Werkstoffzustand des Kupfers und Mindestbiegeradius an Stromschienen

„Kupferschiene, 100 × 10, 3 Meter“ ist keine bestellbare Spezifikation. Sie nennt ein Metall und einen Querschnitt und lässt genau die Eigenschaft weg, die darüber entscheidet, ob sich die Sammelschiene auf den Radius Ihrer Zeichnung biegen lässt oder am ersten Teil quer über die Außenfläche reißt. Diese Eigenschaft ist der Werkstoffzustand, und sie gehört in die Beschaffung, bevor sie ein Problem der Fertigung wird: Liegt die Schiene erst einmal im Regal, kann sie niemand mehr ohne Ofen ändern.

Das Folgende ordnet die Empfehlungen zum Biegeradius den Codes des Werkstoffzustands zu, die auf Bestellungen und Werkszeugnissen für Stromschienen stehen, und nicht der Dicke allein. Die Dicke ist von Bedeutung, aber sie ist die zweite Größe.

Was die Codes nach EN 13601 bedeuten

EN 13601 gilt für Stangen, Profile und Drähte aus Kupfer für elektrotechnische Zwecke; für die Arbeit an Stromschienen ist die Sorte Cu-ETP mit der Bezeichnung CW004A von Interesse. Die Norm kennzeichnet den Werkstoffzustand auf zwei Wegen, und beide erscheinen auf Zeugnissen.

Die R-Bezeichnung richtet sich nach der Mindestzugfestigkeit in N/mm². R220 bedeutet eine Mindestzugfestigkeit von 220. Die H-Bezeichnung richtet sich nach der Mindesthärte nach Vickers. H040 bedeutet mindestens 40 HV. Beide laufen parallel, weshalb sie Ihnen paarweise begegnen.

Die Bereiche der Zugfestigkeit stammen aus der Norm. Die Werte für Dehngrenze, Bruchdehnung und Härte sind die, die Werksdatenblätter für Cu-ETP neben diesen Bezeichnungen veröffentlichen, und sind als typisch und nicht als normativ zu behandeln; der Leitfaden der Copper Development Association zu Stromschienen nennt für vollständig weichgeglühtes Kupfer im Schienenquerschnitt 50 bis 55 N/mm² Dehngrenze und für halbhartes 170 bis 200 N/mm², was am weichen Ende niedriger liegt als die obigen Werte für Band.

Aus der Tabelle folgen zwei Dinge, und beide sind wichtiger als die Zahlen selbst.

Erstens ist die Kette einseitig gerichtet. Kaltverfestigung erhöht die Zugfestigkeit, erhöht die Dehngrenze, erhöht die Härte und senkt die Bruchdehnung. Jede Eigenschaft in der Zeile bewegt sich mit, weil sie alle aus derselben Versetzungsdichte stammen. Sie können kein hartes Kupfer kaufen, das zugleich die Umformbarkeit von weichem Kupfer hat.

Zweitens bricht die Spalte der Bruchdehnung sehr viel schneller ein, als die Festigkeitsspalten steigen. Der Schritt von R220 auf R290 bringt Ihnen etwa 40 % an Zugfestigkeit und kostet Sie rund 88 % Ihrer Bruchdehnung. Wegen dieser Unsymmetrie wird die Wahl des Werkstoffzustands von Umformüberlegungen bestimmt und nicht von der Festigkeit.

Der Größeneinfluss, den niemand erwähnt

Beim harten Zustand gibt es einen Vorbehalt, über den viele bei großen Querschnitten stolpern. Die erreichbare Höchstfestigkeit hängt vom Querschnitt ab, weil das Maß an Kaltumformung, das ein Werk in eine Schiene einbringen kann, durch die im Verfahren mögliche Querschnittsabnahme begrenzt ist. Der Leitfaden der CDA setzt Stromschienen im harten Zustand je nach Querschnittsfläche in den Bereich 250 bis 340 N/mm², wobei die größeren Querschnitte am unteren Ende liegen.

