Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen (engl.: resistance welding) ist ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe auf Basis der Jouleschen Stromwärme eines durch die Verbindungsstelle fließenden elektrischen Stromes.

$Q\ =\ I^2Rt$

mit
Q - Wärme in J
I - Stromstärke in A
R - Elektrischer Widerstand der Verbindungsstelle in Ω
t - Schweißzeit in s.

Dadurch werden die Verbindungspartner bis zum Aufschmelzen erhitzt. Nach dem Stromfluss entsteht nach der Wiedererstarrung der Schmelze eine Schweißverbindung. Durch Zusammendrücken während und nach dem Stromfluss wird beim Widerstandspressschweißen die Bildung einer innigen Verbindung unterstützt.

Übersicht

Das Widerstandsschweißen umfasst folgende Schweißmethoden:

• Widerstandspressschweißen: im Allgemeinen ohne Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes, jedoch mit einer Anpresskraft auf die Schweißpartner:
  • Widerstandspunktschweißen (engl.: resistance spot welding, spot welding)
  • Widerstandsbuckelschweißen (engl.: resistance projection welding)
  • Widerstandsrollennahtschweißen (engl.: resistance seam welding)
  • Widerstandsstumpfschweißen (engl.: resistance butt welding)
  • Kondensator-Impulsschweißen (engl.: capacitor impulse welding oder discharge welding)
  • Widerstandsbolzenschweißen (engl.: resistance stud welding)

• Widerstandsschmelzschweißen: ohne Presskraft, Zusatzwerkstoff möglich:
  • Kammerschweißen (engl.: enclosed resistance welding)
  • Elektro-Schlacke-Schweißen (engl.: electroslag welding)

Geschichte

Schweißen von Metallen ist eine uralte Technik. Archäologische Funde zeigen, dass bereits im 4. Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung feuergeschweißt und -gelötet wurde. Widerstandsschweißen wurde jedoch erst mit der Erzeugung von elektrischem Strom möglich. Bereits 1766 berichtet J. Beckmann über einen Versuch von Johan Carl Wilcke, bei dem dieser durch Kondensatorenentladung Flintkugeln miteinander verschweißte, und schon 1782 schweißte Georg Christoph Lichtenberg mittels der „künstlichen Elektrizität“ eine Uhrfeder mit einer Messerklinge zusammen.

Das Widerstandsschweißen wurde 1857 von James Prescott Joule als mögliches Verfahren zum Verbinden von Metallen aufgezeigt. Die entscheidenden Versuche zur Erfindung des Widerstandsschweißens unternahm Elihu Thomson um 1877. 1887/88 entwickelte Nicolai Benardos ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mit Kohleelektroden. Das Widerstandspunktschweißen mit Kupferelektroden entwickelte Kleinsmith im Jahre 1897, damit begann der industrielle Durchbruch des Widerstandsschweißens. Um 1910 wurden die Widerstandsbuckel- und -rollennahtschweißmethode entwickelt. Ab 1930 setzte sich das Widerstandsschweißen auch industriell durch. So wurden z.B. die Innenaufbauten von Elektronenröhren (Halterungen und Anschlüsse der Elektroden und der Kathodenheizung) punktgeschweißt - das Löten kommt hierbei aufgrund des Ausgasens von Flussmittelresten nicht in Frage. Auch die in dieser Zeit teilweise anstelle von Glas verwendeten Stahlröhren-Kolben wurden mit einer Widerstandsschweißung mit dem Sockel verbunden: für die ringförmige Naht war ein Strom von 100 Ampere nötig.

