Widerstandsschweißen
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Allgemein
Nicht so wie bei den anderen Schweißprozessen benötigen die meisten Widerstandsschweißprozesse eine Elektrodenkraft, um eine Verbindung herzustellen. Es wirkt also eine Presskraft auf das Werkstück ein. Deshalb spricht man oft auch vom so genannten „Widerstandspressschweißverfahren“. In der Literatur und im folgenden Text wird, auch wenn dies nicht ganz korrekt ist, häufig nur der Begriff „Widerstandsschweißen“ benutzt.
Diese Verfahren sind nicht zu verwechseln mit den Widerstandsschmelzschweiß-Prozessen, die ohne eine Presskraft auskommen.
Das Haupteinsatzgebiet der Widerstandspressschweißverfahren liegt im Bereich der Blechkonstruktionen von ca. 0,5 bis 3 mm Einzelblechdicke. Dort werden vorzugsweise Überlappnähte hergestellt. Durch den Einsatz von Spezialmaschinen ist es auch möglich, wesentlich dünnere sowie dickere Bleche zu verschweißen.
Die Varianten des Stumpfschweißens ermöglichen, je nach Leistungsfähigkeit der Maschine, die Verbindung von Schweißquerschnitten von bis zu ca. 100.000 mm².
Im folgenden Text werden verschiedene Widerstandspressschweißprozesse genauer beschreiben: Widerstandspunktschweißen, Rollennahtschweißen, Buckelschweißen und Stumpfschweißen (teilt sich in Pressstumpf- und Abbrennstumpfscheißen). Auf das Widerstandsschmelzschweißen wird hier nicht eingegangen.
Prinzip der Widerstandsschweißung
Beim Widerstandsschweißen wird die Wärme innerhalb des Materials erzeugt, indem der elektrische Schweißstrom durch die Widerstände im Material fließt. Die erzeugte Wärme ergibt sich nach dem Joul'schen Gesetz:
Q = R · I² · t
(Q = Wärmemenge; I = Stromstärke; R = Widerstand; t = Zeit)
Vorteile der Widerstandsschweißung
- wirtschaftlich
- sehr eng begrenzte örtliche Erwärmung, daher keine ausgedehnte Wärmezone
- große Schweißgeschwindigkeiten möglich
- einfache Bedinung, meist von angelernten Arbeitskräften auszuführen
Widerstandpunktschweißen
| Anwendungsbereiche | Merkmale |
|---|---|
| Stahl: 0,5 ... 3,0 mm | linsenförmige Verbindung |
| Aluminium: 0,5 ... 2,0 mm | Werkstücke überlappen |
| stiftförmige Elektroden |
Beim Punktschweißen werden die aufeinander gepressten Teile nach ausreichendem Erwärmen der Fügestelle punktförmig verbunden. Die Verbindung entsteht durch Schmelzen und Erstarren des Werkstoffes an der Fügestelle. In den durch die Elektrodenkraft zusammengepressten Teilen erfolgt die elektrische Widerstandserwärmung (Joul'schen Gesetz, siehe oben). Schweißstrom und Elektrodenkraft werden durch Punktschweißelektroden übertragen.
Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine große Schweißgeschwindigkeit, vielseitige Einsatzmöglichkeiten, schnelle Umrüstbarkeit für verschiedene Aufgaben und Mechanisierungs- sowie Automatisierungsmöglichkeiten, zum Beispiel durch Rundtische, aus.
Voraussetzungen
Die Punktschweißbarkeit eines Bauteils ist gegeben, wenn eine der Beanspruchung genügende Punktschweißverbindung bei Beachtung eines geeigneten Fertigungsablaufs erreicht werden kann. Die Schweißbarkeit hängt von den drei gleichartigen Einflussgrößen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung ab. Zwischen den drei Einflussgrößen und der Schweißbarkeit wirken die Eigenschaften „Schweißeignung der Werkstoffe“, „Schweißsicherheit der Konstruktion“ und „Schweißmöglichkeit der Fertigung“.
