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Als Kaltverschweißen bezeichnet man das Phänomen vorwiegend metallische Werkstücke gleichen Materials bereits bei Raumte
Kaltpressschweißen
Als Kaltverschweißen bezeichnet man das Phänomen, vorwiegend metallische Werkstücke gleichen Materials bereits bei Raumtemperatur so miteinander zu verbinden, dass die Verbindung dem „normalen“ Verschweißen sehr nahekommt; daher auch die Bezeichnung. Dieses Phänomen wurde in den 1940er-Jahren entdeckt.
Kaltpressschweißen
Kaltpressschweißverbindungen werden unter hohem Druck und im Gegensatz zu anderen Schweißmethoden unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile gefertigt. Die beiden Teile bleiben im festen Zustand, allerdings ist eine plastische Verformung mit einer starken Annäherung der Kontaktflächen notwendig. Durch die intensive Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt eine stabile Verbindung der beiden Werkstücke. Für eine gute Verbindung braucht man Materialien mit ausreichender Kaltverformbarkeit (z. B.: Kupfer und Aluminium miteinander und untereinander). In Einzelfällen ist eine Verbindung auch für die dauerhafte Stromleitung geeignet. Dabei helfen eine vorherige Entfettung und ein Aufreißen der Oberflächenoxidschicht.
Ursache
Bei Werkstücken mit hoher Oberflächengüte (Kontaktflächen außerordentlich eben und glatt ausgebildet) berühren sich viel mehr Metallatome an den beiden Grenzflächen als bei Werkstücken mit schlechter Oberflächengüte, und die Anziehungskräfte selbiger untereinander verbinden diese zu einem stabilen Atomgitter. Sie sind anschließend nicht ohne Zerstörung der Oberflächengüte wieder voneinander zu trennen. Die Erscheinung verstärkt sich bei Anwendung von Druck bzw. unter Luftabschluss (Vakuum).
Beispiele
Der Effekt tritt z. B. bei Parallelendmaßen auf, wenn sie angesprengt sind, also sehr nah beieinander liegen und längere Zeit nicht wieder getrennt werden.
Er tritt auch auf beim sehr engen Kontakt von Metalloberflächen (z. B. Schrauben aus rostfreiem VA-Edelstahl in Gewinden) unter Einsatz von Druck (und resultierender Reibung). Falls die gegenüber dem Luftsauerstoff passivierende Chromoxid-Schicht an der Oberfläche nicht ähnliche Verformbarkeitseigenschaften wie das Metall darunter besitzt, wird sie beschädigt, wodurch dann Kaltverschweißung auftreten kann. Versucht man die beiden Teile wieder zu trennen, können durch Abrieb weitere Oberflächenbeschädigungen und Verformungen auftreten, bis hin zum Bruch von Werkstück bzw. Werkzeug. Abhilfe wird hier geschaffen durch Schmierung oder Beschichtung mit einem hochfeinen nichtmetallischen Gleitfilm. Gegen Kaltverschweißen während des Gewindeschneidens muss auf ständige Schmierung während der Bearbeitung geachtet und Werkzeugstillstand vermieden werden.
Auch beim Herstellen von Wickelverbindungen macht man sich dieses Prinzip zu Nutze.
Die Verstärkung des Effekts im Vakuum macht das Kaltverschweißen zu einem Problem in der Raumfahrt. Kaltverschweißen ist eine verbreitete Fehlerursache mechanischer Komponenten in Raumfahrzeugen. Tests am Boden finden in einer Sauerstoffatmosphäre statt, wo Oberflächen schnell oxidieren. Hingegen können auch geringe Erschütterungen oder Bewegungen sich berührender Bauteile im Raum die Oxidschicht zerstören, anschließend verhindert das Vakuum eine erneute Oxidation. In der Folge kann an der Kontaktfläche eine Kaltverschweißung entstehen.
Das Kaltverschweißen ist ebenso ein Problem bei der Trockenproduktion von Nanopartikeln. Man kann es verringern, indem beim Zerkleinern (Mahlen) der Partikel Mahlhilfsmittel zugegeben werden, die sich zwischen die zu mahlenden Partikel mischen und so ein Zusammenhaften verhindern. Als Mahlhilfsmittel wird z. B. in festem Aggregatzustand befindliches Kohlendioxid eingesetzt.
Den Kaltverschweißungs-Effekt zunutze macht sich hingegen die Pulvermetallurgie. Bei Pulvern treten große Oberflächen auf. Dies begünstigt den Effekt der Kaltverschweißung bei der Verdichtung des Metallpulvers unter hohem Druck zu sogenannten Grünlingen. Bei der anschließenden Wärmebehandlung, dem Sintern, werden die Pulverteilchen an ihren Berührungsflächen durch Diffusion der Metallatome in eine feste Verbindung gebracht.