Widerstandspunktschweißen

Widerstandspunktschweißen - Prinzipskizze

Widerstandspunktschweißgerät

Widerstandspunktschweißen (Kurzform: Punktschweißen) wird zur Verbindung von Stahlblechen in der Automobilindustrie, im Karosserie– und Fahrzeugbau und allgemein in der blechverarbeitenden Fertigung angewendet. Seltener wird es auch zum Verschweißen von Aluminium oder anderen Metallen verwendet, z. B. bei der Herstellung von Kondensatoren, Kontaktsätzen für Relais und Leitungsschutzschalter oder Anschlüssen von Spulen und Motorwicklungen. Mit gewissen Einschränkungen können auch ansonsten nicht verschweißbare Materialien miteinander verbunden werden – durch die Presskraft entsteht eine innige Verbindung der Schmelzen (Druckknopfeffekt).

Der große Vorteil dieser Schweißtechnik besteht in der Möglichkeit, innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie in Form von elektrischem Strom auf eine kleine Fläche eines Werkstückes zu konzentrieren, wobei unter Zuführung von hohem Druck (pneumatisch oder elektromechanisch) eine unlösbare Verbindung entsteht. Der Strom kann dabei bis über 40.000 Ampere betragen.

Ausschlaggebend für die Haltbarkeit und die Größe des Schweißpunktes sind die in der Schweißsteuerung eingegebenen Schweißparameter, die von der Art und Dicke der zu verschweißenden Bauteile, deren Anzahl, deren Passung zueinander, sowie von deren Oberfläche abhängig sind (beschichtet, galvanisiert, verzinkt). Eine Rolle spielt auch die Kühlung der Schweißelektrode, die Temperatur des Kühlwassers und dessen Durchflussmenge.

Auch muss der Verschleiß der Elektrode berücksichtigt werden: Bei zunehmender Anzahl von Schweißungen wird die Elektrode abgenutzt, wodurch sie ihren Querschnitt durch thermische und mechanische Einflüsse vergrößert. Dadurch wird die Stromdichte verringert. Dieses Verhalten muss ebenso durch die Steuerung nachgeregelt werden. Gegebenenfalls muss die Elektrodenspitze gefräst werden, um den ursprünglichen Querschnitt zu erhalten. Dies geschieht in der Regel nach circa 300 gesetzten Schweißpunkten, hängt jedoch sehr von der Dicke des zu verschweißenden Materials und dessen Oberfläche ab. Die Abnutzung kann durch spezielle Legierungen wie etwa Glidcop verringert werden.

Es kann mit Gleichstrom oder Wechselstrom mit Netzfrequenz punktgeschweißt werden. Beim Wechselstromschweißen mit Netzfrequenz werden Strom und Schweißzeit durch Phasenanschnittsteuerung mit einem Thyristorsteller gesteuert. In letzter Zeit hat sich mehr und mehr die so genannte Mittelfrequenzschweißung (MFDC) durchgesetzt, bei der der Schweißtransformator über einen Umrichter meist mit einer Frequenz von ein bis mehreren Kilohertz gespeist wird. Dadurch kann der Transformator kleiner werden. Diese Mittelfrequenz-Schweißzangen sind die üblichen Werkzeuge in der Automobilfertigung.

Schweißpunkte unterliegen besonders in der Automobilindustrie einer Qualitätskontrolle. Sie kann zerstörend (tear-down) oder zerstörungsfrei (Ultraschallprüfung, durch Strom-, Spannungs- und Widerstandsverlaufsbewertungen, durch Beobachtung des Wärmedurchganges) erfolgen, wobei letztere zwar kostengünstiger sind, jedoch auch falsch positive Resultate liefern können.

Widerstandschweißzangen werden in der Automobilindustrie als Werkzeuge an Industrierobotern eingesetzt (sogenannte Roboterzangen), oder als handbediente Schweißzangen (sogenannte Handzangen) manuell bedient. Dem Einsatz nach werden sie auch als Hängezangen oder Standautomaten („Steppmaschine“) bezeichnet. Entsprechend ihrer Stromversorgung werden Widerstandsschweißzangen in Kabelzangen und Trafozangen eingeteilt. Bei Kabelzangen wird der Schweißstrom getrennt von der Schweißzange aufgestellten Schweißtransformator über starke und schwere Schweißkabel (z. B. 180 mm²) zugeführt. Bei Trafozangen ist der Schweißtransformator in die Schweißzange integriert. Die Schweißzange wird dadurch schwerer, dafür entfällt das schwere Schweißkabel (stattdessen wird nur der Primärstrom über ein Kabel mit 6 bis 10 mm² zugeführt).

