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 der Berührungsstelle unter der Wirkung einer Kraft durch Erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder auch in fester Phase verschweißt.
Das erste Widerstandspunktschweißgerät der Welt stellte 1887 der russische Erfinder und Ingenieur Nikolai Benardos der Öffentlichkeit vor.
Verfahrensvarianten mini|Einteilung der Schweißverfahren nach DIN 1910-100DIN 1910-100:2008-02: Schweißen und verwandte Prozesse - Begriffe - Teil 100: Metallschweißprozesse mit Ergänzungen zu DIN EN 14610:2005 mit Ordnungsnummern nach ISO 4063DIN EN ISO 4063:2011-03Schweißen und verwandte Prozesse - Liste der Prozesse und Ordnungsnummern Alle Varianten des Widerstandsschweißverfahrens nutzen die Wärme, die vom konzentrierten lokalen Stromfluss durch die zu verbindenden Kontaktstellen erzeugt wird. Die an der oder den Kontaktstellen entstehende Wärme berechnet sich nach:
mit
Schweißenergie in J, Schweißstrom in A, Widerstand an der Schweißstelle in , Schweißzeit in s.
Sie unterscheiden sich durch die Art der Stromzufuhr und durch den ausgenutzten physikalischen Verbindungsmechanismus.
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 Widerstandsbolzenschweißen RBO 26
Die DIN 1910–100 unterteilt das Metallschweißen und damit auch die Widerstandsschweißverfahren in Preß- und Schmelzschweißverfahren. Für die Schweißverfahren werden nach der EN ISO 4063 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. Die einzelnen Verfahren werden in den folgenden Kapiteln genauer erläutert.
Stromarten Wechselstrom 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 zwar geeignet, Strom und Schweißzeit werden jedoch durch Phasenanschnittsteuerung mit einem Thyristorsteller gesteuert, weshalb die Zeit- und Stromregelinkremente minimal 10 ms (bzw. 8,3 ms) betragen, was für präzise Steuerung oft zu lang ist.
Gleichstrom 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: Einphasengleichrichter (selten, schlechte Qualität des Gleichstroms) Frequenzwandler (heute kaum noch üblich, können je nach Einstellung DC-Impulse oder Niederfrequenz erzeugen → dann AC) Dreiphasengleichrichtermaschinen, mit einem dreiphasigen Schweißtransformator und dreiphasigem Gleichrichter Inverteranlagen (MFDC = Mittelfrequenz-Anlagen, üblicherweise mit Gleichspannungszwischenkreis und 1000–4000 Hz Taktfrequenz des Wechselrichters, mit höheren Frequenzen, bis 20 kHz – dann HFDC = Hochfrequenz-Anlagen genannt) und Gleichrichtung (DC) am Ausgang des entsprechenden Transformators. Bei MFDC und HFDC eingesetzte Inverter werden in der Regel mit Dreiphasen-Wechselstrom (z. B. 400 V) versorgt. Die Spannung wird gleichgerichtet und IGBT erzeugen daraus eine Rechteckspannung von 1 bis 20 kHz.http://www.matuschek.de/html/de/gleichstrom_hochfrequenz.htm Diese Spannung (im Allgemeinen 400 V) gelangt anschließend in einen geeigneten Transformator. Aufgrund der höheren Frequenz ist er leichter und effizienter als ein netzfrequenter Transformator. Ausgangsseitig muss gleichgerichtet werden, da ansonsten die Induktivität der Stromzuführungen zu den Schweißelektroden den Strom zu sehr begrenzen würde.
Kondensatorentladung Die Gleichstromversorgung beim Widerstandsschweißen kann auch durch Kondensatorentladung vorgenommen werden. Aufgeladene Kondensatorbatterien geben dabei impulsförmig ihre Energie ab. Es sind aber auch Schaltungen zur Umpolung der Stromrichtung entwickelt worden, die eine Wechselstromschweißung ermöglichen.
Widerstandspunkt- und Buckelschweißen Widerstandspunktschweißen
mini|Widerstandspunktschweißen – Prinzipskizze Widerstandspunktschweißen (Kurzform: Punktschweißen, RP, EN ISO 4063: Prozess 21) ist ein Widerstandspressschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen unterschiedlichster Abmessungen und Materialien.
Das Widerstandspunktschweißen wird zur Verbindung von Blechen im Karosserie- und Fahrzeugbau und allgemein in der blechverarbeitenden Fertigung angewendet. 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.
