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Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen: Erläutert

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Kupfer und Kupferlegierungen werden aufgrund ihrer einzigartigen und überragenden umfassenden Eigenschaften häufig verwendet. Kupfer und Kupferlegierungen haben eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit in Süßwasser, Salzwasser, alkalischen Lösungen und organischen Chemikalien.

Sie sind jedoch anfällig für Korrosion in oxidierenden Säuren. Kupferlegierungen sind gut kalt- und warmverarbeitbar und weisen eine höhere Festigkeit auf. Kupfer und Kupferlegierungen sind in der Elektro-, Elektronik-, Chemie-, Lebensmittel-, Energie-, Transport-, Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsindustrie weit verbreitet.

Es gibt verschiedene Arten von Kupfer und Kupferlegierungen, die in der industriellen Produktion hergestellt werden, und die meisten Länder klassifizieren sie auf der Grundlage ihrer chemischen Zusammensetzung. Kupfer und Kupferlegierungen können unterteilt werden in reines Kupfer, Messing, Bronze und weißes Kupferund andere.

Weichgeglühtes reines Kupfer wird im Allgemeinen für Schweißkonstruktionen verwendet. Gängige Arten von reinem Kupfer sind T1, T2, T3, T4 und desoxidiertes Kupfer (sauerstofffreies Kupfer) TU1, TU2 usw. Messing ist eine Kupferlegierung, die hauptsächlich aus Zink besteht.

Zu den häufig verwendeten Messing- und Sondermessinglegierungen gehören H62, H68, H96, HPb59-1, HSn62-1, usw. Ursprünglich bezog sich der Begriff Bronze auf Kupfer-Zinn-Legierungen, aber heute wird er allgemein zur Beschreibung von Kupferlegierungen verwendet, die kein Zink oder Nickel als primäres Legierungselement enthalten. Allgemein Arten von Bronze Dazu gehören Zinnbronze (QSn4-3), Aluminiumbronze (QAl9-2), Siliziumbronze (QSi3-1), usw.

Darüber hinaus werden Kupferlegierungen mit Nickel als Hauptlegierungselement als Weißkupfer bezeichnet.

1. Schweißbarkeit von Kupfer und Kupferlegierungen

Die Schweißbarkeit von Kupfer und Kupferlegierungen ist vergleichsweise schlecht, was das Schweißen im Vergleich zu kohlenstoffarmen Stählen deutlich erschwert. Die Hauptschwierigkeiten sind in den folgenden Aspekten zu sehen:

(1) Unzureichende Fähigkeit zur Schweißnahtbildung:

Beim Schweißen von Kupfer und den meisten Kupferlegierungen kommt es häufig zu Schwierigkeiten beim Schmelzen, unvollständiger Durchdringung der Verbindung und schlechter Oberflächenbildung. Dies ist hauptsächlich auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zurückzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und den meisten Kupferlegierungen ist 7 bis 11 Mal höher als die von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl.

Infolgedessen wird die Wärme schnell aus dem Gehäuse abgeleitet. Schweißzone. Je dicker das Werkstück ist, desto stärker ist die Wärmeabgabe. Obwohl Kupfer im Vergleich zu Eisen einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine geringere spezifische Wärmekapazität hat, ist es immer noch schwierig, die Schmelztemperatur in der Schweißzone zu erreichen, was das Verschmelzen von Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff erschwert.

Darüber hinaus führt die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zu einer breiteren Wärmeeinflusszone, was bei einer geringen Steifigkeit des Werkstücks zu erheblichen Verformungen führen kann. Umgekehrt kann es bei hoher Steifigkeit zu erheblichen Schweißspannungen innerhalb des Werkstücks kommen.

Die schlechte Oberflächenbildung bei Kupfer und Kupferlegierungen ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Oberflächenspannung beim Schmelzen ein Drittel derjenigen von Stahl beträgt und die Fließfähigkeit 1 bis 1,5 Mal höher ist als bei Stahl, was die Anfälligkeit für Metallverluste beim Schmelzen erhöht.

