Widerstandsschweißen (RW) umfasst eine Reihe von Schmelzschweißtechniken, bei denen die Verschmelzung durch eine Mischung aus Hitze und Druck erreicht wird. Die Hitze entsteht an der Verbindungsstelle, die durch elektrischen Widerstand gegen den Stromfluss geschweißt werden muss. Die Hauptelemente des Widerstandsschweißens sind in der folgenden Abbildung für die beliebteste Methode der Gruppe dargestellt, ein Widerstandspunktschweißvorgang. Zu schweißende Werkstücke (oft Blechteile), zwei gegenüberliegende Elektroden, eine Möglichkeit, die Teile zwischen die Elektroden zu drücken, und eine Wechselstromquelle, die einen kontrollierten Strom anwenden kann, sind die Komponenten. Beim Punktschweißen erzeugt der Prozess eine verschmolzene Zone zwischen den beiden Komponenten, die als Schweißlinse bezeichnet wird.
Beim Widerstandsschweißen sind im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen keine Schutzgase, kein Flussmittel und kein Füllmetall erforderlich, und die Elektroden, die den Strom übertragen, sind nicht verbrauchbar. Widerstandsschweißen wird als Schmelzschweißen eingestuft, da die Stoßflächen bei Hitzeeinwirkung praktisch immer schmelzen. Es gibt jedoch bestimmte Ausnahmen. Um ein Schmelzen zu verhindern, werden bei bestimmten Schweißverfahren auf Basis von Widerstandserwärmung Temperaturen verwendet, die unter den Schmelzpunkten der Grundmetalle liegen.
Beim Widerstandsschweißen sind mehrere wichtige Variablen beteiligt, wie Elektrodeneigenschaften, Schweißstrom, Elektrodenkraft und Stromdauer. Widerstandsschweißen ist ein effektives und schnelles Schweißverfahren, da es einen Strom erfordert, der zehn- bis hundertmal höher sein kann als beim Lichtbogenschweißen, obwohl die eigentliche Schweißzeit normalerweise weniger als eine Sekunde beträgt.
Stromquelle und Wärmeerzeugung in RW
Beim Widerstandsschweißen (RW) beeinflussen der Stromkreiswiderstand, der Stromfluss und die Dauer der Stromzufuhr die zum Schweißen erforderliche Wärmeenergie. Der folgende mathematische Ausdruck stellt diese Beziehung dar:
H = I2 Rt
wobei �� die erzeugte Wärme in Joule ist (um sie in Btu umzurechnen, dividieren Sie durch 1055); �� die Stromstärke in Ampere; �� der elektrische Widerstand in Ohm; und �� die Zeit in Sekunden ist.
Widerstandsschweißverfahren beinhalten häufig sehr hohe Ströme (5000 bis 20,000 A) bei relativ niedrigen Spannungen (normalerweise unter 10 V). Bei den meisten Verfahren ist die Stromdauer (t) kurz; bei einem Standardpunktschweißvorgang kann sie beispielsweise 0.1 bis 0.4 Sekunden dauern. Da der Widerstand in RW sehr gering ist (etwa 0.0001 V) und der quadrierte Teil der obigen Gleichung die Wirkung des Stroms vergrößert, wird ein hoher Strom verwendet. Die Kombination der Widerstände der Werkstücke, der Elektroden, der Kontaktwiderstände zwischen den Elektroden und den Werkstücken und des Kontaktwiderstands der Zufuhrflächen führt zu einem Widerstand im Schweißkreis. Daher wird in jeder dieser elektrischen Widerstandszonen Wärme erzeugt. Da die bevorzugte Stelle der Schweißung die Stoßflächen sind, ist es optimal, wenn diese in der Summe den größten Widerstand aufweisen. Die Verwendung von Metallen wie Kupfer, die einen extrem niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen, verringert den Widerstand der Elektroden. Um die dort erzeugte Wärme abzuleiten, werden die Elektroden häufig mit Wasser gekühlt. Die Widerstände der Werkstücke werden durch die Werkstückdicke und den spezifischen Widerstand der Grundmetalle bestimmt. Größe, Form und Kontaktflächen der Elektrode sowie die Oberflächenbeschaffenheit (wie Zunder der Elektrode und Sauberkeit der Werkstücke) bestimmen die Kontaktwiderstände zwischen den Elektroden und den Werkstücken.
