Werkstoffzustand des Kupfers und Mindestbiegeradius an Stromschienen

„Kupferstromschiene, 100 × 10, 3 Meter

The following indexes bend-radius guidance to the temper codes that appear on purchase orders and mill certificates, rather than to thickness alone. Thickness matters, but it is the second variable.

What the EN 13601 codes mean

EN 13601 covers copper rod, bar and wire for electrical purposes, and for busbar work the grade of interest is Cu-ETP, designation CW004A. The standard identifies material condition two ways, and both appear on certificates.

The R designation is keyed to minimum tensile strength in N/mm². R220 means a minimum tensile of 220. The H designation is keyed to minimum Vickers hardness. H040 means 40 HV minimum. The two run in parallel, which is why they are paired.

The tensile ranges are the standard's. The proof strength, elongation and hardness figures are the ones mill datasheets publish alongside these designations for Cu-ETP and should be treated as typical rather than normative; the Copper Development Association's busbar guidance quotes 50 to 55 N/mm² proof for fully annealed busbar-section copper and 170 to 200 N/mm² for half hard, which is lower at the soft end than the strip figures above.

Two things follow from the table and both matter more than the numbers themselves.

First, the chain is one-directional. Cold work raises tensile strength, raises proof strength, raises hardness and cuts elongation. Every property in the row moves together because they all come from the same dislocation density. Hard copper cannot be bought that also has soft-copper formability.

Second, the elongation column collapses far faster than the strength columns rise. Going from R220 to R290 gains about 40% on tensile strength and costs around 88% of the elongation. That asymmetry is why temper selection is dominated by forming considerations rather than by strength.

The size effect nobody mentions

There is a caveat on hard temper that catches people out on large sections. The maximum strength obtainable depends on the cross-section, because the amount of cold reduction a mill can put into a bar is limited by how much area reduction the process allows. CDA guidance puts hard-condition busbar in the range 250 to 340 N/mm² depending on cross-sectional area, with the larger sections at the lower end.

Damit ist „fest“ bei einem 30 × 5-Band und „fest“ bei einem 200 × 12-Band nicht der gleiche Materialzustand, auch wenn beide Zertifikate R290 ausweisen. Das größere Band liegt näher am unteren Ende des Bereichs, ist beim Biegen etwas nachgiebiger und federt etwas weniger nach. Wird eine bewährte Nachbiegetabelle von einem kleineren auf ein größeres Band übertragen, ist das Ergebnis konservativ, aber nicht falsch.

Mindestbiegeradius, flach

Der veröffentlichte Ausgangspunkt ist die CDA-Empfehlung für hochleitfähiges Kupfer im halbhart- oder hartgezogenen Zustand. Sie gibt Mindestmatrizenradien als Vielfaches der Dicke vor:

Über 50 mm wird das Band normalerweise nicht gebogen; die CDA merkt an, dass es mit lokalem Anlassen vor der Verarbeitung möglich ist.

Diese Werte gehen bereits von den härteren Vergütungsgraden aus und bilden daher eine sichere Untergrenze für R240 und R290. Bei R220 ist ein engerer Radius möglich, doch dafür gibt es selten einen Grund. Was die Dickenbereiche nicht zeigen, ist die Achse des Vergütungsgrads. In der Praxis sieht eine Arbeitstabelle daher eher so aus:

Die Spalte für R220 und die Spalte für R290 sind als Richtwerte zu behandeln. Die CDA-Tabelle ist die verifizierte Referenz; die Abweichungen links und rechts davon spiegeln die übliche Werkstattpraxis wider und sollten beim ersten Teil für jede Kombination aus Material, Dicke und Werkzeug bestätigt werden.

Dehnung ordnet Vergütungsgrade; sie berechnet keine Biegeverformung

Die ingenieurmäßige Dehnung an der Außenfaser eines Biegeteils ergibt sich direkt aus der Geometrie:

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

Bei R/t = 1 sind das 33%. Bei R/t = 2 sind es 20%. Bei R/t = 4 sind es 11%. Ein Vergleich mit der Dehnungsspalte zeigt, dass R290 mit einem Mindestwert von 4% spezifiziert ist. Nach einer vereinfachten Betrachtung würde dies einen R/t-Wert über 11 erfordern, damit die Außenfaser intakt bleibt.

Das ist nicht der Fall, und das Wissen darüber verhindert eine Überdimensionierung der Biegeradien. Ein Zugversuch misst die Bruchdehnung in einer einheitlichen Messlänge, in der sich ein Hals frei bilden und ausbreiten kann. Bei einer Biegung existiert die maximale Spannung nur an der Außenfläche über einen kurzen Bogen, und das umgebende unverformte Material verhindert die Bildung eines Halses. Die erreichbare Biegedehnung übersteigt daher die Zugdehnung mit großem Abstand – genau so kann der CDA für Hartkupfer bis 10 mm Dicke einen Mindestbiegeradius von 1 t auf einem Material mit 4% Bruchdehnung spezifizieren.

