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Jul 13, 2023

Die Wissenschaft hinter dem Kaltschweißen: Metalle ohne Hitze verbinden

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Wenn man an einen Schweißvorgang denkt, denkt man wahrscheinlich als Erstes an die Verwendung von Wärme. Techniken wie Lichtbogenschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen und Laserschweißen beinhalten alle auf die eine oder andere Weise Wärme. Tatsächlich gilt Wärme als Synonym für Schweißen und ist in den obigen Beispielen entscheidend für die Verbindung zweier Metalle.

Dies ist jedoch nicht der einzige Weg. Sie können, ob Sie es glauben oder nicht, tatsächlich Metalle in einem Prozess namens Kaltschweißen miteinander verschmelzen.

Es wird häufig in der Luftfahrt und der Elektrotechnik verwendet und gilt allgemein als eine der besten Möglichkeiten, Metalle (und andere Materialien) miteinander zu verbinden.

Es mag unmöglich klingen, aber es ist tatsächlich eine der beliebtesten Schweißmethoden überhaupt. Lasst uns etwas mehr darüber herausfinden.

Beim Wärmeschweißen werden die Teile effektiv so plastisch gemacht, dass eine Diffusion der Atome stattfinden kann, entweder zwischen den beiden Werkstücken oder mit einem anderen Medium in der Mitte. Während dies traditionell durch die Anwendung von Wärme geschieht, gibt es auch andere Möglichkeiten, die Atome zur Diffusion zu bewegen.

US-Gouverneur. Militärische Luftwaffe/Wikimedia Commons

Beim Kaltschweißen (auch als Kaltpressschweißen und Kontaktschweißen bezeichnet) wird Druck unter Vakuumbedingungen anstelle von Wärme verwendet, um zwei Materialien durch einen als Festkörperdiffusion bezeichneten Prozess zu verbinden.

Es kann auch verwendet werden, um andere Materialien, wie zum Beispiel Kunststoffe, miteinander zu verbinden.

Wie sich herausstellt, ja.

Die resultierende Bindung ist nach Abschluss des Prozesses in der Regel genauso stark wie die der Ausgangsmaterialien.

Bei dem Prozess wird kein Metall verflüssigt und die Materialien werden in der Regel nicht nennenswert erhitzt. Das Verfahren setzt jedoch voraus, dass zunächst etwaige Oxidschichten von den betreffenden Metallen entfernt werden.

Dies liegt vor allem daran, dass die Metalle normalerweise eine Oberflächenoxidschicht enthalten, die als dünne Barriere auf der Oberfläche der Materialien wirkt und die Diffusion von Metallatomen zwischen den Metallstücken verhindert.

Die meisten Metalle weisen unter normalen Bedingungen eine Art Oxidschicht auf ihren freiliegenden Oberflächen auf – auch wenn diese mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Sie können auch Schichten anderer Verunreinigungen wie Fett, Staub usw. aufnehmen.

Kaltschweißen überwindet dieses Problem, indem die Metalle vor dem Schweißen vorbereitet werden. Beim Vorbereitungsprozess werden die Metalle so weit gereinigt oder gebürstet, dass die oberste Oxid- oder Barriereschicht entfernt wird.

Geisteswissenschaften/Wikimedia Commons

Dabei handelt es sich in der Regel um eine Mischung aus chemischen und mechanischen Methoden. Entfetten, Drahtbürsten. und andere Techniken werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass Metalloberflächen möglichst frei von Oxidschichten sind.

Wie bereits erwähnt, müssen alle Metalle, die kalt verschweißt werden sollen, zunächst frei von Oxidschichten sein.

Sobald die gewünschte Oberflächenreinheit erreicht ist, werden beide Materialien mechanisch und mit genau dem richtigen Kraftaufwand zusammengepresst. Diese Kraft hängt vom Material selbst ab, da einige Materialien möglicherweise nur bei hohen Drücken schweißen.

Aber es gibt noch andere Anforderungen.

Voraussetzung für das Kaltschweißen ist, dass mindestens einer der Werkstoffe duktil ist und keine starke Verhärtung erfahren hat. Dies schränkt natürlich die Liste der Materialien ein, die für das Kaltschweißen in Frage kommen.

Weiche Metalle wie Aluminium oder Kupfer eignen sich normalerweise am besten zum Kaltschweißen.

mtiwelding

Die häufigsten Verbindungen, die beim Kaltschweißen möglich sind, sind:

Bei einer Stoßverbindung ist das Entfernen der Barriereschicht des Metalls oft nicht erforderlich, da die plastische Verformung, die während des Verbindungsprozesses auftritt, die Barriere automatisch auflöst. Diese Art der Verbindung wird am häufigsten bei Metallen wie Aluminium- oder Kupferdrähten mit Durchmessern zwischen 0,02 Zoll (0,5 mm) und 0,4 Zoll (10 mm) angewendet.