Aufbau einer Widerstandsschweißmaschine
Je nach Anforderungen aus der Fertigung werden die unterschiedlichsten Bauformen von Schweißmaschinen eingesetzt. Dies können ortsfeste Einrichtungen, sogenannte Ständerpunktschweißmaschinen, aber auch bewegliche Einrichtungen, sogenannte Schweißzangen, sein. Neben den weit verbreiteten Standardeinrichtungen, die praktisch nach Katalog zu kaufen sind, gibt es für sehr spezielle Anwendungen auch die Möglichkeit, Sondermaschinen zu bauen.
Der prinzipielle Aufbau der Maschine ist vergleichbar und soll am Beispiel einer stationären Punktschweißmaschine gezeigt werden.
Auf die Werkstücke muss eine relativ hohe Kraftübertragen werden. Dies bedeutet, dass die Schweißmaschine, die diese Kraft erzeugen muss, entsprechend stabil ausgelegt sein muss, um starke Aufbiegungen zu vermeiden. Die Kraft wird üblicherweise über ein Druckluftsystem (pneumatisch) erzeugt. In Ausnahmefällen kommen auch hydraulische oder rein mechanische (z.B. Fußhebel) Systeme zum Einsatz.
Für die Erzeugung der hohen Stromstärke ist üblicherweise der Transformator in der Schweißmaschine integriert. Es wird meist Wechselstrom (50 Hz) verwendet.
Beim Schweißstromfluss entstehen Wärmeverluste, die abgeführt werden müssen. Dies erfordert meist eine Wasserkühlung.
Der Startbefehl für die Schweißung wird bei Standartmaschinen über eine Fußschalter bzw. Fingertaster gegeben, bei Sondermaschinen bzw. in automatisierte Fertigungslinien eingebundenen Maschinen durch Schaltkontakt aus der übergeordneten Ablaufsteuerung.
Anwendungsgebiete
Typische Anwendungsgebiete im Fahrzeug-, Haushaltsgeräte-, Behälter- und Leuchtenbau.
Rollennahtschweißen
| Anendungsbereiche | Merkmale |
|---|---|
| Stahl: 0,5 ... 2,0 mm | Dichtnähte oder Punktnähte |
| Aluminium: 0,5 ... 1,5 mm | Werkstücke überlappen (auch stumpf möglich!) |
| rollenförmige, angetriebene Elektroden |
Das Rollennahtschweißen ist vom Punktschweißen abgeleitet. Mit Punktschweißmaschinen lassen sich durch schnelles und dichtes Aneinanderreihen von Einzelpunkten Dichtnähte erzielen. Für den Vorschub des Werkstücks muss sich das Elektrodenpaar jedoch nach jedem einzelnen Punkt öffnen. Beim schnellen Arbeiten hämmern daher die Elektroden stark auf das Werkstück und verformen sich in kurzer Zeit. Drehbare Rollenelektroden zur Strom- und Kraftübertragung vermeiden diese Nachteile. Das Rollenpaar berührt ebenso wie Punktelektroden das Werkstück nur auf einer kleinen Fläche, so dass der Strom durch einen beschränkten Querschnitt des Werkstücks von Rolle zu Rolle fließen und einen Schweißpunkt erzeugen muss. Die Rollen drehen sich entsprechend der Weiterbewegung des Werkstücks und brauchen daher nicht abgehoben zu werden. Gegenüber dem Nahtschweißen mit Punktelektroden hat das Rollennahtschweißen den Vorzug einer viel geringeren Elektrodenabnutzung und einer höheren Schweißgeschwindigkeit.
Anwendungsgebiete
Typische Anwendungsgebiete sind das verschweißen von Edelstahlblechdächern.