Der Dehnungswert dient dazu, differente Härtegrade untereinander zu bewerten und vorauszusagen, welcher zuerst reißt. Er ist kein Biegedehnungsbudget.

So sieht ein Versagen aus

Ein Riss an der Außenfaser durchläuft erkennbare Phasen. Wird er in der ersten Phase erkannt, kann die charge noch gerettet werden.

Zuerst tritt Orangenhaut auf. Die Außenfläche raut sichtbar auf, da die einzelnen Körner unabhängig voneinander verformen. Dies ist rein kosmetisch, weist aber darauf hin, dass die Außenfaser ihrer Grenze nahe ist. Der Effekt verschlimmert sich bei grobkörnigem Gefüge, was wiederum ein Symptom einer Überglühung ist.

Danach folgen Mikrorisse quer zur Biegeachse über die Außenfläche. An einem versehentlichen Bauteil sind sie möglicherweise nur als Unterbrechungen der Beschichtung sichtbar. Das Bauteil ist zu diesem Zeitpunkt ausschussfähig, da der Riss ein Kerbgrund darstellt, der genau dort sitzt, wo die Ermüdungsbeanspruchung im Betrieb am höchsten ist. Durchriss ist die Endphase und bedarf keiner Beschreibung.

Auf der Innenseite ist der Versagensmodus ein anderer: Kompressionsinstabilität, die sich als Beulen oder Faltwurf zeigt. Bei einer flachen Biegung ist dies in der Regel ein Zeichen dafür, dass das Bauteil unzureichend unterstützt war. Bei einer Stehbiegung ist diese Instabilität die maßgebliche Einschränkung und nicht nur ein Begleitumstand.

Stehbiegung erfordert wesentlich größere Biegeradien

Die vorherigen Aussagen beziehen sich auf die flache Biegung, bei der das Bauteil über seine Dicke gefaltet wird und die kleinere Maßabmessung die Dehnung bestimmt. Beim Biegen desselben Bauteils über seine Breite – die schwere Art – ändert sich die Geometrie völlig: Die Außenfaser befindet sich nun in halber Bauteilbreite vom neutralen Faserabstand entfernt, anstatt in halber Dicke, und die Innenseite hat einen langen, nicht unterstützten Druckstreifen.

Der praktische Nachweis ergibt sich aus den Leistungstabellen der Maschinen. Die SMART-603CNC-S ist mit 260 × 20 mm für flache Biegung und 125 × 15 mm für Stehbiegung spezifiziert. Diese ungefähr halbierte Maßangabe für beide Abmessungen ist ein Muster, das allgemein in der Stromschienen-Biegetechnik zu finden ist. Die Mindestbiegeradien für Stehbiegung bewegen sich in Vielfachen der Breite und nicht der Dicke und sind üblicherweise ein Vielfaches des Wertes für flache Biegung. Der Vergleich der Steh- und flachen Stromschienen-Biegung behandelt die Mechanik und die konstruktiven Alternativen.

Ein Biegeradius für flache Biegung darf nicht auf eine Stehbiegung übertragen werden. Dies ist der schnellste Weg zu einem gerissenen Außenrand.

Faserverlauf

Gewalzter und gezogener Kupfer besitzt eine kristallographische Textur, die mit der Bearbeitungsrichtung übereinstimmt, und ist infolgedessen in seiner Umformbarkeit richtungsabhängig. Die allgemeine Regel aus der Blechumformung gilt: Eine Biegung, deren Achse senkrecht zur Walzrichtung verläuft, ist die günstige Ausrichtung, und eine Biegung, deren Achse dazu parallel verläuft, ist diejenige, die reißt.

Für eine herkömmliche Stromschiene ist dies dem Konstrukteur ohne Aufwand held, da der Streifen entlang seiner Länge gewalzt oder gezogen wird und eine normale Querbiegung die Biegeachse quer zur Bearbeitungsrichtung über den Streifen legt. Dies ist die günstige Ausrichtung.

Automatisch ist dies jedoch nicht mehr bei Streifen, der aus breiten Platten geschnitten oder aus Coils geschnitten wird, bei dem die fertige Länge nicht mehr mit der ursprünglichen Walzrichtung übereinstimmen muss. Wenn ein Lieferant geschnittenes Material für gezogenen Streifen einsetzt, kann sich das Biegeverhalten ändern, selbst wenn das Zertifikat in Bezug auf die Festigkeit identisch aussieht. Dies ist ein guter Grund, die Materialform – nicht nur die Legierung und Härte – im Biege-Prozessprotokoll zu dokumentieren.

