Elektrodenabbau

Elektrodenverschleiß ist eines der häufigsten Probleme in der Schweißindustrie. Sie führt zu einer Verringerung der Nuggetgröße aufgrund einer geringeren Stromdichte an der Schweißnaht und einer geringeren Leitfähigkeit der Elektrodenspitze.

1. Mechanismen des Elektrodenabbaus

Die harten Bedingungen denen die Elektroden durch hohe Stromstärken und Drücke während des Widerstandsschweißens ausgesetzt sind führen zu einem hohen Verschleißrisiko. Das Bild rechts zeigt einen Vergleich einer neuen und einer verwendeten Elektrodenspitzen beim Punktschweißen von verzinkten Stahlblechen. Mit zunehmender Anzahl von Schweißnähten zeigen die Elektrodenspitzen zwei große Veränderungen:

• Geometrische Änderungen: Der Durchmesser der Elektrodenspitze erhöht sich aufgrund von Verformung und Verschleiß, wie Pilzen, Lochfraß oder lokalem Materialabtrag durch Aufnehmen.
• Metallurgische Veränderungen: Die Materialeigenschaften in der Nähe der Spitzenoberflächen ändern sich während des Widerstandsschweißens, wie zum Beispiel durch Legieren mit Blech und Beschichtungsmaterialien, oder Rekristallisation und Erweichen durch Überhitzung.

2. Auswirkungen des Elektrodenverschleiß

Ein zunehmender Spitzendurchmesser führt zu einer größeren Kontaktfläche zwischen Elektrode und Blech wodurch die durch die Schweißgrenzfläche fließende Stromdichte verringert wird. Gleichzeitig wird durch das Legieren des Elektrodenmaterials mit Blech- und Beschichtungsmaterialien an der Spitzenoberfläche die Leitfähigkeit der Elektrodenspitze verringern, wodurch auch die Wärmekonzentration von der Schweißgrenzfläche verringert wird. Beide Effekte führen zu einer fortschreitenden Verringerung der Schweißlinsengrößen. Nach einer bestimmten Anzahl von Schweißnähten fällt die resultierende Schweißlinse unter die für die Schweißnahtqualität erforderliche minimale Schweißlinse, wie in der Grafik rechts zeigt. Die maximale Anzahl der Schweißnähte, die gefertigt werden können, bis die resultierenden Schweißlinsengrößen die untere Grenze der Schweißnahtqualität erreicht, wird als „Elektrodenlebensdauer“ bezeichnet. Dies ist abhängig von Form und Material der Elektroden, den zu schweißenden Materialien, den Oberflächenbeschichtungen und den Wechselwirkungen der Parameter des dynamischen Schweißprozesses.

3. Schritt Strom und Spitze-Dressing

Um den Elektrodenabbau zu kompensieren, die Schweißqualität zu erhalten und die Elektrodenlebensdauer zu erhöhen werden neben dem Einsatz neuer Materialien und neuer Elektrodenausführungen in der Produktion in der Regel zwei Methoden eingesetzt:

• Schritt aktuell
• Elektrodenspitzen-Dressing

Schrittstrom ist ein Verfahren zur Planung des Punktschweißprozesses mit einem stufenweise zunehmenden Schweißstrom bei einer bestimmten Anzahl von Schweißnähten, um den Verlust der Stromdichte aufgrund des zunehmenden Spitzendurchmessers zu kompensieren, wie in der Grafik rechts dargestellt. Der höhere Strom, der mit dem größeren Spitzendurchmesser benötigt wird, kann durch Schweißtests oder durch Unterstützung von numerischen Simulationen optimiert werden. Auf diese Weise können mehr Schweißnähte produziert werden, ohne die Elektroden zu ersetzen, wodurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert wird.

Das Elektrodenspitzen-Abrichten ist eine Methode, bei der die Elektrodenspitze nach einer bestimmten Anzahl von Schweißnähten mechanisch neu geformt oder abrasive gereingt wird, um nahezu den gleichen Spitzendurchmesser und Oberflächenbedingungen wie zu anfangs zu bewahren. Auf diese Weise kann der Schweißprozess, um eine gleichbleibende Schweißqualität zu erhalten, mit denselben Prozessparametern gesteuert oder durch ein adaptives Kontrollsystem geringfügig reguliert werden.