Schweißen Immer Theater mit dem Buckelschweißen?

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Buckelschweißen ist die Standardtechnologie zum Schweißen im Automobilbau, wenn es darum geht Muttern und Schrauben an unterschiedliche Bleche zu schweißen. Unvermeidbar bei diesem Verfahren ist, dass die Elektroden verschleißen. Die Folge: Die Schweißverbindung versagt. Doceram hat die passende Lösung hierfür.

Im Jahr 2021 haben die deutschen Autohersteller etwa 3,1 Millionen Fahrzeuge produziert. Bis zu 400 Muttern und Schrauben werden an unterschiedliche Blechteile geschweißt, um die sogenannten Rohkarosse zusammenzubauen. Dabei ist das Buckelschweißen die Standardtechnologie zum Schweißen von Verbindungselementen aller Art.

Rechnet man das nun auf einen der 220 Arbeitstage pro Jahr um, dann wird bei den Automobilherstellern und deren Zulieferern täglich ca. 8,5 Millionen Mal buckelgeschweißt. Doch ist eine so häufig verwendete Fertigungstechnologie in jeder Hinsicht erforscht, standardisiert und normiert? Nicht überall.

Für die Normteile und die Anforderungen an die Schweißverbindung stehen dem Konstrukteur umfangreiche Werksnormen der Automobilhersteller zur Verfügung. Dort wird nicht nur die Geometrie der freigegebenen Schrauben und Muttern beschrieben, sondern auch angegeben, welche Kräfte und Belastungen die Schweißverbindung aufnehmen muss und wie diese zu prüfen sind.

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Auch die jeweiligen Schweißverfahren sind in den Regelwerken und Normen (zum Beispiel des DVS) ausführlich klassifiziert und beschrieben. Hier finden sich auch viele Informationen zum Umgang mit verschiedenen Blechen, Materialien und Beschichtungen. Geht es allerdings um eine konkrete Anwendung und möchte zum Beispiel wissen, was die Beste und wirtschaftlichste Technologie z.B. für eine Buckelmutter M8 nach DIN928 wäre, wird man keine allgemein-gültigen Empfehlungen finden.

Hauseigene Erfahrungen beim Planen

So hat ein Prozessplaner kaum Anhaltspunkte, wenn er für ein neues Produkt eine Buckelschweißanlage beschaffen soll. Er weiß weder mit welcher Technologie, noch mit welchen Eigenschaften die Anlage ausgestattet sein sollte. Er kann sich dabei in der Regel nur auf die hauseigenen Erfahrungen stützen und wird die Anlagenart wählen, mit der man die besten Erfahrungen hat. Sind aber für das neue ZB-Bauteil bisher nicht verwendete Blechmaterialien, Beschichtungen oder Muttern angefragt, kann er schon jetzt nicht mehr sicher sein, ob die geplante Anlage das Produkt dauerhaft in der geforderten Qualität fertigen kann.

Umfangreiche Prozess-FMEA

Mit Blick auf die immer unterschiedliche Geometrie der Bauteile, die Art und Anzahl der Anschweißteile und den Automatisierungsgrad gilt das Augenmerk des Konstrukteurs zunächst nur Kriterien wie geometrische Zugänglichkeit, Taktzeit und Ausbringung. Um dem Kunden garantierten Leistungen zu erreichen, werden dabei schnell Gestaltungsgrundsätze übersehen, die für einen stabilen Prozess notwendig sind. So ist die Prozess-FMEA einer Buckelschweißaufgabe sehr umfangreich. Neben der eigentlichen Bauteilgeometrie, den Werkstoffen und Beschichtungen müssen vor allem die Einflüsse auf den Widerstandsverlauf betrachtet werden. Eine Buckelschweißung gelingt nur, wenn der Schweißstrom sehr schnell sowohl gegen die ohmschen als auch die induktiven Widerstände ansteigt. Weil zu Maschine und Technologie oft Erfahrungen vorhanden sind, liegen die größten Risiken in der Gestaltung der Schweißvorrichtung.

