Optimierung des Punktschweißprozesses

Kaizen oder kontinuierliche Verbesserung ist ein Grundprinzip der Lean Manufacturing. Es besagt im Grunde, dass eine suboptimale Leistung niemals akzeptabel ist. Das Konzept kann auf alle wichtigen Montageprozesse angewendet werden, einschließlich des Widerstandspunktschweißens.

Beim Punktschweißen wird an der Grenzfläche der zu verbindenden Teile Wärme erzeugt, indem für eine bestimmte Zeit und mit einem bestimmten Druck ein elektrischer Strom durch die Teile geleitet wird. Ingenieure erzielen eine starke Schweißnaht, indem sie sorgfältig die beste Kombination aus Zeit, Kraft und Strom bestimmen.

Die Technologie wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Haushaltsgeräte- und Batterieindustrie für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Es ist schnell, kostengünstig und flexibel genug, um sowohl bei Aluminium-Aluminium- als auch bei Stahl-Stahl-Verbindungen eingesetzt zu werden.

„Obwohl das Widerstandspunktschweißen die schnellste Art ist, Bleche zu verbinden und die stärksten Verbindungen dieser Art von Metall herzustellen, stellt es doch eine Herausforderung dar“, erklärt Tom Snow, Vorstandsvorsitzender der TJ Snow Co. „Anders als beim Lichtbogen.“ Beim Schweißen können Maschinenbediener nicht einfach nur auf das Teil schauen und sicher sein, dass es eine gute Schweißverbindung hat. Es sieht vielleicht gut aus, aber nur durch die Anwendung der richtigen Menge an Wärme, Kraft und Dauer und die anschließende Prüfung der Verbindung kann ein Endbenutzer sicherstellen, dass die Schweißnaht die erforderliche Festigkeit aufweist.“

TJ Snow fertigt und repariert seit 1963 Standard- und kundenspezifische Widerstandspunktschweißgeräte. Die SlimLine-Maschinen des Unternehmens mit Sockel sind in Horn- und Plattenausführung erhältlich und verwenden einen oder mehrere Schweißköpfe. Zur Standardausstattung gehören ein stabiler Hochleistungsrahmen, ein Spanntransformator und ein leicht einstellbarer Elektrodenabstand.

Letztes Jahr lieferte TJ Snow eine maßgeschneiderte SlimLine-Maschine an einen Tier-1-Luft- und Raumfahrthersteller, um Abgaskomponenten für Düsentriebwerke punktschweißen zu können. Die Teile bestehen aus einer Hochtemperaturlegierung. Ein Roboter nimmt jedes Teil auf und legt es in den Maschinenhals, wo das Teil innerhalb einer Sekunde verschweißt wird. Anschließend legt der Roboter die Baugruppe auf ein Förderband.

Das Punktschweißen erlebt tatsächlich eine Art Renaissance. Nachdem das Punktschweißen 1885 versehentlich vom Ingenieur Elihu Thomson erfunden wurde, verbreitete es sich langsam bis zum Ende des 20. Jahrhunderts. Damals galten Technologien wie Laserschweißen, Reibrührschweißen und fortschrittliches Lichtbogenschweißen als die Zukunft der Technologie. Jetzt jedoch tragen fortschrittliche Maschinensteuerungen dazu bei, dass das Punktschweißen seinen Platz als führende Schweißart wiedererlangt – indem der Prozess vollständig optimiert wird.

Punktschweißen ist die am häufigsten in der Montage eingesetzte Art des Widerstandsschweißens. Andere Arten umfassen Stumpf-, Buckel-, Naht-, Schlag- und Stauchschweißen. Diese Methoden unterscheiden sich vor allem durch die Art und Form der Elektroden, die den Druck ausüben und den Strom leiten.

Ein typischer Widerstandspunktschweißaufbau besteht aus einem Netzteil (auch Schweißsteuerung genannt), einem Transformator, einem oder mehreren Schweißköpfen, positiven und negativen Elektroden und optional einem externen Monitor. Laut Marty Mewborne, Sales Engineering Manager bei Amada Weld Tech Inc., nutzt die Stromversorgung entweder Closed-Loop- oder Open-Loop-Technologie.

Zu den Closed-Loop-Technologien gehören linearer Gleichstrom und ein Hochfrequenz-Wechselrichter (HF). Beide Typen reagieren gut auf sich ändernde Widerstandswerte alle 10 bis 250 Mikrosekunden und halten so den programmierten Parameter (Strom, Spannung oder Leistung) konstant, um gleichmäßigere Schweißnähte zu erzielen.

