Lassen van koper en koperlegeringen
Koper en zijn legeringen zijn al bijna 6000 jaar van groot technisch en maatschappelijk belang. Tegenwoordig is koper het materiaal van de energietransitie: het drijft hernieuwbare systemen aan, verbetert de energie-efficiëntie en biedt als duurzaam materiaal oneindige recyclebaarheid. Het lassen van dit ‘materiaal bij uitstek’ vereist echter specifieke metallurgische kennis.
Bij het lassen van zuiver koper is het van essentieel belang dat het materiaal zuurstofvrij is. Hoewel deze koperkwaliteiten doorgaans met fosfor worden gedeoxideerd, kan zelfs een laag fosforgehalte de elektrische geleidbaarheid negatief beïnvloeden. Daarom moet voor elektrotechnische onderdelen die gelast moeten worden bij voorkeur SE-Cu worden toegepast, gedeoxideerd met elementen zoals lithium of boor.
De uitstekende warmtegeleiding van koper maakt hoge voorverwarmingstemperaturen en een geconcentreerde, intensieve warmtetoevoer tijdens het lasproces noodzakelijk. Samen met zijn meer dan 400 legeringen blijft koper het voorkeursmateriaal voor veel innovatieve ontwikkelingen in het moderne leven. Dit omvat onder andere kritische toepassingen in de industriële techniek, energietechnologie, architectuur en informatie- en communicatietechnologie.
De familie van koperlegeringen is enorm en varieert van messing en brons tot complexe koper-nikkel samenstellingen. Omdat deze materialen wereldwijd worden gebruikt, vallen ze onder verschillende internationale normen, zoals de Europese EN-normen (met CW/CC-voorkomens) en de Amerikaanse UNS-systematiek.
Om u een zo actueel en volledig mogelijk overzicht te geven van deze legeringsclassificaties en de bijbehorende lasvullingen, hebben we een gedetailleerde database samengesteld.
Het Europese normeringssysteem gebruikt het voorvoegsel “CW” voor gewalste (vervormde) legeringen, zoals plaat, staf of draad, en het voorvoegsel “CC” voor gietlegeringen. Hierop volgen drie cijfers en een letter (bijvoorbeeld CW004A of CC008A).
Systeem CEN/TC 133 omvat zowel genormeerde materialen als andere, niet-genormeerde materialen. De nummers zijn echter vooraf zodanig toegewezen dat verwarring met CEN-materialen zoveel mogelijk wordt voorkomen. Dit betekent dat niet elke materiaalondergroep begint met het cijfer “1”. Zo beginnen koperkwaliteiten bijvoorbeeld met 001, terwijl verschillende koperlegeringen beginnen met 100, koper-aluminiumlegeringen met 300, koper-zinklegeringen met 500, enzovoort, zoals weergegeven in de tabel.
| material groups | Number ranges for items 3, 4, and 5 |
Material group identifier |
Number range for materials preferred by CEN |
|---|---|---|---|
| Copper | 001-999 | A | 001-049A |
| 001-999 | B | 050-099B | |
| Cu + max 5% alloying elements |
001-999 | C | 100-149 °C |
| 001-999 | D | 150-199 D | |
| Cu + more than 5% alloying elements |
001-999 | E | 200-249 E |
| 001-999 | F | 250-299 °F | |
| copper-aluminium alloys |
001-999 | G | 300-349G |
| copper-nickel alloys | 001-999 | H | 350-399H |
| Copper-nickel-zinc alloys |
001-999 | J | 400-449J |
| Copper-tin alloys | 001-999 | K | 459-499K |
| Copper-zinc alloys, binary |
001-999 | L | 500-549L |
| 001-999 | M | 550-599 Mio. | |
| Copper-zinc-lead alloys |
001-999 | N | 600-649N |
| 001-999 | P | 650-699P | |
| Copper-zinc alloys, complex |
001-999 | R | 700-749R |
| 750-799S | |||
| Copper materials that are not standardized by CEN/TC 133 |
800-999 | ALS* | 800-999* |
Systeem: Het Unified Numbering System (UNS) is een in de Verenigde Staten ontwikkeld classificatiesysteem. Voor koper en koperlegeringen wordt het voorvoegsel C (van copper) gebruikt, gevolgd door vijf cijfers (bijvoorbeeld C10100 of C11000).
