DVS-Berichte_326_Leseprobe

2016
DVS-BERICHTE
Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen
Vorträge der gleichnamigen 23. Sondertagung
in Duisburg am 29. und 30. Juni 2016
Gemeinschaftsveranstaltung von
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte
Verfahren e. V., Düsseldorf
und
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International
mbH, Niederlassung SLV Duisburg

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de
abrufbar.
DVS-Berichte Band 326
ISBN 978-3-945023-75-4
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses
Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
DVS Media GmbH, Düsseldorf 2016
Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH & Co. KG, Hamm

Vorwort
Wenn es das Widerstandsschweißen nicht gäbe, müsste man es erfinden!
Treffender kann die Bedeutung der Widerstandsschweißtechnik nicht beschrieben werden.
Aber auch bewährte Technik kann und muss verbessert werden. Um die Anwender jeweils über
den aktuellen Stand der Technik zu informieren, wurden bereits viele erfolgreiche Fachtagungen
durchgeführt.
So treffen sich die Widerstandsschweißer bereits zum 23. Mal zu ihrer Tagung „Widerstandsschweißen“,
die auch in diesem Jahr wieder von der GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International
mbH, Niederlassung SLV Duisburg, in Zusammenarbeit mit dem DVS – Deutscher Verband
für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. und dessen Arbeitsgruppe AG V3, veranstaltet
wird.
Die AG V3 „Widerstandsschweißen“ zählt mit zu den stärksten Arbeitsgruppen im Ausschuss für
Technik des DVS.
Viele DVS-Merkblätter und -Richtlinien sowie zahlreiche nationale und internationale Normen, die
in Zusammenarbeit mit dem DIN-Normenausschuss Schweißtechnik erarbeitet wurden, zeugen
von den vielfältigen Aktivitäten der AG V3.
Ferner zeichnet die AG V3 verantwortlich für diese Fachtagung, mit der sie ihren Mitgliedern und
allen Interessierten neben vielen interessanten Vorträgen auch ausreichend Raum für Informationen,
Erfahrungsaustausch und persönliche Kontakte bietet.
Mit einem breiten Themenangebot aus den Bereichen:
─ Schweißverfahren
─ Verfahrensvarianten
─ Werkstoffe
─ Fertigungsmittel
─ Elektromagnetische Felder
─ Prüfen, Qualitätssicherung
─ Anwendungen aus der Praxis
─ Regelwerke
möchten wir alle ansprechen, die sich in Forschung, Entwicklung, Planung, Produktion oder Qualitätssicherung
mit dem Themengebiet Widerstandsschweißen beschäftigen. Dabei wurde besonders
dem Wunsch nach möglichst vielen Beiträgen aus der Praxis Rechnung getragen.
Ziel dieser Tagung ist es aber auch, neueste Forschungsergebnisse auf dem Gebiet des Widerstandsschweißens,
die mit Unterstützung durch den DVS und mit finanziellen Zuwendungen der
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AIF) sowie anderer Fördergesellschaften
erarbeitet wurden, einem breiten Fachpublikum vorzustellen und zu diskutieren.
Darüber hinaus gibt es wieder eine begleitende Fachausstellung „Widerstandsschweißen“, in der
Hersteller von Geräten und Produkten den Tagungsteilnehmern ihre neuesten Entwicklungen und
Anwendungen vorstellen.
Wir laden alle Fachleute und Interessierte sehr herzlich zum „Treffpunkt Widerstandsschweißen“
nach Duisburg ein und wünschen den Tagungsteilnehmern eine erfolgreiche Veranstaltung verbunden
mit einem regen Informations- und Gedankenaustausch.
Duisburg/Düsseldorf/Hamburg, 2016
Dr.-Ing. Klaus Middeldorf
Geschäftsführer der GSI - Gesellschaft
für Schweißtechnik International mbH
Dr.-Ing. Roland Boecking
Hauptgeschäftsführer des DVS – Deutscher
Verband für Schweißen und
verwandte Verfahren e.V., Düsseldorf
Ralf Bothfeld
Obmann der DVS AG V3

23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
Unsere Welt ohne Widerstandsschweißen –
da würde uns was fehlen!
