Grundlagen des Widerstandspunktschweißens mit hochfrequenten Stromquellen und mit mehrachsigen Relativbewegungen


Studienarbeit, 2014

90 Seiten, Note: 2.3


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formel- und Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Motivation

3 Allgemeine Grundlagen des Widerstandspunktschweißens
3.1 Verfahrensprinzip
3.2 Anlagenaufbau
3.3 Kraftsysteme
3.4 Stromsysteme
3.4.1 50 Hz-Systeme
3.4.2 1 kHz-Systeme
3.4.3 Systeme mit Frequenzen von 10 kHz und mehr
3.5 Prozesskenngrößen
3.5.1 Strom
3.5.2 Elektrodenkraft
3.5.3 Stromflusszelt

4 Vorbetrachtungen
4.1 Technologische Vorbetrachtungen
4.1.1 Prozessbeeinflussung durch Steigerung der Stromfrequenz
4.1.2 Prozessbeeinflussung durch zusätzliche Relativbewegungen
4.1.3 Möglichkeiten der Kontaktflächencharakterisierung
4.2 Mathematisch, simulative Vorbetrachtungen
4.2.1 Simulationssoftware SORPAS®
4.2.2 Simulation mit SORPAS®
4.2.3 Ermittlung von Schweißbereichen

5 Versuchsplanung
5.1 Werkstoffauswahl
5.1.1 Stahlwerkstoffe
5.1.2 Aluminiumwerkstoffe
5.2 Beschreibung der eingesetzten Anlagentechnik

6 Versuchsdurchführung
6.1 Untersuchungen zu Relativbewegungen
6.2 Simulative Betrachtung hochfrequenter Stromquellen
6.2.1 50 Hz Wechselstrom
6.2.2 1 kHz Mittelfrequenz-Invertertechnik
6.2.3 Arbeitsfrequenzen über 10 kHz

7 Ergebnisse und Versuchsauswertung
7.1 Einfluss hochfrequenter Stromquellen
7.1.1 HX340LAD
7.2 Einfluss mehrachsiger Relativbewegungen
7.2.1 HX340LAD+Z100
7.2.2 EN AW-6082 (T6)

8 Zusammenfassung

9 Ausblick

10 Anlagen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 3-1: Verfahrensvarianten des Punktschweißens

Abbildung 3-2: Widerstand Im Schweißstromkreis beim Punktschweißen

Abbildung 3-3: Widerstände beim Widerstandspunktschweißen

Abbildung 3-4: Aufbau einer Einphasen-Punktschwelßmaschlne

Abbildung 3-5: Vergleich Kraftanstlegsverhalten

Abbildung 3-6: Prinzipskizze einer Mittelfrequenzschweißanlage

Abbildung 3-7: Einfluss des Schweißstroms auf die Scherzugfestigkeit

Abbildung 3-8: Nebenschlusseffekt

Abbildung 3-9: Ablauf einer Punktschweißung

Abbildung 3-10: Zulässige Schweißstrom/Schweißzeit-Kombinationen

Abbildung 4-11: Hochfrequenzschweißen von Rohren mit Schleifkontakten

Abbildung 4-12: RoboSpin - schematischer Verfahrensablauf

Abbildung 4-13: Numerische Simulationsmethoden

Abbildung 4-14: Netzdichte SORPAS®

Abbildung 5-15: Punktschweißzangen in X- und C-Bauwelse

Abbildung 6-16: Funktionsprinzip Lasertriangulation

Abbildung 6-17: Prinzipskizze Messanordnung

Abbildung 6-18: SORPAS®-Einstellung Werkstoff

Abbildung 6-19: SORPAS®-Einstellung Elektrodenkappen

Abbildung 6-20: SORPAS®-Elnstellung Schweißstromquelle

Abbildung 6-21: SORPAS®-Elnstellung Prozessparameter

Abbildung 6-22: SORPAS®-Elnstellung Netzdichte

Abbildung 6-23: SORPAS®-Elnstellung Schweißbereichsdiagramm

Abbildung 6-24: SORPAS®-Einstellung MFDC-Schwelßstromquelle

Abbildung 7-25: Schweißbereich für HX340LAD mit 50 Hz Wechselstrom

Abbildung 7-26: Schweißbereich für HX340LAD mit 10 kHz Gleichstrom

Abbildung 7-27: Stromregelung 1000 Hz-Technologle

Abbildung 7-28: Vergleich Schweißbereiche 1 kHz, tw=100ms

Abbildung 7-29: Stromverlauf und Schweißbereich für 10 kHz

Abbildung 7-30: Schweißbereich 1 kHz kontinuierlich (ts=50ms)

Abbildung 7-31: Wachstumskurve 1000 Hz kontinuierlich geschweißt

Abbildung 7-32: Wachstumskurve 1 kHz mit 1 ms Pulsen geschweißt

Abbildung 7-33: Wachstumskurve 10 kHz mit 0,5 ms Pulsen geschweißt

Abbildung 7-34: Schweißbereich 10 kHz mit 0,1 ms Pulsen, tw=10 ms

Abbildung 7-35: Schweißbereich 20 kHz mit 0,05 ms Pulsen, tw=10 ms

Abbildung 7-36: Signalverlauf HX340LAD+Z100,8,0 kA, 2,5 kN, 100ms, 10°

Abbildung 7-37: Widerstandsverlauf HX340LAD+Z100,8,0kA, 2,5kN, 100ms, 0° und 10°

Abbildung 7-38: Widerstandsverlauf HX340LAD+Z100,8,6kA, 3,5kN, 200ms, 0° und 10°

Abbildung 7-39: Signalverlauf HX340LAD+Z100, 7,8 kA, 2,5 kN, 200ms, 5°

Abbildung 7-40: Widerstandsverläufe EN AW-6082 (T6), 18kA, 3,5kN, 100ms, 0° und 15°

Abbildung 7-41: Signalverlauf EN AW-6082 (T6), 7,8 kA, 2,5 kN, 200ms, 15°

Abbildung 7-42: Widerstands- und Signalverläufe EN AW-6082 (T6), 18kA, 2,5kN, 100ms, 5°.