Unified Numbering System (UNS) – legeringsaanduidingen
Gewalste koperlegeringsfamilies
- C100xx-C150xx Commercieel zuiver Cu
- C151xx-C199xx Age Hardenable Cu (w/ Cd, Be, Cr, Fe)
- C2xxxx Cu-Zn legerigen – Messing
- C3xxxx Cu-Zn-Pb legerigen – Koper zink lood legeingen
- C4xxxx Cu-Zn-Sn legerigen – Tin boons
- C5xxxx Cu-Sn en Cu-Sn-Pb Fosfor Brons legerigen
- C6xxxx Cu-Al en Cu-Si Brons
- C7xxxx Cu-Ni Koper Nikkel en Cu-Ni-Zn Koper Nikkel Zilver legeringen
Giet koperlegeingen
- C800xx-C811xx Commercieel zuiver koper
- C813xx-C828xx 95-99% koper
- C833xx-C899xx Cu-Zn legeringen met Sn, Pb, Mn, of Si
- C9xxxx andere legerigen, inclusief tin brons, aluminum brons, Koper Nikkel
| Materiaal | EN Nummer | UNS Nummer |
| CuBe2 | CW101C | C17200 |
| CuCo1NiBe | CW103C | - |
| CuCo2Be | CW104C | C17500 |
| CuCr1 / CuCr1-C | CW105C / CC104C | C18200 / C181500 |
| CuCr1Zr | CW106C | C18150 |
| CuFe2P | CW107C | C19400 |
| CuNi1P | CW108C | C19000 |
| CuNi1Si | CW109C | C19010 |
| CuNi2Be | CW110C | C17510 |
| CuNi2Si | CW111C | C70260 |
| CuNi3Si1 | CW112C | C70250 |
| CuZr | CW120C | C15000 |
| Materiaal | EN Nummer | UNS Nummer |
| CuAG0.1 | CW013A | C11600 |
| CuMg0.4 | CW128C | C18665 |
| CuPb1P | CW113C | C18700 |
| CuSP | CW114C | C14700 |
| CuSi1 | CW115C | C65100 |
| CuSi3Mn1 | CW116C | C65500 |
| CuSn0.15 | CW117C | C14410 |
| CuTeP | CW118C | C14500 |
| CuZn0.5 | CW119C | - |
Messing:
Messinglegeringen bevatten zink (Zn) als belangrijkste legeringselement, naast minimaal 50 procent koper. Daarnaast kunnen ook andere legeringselementen aanwezig zijn. Zo mogen loodhoudende legeringen niet worden gelast, omdat het verdampen van lood schadelijk is voor de gezondheid.
In principe is booglassen van deze Cu-Zn-legeringen niet mogelijk, omdat zink zeer gemakkelijk verdampt. De geconcentreerde warmte die bij dit proces ontstaat, kan leiden tot oververhitting van het smeltbad, waardoor de partiële dampdruk van zink kan stijgen tot boven 1 atm (101,325 kPa). Dit resulteert in een sterke porositeitsvorming, wat de sterkte van de lasnaad aanzienlijk vermindert. Bovendien vormt dit een ernstig gezondheidsrisico voor de lasser.
Daarom is autogeen lassen (oxyacetyleenlassen) de enige aanbevolen methode voor het lassen van messing. Lastoevoegmaterialen die aluminium (Al) of silicium (Si) bevatten, hebben zich hierbij als geschikt bewezen. Het lassen dient te gebeuren met een zuurstofoverschot.
Brons:
Historisch gezien is brons een verzamelnaam voor verschillende koperlegeringen. In strikte technische zin wordt de term brons echter uitsluitend gebruikt voor koper-tinlegeringen (CuSn).
Het waren juist deze koper-tinlegeringen die de Bronstijd haar naam hebben gegeven.
In de metallurgie wordt de term tegenwoordig alleen gebruikt in combinatie met het belangrijkste legeringselement. Men spreekt dan bijvoorbeeld van antimoonbrons, arseenbrons, aluminiumbrons, loodbrons of mangaanbrons. Fosforbrons is eveneens een tinbrons, waarbij het fosforgehalte in het metaal echter laag is.
Tinbronsen zijn genormeerde koper-tinlegeringen en worden in hoofdzaak ingedeeld in twee categorieën op basis van hun specifieke eisen en eigenschappen:
-
Gewalste (vervormbare) legeringen (maximaal ca. 9% tin), geschikt voor vervormende bewerkingen.
-
Gietlegeringen (9% tot 13% tin), geschikt voor gieterijtoepassingen.
Een bijzondere categorie vormen de klokbronsen, die ongeveer 20% (maximaal 22%) tin bevatten.
