Was ist Kaltpressschweißen?

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Kaltpressschweißen ist eine Form des Festphasenschweißens, die darin einzigartig ist, dass sie bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird. (Andere Formen des Festphasenschweißens finden bei erhöhten Temperaturen statt, aber trotz dieser hohen Temperaturen, wird das Material nicht geschmolzen, nur seine Duktilität wird erhöht.)

Bereits um 3000 v. Chr. stellten die Ägypter Eisen durch Hämmern von Metallschwämmen zum Verschweißen der rotglühenden Partikel her. Jahrhundertelang wurde auch Schmiedeeisen durch Hämmern hergestellt. Diese Art von Schweißverfahren wurde immer bei hohen Temperaturen durchgeführt.

Das erste aus Großbritannien bekannte Beispiel von Hammerschweißen bei Umgebungstemperaturen (also echtes Kaltpressschweißen) stammt aus der späten Bronzezeit, um 700 v. Chr. Das verwendete Material war Gold, und durch dieses Verfahren hergestellte Goldkästchen wurden bei Ausgrabungen gefunden.

Entdeckung des Kaltpressschweißens

Die erste wissenschaftliche Beobachtung des Kaltpressschweißens wurde 1724 von dem anglikanischen Geistlichen J. I. Desaguliers gemacht. Er führte das Phänomen der Royal Society vor und veröffentlichte später die Details in den Fachzeitschriften seiner Zeit. Dr. Desaguliers entdeckte, dass zwei Bleikugeln von etwa 25 mm Durchmesser, wenn man sie zusammendrückte und gegeneinander drehte, miteinander verschmolzen. Die Verbindungsfestigkeit wurde an einer Balkenwaage gemessen, und obwohl die Ergebnisse nicht vorhersagbar waren, entstanden gute Bindungen, teilweise so stark wie der Grundwerkstoff.

Nach Dr. Desaguliers Entdeckung im 18. Jahrhundert scheint bis zum Zweiten Weltkrieg nur sehr wenig geschehen zu sein. Dieser beschleunigte die Entwicklung, insbesondere in Deutschland, wo Leichtmetallkühlerelemente für Flugzeuge druckverschweißt wurden, obwohl dieses Schweißen wohl bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wurde.

Wenn man es zum ersten Mal sieht, erscheint Kaltpressschweißen beinah magisch. Wer damit nicht vertraut ist, hat oft Vorbehalte gegen ein Schweißverfahren, das weder Wärme noch Strom und auch keine Art von Flussmittel zur Herstellung der Verbindung benutzt. Nach einer Vorführung ist die Frage unvermeidlich: „Wie werden die beiden Metallstücke verbunden?”

Hinsichtlich des tatsächlichen Mechanismus, durch den eine Kaltpressnaht erhalten wird, wurden mehrere Erklärungen vorgeschlagen. Beispielsweise wurde Umkristallisation vermutet oder eine Energiehypothese vorgebracht, aber die meisten Erklärungsvorschläge wurden entweder experimentell oder aufgrund von theoretischen Erwägungen widerlegt.

Die derzeit akzeptierte Hypothese für die Entstehung einer Kaltpressnaht beinhaltet den Zusammenhalt der Atome von Metallen durch die metallische „Bindung”, so genannt, weil sie typisch für metallische Substanzen ist. Die Bindung kann als eine „Wolke” von freien, negativ geladenen Atomen, durch die Anziehungskräfte zu einem Ganzen vereint, beschrieben werden.

Herstellen einer Schweißnaht

Daher kann, wenn zwei Metalloberflächen auf einen Abstand von nur wenigen Ångström zusammengebracht werden (wobei 300 Millionen Ångström einem Zentimeter entsprechen), Interaktion zwischen den freien Elektronen und ionisierten Atomen stattfinden. Dadurch wird die Potentialbarriere überwunden, so dass sich die Elektronenwolken vereinigen. Dies wiederum führt zu einer Bindung und somit einer Schweißnaht.

Eine einfachere Erklärung dieses ziemlich beeindruckenden Verfahrens ist, dass beim Aneinanderlegen zweier Flächen, die beide im atomaren Maßstab anatomisch sauber und anatomisch flach sind, eine Bindung gleich der des Grundwerkstoffs entsteht.