Abbildung 7-43: Verlauf Punktdurchmesser Standmengenanalyse

Abbildung 7-44: Entwicklung Kontaktflächenaussehen mit 0° Drehung und 5° Drehung

Abbildung 7-45: Elektrodenkappen ohne Drehung nach 195 Schweißpunkten

Abbildung 7-46: Elektrodenkappen mit 5° Drehung nach 195 Schweißpunkten

Abbildung 7-47: Elektrodenkappen mit 5° Drehung nach 455 Schweißpunkten

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Vergleich der Energieformen versch. Steuerungssysteme

Tabelle 3-2: Schweißdaten zum Punktschweißen

Tabelle 5-3: Chemische Zusammensetzung HX340LAD

Tabelle 5-4: Chemische Zusammensetzung EN AW-6082 (T6)

Tabelle 5-5: Chemische Zusammensetzung EN AW-5754

Tabelle 8-6: Wechselwirkung Pulsfrequenz mit Schweißparametern

Formelzeichen und Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

1 Einleitung

Die Entwicklung des Widerstandspunktschweißens mit Kupferelektroden Ende des 19. Jahrhunderts stellt gleichzeitig den Beginn des industriellen Durchbruchs des Widerstandsschweißens dar. Die Möglichkeit, über elektrischen Strom gezielt Wärme in die Fügestelle zu leiten, hat das Verbinden von Blechwerkstoffen auch hinsichtlich Produktivität und Automatisierbarkeit revolutioniert. Die verschweißbaren Bauteildimensionen können dabei durch die Form und Größe der Elektroden beeinflusst werden, weshalb sich das Widerstandspunktschweißen dank geringem Bauteilverzug auch für die Herstellung kleinster Komponenten der Elektronikindustrie eignet. In der blechverarbeitenden Fertigung machen diese Eigenschaften, sowie die Möglichkeit des Fügens unterschiedlichster Metallkombinationen, das Widerstandspunktschweißen auch heute noch zum bedeutendsten Fügeverfahren. Und mit bis zu 5000 gesetzten Schweißpunkten pro Fahrzeugkarosserie hat das Punktschweißen maßgeblichen Anteil an der rentablen Fertigung im Automobilbau. Es unterliegt daher ständigen Bestrebungen, hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit optimiert zu werden.

Der Rahmen dieser Arbeit umfasst die Erläuterung der technologischen Grundlagen des Fügeprozesses, sowie die Untersuchung von Optimierungspotentialen. Dafür werden mit der Verwendung hochfrequenter Stromquellen und dem Einbringen von Relativbewegungen zwei unterschiedliche Herangehensweisen betrachtet. Zusätzlich zur theoretischen Diskussion werden diese mit praktischen Punktschweißversuchen validiert. Ziel der Arbeit ist es, durch Vergleiche mit den Resultaten herkömmlicher Punktschweißungen Einsatzmöglichkeiten und -grenzen der Optimierungs­ansätze aufzuzeigen.

2 Motivation

Sein hoher Grad an Automatisierbarkeit sowie die geringen Investitionskosten für die Anlagentechnik machen das Widerstandspunktschweißen nach wie vor zu dem dominierenden Fügeverfahren im Karosseriebau. Der verstärkte Einsatz von Leichtbaumaterialen wie Aluminium verlangt jedoch nach Konzepten, auch zukünftig die Prozesssicherheit, Verbindungssicherheit und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. Der Kontaktsituation zwischen Elektrodenkappe und Blech­werkstoff kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Sie sorgt für gleichbleibende Prozessbedingungen und damit für konstante Ergebnisse. Möglichkeiten zur Standzeitverbesserung der Elektrodenkappen stellen somit einen Schlüssel zur Behauptung des Widerstandspunktschweißens gegenüber alternativen Fügeverfahren wie dem Laserstrahlschweißen oder Durchsetz­fügen dar. Zwei aussichtsreiche Maßnahmen diesbezüglich sind die Verwendung hochfrequenter Stromquellen sowie das Einbringen von Relativbewegungen während des Fügeprozesses, welche sich in ihrem Charakter grundlegend unterscheiden. So haben Hochfrequenz-Inverter das Potential, die Elektrodenkräfte und somit auch den Elektrodenverschleiß bei gleichbleibenden Prozessparametern auf elektronischem Wege durch die verbesserte Regelbarkeit des Schweißstromes zu reduzieren. Das Einbringen von Relativbewegungen der Elektroden während des Fügeprozesses stellt hingegen eine rein mechanische Maßnahme dar, um eine verbesserte Kontaktsituation zu erreichen und den durch Anhaftungen verursachten Elektrodenverschleiß zu minimieren. Es ist daher notwendig, anhand des zu verschweißenden Werkstoffs und der damit eventuell verbundenen Probleme hinsichtlich der Elektrodenstandzeit eine Auswahl zugunsten einer dieser Maßnahmen zu treffen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen dabei helfen die zwei verschiedenen Ansätze der Elektrodenstandzeitverlängerung besser zu verstehen und so die Entscheidung zu erleichtern.

