Was ist das Kaltpressschweißen?

Kaltpressschweißen ist eine Form des Festphasenschweißens, die insofern einzigartig ist, dass sie bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.

Auf den Punkt gebracht, ist das Kaltschweißen ein Prozess, mit dem Werkstücke unter hohem Druck verbunden werden. Dabei verlieren sie nicht ihren festen Zustand. Es entsteht also kein Schmelzbad. Stattdessen werden die Schichten an der Oberfläche der Materialien zerstört und eine atomare Bindung erreicht, die eine stabile Verbindung der Werkstücke bewirkt.

Für die Herstellung der Verbindung wird keine oder nur wenig Hitze hinzugefügt. Die benötigte Energie wird stattdessen nur in Form von Druck erzeugt. Damit entfällt nicht nur die geschmolzene Phase, sondern auch der Wärmeverzug und das Abkühlen nach dem eigentlichen Schweißen.

Das Kaltpressschweißen ist im Prinzip seit tausenden von Jahren bekannt. Anders als das Feuerschweißen wird das Verfahren mit Hilfe von Druck angewendet. In den 1940er Jahren wird es als Anstauchschweißverfahren beschrieben. Wärme kommt hier bereits nicht mehr zum Einsatz.

Heute wird dieses Verfahren gezielt für das Verbinden von Drähten eingesetzt. Auch in anderen Industriebereichen kommt es zum Einsatz. Interessant ist jedoch, dass es ebenso ungezielt bzw. unerwünscht auftreten kann. So lässt es sich in der Raumfahrt als ein ungewolltes Phänomen des Vakuums feststellen.

Wie funktioniert das Kaltpressschweißen?

Für das Kaltpressschweißen gibt es zwei sehr wichtige Hauptanforderungen. Zum einen muss eine Annäherung der Werkstoffe auf nur wenige Nanometer erreicht werden. Zum anderen müssen die Deckschichten dabei von Verunreinigungen und der Oxidschichten befreit sein, damit unmittelbarer Kontakt hergestellt werden kann.

In anderen Worten, die Werkstoffe müssen vorbereitet werden. Unter normalen Bedingungen bilden Metalle häufig eine Oxidschicht auf ihrer Oberfläche. Diese würde jedoch ein erfolgreiches Verbinden der Materialien, und somit deren Metallatome, miteinander verhindern. Daher muss diese Schicht auf den beteiligten Werkstücken unbedingt entfernt werden.

Für das Entfernen der Oxidschichten lassen sich sowohl chemische als auch mechanische Verfahren einsetzen. Dazu gehören zum Beispiel das Entfetten und die Verwendung von Drahtbürsten. Erst im Anschluss daran kann das Zusammenpressen unter hohem Druck erfolgen.

Metalle

Für das Verfahren lassen sich vor allem Metalle verwenden, die weich und rein sind. Sie sollten nicht kaltgefertigt und nicht gehärtet sein. Nur dann können sie nach dem Reinigen auch ausreichend stark und vor allem gleichmäßig zusammengepresst werden.

Anwendungsgebiete des Kaltpressschweißens

Für die Raumfahrt selbst ist das Kaltverschweißen zum einen, ein einfaches und leicht anwendbares Verfahren, zum anderen kann es jedoch ein Problem darstellen. Die früheren Satelliten und Raumfahrzeuge erlebten Probleme, wenn unbeschichtete Metalloberflächen sich relativ zueinander bewegten. Das führte zu einer Adhäsion. Das heißt, die Flächen begannen, aneinander zu haften. Da jedoch die relative Bewegung dabei nicht aufhörte, kam es neben dem Kaltverschweißen gleichzeitig zu einer Zerreibung und damit Zerstörung der Materialoberflächen.

Auf der anderen Seite macht dieses Phänomen das Kaltverschweißen zu einem Verfahren, dass sich im Vakuum des Alls relativ leicht anwenden lässt. Dabei muss nichts geschmolzen oder verflüssigt werden. Astronauten können dabei nach Verlassen des Raumfahrzeuges im All sehr leicht die verschiedenen anfallenden Reparaturarbeiten durchführen.

Das Kaltpressschweißen ist darüber hinaus auch im Nanobereich anwendbar. Das heißt, dass zum Beispiel ultradünne Gold-Nanodrähte, deren Durchmesser weniger als 10 Nanometer beträgt, sich in Sekunden durch einen mechanischen Kontakt verbinden lassen. Die sich dabei ergebenen Verbindungen sind fast perfekt. Die Orientierung der Kristalle, die Festigkeit und die Leitfähigkeit sind identisch mit dem Rest des Nanodrahtes.

Richard Feynman beschreibt das einfache Funktionieren des Kaltpressschweißens damit, dass Atome, wenn sie sich berühren und von der gleichen Art sind, kein Bewusstsein darüber haben, dass sie sich in verschiedenen Werkstücken befinden. Damit agieren sie auf die gleiche Weise. Befinden sich jedoch Oxide, Verunreinigungen oder Fette zwischen den Materialien, dann wissen die Atome, dass sie nicht zu dem gleichen Teil gehören und verhalten sich unterschiedlich.