„Kaltverschweißen“ von Kunststoffen
Unter Kaltverschweißen versteht man außerdem das Diffusionskleben thermoplastischer Kunststoffe mit lösemittelhaltigen Nassklebstoffen.
Die Verbindung von Kunststoffen (insbesondere aus PVC) bei Umgebungstemperatur bezeichnet man zwar häufig auch als „Kaltverschweißen“, die korrekte Bezeichnung für dieses auf gänzlich anderer Grundlage beruhende Verfahren ist jedoch , weil hierbei die Kunststoffpolymere durch den Einsatz eines flüssigen Schweißmittels („Folienkleber“, Tetrahydrofuran) an der benetzten Grenzfläche „aufquellen“. Eine häufige Anwendung ist das Verschweißen von PVC-Folienbahnen, z. B. bei der Anlage von Gartenteichen.
Beim Quellverschweißen von PVC-Bodenbelägen sind Beschäftigte gegenüber Tetrahydrofuran exponiert. Die BG/BGIA-Empfehlungen bewerten den Einsatz von PVC-Kaltschweißmitteln mit einem Gehalt an Tetrahydrofuran von maximal 90 %. Nur eine der den Empfehlungen zugrunde liegenden Messungen ergab eine Exposition über dem Grenzwert, alle anderen Messergebnisse lagen unter der Hälfte des Arbeitsplatzgrenzwertes. Begleitende Messungen mit einem direkt anzeigenden Photoionisationsdetektor ergaben, dass die Kurzzeitanforderungen erfüllt waren. Bei sachgemäßem Umgang ist kein Atemschutz erforderlich.
Kaltverschweißen von Glas
Werden Normschliffe aus Glas, speziell Kegelschliffe beim Zusammenbau von Schliffapparaturen nicht gefettet, oder durch Manschetten getrennt, kann es, speziell beim Arbeiten mit Vakuum, dazu kommen, dass die Schliffkerne und -hülsen miteinander "verbacken". Nach einiger Zeit lassen sich diese Schliffe nicht mehr trennen, weil eine Kaltverschweißung stattgefunden hat.
Literatur
- Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-12982-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-658-03141-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Einzelnachweise
- Merstallinger A, Sales M, Semerad E, Dunn, B.D: Assessment of Cold Welding between separable contact surfaces due to impact and fretting under vacuum. In: ESA. November 2009, abgerufen am 30. August 2024 (englisch).
- Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e. V. (DGUV): DGUV Information 213-719 – BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach der Gefahrstoffverordnung: Einsatz von Kaltschweißmitteln für PVC-Bodenbeläge. Abgerufen am 25. November 2019.
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Als Kaltverschweissen bezeichnet man das Phanomen vorwiegend metallische Werkstucke gleichen Materials bereits bei Raumtemperatur so miteinander zu verbinden dass die Verbindung dem normalen Verschweissen sehr nahekommt daher auch die Bezeichnung Dieses Phanomen wurde in den 1940er Jahren entdeckt KaltpressschweissenKaltpressschweissverbindungen werden unter hohem Druck und im Gegensatz zu anderen Schweissmethoden unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile gefertigt Die beiden Teile bleiben im festen Zustand allerdings ist eine plastische Verformung mit einer starken Annaherung der Kontaktflachen notwendig Durch die intensive Beruhrung der beiden Kontaktflachen erfolgt eine stabile Verbindung der beiden Werkstucke Fur eine gute Verbindung braucht man Materialien mit ausreichender Kaltverformbarkeit z B Kupfer und Aluminium miteinander und untereinander In Einzelfallen ist eine Verbindung auch fur die dauerhafte Stromleitung geeignet Dabei helfen eine vorherige Entfettung und ein Aufreissen der Oberflachenoxidschicht UrsacheBei Werkstucken mit hoher Oberflachengute Kontaktflachen ausserordentlich eben und glatt ausgebildet beruhren sich viel mehr Metallatome an den beiden Grenzflachen als bei Werkstucken mit schlechter Oberflachengute und die Anziehungskrafte selbiger untereinander verbinden diese zu einem stabilen Atomgitter Sie sind anschliessend nicht ohne Zerstorung der Oberflachengute wieder voneinander zu trennen Die Erscheinung verstarkt sich bei Anwendung von Druck bzw unter Luftabschluss Vakuum BeispieleDer Effekt tritt z B bei Parallelendmassen auf wenn sie angesprengt sind also sehr nah beieinander liegen und langere Zeit nicht wieder getrennt werden Er tritt auch auf beim sehr engen Kontakt von Metalloberflachen z B Schrauben aus rostfreiem VA Edelstahl in Gewinden unter Einsatz von Druck und resultierender Reibung Falls die gegenuber dem Luftsauerstoff passivierende Chromoxid Schicht an der Oberflache nicht ahnliche Verformbarkeitseigenschaften wie das Metall