Großformatige Bleche können in Vielpunktschweißstationen bearbeitet werden.

An der Karosserie eines Mittelklassewagens (Beispiel: Ford Focus) werden je nach Typ etwa 3600 bis 3800 Schweißpunkte gesetzt. Der Automatisierungsgrad beträgt über 98 Prozent.

Widerstandsbuckelschweißen

Widerstandsbuckelschweißen: (1) Schweißbeginn, (2) nach der Schweißung

Im Unterschied zum Widerstandspunktschweißen wird bei der Widerstandsbuckelschweißung (Kurzform: Buckelschweißung) die zum Schweißen notwendige Stromdichte nicht durch die Elektroden, sondern durch die Bauteilform generiert. Die Elektroden dienen beim Widerstandsbuckelschweißen nur der Stromzuführung und der Krafteinbringung. Der prinzipielle Aufbau von Buckelschweißmaschinen entspricht dem von Widerstandspunktschweißgeräten. Varianten des Widerstandsbuckelschweißens sind unter anderem die Kreuzdrahtschweißung, bei der Drahtgeflechte zusammengeschweißt werden, und die Ringkantenschweißung.

Widerstandsrollennahtschweißen

Rollennahtschweißen (Überlappnaht) - Prinzipskizze

Beim Widerstandsrollennahtschweißen (Kurzform: Rollennahtschweißen) sind die Elektroden als Drehkörper ausgeführt, und es kann im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Schweißmethoden auch während des Schweißvorganges eine Bewegung zwischen den zu fügenden Bauteilen und den Rollenelektroden stattfinden.

Eine Rollennahtschweißung kann nach verschiedenen Kategorien klassifiziert werden:

Nahtgeometrie:

• Überlappnahtschweißung: Hierbei überlappen sich die Verbindungsstellen der zu fügenden Bauteile wie bei einer konventionellen Punktschweißung.
• Quetschnahtschweißung: Die Verbindungsstellen überlappen sich nur geringfügig. Während des Schweißens werden die Bauteilkanten gequetscht. Die Quetschnaht ist eine Zwischenform von Überlappnaht und Stumpfstoßnaht.
• Stumpfstoßnahtschweißung: Die zu fügenden Bauteile liegen plan nebeneinander und werden bei der Rollennahtschweißung unter Zuhilfenahme eines Zusatzwerkstoff (Folie) bei der Schweißung dauerhaft verbunden.

Elektrodenkonfiguration:

• Schweißen ohne Drahtzwischenelektrode
• Schweißen mit Drahtzwischenelektrode
• Foliennahtschweißung: Die Folie verbleibt nach der Schweißung als Zusatzwerkstoff im Bauteil.

Schweißprogramm:

• Dauerstromschweißung: Die zu fügenden Bauteile bewegen sich kontinuierlich unter den Rollenelektroden vorbei und der Schweißstrom fließt quasi ohne Unterbrechung. Ein derartiges Schweißprogramm ist für die Erzeugung von Dichtnähten erforderlich.
• Rollpunktschweißung: Die zu fügenden Bauteile bewegen sich kontinuierlich. Der Strom fließt nur mit Unterbrechungen.
• Schrittrollenschweißung: Während der Schweißung stehen die zu fügenden Bauteile still, während der Bewegung von Rollenelektroden und Bauteilen fließt kein Schweißstrom.

Siehe auch: Rollennahtschweißen, Rollennahtschweißgerät

Widerstandsstumpfschweißen

Auch die Widerstandsstumpfschweißmethoden basieren auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung.

