So funktioniert Kaltschweißen: Metalle ohne Hitze schmelzen


Das Kaltschweißen erfolgt mit Industriepressen, idealerweise im Vakuum. Kredit: Factory.

Beim Schweißen wird traditionell mindestens ein Metallstück auf seine Schmelztemperatur erhitzt und das geschmolzene Material dann mit einem anderen Metallstück in Kontakt gebracht, um die beiden Teile miteinander zu verschmelzen. Allerdings erfordern nicht alle Herstellungsverfahren extreme Hitze, um zwei Metalle miteinander zu verschmelzen. Tatsächlich ist es möglich, bei oder nahe Raumtemperatur zu schweißen. Das nennt man Kaltschweißen, und es ist eigentlich faszinierender, als es sich anhört.

Was ist Kaltschweißen?

Beim Kaltschweißen, auch Kontaktschweißen genannt, werden zwei oder mehrere Metallteile aus dem gleichen Material unter Vakuumdruck in direktem Kontakt miteinander verbunden.

Es ist kein Schweißlichtbogen, Brenner oder Erhitzen jeglicher Art erforderlich. Das alles geschieht mit Druck und mit etwas Hilfe der Chemie. Allerdings ist eine sorgfältige Vorbereitung erforderlich.

So funktioniert Kaltschweißen

Querschnitt der Kaltverschweißung – vor und nach der Schweißung. Bildnachweis: Wikimedia Commons.

Metalle wie Aluminium bilden bei Kontakt mit Luftsauerstoff eine Oxidschicht auf der Metalloberfläche. Diese Rostschicht wirkt zusammen mit anderen Verunreinigungen wie Öl und Fett als Barriere, die verhindert, dass zwei Metalle verschmelzen.

Aus diesem Grund müssen die zwei oder mehr Metallteile, die kaltverschweißt werden müssen, gründlich gereinigt und gebürstet werden, um den Rost – auch wenn Sie ihn mit bloßem Auge nicht sehen können – und andere Verunreinigungen zu entfernen. Neben der Reinigung besteht eine weitere Anforderung darin, dass die Metalle duktil sein müssen (die Fähigkeit eines Metalls, einer dauerhaften Verformung ohne Bruch zu widerstehen). Nichteisenmetalle wie Kupfer, Blei, Gold und Aluminium gehören zu den am häufigsten verwendeten duktilen Metallen für das Kaltschweißen.

Nach der Vorbereitung werden die beiden Metallteile bei hohem Druck unter Vakuum und bei Umgebungstemperatur in Kontakt gebracht. Das Vakuum soll die Bildung einer neuen Oxidschicht verhindern, das Kontaktschweißen kann aber auch in der Atmosphäre (dh direkt auf der Baustelle) durchgeführt werden, allerdings ist die Festigkeit der Verbindung nicht so groß, wie man sie bekommen würde ein Vakuum.

In dieser Umgebung werden die beiden Teile aus demselben Metallmaterial kaltverschweißt, da die Atome in beiden Materialien zwischeneinander „springen“ und eine chemische Bindung herstellen. Technisch ist dieser Prozess als Festkörperdiffusion bekannt, was bedeutet, dass die Atome zweier Metalle verbunden und zusammen diffundiert werden. Letztlich geht die Verbindung zwischen den beiden Metallen eine neue Verbindung ein, als wären sie schon immer ein einziges, homogenes Teil gewesen.

Die beiden Metalle werden typischerweise mit Druckschweißmaschinen in Kontakt gebracht, obwohl es in einigen Fällen möglich ist, eine Verbindung durch einfaches manuelles Pressen herzustellen.

„Der Grund für dieses unerwartete Verhalten ist, dass, wenn die Atome in Kontakt alle von der gleichen Art sind, die Atome nicht „wissen“ können, dass sie sich in verschiedenen Kupferstücken befinden. Wenn es andere Atome gibt, in den Oxiden und Fetten und komplizierteren dünnen Oberflächenschichten von Verunreinigungen dazwischen, „wissen“ die Atome, wenn sie sich nicht auf demselben Teil befinden“, erklärte der berühmte Physiker Richard Feynman.

Wofür ist Kaltschweißen gut?

Das Lichtbogenschweißen ist ziemlich unkompliziert und umfasst zwei einfache Elektroden, die zwischen sich einen Lichtbogen erzeugen, der Metalle schmilzt und verbindet. Ein Bediener kann eine Lichtbogenschweißmaschine praktisch überall außer unter Wasser verwenden. Das Kaltschweißen erfordert einige zusätzliche Schritte und eine spezielle Vakuummaschine. All dies erfordert geschulte Techniker und kann teuer sein. In manchen Fällen lohnt sich der Aufwand aber.

Kaltschweißen eignet sich hervorragend, wenn Sie unterschiedliche Metalle verbinden müssen, d. h. Metalle und Legierungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Wenn unterschiedliche Metalle punktweise geschmolzen werden, um sie zu verschmelzen, verbinden sie sich nicht wirklich gut und können daher zu schwachen Schweißnähten und Rissen führen. Sie möchten auf keinen Fall, dass dies in sensiblen Teilen passiert, wie z. B. in einem Flugzeug oder Auto.

Dies ist beim Kaltschweißen kein Problem, da das Verfahren Metalle ausschließlich durch Atombindungen verschmilzt, die durch freie Elektronen gebildet werden. Bei richtiger Ausführung ist eine Kaltschweißnaht mindestens so stark wie das schwächste Material in der Verbindungsstelle. Kaltschweißen wird häufig in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie, für fortschrittliche Fertigungsanwendungen und in den Labors von Forschungsinstituten eingesetzt.