Daher ist beim Schweißen von reinem Kupfer und den meisten hochleitenden Kupferlegierungen neben der Verwendung von hoher Leistung und hoher Energiedichte SchweißverfahrenWenn die Schweißnaht einseitig geschweißt werden soll, ist es außerdem erforderlich, eine mehr oder weniger starke Vorwärmung einzuplanen. Einseitiges Schweißen ohne Unterstützung ist nicht zulässig, und bei einseitigem Schweißen muss eine Gegenplatte hinzugefügt werden, um die Bildung der Schweißnaht zu kontrollieren.

(2) Hohe Anfälligkeit für Hitzerisse in Schweißnähten und Wärmeeinflusszonen:

Die Neigung zur Hitzerissbildung in Schweißnähten hängt mit dem Einfluss von Verunreinigungen in der Schweißnaht zusammen und wird auch durch die während der Schweißung erzeugten Spannungen beeinflusst. Schweißverfahren. Sauerstoff ist eine häufig vorkommende Verunreinigung in Kupfer und hat einen erheblichen Einfluss auf die Neigung zur Hitzerissbildung in Schweißnähten.

Bei hohen Temperaturen reagiert Kupfer mit Luftsauerstoff und bildet Cu2O. Cu2O ist in flüssigem, aber nicht in festem Kupfer löslich und bildet ein Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt. Verunreinigungen wie Bi und Pb in Kupfer und Kupferlegierungen haben niedrige Schmelzpunkte.

Während des Erstarrungsprozesses des Schweißbades bilden sie niedrigschmelzende Eutektika, die sich zwischen den Dendriten oder an den Korngrenzen verteilen und eine erhebliche thermische Sprödigkeit in Kupfer und Kupferlegierungen verursachen. Wenn sich die Schweißnaht in der Fest-Flüssig-Phase befindet, schmelzen die niedrigschmelzenden Eutektika in der Wärmeeinflusszone unter dem Einfluss der Schweißspannungen wieder auf, was zu Hitzerisse.

Kupfer und Kupferlegierungen haben relativ hohe lineare Ausdehnungskoeffizienten und Schrumpfungsraten und weisen zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beim Schweißen werden Wärmequellen mit hoher Leistung benötigt, was zu einer größeren Wärmeeinflusszone führt. Dies hat zur Folge, dass die Schweißnähte erhebliche innere Spannungen auftreten, was ein weiterer Faktor ist, der zu Rissen in Schweißnähten aus Kupfer und Kupferlegierungen führt.

Außerdem besteht beim Schweißen von reinem Kupfer das Schweißgut aus einem einphasigen Gefüge. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer neigt die Schweißnaht zur Bildung grober Körner. Dadurch wird die Bildung von Hitzerissen noch weiter begünstigt.

Um die Bildung von Hitzerissen beim Schmelzschweißen zu verhindern, sollten daher Kupfer schweißen und Kupferlegierungen sollten die folgenden metallurgischen Maßnahmen ergriffen werden:

1) Strenge Kontrolle des Gehalts an Verunreinigungen (wie Sauerstoff, Wismut, Blei, Schwefel usw.) im Kupfer.

2) Verbesserung der Desoxidationsfähigkeit der Schweißnaht durch Zugabe von Legierungselementen wie Silizium, Mangan, Phosphor usw. zum Schweißdraht.

3) Wählen Sie Schweißmaterialien die zu einer Duplexstruktur führen können, die die Kontinuität von eutektischen Filmen mit niedrigem Schmelzpunkt unterbricht und die Richtung der säulenförmigen Körner ändert.

4) Führen Sie Maßnahmen wie Vorwärmen und langsames Abkühlen ein, um die Schweißspannungen zu reduzieren, die Größe des Wurzelspalts zu minimieren und die Abmessungen der Wurzellage zu erhöhen, um Rissbildung zu vermeiden.

(3) Anfälligkeit für Porositätsbildung:

Beim Schmelzschweißen von Kupfer und Kupferlegierungen ist die Tendenz zur Bildung von Porosität im Vergleich zu kohlenstoffarmem Stahl viel größer. Die wichtigsten Maßnahmen zur Verringerung und Beseitigung von Porosität in Kupferschweißnähten sind die Reduzierung der Wasserstoff- und Sauerstoffquellen und das Vorwärmen, um die Standzeit des Schmelzbades zu verlängern und das Entweichen von Gasen zu erleichtern.

Verwendung von Schweißdrähten mit starken Desoxidationsmitteln wie Aluminium, Titan(die auch Stickstoff und Wasserstoff entfernen können) oder die Zugabe von Elementen wie Aluminium und Zinn zu Kupferlegierungen können gute Ergebnisse bei der Desoxidation erzielen.