Laut Mewborne gibt es Open-Loop-Technologien schon länger und umfassen Kondensatorentladung (CD) und Direktenergie (AC). Sie bieten wenig oder gar keine Rückmeldung und sind anfälliger für Elektrodenverschleiß und Probleme bei der Teilepositionierung.

„Vor Jahren waren Wechselstromtransformatoren sehr beliebt“, bemerkt Don DeCorte, Vizepräsident für Widerstandsschweißprodukte bei RoMan Manufacturing Inc. „Aber jetzt, da Strom viel teurer ist, haben Hersteller einen größeren Bedarf an effizienteren MFDC ( Mittelfrequenz-Gleichstromtransformatoren.“

Laut DeCorte ist RoMan der weltweit größte Hersteller von Standard- und kundenspezifischen Transformatoren für Widerstandsschweißgeräte. Er schätzt, dass 85 Prozent aller dieser Schweißer in den Vereinigten Staaten mit einem RoMan-Transformator arbeiten. Der Transformator wiegt je nach Schweißgerät zwischen 12 Kilogramm und bis zu 5 Tonnen.

„Vor einiger Zeit kontaktierte uns ein langjähriger Kunde, der Rasentraktoren, Mäher und andere Rasen- und Gartengeräte herstellt, mit der Bitte, sein Widerstandspunktschweißsystem von einem mit einem einphasigen Wechselstromtransformator auf unser MFDC-Modell umzustellen.“ sagt DeCorte. „Das Werk des Unternehmens hatte kürzlich mehrere ältere AC-Schweißmaschinen um neue AC-Geräte erweitert.“

Leider hatten die Anlagenbauer die zusätzlichen Belastungen nicht berücksichtigt und überlasteten nun das Stromnetz sowohl ihrer Anlage als auch der benachbarten Anlagen. Das örtliche Energieversorgungsunternehmen schaltete sich ein und zwang den Kunden von RoMan, nur in der zweiten und dritten Schicht zu arbeiten, um den Strombedarf zu verteilen. Dies verursachte mehrere Produktionsprobleme.

„Wir haben dem Unternehmen gezeigt, dass die Umstellung auf das MFDC-Verfahren den Gesamtstromverbrauch auf etwa 70 Prozent seines ursprünglichen Wertes senken würde“, sagt DeCorte. „Dadurch konnten sie auf den Tagschichtbetrieb umstellen und hatten dennoch Raum für zukünftiges Wachstum. Außerdem mussten sie keine teuren Primärtransformatoren auf dem Werksdach, Drahtvorschubgeräte und andere zugehörige Stromversorgungsgeräte aufrüsten.“

Zu den Schweißkopftypen für das Punktschweißen gehören manuelle, pneumatische, motorisierte Servo- und elektromagnetische Schweißköpfe. Die Dynamik des Schweißkopfes bezieht sich auf die Art und Weise, wie sich der Kopf während jeder Phase des Punktschweißens bewegt und mit den Teilen interagiert: Annäherung, Aufprallkraft, Zusammendrücken, Feuer (Auslösen der Stromversorgung zum Schweißen), Nachverfolgung und Halten zur Erstarrung.

Elektroden werden direkt, indirekt, parallel oder in Reihe konfiguriert. Zu den Spitzenmaterialien gehören Kupfer-Chrom-Legierung, Aluminiumoxid, Kupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung, Molybdän, Wolfram und Kupfer-Wolfram-Legierung.

Der Punktschweißprozess kann halbautomatisch, vollautomatisch oder in eine Montagelinie integriert erfolgen. Bei einer halbautomatischen Arbeitsstation lädt ein Bediener Teile in eine Vorrichtung, drückt zwei Tasten oder verwendet einen Fußschalter, um das Schweißen zu aktivieren, und entlädt dann die fertigen Teile.

Eine vollautomatische Station verfügt typischerweise über einen sechsachsigen Roboter, der Teile aufnimmt und sie zum Schweißen zur Maschine transportiert, bevor sie auf einem Förderband platziert wird. Beim Inline-Ansatz wird jedes Teil automatisch in einer Maschine an einer speziellen Arbeitsstation platziert, der Schweißvorgang aktiviert und das Teil dann entnommen.

Idealerweise beginnt die Optimierung des Punktschweißens bereits bei der Maschinenauswahl. Laut Snow müssen sich Hersteller beim Auswahlprozess auf einige Schlüsselfaktoren konzentrieren.

