Widerstandspunktschweißen

Schmelzschweißen: Ein Stromimpuls schmilzt eine Linse zwischen eingespannten Blechen

Das Widerstandspunktschweißen verbindet zwei überlappende Bleche an kleinen Punkten, indem es sie zwischen Kupferelektroden zusammendrückt und einen riesigen elektrischen Strom hindurchschickt. Jeder Punkt dauert deutlich weniger als eine Sekunde und braucht weder Zusatzwerkstoff noch Gas. So werden Autokarosserien gebaut: Schauen Sie in eine Autotüröffnung, dann sehen Sie Reihen kleiner runder Eindrücke.

Foto: BMW Werk Leipzig, CC BY-SA 2.0 de, via Wikimedia Commons

Widerstandspunktschweißen · ein Punkt in vier Momenten: Pressen, Schweißen, Halten, LösenLesen Sie die Bilder von links nach rechts: Sie zeigen einen Schweißpunkt in vier Momenten seines Zyklus, und ihre Nummern entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Pressen. Ein Roboter oder eine Presse schließt zwei wassergekühlte Elektroden aus Kupferlegierung auf den überlappenden Blechen. Sie drücken mit einer Kraft von einigen Kilonewton, etwa dem Gewicht von einigen Hundert Kilogramm.
Schweißen. Ein Strom von etwa 5.000–20.000 Ampere fließt für ein Zehntel bis einige Zehntelsekunden, bei nur wenigen Volt. Der Widerstand (der Widerstand eines Materials gegen den Strom) wandelt ihn in Wärme um, wie bei einem Toasterdraht. Der Kontakt zwischen den beiden Blechen hat den größten Widerstand und erwärmt sich daher zuerst. Dort bildet sich eine linsenförmige Schweißlinse (eine kleine Tasche aus geschmolzenem Metall), typischerweise 4–8 mm im Durchmesser.
Halten. Der Strom stoppt, aber die Elektroden drücken weiter, während die Linse abkühlt und erstarrt. Wasser, das im Inneren der Elektroden fließt, zieht die Wärme ab, sodass das Kupfer kühl bleibt und nicht am Blech festschweißt.
Entformen. Die Elektroden öffnen sich und hinterlassen auf jeder Seite einen flachen Eindruck. Der Roboter fährt zum nächsten Punkt, meist einige Zentimeter weiter am Flansch (dem flachen überlappenden Rand).

Warum nur die Mitte schmilzt. Kupfer leitet Strom und Wärme um ein Mehrfaches besser als Stahl, daher erwärmen sich die Elektroden kaum. Der Kontakt zwischen den Blechen ist die heißeste Stelle, daher wächst die Linse von innen nach außen, verborgen vor den Blicken.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Kohlenstoffarmes und verzinktes Stahlblech, Edelstahl; Aluminium mit speziellen Hochstrommaschinen; Nickelbänder für Batterien
Typische Teile: Autokarosserien, Türen und Hauben, Gerätegehäuse, Stahlregale, Batteriepacks
Bauteilgröße: Bleche typischerweise je 0,5–3 mm dick; Baugruppen bis zur Größe einer ganzen Karosserie
Präzision: Punkt vom Roboter auf etwa ±1 mm genau gesetzt; die Gesamtgenauigkeit des Teils kommt von der Spannvorrichtung
Oberfläche: Ein kleiner runder Eindruck auf jeder Seite; meist in einem Flansch verborgen oder überlackiert
Geeignete Losgröße: Massenfertigung; kleine Tischmaschinen bedienen auch Reparaturwerkstätten und Batteriebauer
Werkzeug- und Maschinenkosten: Einige Hundert Dollar für ein kleines Tischgerät; etwa 100.000 Dollar oder mehr für einen Roboter mit Schweißzange
Geschwindigkeit: Deutlich unter einer Sekunde pro Punkt; ein Roboter setzt etwa alle 1–3 Sekunden einen Punkt, Bewegungen eingerechnet

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr schnell und leicht zu automatisieren
Kein Zusatzwerkstoff, kein Gas, kein Flussmittel: sehr niedrige Kosten pro Schweißung
Die Wärme bleibt lokal, daher verziehen sich die Teile kaum
Wiederholbar, sobald Strom, Kraft und Zeit abgestimmt sind

Grenzen

Nur für überlappende Verbindungen (Überlappstöße) in dünnem Blech
Verbindet punktuell, nicht in einer durchgehenden Naht, und dichtet daher nicht gegen Leckagen ab
Die Linse liegt verdeckt im Inneren, daher ist die Qualität ohne zerstörende Prüfung schwer zu kontrollieren
Elektrodenspitzen verschleißen und müssen nachgearbeitet (neu geformt) werden; Aluminium braucht viel höhere Ströme

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauRohkarosserie (das nackte geschweißte Karosseriegerüst), Türen, Hauben, Sitzrahmen
HaushaltsgeräteGehäuse von Waschmaschinen, Backöfen und Kühlschränken
BatterienNickelfahnen, die Zellen in E-Bike- und Elektrowerkzeug-Akkus verbinden
Metallmöbel und GehäuseStahlregale, Spinde, Schaltschränke
SchieneKarosseriebleche aus Edelstahl für Schienenfahrzeuge

So erkennen Sie es

Reihen kleiner runder Eindrücke von etwa 5–8 mm Durchmesser, gleichmäßig verteilt entlang eines Flanschs.
Derselbe Eindruck erscheint auf beiden Seiten der Verbindung.
Auf blankem Metall oder Edelstahl ein schwacher Ring aus Anlauffarbe um jeden Punkt.
Öffnen Sie eine Autotür oder Haube: Die Kanten des Karosseriegerüsts sind damit gesäumt.

Im Vergleich mit

Lichtbogenschweißen7.1erzeugt durchgehende Nähte und bewältigt dicke Platten, braucht aber Zusatzwerkstoff und deutlich mehr Wärme.Laserschweißen7.4kann Punktreihen durch durchgehende Nähte ersetzen und so steifere Karosserien ermöglichen, bei viel höheren Anlagenkosten.Ultraschallschweißen7.7verbindet ebenfalls überlappende dünne Teile an Punkten, aber mit Vibration und ohne Aufschmelzen; geeignet für Folien, Drähte und Kunststoffe.

Ansehen

Welding Fabrication World · Das Verfahren, seine Stärken und Anwendungen, für Einsteiger

The Weld Nugget · Wie Strom, Kraft und Zeit die Linse bilden

FANUC America Corporation · Roboter schweißen eine Karosserieseite, mit einem Funken an jedem Punkt

ABB Robotics · Eine echte Karosserielinie bei Volvo

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Punktschweißen — Fotos von Punktschweißrobotern und -maschinen, dazu ein Prozessdiagramm
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Strom, Presskraft und Zeit sind die drei Einstellungen jedes Schweißpunkts.
Die Wärme entsteht dort, wo sich die Bleche berühren, weil dieser Kontakt dem Strom den größten Widerstand bietet.
Eine Karosserie wird von mehreren Tausend solcher Punkte zusammengehalten, fast alle von Robotern gesetzt.