Das Prinzip besteht darin, dass den zu verschweißenden Metallteilen über 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. Innerhalb relativ kurzer Zeit wird eine hohe Energie in Form von joulescher Stromwärme auf eine kleine Fläche der Werkstücke konzentriert, wobei unter Zuführung von hohem Druck die unlösbare Verbindung entsteht.
Widerstandsbuckelschweißen
mini|Widerstandsbuckelschweißen: (1) Schweißbeginn, (2) nach der Schweißung Widerstandsbuckelschweißen (Kurzform: Buckelschweißen, RB, EN ISO 4063: Prozess 23) ist ein Widerstandspressschweißverfahren zum Verschweißen von Blechen miteinander oder mit Schweißmuttern und von Drähten unterschiedlichster Abmessungen und Materialien.
Im Unterschied zum Widerstandspunktschweißen wird beim Widerstandsbuckelschweißen 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.
Kondensatorimpulsschweißen mini|Prinzip des Kondensatorentladungsschweißens Das Kondensatorimpulsschweißen, als CD-Schweißen (engl. ) oder 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 Buckel- oder Stumpfschweißen Anwendung. Nicht verwechselt werden darf das Kondensator-Impulsschweißen mit dem gleichfalls auf Kondensatorentladung beruhenden Lichtbogenbolzenschweißen, das ein Lichtbogenschweißverfahren ist, oder mit dem Schweißen mit elektromagnetischer Puls Technologie.
Zum Schweißen wird ein impulsförmiger Gleichstrom benutzt, der durch die Entladung eines Kondensators entsteht. Die im Kondensator gespeicherte Energie kann berechnet werden als:
mit W … Energie C … Kondensatorkapazität U0 … Ladespannung des Kondensators.
Die Energie wird von aufgeladenen Kondensatoren über einen Schweißtransformator 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). Die Netzbelastung ist gering. Berücksichtigung sollte die Alterung der Kondensatoren finden, was nach einigen Jahren zu Kapazitätsverlust führt. mini|Stromverlauf und Erwärmung beim Buckelschweißen mit Kondensatorentladung mini|Ersatzschaltbild des Kondensatorentladungsschweißens Der Schweißprozess hat zwei Prozessschritte: Laden des Kondensators Schweißen
Der Kondensator wird über den Ladespannungstransformator vor dem Schweißen aufgeladen. Mit der Ladespannung UL ist bei vorgegebener Kapazität C die für den Schweißprozess zu speichernde Energie festgelegt. Nach dem Aufladen wird die Schweißmaschine vom Ladungstransformator elektrisch getrennt.
Für das Schweißen wird zunächst die Elektrodenkraft F aufgebracht. Wird nun der Primärstromkreis zwischen dem Kondensator und Schweißformator geschlossen, fließt im Sekundärstromkreis durch die Kontaktfläche der Fügeteile der Strom Is(t), während die Elektrodenkraft F konstant bleibt.
Elektrisch betrachtet handelt es sich bei der Anordnung der elektrischen Baugruppen um einen gedämpften elektrischer Schwingkreis mit induktiver Kopplung in dem in relativ kurzer Zeit die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie an der Schweißstelle in Wärme umgewandelt wird. Beim Buckelschweißen findet die größte Erwärmung an der Buckelspitze statt, da dort der größte Widerstand vorliegt. Der Wirkungsgrad beim KES-Schweißen ist hoch, da es kaum zu Energieabfuhr durch Wärmeleitung kommt. Wärmeeinflusszonen bleiben auf ein Minimum beschränkt.
Mit steigender Temperatur nimmt die Warmfestigkeit des Materials ab, die Buckeldeformation zu. Die Temperaturerhöhung wird verstärkt, da der spezifische elektrische Widerstand des Schweißgutes mit der Temperatur steigt. Bei Erreichen der Schmelztemperatur kommt es zum Verschweißen. Die zunehmende Buckeldeformation führt zu wachsender elektrischer Kontaktfläche der Fügeteile, damit zu sinkendem Widerstand und sinkender Temperatur. Diese Tendenz wird durch die Zunahme der spezifischen Wärmekapazität bei steigender Temperatur verstärkt. Wärmeleitung und abfallender Entladestrom bewirken ein rasches Abkühlen der verschweißten Fügeteile.
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.DVS: Messen beim Punkt-, Buckel- und Rollennahtschweißen. DVS-Merkblatt 2908, 2006. Die kurze Schweißzeit verursacht eine lokale Energiekonzentration bei einer kleinen Wärmeeinflusszone im Bauteil. Das ermöglicht das sichere Schweißen von hochfesten Stählen und verschiedenen 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.