-
Lood (Pb): Verbetert de vloeibaarheid, maar vermindert de treksterkte en ductiliteit. Zelfs kleine hoeveelheden zijn schadelijk, omdat deze legeringen bij hoge temperaturen neigen tot brosheid.
-
Nikkel (Ni): Verhoogt de taaiheid terwijl de sterkte behouden blijft, en zorgt ervoor dat de sterkte minder afhankelijk is van de wanddikte van het gietstuk. Nikkel maakt gietlegeringen bovendien beter bestand tegen corrosie.
-
IJzer (Fe): In kleine hoeveelheden verbetert het de hardbaarheid van gewalste legeringen en zorgt het voor een fijnere korrelstructuur.
-
Koper-tin-zink (rood messing): Zinktoevoegingen zijn erg belangrijk voor koper-tin-gietlegeringen. Veel van deze legeringen bevatten zink als derde legeringselement en vormen de groep van koper-tin-zink-gietlegeringen (rood messing).
-
Koper-tin-lood (gietbare tin-loodbronsen): Het loodgehalte in koper-tin-lood-gietlegeringen is meestal veel hoger dan het tin-gehalte. De sterkte en rek nemen licht af bij loadtoevoegingen boven 1,5%.
-
Koper-tin-nikkel (~ nikkelsilver): Koper-tin en koper-tin-zink-gietlegeringen bevatten soms nikkel als legeringselement. Nikkelgehaltes tot ongeveer 2,5% verbeteren de taaiheid, terwijl de sterkte grotendeels behouden blijft, en verminderen de afhankelijkheid van de sterkte van de wanddikte van het gietstuk (wanddikteinvloed). Ze verhogen ook de corrosiebestendigheid van de gietlegeringen.
-
Koper-tin-fosfor: Kleine hoeveelheden fosfor worden toegevoegd om de koper-tin-smeltsel te deoxideren en de vorming van tinoxide te voorkomen.
-
Koper-aluminium (CuAl): CuAl-legeringen bevatten aluminium als het belangrijkste legeringselement (tweecomponentenlegeringen) en vaak ook andere elementen zoals Fe, Ni, Sn en Mn (meercomponentenlegeringen).
Over het algemeen zijn tweecomponentenlegeringen beter geschikt voor lassen dan meercomponentenlegeringen.
Wat betreft hun fysieke eigenschappen zijn kopermaterialen net zo goed te lassen als staal. Een nadeel is echter de algemene neiging van niet-ijzermetalen om tijdens het lassen atmosferische gassen op te nemen. Dit beïnvloedt de mechanische en technologische kwaliteit van de lasnaad negatief. Daarom moeten alle gebieden waar tijdens het lassen temperaturen boven 600 K optreden, worden beschermd tegen lucht met inert beschermgas (bij smeltlassen) of andere geschikte maatregelen (bijvoorbeeld coatings bij weerstandslassen).
Andere eigenschappen die belangrijk zijn voor het lassen van koper zijn thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting. Vergeleken met ongelegeerd staal heeft zuiver koper:
-
Ongeveer 6 keer hogere thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur en 15 keer hoger bij 1000 °C
-
1,4 keer hogere thermische uitzetting
-
Ongeveer twee keer zoveel krimp tijdens stolling
De hoge thermische geleidbaarheid betekent dat een groot deel van de ingebrachte lasenergie wordt afgevoerd naar het omringende basismateriaal. Deze afgevoerde energie is niet beschikbaar voor het smelten van het basismateriaal, wat invloed heeft op het lasproces en de warmte-inbreng.
Er zijn verschillende lasprocessen beschikbaar voor kopermaterialen.
Vanwege de hoge thermische geleidbaarheid van vooral ongelegerd en laaggelegeerd koper, moeten ofwel processen met een hoge energiedichtheid worden gebruikt, zoals laser- of elektronenstraallassen, of de werkstukken moeten voorverwarmd worden. De voorverwarmingstemperatuur hangt af van de geleidbaarheid van het materiaal en de grootte van het component.
Fluxen kunnen worden ingezet om schone, foutloze lasnaden te verkrijgen en om de achterzijde van de las te beschermen. Ze worden aangebracht op het oppervlak van het werkstuk vóór het lassen, lossen de bestaande oxidelaag tijdens het verwarmen op en voorkomen dat er nieuwe oxidevorming optreedt. Fluxen zijn meestal pasta-achtig en bestaan uit boriumverbindingen met toevoegingen van oxide-oplossende middelen
Voor CuAl-legeringen worden speciale fluorhoudende fluxen gebruikt, omdat deze beter geschikt zijn voor het beschermen en reinigen van het materiaal tijdens het lassen.
