Schweißeignung

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Darstellung der Schweißbarkeit nach DVS 2902-1[1]

Schweißeignung ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Schweißbarkeit eines Bauteils und bezieht sich auf die technologisch bedeutsame Werkstoffeigenschaft, eine untrennbare Verbindung mit einem anderen oder demselben Werkstoff bei Anwendung eines Schweißverfahrens einzugehen. In Bezug auf das Widerstandspunktschweißen definiert das DVS - Merkblatt 2902-2[2]: “Schweißeignung ist vorhanden, wenn unter Beachtung qualitativer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte eine den Anforderungen genügende Punktschweißung hergestellt werden kann.” Die EN ISO 18278-1 definiert Schweißeignung: Die Schweißeignung von metallischen Werkstoffen zum Schweißen ist definiert durch:

  • als erstes, die Fähigkeit die Schweißung herzustellen;
  • die Fähigkeit die Schweißungen fortlaufend herzustellen;
  • die Fähigkeit der Schweißung den auftretenden Betriebsbelastungen zu widerstehen.[3]

Schweißeignung ist quantitativ schwer zu formulieren und ist für verschiedene Schweißverfahren sehr unterschiedlich. „So kann ein Stahl, der für das Schmelzschweißen eine weniger gute Schweißeignung besitzt, für das Widerstandsschweißen sehr gut geeignet sein. So ist z. B. verzinkter Stahl zum Schutzgasschweißen wegen Spritzer und Porenbildung nicht in jedem Fall geeignet, kann aber eine gute Punktschweißeignung aufweisen. Auch in Bezug auf die verschiedenen Widerstandsschweißverfahren sind ebenfalls Unterschiede vorhanden. Ein verzinktes Blech mit Phosphatierung, das für das Punktschweißen geeignet ist, kann aber beim Buckelschweißen zu Schwierigkeiten führen.“ [4]

Schweißeignung für das Widerstandspunkt- und -buckelschweißen[Bearbeiten]

Die Schweißeignung eines Werkstoffs oder einer Werkstoffkombination für das Widerstandspunktschweißen wird von der chemischen Zusammensetzung, dem metallurgischen und dem Oberflächenzustand bestimmt. Daraus leiten sich alle andern Einflussfaktoren ab.

Einflussfaktoren auf die Punktschweißeignung nach B. Leuschen[5]

Werkstoffe allgemein[Bearbeiten]

Die physikalischen Materialeigenschaften (chemische Zusammensetzung und metallurgischer Zustand) sind für die Schweißeignung besonders bedeutsam. Ideale Materialeigenschaften für das Widerstandspunktschweißen sind:

  • gleiche oder nah beieinander liegende Schmelztemperatur
  • geringe elektrische Leitfähigkeit
  • geringe thermische Leitfähigkeit
  • hohe Verformbarkeit (Warmverformbarkeit)

In dieser Hinsicht ist Nickel annähernd ideal. Diese Verhältnisse sind jedoch bei realen Schweißaufgaben selten anzutreffen. Materialien mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sind schwer zu schweißen, weil die Schweißwärme sehr schnell abgeleitet wird und die erforderliche Schweißtemperatur nicht erreichbar ist. Harte und spröde Werkstoffe haben nur einen geringen Temperaturbereich mit plastischen Eigenschaften und tendieren zur Bruchbildung während des Schweiß- und Abkühlungsprozesses. Die Verformbarkeit im Bereich der Schweißtemperatur ist wichtig. Metalle geringer Duktilität in diesem Temperaturbereich neigen sie zu sogenannten Heißrissen während der Abkühlung.

Es lassen sich drei Materialgruppen unterscheiden[6]:

Gruppe 1

Gold, Aluminium, Silber Kupfer, Messing- und Bronzelegierungen. Diese Materialien sind im Gitteraufbau kubisch-flächenzentriert mit hoher Duktilität wegen der großen Zahl von Versetzungsstrukturen. Diese Materialgruppe hat relativ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und darum eine eingeschränkte Schweißeignung. Metalle der Gruppe 1 verbinden sich mit denen der Gruppen 1, 2 und 3 im festen Zustand. Im Zugversuch kann bei diesen Verbindungen im Bruchbereich ein Schweißpunkt erkennbar sein, der oftmals als Schmelzschweißergebnis fehlinterpretiert wird.

Gruppe 2

Nickel, Titan, Platin, X10CrNi18-8 und X2CrNi16-10, die mit Ausnahme des Titan ebenfalls ein kubisch-flächenzentriertes Gitter aufweisen, wohingegen das Titan mit einem hexagonalen Gitter vorkommt. Diese Gruppe kann untereinander nach beliebigem Verbindungstyp verschweißen (durch Schmelze, in festem Zustand, durch Diffusion). Mit Partnern der Metallgruppe 1 und 2 verbinden sich Metalle der Gruppe 2 in festem Zustand.