darunter besitzt wird sie beschadigt wodurch dann Kaltverschweissung auftreten kann Versucht man die beiden Teile wieder zu trennen konnen durch Abrieb weitere Oberflachenbeschadigungen und Verformungen auftreten bis hin zum Bruch von Werkstuck bzw Werkzeug Abhilfe wird hier geschaffen durch Schmierung oder Beschichtung mit einem hochfeinen nichtmetallischen Gleitfilm Gegen Kaltverschweissen wahrend des Gewindeschneidens muss auf standige Schmierung wahrend der Bearbeitung geachtet und Werkzeugstillstand vermieden werden Auch beim Herstellen von Wickelverbindungen macht man sich dieses Prinzip zu Nutze Die Verstarkung des Effekts im Vakuum macht das Kaltverschweissen zu einem Problem in der Raumfahrt Kaltverschweissen ist eine verbreitete Fehlerursache mechanischer Komponenten in Raumfahrzeugen Tests am Boden finden in einer Sauerstoffatmosphare statt wo Oberflachen schnell oxidieren Hingegen konnen auch geringe Erschutterungen oder Bewegungen sich beruhrender Bauteile im Raum die Oxidschicht zerstoren anschliessend verhindert das Vakuum eine erneute Oxidation In der Folge kann an der Kontaktflache eine Kaltverschweissung entstehen Das Kaltverschweissen ist ebenso ein Problem bei der Trockenproduktion von Nanopartikeln Man kann es verringern indem beim Zerkleinern Mahlen der Partikel Mahlhilfsmittel zugegeben werden die sich zwischen die zu mahlenden Partikel mischen und so ein Zusammenhaften verhindern Als Mahlhilfsmittel wird z B in festem Aggregatzustand befindliches Kohlendioxid eingesetzt Den Kaltverschweissungs Effekt zunutze macht sich hingegen die Pulvermetallurgie Bei Pulvern treten grosse Oberflachen auf Dies begunstigt den Effekt der Kaltverschweissung bei der Verdichtung des Metallpulvers unter hohem Druck zu sogenannten Grunlingen Bei der anschliessenden Warmebehandlung dem Sintern werden die Pulverteilchen an ihren Beruhrungsflachen durch Diffusion der Metallatome in eine feste Verbindung gebracht Kaltverschweissen von KunststoffenUnter Kaltverschweissen versteht man ausserdem das Diffusionskleben thermoplastischer Kunststoffe mit losemittelhaltigen Nassklebstoffen Die Verbindung von Kunststoffen insbesondere aus PVC bei Umgebungstemperatur bezeichnet man zwar haufig auch als Kaltverschweissen die korrekte Bezeichnung fur dieses auf ganzlich anderer Grundlage beruhende Verfahren ist jedoch weil hierbei die Kunststoffpolymere durch den Einsatz eines flussigen Schweissmittels Folienkleber Tetrahydrofuran an der benetzten Grenzflache aufquellen Eine haufige Anwendung ist das Verschweissen von PVC Folienbahnen z B bei der Anlage von Gartenteichen Beim Quellverschweissen von PVC Bodenbelagen sind Beschaftigte gegenuber Tetrahydrofuran exponiert Die BG BGIA Empfehlungen bewerten den Einsatz von PVC Kaltschweissmitteln mit einem Gehalt an Tetrahydrofuran von maximal 90 Nur eine der den Empfehlungen zugrunde liegenden Messungen ergab eine Exposition uber dem Grenzwert alle anderen Messergebnisse lagen unter der Halfte des Arbeitsplatzgrenzwertes Begleitende Messungen mit einem direkt anzeigenden Photoionisationsdetektor ergaben dass die Kurzzeitanforderungen erfullt waren Bei sachgemassem Umgang ist kein Atemschutz erforderlich Kaltverschweissen von GlasWerden Normschliffe aus Glas speziell Kegelschliffe beim Zusammenbau von Schliffapparaturen nicht gefettet oder durch Manschetten getrennt kann es speziell beim Arbeiten mit Vakuum dazu kommen dass die Schliffkerne und hulsen miteinander verbacken Nach einiger Zeit lassen sich diese Schliffe nicht mehr trennen weil eine Kaltverschweissung stattgefunden hat LiteraturUlrich Dilthey Schweisstechnische Fertigungsverfahren Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 662 12982 1 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Hans J Fahrenwaldt Volkmar Schuler Jurgen Twrdek Praxiswissen Schweisstechnik Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 658 03141 1 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche EinzelnachweiseMerstallinger A Sales M Semerad E Dunn B D Assessment of Cold Welding between separable contact surfaces due to impact and fretting under vacuum In ESA November 2009 abgerufen am 30 August 2024 englisch Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e V DGUV DGUV Information 213 719 BG BGIA Empfehlungen fur die Gefahrdungsbeurteilung nach der Gefahrstoffverordnung Einsatz von Kaltschweissmitteln fur PVC Bodenbelage Abgerufen am 25 November 2019