Was ist Widerstandsschweißen?

Das Widerstandsschweißen ist ein thermoelektrisches Verfahren, in dem an der Verbindungsstelle der zu verbindenden Teile Wärme erzeugt wird. Dabei wird ein elektrischer Strom für eine präzise gesteuerte Zeit unter Druck durch die Teile geleitet.  Widerstandsschweißen wird es genannt, da der Widerstand der Werkstücke und Elektroden kombiniert oder gegensätzlich genutzt wird, um an ihrer Verbindungsstelle Wärme zu erzeugen. Widerstandspunktschweißen gehört zu den Pressschweißverfahren.

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Was ist Widerstandsschweißen?

Das Widerstandsschweißen nutzt den Umstand, dass Werkstoffe, wenn sie unter Druck erhitzt werden, an den Druckstellen einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen. Damit können sie dort mit eingeleitetem Strom verschweißt werden.

Die Werkstoffe und deren Schmelztemperatur sind bekannt. Danach kann in der Theorie der Strom berechnet werden, der in sie eingeleitet werden muss, um bei dem vorhandenen Widerstand eine ausreichende Erwärmung zu ermöglichen. Tatsächlich wird jedoch eher auf praktische Erfahrungen zurückgegriffen, denn die Berechnungen verkomplizieren sich schnell aufgrund unterschiedlicher Bedingungen, die einen Einfluss auf die benötigte Energiemenge ausüben.

Zu diesen Bedingungen gehört, dass der Schweißstrom durch Maschinenelemente geführt wird, deren Material unterschiedlich gestaltet ist und zum Beispiel Kupfer- und Messinglegierungen enthält. Damit ändern sich die Widerstände, die Masse, die Verteilung der Masse und die Querschnitte der Maschinenelemente, die dabei durchströmt werden. Der Werkstoff selbst hat dazu seine eigenen Widerstandswerte und darüber hinaus seine eigenen spezifischen Wärmekapazitäten, die ebenfalls zu berücksichtigen sind.

Es gehört dazu, dass sich beim Einsatz von hochfrequentem Wechselstrom Impedanzen in den Maschinenelementen einstellen, die ebenfalls einen Einfluss auf den kontinuierlichen Strom ausüben. Darüber hinaus ergeben sich zusätzliche Widerstandswerte an jeder Verbindungsstelle, die im Stromfluss vorhanden ist. Wird einphasiger Wechselstrom auch die induktiven Anteile im Sekundärkreis berücksichtigt werden müssen.

Daran lässt sich sehr leicht erkennen, dass es ein sehr komplexes Unterfangen wäre, die unterschiedlichen Randbedingungen exakt analysieren zu wollen. In der Praxis ist es daher besser, auf Erfahrungen, empirische Daten und auf Informationen aus Laborversuchen zurückzugreifen. Dafür werden auch Regeln in Tabellenwerken zur Verfügung gestellt.

Was sind die Vorteile des Widerstandsschweißens?

Für das Widerstandsschweißen lassen sich verschiedene Vorteile feststellen. Diese sehen in der Praxis so aus:

• Keine Zusatzstoffe: Gewöhnlich müssen beim Widerstandsschweißen keine Zusatzstoffe zugeführt werden. Das gilt sowohl für das Zusatzmaterial, womit ein Kostenfaktor entfällt, und das Schutzgas, was ebenfalls die Kosten, aber auch die Belastung der unmittelbaren Arbeitsumgebung und der Umwelt verringert.
• Automatisierbarkeit: Es ist relativ einfach, für das Widerstandsschweißen automatisierte Prozesse zu nutzen. Sie haben sich in der Industrie über die vergangenen Jahrzehnte verbreitet und können schnell und vor allem kostengünstig genutzt werden.
• Sehr kurze Schweißzeiten: Der reine Prozess des Schweißens erfolgt in wenigen Millisekunden. Damit ist die Freisetzung thermischer Energie entsprechend konzentriert, was den Verzug in den Werkstücken begrenzt.
• Gute Regelbarkeit: Das Widerstandsschweißen ist sehr einfach zu steuern. Damit kann man es als Prozess sehr genau ausführen und der Erfolg ist sehr leicht zu reproduzieren. Gerade im Bereich des Mittelfrequenzschweißens ist es einfach, die Schweißleistung präzise einzustellen und anzupassen. Während der Arbeiten lassen sich die Kraft, Spannung und die Einsinktiefe messen. Damit kann man die Parameter für das Schweißen laufend überwachen. Das erleichtert die Regelung des Prozesses und erlaubt eine Bewertung nach der Ausführung der Arbeiten.
• Hohe Energieeffizienz: Dieser Punkt mag überraschend sein, vor allem wenn man weiß, dass Ströme von bis zu 100.000 Ampere zum Einsatz kommen. Was das Verfahren jedoch dennoch so energieeffizient macht, sind die geringen Schweißzeiten und die gezielte Einleitung des Stromes. Das sorgt für einen hohen Wirkungsgrad mit einem sehr geringen Verlust.
• Keine Veränderung der Werkstücke: Es werden keine Zusatzstoffe zugeführt. Damit verändern sich die Elemente in den Werkstücken auch an den Nähten nicht. Darüber hinaus kommt es zu keiner Zunahme des Gewichtes.