Frühe Anwendungen

In der Praxis ist Bindung jedoch unter den meisten Bedingungen aufgrund von Oberflächenunregelmäßigkeiten, organischer Oberflächenkontamination und chemischen Schichten wie Oxidfilmen so gut wie unmöglich.

Um maximale Schweißeffizienz zu erhalten, muss jede Form von Verunreinigung minimiert werden, während die Kontaktfläche, der Schweißbereich, so groß wie möglich gemacht werden muss.

Bei früheren Anwendungen des kalten Druckstumpfschweißens wurden Stauchen und radiale Verschiebung der Kontaktoberflächen in einem einzigen Schritt durchgeführt. Diese Technik hatte verschiedene Nachteile: Die zu verbindenden Enden mussten bündig abgeschnitten werden; beide Oberflächen mussten frei von Verunreinigungen gehalten werden; und die Menge an Material, die von dem Greifwerkzeug vorstand, war auf eine Weise konzipiert, dass Biegen und fehlende Koaxialität auftreten konnten, wodurch der richtige Fluss des Metalls ruiniert wurde.

Das Mehrfachstauchprinzip

Dann kam das von GEC entwickelte Stumpfschweißsystem auf, das das so genannte “Mehrfachstauchprinzip” einsetzte. Wenn das Material in das Gesenk eingelegt ist, wird bei jeder Aktivierung der Maschine das Material durch das Gesenk ergriffen und vorgeschoben.

Auf diese Weise werden die beiden gegenüberliegenden Flächen gestreckt und über die gesamte Oberfläche ausgebreitet, während sie gegeneinander gedrückt werden. Oxid und andere Oberflächenverunreinigungen werden von dem Kern des Materials nach außen gepresst, und eine Bindung entsteht. Ein Minimum von vier Stauchungen wird empfohlen, um sicherzustellen, dass alle Verunreinigungen aus den Schnittstellen gequetscht sind.

Die Vorteile dieser Art des Schweißens sind in der Praxis leicht zu sehen. Die Enden des Drahtes oder Stabes benötigen keine Vorbereitung vor dem Schweißen, und die Ausrichtung der beiden Stoßenden erfolgt automatisch, wenn das Material in dem Gesenk angeordnet ist. Es ist keine Hitzevorgabe zu erreichen; keine Spalteinstellung vorzunehmen, da diese bereits in das Gesenk integriert ist; und kein Federdruck einzustellen. Jeder einzelne dieser Punkte würde bei falscher Einstellung auf einem Widerstandsstumpfschweißgerät zum Scheitern des Schweißvorgangs führen.

Geeignete Metalle

Kaltpressschweißen ist auf NE-Metalle oder höchstens kohlenstofffreies Weicheisen beschränkt. Die meisten NE-Metalle können kalt verschweißt werden, und während Kupfer und Aluminium am häufigsten verwendet werden, zeigen verschiedene Legierungen wie Aldrey, Triple E, Konstantan, 70/30-Messing, Zink, Silber und Silberlegierungen, Nickel, Gold und viele andere gute Kaltschweißbarkeit. Überzogene Drähte, einschließlich von solchen aus verzinntem, versilberten und vernickelten Kupfer, können alle mit ihresgleichen oder mit blankem Kupfer verschweißt werden.

Die üblichen Verfahren zum Fügen unterschiedlicher Metalle, wie Kupfer und Aluminium, insbesondere Widerstandsschweißen, Reibschweißen oder Flammlöten, führen alle zu raschem Zerfall der Verbindung. Diese Reaktion beginnt bei einem Schweißstoß zwischen Kupfer und Aluminium, sobald die beiden Metalle in Kontakt kommen.

Das Problem entsteht durch die Oxide und den Luftraum, die bei diesem Schweißverfahren zwischen den Oberflächen bleiben, nicht durch die Verschiedenartigkeit der Metalle selbst. Beim Kaltpressschweißen werden diese Oxide und Lufträume jedoch während des Schweißprozesses hinausgedrückt, und da keine Wärme zugeführt wird, erfolgen nur die metallurgischen Veränderungen, die bei Umgebungstemperaturen eintreten.