Pressstumpfschweißen (Ordnungsnummer 25 nach DIN EN ISO 4063)

Pressstumpfschweißen - Prinzipskizze, (1)Wärmeeinbringung (2)Krafteinbringung (3)Fertiges Bauteil

Die Bauteile sind fest in Spannbacken eingeklemmt, welche sowohl als Elektroden der Stromübertragung als auch der Kraftübertragung dienen.

Die Bauteile werden aneinandergepresst, sodass guter Kontakt über die gesamte Querschnittsfläche herrscht. Durch den fließenden Strom wird die Schweißstelle bis auf Schweißtemperatur (Aufschmelzen) erhitzt. Bei Erreichen der erforderlichen Temperatur über die gesamte Schweißquerschnittsfläche wird der Stromfluss unterbrochen und die Bauteile mittels Vorschubbewegung der Elektroden fest aufeinander gestaucht.

Die Pressstumpfschweißung zeichnet sich im Ergebnis durch einen gratfreien dicken Wulst aus. Die zu verschweißenden Bauteile müssen für ein optimales Schweißergebnis an der Stoßstelle sauber sein.

Abbrennstumpfschweißen

Eine Variation des Pressstumpfschweißens ist das Abbrennstumpfschweißen. Bei dieser Schweißmethode besteht während der Aufheizphase immer nur punktuell Kontakt zwischen den Bauteilen. Durch die daraus resultierende hohe Stromdichte wird an diesen Kontaktstellen das Material verflüssigt, verdampft, bzw. spritzerartig weggeschleudert. Die Bauteile brennen an der Schweißstelle also teilweise ab. Als Folge der laufenden Bildung und Zerstörung der Kontaktbrücken muss zwecks Kontakterhaltung auch während der Aufheizphase eine Vorschubbewegung einer Elektrode inklusive Bauteil erfolgen. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur wird der Stromfluss unterbrochen und schlagartig eine Axialkraft eingebracht, durch welche die Bauteile aufeinander gestaucht werden. Vorteil dieser Methode ist, dass infolge des Abbrennens automatisch auch Verunreinigungen an der Schweißstelle beseitigt werden und durch das verdampfende Metall eine Schutzgasatmosphäre die Schweißstelle schützt. Jedoch bildet sich an der Stauchstelle zumeist ein Grat aus, der anschließend entfernt werden muss.

Kammerschweißen

Das Kammerschweißen ist ähnlich den genannten Widerstandsstumpfschweißmethoden. Die Bauteilenden werden in ein keramisches Rohr (Kammer) eingebracht, berühren sich, werden durch den fließenden Strom geschmolzen und unter stetigem Vorschub zusammengeschweißt. Anwendungsmöglichkeiten dieses Verfahrens sind z.B. das Verschweißen von Drahtseilenden oder Kabellitzen.

Im Gegensatz zu den anderen hier beschriebenen Verfahren wird das Kammerschweißen laut Norm zu den Widerstandsschmelzschweißverfahren gezählt.

Kondensator-Impulsschweißen

Das Kondensator-Impulsschweißen, auch als CD-Schweißen (Capacitor Discharge)/ KE-Schweißen (Kondensatorentladungsschweißen), Transformierten Kondensatorentladung, Fulmidurschweißen oder Perkussionsschweißen bezeichnet, unterscheidet sich vom konventionellen Widerstandsschweißen.

Die Energie wird über die aufgeladener/en Kondensatoren Kondensators an die spezielle Transformatoren [Pulstransformatoren] auf das Werkstück abgegeben. Vorteile dieses Verfahrens sind sehr hohe Schweißströme (> 500 kA), der steile Stromanstieg, die kurze Schweißzeit und somit durch die Energiekonzentration eine kleinere Wärmeeinflusszone im Bauteil (kurze Schweißzeiten minimieren Hitzeentwicklung). Das ermöglicht auch das sichere Schweißen von hochfesten Stählen.

