Widerstandsschweißen

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Widerstandsschweißen (engl.: resistance welding) ist ein Schweißverfahren auf Basis des Jouleschen Gesetzes

$Q\ =\ I^2Rt$

Q ... Wärme in J, I ... Stromstärke in A, R ... Elektrischer Widerstand in Ω, t ... Schweißzeit in s.

[Bearbeiten] Übersicht

Das Widerstandsschweißen umfasst mehrere Schweißmethoden:

Widerstandspressschweißen: Widerstandspressschweißen funktioniert im Allgemeinen ohne Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes, jedoch unter Einbringung einer Anpresskraft auf die Schweißstelle.
- Widerstandspunktschweißen (engl.: resistance spot welding, spot welding)
- Widerstandsbuckelschweißen (engl.: resistance projection welding)
- Widerstandsrollennahtschweißen (engl.: resistance seam welding)
- Widerstandsstumpfschweißen (engl.: resistance butt welding)
- Kondensator-Impulsschweißen (engl.:capacitor impulse or discharge welding)
- Widerstandsbolzenschweißen (engl.: resistance stud welding)

Widerstandsschmelzschweißen
- Kammerschweißen (engl.: enclosed resistance welding)
- Elektro-Schlacke-Schweißen (engl.: electroslag welding)

[Bearbeiten] Geschichte

Schweißen ist eine uralte Technik. Archäologische Funde zeigen, dass bereits im 4. Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung feuergeschweißt und -gelötet wurde.

Die Erfindung des Widerstandsschweißens wird Elihu Thomson um 1877 zugeschrieben. Das Widerstandspunktschweißen mit Kupferelektroden leitete Kleinsmith im Jahre 1897 ein. Um 1910 wurden die Widerstandsbuckel- und -rollennahtschweißmethode entwickelt. Ab 1930 setzte sich das Widerstandsschweißen auch industriell durch.

[Bearbeiten] Widerstandspunktschweißen

Widerstandspunktschweißen - Prinzipskizze

Widerstandspunktschweißgerät

Widerstandspunktschweißen im Karosserierohbau durch Industrieroboter

Widerstandspunktschweißen (Kurzform: Punktschweißen) wird hauptsächlich in der Automobilindustrie angewendet bei der Verbindung von Stahlblechen für den Karosseriebau. (Seltener zum Verschweißen von Aluminium oder anderer Leichtmetalle wie z. B. in der Flugzeugindustrie.)

Der große Vorteil dieser Schweißtechnik besteht in der Möglichkeit, innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie in Form von elektrischem Strom auf eine kleine Fläche eines Werkstückes zu konzentrieren, wobei unter Zuführung von hohem Druck (pneumatisch oder elektromotorisch) eine unlösbare Verbindung entsteht. Ausschlaggebend für die Haltbarkeit und die Größe des Schweißpunktes sind die in der Schweißsteuerung eingegebenen Schweißparameter, die von der Dicke der zu verschweißenden Bleche, deren Anzahl, deren Passung zueinander, sowie von der Oberfläche des Stahlbleches abhängig sind (beschichtet, galvanisiert, verzinkt). Eine ebenso wichtige Rolle spielen die Kühlung der Schweißelektrode, die Temperatur des Kühlwassers und dessen Durchflussmenge.

Auch muss der Verschleiß der Elektrode berücksichtigt werden: Bei zunehmender Anzahl von Schweißungen wird die Elektrode abgenutzt, wodurch sie ihren Querschnitt durch thermische und mechanische Einflüsse vergrößert. Dadurch wird die Stromdichte verringert. Dieses Verhalten muss ebenso durch die Steuerung nachgeregelt werden. Gegebenenfalls muss die Elektrodenspitze gefräst werden, um den ursprünglichen Querschnitt zu erhalten. Dies geschieht in der Regel nach circa 300 gesetzten Schweißpunkten, hängt jedoch sehr von der Dicke des zu verschweißenden Materials und dessen Oberfläche ab.

Es kann mit Gleichstrom oder Wechselstrom mit Netzfrequenz punktgeschweißt werden. Beim Wechselstromschweißen wird der Strom durch Phasenanschnitt über einen Thyristorblock eingestellt. In jüngerer Zeit setzt sich mehr und mehr die so genannte Mittelfrequenzschweißung durch, deren Strom mit einer Frequenz von 1000 Hertz pulsiert. Der Strom kann dabei bis zu 40.000 Ampere betragen.