Stefan Schreiber, Peter Zak, Thomas Wilhelm
GSI mbH, NL SLV Duisburg
1 Historie
Der 1818 als Sohn eines Brauereibesitzers geborene James Prescott Joule [dʒuːl] bemerkte bei Experimenten
die Erwärmung eines stromdurchflossenen Drahtes und formulierte um 1841 das erste
Joulesche Gesetz = ∙∙, auch Stromwärmegesetz genannt. Auf Basis dieser Entdeckung
folgten zahlreiche Entwicklungen, die sich die Stromwärme zu Nutze machten. Jedem (noch) bekannt
ist die Glühbirne, gebrauchsfähig gemacht durch Thomas Alva Edison um das Jahr 1880.
Unter anderem in [5] wird die Entwicklung des Widerstandsschweißens beschrieben. Erste Widerstandsschweißungen
datieren auf etwa 1877, als Elihu Thomson in einem elektrischen Experiment
versehentlich Drähte miteinander verschweißte. Basierend auf dieser Erfahrung entwickelte er Anlagen
zum Pressstumpfschweißen, auf die er 1891 ein Patent erlangte. Aus dem Pressstumpfschweißen
wurde in den Folgejahren das Abbrennstumpfschweißen entwickelt, unter anderem für die
Kettenschweißung.
Das Punktschweißen geht in seinen Ursprüngen wohl auf Nikolai Bernados zurück, der 1888 eine
einfache Schweißzange mit Kohleelektroden patentieren ließ. Etwa 10 Jahre später konnte Kleinschmidt
durch Wechsel auf Kupferelektroden eine deutliche Verbesserung erreichen und legte damit
den Grundstein für den industriellen Einsatz. Auch das Rollennahtschweißen wurde hieraus entwickelt.
Patente zum Buckelschweißen wurden um 1909 erteilt, einer der Patentinhaber war ein Mitarbeiter
der Fa. Thomson. Neben Buckelanordnungen in unterschiedlichsten Variationen waren unter den
Entwicklungen auch diverse Formen von Einlegebuckeln.
Die Folgejahre beschäftigten sich mit der Weiterentwicklung der Verfahren im Detail. Ergänzend zur
Wechselstromschweißung wurden Gleichstrom- und Frequenzwandlermaschinen entwickelt, auch
Speichermaschinen wie z.B. solche mit Kondensatorentladung wurden bereits vor 1950 eingesetzt.
Durch die rasche Weiterentwicklung der Elektronikkomponenten wurden entscheidende Verbesserungen
in der Steuerungstechnik erzielt, wobei zunächst Ignitrons und später Thyristoren die bislang
meist mechanischen Schalter ersetzten. Die u.A. dadurch erst mögliche Phasenanschnittsteuerung ist
seit ca. 1950 bekannt, Konstantstromregelungen seit ca. 1970. Seit ca. 1950 existieren auch Patente
für erste einfache adaptive Regelungen, einsatzfähige Geräte sind ab ca. 1980 verfügbar, allerdings
zunächst nur für AC.
Inverter-Gleichstromanlagen folgten um 1990, und machten relativ leichte Schweißzangen und eine
deutlich schnellere und exaktere adaptive Regelung möglich.
Diese kurze Auflistung macht deutlich, welch stürmische Entwicklung die Widerstandsschweißtechnik
seit der grundlegenden Formulierung des Stromwärmegesetzes durch J.P. Joule genommen hat.
Zahllose Patente rund um das Widerstandsschweißen zeigen bis in die heutige Zeit, dass das Widerstandsschweißen
mit allen seinen Varianten noch längst nicht am Ende seiner Entwicklung angekommen
ist. Neue und vor allem mit den heutigen Möglichkeiten weiter entwickelte alte Ideen geben
immer wieder einen Innovationsschub.
Dies ist auch der Grund dafür, dass das Widerstandsschweißen aus der heutigen Industrie nicht mehr
wegzudenken ist und durchaus immer noch neue Anwendungen möglich macht.
DVS 326 1

23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
2 Verfahrensvarianten
Einige Normen [1][2][3][4] beinhalten Auflistungen der verschiedenen Fügeprozesse, unter Ihnen
selbstverständlich auch zahlreiche Prozesse die sich die Stromwärme zunutze machen (Widerstandsprozesse).
