05 Pressschweißen/Widerstands(press)schweißen Flashcards
Definition Widerstandserwärmung + Arten der Widerstandserwärmung
Umwandlung von elektrischer Energie in ohmschen Widerständen in Wärmeenergie (joulsche Wärme, joulsches Gesetz)
- Ohmsches Gesetz: U = R*I
Arten der Widerstandserwärmung
- Indirekte Widerstandserwärmung
- Direkte Widerstandswerwärmung
Indirekte Widerstandswerwärmung
Strom durchfließt Heizleiter, die fast immer in einen Isolierstoff, der die Wärme aufnimmt und weitergibt, eingebettet sind (Bügeleisen, elektrische Speicheröfen)
Direkte Widerstandserwärmung
Das zu erwärmende Material wird unmittelbar vom elektrischen Strom durchflossen, muss also elektrisch leitend sein (z.B. zum Glühen und Entspannen von Profilmaterial oder zum Widerstandsschweißen)
Unterschied Widerstandsschweißen zu Schmelzschweißen
Bei Widerstandsschweißprozessen werden die Fügepartner zudem zusammengepresst
Widerstandspunktschweißen - Verfahrensprinzip
- Verfahren, mit dem zwei dünne Bleche mittels eines Schweißpunktes, der aus aufgeschmolzenem und erstarrtem Material beider Belche entsteht, verschweißt werden
- Zwei gekühlte ballige Elektroden drücken auf die Bleche -> es entsteht ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen den Blechen
- Aufgrund der Form der Elektroden liegt der Bereich höchster Flächenpressung zwischen den beiden Blechen in der Achse der Elektroden
-> In diesem Bereich ist der Kontaktwiderstand zwischen den Blechen am kleinsten
-> Schweißstrom fließt bevorzugt an dieser Stelle durch die Bleche
-> Späterer Strompfad wird durch den Elektrodendruck definiert
-> Elektrischer Widerstand zu den Elektroden im Vergleich zu Lichtbogenschweißungen gering -> Notwendige Spannungen liegen im Bereich weniger Volt
-> Um dennoch ausreichende Leistungen umsetzen zu können, liegen die Schweißströme im Bereich mehrerer kA
Widerstandsschweißung - Vorteile (3)
- Schnelle Taktzeit (2-3s)
- Robustes Verfahren
- Kein Vorloch nötig
Widerstandsschweißung - Nachteile (4)
- Thermischer Einfluss auf das Werkstück
- Nicht lösbar
- 2-seitiger Zugang zur Fügestelle notwendig
- Mischbau ist nicht/nur sehr bedingt möglich
Widerstandsbuckelschweißen
- Variante des Punktschweißens, die gerne für etwas dickere Bleche genutzt wird
- Definition des Strompfades über den Elektrodendruck aufgrund der höheren Steifigkeit nur schwierig zu realisieren
- Definition des Strompfades geschieht stattdessen über die Geometrie der Einzelteile
Schweißbuckel
Punktförmige Erhöhungen auf einem der Bleche
- Definieren den Stromübergangspunkt -> Bildet beim Einschalten des Schweißprozesses die Schweißlinse
- Wird durch die Wärme weich und kollabiert unter Anpresskraft
- Elektroden müssen schnell nachgesetzt werden, um nicht den Kontakt zur Werkstückoberfläche zu verlieren
Widerstandsverhältnisse beim Punktschweißen
- Elektrischer Widerstand entsteht aus der Reihenschaltung von unterschiedlichen Einzelwiderständen entlang des Strompfades
- Stoffwiderstände im Vergleich zu Kontakt- bzw. Übergangswiderständen vergleichsweise klein
- Höhe der Kontakt- bzw. Übergangswiderstände hängt von der Materialpaarung und dem Anpressdruck ab
- Je höher der Anpressdruck, desto niedriger der Kontakt- bzw. Übergangswiderstand
- Materialpaarungen mit Kupfer weisen geringere Kontakt- bzw. Übergangswiderstände als zwischen Blechwerkstoffen selber auf
- Höchster Widerstand im Strompfad liegt zwischen den Blechen
Widerstandsschweißen - Wärme: Grundlagen
- Wärme wird zum Aufwärmen des Materials benötigt -> Q=P*t
- Das dadurch aufgeschmolzene Materialvolumen ist ca. Q
- Aus der elektrischen Leistung berechnet ergibt sich die Wärme zu P mal der Schweißzeit
- Über den Widerstand der Bauteile und den fließenden Strom ausgedrückt ergibt sich Q=I^2 * R * t