Schweißpunkte in der Automobilindustrie unterliegen einer ständigen Qualitätskontrolle. Sie kann zerstörend (tear-down) oder nicht-zerstörend erfolgen (Ultraschallprüfung oder durch Strom-, Spannungs- und Widerstandsverlaufsbewertungen), wobei letztere die kostengünstiger ist.

Widerstandschweißzangen werden in der Automobilindustrie als Werkzeuge an Industrierobotern eingesetzt, können jedoch als Hängezangen oder Standautomaten ("Steppmaschine") auch manuell bedient werden. Ebenso ist es möglich, großformatige Bleche in Vielpunktschweißstationen bearbeiten zu lassen.

An der Karosse eines Mittelklassewagens (Beispiel: Ford Focus) werden je nach Typ etwa 3.600 bis 3.800 Schweißpunkte gesetzt, wobei der Automatisierungsgrad hier bei über 98 Prozent liegt.

[Bearbeiten] Widerstandsbuckelschweißen

Widerstandsbuckelschweißen: (1) Schweißbeginn, (2) nach der Schweißung

Im Gegensatz zum Widerstandspunktschweißen wird bei der Widerstandsbuckelschweißung (Kurzform: Buckelschweißung) 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.

[Bearbeiten] Widerstandsrollennahtschweißen

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 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.

Siehe auch: Rollennahtschweißen, Rollennahtschweißgerät

[Bearbeiten] Widerstandsstumpfschweißen

Auch die Widerstandsstumpfschweißmethoden basieren auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung.

[Bearbeiten] Pressstumpfschweißen

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

Die Bauteile sind fest in Spannbacken (Elektroden) eingeklemmt, welche der Strom- und Kraftübertragung dienen. Die Bauteile werden aneinandergepresst, sodass guter Kontakt über die gesamte Querschnittsfläche herrschen. Durch den fließenden Strom wird die Schweißstelle bis auf Schweißtemperatur 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.

[Bearbeiten] Abbrennstumpfschweißen

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.

[Bearbeiten] Kammerschweißen

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.

[Bearbeiten] Verwendete Stromarten

[Bearbeiten] Wechselstrom "AC"

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

[Bearbeiten] Gleichstrom "DC"

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

Einphasengleichrichter (selten, schlechte Qualität des Gleichstroms)
Frequenzwandler (heute kaum noch üblich, können je nach Einstellung DC-Impulse oder Niederfrequenz erzeugen -> dann "AC")
Dreiphasengleichrichtermaschinen
Inverteranlagen (auch: "MF" = Mittelfrequenz-Anlagen genannt, üblicherweise mit 1000 Hz im Zwischenkreis)

[Bearbeiten] Kondensator-Impulsschweißen

Das Kondensator-Impulsschweißen, auch als "CD" = Capacitor Discharge" / Kondensator-Entladungsschweißen bezeichnet, unterscheidet sich vom konventionellen Widerstandsschweißen dadurch, dass die Energie eines vorher geladenen Hochspannungskondensators über einen Impulstransformator auf das Werkstück abgegeben wird. Vorteile dieses Verfahrens sind sehr hohe Schweißströme (bis > 500 kA), der steile Stromanstieg, die kurze Schweißzeit und somit durch die Energiekonzentration eine kleinere Wärmeeinflusszone im Bauteil. Außerdem entstehen in der Stromzuleitung keine hohen Stromspitzen, weil der Kondensator relativ langsam (1-2 Sek.) geladen wird. Um wegen der sehr hohen Schweißströme nicht zu schnell in Sättigung zu gehen, besitzen die verwendeten Impulstransformatoren einen großen Eisenkern und damit eine große Masse. Nachteil ist die - allerdings langsame - Alterung von Kondensatoren, die nach einigen Jahren an Kapazität verlieren. Wegen der Verwendung von Hochspannung (meist bis 3 kV) wird das Kondensator-Impulsschweißen als Sonderverfahren angesehen, welches jedoch zur Erzeugung höchster Schweißströme bzw. bei schwachen Netzanschlüssen seine Berechtigung hat.

Eigentlich ist das Kondensator-Impulsschweißen kein eigenständiges Schweißverfahren, sondern lediglich eine Variante der Punkt- bzw. Buckelschweißung, bei der eine spezielle Stromform angewendet wird. Elektrotechnisch gesehen ist dieser Impuls auch ein Gleichstrom (DC). Nicht verwechselt werden darf das hier beschriebene Kondensator-Impulsschweißen (Widerstandsschweißverfahren) mit dem gleichfalls mit Kondensatorentladung funktionierenden Lichtbogenbolzenschweißen (Lichtbogenschweißverfahren).

