Widerstandspunktschweißen (Punktschweißen)

Charakterisierung Widerstandspunktschweißen

Widerstandspunktschweissen (Copyright Fronius International GmbH)

Widerstandspunktschweißen – häufig auch nur Punktschweißen genannt – erfreut sich als kostengünstige Fügetechnologie in der Automobil- und Zulieferindustrie nach wie vor großer Beliebtheit. Hierbei sind insbesondere die hohe Reproduzier- und Automatisierbarkeit wesentliche Kriterien. Zudem ist die Qualität der Widerstandsschweißnaht bei geeigneter Parameterwahl nur unwesentlich von der Qualifikation des Schweißers abhängig.

Widerstandspunktschweißen gehört zu den Pressschweißverfahren, bei dem mithilfe von mit Kupferelektroden bestückten Schweißzangen die Bleche lokal zusammengedrückt werden. An die Elektroden wird während des Prozesses ein Strom angelegt, sodass infolge der jouleschen Wärme die Bleche an der Verbindungsstelle lokal aufgeschmolzen werden und es beim Erstarren zu einem stoffschlüssigen Verbund kommt.

Typische Branchen und Anwendungsfelder

Punktschweißen Vorbau (Quelle: KUKA)

Die Punktschweißtechnik wird beispielsweise in folgenden Industriezweigen eingesetzt:

  • Verkehr und Transport
    • Automobilbau (Karosserie und Rahmen, Abgasanlagen, Anbauteile z.B. Türen, Heckklappen)
  • Blechverarbeitende Industrie

Trends und Entwicklungen

Automobile Serienfertigung, Schweißroboter (Quelle: KUKA)

Die seit über 150 Jahren bewährte Technik Widerstandspunktschweißen ist das dominierende Fügeverfahren im Dünnblechbereich. Insbesondere im Automobilbau nimmt das Widerstandspunktschweißen trotz starker Konkurrenz durch die Strahlverfahren, der Klebtechnik und dem mechanischen Fügen nach wie vor eine dominierende Rolle ein. Gründe hierfür sind die hohe Produktivität und die geringen Kosten, so dass sich das Widerstandspunktschweißen wahrscheinlich auch in Zukunft behaupten wird. Wesentliche Trends und Weiterentwicklungen beim Widerstandspunktschweißen sind:

  • die Optimierung von Schweißprozessen auch beim Fügen von Aluminiumverbindungen und höherfesten Werkstoffen und neuen Beschichtungen
  • der Einsatz neuer leistungsstarker Roboterschweißzangen
  • neue selbstregelnde Prozesssteuerungen, die mehrere Materialstärkenkombinationen abdecken können
  • Einsatz von Regelgeräten zur Qualitätsicherung und Verringerung des Prüfaufwands
  • Untersuchungen von hybriden Schweißverfahren wie dem Punktschweißkleben
  • Erzielung gleichbleibender Qualitäten durch Punktschweißsystemen mit umlaufendem Prozessband
  • Untersuchungen des Punktschweißens von CFK-Werkstücken durch Einsatz lokaler Metallstrukturen

Die Entwicklung von Schweißverfahren mit niedriger Energiezufuhr, rechnergestützte Schweißsimulationen und eine verstärkte Ausbildung mit Hilfe virtueller Schweißtrainer tragen dazu bei, die Fügetechnik energieeffizienter und materialschonend zu machen.

Eine Möglichkeit, das schweißtechnische Know-how firmenintern zu sichern und Versuchskosten einzusparen, bieten Schweißsimulationsprogramme (Struktur- und Prozesssimulationen) an. So können im Vorfeld Einflussgrößen virtuell untersucht und günstige Prozessparameter dokumentiert werden.

(basierend auf „Im Fokus – Widerstandsschweißen im DVS“ )

Herausforderungen beim Schweißen

Der Nachweis der Schweißbarkeit von Konstruktionen setzt eine detaillierte Planung der Schweißsicherheit (Konstruktion), der Schweißeignung (Werkstoffauswahl) und der Schweißmöglichkeit (Fertigung) voraus.

Insbesondere die Identifikation der Prozessparameterfenster für optimale Stromstärken, Kräfte und Prozesszeiten, die Auslegung der Zangen, Einflüsse von Beschichtungen, Krümmungsradien und Einflüsse aus Zangenschiefstellungen z.B. infolge der Elektrodennachbearbeitung und -abnutzung sind für die Qualitätsabsicherung und Freigabe der Prozessparameter von großem Interesse.

Zudem können die Konstruktion, Werkstoffauswahl und Fertigung Wechselwirkungen aufeinander haben – insbesondere im Hinblick auf die beim Schweißen entstehenden Verzüge.

Schweißverzüge stellen neben verminderten Festigkeiten das wirtschaftlich größte Problem bei der Auslegung von Schweißprozessen dar.