Die folgende Liste zeigt einen Überblick über diese Prozesse, der aus verschiedenen Normen
und Merkblättern zusammengetragen wurde:
Prozessbezeichnung Kurz ISO 4063
Widerstandspunktschweißen RP 21
o direkt (zweiseitig) RPZ 212
o indirekt (einseitig) RPE 211
Widerstandsrollennahtschweißen RR 22
o Überlappnaht 221
o Quetschnaht 222
o mit Kantenvorbereitung 223
o mit Drahtelektrode 224
o Foliennaht
RF
• Stumpfnaht RFS 225
• Überlappnaht RFL 226
o wide wheel / narrow wheel
Rohrschweißen
o Rolltransformatorschweißen
RT
o Schleifkontaktschweißen
RS
Buckelschweißen
o einseitig RBE 231
o zweiseitig RBZ 232
Widerstandsbolzenschweißen RBO 26 782
Pressstumpfschweißen RPS 25
Abbrennstumpfschweißen RA 24
o mit Vorwärmung 241
o ohne Vorwärmung 242
Kammerschweißen RK
Widerstandspressschweißen mit Hochfrequenz 27 291
andere 29
Induktionsschweißen RI/RIU/RIS 74
o Stumpf 741
o Rohr 742
Elektroschlackeschweißen RES -72 RES 72
o mit Bandelektrode 721
o mit Drahtelektrode 722
Widerstandshartlöten 918
Widerstandsweichlöten 948
Perkussionsschweißen 77
Hybridprozesse (z.B. RP-Kleben)
Spaltschweißen
Hot Staking (Warmverpressen)
Widerstands-Nieten
Deformations-Widerstandsschweißen
Widerstands-Umformen
Widerstands-Trennen
Wie die Auflistung zeigt, gibt es eine Vielzahl an Widerstands(schweiß)prozessen, was natürlich seinen
Grund in den Anforderungen der Industrie hat, bestimmte Schweißaufgaben möglichst ökonomisch
zu erledigen. Und da sind die Widerstandsschweißprozesse in zahlreichen Anwendungen gegenüber
der übrigen Schweißtechnik, insbesondere dem Schmelzschweißen, klar im Vorteil.
Vergleicht man die Auflistungen –auch unterschiedlich alte Fassungen der gleichen Norm - miteinander
so stellt man fest, dass im Laufe der Jahre einige Verfahrensvarianten hinzu gekommen, anders
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23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
einsortiert oder schlichtweg ersatzlos gestrichen worden sind. So sucht man heute beispielsweise die
Variante Kammerschweißen, die in [2] noch als Widerstandsschmelzschweißverfahren gelistet war,
dem Charakter nach aber eher eine Variante des Pressstumpfschweißens darstellt, in der aktuellsten
Auflistung von [1] vergebens. Obwohl dieses Verfahren heute nach wie vor eingesetzt wird.
Im Folgenden Kapitel werden Industriesparten und Bauteile genannt, die die starke Durchdringung
unserer Umwelt mit widerstandsgeschweißten Produkten klar aufzeigen.
3 Industriesparten
Eigentlich gibt es kaum einen Bereich des täglichen Lebens, in dem keine widerstandsgeschweißten
Produkte anzutreffen wären. Die Meisten achten allerdings kaum darauf, wie irgendein Produkt gefertigt
wurde und stellen somit auch nicht fest, dass ein Widerstandsschweißverfahren genutzt wurde.
Beispiele:
wieviele Widerstandsschweißungen finden Sie an einem Einkaufswagen?
Wo ist die Schweißung an einem Edelstahlspülbecken? Und welches Verfahren wurde genutzt?
wie sind die Griffe an Ihrem Edelstahltopf angeschweißt worden?
wie wird eine Konservendose geschweißt?
Vermutlich haben die meisten Leser jetzt zum ersten Mal darüber nachgedacht.
