Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen
Kupfer und seine Legierungen sind seit fast 6.000 Jahren von großer technischer und gesellschaftlicher Bedeutung. Heute ist Kupfer das Metall der Energiewende, das erneuerbare Systeme antreibt, die Energieeffizienz verbessert und als nachhaltiger Werkstoff unbegrenzt recycelbar ist. Das Schweißen dieses „Werkstoffs der Wahl“ erfordert jedoch spezifische metallurgische Kenntnisse.
Beim Schweißen von reinem Kupfer ist es unerlässlich, dass das Material sauerstofffrei ist. Zwar wird Cu in der Regel mit Phosphor desoxidiert, doch selbst ein geringer Phosphorgehalt kann die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen. Für elektrotechnische Teile, die geschweißt werden sollen, sollte daher stattdessen SE-Cu verwendet werden, das mit Elementen wie Lithium oder Bor desoxidiert ist.
Aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit erfordert Kupfer hohe Vorwärmtemperaturen und eine konzentrierte, intensive Wärmezufuhr während des Schweißprozesses. Zusammen mit seinen mehr als 400 Legierungen ist Kupfer das Material der Wahl für viele innovative Entwicklungen im modernen Leben. Dazu gehören kritische Anwendungen in der Industrietechnik, Energietechnik, Architektur sowie der Informations- und Kommunikationstechnologie.
Die Familie der Kupferlegierungen ist riesig und reicht von Messing und Bronze bis hin zu komplexen Kupfer-Nickel-Legierungen. Da diese Werkstoffe weltweit verwendet werden, sind sie nach verschiedenen internationalen Normen kategorisiert, wie beispielsweise dem europäischen EN-System (mit den Präfixen CW/CC) und dem amerikanischen UNS-System.
Um Ihnen einen aktuellen und umfassenden Überblick über diese Legierungsklassifizierungen und die entsprechenden Schweißzusätze zu geben, haben wir eine detaillierte Datenbank zusammengestellt.
Das europäische Normensystem verwendet das Präfix „CW“ für geschmiedete Legierungen (wie Bleche, Stangen oder Drähte) und das Präfix „CC“ für Gusslegierungen. Darauf folgen drei Ziffern und ein Buchstabe (z. B. „CW004A“ oder „CW008A“).
System CEN/TC 133 – Werkstoffe sowie andere, nicht standardisierte Werkstoffe. Die Nummern wurden jedoch im Voraus so vergeben, dass Verwechslungen mit CEN-Werkstoffen so weit wie möglich vermieden werden. Das bedeutet, dass nicht jede Materialuntergruppe mit der Zahl „1“ beginnt. Beispielsweise beginnen Kupferlegierungen mit 001, verschiedene Kupferlegierungen jedoch mit 100, Kupfer-Aluminium-Legierungen mit 300, Kupfer-Zink-Legierungen mit 500 usw., wie in Tabelle
| Materialgruppen | Nummernbereiche für Artikel |
Material gruppe Kennung |
Nummernkreis für Materialien CEN |
|---|---|---|---|
| Kupfer (Cu) | 001-999 | A | 001-049A |
| 001-999 | B | 050-099B | |
| Cu + max 5% Legierungselemente |
001-999 | C | 100-149 °C |
| 001-999 | D | 150-199 D | |
| Cu + mehr als 5% Legierungselemente |
001-999 | E | 200-249 E |
| 001-999 | F | 250-299 °F | |
| Kupfer-Aluminium Legierung (CuAl) |
001-999 | G | 300-349G |
| Kupfer-Nickel Legierung (CuNi) | 001-999 | H | 350-399H |
| Kupfer-Nickel-Zink Legierung (CuNiZn) |
001-999 | J | 400-449J |
| Kupfer-Zinn Legierung (CuSn) | 001-999 | K | 459-499K |
| Kupfer-Zink Legierung, (CuZn) binär |
001-999 | L | 500-549L |
| 001-999 | M | 550-599 Mio. | |
| Kupfer-Zink-Blei Legierung (CuZnPb) |
001-999 | N | 600-649N |
| 001-999 | P | 650-699P | |
| Kupfer-Zink Legierung, (CuZn Komplex |
001-999 | R | 700-749R |
| 750-799S | |||
| Kupferwerkstoffe, die nicht standardisiert sind in CEN/TC 133 |
800-999 | ALS* | 800-999* |
System: Das Unified Numbering System (UNS) ist ein in den USA eingeführtes System. Für Kupfer und Kupferlegierungen wird das Präfix C (für „Kupfer“) verwendet, gefolgt von fünf Ziffern (z. B. C10100 oder C11000).
