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-voorvoegsels) en de Amerikaanse UNS-systematiek.
Om u een zo actueel en volledig mogelijk overzicht te geven van deze legeringsclassificaties en de bijbehorende lastoevoegmaterialen, 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 Verouderingshardende legeringen Cu (w/ Cd, Be, Cr, Fe)
- C2xxxx Cu-Zn legerigen: Messing
- C3xxxx Cu-Zn-Pb legeringen: Koper-zink-lood legeringen
- C4xxxx Cu-Zn-Sn legeringen: Tin brons
- C5xxxx Cu-Sn en Cu-Sn-Pb: Fosfor-Brons legeringen
- 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.
Ongelegeerd koper is een éénfasig materiaal en kan door vervorming worden verhard. De meeste koperlegeringen zijn eveneens éénfasig, afhankelijk van de hoeveelheid legeringselementen, en kunnen ook door vervorming worden verhard indien de ductiliteit voldoende is.
Door elementen toe te voegen zoals Cr, Ni samen met Si of P, of Sn, Be, Co, kan koper precipitatie hardbaar worden gemaakt.
Net zoals bij staal ontstaat bij koper door de toepassing van warmte, naast de laszone, de warmte beïnvloede zone (heat-affected zone, HAZ). De daar optredende groei van de korrels en de breedte van deze zone zijn afhankelijk van de warmte-inbreng en de voorwarmtemperatuur.
In materialen met een kubisch vlakken gecentreerd rooster (KVG) of ß-structuur (bijvoorbeeld zuiver koper) is de korrelgroei kleiner, omdat deze metalen thermisch stabieler zijn dan materialen met een kubisch ruimtelijk gecentreerd (KRG) rooster.
Verwarmen en afkoelen kan echter ongewenste microstructuren veroorzaken. De volgende materialen zijn hier gevoelig voor:
-
Materialen met onzuiverheden die laagsmeltende fasen of brosmakende precipitaten vormen.
-
Precipitatie hardbare legeringen.
-
Legeringen met een groot stollingsinterval, die na het lassen gebieden met kristalsegregatie vertonen.
-
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 loodtoevoegingen boven 1,5%.
-
Koper-tin-nikkel (~ nikkelzilver): 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-smelt 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 non-ferro metalen 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 boogenergie 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 elektronenbundellassen, 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, booglassen met beklede elektrode en TIG-lassen. Fluxen moeten altijd worden gebruikt bij gas- en booglassen met beklede elektrode. 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 |
De buttering-techniek moet worden toegepast. Buttering kan zowel aan de koper- als aan de staalzijde worden uitgevoerd. In beide gevallen wordt een pure nikkelelektrode gebruikt. Voor het definitieve lassen van de verbinding worden vervolgens Inconel- of brons-elektroden gebruikt, afhankelijk van aan welke kant de butteringlaag is aangebracht.
Voor buttering CEWELD E NiTi3 / NiCro 600
| 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 warmscheuren die zijn opgevuld met koper, vergelijkbaar met eutectische heling. 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
Arc welding is not recommended for these combinations. However, Al-bronze electrodes or Si-bronze electrodes can be used as a temporary solution. Nevertheless, despite the utmost care during welding, brittle structures can form in the weld metal. Added to this is the aforementioned problem of porosity and the danger to the welder.
It is therefore better to use oxyacetylene welding or brazing.
When welding Sn-bronze directly to steel using butt or fillet welds, there is a risk of incomplete fusion. Aside from copper penetration, this reduces the strength of the joint. This can be avoided by buttering the steel side with a bronze layer and then welding it to the bronze side with the same electrode, or by buttering the bronze side with a nickel electrode if copper penetration cannot be allowed.
In this combination, it is important that the alloy content of the weld metal is not diluted too much by the liquid copper during welding. The risk of cracking increases with a decrease in alloy content.
Sn-bronze, Si-bronze and, in particular, Al-bronze electrodes are satisfactory in this respect.
Oxy-acetylene welding is the preferred process for this combination. However, it is possible to achieve acceptable welds in most situations with careful welding techniques, such as minimising heat input and avoiding localised heat concentrations. At least, this method produces far better results than welding pure brass joints.
Bronze electrodes can be used in constructions exposed only to low static stress loads and not too high temperatures. The steel side should then be coated with a bronze layer and welded to the bronze side, typically using the same electrode. Otherwise, a nickel insulating layer must be applied to the bronze side.
Most bronze electrodes are good for welding this combination. Al-bronze consumables show the best tolerance to dilution while Sn-bronze is the most sensitive in this respect.
For this combination, CuNi 70/30 electrodes are preferred. Monel types may also be used.
When welding copper-nickel to stainless steel, the buttering technique must be used, along with inserts (an intermediate piece of ferritic steel or Monel), followed by bilateral joining. The joint between the copper-nickel and the steel insert can be welded using CuNi or Monel electrodes.
Monel-type consumables can be used to weld this joint directly, but the safest method is to coat the copper-nickel side with Monel and then weld it to the other side using Inconel types. This avoids mixing too much chromium (Cr) and iron (Fe) with the Monel weld metal, which can cause cracking.
A buttering technique is required for this unusual combination.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
This combination may occur, for instance, in shipbuilding, and it can be successfully welded using the 'buttering' technique. First, the copper-nickel side should be coated with Sn-bronze, and then it can be welded to the bronze side using either Al- or Si-bronze electrodes.