Die erste besteht darin, eine Maschine zu finden, die Schweißnähte mit optimaler Festigkeit herstellen kann, wobei noch etwa 25 Prozent der verfügbaren Stromstärke und des Kraftbereichs übrig bleiben. Ingenieure müssen sich auch darüber im Klaren sein, dass eine zu große Maschine genauso viele Probleme verursachen kann wie eine zu kleine.

Dies ist besonders wichtig, wenn der Durchmesser des Luftzylinders so groß ist, dass er mit einem Luftleitungsdruck unter 40 Pfund betrieben werden muss, um die gewünschte Schweißkraft zu erreichen. Eine unzureichende Schweißnahtfestigkeit kann durch unzureichende Luftzylindernachführung in dem Moment entstehen, in dem das Blech den geschmolzenen Zustand erreicht, den Punkt, an dem die Metalle ordnungsgemäß geschmiedet werden müssen.

„Alle Punktschweißgeräte sollten von den Elektroden an dimensioniert und spezifiziert werden, aber Endbenutzer können dies nur dann richtig tun, wenn sie genau wissen, um welche Arbeit es sich handelt und was sie schweißen“, erklärt DeCorte. „Eine Sicherheitsmarge zu haben ist gut, aber zu groß bedeutet Verschwendung und keine Optimierung, also keine Überdimensionierung. Und kaufen Sie Geräte nicht ausschließlich auf der Grundlage ihres KVA-Werts (Kilovoltampere).

Herstellern, die bereits Punktschweißen einsetzen, empfiehlt Snow die sofortige Anschaffung eines Widerstandsschweiß-Amperemeters und eines direkt ablesbaren Kraftmessgeräts, sofern sie diese nicht bereits besitzen. Das Messgerät misst genau den sekundären Effektivwert (RMS) des Schweißstroms, der an die Elektrodenspitzen geliefert wird. Und das Messgerät misst die tatsächliche Schweißkraft zwischen den Spitzen.

„Das Testen von Schweißpunkten sollte wissenschaftlicher sein, als geschweißte Teile auf den Boden fallen zu lassen“, bemerkt Snow. „Das beste Werkzeug zur Qualitätssicherung ist ein Zugprüfgerät, mit dem kleine geschweißte Probestücke bis zum Bruch gezogen werden können. Die Scherfestigkeit einer guten Punktschweißung sollte die des Grundmaterials übertreffen.“

Bestimmen Sie als Nächstes sorgfältig das Schweißfenster (oder die Schweißnaht) für die Anwendung. Innerhalb dieses Fensters befinden sich alle Kombinationen von Strom-, Kraft- und Zeiteinstellungen, die zu akzeptablen Schweißergebnissen führen.

Laut Snow ist der Punktschweißprozess am stabilsten und zuverlässigsten, wenn man in der Mitte dieses Bereichs und nicht an der ausgefransten Kante beginnt. Der Bediener muss das optimale Schweißrezept bestätigen und diese Parameter als Ausgangspunkt für den Produktionslauf verwenden.

Hochleitfähige Materialien erfordern in der Regel Elektroden mit hohem Widerstand. Ebenso erfordern harte Materialien weichere Elektroden auf Kupferbasis. Wenn zum Schweißen unterschiedlicher Materialien Speicherenergie- oder Halbzyklusgeräte verwendet werden, platzieren Sie das widerstandsfähigere Material an der negativen Elektrode. Wenn ähnliche Materialien mit einem Dickenverhältnis von mehr als vier zu eins geschweißt werden, platzieren Sie das dünnere Material ebenfalls an der negativen Elektrode.

Automobilschalldämpfer werden häufig punktgeschweißt. Diese Radialmaschine mit sechs Kanonen wurde speziell zum Schweißen von Schalldämpfern angefertigt. Foto mit freundlicher Genehmigung von TJ Snow Co.

DeCorte empfiehlt Ingenieuren außerdem, das Joulesche Gesetz zu studieren, um ein besseres Verständnis aller Eingabeelemente und Variablen im Zusammenhang mit dem Punktschweißprozess zu erlangen. Dieses Gesetz besagt, dass die zum Schweißen erforderliche Wärme proportional zum Widerstand des Werkstücks, zur Zeit, in der der Strom angelegt wird, und zum Quadrat des angelegten Schweißstroms ist. DeCorte nennt Schweißzeit, Arbeitswiderstand und Sekundärstrom als die wichtigsten Faktoren, die es in Bezug auf dieses Gesetz zu verstehen gilt.

