Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen ist eine Schweißtechnologie, die in der Fertigungsindustrie zum Verbinden von Blechen und Bauteilen weit verbreitet ist. Die Schweißnaht wird generiert, indem ein starker Strom durch die Metallblechkombination geleitet wird, um die Metalle an lokalisierten Punkten aufzuheizen und schließlich zu schmelzen, die durch die Konstruktion der Elektroden und / oder der zu schweißenden Werkstücke vorbestimmt sind. Vor, während und nach dem Anlegen des Stroms wird immer eine Kraft ausgeübt, um die Kontaktfläche an den Schweißgrenzflächen zu begrenzen und während einiger Anwendungen die Werkstücke zu schmieden.

Weitere Details werden in den folgenden Abschnitten beschrieben:

  • Resistance welding proceses
  • Parameters in resistance welding
  • Electrode degradation and tip dressing
  • Spot welding
Spot welding two sheets

Widerstandsschweißverfahren

Abhängig von der Form der Werkstücke und der Form der Elektroden können Widerstandsschweißverfahren in verschiedene Varianten eingeteilt werden, unter denen am häufigsten Punktschweißen, Buckelschweißen, Nahtschweißen und Stumpfschweißen verwendet werden. Weitere Details werden im Folgenden beschrieben:

Resistance spot welding diagram

Widerstandspunktschweißen

Punktschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von Blechen durch direktes Aufbringen von Gegenkräften mit Elektroden mit spitzen Spitzen. Der Strom und die Wärmeerzeugung sind durch die Form der Elektroden lokalisiert. Die Schweißlinsengröße wird üblicherweise durch den Kontaktbereich der Elektrodenspitzen definiert.

Das Punktschweißen ist das dominierende Fügeverfahren in der Automobilindustrie zum Zusammenbau von Karosserie und großen Bauteilen. Es ist auch weit verbreitet in der Herstellung von Möbeln und Haushaltsgeräten usw.

Resistance Projection welding diagram

Widerstandsprojektionsschweißen

Das Buckelschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von Metallteilen oder Blechen mit Prägungen durch direktes Aufbringen von Gegenkräften mit speziell auf die Geometrien der Werkstücke abgestimmten Elektroden. Die Lokalisierung des Stroms und der Wärmeerzeugung werden durch die Form der Werkstücke entweder in ihrer natürlichen Form oder mit speziell entworfenen Vorsprüngen erzielt. In dem Projektionsteil der Werkstücke tritt eine große Verformung oder ein Zusammenbrechen auf, was eine hohe Prozess- / Maschinendynamik impliziert.

Das Buckelschweissen findet breite Anwendung in der Elektro-, Elektronik-, Automobil- und Bauindustrie sowie in der Herstellung von Sensoren, Ventilen und Pumpen usw.

Resistance seam welding diagram

Widerstandsnahtschweißen

Das Nahtschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von Metallblechen in kuntinuierlichen, oft leckdichten Nahtverbindungen durch direktes Aufbringen von Gegenkräften mit Elektroden, die Drehrädern sind. Der Strom und die Wärmeerzeugung sind durch die Umfangsformen der Elektrodenräder lokalisiert.

Das Nahtschweißen wird hauptsächlich bei der Herstellung von Behältern, Radiatoren und Wärmetauschern usw. angewendet.

Resistance butt welding diagram

Widerstands-Stoßschweißen

Das Stumpfschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden dicker Metallplatten oder Stäbe an den Enden durch direktes Aufbringen von Gegenkräften mit Elektroden, die die Werkstücke festklemmen. Nach dem Aufheizen der Werkstücke wird ein Schmiedevorgang durchgeführt. Oft tritt keine Schmelze auf, daher kann eine Festkörperschweißung erhalten werden.

Das Stumpfschweißen wird bei der Herstellung von Radfelgen, Drahtgelenken und Gleisverbindungen usw. eingesetzt.

Einseitiges Widerstandsschweißen

Ist ein spezielles Widerstandsschweißverfahren, bei dem eine Punktschweißung mit nur einer Elektrode durchgeführt wird, die von einer Seite zur Schweißzone mit oder ohne eine Stützplatte von der anderen Seite zugreift. Üblicherweise wird eine geringe Schweißkraft verwendet, die das einseitige (einseitige) Punktschweißen auf das Fügen relativ dünner Bleche beschränkt. Es kann zum Schweißen von Bauteilen mit begrenzter Elektrodenzugänglichkeit von beiden Seiten nützlich sein.