3 Allgemeine Grundlagen des Widerstandspunktschweißens

3.1 Verfahrensprinzip

Das Widerstandspunktschweißen ist ein Widerstandspressschweißverfahren. Es macht sich somit den physikalischen Effekt zunutze, wonach in elektrischen Widerständen im Falle eines Stromflusses Wärme entsteht. Über die Punktschweißelektroden werden dabei sowohl Schweißstrom als auch Presskraft auf die überlappt angeordneten Fügepartner übertragen. Infolge des Stromflusses über den elektrischen Widerstand der Schweißzone kommt es durch die so entstehende Stromwärme an den Stirnflächen der zu fügenden Werkstoffe zu einem linsenförmigen Aufschmelzen des Werkstoffes. Der bis zum Erstarren des Schweißbades wirkende Anpressdruck durch die Elektroden unterstützt zusätzlich die Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung. Dabei werden zwei Arten der Elektrodenpositionierung unterschieden. Beim einseitigen Punktschweißen werden die Elektroden nebeneinander stehend von einer Seite den Werkstücken zugeführt, während auf der Gegenseite sogenanntes „Unterkupfer“ sowohl für den elektrischen als auch den mechanischen Widerstand sorgt. Das zweiseitige Punktschweißen hingegen ist durch gegenüberliegende Elektroden gekennzeichnet, die den Fügepartnern von beiden Seiten zugeführt werden. Beide Verfahrensvarianten sind in Abbildung 3-1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-1: Verfahrensvarlanten des Punktschweißens Quelle: [1]

Infolge von Verlusten durch Wärmeleitung in die Elektroden und Werkstücke, sowie durch Wärmestrahlung in die Umgebung, wird nur ein kleinerer Teil der zugeführten Wärmemenge tatsächlich zum Aufschmelzen der Fügepartner genutzt. Mit 60 ... 70 % wird ein Großteil dieser Verlustwärme von den Punktschweißelektroden aufgenommen [2]. Die zugeführte Wärmemenge entspricht gemäß dem Jouleschen Gesetz der umgesetzten elektrischen Leistung und lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

(3.1)

Neben dem Schweißstrom und der Stromflusszeit ist demnach der elektrische Gesamtwiderstand der Fügestelle ein für die zugeführte Wärmemenge relevanter Faktor. Er setzt sich dabei aus den Stoffwiderständen von Werkstücken und Elektroden sowie den zugehörigen Übergangs- bzw. Kontaktwiderständen zusammen. Abbildung 3-2 stellt die einzelnen elektrischen Widerstände im Schweißstromkreis schematisch dar. Rsi bis Rs4 bezeichnen dabei die Stoffwiderstände von Elektroden und Fügepartnern, während Ren bis Rü3 die Übergangswiderstände kennzeichnen.

Zur linsenförmigen Ausbildung des Schweißbades an den Stirnflächen der Fügepartner ist es somit notwendig, dass der Übergangswiderstand Rü2 am größten ist und dort die stärkste Wärmeentwicklung auftritt. Um ihren eigenen Stoffwiderstand und den Übergangswiderstand zum Werkstück so gering wie
möglich zu halten, bestehen die Punktschweißelektroden daher aus elektrisch gut leitfähigen Kupferlegierungen. Aufgrund der geringen Warmfestigkeit von Kupfer werden sie in der Regel zusätzlich wassergekühlt, um eine ungünstige Verformung der Elektrodenkappen infolge der Presskraft zu vermeiden. Zudem ist Kupfer wie alle Metalle ein Kaltleiter und sein elektrischer Widerstand steigt bei Erwärmung. Dieser Effekt liegt auch der Inkonstanz des Gesamtwiderstandes im Verlauf der Schweißzeit zugrunde. Während die Stoffwiderstände von Werkstücken und Elektroden infolge der Erwärmung steigen, brechen die Übergangswiderstände durch Ausbildung einer Schmelzverbindung zwischen den Werkstoffen zusammen und haben keinen weiteren Einfluss auf den Schweißprozess. Abbildung 3-3 stellt diesen zeitlichen Verlauf in Per dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3-3: Widerstände beim Widerstandspunktschweißen Quelle: [3]

Zur Minimierung der Kontaktwiderstände beginnt der Schweißvorgang mit dem Aufbringen des Anpressdrucks durch die Elektroden. Erst nach Erreichen des vollen Drucks setzt die Wärmeentwicklung durch Einschalten des Schweißstromes ein. Über die Elektrodenkraft lassen sich zudem Toleranzfehler der Fügeteile ausgleichen. Dieser Wegfall der Nahtvorbereitung (die Fügestellen müssen lediglich frei von Verunreinigungen sein), sowie das nahezu nacharbeitsfreie Ergebnis des Schweißprozesses, sorgen für eine sehr gute Automatisierbarkeit des Verfahrens. Da aufgrund der großen Kerbwirkung am Schweißpunkt und der damit einhergehenden geringen Dauerfestigkeit in der Regel viele Fügestellen notwendig sind, hebt sich der wirtschaftliche Vorteil der kurzen Schweißzeiten jedoch oftmals auf. Aus technologischer Sicht sorgt diese Eigenschaft dagegen für kleine Wärmeeinflusszonen und somit eine geringe thermische Belastung des Grundwerkstoffs.

