Koperlassen met industriële robots

Koper en koperlegeringen bieden een unieke combinatie van materiaaleigenschappen waardoor ze ideaal zijn voor veel productieomgevingen. Ze worden veel gebruikt vanwege hun uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid, uitstekende weerstand tegen corrosie, gemakkelijke fabricage, goede sterkte en weerstand tegen vermoeidheid. Andere nuttige eigenschappen zijn vonkbestendigheid, metaal-op-metaal slijtvastheid, lage doorlaatbaarheid en onderscheidende kleur.

Koperlasprocessen

Koper wordt vaak verbonden door lassen. De booglasprocessen zijn van primair belang. Booglassen kan worden uitgevoerd met behulp van booglassen met afgeschermd metaal (SMAW), booglassen met gaswolfraam (GTAW), booglassen met gas-metaal (GMAW), plasmabooglassen (PAW) en booglassen onder poederdek (SAW).

Lasprocessen waarbij gasafscherming wordt gebruikt, hebben over het algemeen de voorkeur, hoewel SMAW voor veel niet-kritieke toepassingen kan worden gebruikt. Argon, helium of mengsels van beide worden gebruikt als beschermgassen voor GTAW, PAW en GMAW. Over het algemeen wordt argon gebruikt wanneer handmatig lasmateriaal minder dan 3 mm dik is, een lage thermische geleidbaarheid heeft, of beide. Helium of een mengsel van 75% helium en 25% argon wordt aanbevolen voor het machinaal lassen van dunne delen en voor het handmatig lassen van dikkere delen van legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid. Aan het argon-beschermgas kunnen kleine hoeveelheden stikstof worden toegevoegd om de effectieve warmte-inbreng te vergroten. Booglassen met afgeschermd metaal kan worden gebruikt voor het lassen van een breed scala aan diktes van koperlegeringen. Beklede elektroden voor onderpoederlassen (SAW) van koperlegeringen zijn verkrijgbaar in standaardafmetingen van 2,4 tot 4,8 mm.

Gas-wolfraambooglassen

Gas-wolfraambooglassen is zeer geschikt voor koper en koperlegeringen vanwege de intense boog, die een extreem hoge temperatuur bij de verbinding en een smalle hitte-beïnvloede zone (HAZ) veroorzaakt.

Bij het lassen van koper en de meer thermisch geleidende koperlegeringen, is de intensiteit van de boog belangrijk bij het voltooien van de fusie met minimale verwarming van het omringende, sterk geleidende basismetaal. Een smalle HAZ is vooral wenselijk bij het lassen van koperlegeringen die door precipitatie zijn gehard.

Veel van de standaard wolfraam- of gelegeerde wolfraamelektroden kunnen worden gebruikt in GTAW van koper en koperlegeringen. De selectiefactoren die normaal worden overwogen voor wolfraamelektroden zijn in het algemeen van toepassing op koper en koperlegeringen. Met uitzondering van de specifieke klassen van koperlegeringen, heeft thoriumwolfraam (meestal EWTh-2) de voorkeur vanwege de betere prestaties, langere levensduur en grotere weerstand tegen vervuiling.

Gas-metaalbooglassen

Gas-metaalbooglassen wordt gebruikt voor het verbinden van koper en koperlegeringen met een dikte van minder dan 3 mm, terwijl GMAW de voorkeur heeft voor sectiediktes van meer dan 3 mm en voor het verbinden van aluminiumbrons, siliciumbrons en koper-nikkellegeringen.

Plasmabooglassen

Het lassen van koper en koperlegeringen met PAW is vergelijkbaar met TIG van deze legeringen. Argon, helium of mengsels van beide worden gebruikt voor het lassen van alle legeringen. Waterstofgas mag nooit worden gebruikt bij het lassen van koper.

Plasmabooglassen heeft twee duidelijke voordelen ten opzichte van GTAW:

1. Wolfraam is verborgen en volledig afgeschermd, wat de vervuiling van de elektrode aanzienlijk vermindert, met name voor legeringen met bestanddelen met een laag kookpunt, zoals messing, brons, fosforbrons en aluminiumbrons.
2. Geconstrueerde boogpluim geeft aanleiding tot hogere boogenergieën terwijl de groei van de HAZ wordt geminimaliseerd. Net als bij GTAW kunnen ook stroompulsatie en stroomhelling worden gebruikt. Apparatuur voor plasmabooglassen is geminiaturiseerd voor ingewikkeld werk, ook wel microplasmalassen genoemd.