Widerstand Schweißverbindung

Ist ein kombinierter Fügeprozess bestehend aus Kleben und Widerstandsschweißen. Der Klebstoff wird auf die Stoßflächen der zu schweißenden Bleche aufgetragen und anschließend vor dem Aushärten des Klebstoffs eine Widerstandspunktschweißung der Bleche durchgeführt. Die Verbindung kann eine gute Festigkeit aufgrund des Punktschweißens und eine gute Steifheit durch die Klebeverbindung aufweisen.

Kreuzdrahtschweißen

Ist ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von Stäben oder Drähten in Kreuzverbindungen durch direktes Aufbringen von Gegenkräften mit üblicherweise flachen Elektroden. Der Strom und die Wärmeerzeugung werden an den Kontaktpunkten der gekreuzten Stäbe oder Drähte lokalisiert. Das Kreuzdrahtschweißen findet breite Anwendung in der Bau- und Elektroindustrie sowie in der Herstellung von Metalldrahtnetzen und Einkaufswägen usw.

Indirektes Punktschweißen

Ist ein spezielles Widerstandsschweißverfahren, bei dem eine einzelne Schweißnaht hergestellt wird, wobei eine Elektrode direkt mit der Schweißzone verbunden ist, während die andere Elektrode in einem Abstand versetzt ist, aber immer noch den Strom entlang des Werkstücks leitet.

Punktschweißen

Ist ein spezielles Widerstandsschweißverfahren, bei dem zwei Punktschweißungen gleichzeitig mit zwei versetzten Elektroden, die immer noch den Strom entlang der Werkstücke zwischen den beiden Schweißnähten leiten, hergestellt werden.

Mikro-Widerstandsschweißen

Bezieht sich auf die Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von mikro- oder miniaturisierten Bauteilen, die im Prinzip jede der oben genannten Verfahrensvarianten sein können, jedoch im Mikromaßstab.

Parameter beim Widerstandsschweißen

Das Prinzip des Widerstandsschweißens ist das Joulesche Erwärmungsgesetz, bei dem die Wärme Q in Abhängigkeit von drei Grundfaktoren erzeugt wird, wie in der folgenden Formel dargestellt:

jouleheat equation

Wobei I der Strom ist, der durch die Metallkombination fließt, R ist der Widerstand der Basismetalle und der Kontaktgrenzflächen, und t ist die Dauer / Zeit des Stromflusses.

Das Prinzip scheint einfach, jedoch spielen in einem realen Schweißprozess zahlreiche Parameter eine wichtige Rolle. Einige Forscher hatten mehr als 100 dieser Faktoren, die die Ergebnisse eines Widerstandsschweißprozesses beeinflussen, identifiziert. Um die Widerstandsschweißtechnik systematisch zu verstehen, haben wir viele Experimente und Tests durchgeführt und die einflussreichsten Parameter in folgende acht Typen zusammengefasst:

 

1) Schweißstrom

Der Schweißstrom ist der wichtigste Parameter beim Widerstandsschweißen, der die Wärmeerzeugung mit einer Potenz des Quadrats, wie in der Formel gezeigt, bestimmt. Die Größe der Schweißlinse nimmt mit zunehmendem Schweißstrom schnell zu und ein zu hoher Strom führt zu Ausstößen und Elektrodenverschlechterungen. Die folgende Abbildung zeigt die typischen Schweißstromarten, die beim Widerstandsschweißen eingesetzt werden, einschließlich des einphasigen Wechselstroms (AC), der in der Produktion immer noch am häufigsten verwendet wird, des dreiphasigen Gleichstroms (DC), der Kondensatorentladung (CD) und der neu entwickelte Mittelfrequenz-Wechselrichter DC. Üblicherweise werden die Effektivwerte des Schweißstroms in den Maschinenparametereinstellungen und den Prozesssteuerungen verwendet. Es ist oft die mühsame Aufgabe der Schweißingenieure, für jede einzelne Schweißanwendung den optimalen Schweißstrom und die Schweißzeit zu finden.

resistance welding current

2)Schweißzeit

Die Wärmeentwicklung ist direkt proportional zur Schweißzeit. Aufgrund der Wärmeübertragung von der Schweißzone zu den Grundmetallen und zu den Elektroden sowie des Wärmeverlustes von der freien Oberflächen an die Umgebung wird ein minimaler Schweißstrom sowie eine minimale Schweißzeit benötigt, um eine Schweißnaht herzustellen . Wenn der Schweißstrom zu niedrig ist, wird durch einfaches Erhöhen der Schweißzeit keine Schweißnaht erzeugt. Wenn der Schweißstrom hoch genug ist, nimmt die Größe der Schweißlinse mit zunehmender Schweißzeit zu, bis sie eine Größe erreicht, die der Elektrodenspitzenkontaktfläche ähnlich ist. Wenn die Schweißzeit verlängert wird, kommt es zum Ausstoßen oder im schlimmsten Fall kann die Elektrode am Werkstück haften bleiben.