Hauptgebiete in denen Widerstandsschweißverfahren sinnvoll einsetzbar sind werden im Folgenden,
ohne Anspruch auf Vollständigkeit, genannt:
Verkehrsmittel (Karosserie etc.)
o PKW
o LKW / Omnibusse
o Züge / Strassenbahnen
o Landmaschinen / Traktoren
o Flugzeuge / Raketen
o Motorräder
o Fahrräder
Fahrzeugkomponenten
o Tanks
o Auspuffanlagen
o Befestigungspunkte (Muttern und Bolzen sowie Buchsen und Verstärkungsbleche)
o Achsen
o Antriebswellen
o Bremsbacken
o Scheibenbremsbelagträger
Motoren
o Kurbelwellen
o Nockenwellen
o Deckel, z.B. Ölwanne
o Ölfilter
o Getriebeteile
Elektrotechnik
o Batterien
o Lampen und Leuchten
o Schalter
o Sicherungen
o Spulen
o Kondensatoren
o Elektromotoren
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WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
o Sensoren
o Elektroleitungen
o Elektroanschlüsse
o Gehäuse
o Elektromaschinen
Mess- und Prozeßtechnik
o mech./hydraulische Druckmessgeräte
o Druckmembranen
o Thermoelemente
o Ventile (Gehäuse und Dichtflächen)
Maschinenbau und Chemie
o Schaltschränke
o Rohrherstellung
o Rohrverbindungen
o Muffen an Rohrleitungen
o Treppenkonstruktionen
o Ketten
o Fässer
o Eimer und Dosen für Lacke etc.
o Bohrer
o Fräser
o Drehstähle
o Kreissägeblätter
o Bandsägeblätter
o Elektrowerkzeuge
o Bohrschrauben
o Schraubendreher
o Schraubbits
Bauindustrie
o Betonstahl (Stäbe und Matten)
o Armierungsstrukturen/-körbe
o Blechverkleidungen (Trapezblech)
o Heizkörper
o Laufgitter (Lichtroste)
o Absperrgitter
o Abfallkörbe
o Decken- und Wandverkleidungen
o Nagelcoils
Hausgeräte- und Nahrungsmittelindustrie
o Waschmaschinen (Trommel und Gehäuse)
o Spülmaschinen (Behälter und Drahtteile)
o Herd (Muffel und Auszüge)
o Besteck
o Scheren
o Töpfe / Pfannen
o Küchenutensilien / Menagen
o Besteckkästen / Halter
o Einbauspülen
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WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
o Konservendosen
o Einkaufswagen
o Supermarktregale
Medizintechnik
o OP-Werkzeuge
o Haltevorrichtungen, z.B. für Infusionstropf
o Zahnarztbohrer
o Herzschrittmacher
Sonstiges
o Stahlmöbel
o Drahtbauteile (stumpf und kreuzförmig)
o Rollauszüge für Schubladen
o Metallbänke (Draht) im öffentlichen Bereich sowie Abfalleimer
…
Wie oben bereits gesagt, die Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und geht auch
nicht zu sehr ins Detail. Sicher finden Sie überall auf Anhieb noch viele Sparten und Produkte die Sie
ergänzen könnten!
So ist beispielsweise hier nur der Punkt Verkehrsmittel Karosserie/PKW genannt. Gerade hier gibt es
eine Vielzahl an Verbindungsaufgaben, die hauptsächlich durch das Widerstandspunkt- und Buckelschweißen
gelöst werden. Dabei stellen nicht nur die Vielzahl an Blechdickenkombinationen, Zweiund
Mehrblechverbindungen, sondern auch die Blechwerkstoff- und Beschichtungskombinationen
eine große Herausforderung dar. Und in anderen Sparten gibt es durchaus vergleichbar anspruchsvolle
Verbindungsaufgaben – zum Teil sogar deutlich kompliziertere.
4 Fazit
Die Widerstandsschweißprozesse bieten eine Fülle an Verfahrensvarianten, die die Schweißung unterschiedlichster
Verbindungsgeometrien und Bauteile ermöglichen. Dank der relativ einfachen Automatisierbarkeit
der meisten Varianten lässt sich eine hohe Produktivität erreichen, was die Produktkosten
wiederum im Rahmen hält.
Ein weiterer Punkt ist, dass die Durchführung des Widerstandsschweißens keine hohen Ansprüche an
die Fähigkeiten des Bedieners stellt. So findet man in der Praxis meist nur angelernte Kräfte an den
Maschinen. Die „Einfachheit“ des eigentlichen Schweißens sollte aber nicht darüber hinweg täuschen,
dass für die Einrichtung der Schweißmaschine, die Wartungsvorgaben und –arbeiten sowie letztendlich
auch die Problemursachenforschung und deren Beseitigung bestens ausgebildetes Personal erforderlich
ist, das über ein ausreichend breites Wissen über alle wichtigen Themen verfügen muss.