3.2 Anlagenaufbau

Bei Widerstandspunktschweißanlagen wird zwischen ortsfesten und ortsveränderlichen Maschinen unterschieden. Anhand der Vor- und Nachteile dieser unterschiedlichen Bautypen erfolgt die Auswahl entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Fügeaufgabe. Ortsfeste Punktschweißanlagen sind dabei üblicherweise als Ständermaschinen konstruiert. Die mechanisch steife Bauweise ermöglicht das Aufbringen hoher Elektrodenkräfte sowie Dank großer Ausladungen das Arbeiten mit hohen Strömen, was vor allem bei Vielpunktschweißungen und dem Fügen großer Blechstärken notwendig ist. Die Einzelbaugruppen einer solchen stationären Punktschweißmaschine zeigt die Abbildung 3-4

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Die Hauptkomponenten bilden dabei das Maschinengestell, die Auslegerarme, die Stromquelle und die Steuerungseinheit. Sie finden sich in der Form auch bei Buckel- und Rollennahtschweißmaschinen wieder.

Die ortsveränderlichen Punktschweißzangen finden heutzutage vor allem an Schweißrobotern Verwendung. Der Transformator ist in diesem Fall direkt in die Zange integriert, wodurch Gewicht und Abmessungen eine manuelle Handhabung erschweren. Zum Führen und Positionieren der Schweißzange per Hand kommt deshalb ein Kabel zum Einsatz, welches sekundärseitig an den stationären Transformator angeschlossen wird. Zusätzlich erfolgt meist die

Befestigung an einer Lastausgleichshilfe (Auslegerkran), um angesichts des hohen Gewichts und des Schlauchpakets aus Strom-, Kühlwasser- und eventueller Druckluftversorgung ein komfortables Arbeiten zu ermöglichen. Dabei sind üblicherweise beide der gegenüberliegenden Elektroden von Roboterschweißzangen beweglich ausgeführt, während bei Ständermaschinen lediglich eine Elektrode die Druckbewegung vollführt. Aufgrund der geringeren Steifigkeit von ortsveränderlichen Punktschweißanlagen kann es infolge von unzureichend fluchtenden Elektroden zu einer Verringerung der Kontaktfläche kommen. Um die damit einhergehende Erhöhung des Kontaktwiderstandes zu vermeiden, werden in der Praxis häufig Elektroden mit einer balligen Arbeitsfläche eingesetzt.

Im Gegensatz zu vielen Lichtbogenschweißverfahren arbeitet das Widerstandsschweißen mit sehr hohen Stromstärken. Die Bereitstellung der Schweißströme von bis zu 65 kA erfolgt mit Hilfe von Widerstands­schweißtransformatoren. Diese sind durch eine geringe Anzahl an Windungen auf der Sekundärseite bei einem gleichzeitig entsprechend großen Querschnitt gekennzeichnet. Wie auch die Punktschweißelektroden unterliegen sie meist einer Wasserkühlung. Aufgrund der unsymmetrischen Netzauslastung durch einphasig angeschlossene Transformatoren, setzt sich vor allem für Widerstandsschweißungen mit hohen Leistungen und von Bauteilen mit guter thermischer Leitfähigkeit die Anwendung von Gleichstrom mit Invertern durch. Bei gleicher Leistung besitzen diese nur etwa 30 % des Gewichts eines Transformators [2]. An Schweißrobotern montiert, lassen sich so Anlagen mit wesentlich geringerer Tragkraft und höherer Dynamik verwenden.

3.3 Kraftsysteme

Zur Bereitstellung der Elektrodenkraft kommen beim Widerstands­punktschweißen sowohl pneumatische und hydraulische Systeme als auch servogeregelte (Verbund aus Ansteuerungs- und Antriebseinheit) Elektromotoren zum Einsatz. Die verschiedenen Kraftsysteme unterscheiden sich dabei hinsichtlich Bauvolumen und Gewicht. Ihre Auswahl richtet sich daher nach Größe und Bauform der Punktschweißanlage, sowie nach den für die Fügeaufgabe benötigten Elektrodenkräften. Hier lohnt es sich, die verschiedenen Energieträger miteinander zu vergleichen, wie in Tabelle 3-1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Tabelle 3-1: Vergleich der Energieformen versch. Steuerungssysteme Quelle: [5]

Ein Blick auf die Leistungsdichten von Pneumatik, Hydraulik und Elektronik zeigt, dass zum Aufbringen eines hohen Anpressdrucks, wie er beispielsweise beim Fügen großer Blechstärken benötigt wird, der Einsatz hydraulischer Kraftsysteme zweckmäßig ist. Zur Aufnahme hoher Kräfte ist jedoch eine ebenso hohe bauliche Steifigkeit notwendig, wie sie sich nur bei ortsfesten Ständermaschinen realisieren lässt. An Schweißrobotern finden somit ausschließlich pneumatische und elektrische Kraftsysteme Verwendung. Durch die hohe bzw. potentiell unbegrenzte Übertragungsreichweite sind zudem keine Einschränkungen in Flexibilität und Dynamik zu erwarten.