Plasmabooglassen van koper en koperlegeringen kan zowel autogeen als met toevoegmateriaal worden uitgevoerd. Selectie van vulmetaal is identiek aan die voor GTAW. Automatisering en mechanisatie van dit proces is gemakkelijk uit te voeren en heeft de voorkeur boven GTAW waar verontreiniging de productie-efficiëntie kan beperken. Lasposities voor PAW zijn identiek aan die voor GTAW. De plasma-kijkgatmodus is echter geëvalueerd voor dikkere secties in een verticale positie. Over het algemeen is alle informatie die wordt gepresenteerd voor GTAW van toepassing op PAW.

Onderpoederlassen

Het lassen van dik meetmateriaal, zoals pijp gevormd uit zware plaat, kan worden bereikt door continue metaalboogwerking onder een korrelige flux. Effectieve deoxidatie en slak-metaalreacties om de vereiste lasmetaalsamenstelling te vormen zijn van cruciaal belang en het SAW-proces is nog in ontwikkeling voor materialen op basis van koper. Een variatie op dit proces kan worden gebruikt voor lasbekleding of hardoplassen. Voor de koper-nikkellegeringen moeten in de handel verkrijgbare vloeimiddelen worden gebruikt.

Legeringsmetallurgie en lasbaarheid

Veel gewone metalen worden gelegeerd met koper om de verschillende koperlegeringen te produceren. De meest voorkomende legeringselementen zijn aluminium, nikkel, silicium, tin en zink. Andere elementen en metalen worden in kleine hoeveelheden gelegeerd om bepaalde materiaaleigenschappen, zoals corrosiebestendigheid of bewerkbaarheid, te verbeteren.

Negen koper- en koperlegeringsgroepen:

1. Koper, dat minimaal 99,3% Cu bevat
2. Hoge koperlegeringen, die tot 5% legeringselementen bevatten
3. Koper-zinklegeringen (messing), die tot 40% Zn bevatten
4. Koper-tin-legeringen (fosforbronzen), die tot 10% Sn en 0,2% P bevatten
5. Koper-aluminiumlegeringen (aluminiumbronzen), die tot 10% Al bevatten
6. Koper-siliciumlegeringen (siliciumbronzen), die tot 3% Si bevatten
7. Koper-nikkellegeringen, die tot 30% Ni bevatten
8. Koper-zink-nikkellegeringen (nikkelzilver), die tot 7% ​​Zn en 18% Ni bevatten
9. Speciale legeringen, die legeringselementen bevatten om een ​​specifieke eigenschap of kenmerk, bijvoorbeeld bewerkbaarheid, te verbeteren.

Veel koperlegeringen hebben gemeenschappelijke namen, zoals zuurstofvrij koper (99,95% Cu min), berylliumkoper (0,02 tot 0,2% Be), Muntz-metaal (Cu40Zn), Naval-messing (Cu-39.5Zn-0.75Sn) en commerciële brons (Cu-10Zn).

Eigenschappen

Veel van de fysische eigenschappen van koperlegeringen zijn belangrijk voor de lasprocessen, waaronder smelttemperatuur, thermische uitzettingscoëfficiënt en elektrische en thermische geleidbaarheid. Bepaalde legeringselementen verminderen de elektrische en thermische geleidbaarheid van koper en koperlegeringen.

Lasbaarheid

Verschillende legeringselementen hebben uitgesproken effecten op de lasbaarheid van koper en koperlegeringen. Kleine hoeveelheden vluchtige, giftige legeringselementen zijn vaak aanwezig in koper en zijn legeringen. Als gevolg hiervan is de eis van een effectief ventilatiesysteem om de lasser en/of de lasmachinebediener te beschermen belangrijker dan bij het lassen van ferrometalen.

Zink vermindert de lasbaarheid van alle soorten messing in verhouding tot het percentage zink in de legering. Zink heeft een lage kooktemperatuur, wat resulteert in de productie van giftige dampen bij het lassen van koper-zinklegeringen.

