Widerstandsschweißen

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Widerstandsschweißen ist ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe auf Basis der jouleschen Stromwärme eines durch die Verbindungsstelle fließenden elektrischen Stromes. Die Verbindungspartner werden bis zum Erreichen der Schweißtemperatur erhitzt und an Berührungsstelle unter der Wirkung einer Kraft durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder auch in fester Phase verschweißt.

Geschichte[Bearbeiten]

Schweißen von Metallen ist eine uralte Technik. Archäologische Funde zeigen, dass bereits im 4. Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung feuergeschweißt und -gelötet wurde. Widerstandsschweißen wurde jedoch erst mit der Erzeugung von elektrischem Strom möglich. Bereits 1766 berichtet J. Beckmann über einen Versuch von Johan Carl Wilcke, bei dem dieser durch Kondensatorenentladung Flintkugeln miteinander verschweißte, und schon 1782 schweißte Georg Christoph Lichtenberg mittels der „künstlichen Elektrizität“ eine Uhrfeder mit einer Messerklinge zusammen.

Das Widerstandsschweißen wurde 1857 von James Prescott Joule als mögliches Verfahren zum Verbinden von Metallen aufgezeigt. Die entscheidenden Versuche zur Erfindung des Widerstandsschweißens unternahm Elihu Thomson um 1877. 1887/88 entwickelte Nicolai Benardos ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mit Kohleelektroden. Das Widerstandspunktschweißen mit Kupferelektroden entwickelte Kleinsmith im Jahre 1897, damit begann der industrielle Durchbruch des Widerstandsschweißens. Um 1910 wurden die Widerstandsbuckel- und -rollennahtschweißmethode entwickelt. Ab 1930 setzte sich das Widerstandsschweißen auch industriell durch. So wurden z. B. die Innenaufbauten von Elektronenröhren (Halterungen und Anschlüsse der Elektroden und der Kathodenheizung) punktgeschweißt – das Löten kommt hierbei aufgrund des Ausgasens von Flussmittelresten nicht in Frage. Auch die in dieser Zeit teilweise anstelle von Glas verwendeten Stahlröhren-Kolben wurden mit einer Widerstandsschweißung mit dem Sockel verbunden: für die ringförmige Naht war ein Strom von 100 Ampere nötig.

Verfahrensvarianten und Stromarten[Bearbeiten]

Varianten[Bearbeiten]

Einteilung der Schweißverfahren nach DIN 1910-100[1] mit Ordnungsnummern nach [2]

Die DIN 1910–100 [1] unterteilt das Metallschweißen und damit auch die Widerstandsschweißverfahren in Preß- und Schmelzschweißverfahren. Für die Schweißverfahren werden nach der EN ISO 4063 [2] Ordnungsnummern vergeben. Das Bild zeigt Beispiele der Untergliederung mit den Ordnungsnummern für einige Verfahrensvarianten des Widerstandsschweißens:

  • Widerstandspressschweißen: im Allgemeinen ohne Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes, jedoch mit einer Anpresskraft auf die Schweißpartner:
    • Widerstandspunktschweißen
    • Widerstandsbuckelschweißen
      • Widerstandsbolzenschweißen
    • Widerstandsrollennahtschweißen
    • Widerstandsstumpfschweißen
    • Abbrennstumpfschweißen
    • Kondensator-Impulsschweißen (sowohl Punkt- als auch Buckelschweißen)
  • Widerstandsschmelzschweißen: ohne Presskraft, Zusatzwerkstoff möglich:
    • Kammerschweißen

Stromarten[Bearbeiten]

Die klassische Widerstandsschweißtechnik verwendet Wechselstrom (AC) mit einer Frequenz von 50 Hz (oder 60 Hz). Dieser kann einfach mittels entsprechend leistungsstarker Transformatoren aus dem Netz erzeugt werden. Für die meisten Anwendungen ist diese Stromart gut geeignet.

Um eine rasche und gleichmäßige Einbringung der Energie zu gewährleisten, wird auch Gleichstrom (DC) verwendet. Dessen Erzeugung ist jedoch aufwändiger und damit teurer. An DC-Quellen unterscheidet man hauptsächlich:

  1. Einphasengleichrichter (selten, schlechte Qualität des Gleichstroms)
  2. Frequenzwandler (heute kaum noch üblich, können je nach Einstellung DC-Impulse oder Niederfrequenz erzeugen → dann AC)
  3. Dreiphasengleichrichtermaschinen, mit einem dreiphasigen Schweißtransformator und dreiphasigem Gleichrichter
  4. Inverteranlagen (MF = Mittelfrequenz-Anlagen, üblicherweise mit Gleichspannungszwischenkreis und 1000–4000 Hz Taktfrequenz des Wechselrichters, mit höheren Frequenzen, bis 20 kHz – dann HF = Hochfrequenz-Anlagen genannt) und Gleichrichtung am Ausgang des entsprechenden Transformators.

Widerstandspunkt- und Buckelschweißen[Bearbeiten]

Widerstandspunktschweißen – Prinzipskizze
Inverter für das Widerstandspunktschweißen mit Mittelfrequenz

Widerstandspunktschweißen (Kurzform: Punktschweißen, RP, EN ISO 4063: Prozess 21) ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen unterschiedlichster Abmessungen und Materialien.