Buckelschweißen
| Anwendungsbereich | Merkmale |
|---|---|
| Stahl: 0,8 ... 3,0 mm | Werkstückform bewirkt Stromkonzentration |
| Aluminium: 1,0 ... 2,0 mm | Werkstücke überlappen |
| großflächige Elektroden | |
| linsenförmige Verbindungen | |
| mehrere Verbindungen gleichzeitig |
Das Buckelschweißen ist ein Verfahren, bei dem elektrischer Strom und Kraft den zu verbindenden Werkstücken durch meist ebene, großflächige Elektroden zugeführt werden. Die Buckelform bewirkt die Stromkonzentration an der Fügestelle. Die Buckel werden durch die Elektrodenkraft und Erwärmung durch den Strom während des Schweißens weitgehend zurückverformt, und es entstehen an den Schweißstellen nicht lösbare Verbindungen.
Dies kann, z.B. bei Drahtschweißungen im Kreuzungsstoß, bereits durch die natürliche Form der Teile gegeben sein. Meist werden jedoch bestimmte Geometrien, die sogenannten Buckel, in eines der beiden Werkstücke eingearbeitet.
In der Praxis werden sowohl genormte, als auch nicht genormte Buckel eingesetzt. Zu den genormten Buckeln gehören die „geprägten“ Rundbuckel nach ISO 8167 (EN 28167) sowie Längs- und Ringbuckel nach DIN 8519. Allerdings werden häufig auch nicht genormte Buckel verschiedenster Art eingesetzt.
Anwendungsgebiete
Typische Anwendungsgebiete sind das Anschweißen von Bolzen (nicht zu verwechseln mit dem Bolzenschweißen), Muttern, Hülsen und Massivteilen.
Stumpfschweißen
Pressstumpfschweißen Abbrennstumpfschweißen
| Anwendungsbereich | Merkmale | Anwendungsbereich | Merkmale |
|---|---|---|---|
| Stahl: ∅ 0,5 ... 30 mm, max. 1000mm² | Spannelektroden | Stahl: ∅ 1,5 ... 300 mm, max. 100.000mm² | Spannelektroden |
| Aluminium: nur kleine Drähte (Oxyde) | Stauchwulst | Aluminium: bis ca. 12.000 mm² | schartiger Stauchgrat |
| Vorbereitung: glatte Werkstückenden | Vorbereitung: grob geschnittene Stoßflächen | ||
| Stumpfstoß | Stumpfstoß | ||
| Schweißung mit/ohne Vorwärmung | |||
| Abbrenn- und Stauchphase |
Beim Stumpfscheißen unterscheidet man zwischen dem Pressstumpfschweißen und dem Abbrennstumpfschweißen.
Beide Varianten werden ausschließlich für die Herstellung von Stumpfverbindungen eigesetzt. Die Werkstücke können im Fügebereich eine nahezu beliebige Form aufweisen, sollten jedoch möglichst gleich sein. Ansonsten ist eine ungleiche Erwärmung zu erwarten.
Die zu verschweißenden Werkstücke werden zunächst miteinander in Berührung gebracht und dann um ein geringes Maß wieder auseinandergezogen, sodass sich zwischen ihnen ein sogenannter Schmorkontakt bildet, der die Schweißenden zum Schmelzen bringt. Hierauf werden die Stücke schlagartig zusammengetrieben und verschweißen nach Ausschalten des Stromes.
Anwendungsgebiete
Typische Anwendungsgebiete sind das Schweißen von LKW-Felgen, Gleitschutzketten, Bierfassflanschen, Belüftungsrahmen, Betonstählen und Eisenbahnschienen.
Arbeitssicherheit
Zutritt für Unbefugte verboten (nur in Begleitung von Fachpersonal)
Verbot für Personen mit Herzschrittmacher
Schutzkleidung tragen
Schutzbrille tragen
Schutzhandschuhe tragen
Sicherheitsschuhe tragen
Warnung vor elektromagnetischem Feld
Warnung vor magnetischem Feld
Quetschgefahr
Einzugsgefahr
Quellen
Buch: Schweißen, Schneiden, Löten, Kleben von Thomas Krist; Technik-Tabellen-Verlag Fikentscher & CO
Buch: Wideerstandsschweißen, 2. erw. Auflage; IRB Verlag
Buch: Wideerstandsschweißen, 4. erw. Auflage; IRB Verlag
Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.
DALEX Schweißmaschinen GmbH & Co. KG, www.dalex.de
www.axel-bremer.de
