Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklungen und Untersuchungen von Qualitätskriterien beim Kurzzeitwiderstandsschweißen

mit hoher Wärmestromdichte

 

Das wesentliche Fügeverfahren im Karosserie- und Fahrzeugbaubereich ist nach wie vor das Widerstandschweißen. Um die Energieeffizienz zu erhöhen und den Wärmeeintrag in die Bauteile zu vermindern, wäre beim Widerstandsschweißen eine Verkürzung der Schweißzeit notwendig. Dies wird bisher nur beim Buckelschweißen genutzt, kann aber auch auf andere Anwendungen des Widerstandspunktschweißens übertragen werden. Die Herausforderung besteht in den dafür fehlenden Qualitätskriterien. Ohne diese können insbesondere Zulieferer aus der mittelständischen Industrie das Kurzzeitschweißens mit entsprechend konzentrierter Energieeinbringung nicht anwenden. Im Rahmen des Projekts sollen Qualitätskriterien für die Bewertung von Kurzzeitschweißungen entwickelt werden, bei denen kein Schmelzbad mehr entsteht. In diesem Fall sind die bisher angewandten Qualitätskriterien nicht mehr gültig, bei denen eine Mindestgröße der Schmelzlinse erreicht werden muss. Außerdem muss bei dieser Prozessführung auch die obere Qualitätsgrenze einbezogen werden, die bisher durch die Spritzerbildung definiert wurde. Die ausgewählten Anwendungen können sowohl für bestehende Aufgaben, aber auch für die zukünftigen Anwendungen genutzt werden und sind somit kurzfristig umsetzbar. Die fehlenden Kenntnisse zu Qualitätsgrenzen bei Kurzzeitschweißungen stellen insbesondere für KMU im Zuliefererbereich einen großen Unsicherheitsfaktor bei der Bewertung ihrer Schweißqualität dar. Sie sind auf die Bewertung der Automobilhersteller angewiesen und können im Streitfall keine Sachargumente entgegenbringen. Die Nutzer der Ergebnisse sind neben der Fahrzeugzulieferindustrie Schweißanlagenhersteller und Elementhersteller, häufig aus dem Bereich der KMU. Sie sollen durch das Forschungsprojekt geeignete Methoden zur Qualitätsbewertung von Kurzzeitschweißungen erlangen. Die Ergebnisse sollen in die Erweiterung der DIN EN ISO 14329 und DVS-Merkblätter 2916 einfließen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Entwicklungen und Untersuchungen von Qualitätskriterien beim Kurzzeitwiderstandsschweißen mit hoher Wärmestromdichte“ erfolgten Untersuchungen zum Kurzzeitschweißen im Bereich von 20-60 ms von Funktionselementen. Dabei wurde analysiert, inwieweit Verbindungen ohne Schmelzlinse die geforderten Qualitätskriterien (Kopfzugkraft, Drehmoment und Gewindegängigkeit) erreichen. Zusätzlich wurde der Einfluss von Spritzern auf die Gewindegängigkeit ergründet und die mechanischen und elektrischen Führungsgrößen hinsichtlich ihrer Eignung als Qualitätskriterien analysiert. Dabei haben sich der maximale Elektrodenweg, die eingebrachte Leistung und Energie als besonders geeignet erwiesen. Die Methode der statistischen Versuchsplanung (DoE) wurde zur Ermittlung von Schweißbereichen mit geringem experimentellem Aufwand erfolgreich genutzt.

Zunächst wurden die erzeugten hinsichtlich ihrer Qualitätskriterien untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Kopfzugkraft der sensitivere Faktor als das Drehmoment ist. Dies bedeutet das bei Erreichen der Mindestkopfzugkraft das Mindesdrehmoment immer erfüllt war.

Hinsichtlich des Auftretens von Schweißspritzern hat sich gezeigt, dass die Anforderungen an die Verbindungen auch bei Auftreten gewährleisten werden. Hierfür wurde eine Spritzerklassifikation eingeführt. Diese ergab, dass Spritzer der Klasse 1 und 2 keinen negativen Einfluss auf die Gewindegängigkeit haben.

Bei der Analyse der Führungsgrößen hat sich gezeigt, dass der Elektrodenweg, die eingebrachte Energie und die Leistung am besten geeignet sind, um als Qualtitätskriterien zu dienen. Besonders geeignet ist die Leistung, da diese einer geringen Streuung unterliegt. Dies spiegelt sich in der verbesserten Vorhersage von Schweißbereichen mittel DoE auf Basis der Leistung wieder.