3) Schweißkraft

Die Schweißkraft beeinflusst den Widerstandsschweißprozess durch ihre Auswirkung auf den Kontaktwiderstand an den Grenzflächen und auf die Kontaktfläche aufgrund von Materialverformung. Die Werkstücke müssen mit einer bestimmten Kraft in der Schweißzone komprimiert werden, um den Stromfluss zu ermöglichen. Wenn die Schweißkraft zu niedrig ist, kann das Ausstoßen unmittelbar nach dem Starten des Schweißstroms aufgrund der Tatsache, dass der Kontaktwiderstand zu hoch ist, was zu einer schnellen Wärmeerzeugung führt, auftreten. Wenn die Schweißkraft hoch ist, ist die Kontaktfläche groß, was zu einer niedrigen Stromdichte und einem niedrigen Kontaktwiderstand führt, was die Wärmeerzeugung und die Größe der Schweißlinse verringert. Beim Buckelschweißen bewirkt die Schweißkraft das Kollabieren des Vorsprungs im Werkstück, wodurch die Kontaktfläche und damit der Kontaktwiderstand und die Stromdichte verändert werden. Es beeinflusst im Weiteren die Wärmeentwicklung und die Schweißergebnisse.

4) Kontaktwiderstand

Der Kontaktwiderstand an der Nahtgrenzfläche ist der am meisten beeinflussende Parameter in Bezug auf Materialien. Er hat jedoch eine sehr dynamische Wechselwirkung mit den Prozessparametern. Die folgende Abbildung zeigt den gemessenen Kontaktwiderstand von Weichstahl bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken. Man sieht, dass der Kontaktwiderstand im Allgemeinen mit steigender Temperatur abnimmt, aber einen lokalen Grat um 300 ° C aufweist, zusätzlich nimmt er fast proportional mit zunehmendem Druck ab. Im Mikromaßstab haben alle Metalle eine raue Oberflächen. Wenn die Schweißkraft ansteigt, erhöht sich der Kontaktdruck, wodurch die reale Kontaktfläche an der Grenzfläche aufgrund der Verformung der rauhen Oberflächenunebenheiten zunimmt. Was dazu führt, dass der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche abnimmt, was wiederum die Wärmeerzeugung und die Größe der Schweißlinse verringert. Auf den Metalloberflächen befinden sich zusätzlich Oxide, Wasserdampf, Öl, Schmutz und andere Verunreinigungen. Wenn die Temperatur ansteigt, werden einige der Oberflächenverunreinigungen (hauptsächlich auf Wasser und Öl basierende) in den ersten paar Zyklen abgebrannt und die Metalle erweichen auch bei hohen Temperaturen. Somit nimmt der Kontaktwiderstand im allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Auch wenn der Kontaktwiderstand nur in den ersten paar Zyklen den größten Einfluss hat, hat er entscheidenden Einfluss auf die Wärmeverteilung durch die anfängliche Wärmeerzeugung und -verteilung.

contact resist graph

5) Materialeigenschaften

Nahezu alle Materialeigenschaften sind temperaturabhängig, was zur Dynamik des Widerstandsschweißprozesses beiträgt. Der spezifische Widerstand des Materials beeinflusst die Wärmeerzeugung. Die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität beeinflussen den Wärmeübertragung. In Metallen wie Silber und Kupfer mit geringem spezifischen Widerstand und hoher Wärmeleitfähigkeit wird auch bei hohem Schweißstrom wenig Wärme erzeugt und schnell abgeführt. Diese sind eher schwierig mit Widerstandsschweißen zu schweißen. Auf der anderen Seite können sie jedoch gute Materialien für Elektroden sein. Wenn unterschiedliche Metalle geschweißt werden, wird mehr Wärme in dem Metall mit höherem spezifischen Widerstand erzeugt. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn die Schweißteile für das Buckelschweißen entworfen und die Formen der Elektroden für das Punktschweißen ausgewählt werden. Die Materialhärte beeinflusst auch den Kontaktwiderstand. Hartere Metalle (mit höherer Fließspannung) führen zu einem höheren Kontaktwiderstand bei gleicher Schweißkraft, da die rauhen Oberflächenunebenheiten schwieriger zu verformen sind, was zu einer kleineren realen Kontaktfläche führt. Elektrodenmaterialien werden auch verwendet, um die Wärmebilanz beim Widerstandsschweißen, insbesondere zum Verbinden von Leicht- und Nichteisenmetallen, zu beeinflussen.