Einsatzfelder und Verfahrensvorteile[Bearbeiten]

Das Widerstandspunktschweißen wird zur Verbindung von Stahlblechen im Karosserie– und Fahrzeugbau und allgemein in der blechverarbeitenden Fertigung angewendet. An der Karosserie eines Mittelklassewagens (Beispiel: Ford Focus) werden je nach Typ etwa 3600 bis 3800 Schweißpunkte gesetzt. Es wird auch zum Verschweißen unterschiedlichster Metalle und Metallkombinationen in der Elektroindustrie und der Elektronikfertigung verwendet, z. B. bei der Herstellung von Kondensatoren, Kontaktsätzen für Relais und Leitungsschutzschalter oder Anschlüssen von Spulen und Motorwicklungen. Mit gewissen Einschränkungen können auch ansonsten nicht verschweißbare Materialien miteinander verbunden werden.

Die Vorteile des Verfahrens gegenüber dem Schmelzschweißen sind gute Energieeffizienz, geringer Bauteilverzug durch die Schweißwärme, hohe Produktivität, gute Automatisierbarkeit und das Schweißen ohne Zusatzmaterial. Es wird allerdings keine durchgehende, dichte Naht erzeugt. Die quasistatische Festigkeit (Kopfzug- und Scherfestigkeit) bestimmter Stahlbleche ist beim Widerstandspunktschweißen höher als die von mechanischen Verbindungen wie die beim Durchsetzfügen, jedoch ist deren dynamische Festigkeit besser.[3]

Verfahrensprinzip, Verbindungsbildung[Bearbeiten]

Das Prinzip besteht darin, dass den zu verschweißenden Blechen über (meist gegenüberliegende) Elektroden unter der Wirkung von Kraft Strom zugeführt wird.

Durch die Widerstandserwärmung werden die Verbindungspartner bis zum Erreichen der erforderlichen Schweißtemperatur erhitzt. Die Teile werden an ihrer Berührungsstelle zwischen den Elektroden unter der Wirkung einer Elektrodenkraft punktförmig durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder in fester Phase verschweißt.[4] Innerhalb kürzester Zeit wird eine hohe Energie in Form von joulescher Stromwärme auf eine kleine Fläche der Werkstücke zu konzentriert, wobei unter Zuführung von hohem Druck (pneumatisch oder elektromechanisch) die unlösbare Verbindung entsteht. Einstellgrößen (Schweißparameter) für das Verfahren sind im Allgemeinen die Schweißzeit, der Schweißstrom und die Elektrodenkraft, die je nach Schweißaufgabe in weiten Bereichen variieren. Für die Einstellung der Schweißparameter sind Faustformeln[5] oder auch anwenderspezifische Richtwerte (z. B. Mercedes-Benz MBN 10382[6]) entwickelt worden.

Der physikalische Bindemechanismus hängt von den Materialien der zu verbindenden Teile ab.[7][8][9][10]

Verfahrensvarianten[Bearbeiten]

AC- und DC-Schweißen[Bearbeiten]

Es kann mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom mit Netzfrequenz (AC) punktgeschweißt werden. Beim Wechselstromschweißen mit Netzfrequenz werden Strom und Schweißzeit durch Phasenanschnittsteuerung mit einem Thyristorsteller gesteuert.

In den vergangenen Jahren hat sich als DC-Verfahren mehr und mehr die so genannte Mittelfrequenzschweißung durchgesetzt, bei der der Schweißtransformator über einen Umrichter meist mit einer Frequenz von ein bis mehreren Kilohertz gespeist wird. Dadurch kann der Transformator kleiner werden. Diese Mittelfrequenz-Schweißzangen sind die üblichen Werkzeuge in der Automobilfertigung. Für die elektrische Versorgung der Zangen werden sogenannte Inverter (elektrische Einheit aus Schweißleistungsteil und Schweißsteuerung) eingesetzt. Diese werden in der Regel mit drei Phasen Wechselstrom versorgt und richten die Spannung zunächst gleich. Über sogenannte IGBTs wird anschließend eine Rechteckspannung von 1000 Hz erzeugt. Die Ausgangsspannung beträgt im Allgemeinen 400 V. Diese umgeformte Spannung wird anschließend in einen Mittelfrequenztransformator eingespeist.

Kondensator-Impulsschweißen[Bearbeiten]

Das Kondensator-Impulsschweißen, auch als CD-Schweißen (engl. capacitor discharge)/ KE-Schweißen (Kondensatorentladungsschweißen) und in spezieller Anwendung auch Perkussionsschweißen bezeichnet, unterscheidet sich vom konventionellen Widerstandsschweißen durch die Art der Energieerzeugung. Es findet vor allem beim Buckelschweißen Anwendung.

KE - Schweißen: Strom- und Spannungsverlauf

Zum Schweißen wird ein impulsförmiger Gleichstrom benutzt, der durch die Entladung eines Kondensators über den Schweißtransformator entsteht. Die Form des Impulses wird durch die Summe der Widerstände im Entladekreis bestimmt. Die im Kondensator gespeicherte Energie kann berechnet werden als:

W=\frac{1}{2}CU_{0}^{2}

mit

  • W … Energie
  • C … Kondensatorkapazität
  • U0 … Ladespannung des Kondensators.