(4) Verringert Schweißnaht Leistung:

Beim Schmelzschweißen von Kupfer und Kupferlegierungen kommt es in den Schweißnähten zu starkem Kornwachstum, Verdampfung und Abbrand von Legierungselementen sowie zum Eindringen von Verunreinigungen, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte führt.

1) Signifikante Abnahme der Duktilität:

In der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone kommt es zu einer Kornvergröberung, und an den Korngrenzen bilden sich verschiedene spröde Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt, die die Haftfestigkeit des Metalls schwächen und die Duktilität und Zähigkeit der Verbindung erheblich verringern. Zum Beispiel bei der Verwendung von Schweißelektroden aus reinem Kupfer für Lichtbogenschweißen oder Unterpulverschweißen beträgt die Dehnung der Verbindung nur etwa 20% bis 50% des Grundmaterials.

2) Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit:

Der Zusatz von Elementen zu Kupfer verringert dessen elektrische Leitfähigkeit. Daher verschlechtert das Schmelzen von Verunreinigungen und Legierungselementen während des Schweißvorgangs bis zu einem gewissen Grad die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer Gelenke.

3) Geringere Korrosionsbeständigkeit:

Die Korrosionsbeständigkeit von Kupferlegierungen wird durch Legierung mit Elementen wie Zink, Mangan, Nickel, Aluminium usw. erreicht. Die Verdampfung und Oxidation dieser Elemente während des Schmelzschweißens verringert in gewissem Maße die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung. Auch die Erzeugung von Schweißspannungen erhöht das Risiko von Spannungskorrosion.

Maßnahmen zur Verbesserung der Verbindungsleistung umfassen hauptsächlich die Kontrolle des Gehalts an Verunreinigungen, die Verringerung des Legierungsabbrandes und die Durchführung einer Wärmebehandlung zur Veränderung der Mikrostruktur der Schweißnaht. Die Minimierung der Wärmezufuhr während des Schweißens und die Anwendung einer Spannungsabbau-Behandlung nach dem Schweißen sind ebenfalls von Vorteil.

2. Auswahl der Schweißverfahren

Derzeit gibt es viele Schweißverfahren für Kupfer und Kupferlegierungen. Zu den gängigen Schweißverfahren gehören Gasschweißen, Schutzgasschweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), Abschmelzelektroden Argon-Lichtbogenschweißenund Unterpulverschweißen.

Die Auswahl der Schweißverfahren sollte auf der Grundlage der Zusammensetzung, der Dicke, der strukturellen Eigenschaften und der Leistungsanforderungen des zu schweißenden Materials erfolgen.

Kupfer ist das Metall mit der besten Wärmeleitfähigkeit unter den üblicherweise verwendeten Schweißmetalle. Daher erfordert das Schweißen von Kupfer und seinen Legierungen Schweißverfahren mit hoher Leistung und hoher Energiedichte.

Höhere thermische Effizienz und konzentriertere Energie werden bevorzugt. Unterschiedliche Materialstärken eignen sich unterschiedlich gut für verschiedene Schweißverfahren.

Dünne Platten eignen sich zum Beispiel am besten für WIG-Schweißen und Gasschweißen. Mittlere und dicke Bleche eignen sich besser für das Unterpulverschweißen, das Argon-Schweißen mit abschmelzender Elektrode und das Elektronenstrahlschweißen. Für dicke PlattenMIG-Schweißen und Schutzgasschweißen werden empfohlen.

3. Auswahl der Schweißmaterialien

1) Schweißdraht:

Neben der Erfüllung allgemeiner verfahrenstechnischer und metallurgischer Anforderungen sollte der Schweißdraht zum Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen vor allem den Gehalt an Verunreinigungen kontrollieren und die Desoxidationsfähigkeit verbessern, um die Bildung von Hitzerissen und Porosität zu vermeiden.

Zum Schweißen von reinem Kupfer werden dem Schweißdraht hauptsächlich desoxidierende Elemente wie Si, Mn, P zugesetzt. Zu den üblicherweise verwendeten Schweißdrähten gehören hochreine Kupferschweißen Draht HSCu, der häufig beim Gasschweißen zusammen mit dem Lösungsmittel CJ301 und beim Unterpulverschweißen zusammen mit dem Flussmittel HJ431 verwendet wird.

