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EFB-Forschungsbericht Nr. 036

Untersuchungen zur Qualitätssicherung von Widerstandspunktschweißungen an Aluminiumblechen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn, Dipl.-Ing. K. Pöll, Dipl.-Ing. Godehard Schmitz, Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

145 Seiten (Sw 86 Abb., 6 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-108-6

Preis (Digital) EUR 71,00

Preis (Print) EUR 80,30

Schlagwörter: Qualität, Aluminiumblechen

Zusammenfassung

Zielsetzung dieses Vorhabens war es, aus der Analyse von charakteristischen Prozeßgrößenverläufen Aussagen über die jeweilige Qualität der erstellten Schweißpunkte zu gewinnen. Die Notwendigkeit dieser Untersuchung ist einerseits dadurch gegeben, daß beim Punktschweißen von Aluminium die Schweißqualität nur mit sehr großem Aufwand zu sichern ist, andererseits die Elektroden einem starken Verschleiß unterliegen.

Deshalb sind Maßnahmen zur Qualitätssicherung im Rahmen einer Serienfertigung in besonderem Maße erforderlich, zumal die in der industriellen Fertigung bei der Verarbeitung von ferritischen Stahlwerkstoffen üblicherweise eingesetzten Qualitätssicherungsmaßnahmen für Schweißungen an Fügeteilen aus Aluminium so nicht angewendet werden können.

Aluminiumwerkstoffe lassen sich unter dem Aspekt der Punktschweißbarkeit in Abhängigkeit von der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in drei Gruppen unterteilen. Aus jeder dieser Gruppen wurde ein charakteristischer Werkstoff ausgewählt, um Untersuchungen an Werkstoffen unterschiedlicher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie verschiedenen Oberflächen und Gefügezuständen durchführen zu können.

Aufgrund der in Vorversuchen ermittelten Ergebnisse wurden für die Prozeßanalyse eine Gleich- und eine Wechselstrommaschine mit identischen Krafterzeugungssystemen ausgewählt. Der zeitliche Verlauf der Energieeinbringung in die Fügestelle ist bei den damit eingesetzten Stromarten völlig gegensätzlich: Während der Gleichstrom (6-pulsig gleichgerichtet) einen kontinuierlichen Verlauf aufweist, treten beim Wechselstrom Strompausen in Verbindung mit hohen Scheitelwerten auf.

Die Darstellung und Bewertung der zur Verfügung stehenden Maßnahmen zur Qualitätssicherung zeigte, daß im Hinblick auf eine weitgehend mechanisierte oder sogar automatisierte Fertigung nur durch die Analyse charakteristischer Prozeßgrößen die Möglichkeit besteht, die Qualität eines Schweißpunktes bereits während der Schweißung zu beurteilen. Aufgrund einer kritischen Auswertung der bisherigen Erkenntnisse über die Eignung erfaßbarer Größen zur Beurteilung der Schweißlinsenqualität wurden im Rahmen dieser Arbeit nur die Meßgrößen Elektrodenkraft, Schweißstrom, übergangswiderstand und Elektrodenbewegung unter variierten Schweißbedingungen erfaßt und ausgewertet.
Am zeitlichen Verlauf der Elektrodenkraft ließ sich im wesentlichen nur das Auftreten von Schweißpritzern nachweisen.

Die Schweißstromstärke, eine der Haupteinflußgrößen beim Widerstandspunktschweißen, sollte überwacht, besser noch geregelt werden, da schon geringe Schwankungen dieser Größe drastische Qualitätseinbußen zur Folge haben können. Das Auftreten von Prozeßstörungen kann jedoch am zeitlichen Verlauf des Schweißstromes meist nicht erkannt werden.
Der übergangswiderstand an der Fügestelle wurde sowohl mit einem Meßstrom (10 A), einem Vorwärmstrom (5 kA) sowie unterschiedlichen Schweißströmen ermittelt und ausgewertet. Bei geöffnetem Sekundärkreis wurde unter Verwendung des Meßstromes einerseits der Systemwiderstand in der Schweißmaschine bei direkt kontaktierenden Elektroden, andererseits der übergangswiderstand mit zwischen den Elektroden befindlichen Probeblechen ermittelt.