Die Geschichte des Kaltpressschweißens

Während das Kaltpressschweißen als Phänomen in den 1940er Jahren das erste Mal beschrieben wurde, lässt es sich als Technik jedoch schon vor dieser Zeit nachweisen. So haben Archäologen Werkzeuge gefunden, die aus der Bronzezeit stammen und die mittels Kaltpressschweißen hergestellt wurden. Das heißt, schon damals konnten die Menschen mit diesem relativ einfachen Verfahren Bronze schweißen.

Es wurde auch ein wissenschaftliches Experiment dazu im Jahre 1724 festgehalten. Dabei wurden zwei Bleikugeln zusammengehalten und verdreht. Das Resultat war, dass sie sich auf diese Weise verbinden ließen. Die Verbindung, die daraus entstand, zeigte die gleiche Festigkeit, die der Werkstoff selbst aufwies.

Was sind die Vorteile des Kaltpressschweißens?

Für den Prozess des Kaltpressschweißens lassen sich gegenüber den anderen Schweißverfahren eine Reihe von Vorteilen feststellen. Diese sehen so aus:

• Schweißnähte von hoher Qualität: Die Schweißnähte, die entstehen, weisen eine sehr hohe Qualität auf. Sie sind äußert sauber und haben eine minimale Festigkeit, die dem schwächsten der verwendeten Grundwerkstoffe entspricht. Es gibt keine spröden Verbindungen zwischen den Metallen an der Schweißnaht.
• Keine Wärmezufuhr: Es wird gewöhnlich keine zusätzliche Wärme während der Arbeiten zugeführt. Folglich, entsteht auch keine Wärmeeinflusszone. Das wiederum bedeutet, dass es zu keinen chemischen oder mechanischen Veränderungen in den Werkstoffen kommt.
• Ungleiche Werkstoffe: Es lassen sich Metalle verbinden, die zueinander unähnlich sind und sich mit Hilfe anderer Verfahren nur sehr schwer verschweißen lassen. Damit lassen sich zum Beispiel Verbindungen von Aluminium und Kupfer schweißen.
• Aluminium: Es lässt sich auch Aluminium aus den Serien 2xxx und 7xxx verschweißen, was mit Schmelzschweißverfahren nicht möglich ist.

Was sind die Nachteile des Kaltpressschweißens?

Natürlich sind mit dem Kaltpressschweißen auch einige Nachteile verbunden. Daher ist es nicht immer möglich, dieses Verfahren als das Primärverfahren für das Fügen von Werkstoffen zu verwenden. Die Vorteile des Verfahrens gelten weiterhin, ohne Frage, nur müssen die richtigen Bedingungen hier auf jeden Fall erfüllt sein. Hier sind die Nachteile, denen sich das Kaltpressschweißen gegenübersieht:

• Die Materialtypen: Während sich Materialtypen verschweißen lassen, bei denen andere Verfahren Schwierigkeiten haben, heißt dass nicht, dass das Kaltpressschweißen alle Materialien verbinden kann. Stattdessen lässt es sich nur bei duktilen Metallen verwenden, die nicht stark gehärtet wurden. Auch lassen sich nicht Metalle verbinden, die über einen Anteil an Kohlenstoff verfügen.
• Die Sauberkeit: Es ist absolut unerlässlich, dass die Werkstücke vor den Arbeiten gereinigt werden. Sie müssen sauber und frei von Oxidschichten sein. Nur so lässt sich eine einwandfreie Schweißnaht herstellen. Die Reinigung selbst ist mitunter aufwendig und teuer. Je nach Produktionsumgebung kann es damit ein Problem sein, höhere Stückzahlen zu verarbeiten.
• Die Form: Die Werkstücke müssen über eine glatte Oberfläche für das Verschweißen verfügen. Jede Unregelmäßigkeit erschwert das Verfügen. Das ist auch dann der Fall, wenn alle anderen Vorbereitungsarbeiten entsprechend ausgeführt wurden. Die Oberflächen müssen sich gleichmäßig und ohne Unregelmäßigkeiten zusammenpressen lassen.

Wo wird das Kaltpressschweißen angewendet?

Während das Kaltpressschweißverfahren seine Herausforderungen hat, überwiegen in einigen Bereichen doch seine Vorteile. Dementsprechend wird es auch in der Industrie angewendet. Das ist vor allem beim Verschweißen von Drähten der Fall. Diese lassen sich in einem Schmelzschweißverfahren zum Beispiel nur schwer verschweißen. Die eingebrachte Wärme würde hier zu Komplikationen führen. Das Kaltpressschweißen eignet sich hier ideal und sorgt für starke Verbindungen zwischen den Drähten. Das gilt besonders für 70/30 Messing, Gold, Silber, Nickel, Kupfer, Aluminium und Zink.

Auch lassen sich im Kaltpressschweißen artfremde Metalle verbinden, die sich mit anderen Verfahren kaum effektiv verbinden lassen. Dabei kann besonders Kupfer mit Aluminium verschweißt oder Aluminium aus den Reihen 2xxx und 7xxx verbunden werden.

Darüber hinaus kommt das Verfahren in der Raumfahrt, der Luftfahrt und der Automobilindustrie zum Einsatz. Hier lassen sich damit Überlapp- und Stumpfverbindungen hervorragend in Verbindung setzen.