Vorwärmfreie Alternative

Kupfer ohne Vorwärmen schweissen. Durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer der Schrecken aller Schweisser. Fronius hat den Spieß nun umgedreht und offeriert mit dem Schweisssystem ›MagicWave 5000‹ die passende Antwort.

14. März 2008
Das Herstellen und Reparaturschweißen Kupfer- und CrNi-Stählen beschichteter Teile der Stranggusskokillen verlangen viel Know-how.
Bild 1: Vorwärmfreie Alternative (Das Herstellen und Reparaturschweißen Kupfer- und CrNi-Stählen beschichteter Teile der Stranggusskokillen verlangen viel Know-how.)

Kupfer gehört nicht ohne Grund zu den meistgenutzten Metallen. Der hervorragende Strom- und Wärmeleiter dient gerade wegen seiner vielen zusätzlichen Qualitäten wie Gleitfähigkeit, Formbarkeit oder Korrosionsfestigkeit in zahlreichen Produktionszweigen als unersetzlicher Werkstoff. Auf der anderen Seite sind es ebendiese positiven Eigenschaften, die zu Problemen in der Verarbeitung führen können: Kupfer gibt durch seine hohe Leitfähigkeit so viel Wärme an die Umgebung ab, dass thermische Fügeverfahren wie Schweißen und Löten teilweise schwierig durchzuführen sind. Eine Lösung für dieses Problem liefert das digitale, dreiphasige Schweißsystem ›MagicWave 5000‹ von Fronius. Die Konsequenzen der hohen Wärmeabgabe von Kupferwerkstücken, die im kalten Zustand bearbeitet werden, liegen auf der Hand: Der per Lichtbogen oder Schneidbrenner eingebrachte Wärmeeintrag braucht einen deutlich längeren Vorlauf, um das rote Metall auf seinen Schmelzpunkt von 1083,4 Grad Celsius zu bringen und damit verflüssigend zu wirken. Im Gegenzug ist das schnelle, unkontrollierte Abkühlen von Kupfer ebenfalls problematisch. Gerade im kritischen Bereich zwischen 350 und 650 Grad Celsius kann es wegen mangelnder Geschmeidigkeit und der sogenannten Warmsprödigkeit zu Rissen im Werkstück kommen. Lehrbücher empfehlen deshalb in der Regel eine angemessene Vorwärmphase — manche legen sogar den Einsatz eines größeren Schweißbrenners nahe.

Herausforderung Kupferschweißen

So einleuchtend und einfach die Praxis des Vorwärmens sein mag, in manchen Fällen ist dieser Arbeitsschritt nur schwer oder gar nicht möglich. Dies trifft beispielsweise zu, wenn die Temperaturerhöhung zu einer Umwandlung des Gefüges führen würde. Auch im Fall empfindlicher CrNi-Beschichtungen gestaltet sich ein Vorwärmen äußerst kompliziert. Andere Szenarien, die ähnliche Herausforderungen an das Schweißen von Kupfer stellen, sind Arbeiten vor Ort, oft sogar innerhalb großer Anlagen, wenn das schwere, unhandliche Vorwärm-Equipment nicht verfügbar ist oder einen unwirtschaftlichen Mehraufwand bedeuten würde. Doch trotz aller Schwierigkeiten können viele Kupfer verarbeitende Unternehmen nicht auf das Schweißen dieses Buntmetalls verzichten.

