Lassen van koperen stroomstaven: Technieken en beste praktijken

Het lassen van koperen rails is niet gebruikelijk in de energieconstructie van ons bedrijf vanwege de hoge eisen en de moeilijkheidsgraad. Koperen rails met hun superieure geleidbaarheid werden echter gekozen voor de elektrische rails in de kolengestookte energiecentrale.

Na het uitvoeren van lasexperimenten en productlastoepassingen heeft de lasdochteronderneming de lastechnologie van koperen stroomrails onder de knie gekregen, een basis gelegd voor toekomstig lassen van koperen stroomrails in ons bedrijf en onze lastechnologie naar een nieuw niveau getild.

1. Kenmerken en proces van het lassen van koperen stroomstaven

De aansluiting van koperen stroomrails in energiecentrales gebeurt voornamelijk op twee manieren: met bouten bevestigen en lassen. Koper heeft een uitstekend elektrisch geleidingsvermogen, thermisch geleidingsvermogen, hittebestendigheid en vervormbaarheid. Industrieel zuiver koper is niet minder dan 99,5% ωcu.

2. Eigenschappen van koperlassen

2.1 Hoge thermische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid van zuiver koper bij kamertemperatuur is 8 keer groter dan die van koolstofstaal. Om een werkstuk van zuiver koper te verhitten tot de smelttemperatuur, is een grote hoeveelheid warmte nodig.

Daarom is tijdens het lassen een geconcentreerde warmtebron nodig, anders zal de warmte snel verdwijnen. Bij het lassen van zuiver koper moet het werkstuk worden voorverwarmd.

2.2 Hoge gevoeligheid voor thermische breuken

Verschillende koperbasismaterialen bevatten altijd een bepaalde hoeveelheid onzuiverheden die een laagsmeltende eutectische laag vormen. De aanwezigheid van een laagsmeltende eutectische film in het gestolde werkstuk of de warmte-beïnvloede zone kan scheuren veroorzaken onder lasspanning.

2.3 Hoge poriënneiging

Poriën in het koperen lasmetaal worden voornamelijk veroorzaakt door waterstof. Wanneer zuiver koper een bepaalde hoeveelheid zuurstof bevat of wanneer CO-gas is opgelost in zuiver koper, kunnen poriën ook worden veroorzaakt door waterdamp en door de reactie van CO met O om CO2-gas te genereren.

Over het algemeen zijn de poriën verdeeld in het midden van de las en in de buurt van de smeltlijn.

2.4 Tendens tot verslechtering van gezamenlijke prestaties  

Tijdens het lassen ondergaat koper onvermijdelijk tot op zekere hoogte oxidatie en burnout, wat resulteert in diverse lasdefecten. Dit kan mogelijk leiden tot een afname van de sterkte, plasticiteit, corrosiebestendigheid en elektrische geleidbaarheid van het gelaste verbinding.

In de koperfusie lasprocesneemt de korrelgrootte in de las en de warmte-beïnvloede zone aanzienlijk toe, wat de mechanische eigenschappen van de las tot op zekere hoogte beïnvloedt.

Om de prestaties van de las te verbeteren, is het niet alleen cruciaal om de thermische effecten te minimaliseren, maar ook om het onzuiverheidsgehalte van de las te beheersen en het lasmetaal te modificeren door middel van legeren.

3. Lasproces van koperen geleiders

3.1 Selectie van lasmethode

Hoewel lassen met gas en handmatig inert wolfraamgas (TIG) vaak worden gebruikt voor koper, wordt bij geavanceerde productiepraktijken de voorkeur gegeven aan TIG-lassen voor superieure kwaliteit en precisie bij de fabricage van koper.

