Bolzenschweißen

Wechselstrom-Energiequelle verbindet Aluminium-Bolzen mit Aluminiumbauteilen

13.06.2008 | Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Klaus G. Schmitt* / Stefanie Michel

Neue Entwicklung im Aluminiumbolzenschweißen: Mit der Entwicklung der Wechselstrom-Energiequelle DCE 1500 AC hat Tucker einen neuen Lösungsweg zum Schweißen von Aluminiumbolzen eröffnet.

Bolzenschweißen ist im Automobilbau seit vielen Jahren eine gängige Verbindungstechnik. Bisher werden die Bolzen weltweit mit Gleichstrom geschweißt. Was bei Stahl bestens funktioniert, kann im Leichtbau jedoch an seine Grenzen stoßen. Mit der Entwicklung der Wechselstrom-Energiequelle DCE 1500 AC hat Tucker einen neuen Lösungsweg eröffnet.

Beim Bolzenschweißen, dem Kurzzeitbolzenschweißen mit gezogenem Lichtbogen, werden die Oberflächen von Bolzen und Bauteil in der Fügezone durch einen Lichtbogen angeschmolzen. Die Schweißwärme wird beim Schweißen mit Gleichstrom vorwiegend von einer Stelle her eingebracht. In Europa ist dies in der Regel der Bolzen, in Japan und den USA ist es das Bauteil.

Beide Methoden funktionieren grundsätzlich gleich gut, haben aber spezifische Vor- und Nachteile. Nach dem Anschmelzen werden Bolzen und Bauteil zusammengedrückt, der Lichtbogen erlischt, die Schmelze erhärtet.

Die Automobilindustrie praktiziert dies bei der Verarbeitung von Stahl seit vielen Jahren erfolgreich. Beim Aluminiumbolzenschweißen stößt diese Technologie allerdings an ihre Grenzen, da sich der Werkstoff im Vergleich zu Stahl physikalisch anders verhält.

Oxidhaut wächst bei Aluminium ungleichmäßigSo reagieren Aluminium und Aluminiumlegierungen im Gegensatz zu Stahl mit dem Sauerstoff der Luft und bilden eine ungleichmäßig wachsende Oxidhaut. Für ein hochwertiges Schweißergebnis ist jedoch eine gleichmäßige und dünne Oxidhaut an Bolzen und Bauteil notwendig.

Dies hat mehrere Gründe: Eine ungleichmäßige Oxidhaut verursacht eine Blaswirkung. Dadurch wird das Bauteil nicht symmetrisch zum Bolzen angeschmolzen, die Verbindung ist minderwertig.

Die dünne Oxidhaut ist weiterhin notwendig, da nur sie sich leicht aufbrechen lässt. Das elektrische Aufbrechen erfolgt am negativ gepolten Bauteil bzw. Bolzen, indem sich aus der Oberfläche Elektronen lösen. Dabei erwärmt die hierzu benötigte Austrittsarbeit die Oberfläche und schmilzt das Aluminium unmittelbar hinter der Oxidhaut.

Die im geschmolzenen Aluminium eingelagerten Legierungselemente, wie z. B. Magnesium, verdampfen. Der so entstehende Dampfdruck reißt die Oxidhaut feinflächig auf. Das Aufbrechen der Oxidhaut am positiv gepolten Bauteil erfolgt hauptsächlich mechanisch durch den Aufschlag des Bolzens auf das Bauteil am Ende des Schweißprozesses. Dieses Aufbrechen ist jedoch eher grobflächig.

Problem: Reinigen der Alu-Bauteile vor dem Schweißen

Flüssiges Aluminium weist zudem eine sehr hohe Affinität zum Wasserstoff auf, der unter anderem in Tiefziehmitteln chemisch gebunden enthalten ist. Vor allem Aluminiumbauteile, die mittels Kaltumformung bearbeitet werden, sind so benetzt. Wenn man diese Bauteile ungereinigt verarbeitet, löst die Aluminiumschmelze den Wasserstoff aus dem Tiefziehmittel und bindet ihn an sich.

Beim Erstarren gast er dann wieder aus, was zu stark porösen Fügezonen und damit zu mangelhaften Schweißverbindungen führt. Aluminiumbauteile und -bolzen müssen deshalb vor dem Schweißen mit Gleichstrom frei von Tiefziehmitteln aber auch Öl, Staub, Fingerabdrücken und Feuchtigkeit sein.

Um optimale Bedingungen für das Bolzenschweißen mit Gleichstrom zu erhalten, reinigt die Automobilindustrie ihre Aluminiumbauteile vor dem Schweißen. Diese Reinigung ist verbunden mit einem Beizpassivierungsprozess der Bauteile, um die ursprüngliche Oxidhaut durch eine dünne und gleichmäßige Schicht zu ersetzen.

Dadurch werden für das Schweißen aber auch für andere Fertigungsprozesse optimale Randbedingungen geschaffen. Diese Art der Vorbehandlung ist für die Automobilindustrie ein kostenintensiver Prozess.

Die Lösung: Schweißen mit Wechselstrom

Das Schweißen mit Wechselstrom reduziert diese aufwändigen Vorarbeiten. Grund hierfür ist – bei sonst gleichem Verlauf des Schweißprozesses – der Einsatz von Wechselstrom. Nur er kann gleichermaßen auf Bauteil und Bolzen eine reinigende Wirkung ausüben und in beide die Wärme definiert einbringen.