2) Schweißelektroden:

Lichtbogenschweißelektroden für Kupfer lassen sich in Kupfer- und Bronzetypen unterteilen, wobei Bronzeelektroden am häufigsten verwendet werden. Aufgrund der Tendenz des Zinks in Messing, zu verdampfen, werden Kupferelektroden nur selten zum Lichtbogenschweißen verwendet.

In solchen Fällen können Bronzeelektroden verwendet werden. Zu den häufig verwendeten Kupferelektroden gehören die Elektrode aus reinem Kupfer T107 und die Elektrode aus Siliziumbronze T207.

4. Vorbereitung auf das Schweißen

Die Anforderungen an die Vorbehandlung von Schweißteilen aus Kupfer und Kupferlegierungen sind relativ streng. Bei der Reinigung von Kupfer und Kupferlegierungen vor dem Schweißen geht es hauptsächlich um die Entfernung von Öl- und Oxidschichten. Vor dem Entfernen des Oxidfilms sind die Rille und Verunreinigungen in einem Bereich von 30 mm auf beiden Seiten der Verbindung mit Benzin oder Aceton zu reinigen.

Reinigen Sie dann die Nut von Ölverschmutzungen mit einer 10%-Natriumhydroxidlösung bei einer Temperatur von 30-40℃ und spülen Sie sie anschließend mit Wasser ab. Tauchen Sie die Fuge für 2-3 Minuten in eine 35%-40%-Salpetersäurelösung, spülen Sie sie erneut mit Wasser ab und trocknen Sie sie dann.

Die Entfernung von Oxidschichten kann durch mechanische und chemische Reinigung erfolgen. Bei der mechanischen Reinigung wird die Oberfläche des Schweißdrahtes und der Schweißnaht mit einer pneumatischen Drahtscheibe oder einer Drahtbürste poliert, bis ein metallischer Glanz sichtbar wird.

Bei der chemischen Reinigung wird die Schweißnaht in eine gemischte Lösung aus 70 ml/L HNO3, 100 ml/L H2SO4 und 1 ml/L HCl getaucht und anschließend mit einer alkalischen Lösung neutralisiert, mit sauberem Wasser abgespült und mit Heißluft getrocknet.

5. Schlüsselpunkte des Schweißprozesses

Gasschweißen:

Gasschweißen eignet sich zum Schweißen von dünnen Kupferteilen, zur Reparatur von Kupferteilen oder zum Schweißen von unkritischen Strukturen.

1) Vorwärmen vor dem Schweißen:

Beim Gasschweißen von reinem Kupfer ist in der Regel eine Vorwärmung erforderlich, um das Auftreten von Eigenspannungen, Rissen, Porosität und unvollständigem Einbrand zu verhindern. Die Vorwärmtemperatur für dünne Bleche und kleine Schweißteile liegt bei 400-500℃, während für dicke und große Schweißteile die Vorwärmtemperatur auf 600-700℃ erhöht werden sollte. Die Vorwärmtemperatur für Messing und Bronze kann etwas niedriger sein.

2) Auswahl von Schweißparameter und Schweißtechnik: Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass die zum Schweißen verwendete Flammenenergie im Allgemeinen 1-2 mal höher ist als beim Schweißen von Kohlenstoffstahl. Beim Schweißen von reinem Kupfer sollte unbedingt eine neutrale Flamme verwendet werden.

Eine oxidierende Flamme kann zur Oxidation der Schweißnaht und zum Abbrand von Legierungselementen führen. Eine aufkohlende Flamme kann den Wasserstoffgehalt in der Schweißnaht erhöhen und zur Bildung von Porosität führen.

Beim Gasschweißen dünner Bleche sollte das Linksschweißverfahren angewandt werden, da es dazu beiträgt, das Kornwachstum zu unterdrücken. Bei einer Werkstückdicke von mehr als 6 mm ist das Rechtsschweißverfahren zu bevorzugen, da es eine höhere Erwärmung des Grundwerkstoffs ermöglicht und eine bessere Sicht auf das Schmelzbad bietet, was den Arbeitsablauf erleichtert.