Het gebruik van fluxen is beperkt tot conventionele smeltlasprocessen, zoals oxyacetyleenlassen, handbooglassen en TIG-lassen. Fluxen moeten altijd worden gebruikt bij gas- en handbooglassen. Voor TIG-lassen worden fluxen echter zelden toegepast, en bij MIG-lassen worden ze helemaal niet meer gebruikt, ook al worden ze in het algemeen aangeraden voor gasbeschermd lassen.
Bij hoge voorverwarmingstemperaturen (vanaf ongeveer 300 °C) dienen fluxen gebruikt te worden om de randen van de lasflanken te beschermen. Voor meerlagige lassen (plaatdikte > 10 mm) is het ook voordelig om een dunne laag flux op het lastoevoegmateriaal aan te brengen.
Het oppervlaktereinigende effect van de flux kan worden versterkt of zelfs vervangen door het gebruik van de boog. Bij het lassen van koperlegeringen die aluminium bevatten, reinigt het aansluiten van de elektrode op de positieve pool het oppervlak van de dicht opeenliggende en stevig hechtende Al-oxidelagen.
Bij deze techniek wordt de elektrode blootgesteld aan een hoge thermische belasting door de hoge snelheid van de invallende elektronen, waardoor meestal wisselstroom wordt gebruikt. De negatieve stroomcomponenten verminderen de thermische belasting op de elektrode, terwijl het gewenste reinigende effect plaatsvindt tijdens de positieve fases.
Zuiver koper aan koperlegering
Bij het lassen van koper met koperlegeringen moeten de verschillen in sterkte-eigenschappen bij verhoogde temperaturen en in fysische eigenschappen (thermische geleidbaarheid en uitzetting, smeltwarmte en smelttemperatuur) in acht worden genomen.
Aanbevelingen voor enkele technisch belangrijke materiaalcombinaties worden weergegeven in de bijbehorende tabel.
| Materiaal 1 | Materiaal 2 | Las proces | Lastoevoegmateriaal | Opmerking |
| Koper | CuSi2Mn, CuSi3Mn | TIG / MIG | CEWELD CuSi3 | > 10 mm wanddikte voorwarmen aan Cu zijde (300 -400°C) |
| Koper | CuZn-legering | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuSn |
afhankelijk van wanddikte, voorwarmen aan Cu zijde (200 -500°C) |
| Koper | CuSn-legering | TIG / MIG | CEWELD CuSn6 | |
| Koper | CuNi-legering | TIG / MIG | CEWELD CuNi30Fe | |
| Koper | CuAl-legering | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8Ni2 |
| Materiaal 1 | Materiaal 2 | Strain | Las proces | Lastoevoegmateriaal | Opmerking |
| Koper | Ongelegeerd staal | Ondergeschikt | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuNi30Fe |
Cu zijde ongeveer 200-500 °C voorwarmen |
| Koper | Ongelegeerd staal of austenitisch | hoog | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD NiTi3 CEWELD Nicro600 |
CU zijde Tig bufferen NiTi3 of Nicro600, voorwarmen ongeveer 200 - 300 °C. Zonder voorwarmen lassen met Nicro 600 |
| CuMn2 | Ongelegeerd staal | - | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Staal zijde met MIG pulse en CuSn- or CuAl- buffers; verbindingslassen met CuSn or CuAl |
| CuZn legering | Ongelegeerd staal | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 |
Staal zijde met MIG pulse en CuSn- or CuAl- buffers; verbindingslassen met CuSn or CuAl |
| CUSn legering | Ongelegeerd staal | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn CEWELD CuSn6 |
Staal zijde met MIG pulse en CuSn6P buffer; verbindingslas met CuSn6P or CuSn |
| CuNi legering | Ongelegeerd staal | - | TIG / MIG | CEWELD NiCu30Mn | Buffer staal zijde met NiCu voor BmBe en TIG |
| CuAl legering | Ongelegeerd staal | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Staal zijde met MIG pulse met CuAl |
Deze ongebruikelijke combinatie is problematisch omdat het gietijzer hoge gehalten aan zwavel en fosfor bevat, die kunnen reageren met het koper. Om deze reden wordt buttering aan de gietijzerzijde met CEWELD NiFe 60-40 sterk aanbevolen.