Im Gegensatz zum Schweißen mit Gleichstrom, bei dem die Temperatur vorwiegend von einer Seite eingebracht wird, besteht hier nicht die Gefahr, dass die Schmelze aufgrund von Überhitzung explodiert.

Kurzzeitbolzenschweißen mit gezogenem Lichtbogen

Tucker setzt als erstes Unternehmen ein Gerät in der Automobilindustrie ein, dass das Kurzzeitbolzenschweißen mit gezogenem Lichtbogen bei Wechselstrom möglich macht. Kernkomponente ist die Energiequelle DCE 1500 AC, die als Gleichstrom-Ausführung (DCE 1500 DC) bereits seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz ist. Diese wurde durch eine sogenannte H-Brückenschaltung erweitert, die den Schweißstrom des DCE 1500 DC von maximal 1500 Ampere in einen Wechselstrom umwandelt.

Beim Polaritätswechsel des Wechselstroms erlischt der Lichtbogen zwar kurzzeitig, wird aber bei definierten Randbedingungen sofort wieder sicher gezündet. Stromstärke und Pulsweite lassen sich zudem für die positive und die negative Halbwellen des Schweißstroms getrennt programmieren.

Außerdem ist eine Frequenz bis 100 Hertz und eine Änderung der Pulsweite von 30 bis 70 Prozent möglich. Das komplette Tucker-Bolzenschweißsystem besteht neben der Energiequelle aus einer Zuführeinheit, verschiedenen Schweißwerkzeugen für manuelles oder automatisches (z .B. robotergeführtes) Bolzenschweißen und einer breiten Palette von Bolzen.

Und so funktioniert das Bolzenschweißen mit Reinigungswirkung

Beim Schweißprozess wird der Bolzen bis auf die Oberfläche des Bauteils gefahren, der Schweißkreis ist geschlossen. Ein maximal 20 Ampere starker Vorstrom genügt, um die dünne Oxidhaut in einen leitenden Zustand zu versetzen.

Kurz danach wird der Schweißbolzen mittels eines Linearmotors definiert vom Bauteil abgehoben. Es entsteht ein schwacher Lichtbogen zwischen Bolzen und Bauteil, der nach 20 Millisekunden in einen Reinigungslichtbogen (CleanFlash) geschaltet werden kann. Bei Bedarf kann auch direkt in den Schweißlichtbogen übergegangen werden.

Die während der Reinigungsphase einsetzenden Stromstärken liegen je nach notwendiger Reinigungswirkung zwischen 20 und 500 Ampere und dauern 20 bis 100 Millisekunden. Dabei kann die Polarität mehrfach gewechselt werden, um eine optimale Reinigung zu erreichen.

Anschließend geht der Reinigungslichtbogen direkt in den Schweißlichtbogen über, um bei Stromstärken von 500 bis 1500 Ampere die Oberflächen des jeweils negativ gepolten Bauteils anzuschmelzen und dessen Oxidhaut aufzubrechen.

Durch die für negative und positive Polarität getrennt einstellbare Stromstärke und Pulsdauer wird die Schweißwärme individuell auf Bolzen und Bauteil verteilt und kann der jeweiligen Dicke der Bauteile sowie dem Benetzungsgrad mit Fremdstoffen angepasst werden. Abschließend werden die Oberflächen von Bolzen und Bauteil zusammengeführt. Die Schmelze erstarrt schlagartig, die Verbindung ist hergestellt.

Um ein Oxidieren des geschmolzenen Aluminiums zu verhindern, verwendet Tucker eine Schutzgasabdeckung, die die Fügezone durch einen hochflexiblen Faltenbalg gegen Zugluft schützt und somit eine perfekte Schweißumgebung garantiert. Als Schutzgas selbst kommt Argon zum Einsatz.

Audi nutzt Vorteile des Bolzenschweißens mit Wechselstrom

Audi und Jaguar nutzen bereits die Vorteile des Bolzenschweißens mit Wechselstrom. Um Clips für Leitungen zu befestigen, verwendet Audi beim aktuellen Modell TT M6- und T5-Alubolzen. Tucker stellt dem Ingolstädter Unternehmen hierfür Bolzen aus dem Werkstoff ALMg5 bereit.

Alle Bolzen werden der so genannten „Tucker.27“-Oberflächenbehandlung unterzogen. Sie umfasst eine Reihe von Beiz- und Waschprozessen. Abschließend erfolgt eine Beizpassivierung, bei der eine dünne und gleichmäßige Oxidhaut auf den Bolzen gebildet wird.

Audi setzt vom Blechhersteller ebenfalls vorbehandelte Ware ein. Auf diese Art spart das Unternehmen die Beizpassivierung der Aluminiumbleche und den Auftrag von Trockenschmierstoff für die Kaltumformung der Bleche im eigenen Hause ein. Dank der Tucker-Lösung muss der Trockenschmierstoff vor dem Bolzenschweißen dann nicht mehr entfernt werden – ein weiterer Prozess weniger.

Auch Jaguar schweißt beim Coupé mit Wechselstrom

Das Unternehmen befestigt Massestromverbindungen und kleine Aggregate an M8-Bolzen. T6-Bolzen dienen zudem der Befestigung von Clips für Leitungen. Die angelieferte Aluminiumblechware ist mit einer dünnen Wachsschicht benetzt angeliefert. Da der Produktionsprozess eine Reinigung der Bleche vor dem Schweißen nicht vorsieht, kam die Tucker-Lösung natürlich wie gerufen.

* Dr.-Ing. Klaus G. Schmitt ist in der Forschung und Entwicklung bei Tucker

Gute Zukunftsaussichten

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