Letztendlich beeinflussen Oberflächenbeschaffenheit, Hygienebedingungen, Kontaktfläche und Druck den Widerstand an den Stoßflächen. Die Kontaktflächen dürfen nicht durch Verunreinigungen wie Farbe, Öl oder Schmutz voneinander getrennt sein.
Druck ist für den Erfolg beim Widerstandsschweißen genauso wichtig wie Hitze. Beim Widerstandsschweißen (RW) besteht der Hauptzweck des Drucks darin, die Stoßflächen zusammenzupressen, um eine Verschmelzung zu erreichen, sobald die richtige Schweißtemperatur erreicht ist, und den Kontakt zwischen den beiden Arbeitsflächen und den Elektroden zu erzwingen, bevor der Strom angelegt wird.
Vor- und Nachteile des Widerstandsschweißens
Widerstandsschweißen ist aufgrund seiner vielen Vorteile eine gängige Option für industrielle Anwendungen. Seine Effizienz und Geschwindigkeit, die hohe Produktionsraten ermöglichen, sind zwei Hauptvorteile. Für den Prozess werden keine Füllmetalle benötigt, und da die Hitze lokalisiert ist, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich benachbarte Komponenten verbiegen. Widerstandsschweißen eignet sich auch hervorragend für die Automatisierung, was es perfekt für die Fertigung im großen Maßstab macht. Da die Hitze präzise reguliert werden kann, sind die resultierenden Schweißnähte robust, exakt und präzise. Dieser Ansatz ist auch kostengünstiger, da er weniger Nacharbeit und weniger Energie erfordert als viele andere, und er ist sicherer als viele andere, da er keine Dämpfe oder Funken freisetzt.
Widerstandsschweißen hat jedoch mehrere Nachteile. Manche Betriebe haben möglicherweise Schwierigkeiten, die erforderliche Ausrüstung zu beschaffen, da es oft teuer und spezialisiert ist. Es beschränkt die Arten von Metallen, die geschweißt werden können, da nur mit Materialien gearbeitet wird, die einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Aufgrund der eingeschlossenen Hitze sind große Teile schwer zu schweißen, und eine genaue Ausrichtung der Komponenten ist unerlässlich, um schwache Verbindungen zu vermeiden. Durch Hitze verursachte ungleichmäßige Ausdehnung oder Kontraktion von Materialien kann zu Verformungen führen, was möglicherweise ein Problem darstellen kann. Trotz dieser Schwierigkeiten ist Widerstandsschweißen in vielen Fertigungskontexten immer noch eine nützliche Technologie.
Wichtige Widerstandsschweißverfahren
Die drei wichtigsten Widerstandsschweißverfahren mit kommerzieller Bedeutung sind das Widerstandspunktschweißen (RSW), das Widerstandsnahtschweißen (RSEW) und das Buckelschweißen (RPW).
Widerstandspunktschweißen (RSW)
Widerstandspunktschweißen (RSW) ist das am weitesten verbreitete Verfahren seiner Art und wird häufig bei der Massenproduktion von Haushaltsgeräten, Autos, Metallmöbeln und anderen Blechprodukten eingesetzt. Die wirtschaftliche Bedeutung des Widerstandspunktschweißens wird deutlich, wenn man bedenkt, dass eine durchschnittliche Autokarosserie etwa 10,000 Schweißpunkte aufweist und die jährliche Automobilproduktion weltweit mehrere zehn Millionen beträgt.
Widerstandspunktschweißen (RSW) ist eine Methode des Widerstandsschweißens, bei der gegenüberliegende Elektroden die Stoßflächen einer Überlappverbindung an einer einzigen Stelle verschmelzen. Diese Methode wird bei Blechkomponenten mit einer Dicke von 3 mm (0.125 Zoll) oder weniger angewendet, wenn keine luftdichte Baugruppe erforderlich ist. Zum Verbinden der Komponenten wird eine Reihe von Punktschweißungen verwendet. Obwohl runde Elektroden die häufigste Elektrodenform sind, können auch quadratische, sechseckige und andere Formen verwendet werden. Die Elektrodenspitze bestimmt die Größe und Form des Schweißpunkts.