Abgeschirmte Schweißnähte

Die Antwort auf diese Herausforderungen geben mehrere Lichtbogenschweiß-Verfahren. Dazu zählen: das WIG(Wolfram-Inertgas), das MIG(Metall-Inertgas)- und das Plasmaverfahren. Jede der drei Technologien ist sowohl zum Schweißen als auch zum Löten geeignet. Inertgasströme aus Argon, Helium oder einem Gemisch beider Elemente sorgen für einen ausreichenden Schutz der Schmelze vor reaktiven Gasen wie Wasserstoff und Sauerstoff. Das verhindert gezielt ungewollte Verbindungen wie Kupferoxid, die für spröde Nähte sorgen. Selbst die als Wasserstoffkrankheit bezeichnete Gefügeauflockerung — ein Ergebnis von Wasserdampf in sauerstoffhaltigem Kupfer — ist mit optimal dosierten Inertgasen ausgeschlossen. Einen reduzierten Wärmeeintrag liefert das digitale, dreiphasige Schweißsystem ›MagicWave 5000‹, das Fronius entwickelt hat. Das moderne System ermöglicht ein schonendes, sauberes Fügen von Bauteilen aus massivem Kupfer oder Kupferlegierungen — und das selbst an schwer zugänglichen Stellen. Mit der MagicWave 5000 sind problematische, teure oder nicht zulässige Vorwärmphasen überflüssig. Der hohe Eingangsspannungsbereich von ±15 Prozent bei 3 x 400 V sorgt für praxisgerechte Leistungen: bis zu 500 A in Umgebungstemperaturen von 40 Grad Celsius. Der hohe Impulsstrom sorgt für ein beschleunigtes, fokussiertes Erhitzen der Fügestellen und beugt so einer unerwünschten Wärmeableitung vor. Das entscheidende Merkmal der MagicWave 5000 zum Fügen von hochleitfähigen Kupfer-Bauteilen liegt jedoch in seiner ›digitalen Intelligenz‹: Das Schweißsystem gewährleistet über den integrierten Mikroprozessor und seinen digitalen Signalprozessor hochwertige Schweißergebnisse sowie eine hundertprozentige Reproduzierbarkeit. Damit eröffnet sich sowohl Berufseinsteigern als auch erfahrenen Schweißprofis die Möglichkeit, einwandfreie Nähte zu erzeugen, ohne eine Verformung des Bauteils oder Schäden an der Schutzschicht zu riskieren.

Bei voestalpine

Ein Paradebeispiel für den erfolgreichen Einsatz des WIG-Schweißverfahrens an Kupferwerkstücken liefert voestalpine. Der österreichische Stahlkonzern übergibt die Wartung und Instandhaltung seiner Anlagen nicht an einen externen Dienstleister, sondern überträgt diese Aufgaben seinen Mitarbeitern im unternehmenseigenen Mechanisch-Technischen Zentrum. Ein erfreulicher wie einträglicher Nebeneffekt dieser Geschäftsphilosophie: Sind intern vorgehaltene Instandhaltungskapazitäten frei, vermarktet voest alpine die hoch qualifizierten Dienstleistungen an andere Unternehmen. Dass Kupfer zu den häufig verarbeiteten Materialien von voestalpine gehört, stellt jedoch selbst die erfahrenen Fachleute des Mechanisch-Technischen Zentrums vor eine professionelle Herausforderung. Denn selbst hier ist das Vorwärmen des rötlichen Metalls häufig nicht möglich. Das trifft zum Beispiel im Fall von Stranggusskokillen zu, die den im Werk erzeugten Stahl zu walzbaren Brammen formen. Die mit Kupferplatten ausgerüsteten Kokillen können nicht wie üblich auf 600 Grad Celsius vorgewärmt werden, da dies die teilweise aus empfindlichem CrNi-Stahl bestehenden Beschichtungen aufschmelzen würde. Deshalb nutzt voestalpine das Schweißsystem MagicWave 5000 von Fronius. Neben seinem optimalen Wärmeverhalten besticht die intelligente Lösung zum Schweißen von anspruchsvollen Kupferbauteilen vor allem durch seine konstant hohe Leistung und die hohe Reproduzierbarkeit spezifischer Arbeitsschritte. Zudem ist das System MagicWave 5000, das Wechsel- und Gleichstromschweißen beherrscht, sowohl im automatisierten und im Handbetrieb als auch zum Schweißen mit Kaltdraht geeignet. Den Schweißexperten von voestalpine kommt darüber hinaus der enge Kontakt zu Fronius zugute: Neue Parameter beispielsweise für spezielle Werkstoffe erhalten die Mitarbeiter des Stahlkonzerns direkt per E-Mail vom Hersteller des Schweißsystems. Damit entfallen für voestalpine eigene, zeitaufwendige Versuchsreihen.

Lohnende Investition

Das Ermitteln optimaler Parameter für die jeweiligen Schweißbedingungen sowie die Möglichkeit, spezifische Jobs zu erstellen und zu speichern, kommen in der Handhabung der MagicWave 5000 sowohl erfahrenen Schweißern als auch Berufseinsteigern zugute. Die dadurch erhöhte Flexibilität in der Personalplanung und eine Verkürzung der Arbeitszyklen — bedingt durch die technischen Leistungsmerkmale des Schweißsystems von Fronius — führen nicht nur zu einem schnellen Return-on-Investment. Die MagicWave 5000 ist eine ideale Lösung, wenn es um eine vorwärmfreie Alternative zum Schweißen von Kupfer geht — und das besonders an schwer zugänglichen Stellen.

Gerd Trommer

Erschienen in Ausgabe: 03/2008