Punkt- und Nahtschweißen verstehen: Techniken, Anwendungen und Ausrüstung

Widerstandspunktschweißen (RSW): Prozessübersicht

Widerstandspunktschweißen ist ein Verfahren, bei dem die Stoßflächen einer Überlappverbindung durch Druck und Wärme, erzeugt durch elektrischen Widerstand, verbunden werden. Die erzeugte Wärme wird durch die gegenüberliegenden Elektroden, die aus einer Kupferlegierung oder einer Kupfer-Wolfram-Kombination bestehen, an der Schweißstelle konzentriert. Kupferlegierungen werden aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit häufig verwendet, während Kupfer-Wolfram-Kombinationen bei anspruchsvollen Anwendungen eine höhere Abrieb- und Verschleißfestigkeit bieten.

Elektroden bestimmen im Wesentlichen die Qualität und Größe der Schweißnaht. Obwohl die runde Form der Elektrodenspitze die am häufigsten verwendete ist, wurden für spezielle Zwecke auch andere Ausführungen wie Sechskant- und Vierkantspitzen entwickelt. Andere Elektroden verfügen über interne Wasserkühlungskanäle, die die Erwärmung beim Schweißen reduzieren und so ihre Lebensdauer erhöhen.

Widerstandspunktschweißen ist in vielen Branchen wie dem Automobilbau weit verbreitet, da für eine Karosserie etwa 10,000 einzelne Schweißpunkte benötigt werden. Weitere allgemeine Anwendungen sind Haushaltsgeräte, Metallmöbel und ähnliche Blechprodukte. Die Verbreitung in der Massenproduktion unterstreicht die wirtschaftliche und industrielle Bedeutung des Schweißens, da allein die weltweite Automobilproduktion jährlich mehrere zehn Millionen Exemplare erreicht.

Punktschweißgeräte

Es gibt drei Haupttypen von Punktschweißgeräten: Kipphebelschweißgeräte, Pressschweißgeräte und tragbare Punktschweißpistolen. Jeder Typ eignet sich am besten für eine bestimmte Anwendung.

Punktschweißgeräte mit Kipphebel (wie das unten abgebildete) werden häufig zur Bearbeitung relativ kleiner Werkstücke eingesetzt. Sie bestehen aus einer festen unteren Elektrode und einer schwimmenden oberen Elektrode, die an einem Kipphebel befestigt ist. Die Bewegung der oberen Elektrode wird über ein Fußpedal gesteuert, mit dem der Bediener sie anheben oder absenken kann, um das Werkstück während des Be- und Entladevorgangs zu bearbeiten. Solche Maschinen eignen sich beispielsweise für leichte Arbeiten, und moderne Modelle verfügen oft über programmierbare Steuerungen zur Regelung von Kraft und Stromstärke während des Schweißzyklus.

                   Kipphebelmaschine

Für größere und schwerere Werkstücke sind Pressen-Punktschweißgeräte die beste Wahl. Dabei handelt es sich um stationäre Maschinen, bei denen eine vertikal angetriebene, pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Presse die obere Elektrode geradlinig bewegt. Diese Konstruktion ermöglicht die Anwendung höherer Kräfte und komplexere Schweißzyklen, was sie für großindustrielle Anwendungen unverzichtbar macht.

Wo stationäre Punktschweißgeräte für große und schwere Teile unpraktisch sind, sind handbetriebene tragbare Schweißgeräte die effektive Lösung. Leichte Werkzeuge verfügen über gegenüberliegende Elektroden in einem Zangenmechanismus, sodass sie von einem Arbeiter oder einem Industrieroboter leicht manövriert werden können. Tragbare Schweißpistolen sind über flexible Kabel und Schläuche mit Strom- und Steuerungssystemen verbunden und bieten die Möglichkeit, eine Wasserkühlung für die Elektroden zu integrieren. Ihre Anpassungsfähigkeit macht sie auch zu einem wichtigen Bestandteil von Automobilmontagewerken, wo sie häufig zum Schweißen von Karosserien eingesetzt werden – oft robotergesteuert.

Punktschweißprozess

Der Punktschweißprozess besteht aus einer Reihe von Schritten, dem sogenannten Schweißzyklus. Er umfasst das Einsetzen des Werkstücks, die Krafteinleitung, die Steuerung der Schweißzeit und die Abkühlung. Jeder Schritt im Zyklus ist wichtig für eine starke und zuverlässige Schweißnaht. Die einzelnen Schritte eines Punktschweißzyklus sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der Schweißzyklus 
1. Eintauchen der Teile und Primärkontakt
Die Metallteile werden zwischen zwei Kupferelektroden gelegt. Diese Elektroden werden dann unter Druck leicht mit der Metalloberfläche in Kontakt gebracht. Mikroskopisch gesehen ist die Oberfläche von Metallen nie glatt; daher können sich zunächst nur Spitzen berühren. An solchen Stellen bricht bei ausreichendem Kontaktdruck die Oxidschicht auf, und es bilden sich Metallbrücken. Der Schweißplan stellt sicher, dass die Elektrodenkraft ausreichend Zeit hat, um 95 % der vorgesehenen Schweißkraft zu erreichen, bevor der Stromfluss einsetzt. Dies gewährleistet Konsistenz und Genauigkeit.