Einen gesetzlichen Zwang für die zu empfehlende Ausbildung für Einrichter oder Fachleute nach [6]
bzw. [7] gibt es allerdings nicht.
Dank der stetigen Weiterentwicklung der Verfahrens- und Anlagentechnik, insbesondere auch im Bereich
der Stromquellen sowie Steuerung/Regelung/Überwachung lassen sich heute viele Schweißaufgaben,
die früher als unlösbar oder zumindest unsicher galten, zuverlässig mit Widerstandsschweißprozessen
beherrschen.
Betrachtet man die oben gezeigte Auflistung von Sparten und Produkten in denen man das Widerstandsschweißen
findet so ist das Fazit eigentlich klar: ohne das Widerstandsschweißen wären viele
Massenprodukte überhaupt nicht kostengünstig herstellbar, so dass der Endverbraucher sich z.B.
einen PKW oder Küchengeräte kaum leisten könnte. Auch das Eigenheim wäre deutlich teurer, genau
wie alle Elektrogeräte.
Es würde uns also wirklich Einiges fehlen!
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23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
5 Literatur
[1] DIN EN ISO 4063 :2011-03
Schweißen und verwandte Prozesse – Liste der Prozesse und Ordnungsnummern
[2] DIN 1910 Teil 5 :1986-12
Schweißen- Schweißen von Metallen – Widerstandsschweißen – Verfahren
[3] DIN ISO 857-1 :2002-11
Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – Teil 1: Metallschweißprozesse
[4] DIN EN 14610 :2004-02
[5] A.J. Neumann
Elektrische Widerstand-Schweißung und -Erwärmung
Verlag von Julius Springer, Berlin 1927
[6] DVS-EWF 2940 :2014
Europäischer Einrichter für das Widerstandsschweißen EWP-RW
[7] DVS-EWF 2941 :2014
Europäischer Fachmann für das Widerstandsschweißen EWS-RW
Ausbildung, Prüfung, Zertifizierung
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23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
Einseitiges Widerstandsfügeverfahren für metallische Mischverbindungen
sowie Hybridverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen
und Metallen
M. Eng. Martin Bielenin, M. Sc. Konstantin Szallies,
Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann – Technische Universität Ilmenau
Dr.-Ing. Christian Neudel – AUDI AG, Ingolstadt
1 Motivation
Die Verringerung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen soll einen Beitrag zur Reduzierung der
CO2-Emissionen leisten, was sich in aktuellen Verordnungserlassungen (z.B. EU-Verordnung Nr.
443/2009) und Auflagen wiederspiegelt. Neben der Steigerung des Wirkungsgrades der Antriebskomponenten
bietet die Reduzierung des Fahrzeuggewichtes ein wesentliches Potenzial zur Emissionsverringerung.
Zur Gewichtsreduktion der Karosserie als massereichste Komponente wurde u.a. das
Multi-Material-Design entwickelt. Zu den dabei eingesetzten Werkstoffen zählen hoch- und höchstfeste
Stähle sowie Leichtmetalle, wie Aluminium oder Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe (vgl.
Abbildung 1).
Abbildung 1: Werkstoffübersicht beim Audi R8 (Audi AG)
Der effektive Einsatz beanspruchungsgerechter Werkstoffkombinationen setzt die Verwendung einer
geeigneten Fügetechnik voraus. Diese muss sowohl die metallurgische als auch die thermische Inkompatibilität
artfremder Werkstoffkombinationen wie bspw. Stahl/Aluminium oder Metall/Kunststoff
unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen überwinden. Bezugnehmend zu den am häufigsten vorkommenden
Stahl-Aluminium-Verbindungen stellen die unterschiedlichen chemischen und physikalischen
Eigenschaften der Werkstoffe eine Herausforderung dar [3]. Aufgrund der häufig angesprochenen
Neigung zur Bildung intermetallischer Phasen werden für Aluminium-Stahl-Verbindungen vermehrt
thermische Fügeverfahren durch „kalte“ Fügetechnologien“ ersetzt. Zum Verbinden von Stahl-
Aluminium-Blechverbindungen werden daher Verfahren wie Clinchen und Nieten in Kombination mit
Klebstoff verwendet [1], [2]. Für Verbindungstellen zwischen Metallen und Kunststoffen muss ebenfalls
auf Verfahren zurückgegriffen werden, die ein zusätzliches Fügehilfselemte bedingen.
