess handelt, führt die plastische Verformung zu einer lokalen Erwärmung, die die atomare Diffusion und Bindung fördern kann.
4. Zeit: Die Dauer der Druckanwendung beeinflusst das Ausmaß der atomaren Diffusion und der Bindungsbildung.
5. Oberflächenbedingungen: Sauberkeit und Oberflächenrauheit spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzielung hochwertiger Schweißnähte.

Es ist wichtig zu wissen, dass das Kaltpressschweißen bei Werkstoffen mit einer hohen Duktilität bei Raumtemperatur am effektivsten ist. Stark kaltverfestigte oder naturharte Werkstoffe können eine Herausforderung darstellen und erfordern möglicherweise modifizierte Ansätze oder alternative Fügeverfahren.

In der Industrie wird das Kaltpressschweißen zum Verbinden ähnlicher und ungleicher Metalle eingesetzt, insbesondere in der Elektro- und Elektronikindustrie, wo Wärmeeinflusszonen unerwünscht sind. Das Verfahren bietet Vorteile wie keine Wärmeeinflusszone, keine Zusatzwerkstoffe und die Möglichkeit, ungleiche Metalle zu verbinden, hat aber auch Einschränkungen in Bezug auf die Verbindungsgeometrie und die Materialeignung.

Kaltverschweißung Typ

Je nach Art der Verbindung kann das Kaltpressschweißen in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Überlappungs-Kaltpressschweißen und Stumpf-Kaltpressschweißen.

(1) Überlappende Kaltpressschweißung

Beim Lappen-Kaltpressschweißen werden die Werkstücke in einer überlappenden Anordnung positioniert und mit einem speziell entwickelten Eindringkörper Druck ausgeübt. Der Prozess ist abgeschlossen, wenn der Eindringkörper bis zur vorgegebenen Tiefe eingedrückt wurde, wodurch eine feste Verbindung zwischen den überlappenden Flächen entsteht. Diese Methode lässt sich in zwei weitere Kategorien unterteilen:

a) Überlappendes Punktschweißen: Verwendet einen säulenförmigen Eindringkörper, um einzelne Schweißpunkte zu erzeugen.
b) Überlappungsnahtschweißen: Mit einem Rollendrücker werden durchgehende Schweißnähte erzeugt.

Das Überlappnahtschweißen lässt sich je nach der verwendeten Technik und den verwendeten Werkzeugen in Rollschweißen, Muffenschweißen und Extrusionsschweißen unterteilen.

Das Lappen-Kaltpressschweißen eignet sich besonders gut zum Verbinden dünner Materialien wie Folien und Bleche, bei denen herkömmliche Schmelzschweißverfahren schwierig sind oder zu Verformungen führen können.

(2) Stumpfes Kaltpressschweißen

Beim Stumpfkaltpressschweißen werden die Werkstücke in gegenüberliegenden Backen eingespannt und etwas über die Spannstelle hinaus verlängert. Dann wird ein erheblicher Stauchdruck ausgeübt, der eine radiale plastische Verformung in den verlängerten Teilen bewirkt. Diese Verformung dient zwei entscheidenden Zwecken:

a) Es extrudiert Oberflächenverunreinigungen und bildet einen Metallgrat um die Verbindung.
b) Sie bringt atomar saubere Metalloberflächen in engen Kontakt und erleichtert die Festkörperbindung.

Das Ergebnis ist eine Schweißverbindung mit hoher Integrität, die ohne Schmelzen der Grundwerkstoffe entsteht. Diese Technik wird in erster Linie zur Herstellung von Stumpfnähten in Metalldrähten, -stangen oder -rohren verwendet und kann sowohl ähnliche als auch ungleiche Metalle verbinden.

Das Kaltpressstumpfschweißen bietet mehrere Vorteile, darunter die Möglichkeit, Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Schmelzpunkten zu verbinden, minimale Wärmeeinflusszonen und die Erhaltung der Mikrostruktur des Grundmaterials.