Zurzeit sind drei Krafterzeugungssysteme für den Einsatz an Schweißzangen verbreitet. Die Schaltpneumatik, die Servopneumatik und die Servomotorik [6]. Dabei arbeiten die Druckluftsysteme nach ähnlichen Prinzipien. Der über ein Proportionalventil eingestellte Luftdruck erzeugt durch einen Pneumatikzylinder die gewünschte Elektrodenkraft. Der Unterschied zwischen beiden Technologien zeigt sich in der Regelungsmöglichkeit. Während Schaltpneumatiken über keine Signalrückführung verfügen, besitzen

Servopneumatiken ein inkrementeiles Wegmesssystem, was die Elektrodenkraftanpassung während des Schweißprozesses ermöglicht. Vor allem anspruchsvolle Fertigungsaufgaben, wie Mehrblechverbindungen und das Fügen höherfester Stähle, lassen sich so prozesssicher ausführen [6].

Einen Nachteil von pneumatischen Systemen stellen die Entlüftungsgeräusche dar, die beim Entweichen der Abluft in die Atmosphäre auftreten. Das Ersetzen von Druckluftsystemen durch Spindelmotoren zur Kraftaufbringung ist somit nicht nur günstiger in Anschaffung und Energieverbrauch, sondern zudem auch mit einer wesentlich geringeren Lärmbelastung verbunden. Regelungssysteme sorgen auch hier für die Möglichkeit einer Elektrodenkraftanpassung während des Schweißprozesses. Ein weiterer Vorteil der Servomotoren ist das günstigere Kraftanstiegsverhalten. Der erforderliche Anpressdruck wird wesentlich schneller erreicht, wodurch die Vorhaltezeit praktisch entfällt. Einen Vergleich diesbezüglich zeigt Abbildung 3-5.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

3.4 Stromsysteme

Durch die steigenden Anforderungen an Produktionsgüter und deren wirtschaftliche Fertigung unterliegt auch das Widerstandspunktschweißen einer stetigen Entwicklung, um die auftretenden Problematiken beim Fügeprozess zu bewältigen. Das Potential einer Abkehr von den herkömmlichen Wechselstrom­transformatoren zur Verbesserung der Konstanz des Schweißstromes und einer Erhöhung dessen Regelbarkeit wurde dabei frühzeitig erkannt. Aufgrund des direkten Zusammenhangs der Steuerungsmöglichkeiten des Stromflusses zur Arbeitsfrequenz der Transformatoren stellt eine Erhöhung dieser einen sinnvollen Ansatz zur Optimierung des Schweißprozesses dar. Im Folgenden sollen die heute üblicherweise angewendeten Stromsysteme näher erläutert werden, wobei die Gliederung gleichzeitig eine Chronologie der Entwicklungsgeschichte darstellt.

3.4.1 50 Hz-Systeme

Die Wechselstromschweißung mit Netzfrequenz stellt aufgrund der geringen Gerätekosten noch immer das am häufigsten angewendete Verfahren dar, vor allem beim Fügen von Stahlblechen. Zur Stromumformung kommt demnach ein Schweißtransformator mit wenigen Windungen auf der Sekundärseite zum Einsatz, da die erforderlichen Spannungen selten Werte von 10 V übersteigen. Entsprechend große Windungsquerschnitte sorgen dabei für die Realisierung der notwendigen hohen Schweißströme. Zur Steuerung dienen heute im Allgemeinen Thyristorsteller, die als Leistungsschalter eingesetzt werden. Durch eine Beschneidung des sinusförmigen Verlaufs der Wechselspannung an jeder Halbwelle wird der Effektivwert der Spannung und somit die Strom- und Leistungsaufnahme des Verbrauchers gesteuert. Dieser Vorgang wird auch als Phasenanschnittsteuerung bezeichnet und, aufgrund der oft sehr kurzen Schweißzeiten von wenigen Perioden der Wechselspannung, der Verwendung von mechanischen Schaltern (wie z.B. Schützern) vorgezogen. Nachteil des Wechselstrombetriebs ist die ungleichmäßige Netzbelastung durch den einphasigen Anschluss der Transformatoren. Ein derartiger Betrieb ist nur bis zu einer bestimmten Leistungsgrenze zulässig, weshalb für Fügeaufgaben mit sehr hohen Leistungen Gleichstrom Anwendung findet.

3.4.2 1 kHz-Systeme

Zur Realisierung von Arbeitsfrequenzen zwischen 500 und 1200 Hz hat sich in den letzten Jahren die sogenannte Gleichstrom-Mittelfrequenz-Invertertechnik etabliert. Vor allem beim Fügen von thermisch gut leitfähigen Werkstoffen würde die notwendige Erhöhung der Schweißstromstärken ein deutlich größeres Bauvolumen der Transformatoren und somit ein höheres Gewicht der Schweißzangen verursachen. Für den Einsatz an Robotern müssten demnach Anlagen mit einer wesentlich höheren Tragkraft verwendet werden. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Gleichstrom einen weitaus ruhigeren und gleichmäßigeren Schweißprozess bei einer konzentrierten Wärmeeinbringung, was sich vor allem bei Fügestellen mit einem geringen Abstand zur Werkstückkante als nützlich erweist. Über einen 6-pulsigen Gleichrichter wird der dreiphasige Eingangsstrom zunächst gleichgerichtet und anschließend im Mittelfrequenzwechselrichter (Inverter) in höherfrequenten Wechselstrom von 1 kHz zerhackt. Dieser wird anschließend im Schweißtransformator in für den Fügeprozess geeignete Werte gewandelt und gleichgerichtet, wodurch an der Schweißstelle ein exakt geregelter Gleichstrom anliegt. Abbildung 3-6 zeigt die Hauptbaugruppen einer Mittelfrequenzschweißanlage. Den zahlreichen Vorteilen des Systems im Vergleich zu denen mit Wechselstromtechnik steht ein deutlich höherer Anlagenpreis gegenüber.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3-6: Prinzipskizze einer Mittelfrequenzschweißanlage Quelle: [2]