Gruppe 3

Chrom, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und martensitische nichtrostende Stähle (z.B. X12CrS13, X14CrMoS1) mit kubisch-raumzentriertem Gitter. Die Schmelztemperatur ist hoch, das Material hart und spröde und die elektrische Leitfähigkeit liegt in mittlerem Bereich. Die Verbindung mit Metallen aller Gruppen erfolgt im festen Zustand.

Die Schweißeignung verschiedener Werkstoffe lässt sich nach L. Pfeifer[7] (zitiert von M. Krause)[8], durch einen sogenannten Schweißfaktor S ausdrücken, der die elektrische (λ) und thermische Leitfähigkeit (χ) und die Schmelztemperatur (Ts) zu einem quantitativen Wert der Schweißeignung für das Widerstandspunktschweißen zusammenfasst.

 S=\frac{4,2*10^{6}}{\lambda*\chi*T_{s}}

S – Schweißfaktor

λ – elektrische Leitfähigkeit [Sm/mm2]

χ – thermische Leitfähigkeit [W/mK]

Ts – Schmelztemperatur [°C]

S < 0.3 schlecht schweißgeeignet

S 0,3...0,8 bedingt geeignet

S > 0,8 gut geeignet

Schweißfaktor ausgewählter Werkstoffe[8]
Werkstoff χ λ Ts S
Stahl, unleg. 6,0 48 1535 9,05
Stahl, leg. 3,5 50 1500 17,14
Aluminium 36 209 659 0,84
Al-Mg 20 162 625 2,07
Kupfer 56 372 1083 0,186
Messing 8,7 93 925 5,6
Blei 4,8 35 327 76

Stahlwerkstoffe[Bearbeiten]

Stahlwerkstoffe haben eine große Variationsbreite chemischer, physikalischer und metallurgischer Eigenschaften. Die chemische Zusammensetzung beeinflusst die Gefügeausbildung und damit die Festigkeits- und Härteeigenschaften, Riss- und Linsenbildung der Verbindung. Als Indiz für die Schweißeignung wird das sogenannte Kohlenstoffäquivalent (CE) angesehen. In Abhängigkeit der Werkstoffzusammensetzung ändert sich die Materialfestigkeit, die Verformbarkeit, das Gefüge und das Umwandlungsverhalten im thermischen Zyklus des Punktschweißens. Je nach Legierungszusammensetzung können Stähle sehr unterschiedliche thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzen und damit verschiedene Schweißfaktoren S.

In Bezug auf die Schweißeignung für das Widerstandspunktschweißen ordnet das DVS-Merkblatt 2902-2[2] die Stahlwerkstoffe vier verschiedenen Gruppen zu[9]:

Gruppe 1 „gut geeignet”
  • unlegierte, unbeschichtete warm- oder kaltgewalzte Bänder und Bleche
  • mikrolegierte kaltgewalzte Stahlbleche
  • Dualphasenstahl
  • Restaustenit-Stähle (TRIP-Stähle)
  • Complexphasenstählen

Die Schweißparameter Strom, Zeit und Elektrodenkraft müssen an die Stahleigenschaften angepasst werden.[10][11][12] Öle und Fette auf der Oberfläche zur Verbesserung des Ziehverhaltens führen zu Elektrodenverschmutzung und senken damit deren Standzeit.[2]

Gruppe 2 „geeignet”

In diese Gruppe fallen kaltgewalzte Stahlbleche, deren Grundwerkstoff an sich sehr gute Schweißeignung haben, die jedoch durch metallische Oberflächenbeschichtungen weniger gut schweißgeeignet sind.[9]

Gruppe 3 „bedingt geeignet“

Diese Gruppe bilden Stähle mit höheren Kohlenstoff- und Mangangehalten, die zu Auhärtungen und Versprödungen neigen, ebenso Stahlbleche mit schweißfähigen Lackierungen oder anorganischen, metallischen Beschichtungen und Verbundwerkstoffe aus Stahl und Kunststoff.[9]

Gruppe 4 „nicht geeignet”
  • kunststoffbeschichtete und lackierte Bleche[13]
  • Sorbitische Federstähle
  • Stähle mit emaillierter Oberfläche

Werkstoffe in der Elektronik und Feinwerkstechnik[Bearbeiten]