Kaltschweißen ist auch vorzuziehen, wenn unterirdische Kabel in gefährlichen Hot Spots verlegt werden, wie z. Aus dem gleichen Grund werden Behälter mit Sprengstoff durch Kaltverschweißung verschlossen.

Ein Ingenieur entscheidet sich möglicherweise für das Kontaktschweißen, da zu viel Wärme, die in das Material eingebracht wird, zu einer Verformung oder Schwächung des Materials führen kann.

Im Allgemeinen wird das Kaltschweißen verwendet, wenn das Heißschweißen entweder aufgrund der Eigenschaften der zu schweißenden Materialien unwirksam ist oder wenn Hitze zu viel Schaden anrichtet oder eine Gefahr darstellt.

Wie stark ist Kaltverschweißung?

Wenn das Kaltschweißen nach Vorschrift durchgeführt wird, das heißt, die Materialien gründlich von Verunreinigungen gereinigt werden und die Schweißnähte schön und flach sind, kann man erwarten, dass die Schweißverbindung genauso stark ist wie das Grundmaterial. Einige andere Schweißverfahren können zu einer Verbindungsfestigkeit führen, die größer sein kann als die Festigkeit des ursprünglichen Materials, aber das ist beim Kaltschweißen nicht der Fall.

Für beabsichtigte Anwendungen ist Kontaktschweißen jedoch stark genug. Tatsächlich kann die Stärke des Kaltschweißens manchmal ein echtes Ärgernis sein, beispielsweise bei Weltraumanwendungen, wie die NASA dies in den 1960er und 1970er Jahren auf die harte Tour lernen musste. YouTuber Veritasium hat einen großartigen Vblog gepostet, in dem das Kaltschweißen und die zufälligen Probleme, die es in der Raumfahrtindustrie verursacht, erklärt werden. Ein berühmtes Beispiel ist die Galileo-Raumsonde von 1989, die beim Erreichen des Jupiter drei ihrer 18 Spezialantennen nicht nutzen konnte – sie sollten sich entfalten, waren aber spontan kaltverschweißt.

Vielleicht ist es jetzt an der Zeit, JB-Schweißen zu erwähnen. JB Weld ist der Markenname für ein Epoxid-Klebesystem, das im Wesentlichen aus einer Mischung aus zwei Komponenten besteht, einem Aktivator und einer Basis. Mischen Sie die beiden zusammen und tragen Sie die resultierende Paste auf die Bereiche auf, die verklebt werden müssen. Nach dem Aushärten kann die JB Weld-Verbindung so stark wie Stahl sein, sodass sie für alles verwendet werden kann, von alten Barhockern bis hin zu Anhängerkupplungen. Aber obwohl JB-Schweißen oft als „ursprüngliches Kaltschweißen“ bezeichnet wird, handelt es sich technisch gesehen nicht um Kaltschweißen, da es keinen molekularen Kontakt zwischen den zu schweißenden Teilen gibt. Verwechseln Sie JB-Schweißen also nicht mit Kaltschweißen – das ist überhaupt nicht dasselbe.

Die Vor- und Nachteile des Kaltschweißens

Kaltschweißen hat den Vorteil, dass keine Wärme verwendet werden muss, um eine Verbindung zwischen Materialien herzustellen. Dadurch wird das Risiko einer Verformung oder Schwächung des Originalmaterials verringert. Kaltschweißen kann praktisch ohne Schulung durchgeführt werden, im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen, das einige Fähigkeiten und Geschicklichkeit erfordert.

Pressschweißmaschinen können jedoch teuer sein, ebenso wie der gesamte Kaltschweißprozess für diese Angelegenheit. Das sorgfältige Reinigen und Bürsten von Materialien kann viel Zeit in Anspruch nehmen, während das Lichtbogenschweißen im Handumdrehen durchgeführt werden kann. Außerdem ist Kaltschweißen in einer industriellen Umgebung nicht praktikabel, da all der Staub und die Trümmer in der Atmosphäre schweben.

Das Kaltschweißen funktioniert normalerweise nur bei duktilen Materialien, während das Lichtbogenschweißen bei praktisch allen Metallen durchgeführt werden kann, solange deren Siedepunkt nicht zu niedrig ist, wie beispielsweise bei Gallium.

Unregelmäßige Formen lassen sich nur sehr schwer mit Kaltschweißen verbinden, deren beste Ergebnisse durch die Verwendung ebener Oberflächen erzielt werden. Lichtbogenschweißen hingegen kann verwendet werden, um Metalle aller Formen und Größen zu schmelzen.

Welche Metalle eignen sich zum Kaltschweißen?

Wie bereits erwähnt, funktioniert das Kaltschweißen am besten mit duktilen Materialien, die ähnliche metallische Strukturen und Nichteiseneigenschaften haben. Einige der am häufigsten verwendeten Metalle beim Kaltschweißen sind:

  • Aluminium (einschließlich der Güten 2xxx und 7xxx, die im Allgemeinen als mit Hitze nicht schweißbar gelten)
  • Kupfer
  • Zink
  • 70/30 Messing
  • Nickel
  • Silberlegierungen
  • Gold
  • Rostfreier Stahl

Obwohl Kaltschweißen wie ein Oxymoron klingt, ist es tatsächlich eine sehr praktische Technik zum Verbinden von Metallen. Seine Einschränkungen – einschließlich der Voraussetzungen zum Entfernen von Oxidschichten und des Vorhandenseins von Vakuum für beste Leistung – machen das Kaltschweißen jedoch für einen relativ engen Anwendungsbereich in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie praktikabel.

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