Unified Numbering System (UNS) Legierungsbezeichnungen
Kupferlegierungsfamilien
- C100xx-C150xx Kommerziell reines Cu
- C151xx-C199xx Alterungshärtbar Cu (w/ Cd, Be, Cr, Fe)
- C2xxxx Cu-Zn Legierung – Messing
- C3xxxx Cu-Zn-Pb Legierung – Blei (Plumb) Messing
- C4xxxx Cu-Zn-Sn alloys – Zinnbronzen
- C5xxxx Cu-Sn and Cu-Sn-Pb Phosphor Bronzelegierung
- C6xxxx Cu-Al and Cu-Si Bronze
- C7xxxx Cu-Ni Kupfer Nickel und Cu-Ni-Zn Nickel Silber
Guss-Kupferlegierungsfamilien
- C800xx-C811xx Kommerziell reiner Cu-Guss
- C813xx-C828xx 95-99% Kupfer
- C833xx-C899xx Cu-Zn Legierungen, die enthalten Sn, Pb, Mn, oder Si
- C9xxxx Other Andere Legierungen, darunter Zinnbronze, Aluminiumbronze, Kupfer-Nickel
| Material | EN Nummer | UNS Nummer |
| CuBe2 | CW101C | C17200 |
| CuCo1NiBe | CW103C | - |
| CuCo2Be | CW104C | C17500 |
| CuCr1 / CuCr1-C | CW105C / CC104C | C18200 / C181500 |
| CuCr1Zr | CW106C | C18150 |
| CuFe2P | CW107C | C19400 |
| CuNi1P | CW108C | C19000 |
| CuNi1Si | CW109C | C19010 |
| CuNi2Be | CW110C | C17510 |
| CuNi2Si | CW111C | C70260 |
| CuNi3Si1 | CW112C | C70250 |
| CuZr | CW120C | C15000 |
| Material | EN Nummer | UNS Nummer |
| CuAG0.1 | CW013A | C11600 |
| CuMg0.4 | CW128C | C18665 |
| CuPb1P | CW113C | C18700 |
| CuSP | CW114C | C14700 |
| CuSi1 | CW115C | C65100 |
| CuSi3Mn1 | CW116C | C65500 |
| CuSn0.15 | CW117C | C14410 |
| CuTeP | CW118C | C14500 |
| CuZn0.5 | CW119C | - |
Messing:
Messinglegierungen enthalten Zink (Zn) als primäres Legierungselement und mindestens 50 Prozent Kupfer. Es können auch andere Legierungselemente vorhanden sein. So dürfen beispielsweise bleihaltige Legierungen nicht geschweißt werden, da die Verdampfung von Blei gesundheitsschädlich ist.
Das Lichtbogenschweißen dieser Cu-Zn-Legierungen ist grundsätzlich nicht möglich, da Zink leicht verdampft. Die dabei entstehende konzentrierte Wärme kann zu einer Überhitzung des Schweißbades führen, wodurch der Partialdruck von Zink auf über 1 atm (101,325 kPa) ansteigt. Dies kann zu einer hohen Porosität und somit zu einer Verringerung der Festigkeit der Schweißnaht führen. Außerdem ist es für den Schweißer gefährlich.