Der/die Kondensator/en wirken wie eine Spannungsquelle mit einem geringen Innenwiderstand. Ab dem Beginn der Entladung wechselt der Strom die Polarität und sinkt vom Maximalwert auf null ab. Er fließt also in entgegengesetzter Richtung zum Ladestrom. Die Spannung UC verhält sich wie der Strom. Sie sinkt vom Maximalwert auf Null. Die Polarität bleibt erhalten. Wenn kein Strom mehr fließt, ist/sind der/die Kondensatoren entladen.

Das Schweißen mittels eines Hochstromimpulses wird durch zwei Parameter gekennzeichnet. Diese sind die Schweißkraft und die Schweißenergie (Ladespannung der Kondensatoren bzw. Anzahl der Kondensatoren). Die Schweißparameter werden auf die zu verschweißende Teile abgestimmt und entsprechend eingestellt.

Besonderheiten

Die Besonderheiten des KE/CD-Schweißen sind durch folgende Verfahrensmerkmale zu beschreiben:

• schneller Stromanstieg
• kurze Schweißzeit
• hohe Schweißströme
• geringe Wärmeeinleitung
• geringe Netzbelastung
• hohe Reproduzierbarkeit durch Einstellung von nur zwei Schweißparametern,
• Schweißen von Werkstücken unterschiedlicher Materialdicke,
• Schweißen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich, z.B. Stahl - Messing,
• Schweißen von legierten Edelstählen
• Schweißen von Dünnblech
• Schweißen von Werkstücken ohne Verzug
• Schweißen von Werkstücken mit galvanischen Überzügen, der Überzug bleibt dabei erhalten
• Schweißen von hochkohlestoffhaltigen oder gehärteten Werkstücken möglich
• einfache Qualitätssicherung durch Protokollieren der Schweißdaten: Energie, Kraft und Weg
• keine Elektrodenkühlung erforderlich, hohe Elektrodenstandzeiten durch kurzen Schweißimpuls.

Einer der größten Vorteile dieses Schweißens/Fügens ist, dass durch den schnellen Stromanstieg und die damit einhergehende, schnelle Wärmeeinleitung in die Schweißgeometrie die Prozesstemperatur an der Schweißstelle erreicht wird, bevor es zu einer Erwärmung des umgebenden Materials kommt.

Ziel jeder Schweißung wie bei allen anderen Widerstandsschweißverfahren ist es ja, letztlich der Schweißstelle so viel Energie zuzuführen, dass neben der für das Erwärmen der Schweißgeometrie notwendigen Menge, auch die in Bauteile und Elektroden abgeleitete Verlustwärme kompensiert wird.

Verfahrensbedingt wird die zum Schweißen benötigte Energie/Leistung aus einer in ihrer Größe variablen Kondensatorbatterie abgegeben. Die maximale Energie und der Höchstschweißstrom der Maschinen bestimmt sich so nur durch die Baugröße der Maschine und ist unabhängig vom Netzanschluss.

Außerdem entstehen in der Netzleitung keine hohen Stromspitzen, weil der Kondensator relativ langsam (1-2 Sek.) (je nach der Menge der Ladekondensatoren) geladen wird (in den Schweißpausen). Ein Nachteil ist die Alterung der Kondensatoren, die oft nach einigen Jahren an Kapazität verlieren. Wegen der Verwendung von Hochspannung (> 3 kV) wird das Kondensator-Impulsschweißen als Sonderverfahren angesehen. Es wird zur Erzeugung höchster Schweißströme insbesondere bei gut leitfähigen Schweißpartnern und kleinen Schweißstellen angewendet.

Das Kondensator-Impulsschweißen kein eigenständiges Schweißverfahren, sondern gehört zur Gruppe des Widerstandsschweißens und hierbei zur Untergruppe des konduktiven Preßschweißens der Punkt- bzw. Buckelschweißung.