De meeste Ni-gebaseerde legeringen zijn gevoelig, en er is zelfs gesuggereerd dat Monel gevoelig is wanneer de temperatuur- en spanningsomstandigheden bijzonder ongunstig zijn. In dit specifieke geval gaat het waarschijnlijk om hottaking (hete scheuren) die zijn opgevuld met koper, vergelijkbaar met eutectische reparatie. Desondanks verlaagt de lagere sterkte van de koperfase de sterkte van de gehele verbinding.
Om dergelijke problemen te voorkomen, moet de buttering-techniek worden toegepast. De butteringlaag dient op de koperzijde te worden aangebracht. Het definitieve lassen wordt vervolgens uitgevoerd met een elektrode die geschikt is voor het andere materiaal zoals CEWELD. E NiTi3 / NiCro 600
Booglassen wordt voor deze combinaties niet aanbevolen. Aluminiumbrons-elektroden of siliciumbrons-elektroden kunnen echter als tijdelijke oplossing worden gebruikt. Ondanks de grootste zorg tijdens het lassen kunnen er toch brosse structuren in het lasmetaal ontstaan. Daarbij komt het eerder genoemde probleem van porositeit en het gevaar voor de lasser. Daarom is het beter om autogeen (oxyacetyleen) te lassen of te solderen (hardsolderen).
Bij het direct lassen van tinbrons (Sn-brons) aan staal met stompe of hoeklassen bestaat het risico op onvolledige versmelting. Naast koperindringing leidt dit tot een verminderde sterkte van de verbinding. Dit kan worden voorkomen door de staalzijde eerst te “butteren” met een bronzen laag en deze vervolgens met dezelfde elektrode aan de bronzen zijde te lassen, of door de bronzen zijde te butteren met een nikkellegering wanneer koperindringing niet is toegestaan.
Bij deze combinatie is het belangrijk dat het legeringsgehalte van het lasmetaal tijdens het lassen niet te sterk wordt verdund door het vloeibare koper. Naarmate het legeringsgehalte afneemt, neemt het risico op scheurvorming toe.
Tinbrons-, siliciumbrons- en met name aluminiumbrons-elektroden zijn in dit opzicht geschikt..
Autogeen lassen (oxy-acetyleen lassen) is het voorkeursproces voor deze combinatie. Het is echter in de meeste situaties mogelijk om met zorgvuldige lastechnieken acceptabele lassen te realiseren, zoals het minimaliseren van de warmte-inbreng en het vermijden van plaatselijke warmteconcentraties. Deze methode levert in elk geval aanzienlijk betere resultaten op dan het lassen van verbindingen van zuiver messing.
Brons lastoevoegmaterialen kunnen worden gebruikt in constructies die uitsluitend worden blootgesteld aan lage statische belastingen en niet te hoge temperaturen. De staalzijde moet dan worden voorzien van een bronslaag en aan de bronszijde worden gelast, doorgaans met dezelfde lastoevoegmaterialen. In andere gevallen moet aan de bronszijde een nikkel-butterlaag worden aangebracht.
De meeste brons-lastoevoegmaterialen zijn geschikt voor het lassen van deze combinatie. Aluminiumbrons-lastoevoegmaterialen vertonen de beste opmenging, terwijl tinbrons in dit opzicht het meest gevoelig is.
Voor deze combinatie hebben CuNi 70/30-elektroden de voorkeur. Ook Monel-typen kunnen worden gebruikt.
Bij het lassen van koper-nikkel aan roestvast staal moet de buttering-techniek worden toegepast, in combinatie met inserts (een tussenstuk van ferritisch staal of Monel), gevolgd door een tweezijdige verbinding. De verbinding tussen het koper-nikkel en het stalen tussenstuk kan worden gelast met CuNi- of Monel lastoevoegmaterialen
Monel-type lastoevoegmaterialen kunnen worden gebruikt om deze verbinding direct te lassen, maar de veiligste methode is om de koper-nikkelzijde eerst te voorzien van een Monel-laag en deze vervolgens aan de andere zijde te lassen met Inconel-typen. Dit voorkomt dat er te veel chroom (Cr) en ijzer (Fe) met het Monel-lasmetaal worden vermengd, wat scheurvorming kan veroorzaken.
Cu-30%Ni lastoevoegmaterialen leveren de beste resultaten. Sn-brons lastoevoegmaterialen zorgen eveneens voor relatief veilige verbindingen.
Deze combinatie kan bijvoorbeeld voorkomen in de scheepsbouw en kan met succes worden gelast met de ‘buttering’-techniek. Eerst moet de koper-nikkelzijde worden voorzien van een Sn-bronslaag, waarna deze aan de bronszijde kan worden gelast met Al- of Si-brons lastoevoegmaterialen.