Fachinformationen zum Widerstandsschweißen

Fachinformationen zum Widerstandsschweißen 

Während schon im 4. Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung unter Zuhilfenahme von Feuer geschweißt wurde, wie archäologische Funde belegen, wurde das Widerstandsschweißen erst möglich, nachdem es gelungen war, elektrischen Strom zu erzeugen.

Dabei geht das Widerstandsschweißen auf James P. Joule zurück, der es 1857 als mögliches Verfahren zur Verbindung von Metallen präsentierte. Die entscheidenden Versuche, die letztlich zur Erfindung des Widerstandsschweißens führten, unternahm Elihu Thomson 20 Jahre später.

Weitere zehn Jahre später entwickelte Nicolai Benardos ein Verfahren, bei dem das Widerstandsschweißen mit Kohleelektroden erfolgte. 

 

Der industrielle Durchbruch des Widerstandsschweißens begann schließlich 1897, als Kleinsmith das Widerstandspunktschweißen mit Kupferelektroden erfand. Die Entwicklung des Widerstandsbuckelschweißens und des Widerstandsrollennahtschweißens datiert auf das Jahr 1910 und ab 1930 setzte sich das Widerstandsschweißen in der Industrie endgültig durch. Insgesamt gliedert sich das Widerstandsschweißen mit dem Widerstandspressschweißen und dem Widerstandschmelzschweißen in zwei große Gruppen.

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Das Widerstandspressschweißen erfolgt in aller Regel ohne Zusatzwerkstoffe, allerdings mit Anpresskraft, die auf die Schweißpartner ausgeübt wird.

In diese Gruppe gehören die Schweißmethoden Widerstandspunktschweißen, Widerstandsbuckelschweißen, Widerstandsrollennahtschweißen, Widerstandsstumpfschweißen, Kondensator-Impulsschweißen und Widerstandsbolzenschweißen.

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Beim Widerstandsschmelzschweißen wird ohne Anpresskraft gearbeitet. Hier sind Zusatzwerkstoffe allerdings möglich. In diese Gruppen gehören das Kammerschweißen und das Elektro-Schlacke-Schweißen. Die drei wichtigsten Schweißverfahren aus der Gruppe der Widerstandsschweißverfahren sind das Widerstandspunktschweißen, das Widerstandsbuckelschweißen sowie das Widerstandsrollennahtschweißen und hier die wesentlichen Fachinformationen dazu auf einen Blick. 

Das Widerstandspunktschweißen

Dieses Schweißverfahren, das kurz auch als Punktschweißen bezeichnet wird, wird angewandt, um Stahlbleche in der Automobilindustrie, im Fahrzeug- und Karosseriebau und in anderen Bereichen der Blechverarbeitung miteinander zu verbinden. Außerdem werden mit diesem Verfahren teilweise auch Aluminium und andere Metalle miteinander verbunden, beispielsweise bei der Fertigung von Kontaktsätzen für Relais, bei Anschlüssen von Spulen oder bei der Produktion von Kondensatoren.

Beim Schweißvorgang pressen zwei gegenüberliegenden Elektroden die zu verschweißenden Bauteile an einem Punkt zusammen. Dabei wird der Schweißstrom durch die Elektroden in das Blech eingeleitet und an der Stelle, an der der elektrische Widerstand am größten ist, schmilzt der Grundwerkstoff auf. Die Elektroden, die üblicherweise am einer Schweißzange oder an Zylindern sitzen, bestehen aus Kupfer oder aus Legierungen.

Der wichtigste Vorteil des Widerstandpunktschweißens besteht darin, dass innerhalb sehr kurzer Zeit elektrischer Strom in hoher Konzentration auf eine kleine Fläche gebracht werden kann. Durch hohen Druck, der pneumatisch oder elektromechanisch zugeführt wird, entsteht eine untrennbare Verbindung. Wie groß und wie haltbar der Schweißpunkt ist, ergibt sich durch die Schweißparameter, die in Abhängigkeit von der Art, der Dicke und der Oberfläche der Werkstücke, der Anzahl sowie deren Passung zueinander eingestellt werden.

Ebenfalls von Bedeutung sind die Kühlung der Schweißelektrode sowie die Durchflussmenge und die Temperatur des Kühlwassers. Das Widerstandspunktschweißen kann unter Gleichstrom oder unter Wechselstrom mit Netzfrequenz erfolgen. In letzterem Fall steuert ein Thyristorsteller den Strom und die Schweißzeit über eine Phasenanschnittsteuerung. Mittlerweile hat sich dabei die sogenannte Mittelfrequenzschweißung, kurz MFDC, durchgesetzt.