Die Energie wird über aufgeladene Kondensatoren auf das Werkstück abgegeben. Der Ladestrom kann hierbei um etliche Größenordnungen kleiner sein als der spätere Entladestrom, so dass eine Impulsbelastung des Stromnetzes und ggf. eine Überlastung vermieden werden können. In der Netzleitung entstehen keine hohen Stromspitzen, weil der Kondensator relativ langsam in den Schweißpausen geladen wird (1–2 s, je nach Bauart). Berücksichtigung sollte die Alterung der Kondensatoren finden, was nach einigen Jahren zu Kapazitätsverlust führt.

Während der Entladung kommt zu einem sehr steilen Stromanstieg und kurzen Schweißzeiten. Die kürzeste Schweißzeit ist etwa 1 ms. Der Schweißvorgang ist abgeschlossen, sobald die Kondensatoren entladen sind. Die Schweißzeit wird vom Beginn des Stromflusses an und bis zum Abfall des Stromes auf einen Wert von 50 % des Spitzenstromes gerechnet [11]. Die kurze Schweißzeit verursacht eine lokale Energiekonzentration bei einer kleinen Wärmeeinflusszone im Bauteil. Das ermöglicht das sichere Schweißen von hochfesten Stählen und verschiedensten Materialkombinationen, auch gut leitfähiger Schweißpartner unterschiedlichster Abmessungen.

Das Schweißen mittels eines Hochstromimpulses wird durch zwei Parameter gekennzeichnet:

  • die Schweißkraft,
  • die Schweißenergie

Die Schweißparameter werden auf die zu verschweißende Teile abgestimmt und entsprechend eingestellt. Die maximale Energie und der Höchstschweißstrom der Maschinen werden durch die Baugröße der Maschine bestimmt und sind unabhängig vom Netzanschluss.

Bei Öffnen der Schweißanlage besteht die Gefahr eines lebensgefährlichen elektrischen Schlages, wenn die Kondensatoren nicht oder nur teilweise durch den Schweißvorgang entladen wurden. Sofern nicht geeignete Schutzmechanismen integriert wurden, besteht diese Gefahr auch bei abgeschaltetem Schweißgerät.

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Besonderheiten

Die Besonderheiten des KE/CD-Schweißen sind durch folgende Verfahrensmerkmale zu beschreiben:

  • schneller Stromanstieg
  • kurze Schweißzeit
  • geringe Wärmeeinleitung
  • geringe Netzbelastung
  • hohe Reproduzierbarkeit durch Einstellung von nur zwei Schweißparametern,
  • Schweißen von Werkstücken unterschiedlicher Materialdicke,
  • Schweißen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich, z. B. Stahl - Messing,
  • Schweißen von legierten Edelstählen
  • Schweißen von Dünnblech
  • Schweißen von Werkstücken ohne Verzug
  • Schweißen von Werkstücken mit galvanischen Überzügen, der Überzug bleibt dabei erhalten
  • Schweißen von hochkohlestoffhaltigen oder gehärteten Werkstücken möglich
  • einfache Qualitätssicherung durch Protokollieren der Schweißdaten: Energie, Kraft und Weg
  • keine Elektrodenkühlung erforderlich, hohe Elektrodenstandzeiten durch kurzen Schweißimpuls.

Nicht verwechselt werden darf das hier beschriebene Kondensator-Impulsschweißen (Widerstandsschweißverfahren) mit dem gleichfalls auf Kondensatorentladung beruhenden Lichtbogenbolzenschweißen (Lichtbogenschweißverfahren) oder dem Schweißen mit elektromagnetischer Puls Technologie.

Widerstandsbuckelschweißen[Bearbeiten]

Widerstandsbuckelschweißen: (1) Schweißbeginn, (2) nach der Schweißung
Varianten des Widerstandsbuckelschweißens

Im Unterschied zum Widerstandspunktschweißen wird beim Widerstandsbuckelschweißen (Kurzform: Buckelschweißen) die zum Schweißen notwendige Stromdichte nicht durch die Elektroden, sondern durch die Bauteilform generiert. Die Elektroden dienen beim Widerstandsbuckelschweißen nur der Stromzuführung und der Krafteinbringung. Der prinzipielle Aufbau von Buckelschweißmaschinen entspricht dem von Widerstandspunktschweißgeräten. Varianten des Widerstandsbuckelschweißens sind unter anderem die Kreuzdrahtschweißung, bei der Drahtgeflechte zusammengeschweißt werden, und die Ringkantenschweißung.

Schweißausrüstung[Bearbeiten]

Komponenten einer Schweißeinrichtung zum Widerstandspunkt- und Buckelschweißen

Die technische Ausrüstung zu Widerstandspunkt-(und auch -buckelschweißen) besteht aus den Komponenten: [12][13]

  • Schweißgerät (stationäre Schweißmaschine, Schweißzange) mit
    • Punktschweißelektroden
    • Kühlsystem für die Schweißelektroden
    • Krafterzeugungssystem (Federsystem bei Krafterzeugung durch den Bediener, pneumatisch, elektromotorisch)
  • Schweißstromquelle (Transformator, Sekundärgleichrichter)
  • Schweißsteuerung (Bedienterminal, Steuer- und Leistungsstufe)
  • Perepherie wie: Roboter, Vorrichtungen für die Bauteilhandhabung, Ansteuerventile, SPS sowie Sensoren für Strom, Spannung, Elektrodenkraft und -weg.