2. Schweißstrom anwenden
Sobald der erforderliche Druck erreicht ist, wird für kurze Zeit ein hoher elektrischer Strom durch die Elektroden geleitet. Während sich der Stromfluss durch das Metall über eine große Fläche ausbreitet, fließt der Strom an der Grenzfläche, an der sich die Metalle berühren, durch die Metallbrücken. Die Stromdichte an dieser Stelle wird sehr hoch. Die Stromdichte an dieser Stelle erzeugt genügend Hitze, um die Metallbrücken zu schmelzen.

Wenn diese anfänglichen Brücken schmelzen und zusammenbrechen, berühren sich andere Spitzen auf den Metalloberflächen und bilden neue Brücken. Der Widerstand des geschmolzenen Metalls ist im Vergleich zu den neu gebildeten Brücken höher, und der Strom verlagert sich zu den neu gebildeten Bahnen. Der Übergang von einer Brücke zur nächsten wiederholt sich, bis die gesamte Schnittstelle geschmolzen ist und ein Nugget entsteht.

Die Energiezufuhr an der Schweißstelle hängt vom Materialwiderstand, der Stromstärke und der Schweißzeit ab. Es muss ein Gleichgewicht bestehen; zu wenig Energiezufuhr führt zu unvollständigem Schmelzen und somit zu einer schwachen Schweißnaht; zu viel Energie führt zu Überschmelzen, bis hin zum Ausstoßen des geschmolzenen Materials, wodurch manchmal ein Loch in der Verbindung entsteht.

3. Abkühlung und Erstarrung

Nach dem Abschalten des Stroms bleibt die Elektrodenkraft kurzzeitig erhalten, damit das geschmolzene Metall unter Druck abkühlen und erstarren kann. Bei den meisten Schweißsystemen verfügen die Elektroden über Kühlmittelbohrungen, die diese Abkühlung durch lokale Kühlung des Werkstücks beschleunigen.

Am Ende dieses Prozessschritts entsteht ein runder Schweißklumpen mit einem Durchmesser von 4 bis 7 Millimetern. Dieser sorgt für eine stabile Verbindung ohne Schweißwulst auf beiden Seiten des Blechs und bewahrt so die strukturelle Integrität und das Oberflächenbild des Werkstücks.

Widerstandsnahtschweißen (RSEW)

Widerstandsnahtschweißen (RSEW) ist eine verbesserte Variante des Widerstandspunktschweißens, bei der stabförmige Elektroden durch rotierende Räder ersetzt werden, wie in der Abbildung unten dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht mehrere überlappende Schweißnähte in einer Überlappverbindung und gewährleistet starke, dichte Nähte. Widerstandsnahtschweißen wird häufig im Tankbau, bei der Herstellung von Automobilschalldämpfern und anderen Blechbehältern eingesetzt. Es ist nach wie vor ein sehr wichtiges Fügeverfahren zur Herstellung langlebiger, dichter Komponenten für viele Branchen.

Wichtige Prozessdetails

Nahtschweißen erfolgt in der Regel kontinuierlich. Die Nähte müssen gerade oder gleichmäßig gekrümmt sein, da scharfe Ecken und Unstetigkeiten Probleme bereiten. Vorrichtungen sind erforderlich, um die Werkstücke zu positionieren und Verformungen zu vermeiden, die das Hauptproblem beim Nahtschweißen darstellen.
Die drei Varianten des RSEW (Kontinuierliches Bewegungsschweißen, Rollpunktschweißen und Kontinuierliches Nahtschweißen) sind in der folgenden Abbildung grafisch dargestellt.

Diese Techniken zeigen die Flexibilität des Prozesses:

Kontinuierliches Schweißen: Dies ist das Hauptverfahren, bei dem sich die Elektrodenräder kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit drehen und der Schweißstrom in regelmäßigen Abständen pulsiert. Durch die zeitliche Abstimmung entstehen überlappende Schweißnuggets für eine gleichmäßige und starke Naht.
Rollwiderstandspunktschweißen: Hierbei werden durch Reduzierung der Schweißstromimpulsfrequenz Lücken zwischen den Schweißlinsen erzeugt. Dadurch entstehen intermittierende Schweißpunkte entlang der Naht. Diese eignen sich am besten, wenn eine geringere Schweißkontinuität erforderlich ist.
Kontinuierliches Nahtschweißen: Bei dieser Variante ist der Schweißstrom kontinuierlich, daher entsteht entlang der gesamten Verbindung eine völlig ununterbrochene Naht.
Bei einer anderen Methode, dem intermittierenden Schweißen, wird das Elektrodenrad zyklisch angehalten, um die Schweißnähte herzustellen. Das Rad rotiert zwischen den Stopps, und so können durch den Abstand der Schweißlinsen Muster wie in a) und b) der obigen Abbildung entstehen.

Ausstattung und Kühlung

Nahtschweißmaschinen ähneln Presspunktschweißgeräten, haben jedoch rad- statt stabförmige Elektroden. Auch beim Nahtschweißen ist Kühlung erforderlich, um eine übermäßige Erwärmung des Werkstücks und der Elektrodenräder zu verhindern. Dies kann durch die Beaufschlagung der Ober- und Unterseite der Werkstückoberflächen neben den Elektrodenrädern mit Wasser erreicht werden.

Zusammenfassender Vergleich von Punktschweißen und Rollnahtschweißen