Widerstands-Punktschweissen Fronius: Das Widerstand-Punktschweissverfahren «Delta-Spot» schafft den Sprung in die Automobilindustrie

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Gerd Trommer, D-Gernsheim / Luca Meister

>> Das bei Stahl bewährte Widerstands-Punktschweissen stiess bei Aluminium bisher an seine Grenzen. Denn die spezifischen Eigenschaften des Leichtbauwerkstoffes stehen entweder der Qualität sowie der Prozessfähigkeit im Wege, oder sie verursachen mit extremem Verschleiss der Elektroden bzw. deren aufwändiger Bearbeitung zu hohe Kosten. Fronius bietet jetzt mit «Delta-Spot» eine Lösung, die diese Hindernisse beseitigt.

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Ein servomotorischer Hauptantrieb zeichnet die Schweisszange «Delta-Spot» zum Widerstand-Punktschweissen aus. Er gewährleistet sanftes Aufsetzen, schnelles Nachsetzverhalten und die Steuerung der Kraft während des Schweissprozesses. (Bild: Fronius)
Ein servomotorischer Hauptantrieb zeichnet die Schweisszange «Delta-Spot» zum Widerstand-Punktschweissen aus. Er gewährleistet sanftes Aufsetzen, schnelles Nachsetzverhalten und die Steuerung der Kraft während des Schweissprozesses. (Bild: Fronius)

Das «Delta-Spot»-Verfahren basiert auf einem Prozessband, das Elektrode und Werkstück trennt und gleichzeitig Kontakt vermittelt. Ein gezielt beeinflussbarer Wärmehaushalt im Werkstück ermöglicht das hochwertige Verbinden von Blechen unterschiedlicher Materialien, auch mit verschiedenen minimalen Dicken. Inzwischen liegen positive Praxiserfahrungen vor.

Punktschweissen von Aluminium konventionell

Zwei Gründe für die Erschwernisse beim Widerstand-Punktschweissen von Aluminium in Bezug zu Stahl sind massgeblich: Erstens die höhere elektrische Leitfähigkeit von Aluminium. Um ein vergleichbares Ergebnis zu erreichen, erfordert sie eine wesentlich höhere Stromstärke. Einen zweiten Unterschied kennzeichnet das Oxidationsverhalten von Aluminium: Es bildet unter den beim Punktschweissen vorherrschenden Temperaturen eine Oxidhaut, die jeder technisch interessierte Laie unter der Bezeichnung «Keramik» als den Isolationswerkstoff per se kennt. Die über die Elektroden wirkende Kraft bricht das spröde Aluminiumoxid auf und ermöglicht so den Stromfluss. Er fliesst hoch konzentriert durch die entstehenden Risse und ist an diesen Stellen exorbitant erhöht. Die unterschiedliche Dicke der Oxidschicht mit den damit variierenden Kontaktwiderständen trägt zur Prozess-Instabilität bei. Hinzu kommt die Neigung von Aluminium, sich dem Grundmaterial der Elektrode anzulegieren und damit die Stromübergangsstellen zusätzlich zu verändern.

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Häufiges Nachfräsen und Auswechseln der Elektroden unterbricht die Fertigung, steigert die Betriebskosten – und kann dennoch einen Qualitätsabfall der gepunkteten Fügeverbindungen nicht kompensieren. Spritzer verursachen aufwändiges Nachbessern sowie Reinigungsaufwand.

Wirkungsprinzip und Nutzen

Delta-Spot eröffnet neue Perspektiven. Das Prozessband läuft zwischen Elektrode und Werkstoff im Rhythmus der Punktschweissung. Das Aluminium legiert auf das nach jedem Schweisspunktieren weiter geförderte Band statt wie bisher auf die fixe Elektrode. Der «verbrauchte» Abschnitt verlässt jeweils den Kontaktbereich. Für jeden Schweisspunkt herrschen somit die gleichen Bedingungen wie für den vorigen bzw. den nächsten.

Die Prozessbänder unterbinden den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück. So schützen sie erstens die Elektroden vor Verunreinigungen oder anderen Einflüssen, die von der Werkstückoberfläche ausgehen. Dies stabilisiert den Schweissprozess und erhöht die Elektrodenstanddauer signifikant. Die Punkt für Punkt erneuerte Elektrodenkontaktfläche zum Werkstück vermeidet Oberflächenspritzer und vergrössert das Prozessfenster.

Im Vergleich zu einer Folge von konventionell 20 bis 30 qualitativ wenig befriedigenden Punktverbindungen erreicht Delta-Spot z.B. 10 000 Punkte mit lediglich einem Prozessband. Dem entspricht eine Bandlänge von 70 Meter und ein Abstand von sieben Millimeter zwischen zwei Punkten. Anschliessend genügt ein einfacher Bandwechsel für die nächste Serie.

Einfluss auf Wärme in Fügestelle

Ein dritter Vorteil des Prozessbandes ist die Möglichkeit, gezielt den Wärmehaushalt im Werkstück zu beeinflussen. Denn die zu den bisherigen Kontakt- und Materialwiderstandswerten addierten des Prozessbandes bewirken bei eingeschaltetem Strom eine erhöhte Wärmeentwicklung in der Fügestelle. Der Praxisnutzen: Mit verschiedenen Materialien sowie auch mit unterschiedlichen Beschichtungen des Prozessbandes kann der Anwender die Gesamtbilanz der Wärme im Werkstück und ihre Verteilung modifizieren und gestaltend verändern.

Über das Prozessband lassen sich jeweils optimierte Bedingungen herstellen, z.B. zum Fügen verschiedener Werkstoffe, unterschiedlicher Dicken oder von Mehrfach-Blechverbindungen. Die zusätzlichen Widerstände reduzieren den Nebenschlusseffekt, indem der addierte Wärmeeintrag fokussiert an der aktuellen Fügestelle stattfindet. Ein ungewollter Stromübergang an anderen Stellen – relevant besonders bei dünnen Blechen – tritt deshalb kaum auf.

Standardmässig ist die Elektrode nach aussen gerundet (konvex) ausgeführt. Wegen der leicht elastischen Prozessbänder ergibt dies einen kreisflächigen Kontakt. Hingegen führt eine konkav ausgebildete Elektrode mit eher kreisringförmiger Kontaktfläche zu höherer Stromdichte auf dem «Ring». Anders als beim konventionellen Verfahren, bei dem sich die Schmelzzone üblicherweise linsenförmig ausbildet, erzeugt Delta-Spot je nach Zielsetzung und Randbedingungen auch eine tonnen- bzw. zylinderartig geformte Schweisszone.

Europäische und asiatische Automobilbauer bzw. deren Zulieferer haben Delta-Spot-Schweisssysteme getestet und führen sie nun in die Serienproduktion ein. <<

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