Während der Produktion ist ein Wärmeausgleich erforderlich, um die Schweißlinse an der richtigen Stelle zwischen den Teilen zu bilden. Dies zu erreichen kann eine Herausforderung sein, sagt Mark L. Boyle, Ph.D., Produktmanager bei Amada Weld Tech Inc., da Materialien eine unterschiedliche Leitfähigkeit oder Dicke haben können und der Kühlkörper möglicherweise Wärme ableitet und eine Schweißnaht erzeugt Nugget am falschen Ort.

Zu den empfohlenen Abhilfemaßnahmen gehört die Erhöhung der Elektrodenkraft oder der Anstiegszeit, um die Wärme von den Kontaktbereichen wegzuleiten. Hersteller können auch die Größe der Elektrodenfläche vergrößern, um die Wärme von der Elektrode wegzuleiten, oder eine Elektrode mit höherem Widerstand verwenden, um die Wärme zur Elektrode hin abzuleiten.

„Die Fehlersuche beim Punktschweißen sollte immer mit der Bezugnahme auf das Prozess-Audit-Arbeitsblatt (PAW) beginnen, um alle Prozesseinstellungen zu überprüfen, wie z. B. Stromversorgungsplan, Menü, Kopfkraft und Geschwindigkeit“, sagt Boyle. „Die zu verschweißenden Materialien sollten auch mit denen auf dem PAW übereinstimmen.“

Mewborne nennt schwache Schweißnähte, unzureichende Schweißnähte und Funkenbildung als die häufigsten Symptome für nicht optimales Punktschweißen. Das letztgenannte Problem kann durch unzureichende Kraft, mangelnden Druck und schlechte Nachverfolgung entstehen.

Laut Mewborne kann die weitere Fehlerbehebung die Überprüfung von Materialien, Maschine und Bediener umfassen. Wenn beispielsweise eine neue Materialcharge Probleme verursacht, suchen Sie nach Teilen aus einer früheren Charge, um zu sehen, ob sie noch normal schweißen.

„Überprüfen Sie die Stromversorgung und stellen Sie sicher, dass sie an die richtige Netzspannung angeschlossen ist und dass alle elektrischen Anschlüsse fest sitzen“, schlägt Mewborne vor. „Überprüfen Sie auch die Werkzeuge, die die Teile in Ausrichtung mit den Elektroden halten, um sicherzustellen, dass sie nicht verändert oder beschädigt wurden.“

Finden Sie bei erfahrenen Bedienern heraus, ob sie etwas anders machen, einschließlich der Elektrodenwartung, der Teilehandhabung und des Inbetriebnahmeverfahrens. Wenn neue Bediener das Gerät verwenden, stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß in der gesamten Funktionsweise des Punktschweißens geschult wurden.

„Neunzig Prozent der Probleme beim Widerstandspunktschweißen entstehen im Unternehmen“, sagt Boyle. „Dazu gehören die Materialkontrolle, die Positionierung von Teil zu Teil und die Positionierung von Elektrode zu Teil.“

„Die Schweißqualität muss immer den spezifischen Anwendungsanforderungen des Endbenutzers entsprechen“, fügt DeCorte hinzu. „Der beste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, einen Schweißverifizierungsprozess für alle Geräte zu erstellen und umzusetzen, zusammen mit einem detaillierten Prozess für die vorbeugende Wartung der Geräte.“

Stellen Sie außerdem sicher, dass die Wasserversorgung der Anlage entsprechend den Anforderungen der Ausrüstung dimensioniert ist. Laut DeCorte ist dies einer der Hauptgründe für Fehler beim Punktschweißen. Das gleiche Risiko besteht für die Strom- und Luftversorgung von Kraftwerken.

Abschließend betont DeCorte die Notwendigkeit, dass jeder Bediener eine hochwertige, umfassende und fortlaufende Ausbildung im Widerstandspunktschweißen erhält. Er empfiehlt die Resistance Welding Manufacturing Alliance als hervorragende Quelle für diese Schulungsstufe.

„Punktschweißen ist das robusteste aller Schweißverfahren, da es die wenigsten Variablen zu bewältigen hat und den geringsten Bedieneraufwand erfordert“, schließt DeCorte. „Den Prozess nicht zu verstehen, kann zu Zeit- und Geldverschwendung führen. Richtiges Training ist eine kostengünstige Möglichkeit, den Erfolg zu sichern.“

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.