Der resultierende Schweißklumpen hat normalerweise einen Durchmesser zwischen 5 und 10 mm (0.2 und 0.4 Zoll) und die Grundmetalle liegen etwas über dem Klumpen, wo sich die Wärmeeinflusszone erstreckt. Die Festigkeit der Schweißnaht sollte mit der des umgebenden Metalls vergleichbar sein, wenn sie richtig hergestellt wird. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Schritte eines Punktschweißzyklus.
Zur Herstellung von RSW-Elektroden werden zwei Hauptmaterialien verwendet: Legierungen auf Kupferbasis und Zusammensetzungen aus hochschmelzenden Metallen wie Kupfer und Wolfram. Die höhere Verschleißfestigkeit der zweiten Gruppe ist bekannt. Beim Punktschweißen altern die Werkzeuge wie bei den meisten Produktionsprozessen mit der Zeit. Die Elektroden werden nach Möglichkeit mit internen Wasserkühlungskanälen hergestellt. Das Punktschweißen kann aufgrund seiner weit verbreiteten industriellen Verwendung mit einer Vielzahl von Werkzeugen und Techniken durchgeführt werden. Die Geräte bestehen aus tragbaren Punktschweißpistolen sowie Punktschweißmaschinen mit Press- und Kipphebel. Die Kipphebel-Punktschweißgeräte verfügen über eine obere Elektrode, die beweglich ist und angehoben und abgesenkt werden kann, um das Be- und Entladen zu erleichtern. Die untere Elektrode bleibt stationär. Die obere Elektrode ist an einem Kipphebel befestigt – daher der Name –, dessen Bewegung durch das Fußpedal des Arbeiters gesteuert wird.
Kraft und Stromstärke während des Schweißzyklus können in modernen Geräten durch Programmierung gesteuert werden. Punktschweißgeräte mit Pressen sind für schwerere Arbeiten gedacht. Eine vertikale Presse, die durch Hydraulik oder Pneumatik angetrieben wird, erzeugt eine geradlinige Bewegung der oberen Elektrode. Dank der Presswirkung können größere Kräfte eingesetzt werden, und komplizierte Schweißzyklen können normalerweise mithilfe der Steuerungen programmiert werden. Die Aufgabe wird den beiden vorhergehenden Maschinentypen übertragen, bei denen es sich beide um stationäre Punktschweißgeräte handelt. Es ist eine Herausforderung, das Teil für massive, schwere Aufgaben in stationäre Maschinen zu übertragen und zu positionieren. Tragbare Punktschweißpistolen gibt es in verschiedenen Größen und Kombinationen, um diesen Situationen gerecht zu werden. Diese Geräte bestehen aus zwei gegenüberliegenden Elektroden, die in einem Zangenmechanismus gehalten werden. Da jedes Teil leicht ist, kann es entweder von einem Industrieroboter oder einem menschlichen Arbeiter gegriffen und bedient werden. Flexible elektrische Kabel und Luftschläuche werden verwendet, um die Kanone mit ihrer eigenen Strom- und Steuerquelle zu verbinden. Bei Bedarf kann auch ein Wasserschlauch verwendet werden, um die Elektroden mit Wasser zu kühlen. Das Punktschweißen von Karosserien ist eine häufige Aufgabe für mobile Punktschweißpistolen in Automontagefabriken. Obwohl einige dieser Waffen immer noch von Menschen bedient werden, sind Industrieroboter mittlerweile die Technologie der Wahl.
Widerstandsnahtschweißen (RSEW)
Widerstandsnahtschweißen (RSEW) ist eine Technik, bei der eine Abfolge überlappender Punktschweißnähte entlang einer Überlappverbindung erzeugt wird, indem rotierende Räder anstelle von stabförmigen Elektroden wie beim Punktschweißen verwendet werden. Dieses Verfahren, das in der Abbildung unten dargestellt ist, wird häufig bei der Herstellung von Blechbehältern, Autoschalldämpfern und Benzintanks eingesetzt, da es luftdichte Verbindungen erzeugt. Obwohl Punktschweißen und RSEW im Wesentlichen identisch sind, ist RSEW aufgrund der Radelektroden und des kontinuierlichen Aspekts des Vorgangs zusätzlich kompliziert.