Daher ist das Autogenschweißen die einzige empfohlene Methode zum Schweißen von Messing. Als Schweißzusätze haben sich solche mit Aluminium (Al) oder Silizium (Si) bewährt. Das Schweißen sollte mit einem Überschuss an Sauerstoff durchgeführt werden.
Bronze:
Historisch betrachtet ist Bronze ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Kupferlegierungen.
Technisch gesehen wird der Begriff „Bronze” jedoch ausschließlich für Kupfer-Zinn-Legierungen (CuSn) verwendet.
Kupfer-Zinn-Legierungen gaben der sogenannten Bronzezeit ihren Namen.
In der Metallurgie wird der Begriff heute nur noch in Verbindung mit dem jeweiligen Hauptlegierungselement verwendet. So bezieht er sich beispielsweise auf Antimonbronze, Arsenbronze, Aluminiumbronze, Bleibronze oder Manganbronze. Phosphorbronze ist ebenfalls eine Zinnbronze, jedoch ist der Phosphorgehalt im Metall gering.
Zinnbronzen sind standardisierte Kupfer-Zinn-Legierungen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Anforderungen und Eigenschaften im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilt werden.
- Knetlegierungen (max. 9 % Zinn) eignen sich für Umformprozesse.
- Gusslegierungen (9 bis 13 % Zinn) eignen sich für Gießereiarbeiten.
- Eine Besonderheit sind Glockenbronzen mit einem Zinngehalt von etwa 20 % (maximal 22 %).
Reines Kupfer ist einphasig und kann durch Kaltumformen verfestigt werden. Die meisten Kupferlegierungen sind ebenfalls einphasig, wobei dies von der Menge der Legierungselemente abhängt. Auch sie können kaltverfestigt werden, sofern sie ausreichend duktil sind.
Durch die Zugabe von Elementen wie Cr, Ni, Si, P, Sn, Be oder Co kann Kupfermaterial ausscheidungsgehärtet werden.
Ähnlich wie bei Stahl entsteht bei Kupferwerkstoffen durch die Einwirkung von Wärme zusätzlich zur Schweißzone ein thermisch beeinflusster Bereich, die sogenannte Wärmeeinflusszone.
Die daraus resultierende Kornvergröberung und die Breite dieser Zone hängen von der Höhe der Wärmezufuhr und der Vorwärmtemperatur ab. Bei Werkstoffen mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter (FCC) oder einer β-Struktur (z. B. reines Kupfer) ist das Kornwachstum geringer, da diese Metalle thermisch stabiler sind als Werkstoffe mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter (BCC).
Durch Erwärmung und Abkühlung können unerwünschte Mikrostrukturen entstehen.
Anfällig dafür sind folgende Werkstoffe:
- Werkstoffe mit Verunreinigungen, die niedrigschmelzende Phasen oder versprödende Ausscheidungen bilden,
- ausscheidungsgehärtete Werkstoffe,
- Legierungen mit großem Erstarrungsintervall, die nach dem Schweißen kristallgetrennte Bereiche aufweisen.
- Blei (Pb) (Lead) verbessert die Fließfähigkeit, verringert jedoch die Zugfestigkeit und Duktilität, sodass selbst geringe Mengen schädlich sind, da diese Legierungen bei Hitze spröde werden.
- Nickel (Ni) erhöht die Zähigkeit unter Beibehaltung der Festigkeit und sorgt dafür, dass die Festigkeit weniger von der Wandstärke des Gussteils abhängt. Nickel macht Gusslegierungen außerdem korrosionsbeständiger.
- Eisen (Fe) verbessert in geringen Mengen die Härtbarkeit von Knetlegierungen und erzeugt eine feinere Körnung.
- Kupfer-Zinn-Zink (Rotmessing) Zinkzusätze sind für Kupfer-Zinn-Gusslegierungen sehr wichtig. Viele dieser Legierungen enthalten Zink als drittes Legierungselement und bilden die Gruppe der Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen (Rotmessing).