In der Elektronik und Feinwerkstechnik werden unterschiedlichste Materialien durch Widerstandsschweißen miteinander verbunden, für die die generellen Aussagen zur Schweißeignung gelten.[6]. Eine zusammenfassende Darstellung der Schweißeignung und Auswahl der erforderlichen Elektroden sind im DVS-Merkblatt 2950 tabellarisch dargestellt, wobei die Materialkombinationen drei Schweißeignungsklassen zugeordnet werden. Wichtig ist der Hinweis: „viele als weniger gut schweißgeeignet bezeichnete artgleiche oder artfremde Werkstoffpaarungen können mit besonderen Maßnahmen, Verfahren und Maschinen in für den Anwendungsfall befriedigender Qualität geschweißt werden“ [14], d. h. für die Schweißbarkeit dieser Materialien sind die technologischen Bedingungen von sehr großer Bedeutung. Daher findet man auch voneinander abweichende Angaben zur Schweißeignung solcher Werkstoffkombinationen.[15][16]

Aluminium[Bearbeiten]

Aluminium und Aluminiumlegierungen haben eine hohe Bedeutung als Konstuktionswerkstoff. Die Schweißeignung für das Widerstandspunktschweißen wird durch die gute Leitfähigkeit und die hohe Affinität zu Sauerstoff maßgeblich beeinflusst. Die Leitfähigkeit verringert sich mit zunehmenden Legierungsbestandteilen an Mg, Mn, Cu, Zn und Si. „Neben der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ist der Kontaktwiderstand der wichtigste Einflussfaktor“.[17] Die Oxidschicht auf der Oberfläche bildet sich bereits durch die Einwirkung des Luftsauerstoffs, was zu erheblicher Steigerung der Kontaktwiderstände und hohem Elektrodenverschleiß führt. Daher sind Oberflächenbehandlungen (mechanisch oder chemisch) vor dem Widerstandspunktschweißen geboten.[5]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. DVS: Widerstandspunktschweißen von Stählen bis 3 mm Einzeldicke – Übersicht, DVS Merkblatt 2902-1, 2001.
  2. a b c DVS: Widerstandspunktschweißen von Stählen bis 3 mm Einzeldicke – Punktschweißeignung, DVS Merkblatt 2902-2, 2001.
  3. Widerstandsschweißen. Schweißeignung. Teil 1: Bewerten der Schweißeignung zum Widerstandspunkt-, Rollennaht- und Buckelschweißen von metallischen Werkstoffen, EN ISO 18278-1:2004
  4. Harms & Wende GmbH & Co. KG: Das kleine HWH Lexikon , Begriff Werkstoffe: Einflussfaktoren auf die Schweißeignung
  5. a b B. Leuschen: Beitrag zum Tragverhalten von Aluminium- und Aluminium-Stahl- Widerstandspunktschweißverbindungen bei verschiedenartiger Beanspruchung, Diss. RWTH Aachen, 1984
  6. a b D. Steinmeier: Laser and Resistance Weldability Issues, Part I – Bulk Material Properties, microJoining Solutions – microTips™
  7. L. Pfeifer: Widerstandspressschweißen – ein bewährtes Verfahren mit vielen Anwendungsmöglichkeiten. Schweißen und Schneiden, 38 (1986), H.1
  8. a b M. Krause: Widerstandpressschweissen: Grundlagen – Verfahren – Anwendung, Dt. Verl. für Schweisstechnik, DVS-Verl. (1993)
  9. a b c WEBsite Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen – Schweißeignung
  10. DVS: Widerstandspunktschweißen von Feinblechen aus niedrig legierten Stählen - Kaltgewalzte höherfeste Stähle,Merkblatt DVS 2935-1
  11. DVS: Widerstandspunktschweißen von Feinblechen aus niedrig legierten Stählen – Kaltgewalzte Mehrphasenstähle (AHSS),Merkblatt DVS 2935-2
  12. WEBsite Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen – Schweißparameter
  13. DVS: Widerstandsbuckel- und Lichtbogenbolzenschweißen von einseitig dick kunststoffbeschichteten Stahlfeinblechen, DVS-Merkblatt 2927
  14. DVS: Widerstandsschweißen in der Elektronik und Feinwerktechnik – Übersicht und Grundlagen, Merkblatt DVS 2950
  15. Miyachieurope "Weldability" [1]
  16. WEBsite Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen – Schweißeignung und Elektrodenpaarung
  17. DVS: Widerstandspunkt- und -rollennahtschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen von 0,35 bis 3,5 mm Einzeldicke – Schweißeignung, Merkblatt DVS 2932-1

Literatur[Bearbeiten]

  • DIN-Fachbericht ISO/TR 581:2007-04: Schweißbarkeit - Metallische Werkstoffe - Allgemeine Grundlagen