Schweißgeräte können stationäre Schweißmaschinen unterschiedlichster Baugröße und Widerstandschweißzangen verschiedenster Bauausführung sein. In der Automobilindustrie werden Schweißzangen als Werkzeuge an Industrierobotern eingesetzt (sogenannte Roboterzangen), oder als handbediente Schweißzangen (sogenannte Handzangen) manuell bedient. Entsprechend ihrer Stromversorgung werden Widerstandsschweißzangen in Kabelzangen und Trafozangen eingeteilt. Bei Kabelzangen wird der Schweißstrom getrennt von der Schweißzange erzeugt und über starke und schwere Schweißkabel zugeführt. Bei Trafozangen ist der Schweißtransformator in die Schweißzange integriert.

Eine wesentliche Komponente ist die Stromquelle bestehend aus Steuer- und Leistungsstufe, die je nach Stromart sehr verschieden ausgeführt ist.

Netzfrequenzstromquellen[Bearbeiten]

Schweißsteuerung mit Leistungsstufe 50-Hz-Schweißung

In Netzfrequenzstromquellen werden Thyristoren als Wechselstromsteller genutzt. Damit lässt sich die Spannung über eine Zündpunktverzögerung stufenlos ändern, so dass nur ein Teil jeder Spannungshalbwelle zum Schweißtransformator gelangt. Durch diesen Phasenanschnitt wird der Effektivwert der Sekundärspannung variabel und der Schweißstrom einstellbar. Der Stromfluss wird durch Antiparallelschaltung zweier Thyristoren gesteuert. Nach dem Nulldurchgang des Stromes wird der weitere Stromfluss gesperrt, bis der entsprechende Thyristor einen Zündimpuls erhält. Von diesem Zeitpunkt an wird der Verbraucher bis zum nächsten Nulldurchgang mit Energie versorgt. Je später der jeweilige Thyristor gezündet wird, desto geringer ist die mittlere Leistung.

Der Strom wird durch die Induktivität von Transformator und Stromkreis allerdings verzögert, ebenso die Löschung des Thyristors und es kommt zu einem induktiv bedingtem Spannungsüberhang. Der Gegenthyristor kann erst nach dem Abbau dieses Spannungsüberhangs erneut zünden.

Gleichstromquellen[Bearbeiten]

Prinzip eines MF-Inverters

Es gibt verschiedene Ausführungen von Gleichstromquellen (s. [12] ), von denen hier nur die Inverterstromquellen (Mittelfrequenz = MF, Hochfrequenz = HF) näher beschrieben werden: Bei Inverterstromquellen, die sich in den vergangenen Jahren mehr und mehr durchgesetzt haben, wird der Schweißtransformator mit einer Wechselspannung (1 kHz bis 4 kHz (MF) oder bis 20 kHz (HF)) eingespeist, die von einem Wechselrichter erzeugt wird.

Die dreiphasige Wechselspannung wird mittels eines 6-pulslgen Gleichrichters in eine Gleichspannung umgewandelt. Im sogenannten Zwischenkreis wird die Gleichspannung mit Schaltspritzen durch Kondensatoren geglättet. Der Wechselrichter mit vier Bipolartransistoren (engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor, kurz: IGBT) wandelt die Gleichspannung in eine einphasige Rechteckwechselspannung um, die in den Schweißtransformator primärseitig eingespeist wird. Die Stromstärke wird durch Änderung der Pulsbreite vorgenommen, wodurch sich der Effektivwert der Spannung und damit die Stromstärke im Sekundärkreis ändert.

Vorteilhaft ist die wesentlich höhere Regelgeschwindigkeit (bei 1-kHz-Invertern wird eine Reaktionszeit des Leistungsstellers 0,5 ms gegenüber 10 ms bei 50-Hz-Schweißstromstellern erreicht). Ein weiterer technologischer Vorteil des Inverterschweißens ist die geringere Masse der Transformatoren, so dass es möglich ist, diese in die Schweißzangen zu integrieren, wodurch u. a. ein kleiner Sekundärkreis geringen induktiven Widerstand verursacht und keine schweren Sekundärkabel manipuliert werden müssen.

Stromquellen für das Kondensator-Impulsschweißen[Bearbeiten]

Prinzipschaltung einer Stromquelle für das Kondensator-Impulsschweißen

Im Grundsatz handelt es sich um Gleichstromquellen, die für das Kondensator-Impulsschweißengenutzt werden. Davon abweichend sind jedoch auch Schaltungen zur Umpolung der Stromrichtung entwickelt worden [14].

Die Stromquelle besteht prinzipiell aus den Komponenten:

  • Gleichstromerzeugung
  • Speicher (Kondensatorbatterie)
  • Thyristorschalter
  • spezieller Transformator.

Nach Schließen Zünden des Thyristors werden die Kondensatoren über den Schweißtransformator und die Schweißstelle stoßartig entladen. Es ergibt sich ein hoher Energieeintrag zu Beginn der Schweißung bis zu einem Spitzenwert und nachfolgendes Abklingen des Stroms (s. Bild: KE - Schweißen: Strom- und Spannungsverlauf). Es sind zahlreiche Varianten der Stromerzeugung und -steuerung zur impulsweisen Entladung mit gleicher und unterschiedlicher Amplitude bekannt geworden [15].