3.4.3 Systeme mit Frequenzen von 10 kHz und mehr

Hinter den Untersuchungen zum Einsatz hochfrequenter Stromsysteme steht in erster Linie die Bestrebung, durch Erhöhung der Arbeitsfrequenz sowohl Abmessungen als auch Gewicht der eingesetzten Schweißtransformatoren zu verringern. Eine hohe Last an einem Roboterarm führt nicht nur zu starkem Verschleiß der Maschinenelemente, sondern verringert auch die Positioniergenauigkeit der Schweißzange [8]. Andererseits lassen sich durch die Einsparungen an Transformatorgewicht auch leistungsfähigere Krafterzeugungssysteme verwenden, was vor allem beim Fügen von hochfesten oder beschichteten Stählen, wo hohe Elektrodenkräfte benötigt werden, von Vorteil ist. Der Anlagenaufbau ¡steinern Mittelfrequenzinverter sehr ähnlich. Allerdings werden die Leistungsschalter bei Hochfrequenzinvertern mit bis zu 20 kHz angesteuert. Dadurch lässt sich der Schweißstrom noch besser regeln, was dessen Güte erheblich steigert. So ist das System in der Lage auch kürzeste Schweißzeiten von bis zu einer halben Periode (entspricht etwa 0,025 Millisekunden) zu realisieren, wie es sowohl beim Fügen von Klein- und Mikrobauteilen, aber auch beim Schweißen von thermisch gut leitenden Werkstoffen (wie zB. Kupfer) notwendig ist.

3.5 Prozesskenngrößen

Der Widerstandspunktschweißvorgang ist über die zugeführte Wärmemenge gemäß Gleichung 3.1 von drei Faktoren abhängig. Diese Prozessgrößen sind der Schweißstrom, die Stromfluss- bzw. Schweißzeit, sowie der elektrische Gesamtwiderstand der Fügestelle. Da die Stoffwiderstände in der Regel durch Elektroden- und Konstruktionswerkstoffe vorgegeben und somit nicht beeinflussbar sind, lassen sich die Übergangswiderstände über die Elektrodenkraft regeln. Ein korrektes Abstimmen dieser Kenngrößen sorgt nicht nur für eine hohe Prozesssicherheit, sondern auch eine optimale Energieauslastungen. Der Einfluss der einzelnen Prozessparameter auf den Schweißvorgang soll nachstehend erläutert werden.

3.5.1 Strom

Zufriedenstellende Ergebnisse sind beim Widerstandspunktschweißen vom Zusammenspiel aller beteiligten Prozesskenngrößen abhängig. Auf der Suche nach einer geeigneten Parameterkombination ist es dabei am zweckmäßigsten, jeweils nur einen Parameter zu verändern und die unterschiedlichen Ergebnisse des Schweißprozesses zu beobachten. Durch seinen hohen Einfluss auf den Erwärmungsvorgang und der überaus einfachen Einsteilbarkeit, handelt es sich dabei in der Regel um den Schweißstrom [9]. Im Gegensatz zu den gängigen Lichtbogenschweißverfahren liegt er beim Widerstandspunktschweißen üblicherweise im Bereich von mehreren kA, bei Spannungen von deutlich weniger als 20 V. Eine Erhöhung des Schweißstroms geht auch immer mit einer stärkeren Erwärmung einher. Das führt im ungünstigsten Fall sowohl zu Spritzer- und Porenbildung, als auch zu einer plastischen Verformung von Werkstück- und Elektrodenoberfläche durch die Elektroden kraft. Geringe Stromstärken wirken sich hingegen negativ auf die Scherzugfestigkeit von Punktschweißverbindungen aus. Einen entsprechenden Zusammenhang stellt Abbildung 3-7 dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3-7: Einfluss des Schweißstroms auf die Scherzugfestigkeit von Punktschweiß­verbindungen Quelle: [10]

Da sich ungünstig eingestellte Schweißstromwerte oftmals über die Elektrodenkraft oder die Stromflusszeit korrigieren lassen, ist vielmehr die Konstanz des Stroms während des Fügeprozesses wichtig. Schwankungen werden dabei vor allem durch sogenannte Nebenschlussverluste, die Induktivität der Sekundärschleife des Transformators oder Netzschwankungen an sich verursacht. Dieser Zusammenhang wird aus der Gleichung 3-2 deutlich, welche die Einflussfaktoren auf die Stromstärke in einem Wechselstromkreis zeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Die Induktivität ist dabei eine Eigenschaft von stromdurchflossenen Leitern, durch eine Änderung des elektrischen Stroms, und damit einer Änderung des Magnetfeldes, eine elektrische Spannung zu induzieren, die dieser Stromänderung entgegenwirkt. Sie sollte daher so klein wie möglich sein, was ebenso für den ohmschen Widerstand im Sekundärstromkreis zutrifft. Nebenschlusseffekte hingegen haben ihre Ursache nicht in der Transformatortechnik, sondern sind auf konstruktive Mängel der zu verschweißenden Bauteile und eine fehlerhafte Anwendung des Fügeverfahrens zurückzuführen. Dabei fließt ein Teil des Schweißstroms über bereits vorhandene Schweißpunkte oder Teile der Werkstücke und fehlt somit zum Aufschmelzen des Werkstoffs, was zu ungenügenden Verbindungen führt. Abbildung 3-8 zeigt die zwei häufigsten Gründe für das Auftreten von Nebenschlussströmen.