Die häufig notwendigen Nacharbeiten und Richtoperationen verursachen hohe Kosten, welche in der Regel nur schwer kalkulierbar sind. Darüber hinaus können hohe Kosten durch Ausschuss entstehen. Weiter kann der Schweißprozess den optimierten Werkstoffeinsatz negativ beeinflussen, so dass mehr Material und damit mehr Gewicht, größerer Bauraum und höhere Kosten notwendig werden.

Wie entstehen Schweißverzüge?

Schweißverzüge entstehen

  1. infolge des Schrumpfens des aufgebrachten und aufgeschmolzenen Werkstoffs
  2. infolge des durch die Wärme aufgestauchten umgebenden Werkstoffs.

Insbesondere das plastische Aufstauchen stellt ein hochgradig nichtlineares Werkstoffverhalten dar. Die partielle Behinderung der thermischen Ausdehnungen der erwärmten Zone durch den umgebenden kälteren und damit steiferen Werkstoff führt zu einer über den Querschnitt inhomogenen plastischen Formänderung. Dieser Mechanismus wird beispielsweise beim Flammrichten genutzt. Durch die thermischen Ausdehnungen und Schrumpfungen werden im Bauteil Spannungen erzeugt, die sich durch Verformungen und Spannungsumlagerung in den Querschnitten ausgleichen. Kommt es während dieses Prozesses zu keinen plastischen Dehnungen, formt sich das Bauteil während der Abkühlung wieder in seine Ausgangslänge zurück. Aufgrund der bei hohen Temperaturen veränderten Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise die Fließspannung, werden beim Erwärmen allerdings schon bei geringen Spannungen plastische Verformungen erzeugt. Eine zusätzliche Zwängung durch das Spannkonzept oder die Bauteilgeometrie selbst kann die auftretenden Spannungen erhöhen.

Als Folge der Temperaturverteilung kann bei der Entstehung von plastischen Dehnungen beim Erwärmen und beim Abkühlen eine Asymmetrie beobachtet werden. Hierbei sind drei wesentliche Mechanismen zu nennen:

  1. die plastischen Dehnungen beim Erwärmen entstehen lokal konzentriert. Beim Abkühlen hingegen hat sich der umliegende Werkstoff erwärmt, drückt gegen den schrumpfenden Werkstoff und verhindert damit eine Teilrückbildung der plastischen Dehnungen beim Abkühlen.
  2. durch die breitere Temperaturverteilung ist die Elastizität des umliegenden Werkstoffs herabgesetzt.
  3. beim Erwärmen entstehen die plastischen Dehnungen dort, wo die Fließspannungen temperaturbedingt am geringsten sind und die thermischen Dehnungen am größten. Beim Abkühlen werden zunächst die vorhandenen Druckeigenspannungen abgebaut, so dass plastische Dehnungen erst bei dem stärker geschrumpften Material bei geringeren Temperaturen und damit bei höheren Fließspannungen entstehen. Nach einem Erwärmungs- und Abkühlzyklus, bei dem plastische Formänderungen aufgetreten sind, bleiben schließlich Eigenspannungen im Bauteil zurück, welche die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen können.
Abb. Verzug beim Wiederstandspunktschweissen - simuliert mit Simufact.welding
Verzug beim Wiederstandspunktschweissen - simuliert mit Simufact.welding

Typische Aufgabenstellungen der Widerstandspunktschweißsimulation

Bisher wurden in Simufact.welding vor allem mathematische Wärmequellbeschreibungen verwendet. Diese Art der Schweißstruktursimulation wird verwendet um den Aufwand an Prototypen bei der Untersuchung von Schweißverzügen komplexer Geometrien zu minimieren. Insbesondere für den Automobilbau ist das Widerstandspunktschweißen neben dem Laserstrahlschweißen ein zentrales Fügeverfahren, welches in Simufact.welding ab der Version 5.0 mit berücksichtigt werden kann. Um die Simufact typische benutzerfreundliche Handhabung auch beim Widerstandspunktschweißen mehrerer Schweißpunkte an komplexen Geometrien gewährleisten zu können, wurden die komplexen Zangen-Kinematiken sowohl für die C- als auch X-Schweißzange in die Robotersteuerung integriert.

Pain Points - Schweissverzüge

Prozessabsicherung

Eine weitere typische Aufgabe beim Widerstandspunktschweißen ist die Prozessabsicherung für einzelne Fügepunkte. Üblicherweise enthält ein Auto zwischen 4.000 und 5.500 Schweißpunkten an 200 bis 400 verschiedenen Materialstärkenkombinationen. Für jede Materialstärkenkombination mit den entsprechenden Beschichtungen muss die Fertigung ein erlaubtes Prozessparameterfenster (Zangenkraft, Stromstärke, -dauer) bestimmen und freigeben. Weitere Einflüsse wie Krümmungsradien komplexer Geometrien und Shunting-Effekte können mit Simufact.welding ebenfalls untersucht werden.