Der kontinuierliche Betrieb beim RSEW bedeutet, dass die Nähte entlang einer geraden oder gleichmäßig gekrümmten Linie verlaufen müssen, da scharfe Ecken und Diskontinuitäten eine Herausforderung darstellen können. Darüber hinaus ist das Verziehen der Teile ein größeres Problem, weshalb Vorrichtungen erforderlich sind, um die Werkstücke an Ort und Stelle zu halten und Verformungen zu minimieren.
Die Anwendung des Schweißstroms und die Bewegung der Elektrodenräder beim RSEW bestimmen den Abstand zwischen den Schweißnuggets. Bei der gängigsten Technik, dem sogenannten Dauerbewegungsschweißen, wird der entsprechende Abstand zwischen den Schweißpunkten durch periodisches Pulsieren des Stroms erreicht, während sich die Räder mit konstanter Geschwindigkeit drehen. Überlappende Schweißbereiche sind normalerweise das Ergebnis dieser Konfiguration. Bei einem als Rollpunktschweißen bekannten Verfahren hingegen können Lücken zwischen den Schweißpunkten entstehen, wenn die Stromfrequenz verringert wird. Alternativ kann eine durchgehende Schweißnaht durch Beibehaltung eines konstanten Schweißstroms erreicht werden. Die folgende Abbildung zeigt diese Variationen.
Eine weitere RSEW-Variante ist das intermittierende Bewegungsschweißen, bei dem jeder Schweißpunkt durch regelmäßiges Anhalten des Elektrodenrads erzeugt wird. Der Abstand zwischen den Schweißbereichen wird durch die Bewegung des Rads zwischen den Anschlägen bestimmt, wodurch Muster entstehen, die denen in den Abbildungen (a) und (b) oben ähneln.
Während Elektrodenräder anstelle von stabförmigen Elektroden verwendet werden, ähneln Nahtschweißmaschinen Presspunktschweißgeräten. Beim RSEW ist häufig eine Kühlung des Werkstücks sowie der Elektrodenräder erforderlich. Um diese Kühlung zu erreichen, wird normalerweise Wasser auf die Ober- und Unterseite der Werkstückoberflächen in der Nähe der Elektrodenräder geleitet.
Widerstandsbuckelschweißen (RPW)
Das Widerstandsbuckelschweißen (RPW) ist ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem die Verbindung an kleinen, vorgegebenen Kontaktpunkten der zu verbindenden Teile erfolgt. Diese Kontaktpunkte können Vorsprünge, Prägungen oder lokale Verbindungen sein, die in die Teile selbst eingebaut sind. Wenn beispielsweise zwei Blechkomponenten miteinander verbunden werden, kann die obere Komponente mit vertieften Kanten konstruiert sein, die zuerst mit der unteren Komponente in Kontakt kommen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Kosteneinsparungen durch das Schweißen können das Prägeverfahren ausgleichen, auch wenn es den Anschein macht, dass es die Kosten des Teils erhöht.
Das Widerstandsbuckelschweißen gibt es in zwei Varianten, die in der Abbildung unten dargestellt sind. Eine Variante ermöglicht es, Befestigungselemente mit geformten oder bearbeiteten Vorsprüngen durch RPW dauerhaft mit einem Blech oder einer Platte zu verbinden, was zukünftige Montagevorgänge erleichtert. Für die Herstellung von geschweißten Drahtartikeln wie Einkaufswagen, Herdgrills und Maschendrahtzäunen wird eine andere Version verwendet, die als Querdrahtschweißen bekannt ist. Die Berührungsflächen der runden Drähte wirken in diesem Verfahren als Vorsprünge und helfen, die zum Schweißen erforderliche Widerstandswärme zu lokalisieren.