- Kupfer-Zinn-Blei (Guss-Zinn-Bleibronzen) Die Gehalte an Blei liegen in den Kupfer-Zinn-Blei-Gusslegierungen meist weit höher als die von Zinn. Festigkeit und Dehnung nehmen durch Bleizusätze über 1,5% geringfügig ab..
- Kupfer-Zinn-Nickel (~Neusilber) Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zinn-Zink-Gusslegierungen enthalten mitunter Nickel als Legierungsbestandteil.
- Kupfer-Zinn-Phosphor Um eine Desoxidation der Kupfer-Zinn-Schmelze zu erreichen und die Bildung von Zinnoxid zu verhindern, wird Phosphor in geringen Mengen hinzugefügt.
- Kupfer Aluminium CuAL-Legierungen enthalten Aluminium als Hauptlegierungszusatz (Zweistofflegierungen) und oft weitere Legierungselemente wie Eisen, Nickel, Blei und Mangan (Mehrstofflegierungen)
Zweistofflegierungen sind im Allgemeinen besser schweißgeeignet als Mehrstofflegierungen.
Schweißtechnisch relevante Werkstoffeigenschaften.
Kupferwerkstoffe sind unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften ebenso gut schweißbar wie Stahlwerkstoffe. Nachteilig ist jedoch die generelle Neigung der NE-Metalle zur Aufnahme atmosphärischer Gase beim Schweißen. Dadurch verschlechtern sich die mechanisch-technologischen Gütewerte der Schweißnaht. Deshalb müssen alle Bereiche, in denen während des Schweißens Temperaturen von mehr als 600 K auftreten, mithilfe inerter Schutzgase (Schmelzschweißverfahren) bzw. anderer geeigneter Maßnahmen (z. B. Beschichtungen bei Widerstandsschweißverfahren) vor Luftzutritt geschützt werden.
Weitere für die schweißtechnische Verarbeitung von Kupfer wichtige Eigenschaften sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung. Im Vergleich zu unlegiertem Stahl hat reines Kupfer
- eine ca. 6-fach höhere Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur und eine 15-fach höhere bei 1000 °C,
- eine um den Faktor 1,4 höhere Wärmeausdehnung und
- eine ca. doppelt so große Schrumpfung beim Erstarren.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit führt dazu, dass ein Großteil der eingebrachten Schweißenergie in den umliegenden Grundwerkstoff abgeleitet wird. Die abgeführte Energie steht zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffs nicht zur Verfügung.
Für die schweißtechnische Verarbeitung von Kupferwerkstoffen stehen zahlreiche Verfahren zur Verfügung.
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der unlegierten und niedriglegierten Kupferwerkstoffe sollten entweder Verfahren mit hoher Energiedichte wie das Laser- oder Elektronenstrahlschweißen eingesetzt werden oder die Werkstücke sollten vorgewärmt werden. Die Höhe der Vorwärmtemperatur richtet sich dabei nach der Leitfähigkeit des jeweiligen Werkstoffs und der Größe des Bauteils. Zur Herstellung sauberer und fehlerfreier Schweißnähte sowie zum Schutz der Wurzelseite können Flussmittel verwendet werden. Diese werden vor dem Schweißen auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen, lösen während der Erwärmung die vorhandenen Oxidschichten und verhindern deren Neubildung. Flussmittel sind in der Regel pastös und bestehen aus Borverbindungen mit Zusätzen von oxidlösenden Metallsalzen.
Für CuAl-Legierungen werden fluoridhaltige Sonderflussmittel verwendet.
Sie werden bei den konventionellen Schmelzschweißverfahren wie dem Autogen-, dem Lichtbogenhand- und dem WIG-Schweißen verwendet. Beim Gas- und Lichtbogenhandschweißen müssen Flussmittel immer eingesetzt werden. Beim WIG-Schweißen kommen Flussmittel hingegen nur noch selten zum Einsatz und beim MIG-Schweißen gar nicht, obwohl sie für das Schutzgasschweißen allgemein empfohlen werden. Bei Arbeiten mit hohen Vorwärmtemperaturen (ab ca. 300 °C) sollten Flussmittel als Kantenschutz der Schweißflanken eingesetzt werden. Bei mehrlagigen Schweißungen (Blechdicke > 10 mm) ist es vorteilhaft, auch die Zusatzwerkstoffe dünn mit Flussmittel zu bestreichen.