Abbildung 3-8: Nebenschlusseffekt Quelle: [2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

3.5.2 Elektrodenkraft

Die Elektrodenkraft dient in erster Linie zur Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen den Elektroden und Werkstücken, sowie den Stirnflächen der Fügepartner. Sie wird in kN angegeben und richtet sich der Stärke der zu verschweißenden Werkstücke. Eine Zunahme der Blechdicke erhöht dabei den nötigen Wert für die Elektrodenkraft. Der eigentliche Schweißprozess durch Anlegen des Schweißstroms beginnt erst, wenn der volle Anpressdruck durch die Elektroden erreicht ist, was auch als Vorhaltezeit bezeichnet wird. Nach Ausbildung des Schmelzbades bleibt die Elektrodenkraft bis zum Erstarren der Schweißlinse bestehen und unterstützt durch diese Nachhaltezeit das Entstehen einer formschlüssigen Verbindung. Abbildung 3-9 zeigt dabei den großen zeitlichen Anteil der Druckaufbringung während des Ablaufs einer Punktschweißung im Vergleich zur reinen Schweißzeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3-9: Ablauf einer Punktschweißung Quelle: [2]

Ein zu geringer Anpressdruck wirkt sich in vielerlei Hinsicht negativ auf den Schweißprozess aus. Zum einen sorgt die damit einhergehende Erhöhung des Übergangswiderstandes für eine größere thermische Belastung der Punktschweißelektrode und somit für eine geringere Standmenge. Bei zu geringer Presskraft zwischen den Fügepartnern kommt es zudem zur Spritzerbildung. Eine zu groß gewählte Elektrodenkraft hingegen kann eine unzulässige Deformation der Werkstückoberfläche bewirken. Elektroden mit balligen Arbeitsflächen leiden außerdem unter einer Vergrößerung dieser, wodurch die bessere Punktberührung zwischen Elektrode und Werkstück verloren geht. Diese negativen Effekte eines zu hohen Anpressdrucks werden bei gleichzeitig ungünstig (d.h. zu groß) gewählten Werten für die Prozessparameter Schweißstrom und Schweißzeit, infolge der gesteigerten Erwärmung, noch verstärkt. Eine weitere Herausforderung für das Aufbringen einer korrekten Elektrodenkraft stellen konstruktive Mängel der Werkstücke dar. Durch eine eingeschränkte Zugänglichkeit der Fügestelle müssen die Elektrodenarme unter Umständen gebogen oder gekröpft ausgeführt sein. Das kann im ungünstigsten Fall dafür sorgen, dass der vom Krafterzeugungssystem aufgebrachte Anpressdruck durch die Elektrodenarme nicht vollständig auf die Schweißzone übertragen werden kann. Es ist daher notwendig, bereits in der Bauteilplanung darauf zu achten, durch konstruktive Maßnahmen den Einsatz von möglichst geraden Armen und Elektroden zu ermöglichen.

3.5.3 Stromflusszeit

Wie auch der Schweißstrom und die Elektrodenkraft beeinflusst die Stromfluss- bzw. Schweißzeit den Fügevorgang und ist für ein zufriedenstellendes Ergebnis mit den anderen beiden Kenngrößen abzustimmen. Durch die üblicherweise sehr hohen Stromstärken beim Widerstandspunktschweißen zeigt sich bereits, dass sich die Schweißzeit in sehr geringen Dimensionen bewegt. Eine Angabe erfolgt daher meist nicht in Sekunden, sondern Periodendurchgängen (bei Wechselstromschweißungen). Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht das einer Dauer von 20 ms. Um die Einflüsse unterschiedlicher Schweißzeiten auf die Eigenschaften des Fügeprozesses besser bewerten zu können, wird zwischen Kurz-, Mittel- und Langzeit unterschieden. Ihr Einfluss ist in Tabelle 3-2 zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Tabelle 3-2: Schweißdaten zum Punktschweißen Quelle: [1]

Eine optimale Energieauslastung, d.h. die Reduzierung von entstehender Verlustwärme, ist dabei stets durch eine Kombination von hohen Schweißströmen und kürzesten Stromflusszeiten zu erreichen. Gemäß Abbildung 3-10 sind mit dieser Parameterkombination auch die besten Schweißergebnisse zu erwarten. Eine Erhöhung der Schweißzeit erfolgt demnach in der Regel nur bei dem Fügen großer Blechstärken, um ein ausreichendes Aufschmelzen des Grundwerkstoffs zu ermöglichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-10: Zulässige Schweißstrom/Schweißzeit-Kombinationen Quelle: [9]

4 Vorbetrachtungen

Bei Optimierungsversuchen zum Widerstandspunktschweißen sind häufig die Elektroden- bzw. Elektrodenkappen der erste Ansatzpunkt. Über Änderungen der Legierungszusammensetzung oder eine Randschichtbehandlung lassen sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die Festigkeit beeinflussen. Dadurch ergeben sich hinsichtlich des Elektrodenverschleißes die größten Prozessverbesserungspotentiale. Darüber hinaus sind der Blechwerkstoff mit seinen Schweißeigenschaften, und damit auch die Parameter für Stromstärke und Elektrodenkraft, die aus Schweißbereichsdiagrammen ermittelt werden, vom Konstrukteur vorgegeben und nicht zu verändern [11]. Diese Arbeit soll nun Optimierungsansätze liefern, die sich stattdessen an einer Steigerung der Arbeitsfrequenz der Schweißtransformatoren und einer Einbringung von zusätzlichen Relativbewegungen der Elektroden orientieren. Die Grundlagen sollen nachfolgend durch Vorbetrachtungen näher erläutert werden.