Handmatig TIG-lassen, ook bekend als Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), biedt duidelijke voordelen voor het verbinden van koper:

1. Geconcentreerde warmte-inbreng: De zeer gerichte vlamboog maakt nauwkeurige controle mogelijk van de warmte-beïnvloede zone (HAZ), wat cruciaal is voor het behoud van de thermische en elektrische eigenschappen van koper.
2. Lasbadcontrole: De operator kan het lasbad zeer nauwkeurig manipuleren, wat essentieel is voor het bereiken van een consistente inbranding en een consistent lasprofiel in koper, dat een hoge thermische geleidbaarheid heeft.
3. Diktebereik: TIG-lassen is vooral effectief voor materialen met een dikte (δ) ≤ 12 mm en blinkt uit in dunne tot middelzware kopertoepassingen, die veel voorkomen in de elektrotechnische en HVAC-industrie.
4. Stabiele boog: De niet-verbruikbare wolfraamelektrode zorgt voor een stabiele boog, wat cruciaal is voor het handhaven van een consistente warmte-inbreng en het vermijden van defecten in het zeer hittegevoelige koper.
5. Bescherming door inert gas: Het argon of helium beschermgas voorkomt oxidatie, wat cruciaal is voor het behoud van de corrosiebestendigheid en elektrische geleiding van koper.
6. Operationele flexibiliteit: TIG-lassen maakt verschillende verbindingsconfiguraties en lasposities mogelijk, waardoor complexe kopersamenstellingen kunnen worden gemaakt.
7. Schone lassen: Het proces produceert minimale spatten en slak, waardoor schoonmaken na het lassen minder vaak nodig is en de esthetische aantrekkingskracht van koperen componenten behouden blijft.

Voor koperdikte van gemiddelde dikte (meestal 3-12 mm) is TIG-lassen bijzonder voordelig vanwege de balans tussen de controle over de warmte-inbreng en de mogelijkheid tot inbranding. In gespecialiseerde toepassingen of voor dikkere secties kunnen gepulste TIG of geautomatiseerde processen worden overwogen om de laskwaliteit en productiviteit verder te optimaliseren.

3.2 Selectie van lasmaterialen

De lasmaterialen voor koper hebben betrekking op lasdraden en vloeimiddelen. Opvullende lasdraad: Bij handmatig TIG-lassen is het noodzakelijk om handmatig vullasdraad toe te voegen. Het merk, de samenstelling van de lasdraad en de verwerkbaarheid van het lassen, de mechanische eigenschappen van de verbinding en de corrosiebestendigheid zijn nauw met elkaar verbonden.

Bij het kiezen van de lasdraad voor vullassen moet je in de eerste plaats rekening houden met het merk van het basismetaal en de plaatdikte, productstructuuren constructieomstandigheden.

Daarom, wanneer koper lassen rails wordt een vullasdraad geselecteerd met een samenstelling die lijkt op die van het basismetaal. De technische parameters van de koperen lassen draad worden weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: Technische parameters van koperen lasdraad

Technische Parameters van de Draad van het Koperen Lassen

Soldeer: Tijdens argon booglassenHet oppervlak van gesmolten poolmetaal heeft de neiging om te oxideren en koperoxide (Cu2O) te vormen. De aanwezigheid hiervan leidt vaak tot defecten zoals lasporositeitscheuren en slakinsluitsels. De technische parameters van het soldeer staan in tabel 2.

4. Voorbereiding voor het lassen

Voorbereiding voor het lassen verwijst voornamelijk naar het reinigen van het werkstuk en de lasmaterialen, en het ontwerp en de verwerking van de groef voor het lassen.

Het is cruciaal om het oppervlak van de lasdraad en beide zijden van de groef van de koperplaat binnen 30 mm schoon te maken om vet, vocht, oxiden en andere onzuiverheden te verwijderen. Groefbewerking wordt uitgevoerd met een luchtbeitel of een afschuinmachine.

De koper lasgroef De verwerkingstypen worden weergegeven in Tabel 3.