6) Oberflächenbeschichtungen

Die meisten Oberflächenbeschichtungen werden zum Korrosionsschutz oder als Substrat für die weitere Oberflächenbehandlung aufgetragen. Diese Oberflächenbeschichtungen erschweren oft den Schweißprozess. Je nach Art der Oberflächenbeschichtungen müssen spezielle Prozessparameteranpassungen vorgenommen werden. Einige Oberflächenbeschichtungen werden eingeführt, um das Schweißen schwieriger Materialkombinationen zu erleichtern. Diese Oberflächenbeschichtungen werden strategisch ausgewählt, um die Wärmebilanz zur Schweißgrenzfläche zu bringen. Die meisten der Oberflächenbeschichtungen werden während des Schweißens herausgedrückt, einige verbleiben als Hartlötmetall an der Schweißgrenzfläche.

7) Geometrie und Abmessungen

Die Geometrien und Abmessungen der Elektroden und Werkstücke sind sehr wichtig, da sie die Stromdichteverteilung und damit die Ergebnisse des Widerstandsschweißens beeinflussen. Die Geometrie der Elektroden beim Punktschweißen steuert die Stromdichte und die resultierende Größe der Schweißlinse. Unterschiedliche Blechdicken benötigen unterschiedliche Schweißströme und Prozessparameter. Die Gestaltung der lokalen Projektionsgeometrie der Werkstücke ist beim Buckelschweißen kritisch, was insbesondere bei der Verbindung von unähnlichen Metallen mit den Materialeigenschaften zu berücksichtigen ist. Im Prinzip sollte die Prägung oder der Vorsprung auf dem Material mit dem niedrigeren spezifischen Widerstand platziert werden, um eine bessere Wärmebilanz an der Schweißgrenzfläche zu erhalten.

8) Schweißmaschineneigenschaften

Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Schweißmaschine haben einen wesentlichen Einfluss auf Widerstandsschweißprozesse. Die elektrischen Eigenschaften umfassen die dynamische Reaktionszeit des Schweißstroms und die magnetischen / induktiven Verluste aufgrund der Größe des Schweißfensters sowie der Menge an magnetischen Materialien im Hals. Die Nachfahrzeit einer Schweißmaschine kann beim Mikrowiderstandsschweißen sehr kritisch sein, da die gesamte Schweißzeit oft extrem kurz ist. Der magnetische Verlust beim Punktschweißen ist einer der wichtigen Faktoren, die bei der Prozesssteuerung berücksichtigt werden müssen. Die mechanischen Eigenschaften umfassen die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Elektrodennachführung sowie die Steifigkeit des Laderahmens / der Lastarme. Wenn die Nachverfolgung der Elektrode zu langsam ist, kann das Ausstoßen beim Buckelschweißen leicht auftreten. Die folgende Abbildung zeigt die gemessenen Prozessparameter in einem Buckelschweißverfahren, zu denen die dynamischen Kurven des Schweißstroms, die Schweißkraft und die Verschiebung der Elektrode gehören, wobei die scharfe Bewegung dem Kollabieren der Projektion im Werkstück entspricht.

process parameters

Elektrodenabbau und Spitze Dressing

Der Widerstandsschweißprozess ist gekennzeichnet durch einen hohen Strom, der durch die zu schweißenden Materialien zwischen den Elektroden unter Druck hindurchtritt, um konzentrierte Hitze zu erzeugen, um eine Schweißnaht zu bilden. Diese hoch konzentrierte Wärme verursacht auch Probleme mit den Elektrodenspitzen mit zunehmender Anzahl von Schweißnähten.

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.
comparison of the new and used electrode tips

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.

electrode degradation graph

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.

step current

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.

4. Neue Entwicklungen zum Abrichten und Optimieren

SmartDress ist ein neues Tip-Dressing-System, das von dem europäischen Konsortium bestehend aus sieben Partnern, darunter SWANTEC, im EU-finanzierten Forschungsprojekt „“Adaptive Tip Dress Control für automatisiertes Widerstandspunktschweißen““ entwickelt wurde.

Es wird ein vollautomatisches adaptives Kontrollsystem sein, das die Qualität der Elektrodenspitze durch kombiniertes mechanisches Schneiden und abrasive Reinigung optimiert, überwacht und erhält, um die Schweißqualität zu erhalten und Produktionsunterbrechungen zu minimieren.

Weitere Informationen im Youtube-Video rechts und auf der Projekt-Website: www.smartdress-project.eu.