„Hart“ an einer Schiene 30 × 5 und „hart“ an einer Schiene 200 × 12 sind also nicht derselbe Werkstoffzustand, auch wenn beide Zeugnisse R290 nennen. Der große Querschnitt liegt näher am unteren Ende des Bandes, lässt sich etwas gutmütiger biegen und federt etwas weniger zurück. Wenn Sie eine bewährte Offsettabelle von einem kleinen auf einen großen Querschnitt übertragen, rechnen Sie damit, dass sie eher konservativ als falsch ist.

Mindestbiegeradius, flachkant

Der veröffentlichte Ausgangspunkt ist der Leitfaden der CDA für Kupfer hoher Leitfähigkeit im halbharten oder harten Zustand, der Mindestradien der Biegeform als Vielfaches der Dicke angibt:

Oberhalb von 50 mm wird Schiene normalerweise überhaupt nicht gebogen; die CDA merkt an, dass es mit örtlichem Glühen vor dem Umformen möglich ist.

Diese Werte setzen bereits die härteren Werkstoffzustände voraus, sie sind daher eine sichere Untergrenze für R240 und R290. Für R220 können Sie enger gehen, aber es gibt selten einen Grund dafür. Was die Dickenbereiche nicht zeigen, ist die Achse des Werkstoffzustands; in der Praxis sieht eine Arbeitstabelle daher eher so aus:

Behandeln Sie die Spalte R220 und die Spalte R290 als Anhaltswerte. Die Tabelle der CDA ist der belegte Ankerpunkt; die Streuung zu beiden Seiten gibt die übliche Werkstattpraxis wieder und sollte für jede Kombination aus Werkstoff, Dicke und Werkzeug am Erstmuster bestätigt werden.

Die Bruchdehnung ordnet Werkstoffzustände; sie bemisst nicht die Biegedehnung

Die technische Dehnung an der Außenfaser einer Biegung folgt unmittelbar 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 %. Vergleichen Sie das mit der Spalte der Bruchdehnung: R290 ist mit mindestens 4 % festgelegt, was bei naiver Lesart ein R/t über 11 verlangen würde, bevor die Außenfaser überlebt.

Das tut es nicht, und wer weiß warum, überzieht die Radien nicht mehr. Ein Zugversuch misst die Bruchdehnung an einer gleichmäßigen Messlänge, in der sich eine Einschnürung frei bilden und ausbreiten kann. In einer Biegung liegt die Spitzendehnung nur an der Außenfläche über einen kurzen Bogen vor, und der umgebende, nicht gedehnte Werkstoff hindert eine Einschnürung daran, sich auszubilden. Die erreichbare Biegedehnung übersteigt die Bruchdehnung aus dem Zugversuch deshalb deutlich, und genau so kann die CDA für hartes Kupfer bis 10 mm Dicke 1 t festlegen, obwohl der Werkstoff 4 % Bruchdehnung hat.

Verwenden Sie den Wert der Bruchdehnung, um Werkstoffzustände gegeneinander zu ordnen und vorherzusagen, welcher zuerst reißt. Verwenden Sie ihn nicht als Budget für die Biegedehnung.

Wie das Versagen aussieht

Die Rissbildung an der Außenfaser durchläuft erkennbare Stufen, und wer sie auf der ersten Stufe bemerkt, rettet das Los.

Zuerst kommt die Orangenhaut. Die Außenfläche raut zu einer sichtbaren Struktur auf, weil sich einzelne Körner unabhängig voneinander verformen. Für sich genommen ist das ein optischer Mangel, aber sie sagt Ihnen, dass die Außenfaser nahe an ihrer Grenze ist, und sie verstärkt sich mit grobem Korn, das seinerseits ein Anzeichen für zu langes Glühen ist.

Danach folgen quer verlaufende Mikrorisse, parallel zur Biegeachse über die Außenfläche. An einer beschichteten Schiene zeigen sie sich möglicherweise nur als Unterbrechungen der Beschichtung. Das Teil ist an diesem Punkt Ausschuss, denn der Riss ist eine Spannungsüberhöhung genau dort, wo die Schwingbeanspruchung im Betrieb am größten ist. Der durchgehende Riss ist die Endstufe und braucht keine Beschreibung.

