Teilprojekt B06 – Collaborative Research Center 1368: Oxygen-free production

Ausgangslage

Darstellung der netzwerkartigen Ausbildung des Cu-Cu2O Eutektikums innerhalb einer Schweißnaht aus reinem Kupfer

Beim Schweißen von reinen Kupferwerkstoffen führt bereits ein minimaler Sauerstoffgehalt im Grundmaterial selbst unter Anwendung inerter Schutzgase zur Bildung eines niedrigschmelzenden Cu-Cu₂O Eutektikums sowie zur Porenbildung, was die Qualität der Verbindung stark mindert. Zudem ist sauerstoffhaltiges Reinkupfer beim Schweißen durch die Bildung des Eutektikums aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes anfällig für Heißrisse. Sauerstoff ist damit das schädlichste Element beim Lichtbogenschweißen von Kupfer. Dieses unvermeidliche Verhalten führt dazu, dass Lichtbogenprozesse bisher für die Herstellung von Schweißverbindungen höchster Anforderungen nicht infrage kommen. Folglich werden auch die Möglichkeiten der additiven Fertigung für Produkte aus hochreinem Kupfer nicht ausgenutzt.

Ziele

In diesem Teilprojekt besteht die Projektidee darin, den Prozess XHV-gerecht, d. h. sauerstofffrei im Lichtbogen, zu gestalten, indem dem Schweißargon in der Prozesszone Monosilan zugesetzt wird. In dieser Zone erfolgen der Schmelzvorgang und der Materialtransfer, was in Bezug auf die Lösung von Sauerstoff im Metall die sensibelste Prozessphase darstellt. Durch den Ausschluss des Sauerstoffs im Plasma wird einerseits die Kupferoxid-Neubildung verhindert und andererseits eine Reduktion des im Kupfer befindlichen Restsauerstoffs durch den hohen Konzentrationsgradienten sowie die thermische Desoxidation der Oberfläche erwartet. Hierdurch kann perspektivisch darauf hingearbeitet werden, als Ausgangsmaterialien Kupfersorten mit einem höheren Sauerstoffgehalt (bis ca. 500 ppmw) zu verarbeiten und hochreine sowie porenfreie Endprodukte zu erhalten.

Schematische Veranschaulichung des Gaseintrags in das Werkstück während des Lichtbogenschweißens

Innerhalb der durchzuführenden Forschungsarbeit werden hochreine Kupfersorten mit verschiedenen Ausgangssauerstoffgehalten schweißtechnisch verarbeitet. Bei diesen Untersuchungen wird sowohl die jeweils vorliegende Prozessatmosphäre variiert als auch das angewendete Lichtbogenschweißverfahren. Neben der Charakterisierung des Sauerstoffeintrags im Schweißnahtgefüge werden die chemischen Zersetzungs- und Bildungsreaktionen innerhalb der Plasmasäule genauer analysiert. Durch die Zusammenführung der physikalischen und elektrischen Vorgänge im Plasma kann schließlich ein Modell abgeleitet werden, welches den Lichtbogen, das Schmelzbad und das Schweißnahtgefüge schweißphysikalisch beschreibt. Diese Vorstellung soll als neu entwickelte Grundlage dazu beitragen, die schweißtechnische Verarbeitung von reinen Kupferwerkstoffen durch Lichtbogenprozesse (thermische Plasmen) zu optimieren.