Silicium heeft een gunstig effect op de lasbaarheid van koper-siliciumlegeringen vanwege zijn deoxiderende en vloeiende werking.

Blik

Tin verhoogt de gevoeligheid voor hete scheuren tijdens het lassen wanneer het aanwezig is in hoeveelheden van 1 tot 10%. Tin is in vergelijking met zink veel minder vluchtig en giftig. Tijdens het lassen kan tin bij voorkeur oxideren ten opzichte van koper. Het resultaat is een insluiting van oxide, wat de sterkte van de las kan verminderen.

Tenacious Oxiden

Beryllium, aluminium en nikkel vormen hardnekkige oxiden die vóór het lassen moeten worden verwijderd. De vorming van deze oxiden tijdens het lasproces moet worden voorkomen door beschermgas of door fluxen, in combinatie met het gebruik van de juiste lasstroom. De oxiden van nikkel interfereren minder met booglassen dan die van beryllium of aluminium. Bijgevolg zijn de nikkelzilversoorten en koper-nikkellegeringen minder gevoelig voor het type lasstroom dat tijdens het proces wordt gebruikt. Legeringen die beryllium bevatten, produceren ook giftige dampen tijdens het lassen.

Zuurstof

Zuurstof kan porositeit veroorzaken en de sterkte verminderen van lassen gemaakt in bepaalde koperlegeringen die niet voldoende hoeveelheden fosfor of andere deoxidatiemiddelen bevatten. Zuurstof kan worden aangetroffen als een vrij gas of als koperoxide. De meest gelaste koperlegeringen bevatten een deoxidatie-element, meestal fosfor, silicium, aluminium, ijzer of mangaan.

IJzer en mangaan hebben geen significante invloed op de lasbaarheid van de legeringen die ze bevatten. IJzer is typisch aanwezig in sommige speciale messingsoorten, aluminiumbronzen en koper-nikkellegeringen in hoeveelheden van 1,4 tot 3,5%. Mangaan wordt vaak gebruikt in dezelfde legeringen, maar in lagere concentraties dan ijzer.

Vrije bewerkingsadditieven

Lood, selenium, tellurium en zwavel worden aan koperlegeringen toegevoegd om de bewerkbaarheid te verbeteren. Bismut begint ook voor dit doel te worden gebruikt wanneer loodvrije legeringen gewenst zijn. Hoewel deze minder belangrijke legeringsmiddelen de bewerkbaarheid verbeteren, hebben ze een aanzienlijke invloed op de lasbaarheid van koperlegeringen door de legeringen vatbaar te maken voor warmscheuren. Het nadelige effect op de lasbaarheid is duidelijk bij ongeveer 0,05% van het additief en is ernstiger bij hogere concentraties. Lood is de meest schadelijke van de legeringsmiddelen met betrekking tot de gevoeligheid voor hete scheuren.

Factoren die de lasbaarheid beïnvloeden

Naast de legeringselementen waaruit een specifieke koperlegering bestaat, zijn er verschillende andere factoren die de lasbaarheid beïnvloeden. Deze factoren zijn de thermische geleidbaarheid van de legering die wordt gelast, het beschermgas, het type stroom dat tijdens het lassen wordt gebruikt, het ontwerp van de verbinding, de laspositie en de toestand en reinheid van het oppervlak.

Effect van thermische geleidbaarheid

Het gedrag van koper en koperlegeringen tijdens het lassen wordt sterk beïnvloed door de thermische geleidbaarheid van de legering. Bij het lassen van commercieel koper en lichtgelegeerde kopermaterialen met hoge thermische geleidbaarheid, moet het type stroom en beschermgas worden gekozen om maximale warmtetoevoer naar de verbinding te bieden. Deze hoge warmte-inbreng gaat de snelle afvoer van de kop weg van de plaatselijke laszone tegen.

Afhankelijk van de sectiedikte kan voorverwarmen vereist zijn voor koperlegeringen met lagere thermische geleidbaarheid. De tussentijdse temperatuur moet dezelfde zijn als voor voorverwarmen. Koperlegeringen ondergaan na het lassen niet zo vaak een kopbehandeling als staalsoorten, maar sommige legeringen kunnen gecontroleerde koelsnelheden vereisen om restspanningen en hete kortheid te minimaliseren.