Systemwiderstandsmessungen bei den Elektrodenstandmengenversuchen ergaben einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Verschleißzustand der Elektroden und der Höhe des gemessenen Systemwiderstandes. Dieser nahm mit zunehmendem Elektrodenverschleiß höhere Werte an. Messungen des Übergangswiderstandes an Blechen in gleicher Art und Weise durchgeführt, ergaben keine aussagefähigen Ergebnisse bezüglich der sich einstellenden Schweißqualität.

Wurde der übergangswiderstand mit Hilfe des Vorwärmstromes bzw. Schweißstromes ermittelt, konnte nur bei den höher leitenden Werkstoffen Al99,5 und AlMg0,4Si 1,2 das Vorhandensein von Nebenschlußbedingungen erkannt werden.
Eine weitere Variation der schweißtechnischen Versuchsbedingungen bewirkte nur tendenzielle Änderungen der Mittelwerte. Die jeweiligen Streubereiche der einzelnen Meßwerte überdeckten sich derart, daß eine eindeutige Zuordnung nicht möglich war.

Die größte Aussagekraft bezüglich der erzielten Qualität der Verbindung hat der Verlauf der Elektrodenbewegung während der Schweißung. Simulierte Störgrößen, die eine Verringerung der Schweißqualität bewirken, können - mit Ausnahme des Nebenschlusses - im zeitlichen Verlauf des Elektrodenweges in ihren Auswirkungen eindeutig erkannt werden. Unter Nebenschlußbedingungen können die gleichen Elektrodenwege sowohl bei der Ausbildung ausreichend großer als auch zu kleiner Schweißlinsen auftreten. Diese Uneindeutigkeit des Meßsignals läßt sich dadurch erklären, daß der gemessene Elektrodenweg die Differenz aus Ausdehnung der Fügestelle, infolge Erwärmung, minus Einsinkbewegung der Elektroden in die Blechoberfläche darstellt. So kann der gleiche Elektrodenweg wie bei einer Schweißung guter Qualität bei der Entstehung einer kleinen Schweißlinse dadurch gemessen werden, daß zwar einerseits die Erwärmung durch den durch Nebenschluß verringerten Schweißstrom und damit die Ausdehnung der Fügestelle geringer ist, andererseits jedoch die Elektroden aufgrund der geringeren Erwärmung auch weniger tief in die Blechoberfläche einsinken können.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß sich nur Aluminiumwerkstoffe mit relativ geringen Streuungen der Oberflächenwiderstände unter praxisrelevanten Bedingungen für eine Beurteilung der Schweißqualität durch die Auswertung von Prozeßgrößenverläufen eignen. Stark unterschiedliche Kontaktwiderstandsverhältnisse zu Beginn einer Schweißung begünstigen das Auftreten von Spritzern und bewirken eine starke Streuung der übergangswiderstände, wodurch ein Erkennen störgrößenbedingter Änderungen des Meßsignals erschwert oder sogar unmöglich gemacht wird.

Werks toffe mit gleichmäßigen Oberflächen widerständen (z. B. AlMgO, 4Si 1,2) lassen durch die Auswertung der Elektrodenbewegung, in Verbindung mit einer Überwachung des Übergangswiderstandes während der ersten beiden Perioden der Schweißzeit, die erzielte Schweißqualität gut einschätzen. Bei Aluminiumwerkstoffen geringerer Härte (z.B. Al99,5) weist der übergangswiderstand während der Schweißzeit keine Charakteristika auf, die im Hinblick auf die erzielte Schweißqualität auswertbar sind.