Wie wird Widerstandsschweißen in der Praxis angewendet?

Das Widerstandsschweißen lässt sich in der Theorie sehr einfach ausführen. Die Werkstücke werden mit einer entsprechenden Kraft zusammengedrückt. Der Strom wird eingeleitet und schon ist die Verbindung hergestellt. In der Praxis ergeben sich jedoch viele verschiedene Einflüsse, die das Schweißergebnis verschlechtern können. Daher muss auf diese von Anfang an eingegangen werden und der Prozess muss entsprechend kontrolliert ablaufen, um diese Einflüsse auszuschließen.

Den Anfang macht die Netzspannung. Diese muss man unbedingt stabil halten. Ergeben sich Spannungsschwankungen, die einen Wert von ± 6% überschreiten, dann wird die Schweißnaht unsicher.

Wie funktioniert der Prozess des Widerstandsschweißens?

Der Prozess des Widerstandsschweißens erfolgt mit einer hohen Dynamik. Das liegt auch daran, dass sich die Elektroden während der Arbeiten aufeinander zubewegen. Um dabei ein konstantes Ergebnis zu erhalten, müssen die Anpresskräfte konstant auf die Kontaktflächen wirken und diese dürfen sich nicht verschieben.

Die Presskräfte auf die Fläche müssen darüber hinaus ausreichend hoch sein. Nur so können Schmoreffekte vermieden werden, die sich ansonsten bei der Einleitung des Stromes ergeben würden.

Sind die zu verschweißenden Bleche unsauber oder bereits leicht verzundert, dann muss man die Anpresskraft noch erhöhen. Der Strom muss selbst muss mäßig hoch ausfallen und die Schweißzeit muss verlängert werden.

Ist das Einbringen des Stromes vorüber, kommt es darauf an, die Schweißpunkte richtig erkalten zu lassen. Dafür muss der Druck aufrechterhalten werden. Nur so kann eine ausreichende Qualität der Nähte erreicht und eine die Bildung von Unreinheiten vermieden werden.

Die Elektroden sollte man senkrecht auf das Schweißmaterial aufbringen. Dabei muss die Wirkfläche plan oder ballig sein, je nach der Schweißaufgabe. Bei Bedarf müsste man die Elektroden austauschen, nicht nachfeilen.

Haben die Bleche eine Dicke von mehr als 3 mm, dann ist es besser, die Mehrimpulsschweißmethode auszuwählen. Das verringert die Eindrücktiefe, während es zugleich die Schweißsicherheit vergrößert.

Es ist möglich, Bleche miteinander zu verbinden, deren Dicke sich stark unterscheidet. Dabei sind selbst Verhältnisse von 1:20 kein Problem. Hierbei muss der Punktedurchmesser nach dem dünneren Blech bestimmt werden. Hierbei ist es jedoch möglich, diesen um bis zu 20% größer ausfallen zu lassen, um ein entsprechendes Ergebnis zu ermöglichen.

Wie sieht die Werkstoff – Regel aus?

Es muss man auch unbedingt den zu verschweißenden Werkstoff bei der Auswahl der Schweißparameter berücksichtigen. Dabei hängt die Erwärmung, die sich erreiche lässt, von dem Widerstand im Material ab. Dafür gibt es zwei einfache Faustregeln. Nach der ersten Regel ist umso mehr Strom nötig, je besser der Werkstoff diesen leitet. Nach der zweiten Regel kann der Schweißstrom schwächer sein, wenn der Schmelzpunkt des Werkstoffes tiefer ist.

Je höher die Anforderungen an die Qualität des Schweißergebnisses sind, wie zum Beispiel der Gleichmäßigkeit, der Sicherheit oder der Schönheit, desto wichtiger ist eine messtechnische Überwachung. Dabei darf der Fokus nicht nur auf die Elektrode gerichtet sein. Auch die Kontrolle des Stroms muss realisiert werden, da er den größten Einfluss auf das Ergebnis hat.