Nicht verwechselt werden darf das hier beschriebene Kondensator-Impulsschweißen (Widerstandsschweißverfahren) mit dem gleichfalls mit Kondensatorentladung funktionierenden Lichtbogenbolzenschweißen (Lichtbogenschweißverfahren) oder dem Schweißen mit elektromagnetischer Puls Technologie.

Verwendete Stromarten

Wechselstrom AC

Die klassische Widerstandsschweißtechnik verwendet Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz (oder 60 Hz). Dieser kann einfach mittels entsprechend leistungsstarker Transformatoren aus dem Netz erzeugt werden. Für die meisten Anwendungen ist diese Stromart gut geeignet.

Gleichstrom (DC)

Um eine rasche und gleichmäßige Einbringung der Energie zu gewährleisten, wird auch Gleichstrom verwendet. Dessen Erzeugung ist jedoch aufwändiger und damit teurer. An DC-Quellen unterscheidet man hauptsächlich:

1. Einphasengleichrichter (selten, schlechte Qualität des Gleichstroms)
2. Frequenzwandler (heute kaum noch üblich, können je nach Einstellung DC-Impulse oder Niederfrequenz erzeugen → dann AC)
3. Dreiphasengleichrichtermaschinen, mit einem dreiphasigen Schweißtransformator und dreiphasigem Gleichrichter
4. Inverteranlagen (auch: MF = Mittelfrequenz-Anlagen genannt), üblicherweise mit Gleichspannungszwischenkreis und 1000 Hz Taktfrequenz des Wechselrichters (vereinzelt auch mit höheren Frequenzen, bis 20 kHz - dann HF = Hochfrequenz-Anlagen genannt) und Gleichrichtung am Ausgang des MF-Transformators. Bei höheren Invertertaktfrequenzen ist ein schnellerer Regeleingriff der Schweißstromregelung möglich.

Grundlagen

Die folgende Darstellung bezieht sich aufgrund der dabei relativ einfach beschreibbaren Verhältnisse auf die Widerstandspunktschweißmethode. Die grundlegenden Prinzipien gelten aber auch für die anderen Widerstandspressschweißmethoden.

Energiebilanz am Schweißpunkt

Energiebilanz am Schweißpunkt

Im Werkstück wird elektrische Energie $W_{el}\$ in Wärmeenergie $Q_{zu}\$ umgesetzt. Nur der kleinere Teil dieser zugeführten Energie wird für den Schweißprozess direkt genutzt, die Wirkwärme $Q_w\$. Nur diese Wirkwärme trägt somit zum Aufschmelzvorgang und zur Bildung der Schweißlinse bei. Der andere Teil geht infolge Wärmeleitung über die gekühlten Elektroden ($Q_{V_E}$) und über das Werkstück ($Q_{V_W}$), sowie durch Wärmestrahlung ($Q_{V_S}$) für den Schweißprozeß verloren.

$Q_{w}=Q_{zu}-\left(Q_{V_E}+Q_{V_W}+Q_{V_S}\right)$

[Q] = J

Temperatur

Die Temperaturerhöhung während des Punktschweißprozesses kann, zumindest überschlägig, berechnet werden

$\Delta T=\frac{Q_{w}}{c\rho V}$

[ΔT] = K, c ... Spezifische Wärme, ρ ...Dichte, V ... Volumen der Schweißlinse

Aus dieser Formel ist auch ersichtlich, dass die Stromdichte relevant für die Schweißpunktform ist.

