TIG-Schßen erklärt
Das TIG-Schweißen ist ein stabiles Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine nicht abschmelzende Wolframelektrode und ein inertes Gas im Lichtbogen verwendet werden,…
Punktschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren, das Metalle miteinander verbindet, indem Druck ausgeübt und gleichzeitig elektrischer Strom an die Schweißstelle angelegt wird. Es wurde erstmals 1885 eingeführt, als Elihu Thomson bei einem Experiment versehentlich zwei Kupferdrähte miteinander verschmolz.
Punktschweißen hat sich zu einem unverzichtbaren Schweißverfahren in der Fertigungs- und Montageindustrie entwickelt, insbesondere im Bereich der Blechbearbeitung und in der Automobilindustrie. Die Eignung für die Automatisierung trägt maßgeb zur wachsenden Beliebtheit bei, da das robotergestützte Punktschweißen durch Geschwindigkeit und Effizienz überzeugt.
Lassen Sie uns tiefer eintauchen, um besser zu verstehen, was Widerstandspunktschweißen ausmacht.
Punktschweißen (RSW) ist ein elektrisches Widerstandsschweißverfahren, bei dem sich überlappende Metalle zwischen zwei Elektroden verbunden werden. Der erforderliche Druck wird ausgeübt, indem die Werkstücke zwischen die Elektroden gepresst werden, während durch die widerstandsfähigen Metalle Strom fließt, der die notwendige Hitze erzeugt. Dadurch verschmelzen die Materialien und bilden eine Schweißverbindung. Die durch das Widerstandspunktschweißen erzeugte Verbindung ähnelt optisch einem Knopf oder einer Schweißlinse („Nugget“), weshalb der Begriff Punktschweißen entstand – der Strom wird sehr gezielt auf eine kleine Fläche der Metalloberfläche aufgebracht.
Da die Metalle innerhalb von nur 10 bis 100 Millisekunden mit sehr hoher Energie verschmolzen werden, bleibt der Bereich um das Schweißnugget von übermäßiger Hitze verschont. Die Wärmeeinflusszone ist somit minimal und es entsteht eine saubere Schweißnaht.
Die beim Punktschweißen erzeugte Wärmemenge lässt sich mit folgender Formel beschreiben:
Q = I2Rt
Dabei steht Q für die Wärmemenge, I für den Strom, R für den elektrischen Widerstand und t für die Zeitdauer, in der der Strom anliegt.
Das Punktschweißverfahren funktioniert, indem niederohmige, aber sehr hohe Stromimpulse an die Schweißelektroden geleitet werden, um das Metall nahezu augenblicklich zu schmelzen, während der notwendige Druck für die Verbindung sorgt. In Bezug auf den Druck ähnelt der Ablauf dem Kaltpressschweißen, allerdings kommt beim Punktschweißen elektrischer Strom zum Einsatz, beim Kaltpressschweißen hingegen nicht.
Im ersten Schritt des Punktschweißens werden die überlappenden Blechplatten oder Werkstücke positioniert. Nachdem die Metalle fixiert sind, erfolgt das Anlegen des Drucks, meist durch den Elektrodendruck. Der Druck kann manuell, pneumatisch, durch Federn oder hydraulisch – je nach Maschinentyp – erzeugt werden.
Im zweiten Schritt wird ein starker Strom auf die Zielstelle zwischen den Elektroden geleitet. Durch die Wechselwirkung des Stroms mit dem inneren Widerstand des Metalls entsteht Schmelzmetall. Die Metalle erreichen Temperaturen von etwa 2000 °C, was über ihrem Schmelzpunkt liegt. Die Elektroden müssen einen höheren Schmelzpunkt als die Werkstücke aufweisen. In der Regel werden Elektroden aus Kupferlegierungen verwendet, je nach Schweißgut kommen aber auch Wolfram, Molybdän und andere Materialien zum Einsatz.