Die oberflächenreinigende Wirkung der Flussmittel kann durch den Einsatz des Lichtbogens verstärkt oder sogar ersetzt werden. Beim Schweißen von aluminiumhaltigen Kupferlegierungen wird durch das Anlegen der Elektrode an den Pluspol eine Reinigung der Oberfläche von den dichten, fest haftenden Al-Oxidschichten erzielt. Die Elektrode wird bei dieser Technik durch die hohe Geschwindigkeit der auftreffenden Elektronen stark thermisch belastet, weshalb meist Wechselstrom verwendet wird. Durch die negativen Stromanteile sinkt die thermische Belastung der Elektrode, während die gewünschte Reinigungswirkung in den positiven Phasen eintritt.
Reines Kupfer mit Kupferlegierungen
Beim Schweißen von Kupfer mit Kupferlegierungen müssen die Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen sowie in den physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Ausdehnung, Schmelzwärme und Schmelztemperatur) berücksichtigt werden. Für einige technisch bedeutende Materialkombinationen sind Empfehlungen in der Tabelle aufgeführt.
| Material 1 | Material 2 | Schweißprozess | Zusatzwerkstoff | Bemerkung |
| Kupfer | CuSi2Mn, CuSi3Mn | TIG / MIG | CEWELD CuSi3 | ab > 10 mm Blechdicke vorwärmen der Cu Seite (300 -400°C) |
| Kupfer | CuZn-Legierung | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuSn |
Je nach Wandstärke Cu-Seite vorwärmen (200 -500°C) |
| Kupfer | CuSn-Legierung | TIG / MIG | CEWELD CuSn6 | |
| Kupfer | CuNi-Legierung | TIG / MIG | CEWELD CuNi30Fe | |
| Kupfer | CuAl-Legierung | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8Ni2 |
Die Puffertechnik muss angewendet werden. Das Puffern kann entweder auf der Kupfer- oder auf der Stahlseite erfolgen. Verwenden Sie in beiden Fällen eine reine Nickelelektrode. Für die endgültige Verschweißung der Verbindung verwenden Sie entweder Elektroden vom Typ Inconel oder Bronze Typen, je nachdem, auf welcher Seite die Pufferschicht aufgebracht wurde. Puffern mit CEWELD E NiTi3 / NiCro 600
| Material 1 | Material 2 | Belastung | Schweißprozess | Zusatzwerkstoff | Bemerkung |
| Kupfer | Unlegierter Stahl | Untergeordnet | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuNi30Fe |
Cu-Seite auf ca. 200–500 °C vorwärmen |
| Kupfer |
Unlegierter Stahl oder Austenitic |
hoch | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD NiTi3 CEWELD Nicro600 |
Cu Seite mit Tig und NiTi3 oder Nicro600 Puffern, Vorwärmung ca. 200 - 300 °C ohne Vorwärmung schweißen mit Nicro600 |
| CuMn2 | Unlegierter Stahl | - | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Stahlseite mit MIG- Impuls und CuSn- oder CuAl- Zusatz puffern; Verbindungsschweißung mit CuSn oder CuAl Zusatzwerkstoff. |
| CuZn-Legierung | Unlegierter Stahl | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 |
Stahlseite mit MIG- Impuls und CuSn- oder CuAl- Zusatz puffern; Verbindungsschweißung mit CuSn oder CuAl Zusatzwerkstoff. |
| CUSn-Legierung | Unlegierter Stahl | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn CEWELD CuSn6 |
Stahlseite mit MIG- Impuls und CuSn6P Puffer; Verbindungsschweißung CuSn6P oder CuSn1 |
| CuNi-Legierung | Unlegierter Stahl | - | TIG / MIG | CEWELD NiCu30Mn | Puffern der Stahlseite mit NiCu Zusatz für MAG und TIG |
| CuAl-Legierung | Unlegierter Stahl | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Stahlseite mit MIG- Impuls und CuAl Schweißzusatz puffern |
Diese ungewöhnliche Kombination ist problematisch, da Gusseisen einen hohen Schwefel- und Phosphorgehalt aufweist. Diese Stoffe können mit Kupfer reagieren. Aus diesem Grund wird dringend empfohlen, die Gusseisenseite zu puffern. Zum Beispiel mit CEWELD NiFe 60-40