4.1 Technologische Vorbetrachtungen

4.1.1 Prozessbeeinflussung durch Steigerung der Stromfrequenz

Der Einsatz von hochfrequenten Schweißströmen beschränkt sich im Bereich der Widerstandsschweißtechnik zurzeit auf zwei hauptsächliche Anwendungs­gebiete. Die Vorteile einer erhöhten Arbeitsfrequenz werden dabei auf völlig unterschiedliche Weise genutzt. Beim Widerstandspunktschweißen im pm-Bereich ist beispielsweise eine gezielte Energieeinbringung nötig, um die Bauteile vor Beschädigung durch zu intensive Wärmeentwicklung oder Verformung zu schützen. Im Vergleich zum konventionellen Punktschweißen wird daher mit sehr viel kürzeren Stromflusszeiten gearbeitet, deren exakte Regelbarkeit direkt von der Arbeitsfrequenz der Schweißstromquelle abhängt. Den anderen Anwendungsfall stellt die Herstellung von Stahlrohren mit großen Durchmessern dar. Dabei wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 300 bis 1000 kHz über Schleifkontakte dem Blechwerkstoff zugeführt, dass über ein Rollensystem endkonturnah umgeformt wird [12]. Durch die eingebrachte Erwärmung kommt es zu einem Aufschmelzen der Stoßflächen und schließlich durch ein Formwalzenpaar zur Aufbringung des nötigen Anpressdrucks, wodurch sich nach Abkühlen der Naht eine formschlüssige Verbindung eingestellt hat. Das Verfahrensprinzip ist in Abbildung 4-11 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 4-11: Hochfrequenzschweißen von Rohren mit Schleifkontakten Quelle: [3]

Die Stromdichte, und folglich auch die Erwärmung, ist in von höherfrequentem Wechselstrom durchflossenen Leitern in Oberflächennähe am größten. Dabei spricht man vom sogenannten „Skin-Effekt“. Die Tiefe dieser Skin-Schicht verhält sich dabei umgekehrt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffs und ist zudem von der Frequenz des Wechselstroms abhängig. Während sie bei schlechten Leitern vergleichsweise groß ist, liegt sie beispielsweise bei Kupfer und einem 100 kHz Strom im Submillimeterbereich. Daher wird das Verfahren hauptsächlich zur Fertigung von Stahlrohren genutzt. Inwieweit sich höherfrequente Stromquellen auch beim konventionellen Widerstandspunktschweißen zur Anwendung bringen lassen können, soll Gegenstand der Untersuchungen in dieser Arbeit sein und simulativ ermittelt werden.

4.1.2 Prozessbeeinflussung durch zusätzliche Relativbewegungen

Das klassische, robotergeführte Widerstandspunktschweißen stellt einen Punktprozess dar. Somit führt der Roboter lediglich die Zangenversatzbewegung von einem Schweißpunkt zum nächsten aus, während der eigentliche Fügeprozess im Stillstand der Elektroden geschieht. Die dabei auftretenden Beschleunigungs- und Abbremsphasen der Antriebe stellen eine hohe Belastung der Roboterkinematik dar und erhöhen darüber hinaus die Nebenzeit des Schweißprozesses. Mit dem von der Firma KUKA Systems entwickelten Verfahren RoboSpin ist es gelungen, durch eine kontinuierliche Zangenbewegung auch während des Schweißvorgangs, den ursprünglichen Punktprozess in einen Bahnprozess ohne sequenziellen Stillstand des Roboters während des Fügevorgangs zu verwandeln. Dabei drehen sich die Elektroden während des Schweißens in einem bestimmten Winkel um ihre eigene Achse, während noch beim Schweißprozess die Neuorientierung der Roboterachsen zum nächsten Schweißpunkt erfolgt. Es kann sowohl mit festen Drehwinkeln gearbeitet werden, als auch mit taktzeitoptimierten Drehwinkeln für jeden Schweißpunkt, die vorher versuchstechnisch ermittelt werden müssen. Stets zu beachten ist dabei die Zugänglichkeit zum Werkstück, um so das kollisionsfreie Arbeiten der Roboterkinematik zu gewährleisten. Abbildung 4-12 stellt den Verfahrensablauf schematisch dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4-12: RoboSpin - schematischer Verfahrensablauf Quelle: [13]

Neben der zeitlichen Überlagerung von Schweißvorgang und Zangenversatzbewegung und der damit verbundenen Taktzeitverkürzung, besteht durch die Bewegung während des Schweißprozesses eine bessere Kontaktsituation zwischen Elektrode und Werkstück.

[...]

Ende der Leseprobe aus 90 Seiten

Details

Titel
Grundlagen des Widerstandspunktschweißens mit hochfrequenten Stromquellen und mit mehrachsigen Relativbewegungen
Hochschule
Technische Universität Dresden
Note
2.3
Autor
Jahr
2014
Seiten
90
Katalognummer
V281473
ISBN (eBook)
9783656758761
ISBN (Buch)
9783656762027
Dateigröße
14188 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
grundlagen, widerstandspunktschweißens, stromquellen, relativbewegungen
Arbeit zitieren
Tobias Noack (Autor:in), 2014, Grundlagen des Widerstandspunktschweißens mit hochfrequenten Stromquellen und mit mehrachsigen Relativbewegungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/281473

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