Im letzten Schritt kühlt und erstarrt das Schweißnugget. Die Schweißelektroden bleiben während des Abkühlens in Kontakt mit dem Nugget und stützen die Verbindung, bis das Metall vollständig ausgehärtet ist. Der Prozess ist abgeschlossen, sobald die Metalle abgekühlt sind.
Bei Drahtgeweben entstehen Punktschweißverbindungen an den Kreuzungspunkten der senkrecht zueinander stehenden Drähte. Dies gewährleistet eine dauerhafte Verbindung mit hoher Festigkeit und Stabilität – eine gute Alternative zu geflochtenem Drahtgewebe, das nicht dauerhaft verschmolzen ist.
Um eine qualitativ hochwertige Schweißnaht zu erzeugen, müssen während des Schweißzyklus verschiedene Variablen überwacht und angepasst werden:
Die richtige Menge an Druck oder Elektrodenkraft ist entscheidend für eine hochwertige Schweißverbindung. Ist der Druck zu gering, wird die Verbindung zu klein und schwach – zu hoher Druck kann hingegen zu Rissen führen, da das Schmelzmetall zur Ausdünnung der Bleche führen kann. Die Eindringtiefe der Elektrode sollte nie mehr als 25 % der Blechdicke betragen.
Die erzeugte Wärmemenge hängt vom elektrischen Widerstand und der Wärmeleitfähigkeit des Metalls ab. Die Klassifizierung des Metalls sollte bei der Festlegung der Stromstärke berücksichtigt werden.
Der Durchmesser der Schweißspitze bestimmt die Größe der Punktschweißung. Ist die Spitze zu klein, wird das Schweißnugget ebenfalls zu klein und instabil; bei zu großer Spitze drohen Überhitzung und die Entstehung von Lufteinschlüssen oder Hohlräumen.
Durch Anpassung der Zeit, in der der Elektrodenpressdruck sowie der Schweißstrom anliegen, kann die Qualität der Punktschweißung verbessert und Fehler vermieden werden.
Um die Qualität und Sicherheit der Punktschweißverbindung zu gewährleisten, kommen Prüfverfahren wie Ultraschallprüfung und mechanische Festigkeitsprüfungen (Zug-Scher-, Abziehversuche etc.) zum Einsatz.
Punktschweißen eignet sich am besten für Metalle mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hohem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise niedriglegierter Stahl. Auch bei Metallen, die diese Eigenschaften nicht aufweisen (z. B. hochlegierte Stähle), kann das Verfahren eingesetzt werden, allerdings steigt das Risiko für Sprödigkeit und Rissbildung durch harte Mikrostrukturen.
Hier eine Übersicht typischer Werkstoffe, die für das Punktschweißen geeignet sind:
Nicht alle Metalle erfüllen die Anforderungen des Punktschweißens. In solchen Fällen können alternative Fügeverfahren, wie Löten oder Hartlöten, eingesetzt werden.
Die Schweißelektroden leiten den elektrischen Strom in die Werkstücke und üben gleichzeitig mechanischen Druck aus, indem sie über Hebel und Kupplungen in Kontakt gebracht werden. Die Druckübertragung kann elektrisch oder pneumatisch erfolgen.
Es gibt zwei Arten nicht verbrauchender Elektroden beim Punktschweißen:
Sie werden zum Schweißen von widerstandsfähigen Materialien wie Edelstahl und Nickel eingesetzt. Kupfer- oder Kupferlegierungselektroden eignen sich besonders, da sie den Strom und die Wärme optimal in das Werkstück leiten.
Diese werden typischerweise für leitfähige Metalle wie Kupfer und Gold verwendet. Hier eignen sich Elektroden aus Molybdän oder Wolfram aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit und hohen elektrischen Widerstandsfähigkeit.
Die falsche Wahl der Elektroden kann zu vorzeitigem Verschleiß führen, was wiederum das Nachschleifen oder Austauschen der Elektroden erforderlich macht. Manche Metalle können zudem mit den Elektroden reagieren – bei verzinktem Stahl beispielsweise kann es zu Verunreinigungen der Schweißspitzen kommen, was die Verbindung erschwert.