An der Innenfläche ist der Versagensmechanismus ein anderer: Instabilität unter Druck, sichtbar als Ausknicken oder Falten. An einer Flachkantbiegung ist das üblicherweise ein Zeichen dafür, dass die Schiene ungenügend abgestützt war. An einer Hochkantbiegung ist es die maßgebende Beschränkung und keine nebensächliche.

Hochkantbiegen braucht erheblich größere Radien

Alles oben Gesagte gilt für das Flachkantbiegen, bei dem die Sammelschiene über ihre Dicke wird und die kleine Abmessung die Dehnung bestimmt. Biegen Sie dieselbe Schiene hochkant, also über ihre Breite, und die Geometrie ändert sich vollständig: Die Außenfaser liegt nun um die halbe Schienenbreite von der neutralen Faser entfernt statt um die halbe Dicke, und die Innenfaser hat unter Druck eine lange, nicht abgestützte Länge.

Der praktische Beleg steht in den Kapazitätstabellen der Maschinen. Die SMART-603CNC-S ist für das Flachkantbiegen mit 260 × 20 mm und für das Hochkantbiegen mit 125 × 15 mm angegeben, und diese näherungsweise Halbierung beider Abmessungen finden Sie bei Biegetechnik für Stromschienen allgemein wieder. Mindestradien für Hochkantarbeit laufen in Vielfachen der Schienenbreite und nicht der Dicke und betragen üblicherweise ein Mehrfaches des Flachkantwerts. Der Vergleich von Hochkant- und Flachkantbiegen an Stromschienen behandelt die Mechanik und die konstruktiven Alternativen.

Übertragen Sie keine Radiusregel für das Flachkantbiegen auf eine Hochkantbiegung. Das führt unmittelbar zu einer gerissenen Außenkante.

Walzrichtung

Gewalztes und gezogenes Kupfer trägt eine kristallographische Textur, die an der Umformrichtung ausgerichtet ist, und die Umformbarkeit ist dadurch richtungsabhängig. Es gilt die allgemeine Regel aus der Blechumformung: Eine Biegung, deren Achse senkrecht zur Walzrichtung verläuft, ist die günstige Lage, und eine Biegung, deren Achse parallel dazu verläuft, ist die, die reißt.

Bei gewöhnlicher Stromschiene arbeitet das ohne Zutun zu Ihren Gunsten. Schiene wird längs gewalzt oder gezogen, und eine normale Querbiegung legt die Biegeachse quer über die Schiene, senkrecht zur Umformrichtung. Sie befinden sich bereits in der günstigen Lage.

Nicht mehr von selbst ergibt sich das bei Schiene, die aus breiter Platte geschnitten oder aus dem Coil längsgeteilt ist, wo die Länge der fertigen Schiene nicht mit der ursprünglichen Walzrichtung übereinstimmen muss. Ersetzt ein Lieferant gezogene Schiene durch längsgeteiltes Material, kann sich das Biegeverhalten ändern, obwohl das Zeugnis in der Festigkeit gleich lautet. Das ist ein guter Grund, im Prozessnachweis zum Biegen auch die Erzeugnisform zu erfassen und nicht nur Sorte und Werkstoffzustand.

Das Werkszeugnis lesen

Ein brauchbares Zeugnis für Stromschienen führt Sorte und Norm, Cu-ETP CW004A nach EN 13601. Es führt die Bezeichnung des Werkstoffzustands in beiden Formen, wo das Werk beide angibt, R240 / H065. Es führt gemessene Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte zur Schmelzen- oder Losnummer. Es führt die Leitfähigkeit als Prozentsatz von IACS, die für geglühtes Material 100 % oder mehr und für hartgezogenes Material mindestens 97 % betragen sollte, weil die Kaltverfestigung 2 bis 3 % Leitfähigkeit kostet.

Was es üblicherweise nicht führt, solange Sie nicht danach fragen, ist die gemessene 0,2-%-Dehngrenze. Das ist die Zahl, die die Rückfederungsrechnung braucht, und bei R220 trägt sie die größte zulässige Streuung. Die Norm setzt für weiches Material eine Obergrenze für die Dehngrenze und keine Untergrenze; zwei konforme R220-Schienen können sich daher um den Faktor zwei darin unterscheiden, wie weit sie zurückfedern. Wenn Sie weiches Kupfer in der Produktion fahren, setzen Sie die gemessene Rp0.2 in die Bestellung.