[Bearbeiten] Grundlagen

Die folgende Darstellung bezieht sich aufgrund der dabei relativ einfach beschreibbaren Verhältnisse auf die Widerstandspunktschweißmethode. Die grundlegenden Prinzipien gelten aber auch für die anderen Widerstandspressschweißmethoden.

[Bearbeiten] Energiebilanz am Schweißpunkt

Energiebilanz am Schweißpunkt

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 zum Aufschmelzvorgang und zur Bildung der Schweißlinse 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.

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

$[Q] = J$

[Bearbeiten] Temperatur

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

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

$[Δ T] = K$ , c ... Spezifische Wärme, $ρ$ ...Dichte, V ... Volumen der Schweißlinse

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

$a\nabla^2T+\frac{\Phi}{c\rho}=\frac{\partial T}{\partial t}$

a ... Temperaturleitzahl, T ... Temperatur, $Φ$ ... spezifische Wärmequellenleistung in $\frac{W}{m^3}$ , c ... Spezifische Wärme, $ρ$ ... Dichte, t ... Zeit

[Bearbeiten] Widerstände

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 mit steigender Temperatur stark ab. Bei Erreichen der Schmelztemperatur tendieren sie gegen Null.

Materialwiderstände ( $R M$ in Ω): Diese Widerstände können systematisch erfasst werden, aber auch sie unterliegen einem Temperatureinfluss.
$R_{M}=\sum_{i=1}^{n}\frac{s_{i}}{\kappa_i A_i}\left(1+\alpha_i \Delta T_i\right)$ .
s ... Blechstärke [m], $κ$ ... Elektrische Leitfähigkeit, A ... Fläche, $α$ ... Temperaturkoeffizient, $Δ T$ ... Temperaturdifferenz zu Bezugstemperatur.

Der Gesamtwiderstand resultiert aus diesen Teilwiderständen

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

Zu Schweißbeginn überwiegen die Kontaktwiderstände, insbesonders jene zwischen den einzelnen Bauteilen. Der Aufheizprozess beginnt zuerst an den Kontaktstellen der Bauteile zueinander unter den Elektroden und zwischen Bauteil / Elektrode. Mit steigender Temperatur überwiegen die Materialwiderstände. Es bildet sich die typische Schweißlinse.

[Bearbeiten] Nebenschluss

Nebenschluss

Ein Teil des anliegenden Stroms kann durch sogenannten Nebenschluss für den eigentlichen Schweißprozess verloren gehen. 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".

[Bearbeiten] Kurzzeichen, Ordnungsnummern

	DIN 1910 / DIN ISO 857	DIN EN ISO 4063: 2000-04
Widerstandsschweißen	R	2
Widerstandspunktschweißen	RP	21
Rollennahtschweißen	RR	22
Widerstandsbuckelschweißen	RB	23
Abbrennstumpfschweißen	RA	24
Pressstumpfschweißen	RPS	25
Elektro-Schlacke-Schweißen	RES	72

[Bearbeiten] Literatur

N.N.: Taschenbuch DVS-Merkblätter und -Richtlinien, Widerstandsschweißtechnik, DVS-Verlag, Düsseldorf 2002, ISBN 3871552011

Widerstandsschweißen

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Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Übersicht

[Bearbeiten] Geschichte

[Bearbeiten] Widerstandspunktschweißen

[Bearbeiten] Widerstandsbuckelschweißen

[Bearbeiten] Widerstandsrollennahtschweißen

[Bearbeiten] Widerstandsstumpfschweißen

[Bearbeiten] Pressstumpfschweißen

[Bearbeiten] Abbrennstumpfschweißen

[Bearbeiten] Kammerschweißen

[Bearbeiten] Verwendete Stromarten

[Bearbeiten] Wechselstrom "AC"

[Bearbeiten] Gleichstrom "DC"

[Bearbeiten] Kondensator-Impulsschweißen

[Bearbeiten] Grundlagen

[Bearbeiten] Energiebilanz am Schweißpunkt

[Bearbeiten] Temperatur

[Bearbeiten] Widerstände

[Bearbeiten] Nebenschluss

[Bearbeiten] Kurzzeichen, Ordnungsnummern

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Vereine, Versuchsanstalten

[Bearbeiten] Ausbildung, Schulung, unabhängige Beratung

[Bearbeiten] Hersteller

[Bearbeiten] Widerstandspressschweißgeräte und Zubehör

[Bearbeiten] Schweißtrafos/Schweißsteuerungen

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