- In der Regel sind sowohl der Schweißstrom als auch der Materialwiderstand mit der Zeit veränderliche Größen -> Umgesetzte Wärme ist das Integral über die Schweißzeit
Widerstandsschweißen - Wärmebilanz
- Zugeführte Wärmemenge QZu entsteht durch Widerstanderwärmung in einem stromdurchflossenen Leiter
- Wärmemenge QW trägt zur Bildung der Schweißlinse bei
-> Setzt sich zusammen aus zugeführter Wärmemenge abzüglich Verlustwärme - Verlustwärme entsteht durch Wärmeableitung in die Elektroden und Bleche, sowie Wärmestrahlung
- Der wirkende Widerstand setzt sich aus den Kontaktwiderständen an den beiden Blechen und ihrem Stoffwiderstand zusammen
Widerstandsschweißen - Wärmebilanz: Einflussname auf den Prozess über…
Schweißzeit
Verändert in etwa linear die Wirkleistung und damit die Linsengröße
Schweißstrom
Verändert in etwa quadratisch die Linsengröße
Elektrodenkraft
Verringern der Kraft erhöht Kontaktwiderstand (Erhöht Linsendurchmesser)
Widerstandsschweißen - Einflussname auf den Prozess (Wärme): Grenzen der Einflussname
Nach unten: Klebegrenze
- Entspricht einem Bindefehler
- Der Punkt bindet nicht an, sondern klebt nur
Nach oben: Spritzergrenze
- Linse wird so groß, dass sie die Oberfläche über den seitlichen Einflussbereich des Druckkegels der Elektroden durchbricht
- Folge: Schweißspritzer
Widerstandsverhältnisse über die Schweißzeit
- Widerstände zwischen den Punktschweißelektroden sind schweißzeitabhängig
- Kontaktwiderstände reduzieren sich über die Schweißzeit
-> Unreinheiten auf den Kontaktflächen ebnen sich mit steigender Temperatur ein bzw. brechen mit dem Entstehen einer Schweißlinse komplett zusammen
Stahl: Kaltleitereigenschaften
- Leitet bei höheren Temperaturen den Strom schlechter als bei niedrigen Temperaturen
- Spezifischer Widerstand steigt bei höheren Temperaturen
- Mit steigender Temperatur steigen die Stoffwiderstände
- In Summe bleibt die Stelle höchster Wärmeentwicklung in etwa dort, wo der Prozess aufgrund des Kontaktwiderstandes begonnen hat
Zeitlicher Verlauf einer Widerstandspunktschweißung
- Absenken der Oberelektrode
- Aufbringen der Eingestellten Elektrodenkraft
- Ablauf der eingestellten Vorhaltezeit tv
- Sinn: Setzen der Elektroden ermöglichen, Beruhigen des Systems
- Hinzuschalten des eingestellten Schweißstromes (Dauer: Schweißzeit ts)
- Bildung einer Schweißlinse in der Fügeebene der beiden Werkstücke
- Sinn: Erzeugung der Schweißlinse
- Aufrechterhalten der Elektrodenkraft für die Dauer der Nachhaltezeit
- Sinn: Erstarren der Schweißlinse
- Abschalten des Krafterzeugungssystems und Abheben der Elektrode
Elektrodenkühlung beim Punktschweißen
- Kühlmedium: i.d.R. Wasser
- Kühlwasser wird bis an den Grund der Elektrode durch Kühlröhrchen zugeführt
- Maximaltemperatur in der Mitte der Schweißlinse -> Nimmt in Richtung der Elektroden sehr stark ab
- Höhere Wärmeabfuhr in Richtung der Elektroden -> Verhindert, dass sich die Schmelze in dieser Richtung ausbreiten kann -> Sorgt für typische Form der Schweißlinse
Widerstandsschweißen - Kraft- und Stromverläufe
- An den Schweißanlagen können verschiedene Kraft- und Stromprogramme eingestellt werden
- Es kann auch regelnd in den Prozess eingegriffen werden
-> Regelgröße z.B. Elektrodenweg, Widerstandsverlauf, Schweißstrom, Schweißspannung
Widerstandsschweißen - Punktschweißzangen
- Schweißwerkzeug wird an die Schweißstelle geführt
- Verfügbar als Handschweißzangen und als robotergeführte Punktschweißzangen
- Unterschiedliche Bauformen, Antriebe und Ausladungen
- Ziel: Möglichst große Steifigkeit bei gleichzeitig möglichst kleinem Induktionsfenster bei gleichzeitiger Erreichbarkeit der Schweißpunkte am Bauteil
- Bauformen: C-Zange, X-Zange