Tabel 2: Technische parameters voor Lasvloeistof

Tabel 3: Soorten lassen Groefverwerking voor koper

Materiaalnaam	Plaatdikte (mm)	Diagram	Type afschuining	Gezamenlijk Type	Afmetingen gezamenlijke structuur
					a	b (mm)	P (mm)
Zuiver Koper	≤3		I-vorm	Stootvoeg	–	1-2
	≥4		V-vorm	Stootvoeg	30°-35°	b	1-2
	≤12		Enkele V-vorm	T-stuk	50°~60°	2-3	1-2

Opmerking: 'b' kan worden ingesteld volgens de voegspleet op locatie en de procesvereisten.

Tabel 4: Lasprocesparameters voor koper

5. Belangrijke punten voor het lassen van koperen stroomstaven

5.1 De omgevingstemperatuur voor het lassen van koperen stroomrails moet hoger zijn dan 5°C om een optimale laskwaliteit te garanderen en vochtgerelateerde problemen te voorkomen;

5.2 Als beschermgas wordt hoogzuiver argon (99,99% of hoger) gebruikt om het smeltbad te beschermen tegen atmosferische contaminatie;

5.3 HS201 zuivere koperdraad is het aanbevolen lasvulmateriaal voor koperen geleiders. Het vloeimiddel CJ301 moet grondig gemengd worden met watervrije ethanol om een pasta-achtige consistentie te verkrijgen. Dit vloeimengsel wordt dan voor het lassen op de afgeschuinde oppervlakken van het laswerk aangebracht om de bevochtiging te verbeteren en oxidatie te verminderen;

5.4 Door de lasdraad voor te verwarmen en te bedekken met CJ301 flux wordt deoxidatie bevorderd en de laskwaliteit verbeterd;

5.5 Handmatig wolfraamelektrode lassen (GTAW) met gelijkstroomelektrode positief (DCEP) verdient de voorkeur. Zie Tabel 4 voor specifieke lasparameters die geoptimaliseerd zijn voor zuiver koper;

5.6 De lasmachine dient goed onderhouden te zijn, met een nauwkeurige stroomregeling en gebruiksvriendelijke bediening om een constante laskwaliteit te garanderen;

5.7 Voorverwarming van koperen stroomrails kan worden bereikt door middel van elektrische weerstandsverwarming of gecontroleerde vlamverwarming, waarbij de keuze afhangt van de beschikbare apparatuur en de geometrie van het werkstuk;

5.8 Voor optimale voorverwarming:
- Dikte δ < 4mm: Matige voorverwarming is voldoende
- Dikte δ ≥ 4 mm: Voorverwarmen tot 600-650°C om de lasbaarheid te verbeteren en thermische gradiënten te verminderen

5.9 Minimaliseer lassen onder condities van terughoudendheid om vervorming en scheurvorming te voorkomen. Regel de interpasstemperatuur strikt, gebruik technieken met kleine oscillatie en een lage warmte-inbreng om thermische spanningen te beheersen;

5.10 Breng hechtlassen aan met een minimale lengte van 10 mm. Verdeel minstens drie hechtlassen gelijkmatig over de lasnaad om een goede uitlijning te behouden;

5.11 Gebruik voor werkstukken met een dikte δ > 4 mm een lastechniek met meerdere lagen en meerdere laspassen om een goede samensmelting te garanderen en vervorming tot een minimum te beperken;

5.12 Verwijder onmiddellijk alle oxidatie bij hoge temperatuur (zwarte vlekken) uit het lasgebied. Voer een grondige tussentijdse reiniging uit met een speciale roestvaststalen draadborstel om de zuiverheid van de las te behouden;

5.13 Voer een uitgebreide kwaliteitscontrole uit op de hechtlassen voordat u verder gaat met het volledige laswerk. Zorg ervoor dat er geen defecten zijn zoals scheuren, gebrek aan samensmelting of poreusheid;

5.14 Implementeer rigoureuze kwaliteitscontrole tijdens het proces:
- Na hechtlassen
- Tussen laslagen
- Na voltooiing van het lassen
Houd je strikt aan de lasprocedurespecificaties (WPS) om een consistente laskwaliteit en structurele integriteit te garanderen.