Zu prüfen ist außerdem, ob sich das Zeugnis auf das gelieferte Los bezieht und nicht auf eine Typprüfung. Zeugnisse aus Typprüfungen sind verbreitet und sind kein gleichwertiger Nachweis.

Wann Glühen die richtige Antwort ist

Es gibt berechtigte Fälle. Schiene über 50 mm Dicke, bei der örtliches Glühen an der Biegestelle vor dem Umformen der einzige praktikable Weg ist. Nacharbeit an einer bereits umgeformten Schiene, bei der die Biegezone durch den ersten Arbeitsgang kaltverfestigt wurde und eine zweite Biegung an derselben Stelle reißen würde. Sehr enge Radien bei einer Nachrüstung, bei der die Schiene bereits abgelängt ist und die Alternative Ausschuss heißt.

Es gibt außerdem einen häufigen Fall, der kein berechtigter Grund ist: harte Schiene zu kaufen, weil der Händler nur diese hatte, und sie anschließend zu glühen, um sie biegbar zu machen. Diese Reihenfolge bezahlt die Kaltverfestigung und bezahlt danach noch einmal dafür, sie wieder zu entfernen, und sie wirft die mechanischen Eigenschaften weg, die der harte Zustand geliefert hat. Harte Schiene setzt dem Durchhängen über langen, nicht abgestützten Spannweiten und der bleibenden Verformung unter elektromagnetischen Kurzschlusskräften Widerstand entgegen. Glühen Sie die ganze Schiene, dann haben Sie weder die Umformbarkeit von R220 noch die Steifigkeit von R290 gekauft.

Zwei technische Einschränkungen gelten, bevor Sie sich auf das Glühen festlegen. Cu-ETP entfestigt sich oberhalb von etwa 150 °C fortschreitend, und ein vollständiges Rekristallisationsglühen wird typischerweise bei etwa 400 °C gefahren, wo die Rekristallisation im Wesentlichen innerhalb von Minuten abgeschlossen ist. Längere Haltezeiten vergröbern das Korn, und grobes Korn erzeugt bei der nächsten Biegung Orangenhaut; ein langes Glühen kann die Oberfläche also verschlechtern, während es den Werkstoff weicher macht.

Die zweite Einschränkung ist für diese Sorte spezifisch. Cu-ETP enthält Restsauerstoff. Glühen Sie es in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, dann diffundiert der Wasserstoff ein, reduziert die Oxideinschlüsse und bildet an den Korngrenzen Wasserdampf, was den Werkstoff unumkehrbar versprödet. EN 13601 führt genau aus diesem Grund eine Anforderung zur Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung. Wenn das Glühen Teil Ihres Prozesses ist, führen Sie die Ofenatmosphäre oder legen Sie stattdessen eine sauerstofffreie Sorte fest.

Die Bestellung schreiben

Der Mindestumfang für eine Bestellung von Stromschienen sind Sorte und Norm, Bezeichnung des Werkstoffzustands, Querschnitt, Erzeugnisform und die Anforderung an das Zeugnis. Die gemessene Dehngrenze zusätzlich zu verlangen kostet das Werk nichts und beseitigt die größte einzelne Ursache für Drift beim Biegen. Geht eine Schiene auf eine Biegemaschine mit hinterlegter Offsettabelle für die Rückfederung, dann ist der Code des Werkstoffzustands der Schlüssel dieser Tabelle, und ein nicht festgelegter Werkstoffzustand bedeutet, dass die Tabelle keinen gültigen Eintrag hat.

Der Werkstoffzustand hat außerdem keinen Einfluss auf die Strombelastbarkeit, die von Querschnitt, Anordnung und thermischer Umgebung bestimmt wird; wenn das die Bedingung ist, auf die Sie hin auslegen, behandelt der Rechner für die Strombelastbarkeit von Stromschienen sie unabhängig davon, wie die Schiene umgeformt wurde. Die beiden Entscheidungen sind trennbar, und sie getrennt zu halten verhindert, dass Argumente zur Umformbarkeit in Argumente zur Dimensionierung überlaufen.