Eine detailliertere Annäherung an die reale zeitliche und räumliche Temperaturentwicklung kann über die instationäre Wärmeleitungsgleichung erfolgen

$a\nabla^2T+\frac{\Phi}{c\rho}=\frac{\partial T}{\partial t}$

a ... Temperaturleitzahl, T ... Temperatur, Φ ... spezifische Wärmequellenleistung in $\frac{W}{m^3}$, c ... Spezifische Wärme, ρ ... Dichte, t ... Zeit

Widerstände

Beim Widerstandspressschweißen unterscheidet man zwei Arten von elektrischen Widerständen

• Kontaktwiderstände (R_K in Ω): Diese Widerstände entstehen dort, wo zwei Flächen aufeinandertreffen. Die Kontaktwiderstände unterliegen auch sehr stark zufälligen Einflüssen, wie Verunreinigungen und Oxidschichten auf der Bauteiloberfläche, Anlegierungen auf den Elektrodenkappen, Bauteilpassgenauigkeit. Weiters spielen auch systematische Einflussgrößen eine große Rolle, wie Elektrodenkräfte und Bauteilbeschichtungsart. Die Kontaktwiderstände fallen mit steigender Temperatur stark ab. Bei Erreichen der Schmelztemperatur tendieren sie gegen null.

• Materialwiderstände (R_M in Ω): Diese Widerstände können systematisch erfasst werden, aber auch sie unterliegen einem Temperatureinfluss.
  $R_{M}=\sum_{i=1}^{n}\frac{s_{i}}{\kappa_i A_i}\left(1+\alpha_i \Delta T_i\right)$.
  s ... Blechstärke [m], κ ... Elektrische Leitfähigkeit, A ... Flächeninhalt, α ... Temperaturkoeffizient, ΔT ... Temperaturdifferenz zu Bezugstemperatur.

Der Gesamtwiderstand resultiert aus diesen Teilwiderständen

$R_{ges}=\ R_{K}+R_{M}$

Zu Schweißbeginn überwiegen die Kontaktwiderstände, insbesondere jene zwischen den einzelnen Bauteilen. Der Aufheizprozess beginnt zuerst an den Kontaktstellen der Bauteile zueinander unter den Elektroden und zwischen Bauteil bzw. Elektrode. Mit steigender Temperatur überwiegen die Materialwiderstände. Es bildet sich die typische Schweißlinse.

Nebenschluss

Nebenschluss

Ein Teil des anliegenden Stroms kann durch sogenannten Nebenschluss für den eigentlichen Schweißprozess verloren gehen. Der Strom fließt nicht nur durch die aufzuschmelzende Schweißlinse, sondern auch daran vorbei.

Ein typisches Beispiel sind Nebenschlusseffekte über bereits fertiggestellte Schweißpunkte (Abb. Nebenschluss 1) und 2)). Der über die Schweißpunkte i fließende Strom ist $I_i=\frac{U}{R_i}$. Durch geeignete Wahl der Schweißpunktabstände kann der Nebenschlusseffekt hierbei verschwindend gering gehalten werden. Ist dies nicht möglich, so muss der anliegende Strom entsprechend erhöht werden, damit der erforderliche Schweißpunktmindestdurchmesser erreicht wird.

Auch beim einseitigen Widerstandspunktschweißen (Abb. Nebenschluss 3)) tritt Nebenschluss auf. Verringern lässt sich bei dieser Schweißart der Nebenschlusseinfluss mittels einer Schweißanordnung „Bauteil mit geringer Wandstärke - Bauteil mit größerer Wandstärke - Unterkupfer“.

Arbeitsschutz

Verbot für Personen mit Herzschrittmacher

Warnung vor magnetischem Feld

Alle Widerstandsschweißverfahren arbeiten mit geringen Spannungen (unterhalb der maximal zulässigen Berührungsspannung) und hohen Strömen. Deshalb ist ein direktes Berühren der schweißstromführenden Teile und der Werkstücke während der Schweißung grundsätzlich ungefährlich.

Gefahren beim Widerstandsschweißen können entstehen durch

• Schweißspritzer: aus der Schweißstelle herausgespritztes schmelzflüssiges Schweißgut (dabei handelt es sich nicht um elektrische Funken)
• Kraftwirkung: Möglichkeit der Quetschung der Hände im Bereich der Elektroden und Elektrodenarme
• Lärmemission durch Aufsetzen der Elektroden auf das Schweißgut und durch Ausblasen von Druckluft beim Betätigen druckluftbetriebener Krafterzeugungssysteme
• Dämpfe von organischen Beschichtungen auf dem Schweißgut.