Hierbei wird der Schweißtransformator mit einer Frequenz von einem bis mehreren Kilohertz gespeist. Vor allem in der Automobilindustrie werden Schweißpunkte streng kontrolliert, entweder durch eine zerstörende oder eine nichtzerstörende Qualitätskontrolle. Die eingesetzten Widerstandsschweißzangen gibt es in Form von Roboterzangen als Werkzeuge an Industrierobotern oder in Form von Handzangen, die manuell bedient werden.

Unterschieden wird dabei zwischen Hängezangen und Standautomaten sowie je nach Stromversorgung zwischen Kabel- und Trafozangen. Außerdem gibt es sogenannte Vielpunktschweißstationen, an denen großformatige Bleche verarbeitet werden. So wird beispielsweise die Karosse eines Mittelklassewagens mit 3600 bis 3800 Schweißpunkten versehen.

Eine weitere Variante ist das Bolzenschweißen, das mit dem Lichtbogenschweißen vergleichbar ist und bei dem meist Gewindebolzen auf Bleche oder auf massive Körper geschweißt werden. Typischerweise wird das Bolzenschweißen beim Bau von Brücken angewandt, beispielsweise um Ankerbolzen aufzuschweißen und kraftschlüssige Verbindungen zwischen Stahl und Beton sicherzustellen. 

Das Widerstandsbuckelschweißen

Während die notwendige Stromdichte beim Widerstandpunktschweißen durch Elektroden erzeugt wird, übernimmt diese Aufgabe beim Widerstandsbuckelschweißen die Form des Bauteils. Die Elektroden werden nur für die Stromzufuhr und für die Krafteinbringung benötigt.

Buckelschweißmaschinen sind vom Grundprinzip her genauso aufgebaut wie Schweißgeräte für das Widerstandspunktschweißen und auch beim Verfahren selbst gibt es keine grundlegenden Unterschiede. Beim Buckelschweißen wird eines der Bauteile mit einem oder mehreren Erhöhungen, den sogenannten Schweißbuckeln, versehen. Diese Erhöhungen liegen dann auf dem anderen Bauteil auf.

Die Elektroden, bei denen es sich um flächenhafte Kupferelektroden handelt, bringen den Strom und damit die benötigte Energie ein. Dadurch schmilzt der jeweilige Schweißbuckel auf und die Verbindung entsteht. 

Daneben kennt das Widerstandsbuckelschweißen Variationen wie beispielsweise die Ringkantenschweißung oder die Kreuzdrahtschweißung, bei der es um die Verbindung von Drahtgeflechten und Gittern geht.

Hier werden die natürlich vorhandenen Erhöhungen als Schweißbuckel genutzt.   

Das Widerstandsrollennahtschweißen

Auch das Rollennahtschweißen basiert auf dem gleichen Prinzip wie das Punktschweißen. Der Unterschied liegt aber darin, dass durch die Rollen durchgehende Nähte erzeugt werden können. Ein typisches Anwendungsbeispiel für das Rollennahtschweißen ist die Fertigung von Konservendosen aus Weißblech.

Die Elektroden bei diesem Schweißverfahren bestehen aus Drehkörpern und eine Besonderheit ist, dass es auch während des Schweißens zu Bewegungen zwischen den Elektroden und den Bauteilen kommen kann. Die Klassifizierungen beim Rollennahtschweißen ergeben sich aus der Nahtgeometrie, die als Überlappnahtschweißung, als Quernahtschweißung oder als Stumpfstoßnahtschweißung erfolgen kann, aus der Elektrodenkonfiguration und aus dem Schweißprogramm.

Bei der Elektrodenkonfiguration wird zwischen dem Schweißen mit oder ohne einer Drahtzwischenelektrode und der Foliennahtschweißung unterschieden. Bei letzterer wird eine Folie als Zusatzwerkstoff verschweißt.

Die möglichen Schweißprogramme sind die Dauerstromschweißung mit durchgehend fließenden Strom und sich konstant bewegenden Bauteilen, die Rollpunktschweißung mit beweglichen Bauteilen und einem Stromzufluss mit Unterbrechungen sowie der Schrittrollenschweißung, bei der Strom nur fließt, wenn die Bauteile stillstehen.

Weiterführende Schweißverfahren, Anleitungen und Tipps:

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