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten]

Energiebilanz am Schweißpunkt[Bearbeiten]

Energiebilanz am Schweißpunkt nach [16]

Im Werkstück wird elektrische Energie W_{el}\ in Wärmeenergie Q_{zu}\ umgesetzt. Nur der kleinere Teil dieser zugeführten Energie wird für den Schweißprozess direkt genutzt, die Wirkwärme Q_w\ . Nur diese Wirkwärme trägt somit zur Temperatursteigerung und zur Bildung der Schweißverbindung bei. Der andere Teil geht infolge Wärmeleitung über die gekühlten Elektroden (Q_{V_E}) und über das Werkstück (Q_{V_W}), sowie durch Wärmestrahlung (Q_{V_S}) für den Schweißprozess verloren.

Q_{w}=Q_{zu}-\left(Q_{V_E}+Q_{V_W}+Q_{V_S}\right)

Temperatur[Bearbeiten]

Die Temperaturerhöhung während des Punktschweißprozesses kann, zumindest überschlägig, berechnet werden

\Delta T=\frac{Q_{w}}{c\rho V}

mit

Aus dieser Formel ist auch ersichtlich, dass die Stromdichte relevant für die Schweißpunktform ist.

Eine detailliertere Annäherung an die reale zeitliche und räumliche Temperaturentwicklung kann über die instationäre Wärmeleitungsgleichung erfolgen

a\nabla^2T+\frac{\Phi}{c\rho}=\frac{\partial T}{\partial t}
  • aTemperaturleitzahl,
  • T … Temperatur,
  • \Phi … spezifische Wärmequellenleistung,
  • c … spezifische Wärme,
  • \rho … Dichte,
  • t … Zeit

Widerstände[Bearbeiten]

Beim Widerstandspressschweißen unterscheidet man zwei Arten von elektrischen Widerständen:

  • Kontaktwiderstände (R_K in Ω): Diese Widerstände entstehen dort, wo zwei Flächen aufeinandertreffen. Die Kontaktwiderstände unterliegen auch sehr stark zufälligen Einflüssen, wie Verunreinigungen und Oxidschichten auf der Bauteiloberfläche, Anlegierungen auf den Elektrodenkappen, Bauteilpassgenauigkeit. Weiters spielen auch systematische Einflussgrößen eine große Rolle, wie Elektrodenkräfte und Bauteilbeschichtungsart. Die Kontaktwiderstände fallen zu Beginn des Schweißprozesses stark ab.
  • Materialwiderstände (R_M in Ω): Diese Widerstände sind stark temperaturabhängig.
    R_{M}=\sum_{i=1}^{n}\frac{s_{i}}{\kappa_i A_i}\left(1+\alpha_i \Delta T_i\right)
    mit

Dynamischer Widerstand[Bearbeiten]

Materialabhängigkeit des dynamischen Widerstandes beim Widerstandspunktschweißen nach Matsuyama [17]

Der Gesamtwiderstand resultiert aus diesen Teilwiderständen. Zu Schweißbeginn überwiegen die Kontaktwiderstände, insbesondere jene zwischen den einzelnen Bauteilen. Der Aufheizprozess beginnt zuerst an den Kontaktstellen zwischen den Bauteilen und unter den Elektroden. Mit steigender Temperatur überwiegen die Materialwiderstände.

Im zeitlichen Ablauf des Schweißprozesses ergibt sich ein materialtypischer Verlauf des sogenannten dynamischen Widerstandes, der bei der Online-Prozessüberwachung als Kriterium für die Verbindungsqualität herangezogen werden kann.

R_{ges}=\ R_{K}+R_{M}

Schweißpunktqualität, Gütesicherung[Bearbeiten]

Nebenschluss

Ausschlaggebend für die Schweißpunktqualität sind neben vielen anderen Einflußgößen[18] die über die Schweißsteuerung eingegebenen Schweißparameter, die von der Art und Dicke der zu verschweißenden Bauteile, deren Anzahl, deren Passung zueinander, sowie von deren Oberfläche abhängig sind (beschichtet, galvanisiert, verzinkt).

Eine Rolle spielt auch die Kühlung der Punktschweißelektrode#Elektrodenkühlung, die Temperatur des Kühlwassers und dessen Durchflussmenge.

Bei der Anordnung der Schweißpunkte auf dem Bauteil sollte die Möglichkeit eines Nebenschlusses berücksichtigt werden. Ein Teil des anliegenden Stroms kann dadurch unwirksam werden. Der Strom fließt nicht nur durch die aufzuschmelzende Schweißlinse, sondern auch daran vorbei. Ein typisches Beispiel sind Nebenschlusseffekte über bereits fertiggestellte Schweißpunkte (Abb. Nebenschluss 1) und 2)). Der über die Schweißpunkte i fließende Strom ist I_i=\frac{U}{R_i}. Durch geeignete Wahl der Schweißpunktabstände kann der Nebenschlusseffekt hierbei verschwindend gering gehalten werden. Ist dies nicht möglich, so muss der anliegende Strom entsprechend erhöht werden, damit der erforderliche Schweißpunktmindestdurchmesser erreicht wird. Auch beim einseitigen Widerstandspunktschweißen (Abb. Nebenschluss 3)) tritt Nebenschluss auf. Verringern lässt sich bei dieser Schweißart der Nebenschlusseinfluss mittels einer Schweißanordnung „Bauteil mit geringer Wandstärke – Bauteil mit größerer Wandstärke – Unterkupfer“.