Treten im Verlauf der Schweißung Spritzer auf, so verliert auch der Elektrodenweg ab dem Zeitpunkt der Spritzerbildung seine Aussagekraft bezüglich der Schweißqualität.
Als Regelgröße bei Aluminiumschweißungen eignet sich nur der Schweißstrom mit dem Phasenanschnitt als Stellgröße. Die Elektrodenbewegung steht von den untersuchten Prozeßgrößen noch im engsten Zusammenhang mit der Schweißqualität.
Als Führungsgröße für eine Prozeßregelung ist sie aber nur mit Einschränkungen geeignet, da sie unter Nebenschlußbedingungen sowie nach aufgetretenen Schweißspritzern in ihrer Aussagekraft stark eingeschränkt ist.

Aufgrund der hier dargestellten Versuchsergebnisse muß eine Prozeßregelung, die alle üblicherweise in der industriellen Fertigung auftretenden Störgrößen in deren Auswirkungen auf die Schweißqualität durch ihr Eingreifen kompensiert, als vorerst nicht realisierbar angesehen werden.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Qualitätssicherung von Widerstandspunktschweißungen an Aluminiumblechen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 6581 von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 36 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1. Probleinstellung
2. Stand der Kenntnisse
2.1 Widerstandspunktschweißen von
2.2 Aluminiumlegierungen
3. Prozeßüberwachung und -regelung
3.1 Versuchseinrichtungen
3.2 Schweißeinrichtungen
3.2.1 Geräte zur Erfassung der Prozeßgrößen:
3.2.2 Elektrodenkraft
3.2.3 Elektroden weg
3.2.4 Schweißspannung
3.2.5 Schweißstrom
4. Obergangswiderstand
5. Versuchswerkstoffe und Probenabmessungen
6. Elektrodenwerkstoff und -form
6.1 Versuchsdurchführung
6.2 Auswahl eines geeigneten Wegmeßsystems und des Anbringungsortes an der Schweißmaschine
6.3 Ermittlung geeigneter Schweißeinstellparameter
6.4 Ermittlung der Prozeßgrößenverläufe
6.4.1 bei unterschiedlichen Elektrodenkräften
6.4.2 bei unterschiedlichen Schweißstromstärken
6.4.3 bei unterschiedlichen Punktrandabständen
6.4.4 bei unterschiedlichem Nebenschluß
6.4.5 bei unterschiedlichen Elektrodenkühlmitteldurchsätzen
6.5 Ermittlung der Prozeßgrößenverläufe bei Elektrodenstandmengenversuchen
6.6 Prüfen der Schweißverbindungen
7. Versuchsauswertung
7.1 Übergangswiderstand der Versuchswerkstoffe
7.2 Geeignete Schweißeinstellparameter
7.2.1 Einfluß des Werkstoff-Gefügezustandes auf die Qualität der erstellten Verbindungen
7.2.2 Einfluß der Stromart auf die Qualität der erstellten Verbindungen
7.3 Einflüsse auf die zeitlichen Verläufe der Prozeßgrößen durch Änderungen:
7.3.1 der Elektrodenkraft
7.3.2 des Schweißstromes
7.3.3 des Punktrandabstandes
7.3.4 des elektrischen Nebenschlusses
7.3.5 des Elektrodenkühlmitteldurchsatzes
7.4 Einfluß von Schweißspritzern auf die zeitlichen Verläufe der Prozeßgrößen
7.5 Auswertung der zeitlichen Verläufe der Prozeßgrößen zur Bestimmung der Qualität der Schweißverbindungen und des Zustandes der Elektroden
7.5.1 Auswertung vor Beginn des Schweißstromflusses
7.5.1.1 Übergangswiderstand
7.5.1.2 Elektrodeneinsinkbewegung
7.5.2 Auswertung im Verlauf der Schweißzeit
7.5.2.1 Übergangswiderstand
7.5.2.2 Elektrodenbewegung
7.6 Bestimmung Qualitäts- und Elektrodenzustandsbeschreibender Prozeßgrößen
8. Zusammenfassung
9. Verwendete Abkürzungen und Begriffe
10. Schrifttum
11. Anhang A: Tabellen und Bilder
12. Anhang B: Schweißraster