Wie kann Simufact.welding bei der Prozessauslegung helfen?

Breiteres Prozessverständnis und Reduzierung der Entwicklungsschleifen durch

  • Visualisierung der Einflussgrößen insbesondere der Temperaturverteilung (insbesondere der Nugget-Größen), Spannungen und Verzüge.
  • virtueller Try-out von Spannkonzepten, Punktfolgenfolgen, Pausen- und Ausspannzeiten, Werkstoffvariationen etc...

Die Simulation eignet sich hervorragend zur Minimierung des Experimentellen Aufwands bei der Prozessparameterwahl. Weiterer Vorteil gegenüber experimenteller Untersuchungen im Labor: Prozessvergleiche beispielsweise Laserstrahl-Steppnähte und Widerstandsschweißpunkte können durchgeführt werden, noch bevor die Equipment-Wahl getroffen wurde bzw. Geld in Geräte investiert wurde.

Unsere Lösung für die Schweißsimulation

Die Produktlinie Simufact Welding

Simufact Welding bietet Ihnen aus einer Benutzeroberfläche heraus die Möglichkeit Verzüge, Eigenspannungen und Werkstoffzustände zu berechnen. Das heißt für Sie:

  • Mögliche Probleme im Voraus identifizieren
    • Identifizieren Sie mögliche kritische Verzüge, z.B. im Hinblick auf den Zusammenbau und Einfallstellen bzw. Beulen
    • Gewinnen Sie Sicherheit bei der Einhaltung von Toleranzen
  • Kompetenzen optimal nutzen
    • Legen Sie eine Grundlage für die Konstruktion, den Schweißfachingenieur und die Fertigung, um gemeinsam die optimale Konstruktion auszulegen
    • Sie haben ein Werkzeug, das Sie bei der Entwicklung von Schweißplänen unterstützt
    • Sie können Erfahrungen aus realen und virtuellen Versuchen systematisch sammeln und Kompetenzen mitarbeiterunabhängig erhalten
    • Erschließen Sie sich ein wirkungsvolles Instrument für die Entwicklung und Ausbildung
  • Systematische Prozessoptimierung
    • Beeinflussen Sie die Lage der Nähte schon während der Konstruktionsphase so, dass der entstehende Verzug konstruktionsbedingt minimiert wird. Damit minimieren Sie auch den Einfluss der Schweißer und Schweißgeräte auf den Verzug.
    • Untersuchen und optimieren Sie Spannkonzepte, noch bevor Sie in irgendein Werkzeug investieren
    • Identifizieren Sie die optimalen Schweißprozessparameter und Punktfolgen
    • Bestimmen Sie die Auswirkungen von Shunting-Effekten auf den Prozess und die Auswirkungen von Ausspannzeiten auf den Verzug und die verbleibenden Eigenspannungen
    • Nutzen Sie ein Werkzeug, das Sie bei der Entwicklung von Schweißplänen unterstützt
    • Testen Sie Varianten virtuell, die im realen Versuch extrem teuer wären
    • Untersuchen Sie das Verhalten neuer Werkstoffe beim Schweißen
  • Gewährleistung von Schweißnahtqualitäten
    • Nutzen Sie ein Werkzeug, das Sie bei der Gewährleistung von Schweißnahtqualitäten unterstützt z.B. durch Berechnung von spröden Gefügeanteilen, der Härte und Auswirkungen von Vorwärmtemperaturen
    • Gewinnen Sie Kenntnisse über die Ausprägung der Wärmeeinflusszone
    • Ziehen Sie Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Schweißnähten (z.B. Eigenspannungen, die die Ermüdungsfestigkeit oder ein Beulverhalten beeinflussen) Exportieren Sie die Ergebnisse in ein offenes Format (Universal File Format) und rechnen Sie damit in vielen anderen FE-Programmen weiter
  • Untersuchen Sie Prozessketten in Ihrer Fertigung

 

Schneller den Prozess richtig auslegen heißt aus betriebswirtschaftlicher Sicht:

  1. höhere Effizienz in der Entwicklung durch weniger kostenintensive Fehlversuche
  2. Minimierung von Kosten für Prototypen
  3. Einsparungen bei Nacharbeitskosten
  4. Verkürzung der Entwicklungszeit --> schneller am Markt
  5. Einsparung von Material und Energie für experimentelle Untersuchungen
  6. Reduzierung des Personalbedarfs für Routineuntersuchungen bei der experimentellen Produktentwicklung
  7. Effiziente Machbarkeitsuntersuchungen in der Angebotsphase und damit schnellere und fundiertere Angebote

Für eine funktionale Betrachtung von Simufact Welding lesen Sie bitte unsere Produktbeschreibung:

Produktbeschreibung Simufact Welding