Auch muss der Verschleiß der Elektrode bei der Verfahrensdurchführung berücksichtigt werden: Mit zunehmender Anzahl von Schweißungen wird die Elektrode abgenutzt, wodurch sie ihren Querschnitt durch thermische und mechanische Einflüsse vergrößert, ihre Rauhigkeit zunimmt und durch "Anlegieren" ihre metallurgischen Oberflächeneigenschaften sich ändern. Dadurch werden die Stromdichte verringert und die Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und der Blechoberfläche geändert, was zu sich änderndem thermischen Energieumsatz führt. Dieses Verhalten muss bei der Parametrierung der Steuerung berücksichtigt werden (Stepperfunktion[5]). Gegebenenfalls müssen die Elektrodenkappen nachgearbeitet werden, um den ursprünglichen Querschnitt zu erhalten und den Oberflächenzustand wiederherzustellen[19]. Dies geschieht in der Regel nach circa 300 gesetzten Schweißpunkten, hängt jedoch sehr von der Dicke des zu verschweißenden Materials, dessen Oberfläche und der thermischen Belastung ab. Die Abnutzung kann durch die richtige Wahl des Elektrodenmaterials verringert werden.

Je nach den zu verbindenden Materialien ist ihre Schweißeignung und Verbindungsqualität von den gewählten Elektrodenmaterialien abhängig[20]. Für das Kleinteil- und Mikroschweißen haben sich spezielle Elektrodenwerkstoffkombinationen als wirksam erwiesen[21][22].

Schweißpunkte unterliegen angepasst an die Einsatzbedingungen der zu schweißenden Bauteile spezifischen Gütesicherungsnaßnahmen. Zu ihnen zählen die Verfahren der Werkstoffprüfung und der Online-Prozessüberwachung. Werkstoffprüfverfahren können zerstörend oder zerstörungsfrei durchgeführt werden. Zu den zerstörenden Prüfungen gehören die Meißelprüfung als Werkstattprüfung, verschiedene Formen des Zugversuches, Abroll- oder Torsionsversuche, metallurgische Schliffe. Auch sind dynamische Werkstoffprüfverfahren wie der Dauerschwingversuch gebräuchlich. Angewendete zerstörungsfreie Prüfverfahren sind die Ultraschallprüfung oder die aktive Thermografie. Bei der Schweißprozessüberwachung werden einige für die Qualität wesentliche physikalische Prozessgrößen wie Strom, Spannung, Widerstand, Elektrodenkraft, Elektrodenweg während des Schweißprozesses aufgezeichnet und hinsichtlich der erwartbaren Schweißpunktqualität bewertet[23][24]. Letztere Verfahren sind sehr viel kostengünstiger, können jedoch auch je nach Verfahren und seiner Anwendung falsch positive Resultate liefern.

Widerstandsrollennahtschweißen[Bearbeiten]

Rollennahtschweißen (Überlappnaht) – Prinzipskizze

Beim Widerstandsrollennahtschweißen (Kurzform: Rollennahtschweißen) sind die Elektroden als Drehkörper ausgeführt, und es kann im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Schweißmethoden auch während des Schweißvorganges eine Bewegung zwischen den zu fügenden Bauteilen und den Rollenelektroden stattfinden.

Eine Rollennahtschweißung kann nach verschiedenen Kategorien klassifiziert werden:

  • Nahtgeometrie:
    • Überlappnahtschweißung: Hierbei überlappen sich die Verbindungsstellen der zu fügenden Bauteile wie bei einer konventionellen Punktschweißung.
    • Quetschnahtschweißung: Die Verbindungsstellen überlappen sich nur geringfügig. Während des Schweißens werden die Bauteilkanten gequetscht. Die Quetschnaht ist eine Zwischenform von Überlappnaht und Stumpfstoßnaht.
    • Stumpfstoßnahtschweißung: Die zu fügenden Bauteile liegen plan nebeneinander und werden bei der Rollennahtschweißung unter Zuhilfenahme eines Zusatzwerkstoff (Folie) bei der Schweißung dauerhaft verbunden.
  • Elektrodenkonfiguration:
  • Schweißen ohne Drahtzwischenelektrode
  • Schweißen mit Drahtzwischenelektrode
  • Foliennahtschweißung: Die Folie verbleibt nach der Schweißung als Zusatzwerkstoff im Bauteil.
  • Schweißprogramm:
    • Dauerstromschweißung: Die zu fügenden Bauteile bewegen sich kontinuierlich unter den Rollenelektroden vorbei und der Schweißstrom fließt quasi ohne Unterbrechung. Ein derartiges Schweißprogramm ist für die Erzeugung von Dichtnähten erforderlich.
    • Rollpunktschweißung: Die zu fügenden Bauteile bewegen sich kontinuierlich. Der Strom fließt nur mit Unterbrechungen.
    • Schrittrollenschweißung: Während der Schweißung stehen die zu fügenden Bauteile still, während der Bewegung von Rollenelektroden und Bauteilen fließt kein Schweißstrom.

Widerstandsstumpfschweißen[Bearbeiten]

Auch die Widerstandsstumpfschweißmethoden basieren auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung.