Ausrüstung für das Kaltschweißen

Zu den Geräten für das Kaltpressschweißen gehören in erster Linie Kaltpresszangen und Kaltpressschweißmaschinen, die jeweils für spezifische Anwendungen bei Metallverbindungsverfahren konzipiert sind.

Kaltpresszangen werden vor allem für das Kaltpress-Stumpfschweißen verwendet und eignen sich besonders für Installationen vor Ort. Diese Zangen sind in der Lage, Aluminiumleiter mit einem Durchmesser von 1,2 bis 2,3 mm zu schweißen, wodurch sie in Kabelschweißanlagen weit verbreitet sind. Dank ihrer Tragbarkeit und Präzision sind sie ideal für Arbeiten vor Ort, bei denen es auf Flexibilität ankommt.

Das Kaltpressschweißverfahren umfasst zwei Haupttechniken: Stumpfschweißen und Punktschweißen. Die Kaltpress-Stumpfschweißmaschine ist die am häufigsten verwendete Technik. Diese hochentwickelte Anlage umfasst mehrere Schlüsselkomponenten, darunter einen robusten Rahmen, einen Präzisionsmaschinenkopf, einen fortschrittlichen Vorschubmechanismus, eine Hochleistungsscherenvorrichtung und verschiedene Hilfskomponenten. Diese umfassende Konstruktion gewährleistet eine optimale Schweißleistung bei einer Vielzahl von Anwendungen.

In der Kommunikationsinfrastruktur, bei der Herstellung von Stromkabeln und in der Produktion von kleinen Transformatoren werden Schweißteile mit großem Querschnitt in der Regel mit Kaltpressschweißmaschinen verbunden. Diese Maschinen sind in der Lage, große Werkstücke mit hoher Präzision zu bearbeiten. Ein kritischer Faktor für die Leistung der Maschine ist die Strukturgröße der Kaltpressschweißmatrize, die den Schweißdruck erheblich beeinflusst. Folglich ist die Konstruktion der Matrize für die Konstrukteure von Kaltpressschweißmaschinen von größter Bedeutung und erfordert sorgfältige Berechnungen und eine sorgfältige Materialauswahl, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Für die Endnutzer von Kaltpressschweißmaschinen ist es wichtig zu wissen, dass die Strukturgröße der Matrize während des Herstellungsprozesses der Schweißanlage festgelegt wird. Sobald die Maschine hergestellt ist, bleibt dieser Parameter fest. Dennoch kann der Bediener den Schweißprozess optimieren, indem er auf der Grundlage der technischen Spezifikationen des Maschinenherstellers einen geeigneten Schweißdruck wählt. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung des Schweißvorgangs, um verschiedene Materialien und Verbindungskonfigurationen innerhalb der Möglichkeiten der Maschine zu berücksichtigen.

Um eine gleichbleibende Schweißqualität und Effizienz zu gewährleisten, sollten die Anwender den Schweißdruck regelmäßig entsprechend den Materialeigenschaften, der Fugengeometrie und den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Schweißaufgabe kalibrieren. Darüber hinaus ist die Wartung der Matrizen und anderer kritischer Komponenten der Kaltpressschweißmaschine von entscheidender Bedeutung für die Verlängerung der Lebensdauer der Geräte und die Aufrechterhaltung einer optimalen Leistung.

Kaltverschweißung Charakteristisch

Vorteile

Das Kaltschweißen ist ein Fügeverfahren im festen Zustand, das mehrere Vorteile bietet:

1. Material- und Energie-Effizienz: Das Verfahren erfordert keine zusätzlichen Schweißzusätze wie Zusatzwerkstoffe oder Flussmittel. Da das Verfahren bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird, sind keine Heizgeräte erforderlich, was zu niedrigeren Betriebskosten, einer vereinfachten Werkzeugausstattung und erheblichen Energieeinsparungen führt. Da es keine Wärmeeinflusszone (WEZ) gibt, bleiben die Eigenschaften des Grundmaterials erhalten.
2. Saubere und korrosionsbeständige Verbindungen: Da kein Flussmittel verwendet wird, ist eine Reinigung nach dem Schweißen nicht erforderlich, und das Risiko einer flussmittelbedingten Korrosion während des Betriebs ist ausgeschlossen. Dies trägt zu einer verbesserten Integrität und Langlebigkeit der Verbindung bei.
3. Vereinfachte Prozesssteuerung: Die Schweißparameter werden in erster Linie durch die Geometrie der Matrize und den ausgeübten Druck bestimmt, wodurch komplexe Einstellungen von Strom, Spannung oder Schweißgeschwindigkeit, wie sie bei Schmelzschweißverfahren üblich sind, überflüssig werden.
4. Vielseitigkeit beim Verbinden von Materialien: Das Kaltschweißen eignet sich hervorragend zum Verbinden unterschiedlicher Metalle, unabhängig von ihrer metallurgischen Kompatibilität, und bietet eine größere Flexibilität bei der Konstruktion und Möglichkeiten zur Materialoptimierung.
5. Hervorragende Verbindungseigenschaften: Das Fehlen einer wärmebeeinflussten Zone verhindert eine Erweichung oder die Bildung spröder intermetallischer Phasen. Dies führt zu einer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit an der Verbindungsstelle. Der Prozess führt zu einer Kaltverfestigung, die häufig zu Verbindungsfestigkeiten führt, die denen der Grundmetalle entsprechen oder diese übertreffen.
6. Mikrostrukturelle Integrität: Begrenzte atomare Diffusion an der Verbindungsstelle fördert die interkristalline Bindung ohne wesentliche mikrostrukturelle Veränderungen, wodurch die Materialeigenschaften erhalten bleiben.
7. Prozessstabilität und Arbeitsbedingungen: Das Kaltschweißverfahren reagiert weniger empfindlich auf Stromschwankungen und bietet bessere Arbeitsbedingungen, da es keine Dämpfe, Spritzer oder große Hitze wie beim Schmelzschweißen gibt.

Benachteiligungen

Trotz seiner Vorteile hat das Kaltschweißen einige Einschränkungen:

Kosten der Ausrüstung: Hochleistungs-Kaltschweißmaschinen, die die erforderlichen Drücke erzeugen können, können teuer sein, was die breite Anwendung in kleineren Betrieben einschränken kann.

Lokale Verformung: Die hohen Drücke, die erforderlich sind, können zu erheblichen lokalen Verformungen führen, insbesondere bei Überlappungsverbindungen, die die Teilegeometrie und die Oberflächengüte beeinträchtigen können.

Bildung von intermetallischen Verbindungen bei ungleichen Metallen: Beim Verbinden bestimmter ungleicher Metalle (z. B. Cu und Al) können sich nach dem Schweißen bei erhöhten Temperaturen spröde intermetallische Verbindungen bilden, die die Duktilität und elektrische Leitfähigkeit der Verbindung beeinträchtigen. Dies schränkt die Hochtemperaturleistung solcher Verbindungen ein.

Größen- und Materialbeschränkungen: Das Verfahren wird durch die Kapazität der Schweißausrüstung eingeschränkt, wodurch die Dicke von Überlappverbindungen und die Querschnittsfläche von Stumpfverbindungen begrenzt sind. Außerdem wird die Härte der zu verbindenden Materialien durch die mechanischen Eigenschaften der Schweißwerkzeuge begrenzt.

Oberflächenvorbereitung: Erfolgreiches Kaltschweißen erfordert oft eine sorgfältige Oberflächenvorbereitung, um Oxide und Verunreinigungen zu entfernen, was die Bearbeitungszeit und Komplexität erhöhen kann.

Begrenzte Verbindungskonfigurationen: Das Kaltschweißen eignet sich in erster Linie für einfache Verbindungsgeometrien wie Überlappungs- und Stumpfverbindungen, was seine Anwendbarkeit bei komplexen Baugruppen einschränkt.