Kaltpressschweißen stellt den besten Weg zum Fügen von Kupfer mit Aluminium ohne Bildung spröder intermetallischer Verbindungen dar. Die Qualität ist ausgezeichnet, da im Gegensatz zu der Gussstruktur beim Schmelzschweißen hierbei eine Schmiedestruktur entsteht. Außerdem gibt es keine Wärmeeinflusszone mit ungeeigneten Eigenschaften.

Bei der Prüfung der Schweißnahtfestigkeit verlassen sich viele auf eine Zugprüfmaschine. Alternativ kann eine Biegewechselprüfung durchgeführt werden. Der rigoroseste Test besteht jedoch darin, das Schweißprodukt durch eine Reihe von Gesenken in einer Drahtziehmaschine zu führen.

Die Rolle der Gesenke

Die Gesenke spielen bei der Herstellung von Stumpfnähten durch Kaltschweißen eine wichtige Rolle. Zuerst müssen sie das Material festhalten, und daher ist die Innenseite des Hohlraums entweder mit einem elektrischen Stift geätzt, oder es werden, wenn das Gesenk zum Schweißen großer Aluminiumstücke eingesetzt werden soll, Greifmarken in dem Hohlraum platziert, bevor das Gesenk wärmebehandelt wird.

Der Spalt zwischen den beiden Flächen oder Nasen des Gesenks ist gleichfalls extrem wichtig. Wenn er zu groß ist, wird das Material einfach zusammenbrechen oder sich wegbiegen. Diese Abmessung wird bei der Herstellung berücksichtigt und kann nicht verändert werden.

Schließlich gibt es den Versatz der Gesenknasen, durch den das Schweißmaterial im Bereich rings um das Material ausschert. Der Zweck des Versatzes ist, den Grat in zwei Hälften zu brechen, so dass seine Entfernung einfach ist; ansonsten würde der Grat als loser Ring um das Material herum bleiben und müsste abgeschnitten werden. Die Nasen des Gesenks müssen auch scharf genug sein, um den Grat um die Schweißnaht herum praktisch abzuzwicken, wiederum um sicherzustellen, dass der komplette Grat leicht entfernt werden kann.

Härte und Temperung des Gesenks sind ebenfalls sehr wichtig. In den frühen Tagen der Kaltverschweißung brachen Gesenke sehr häufig, und noch lange nach Entwicklung einer Maschine zum Verschweißen von 8-mm-Kupferstangen gab es Probleme mit den notwendigen Kräften bei einem Gesenk dieser Größe.

PWM produziert seit mehr als 40 Jahren Gesenke nach sehr hohen Standards und mit äußerst geringen Toleranzen. Mit der Verbesserung der Drahttechnik sind auch die Anforderungen an die Präzision gestiegen. Das laufende Forschungs- und Entwicklungsprogramm von PWM hat es ermöglicht, Gesenke herzustellen, die extrem feinen Draht verbinden können. PWM war das erste Unternehmen außerhalb der USA, das ein Gesenk entwickelte, das in herkömmlichen Kaltschweißgeräten verwendet werden konnte, um Drähte mit einem Durchmesser von nicht mehr als 0,08 mm (0,003145”) zu verbinden. Von erfahrenen Handwerkern in abgestimmten Sätzen mit den kleinstmöglichen Toleranzen individuell handgefertigt.

PWM-Industriestandardgesenke können nun für Drahtquerschnitte von 0,08 mm (0,003145”) bis 6,50 mm (0,256”) hergestellt werden. Gesenke können auch für Rund- oder Profildrähte und -stäbe nach den Vorgaben des Kunden hergestellt werden.

PWM-Gesenke können auch für eine Vielzahl von Profilen hergestellt werden, solange das Profil es ermöglicht, das Gesenk in zwei Hälften herzustellen – was zur Entnahme des geschweißten Drahts erforderlich ist –, und die Querschnittsfläche innerhalb der Kapazität der Maschine liegt.

Es ist auch möglich, zwei verschiedene Drahtstärken miteinander zu verschweißen. Im Allgemeinen sollte der größere Durchmesser den kleineren um nicht mehr als 30 % überschreiten. Hat das Kupfer einen wesentlich geringeren Durchmesser als das Aluminium, bettet sich das Kupfer lediglich in das Aluminium ein, und keine Schweißwirkung wird erreicht.