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Anders als zum Beispiel beim Lichtbogenschweißen unterliegen die Vorrichtungen beim Buckelschweißen einem nicht vermeidbaren und damit geplanten Verschleiß. Die Abnutzung der Elektroden durch Schweißkraft, Wärme, Schmutz, Spritzer und Abrasion muss so geplant werden, dass die Schweißergebnisse stabil bleiben, d.h. bei regulärer Produktion mindestens für die Dauer einer Schicht. Damit das gelingt, muss die Gestaltung des stromführenden Teils der Vorrichtung die Verschleißfestigkeit und damit die Standzeit der Elektrode unterstützen.

Was macht Buckelschweißen so schwierig?

Jede Buckelschweißvorrichtung ist ein einfacher, elektrischer Stromkreis. Jedes Bauteil und be-sonders die Verbindungsstellen zwischen den Bauelementen haben darin einen spezifischen ohmschen Widerstand. Damit wird in jedem Bauteil elektrische Arbeit verrichtet; es wird Energie verbraucht.

Idealerweise sind Schweißvorrichtungen dann so aufgebaut, dass nahezu die ganze Energie an der Stelle des größten Widerstandes, nämlich dem Schweißbuckel verbraucht wird. Leitfähige Materialien, große Querschnitte und fest verschraubte Übergänge zwischen den Bauteilen der Schweißvorrichtung verringern die ohmschen Wider-stände dieser Vorrichtungsbestandteile auf ein Minimum.

Abnutzung der Elektroden ist unvermeidbar

Unvermeidbar ist dagegen die Abnutzung der Elektroden an den Übergangsflächen zu den zu schweißenden Bauteilen. Vor allem die Kontaktflächen der Unterelektroden werden belastet. Neben den Rückständen aus verbranntem Öl, Beschichtungen (Zink u.ä.) und Verschmutzungen bleiben nach dem Schweißen oft Spritzer liegen und drücken sich beim nächsten Zyklus in das Kupfer. Mit jeder Schweißung verändert sich so der ohmsche Widerstand zwischen Elektrode und Bauteil.

Schweißparameter werden dabei immer mit neuen, unverbrauchten Elektroden ermittelt. Dabei werden die Parameter Schweißkraft, Schweißstrom und Schweißzeit so abgestimmt, dass der Schweißbuckel und die Gegenfläche auf dem Blech Schmelztemperatur erreichen. Mit der Zugprobe wird zudem die Festigkeit der Schweißnaht überprüft und Makroschliffe geben Aus-kunft über die Güte der Schweißverbindung.

Ist die Schweißung dann korrekt eingestellt, ergibt sich ein Prozessfenster, in dem die Schweißung sicher gelingt, aber nicht überhitzt.

Schweißverbindung versagt früher oder später

Und das eigentliche Problem ist: Durch die im Fertigungsprozess verschleißenden Elektroden nimmt die Kontaktstelle zwischen Bauteil und Elektrode immer mehr Energie auf. Da die Menge der Energie im Sekundärkreis aber konstant ist, fehlt der Schweißstelle irgendwann so viel Energie, dass die Schweißtemperatur nicht mehr erreicht wird. Früher oder später versagt dann die Schweißverbindung. Oft können solche Fehler durch die Qualitätssicherung noch erkannt und abgefangen werden. Da man aber der Schweißung nicht von außen ansehen kann, ob sie noch hält, werden immer wieder fehlerhaft geschweißte Teile ausgeliefert. Fällt die Schweißung dann erst während der Endmontage beim Kunden aus, entstehen schnell sechsstellige Folge-kosten.

Und was kann man dagegen tun?

Die wesentliche Prozessrisiken liegen in der Gestaltung der Vorrichtung. Es müssen eine Vielzahl von Einflussfaktoren beachtet werden. Dabei hängt es regelmäßig nur von der Erfahrung des ausführenden Konstrukteurs ab, wie gut dies gelingt.

Software Modul-Master gespeist mit zahlreichen Erfahrungen

Die Doceram GmbH, spezialisiert auf die Herstellung von Bauteilen aus Ingenieurkeramik, hat schon früh erkannt, dass die Entwicklung speziell auf die Anforderungen der Widerstandsschweißtechnik abgestimmter Keramik-Bauteile nur ein Baustein für eine prozesssichere Schweißvorrichtung ist. Deshalb hat man schon vor 20 Jahren begonnen, einen Baukasten aus Standardelementen zum Widerstandsschweißen zu entwickeln. Die CAD-Software Modul-Master-Pro beachtet dabei alle Anforderungen an eine Buckelschweißvorrichtung. Darin sind die Erfahrungen von mehr als 500 bereits im Einsatz befindlichen Systemen verarbeitet.