Andere Widerstandsschweißvorgänge
Zusätzlich zu den zuvor behandelten wichtigsten Widerstandsschweißverfahren fallen die folgenden alternativen Methoden in diese Kategorie und sollten ebenfalls berücksichtigt werden: Abbrennstumpfschweißen (FW), Stauchschweißen (UW), Perkussionsschweißen (PEW) und Hochfrequenz-Widerstandsschweißen (HFRW).
Abbrennstumpfschweißen (FW)
Das Abbrennstumpfschweißen (FW) wird vorwiegend für Stumpfstöße verwendet. Bei diesem Verfahren werden die zu verschweißenden Oberflächen dicht zusammengeführt und durch elektrischen Strom bis zum Schmelzen erhitzt. Je nach Grad des Oberflächenkontakts entsteht bei diesem Verfahren ein Lichtbogen, der manchmal auch als Abbrennen bezeichnet wird. FW wird daher gelegentlich in die Gruppe der Lichtbogenschweißverfahren eingeordnet. Die Oberflächen werden nach dem Erhitzen zusammengepresst, um die Schweißnaht herzustellen. Dies erfordert häufig eine zusätzliche Bearbeitung, um gleichmäßige Verbindungsmaße zu gewährleisten. FW wird in schnellen, wirtschaftlichen Verfahren eingesetzt, beispielsweise zum Verbinden von Drahtenden beim Drahtziehen und zum Stumpfschweißen von Stahlbändern in Walzwerken.
Stauchschweißen (UW)
Ähnlich wie beim FW werden beim Stauchschweißen (UW) die Heiz- und Pressphasen in einem einzigen Prozesszyklus kombiniert. Im Gegensatz zum FW wird beim UW nur durch elektrischen Widerstand an den Kontaktflächen erhitzt – Lichtbögen sind nicht eingeschlossen. Beim Erreichen einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts verschmelzen die Stoßflächen unter erhöhtem Druck, was zu einer Störung der Materialien im Kontaktbereich führt. Obwohl UW mehrere Anwendungen mit FW gemeinsam hat, wie z. B. das Verbinden von Drähten, Rohren und Schläuchen, handelt es sich nicht genau um eine Schmelzschweißtechnik wie einige der anderen genannten.
Perkussionsschweißen (PEW)
Ähnlich wie beim FW werden beim Perkussionsschweißen (PEW) unglaublich kurze Schweißzyklen – zwischen einer und zehn Millisekunden – verwendet. Wenn zwischen den zu verbindenden Oberflächen plötzlich elektrische Energie freigesetzt wird, kommt es zu einer schnellen Erwärmung. Die Komponenten werden dann durch Anwendung einer Schlagkraft miteinander verschmolzen. Für elektronische Anwendungen, bei denen kompakte Größe und benachbarte, hitzeempfindliche Komponenten von entscheidender Bedeutung sind, ist die lokalisierte Erwärmung beim PEW perfekt geeignet.
Hochfrequenz-Widerstandsschweißen (HFRW)
Beim Hochfrequenz-Widerstandsschweißen (HFRW) wird hochfrequenter Wechselstrom verwendet, um die Metalloberflächen zu erhitzen, bevor eine Stauchkraft angewendet wird, um die Schweißung abzuschließen. Diese Technik, die mit Frequenzen von 10 bis 500 kHz arbeitet, garantiert, dass der Skin-Effekt des Hochfrequenzstroms die Hitze an der Schweißverbindung konzentriert. Bei einem vergleichbaren Verfahren namens Hochfrequenz-Induktionsschweißen (HFIW) wird eine Induktionsspule verwendet, um Strom zu erzeugen, anstatt direkten elektrischen Kontakt herzustellen. Für kontinuierliche Schweißaufgaben, wie das Verbinden der Längsnähte von Metallrohren und -schläuchen, sind HFRW und HFIW geeignet. Diese Techniken sind für eine Vielzahl von industriellen Prozessen nützlich, da sie in der Lage sind, in Hochgeschwindigkeitsfertigungssituationen gleichmäßige, qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzeugen.
Referenzen
Groover, MP, 2010. Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme. 4. Aufl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