Die Bewegung des Schweißbrenners sollte so schnell wie möglich sein, und jeder Schweißnaht sollte nicht willkürlich unterbrochen werden. Es ist vorzuziehen, jede Schweißnaht in einem einzigen Durchgang fertigzustellen.

Beim Schweißen langer Nähte muss vor dem Schweißen ein angemessenes Maß an Schrumpfung berücksichtigt werden, und die Positionierung sollte vor dem Schweißen erfolgen. Um die Verformung zu verringern, sollte beim Schweißen die Methode der segmentierten Rückwärtsschweißung angewendet werden.

Bei beanspruchten oder wichtigeren Schweißnähten aus Kupfer müssen nach dem Schweißen ein Hämmern der Verbindung und Wärmebehandlungsmaßnahmen durchgeführt werden. Nach dem Schweißen dünner Kupferteile sollte die Wärmeeinflusszone auf beiden Seiten der Schweißnaht sofort gehämmert werden.

Bei mittelstarken Platten über 5 mm sollten sie vor dem Hämmern auf 500-600 °C erwärmt werden. Nach dem Hämmern sollte das Werkstück auf 500-600℃ erhitzt und dann schnell in Wasser abgekühlt werden, was die Plastizität und Zähigkeit der Verbindung verbessern kann.

6. Typische Schweißbeispiele für häufig verwendetes Kupfer und Kupferlegierungen

Es gibt einen Elektrodenwassermantel aus desoxidiertem Kupfer TU1. Die Elektrodenverbindung wird im MIG-Schweißverfahren geschweißt; das spezifische Schweißverfahren ist in Tabelle 5-37 angegeben.

Tabelle 5-37 Schweißprozesskarte für TU1-Verbindung

Schweißprozesskarte für FugenschweißungNummer
Gemeinsames Diagramm:
 
Grundmaterial MaterialTU1TU1
Dicke des Grundmaterials15mm15mm
Position beim SchweißenFlachschweißung
Technik des SchweißensGerade Schweißnaht
Vorwärmtemperatur500℃
Interpass-Temperatur≥500℃
DüsendurchmesserΦ26mm
SchutzgasArGasdurchsatz (L/min)Vorderseite: 25~30
Zurück:
Reihenfolge der Schweißung
1Überprüfen Sie die Abmessungen der Rillen und die Oberflächenqualität.
2Entfernen Sie jegliches Öl oder Schmutz aus der Nut und ihrer Umgebung. Reinigen Sie das Fett mit einer 10% NaOH-Wasserlösung bei einer Temperatur von 30~40℃, dann spülen Sie mit sauberem Wasser und trocknen. Entfernen Sie die Oxidschicht durch Schleifen mit einer rostfreien Stahldrahtscheibe, spülen Sie sie mit alkalischem Wasser ab, und spülen Sie sie anschließend mit sauberem Wasser ab und trocknen Sie sie.
3Führen Sie die Heftschweißung für die erste Lage mit einer äußeren Positionierungsschweißtechnik durch. Die Länge sollte 100 mm betragen, und der Abstand zwischen den Schweißpunkten sollte 300 mm nicht überschreiten. Wenn in der Heftschweißnaht Risse auftreten, entfernen Sie diese und schweißen Sie erneut.
4Verbinden Sie die Elektroden auf einer speziell dafür vorgesehenen Halterung. Das Werkstück mit einer elektrischen Heizung auf eine Vorwärmtemperatur von 500℃ vorwärmen und sicherstellen, dass die Zwischenlagentemperatur nicht niedriger als 500℃ ist.
5Beginnen Sie das Schweißen von außen, um die Bildung von Schweißraupen auf der Innenseite der Schweißnaht zu vermeiden. Sicherstellen, dass die Rundheit des Elektrodeninnenkreises und der Glätte der Innenfläche.
6Führen Sie eine Sichtprüfung durch.
7Gegebenenfalls begradigen.
8Führen Sie eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durch.

Parameter der Schweißspezifikation

PässeVerfahren zum SchweißenSchweißgutqualitätSpezifikation des SchweißmaterialsStromarten und PolaritätSchweißstrom (Ampere)Lichtbogenspannung (Volt)Geschwindigkeit beim Schweißen (mm/pro Durchgang)Bemerkungen
1~2MIG (halbautomatisch)HSCu1.6DCEP350~40030~35250~300 

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