Die Standardisierung von Produkten hat eine Vielzahl von Vorteilen. So werden eben nicht nur Erfahrungen festgeschrieben, sondern damit ist auch die Basis für die Weiterentwicklung der Produkte gelegt.

Prozesssicheres Kurzzeit-Widerstandsschweißen

Die Gatzsch Schweißtechnik GmbH aus Attendorn hat schon früh diesen Zusammenhang erkannt und auf eine konsequente Standardisierung gesetzt. So ist die Firma Gatzsch der erste Anlagenhersteller, der seine Produkte den Kunden zum freien Download in einem CAD-Portal zur Verfügung stellt. Die Basis für einen Standard entsteht, wenn man die Erfahrungen aus einer Vielzahl von Projekten sammelt und basierend darauf die eigenen Produkte verbessert.

Aus diesem Grund war man bei Gatzsch auch in der Lage einer Anfrage aus dem Automotive Center Südwestfalen (acs) zu folgen. In dem Verbundprojekt „Prozesssicheres Kurzzeit-Widerstandsschweißen von Fügeelementen auf pressgehärtete Stähle mit Mittelfrequenztechnik“ (Pro-WiS) soll untersucht werden, ob man zu den aktuelle genutzten Verfahren eine Alternative findet.

Kurze Schweißzeiten und hohe Stromdichte

Beim Buckelschweißen pressgehärteter Stähle kommt es vor Allem auf kurze Schweißzeiten und eine hohe Stromdichte an. Diese Anforderungen erfüllt im Moment nur das Kondensator-Entladungsschweißen (KES). Das ACS untersucht nun, ob sich durch eine spezielle Ansteuerung von Mittelfrequenzinvertern ähnliche Parameter erreichen lassen. Ziel ist es nicht nur Investitionskosten zu sparen, sondern vor allem die sensiblen Prozesse beim Schweißen von Baugruppen aus pressgehärteten Stahlen zu stabilisieren. In Voruntersuchungen wurde dann ermittelt, dass die Gatzsch Anlagen über gute, elektrische Eigenschaften verfügen. Die speziellen Aluminium-C-Gestelle dienen bei diesen Anlagentyp nicht nur der Aufnahme der Pressenkräfte, sondern sorgen mit ihrem großen Querschnitt für eine gute Stromübertragung und eine geringe Impedanz. Es wird außerdem vermutet, dass Veränderungen bei Ausladung und Polplattenabstand der Schweißanlage bauartbedingt nur einen geringen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften haben. Damit ließe sich dann die neue Kurzzeit-Schweißtechnologie flexibel in unterschiedliche Anlagenkonzepte übertragen. Das Projekt soll bis zum Jahresende 2022 abgeschlossen sein.

Was kommt als nächstes?

Im Rahmen des ACS-Projektes hat Doceram unter dem Namen Modul-Master-Pro auch die nächste Generation der Stiftzieheinheit vorgestellt. Damit sollder Anwendungsbereich für diese Einheiten erweitert werden. Durch ein neues Design und eine Vergrößerung der elektrischen Querschnitte können die Modul-Master jetzt auch für KE-Anwendungen über 100 kA Schweißstrom und für MF-Schweißungen mit Strömen über 65 kA und langer Einschaltdauer eingesetzt werden. Zu den verbesserten Eigenschaften gehören:

• Das Grundgehäuse wurde im Querschnitt auf 50x50 mm vergrößert und damit die Stromleitfähig-keit erhöht.

• Die internen Kühlkanäle wurden erweitert und damit die aktive und passive Wärmeableitung verbessert.

• Die Kontaktfläche der Wechselelektrode wurde für einen bessere Stromübertragung und Wärmeablei-tung vergrößert. Gleichzeitig wurde die Geometrie vereinfacht.

• Zur Aufnahme höherer Schweißströme und Kräfte wurde die Überwurfmutter auf Schlüsselweite 46 vergrößert.

• Am Korpus wurden Bohrbilder M6 eingebracht, um dem Anwendern das direkte Befestigen weiterer Vorrichtungselemente zu ermöglichen.

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