Pressstumpfschweißen (Ordnungsnummer 25 nach EN ISO 4063)[Bearbeiten]

Pressstumpfschweißen – Prinzipskizze, (1) Wärmeeinbringung (2) Krafteinbringung (3) Fertiges Bauteil

Die Bauteile sind fest in Spannbacken eingeklemmt, welche sowohl als Elektroden der Stromübertragung als auch der Kraftübertragung dienen.

Die Bauteile werden aneinandergepresst, sodass guter Kontakt über die gesamte Querschnittsfläche herrscht. Durch den fließenden Strom wird die Schweißstelle bis auf Schweißtemperatur (Aufschmelzen) erhitzt. Bei Erreichen der erforderlichen Temperatur über die gesamte Schweißquerschnittsfläche wird der Stromfluss unterbrochen und die Bauteile mittels Vorschubbewegung der Elektroden fest aufeinander gestaucht.

Die Pressstumpfschweißung zeichnet sich im Ergebnis durch einen gratfreien dicken Wulst aus. Die zu verschweißenden Bauteile müssen für ein optimales Schweißergebnis an der Stoßstelle sauber sein.

Abbrennstumpfschweißen[Bearbeiten]

Eine Variation des Pressstumpfschweißens ist das Abbrennstumpfschweißen. Bei dieser Schweißmethode besteht während der Aufheizphase immer nur punktuell Kontakt zwischen den Bauteilen. Durch die daraus resultierende hohe Stromdichte wird an diesen Kontaktstellen das Material verflüssigt, verdampft, bzw. spritzerartig weggeschleudert. Die Bauteile brennen an der Schweißstelle also teilweise ab. Als Folge der laufenden Bildung und Zerstörung der Kontaktbrücken muss zwecks Kontakterhaltung auch während der Aufheizphase eine Vorschubbewegung einer Elektrode inklusive Bauteil erfolgen. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur wird der Stromfluss unterbrochen und schlagartig eine Axialkraft eingebracht, durch welche die Bauteile aufeinander gestaucht werden. Vorteil dieser Methode ist, dass infolge des Abbrennens automatisch auch Verunreinigungen an der Schweißstelle beseitigt werden und durch das verdampfende Metall eine Schutzgasatmosphäre die Schweißstelle schützt. Jedoch bildet sich an der Stauchstelle zumeist ein Grat aus, der anschließend entfernt werden muss.

Kammerschweißen[Bearbeiten]

Das Kammerschweißen ist ähnlich den genannten Widerstandsstumpfschweißmethoden. Die Bauteilenden werden in ein keramisches Rohr (Kammer) eingebracht, berühren sich, werden durch den fließenden Strom geschmolzen und unter stetigem Vorschub zusammengeschweißt. Anwendungsmöglichkeiten dieses Verfahrens sind z. B. das Verschweißen von Drahtseilenden oder Kabellitzen.

Im Gegensatz zu den anderen hier beschriebenen Verfahren wird das Kammerschweißen laut Norm zu den Widerstandsschmelzschweißverfahren gezählt.

Arbeitsschutz[Bearbeiten]

Verbot für Personen mit Herzschrittmacher
Warnung vor magnetischem Feld

Alle Widerstandsschweißverfahren arbeiten mit geringen Spannungen (unterhalb der maximal zulässigen Berührungsspannung) und hohen Strömen. Deshalb ist ein direktes Berühren der schweißstromführenden Teile und der Werkstücke während der Schweißung grundsätzlich ungefährlich.

Gefahren beim Widerstandsschweißen können entstehen durch

  • Schweißspritzer: aus der Schweißstelle herausgespritztes schmelzflüssiges Schweißgut (dabei handelt es sich nicht um elektrische Funken)
  • Kraftwirkung: Möglichkeit der Quetschung der Hände im Bereich der Elektroden und Elektrodenarme
  • Lärmemission durch Aufsetzen der Elektroden auf das Schweißgut und durch Ausblasen von Druckluft beim Betätigen druckluftbetriebener Krafterzeugungssysteme
  • Dämpfe von organischen Beschichtungen auf dem Schweißgut.

Aus diesen Gründen sind in der Regel Atemschutz (Absaugvorrichtungen oder Atemschutzmaske), Augenschutz (Schutzbrille oder Schutzschirm), Gehörschutz und ggf. Handschutz vorgeschrieben.

In unmittelbarer Nähe zu Widerstandsschweißeinrichtungen treten während der Schweißung starke Magnetfelder auf. In der Regel sind Arbeitsplätze an Widerstandsschweißeinrichtungen mit dem Verbotszeichen „Verbot für Personen mit Herzschrittmacher“ und den Warnzeichen „Warnung vor magnetischem Feld“ bzw. (fälschlicherweise) „Warnung vor elektromagnetischem Feld“ gekennzeichnet. Dies geschieht oft aus Vorsorgegründen und ist nicht zwingend Zeichen einer tatsächlichen Gefährdung. Ob für Träger aktiver Implantate wirklich eine Gefahr besteht oder eine Weiterbeschäftigung möglich ist, ist im Einzelfall zu prüfen.