Anwendungskriterien für das Widerstandspunktschweißen
- Dort wo punktförmige Verbindungen ausreichen und
- Dort wo die Blechstärken klein genug sind, um einen Strompfad durch Druck definieren zu können
Widerstandsbuckelschweißen - Buckelarten
- Unterschiedliche Buckelformen nach Anforderungen an die Festigkeit der zu erstellenden Verbindung oder an die Steifigkeit des Schweißbuckels
-> Ring-, Rund- oder Langbuckel - Buckel werden in ihrer Größe jeweils der verwendeten Blechdicke angepasst
Anwendungskriterien für das Widerstandsbuckelschweißen
- Dort wo punktförmige Verbindungen ausreichen
- Die Blechstärken für Widerstandspunktschweißen zu groß sind
- Wo mehrere Schweißpunkte gleichzeitig erstellt werden sollen
- Wo natürliche Buckel genutzt werden können
Widerstandsschweißen - Konstruktionsregeln
- Zugänglichkeit von beiden Seiten
- Planparallelität
Nebenschluss beim Punktschweißen
Ein Teil des eingeleiteten Schweißstroms fließt nicht durch die Schweißstelle, sondern sucht sich einen anderen Weg
- Ströme teilen sich dabei entsprechend der Widerstandsverhältnisse auf
Planparallelität
- Elektroden können auf ebene Flächen senkrecht zur Oberfläche aufgesetzt werden, um Querkräfte zu vermeiden
- Querkräfte können die Schweißzange auf einer Seite stärker als nötig beanspruchen und ein Verschieben der Bauteile gegeneinander verursachen
Arten von Nebenschlüssen
- Zufällig
- Systematisch
Zufällige Nebenschlüsse
Tritt durch ungewollten Kontakt der Elektroden mit dem Bauteil auf
- Vorher nicht näher bestimmbarer Anteil des Schweißstroms wird an der Schweißstelle vorbei geleitet
- Energie fehlt dann zur Erzeugung des Schweißpunktes -> Zu kleine Schweißpunkte oder Klebeverbindungen sind die Folge
- Vermeidung: Mindestflanschbreiten
Systematischer Nebenschluss
- Z.B. Durch bereits gesetzte Schweißpunkte oder Falz
- Möglichkeit, den Schweißstrom so weit zu erhöhen, dass der Verlust durch den Systematischen Nebenschluss kompensiert werden kann
Einflüsse eines Nebenschlusses auf den Widerstandsschweißprozess (7)
- Aufkommen von Poren/Lunker in der Schweißlinse
- Kleinere/größere Schweißlinse
- Konduktive Erwärmung des Werkstücks
- Spritzer
- Unter Umständen kann keine Schweißung entstehen
- Größerer Abstand zwischen den Schweißpunkten notwendig
- Größere Blechdicke verringert Nebenschluss
Elektroden zum Punktschweißen
- Elektroden dienen zur Übertragung der Elektrodenkraft und des Schweißstromes
- Verschleißteile -> Einfach auswechselbar
- Je nach Form und Art werden die Elektroden nachgearbeitet oder recyclelt
Widerstandsschweißen - Arbeitsschutz
Spritzer
- Verbrennungen
- Augenschäden
-> Schutzbrillen
-> Schweißerschutzanzug, Lederschürze, Gamaschen
Elektromagnetische Strahlung
- Unter Umständen Beeinflussung von Herzschrittmachern oder ähnlichem
- Beachtung BGV B11 (Unfallverhütungsvorschrift elektromagnetische Felder) und BGI B5011 (Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißmaschinen)
Quetschen/Klemmen
- Räumliche Trennung von Mensch und Schweißanlage
- Zweihandschaltung für Maschinen, bei denen zwischen die Elektroden gegriffen werden kann
Hauptschweißparameter beim Widerstandsschweißen
- Elektrodenkraft
- Schweißzeit
- Schweißstrom
Auswirkungen einer zu hohen/zu geringen Elektrodenkraft
Zu gering:
- Starke Spritzerneigung
- Ggf. Fügen von Elektrodenkappe und Blech
Zu hoch:
- Tiefe unerwünschte Elektrodenabdrücke
- Buckel versagen vor dem Schweißprozess
- Kontaktwiderstände sinken stark ab
Auswirkungen einer zu hohen/zu geringen Schweißzeit
Zu gering:
- Keine Anbindung
Zu hoch:
- Zunehmende Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften
- Zu lange Taktzeiten
- Spritzer
Auswirkungen eines zu hohen/zu geringen Schweißstroms
Zu gering:
- Keine Anbindung
Zu hoch:
- Spritzerbildung