Die meisten Ni-basierten Legierungen sind empfindlich. Selbst Monel könnte unter besonders ungünstigen Temperatur- und Spannungsbedingungen empfindlich reagieren. In diesem speziellen Fall handelt es sich wahrscheinlich um Heißrisse, die mit Kupfer gefüllt würden, ähnlich wie bei der eutektischen Heilung. Die geringere Festigkeit der Kupferphase verringert auch die Festigkeit der gesamten Verbindung.
Um solche Probleme zu vermeiden, sollten Sie die Puffertechnik verwenden. Tragen Sie die Pufferschicht auf die Kupferseite auf. Die endgültige Schweißung sollte dann mit einer für das andere Material geeigneten Elektrode durchgeführt werden.
CEWELD E NiTi3 / NiCro 600
Arc welding is not recommended for these combinations. However, Al-bronze electrodes or Si-bronze electrodes can be used as a temporary solution. Nevertheless, despite the utmost care during welding, brittle structures can form in the weld metal. Added to this is the aforementioned problem of porosity and the danger to the welder.
It is therefore better to use oxyacetylene welding or brazing.
When welding Sn-bronze directly to steel using butt or fillet welds, there is a risk of incomplete fusion. Aside from copper penetration, this reduces the strength of the joint. This can be avoided by buttering the steel side with a bronze layer and then welding it to the bronze side with the same electrode, or by buttering the bronze side with a nickel electrode if copper penetration cannot be allowed.
In this combination, it is important that the alloy content of the weld metal is not diluted too much by the liquid copper during welding. The risk of cracking increases with a decrease in alloy content.
Sn-bronze, Si-bronze and, in particular, Al-bronze electrodes are satisfactory in this respect.
Oxy-acetylene welding is the preferred process for this combination. However, it is possible to achieve acceptable welds in most situations with careful welding techniques, such as minimising heat input and avoiding localised heat concentrations. At least, this method produces far better results than welding pure brass joints.
Bronze electrodes can be used in constructions exposed only to low static stress loads and not too high temperatures. The steel side should then be coated with a bronze layer and welded to the bronze side, typically using the same electrode. Otherwise, a nickel insulating layer must be applied to the bronze side.
Most bronze electrodes are good for welding this combination. Al-bronze consumables show the best tolerance to dilution while Sn-bronze is the most sensitive in this respect.
For this combination, CuNi 70/30 electrodes are preferred. Monel types may also be used.
When welding copper-nickel to stainless steel, the buttering technique must be used, along with inserts (an intermediate piece of ferritic steel or Monel), followed by bilateral joining. The joint between the copper-nickel and the steel insert can be welded using CuNi or Monel electrodes.
Monel-type consumables can be used to weld this joint directly, but the safest method is to coat the copper-nickel side with Monel and then weld it to the other side using Inconel types. This avoids mixing too much chromium (Cr) and iron (Fe) with the Monel weld metal, which can cause cracking.
A buttering technique is required for this unusual combination.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
This combination may occur, for instance, in shipbuilding, and it can be successfully welded using the 'buttering' technique. First, the copper-nickel side should be coated with Sn-bronze, and then it can be welded to the bronze side using either Al- or Si-bronze electrodes.