Kurzzeichen, Ordnungsnummern[Bearbeiten]

DIN 1910 / ISO 857 EN ISO 4063
Widerstandsschweißen R 2
Widerstandspunktschweißen RP 21
Rollennahtschweißen RR 22
Widerstandsbuckelschweißen RB 23
Abbrennstumpfschweißen RA 24
Pressstumpfschweißen RPS 25

Literatur[Bearbeiten]

  • M. Krause: Widerstandspreßschweißen. DVS-Verlag, Düsseldorf 1993, ISBN 3-87155-531-2.
  • A. Kirchheim, A. Lehmann, R. Staub, G. Schaffner, N. Jeck: Kraftmessung beim Widerstandsschweißen. 19. DVS Sondertagung, Sonderdruck, Kistler Instrumente AG, 2004 (PDF).
  • N.N.: Taschenbuch DVS-Merkblätter und -Richtlinien, Widerstandsschweißtechnik. DVS-Verlag, Düsseldorf 2002, ISBN 3-87155-201-1.
  • Manfred Beckert: Grundlagen der Schweißtechnik. Schweißverfahren. Verlag Technik, Berlin 1993, ISBN 3-341-00812-8.
  • Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 1 Schweiß- und Schneidtechnologien. Springer Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-21673-1.
  • Hans-Jürgen Rusch, : Reparaturschweißen. Vogel Buchverlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3019-1.
  • Thoralf Winkler: Magnetfeldemission von Widerstandsschweißeinrichtungen. docupoint Verlag, Magdeburg 2007, ISBN 978-3-939665-09-0.
  • Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (Hrsg.): BGI 5011. Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen, Stand: November 2006 (PDF).
  • Lorenz Pfeiffer: Fachkunde des Widerstandsschweißens. Verlag W. Girardet, Essen 1969.
  • Patent US451345: Method of Electric Welding. Veröffentlicht am 20. Juli 1909, Erfinder: Elihu Thomson.
  • Patent US928701: Uniting the Component Parts of Composite Sheet Metal Structures. Veröffentlicht am 20. Juli 1909, Erfinder: Adolph F. Rietzel.
  • Wolfgang Piersig: Geschichtlicher Überblick zur Entwicklung der Metallbearbeitung: Beitrag zur Technikgeschichte (8), GRIN Verlag, 2010 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

Weblinks[Bearbeiten]

Referenzen[Bearbeiten]

  1. a b DIN 1910-100:2008-02: Schweißen und verwandte Prozesse - Begriffe - Teil 100: Metallschweißprozesse mit Ergänzungen zu DIN EN 14610:2005
  2. a b DIN EN ISO 4063:2011-03Schweißen und verwandte Prozesse - Liste der Prozesse und Ordnungsnummern
  3. M. Reinstettel: Laboruntersuchungen zur Prozessstabilität beim Niet-Clinchen. Diss. TU Chemnitz, 2007.
  4. Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen - Verfahrensbeschreibung.
  5. a b Kleines Lexikon. Harms & Wende GmbH & Co. KG.
  6. Mercedes-Benz: MBN 10 382: Widerstandspunktschweißen von Stahl bis 3 mm Blechdicke, 2005.
  7. WEBsite Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen - Bindemechanismus
  8. David Steinmeier: Laser & Resistance Welding – Metal Bond Types. (PDF) microJoining Solutions – microTips™.
  9. David Steinmeier: Laser and Resistance Weldability Issues, Part I – Bulk Material Properties. (PDF) microJoining Solutions – microTips™.
  10. DVS–Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.:Widerstandschweißen in Elektronik und Feinwerktechnik – Übersicht und Grundlagen. DVS Merkblatt 2801 Teil 1, 1996.
  11. DVS: Messen beim Punkt-, Buckel- und Rollennahtschweißen. DVS-Merkblatt 2908, 2006.
  12. a b DVS: Steuerungen und Leistungsteile für das Widerstandsschweißen, DVS-Merkblatt 2904, 2010
  13. WEBsite Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen - Schweißeinrichtungen - Steuerungen und Stromquellen
  14. Patent US6321167: RESISTANCE-WELDING POWER SUPPLY APPARATUS. Veröffentlicht am 1998, Erfinder: Takashi Jochi, Mikio Watanabe.
  15. Patent DE102009008373: Verfahren zum Kondensator-Entladungssschweißen zur Verbindung metallischer Bauteile und Schweißeinheit zur Durchführung des Verfahrens. Veröffentlicht am 2009, Erfinder: M. Hirn, R. Hirn.
  16. M. Krause: Widerstandspreßschweißen. DVS-Verlag, Düsseldorf 1993, ISBN 3-87155-531-2.
  17. Kin-ichi Matsuyama: Quality Management of Resistance Welds. IIW-Doc. III-1496-08, 2008.
  18. Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen - Wirkzusammenhänge beim Widerstandspunktschweißen
  19. IMWF: Standmengenerhöhung beim Widerstandsschweißen durch Elektrodenfräsen, FORSCHUNGSVORHABEN AiF-Nr. 13.134 N / DVS-Nr. 4.031
  20. DVS,Elektroden für das Widerstandsschweißen, Merkblatt, DVS 2903
  21. DVS, Widerstandsschweißen in der Elektronik und Feinwerkstechnik - Übersicht und Grundlagen, Merkblatt, DVS 2950
  22. Website Qualitätssicherung und Online-Prozessüberwachung beim Schweißen
  23. D. Steinmeier: Resistance Welding - Weld Monitoring Basics-1. (PDF) microJoining Solutions – microTips™.
  24. Yi Ming Zhang: Real-time weld process monitoring. (= Woodhead Publishing Series in Welding and Other Joining Technologies. Nr. 62) 2008, ISBN 1-84569-268-3.