Das Walzwerkzertifikat lesen

Ein nützliches Zertifikat für Sammelschienen enthält die Legierung und den Standard, Cu-ETP CW004A nach EN 13601. Es enthält die Festigkeitsbezeichnung in beiden Formen, sofern das Walzwerk beide angibt, R240 / H065. Es enthält die gemessene Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte gegenüber der Guss- oder Losungsnummer. Es enthält die Leitfähigkeit als Prozentsatz von IACS, die für geglühtes Material 100 % oder mehr betragen sollte und für kaltgezogenes Material mindestens 97 %, da Kaltverarbeitung 2 bis 3 % Leitfähigkeit kostet.

Was es in der Regel nicht enthält, sofern nicht angefordert, ist die gemessene 0,2-%-Streckgrenze. Dies ist der Wert, den die Federrückrechnung benötigt, und für R220 weist er die größte zulässige Streuung auf. Die Norm setzt für weiches Material eine Obergrenze für die Streckgrenze, keine Untergrenze, sodass zwei konforme R220-Streifen in der Federrücklaufweite um den Faktor zwei variieren können. Wird weiches Kupfer in der Produktion eingesetzt, sollte der gemessene Rp0.2-Wert in der Bestellung stehen.

Zu prüfen ist außerdem, dass sich das Zertifikat auf die gelieferte Charge und nicht auf einen Typversuch bezieht. Typversuchszertifikate sind verbreitet und stellen keine gleichwertige Bescheinigung dar.

Wenn Glühen die richtige Antwort ist

Es gibt berechtigte Fälle. Streifen über 50 mm Dicke, bei dem das lokale Glühen an der Biegestelle vor der Umformung der einzige praktische Weg ist. Nacharbeit eines bereits umgeformten Streifens, bei dem die Biegezone durch den ersten Arbeitsgang verfestigt wurde und eine zweite Biegung an derselben Stelle reißen würde. Sehr enge Radien bei einer Nachrüstung, bei der der Streifen bereits geschnitten ist und die Alternative Ausschuss ist.

Es gibt auch einen häufigen Fall, der kein berechtigter Grund ist: Härteren Streifen zu kaufen, weil der Händler ihn vorrätig hat, und ihn dann zu glühen, um ihn biegbar zu machen. Diese Reihenfolge zahlt für Kaltverarbeitung und zahlt dann noch einmal, um sie zu entfernen, und sie verwirft die mechanischen Eigenschaften, die der harte Zustand bot. Härterer Streifen widersteht dem Durchhang über lange, ungestützte Spannen und widersteht permanenter Verformung unter Kurzschluss-Elektromagnetkräften. Das Glühen des gesamten Streifens erwirkt weder die Umformbarkeit von R220 noch die Steifigkeit von R290.

Zwei technische Beschränkungen gelten, bevor man sich für das Glühen entscheidet. Cu-ETP erweicht oberhalb von etwa 150 °C allmählich, und ein vollständiger Rekristallisationsglühen wird typischerweise bei etwa 400 °C durchgeführt, bei dem die Rekristallisation im Wesentlichen innerhalb von Minuten abgeschlossen ist. Längere Glühzeiten vergröbern die Körnung, und eine grobe Körnung erzeugt beim nächsten Biegen eine Orangenhaut, sodass eine lange Glühung die Oberflächengüte verschlechtern und das Material gleichzeitig weicher machen kann.

Die zweite Beschränkung ist spezifisch für diese Legierung. Cu-ETP enthält Restsauerstoff. Das Glühen in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre ermöglicht es dem Wasserstoff, einzudringen, die Oxideinschlüsse zu reduzieren und an den Korngrenzen Dampf zu bilden, was das Material irreversibel versprödet. EN 13601 enthält daher eine Anforderung an die Freiheit von Wasserstoffversprödung. Wenn Glühen Teil des Verfahrens ist, muss die Ofenatmosphäre kontrolliert werden oder stattdessen eine sauerstofffreie Legierung spezifiziert werden.

Schreiben der Bestellung

Die Mindestangaben für eine Stromschienen-Bestellung umfassen Legierung und Norm, Vergütungsbezeichnung, Querschnitt, Form und das Zertifikat. Die Angabe der gemessenen Streckgrenze kostet die Hütte nichts und eliminiert die größte einzige Abweichungsquelle beim Biegen. Soll ein Stab in einer Stromschienen-Biegemaschine mit einer gespeicherten Nachbiegekorrekturtabelle verarbeitet werden, ist der Vergütungscode die Referenz für diese Tabelle. Eine nicht spezifizierte Vergütung bedeutet, dass die Tabelle keinen gültigen Eintrag hat.

Die Vergütung hat zudem keinen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit, die durch Querschnitt, Anordnung und thermische Umgebung festgelegt wird; wird dieser Faktor herangezogen, behandelt der Sammelschienen-Strombelastungsrechner ihn unabhängig von der Verarbeitung des Stabs. Diese beiden Entscheidungen sind voneinander trennbar. Die Trennung verhindert, dass Formbarkeitsüberlegungen in die Bemessungsüberlegungen einfließen.