Überlappungsfugen hingegen bedürfen einer besonderen Behandlung, da das Material sonst nicht aneinander haftet. Überlappungsverbindungen werden häufiger beim Zusammenschweißen von Blechen oder Blechen an Stäbe verwendet.

Kaltschweißen wird auch häufig bei Drähten verwendet, darunter Aluminium, Kupfer, Zink, 70/30-Messing, Nickel, Silber, Silberlegierungen und Gold.

Das Kaltschweißen wurde erstmals in den 1940er Jahren offiziell anerkannt, es gibt jedoch Hinweise darauf, dass es einen noch früheren Ursprung haben könnte.

Beispielsweise scheint es Reverend JT Desaguliers im Jahr 1724 gelungen zu sein, zwei Metalle mithilfe von Kaltschweißtechniken erfolgreich kalt zu verschweißen. Er zeigte, dass, wenn er zwei Bleikugeln gleichen Durchmessers zusammenpresste und drehte, diese aneinander haften blieben. Die Gelenke waren etwas unregelmäßig, schienen aber genauso stark zu sein wie die der ursprünglichen Bleikugeln.

So nützlich das Kaltschweißen auch ist, es ist bei weitem nicht ohne Einschränkungen – wie jede Form des Schweißens.

NZ Defence Force/Flickr

Eine perfekte Kaltschweißung ist sehr schwer zu erreichen. Dafür gibt es mehrere Gründe, darunter Oxidschichten, die sich unter atmosphärischen Bedingungen auf dem Metall bilden, Oberflächenunregelmäßigkeiten, Oberflächenverunreinigungen und mehr. Perfekte Bedingungen zu erreichen kann schwierig und kostspielig sein, insbesondere bei großen Schweißprojekten.

Optimale Kaltschweißnähte entstehen nur, wenn die beiden zusammengepressten Oberflächen sauber und frei von jeglichen Verunreinigungen sind. Dies erfordert zusätzliche Vorbereitungsschritte und kann einige Zeit in Anspruch nehmen.

Je flacher und gleichmäßiger die Oberfläche ist, desto einfacher und gleichmäßiger wird die Schweißung. Eine perfekt ebene und glatte Oberfläche ist nicht immer möglich – insbesondere im Mikro- und Nanobereich.

Eine weitere Einschränkung besteht in der Art der Metalle, die kaltgeschweißt werden können. Mindestens eines davon muss duktil sein, wobei Nichteisen-Weichmetalle die einzigen wirklichen Kandidaten sind, die zum Kaltschweißen geeignet sind. Kupfer und Aluminium sind die beiden am häufigsten kaltgeschweißten Metalle.

Metalle, die Kohlenstoff enthalten, sind in der Regel von der Möglichkeit des Kaltschweißens ausgeschlossen.

Der bemerkenswerteste Vorteil des Kaltschweißens besteht darin, dass die resultierenden Schweißnähte die gleiche oder eine sehr ähnliche Bindungsfestigkeit wie das Grundmaterial aufweisen. Dieses Kunststück ist in anderen Formen der Metallbearbeitung ohne vollständiges Einschmelzen und Neugießen nur sehr schwer nachzubilden.

Mit der Kaltumformung können auch Aluminiumlegierungen der Serien 2xxx und 7xxx geschweißt werden, die aufgrund ihrer Neigung zur Heißrissbildung nicht schmelzgeschweißt werden können und sich nur sehr schwer mit anderen Schweißarten verbinden lassen.

PWM-Kaltdruckschweißmaschinen/YouTube

In der Industrie ist das Kaltschweißen für seine Fähigkeit bekannt, Aluminium und Kupfer zusammenzuschweißen, die mit anderen Schweißtechniken oft nur schwer zu schweißen sind. Allerdings ist die durch das Kaltschweißen entstehende Verbindung zwischen den beiden Materialien sehr stark.

Kaltschweißen sorgt für saubere und starke Schweißnähte ohne die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen.

Kaltschweißen wird hauptsächlich bei Schweißdrähten angewendet. Da keine Hitze entsteht und der Prozess schnell durchgeführt werden kann, kann das Kaltschweißen perfekt geschweißte Drähte gewährleisten, hauptsächlich aus Aluminium, Kupfer, 70/30-Messing, Zink, Silber und Silberlegierungen, Nickel und Gold.

Es sind sogar Handwerkzeuge erhältlich, mit denen Sie Drähte kalt verschweißen können. Dadurch sind sie sehr tragbar und einfach zu verwenden – natürlich erst, wenn die Metalloberflächen ausreichend gereinigt wurden.

Kaltschweißen wird auch dort eingesetzt, wo unterschiedliche Metalle verbunden werden müssen, beispielsweise zwischen Kupfer und Aluminium.

Kaltschweißen bietet eine der stabilsten Schweißnähte für die Herstellung grundmetallähnlicher Verbindungen. Es sind weder Wärmeenergie noch Spezialwerkzeuge erforderlich. Das Kaltschweißen gehört zu den beliebtesten Schweißtechniken und zeigt, dass beim Verbinden bestimmter Materialarten keine Hitze erforderlich ist.