Neben dem Werkstoff der Elektrode gibt es verschiedene Geometrien: Die Spitzen können spitz, abgestumpft oder kuppelförmig ausgeführt sein.
Punktschweißmaschinen werden im Regelfall mit Wechselstrom (AC) betrieben. Mithilfe eines Transformators werden hohe Ströme bei niedrigen Spannungen erzeugt. Die Spannung liegt typischerweise zwischen 5 und 22 Volt, der Strombereich reicht von 1.000 bis 10.000 Ampere.
Industrielle Punktschweißmaschinen verwenden meist Drehstrom, um hohe Spitzenströme zu erzielen – etwa beim Punktschweißen von Aluminiumblechen für Kessel, Rohre und ähnliche Anwendungen.
Eine Punktschweißmaschine besteht aus einem Transformator zur Stromversorgung, Schweißelektroden und weiteren Komponenten zur Steuerung der Schweißparameter (Schweißstrom, Druck, Spannung usw.).
Punktschweißmaschinen werden in der Regel wassergekühlt, da innerhalb von Sekundenbruchteilen enorme Hitze entsteht. Die Elektroden besitzen Kühlkanäle, um die Temperatur zu senken und vorzeitigem Verschleiß entgegenzuwirken.
Die Anlagen können sowohl manuell als auch automatisiert – beispielsweise durch Schweißroboter – betrieben werden. Tragbare Punktschweißgeräte sind als Schweißzangen erhältlich.
Das Punktschweißen ist ein zentrales Verfahren in der Automobilindustrie, da es die Fertigung von Karosserieteilen kostengünstig, zuverlässig und schnell macht. Die Montagebänder werden durch den Einsatz von Schweißrobotern automatisiert. Bleche aus Stahl oder Aluminiumlegierungen lassen sich so innerhalb von Sekunden präzise und reproduzierbar zu Baugruppen fügen.
Auch empfindliche elektronische Bauteile sind für das Punktschweißen geeignet. Die Qualität der Schweißnaht ist hoch und diese Methode verhindert Überhitzung der Komponenten. Anwendungen sind beispielsweise Schalter, Solarpanels, komplexe Leiterplatten und Batterien.
Rollen aus Kohlenstoffstahl werden durch kontinuierliches Punktschweißen und Stromzufuhr in Nägel verwandelt. Dieser schnelle Produktionsprozess ermöglicht die Herstellung von Tausenden Nägeln pro Minute.
Griffe, Pfannenwender, Blechbecher und auch Ausstechformen werden häufig durch Punktschweißen gefertigt, indem Metallbänder dauerhaft miteinander verbunden werden.
Auch die Medizintechnik profitiert von der Schweißqualität und der Geschwindigkeit des Punktschweißens. In der Kieferorthopädie kommt das Verfahren beispielsweise zum Befestigen von Zahnimplantaten zum Einsatz.
Das Widerstandspunktschweißen ist ein schnelles und kostengünstiges Verfahren, das vor allem in der Blechverarbeitung breite Anwendung findet. Es eignet sich hervorragend für die Automatisierung durch Roboter und ermöglicht hohe Geschwindigkeit und Präzision, ohne bei der Schweißqualität große Einbußen hinnehmen zu müssen.
Insbesondere die Automobilindustrie hat diese Technik früh für sich genutzt, um Produktion und Montage zu beschleunigen. Zwar wird das Verfahren traditionell hauptsächlich für das Schweißen von Stahl eingesetzt, doch ersetzen Aluminiumlegierungen zunehmend den Stahl, um Gewicht zu sparen. Dank der Automatisierung lassen sich große Stückzahlen schnell und in hoher Qualität fertigen.
Das Widerstandsschweißen wird in bestimmten Industriebereichen weiterhin eine Schlüsselrolle in der Fertigung und Montage spielen und auch in Zukunft unverzichtbar bleiben.