Aus diesen Gründen sind in der Regel Augenschutz (Schutzbrille oder Schutzschirm), Gehörschutz und ggf. Handschutz vorgeschrieben.

In unmittelbarer Nähe zu Widerstandsschweißeinrichtungen treten während der Schweißung starke Magnetfelder auf. In der Regel sind Arbeitsplätze an Widerstandsschweißeinrichtungen mit dem Verbotszeichen „Verbot für Personen mit Herzschrittmacher“ und den Warnzeichen „Warnung vor magnetischem Feld“ bzw. (fälschlicherweise) „Warnung vor elektromagnetischem Feld“ gekennzeichnet. Dies geschieht oft aus Vorsorgegründen und ist nicht zwingend Zeichen einer tatsächlichen Gefährdung. Ob für Träger aktiver Implantate wirklich eine Gefahr besteht oder eine Weiterbeschäftigung möglich ist, ist im Einzelfall zu prüfen.

Kurzzeichen, Ordnungsnummern

	DIN 1910 / ISO 857	EN ISO 4063
Widerstandsschweißen	R	2
Widerstandspunktschweißen	RP	21
Rollennahtschweißen	RR	22
Widerstandsbuckelschweißen	RB	23
Abbrennstumpfschweißen	RA	24
Pressstumpfschweißen	RPS	25
Elektro-Schlacke-Schweißen	RES	72

Literatur

• Kirchheim, Lehmann, Staub, Schaffner, Jeck: Kraftmessung beim Widerstandsschweißen. 19. DVS Sondertagung, Sonderdruck, Kistler Instrumente AG, 2004, PDF-Datei, 12 Seiten, ca. 13 MB
• N.N.: Taschenbuch DVS-Merkblätter und -Richtlinien, Widerstandsschweißtechnik. DVS-Verlag, Düsseldorf 2002, ISBN 3-87155-201-1
• Beckert, Manfred: Grundlagen der Schweißtechnik. Schweißverfahren. Verlag Technik, Berlin 1993, ISBN 3-341-00812-8
• Krause, Manfred: Widerstandspreßschweißen. DVS-Verlag, Düsseldorf 1993, ISBN 3-87155-531-2
• Dilthey, Ulrich: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 1 Schweiß- und Schneidtechnologien. Springer Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-21673-1
• Rusch, Hans-Jürgen: Reparaturschweißen. Vogel Buchverlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3019-1
• Winkler, Thoralf: Magnetfeldemission von Widerstandsschweißeinrichtungen. docupoint Verlag, Magdeburg 2007, ISBN 978-3-939665-09-0
• Berufsgenossenschaft für Feinmechanik und Elektrotechnik (Hrsg.): BGI 5011: Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen, Köln, 2006, PDF-Datei, 102 Seiten, ca. 1,7 MB
• Pfeiffer, Lorenz: Fachkunde des Widerstandsschweißens. Verlag W. Girardet, Essen, 1969
• Thomson, Elihu: Method of Electric Welding. Patentschrift aus dem Jahr 1891, Pat.No. 451,345
• Rietzel, Adolph F.: Uniting the Component Parts of Composite Sheet Metal Structures. Patentschrift aus dem Jahr 1909, Pat.No. 928,701
• Piersig, Wolfgang: Geschichtlicher Überblick zur Entwicklung der Metallbearbeitung: Beitrag zur Technikgeschichte (8), GRIN Verlag, 2010 [1]
• SLV München NL der GSI mbH • Abt. FuE • Schachenmeierstraße 37 • 80636 München

Weblinks

• Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.
• Arbeitsgruppe V 3 „Widerstandsschweißen“ im DVS