Laspositie

Vanwege de zeer vloeibare aard van koper en zijn legeringen, wordt de vlakke positie waar mogelijk gebruikt voor lassen. De horizontale positie wordt gebruikt bij sommige hoeklassen van hoekverbindingen en T-verbindingen.

Door neerslag hardbare legeringen

De belangrijkste neerslaghardingsreacties worden verkregen met beryllium, chroom, boor, nikkel, silicium en zirkonium. Voorzichtigheid is geboden bij het lassen van door precipitatie hardbare koperlegeringen om oxidatie en onvolledige versmelting te voorkomen. Waar mogelijk moeten de componenten in gegloeide toestand worden gelast en vervolgens moet de las een precipitatiehardende warmtebehandeling ondergaan.

Heet kraken

Koperlegeringen, zoals koper-tin en koper-nikkel, zijn gevoelig voor warmscheuren bij stollingstemperaturen. Deze eigenschap komt tot uiting in alle koperlegeringen met een breed temperatuurbereik van liquidus tot solidus. Ernstige krimpspanningen produceren interdendritische scheiding tijdens het stollen van metaal. Heet scheuren kan worden geminimaliseerd door de weerstand tijdens het lassen te verminderen, voorverwarmen om de afkoelsnelheid te vertragen en de omvang van lasspanningen te verminderen, en door de grootte van de wortelopening te verkleinen en de grootte van de worteldoorgang te vergroten.

Porositeit

Bepaalde elementen (bijvoorbeeld zink, cadmium en fosfor) hebben lage kookpunten. Verdamping van deze elementen tijdens het lassen kan porositeit tot gevolg hebben. Bij het lassen van koperlegeringen die deze elementen bevatten, kan porositeit worden geminimaliseerd door hogere lassnelheden en een toevoegmetaal met een laag gehalte aan deze elementen.

Oppervlakteconditie

Vet en oxide op werkoppervlakken moeten vóór het lassen worden verwijderd. Staalborstelen of helder dompelen kan worden gebruikt. Miliscale op de oppervlakken van aluminiumbrons en siliciumbrons wordt verwijderd over een afstand van het lasgebied van ten minste 13 mm, meestal met mechanische middelen. Vet, verf, krijtstrepen, winkelvuil en soortgelijke verontreinigingen op koper-nikkellegeringen kunnen brosheid veroorzaken en moeten vóór het lassen worden verwijderd. Miliscale op koper-nikkellegeringen moet worden verwijderd door slijpen of beitsen; staalborstelen is niet effectief.

Koper laslegeringen

Het ideale elektrodemateriaal zou de druksterkte van gereedschapsstaal en de geleidbaarheid van zilver hebben. Helaas bestaat dergelijk materiaal niet. Er zijn dus verschillende koperlegeringen ontwikkeld. Alle door RWMA aanbevolen materialen hebben hogere gloei- of verwekingstemperaturen dan puur koper, samen met verbeterde druksterkte en slijtvastheid. Omdat het koper is gelegeerd om hogere sterkte en slijtage-eigenschappen te bereiken, is er enige opoffering in geleidbaarheid.

Koperlegeringen:

Klasse 1:Deze klasse wordt meestal gespecificeerd voor het lassen van aluminium en andere sterk geleidende materialen. Dit is de meest geleidende van de RWMA-legeringen. Het is ook de zachtste (en heeft de laagste sterkte en slijtage-eigenschappen).

Klasse 2:Deze klasse van koperlegeringen is de meest gebruikte en aanbevolen koperlegering. Het wordt aanbevolen voor een breed scala aan staallegeringen. Het materiaal wordt aanbevolen voor punt-, naad-, projectielassen en kruisdraadlassen. Het heeft een iets lagere geleidbaarheid dan klasse 1 en heeft hogere sterkte- en slijtvastheidseigenschappen.

Klasse 3:Deze heeft de laagste geleidbaarheid, maar de hoogste sterkte-eigenschappen van de drie belangrijkste soorten koperelektrodemateriaal. Het wordt aanbevolen voor de meeste toepassingen waar hoge sterkte en slijtvastheid absoluut noodzakelijk zijn.