Eine Alternative zu bisherigen Fügeverfahren bietet das vergleichsweise noch junge einseitige Widerstandspunktschweißen.
Bei dieser Verfahrensvariante kontaktieren beide Elektroden den metallischen
Fügepartner einseitig und die zu verbindenden Teile werden infolge der Wärmeentwicklung an der
Grenzfläche miteinander verbunden. Im Gegensatz zu mechanischen Fügeverfahren eignet sich das
einseitige Widerstandspunktschweißen für das thermische Fügen von Aluminium-Stahl und Metall-
Kunststoff, da keine zusätzlichen Fügehilfselemente (Niet, Schraube, etc.) benötigt werden, die Fügepartner
nicht durchdrungen und beschädigt werden und die resultierende Verbindung hohe Festigkeiten
aufweist. Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Flexibilität. So können auf einer Fertigungslinie und
mit bereits vorhandenen Fügeeinrichtungen (WPS-Anlagen) flexibel sowohl schweißgeeignete
Stahl/Stahl-Varianten (konventionelles WPS) als auch nicht schweißgeeignete Stahl/Aluminium- oder
Metall/Kunststoff-Verbindungen gefertigt werden. Die Anlagentechnik kann eine höhere Auslastung
erfahren, wodurch die Wirtschaftlichkeit gesteigert wird.
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23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
2 Verfahrensbeschreibung einseitiges Widerstandspunktschweißen
von Kunststoff mit Metall
Bei diesem Verfahrensansatz erfolgt die Stromeinleitung einseitig in nur einem Verbindungspartner.
Hierfür werden beide Elektroden auf dem metallischen Fügepartner aufgesetzt. Infolge der Joul’schen
Widerstandserwärmung und der Wärmeleitung im Metall wird der thermoplastische Kunststoff an der
Grenzfläche lokal plastifiziert. Im plastifizierten Zustand kann der Kunststoff die Metalloberfläche benetzen
und aufgrund eines definierten Fügedrucks in die zuvor erzeugte Oberflächenstrukturen eindringen.
Mit der Abkühlung und Erstarrung bildet sich somit ein fester Verbund aus Kunststoff und
Metall aus (vgl. Abbildung 2).
F F Elektroden
Metall
I
Q
Kunststoff
Abbildung 2: Modellhafte Darstellung des einseitigen Widerstandspunktschweißens von thermoplastischen
Kunststoffen mit Metallen
Im Vergleich zu Metall-Kunststoff-Verbindungen erfolgt die Verbindungsausbildung bei Aluminium-
Stahl erfolgt stoffschlüssig durch Diffusionsvorgänge an der Grenzfläche. Durch die einseitige Stromeinleitung
wird die Widerstandserwärmung bevorzugt in nur einen Verbindungspartner induziert,
wodurch der Gesamtwärmeeintrag herabgesetzt und die bereits angesprochene Sprödphasenbildung
begrenzt wird.
3 Experimentelle Randbedingungen
Für eine bauraumoptimierte Zugänglichkeit wurden beide Elektroden koaxial zueinander angeordnet.
Der Stromfluss über das Metall erfolgt zwischen der innenliegenden Elektrode und einer koaxial angeordneten,
rohrförmigen Elektrode, wodurch nur eine Punktverbindung erzeugt wird (vgl. Abbildung
3). Um einen Nebenschluss zu verhindern, sind beide Elektroden gegeneinander isoliert. Die Untersuchungen
wurden mit einer angepassten A10 Kappe (ø=3,5 mm) durchgeführt. Die dazu rohrförmige,
koaxial angeordnete Elektrode weist einen Außendurchmesser von 20 mm bei einer Wandstärke von
2 mm auf. Alle Schweißungen wurden mit einer Vorhaltezeit von 600 ms, Nachhaltezeit von 1000 ms
und einer Elektrodenkraft von 465 N durchgeführt.
F
F
F
Innere
Elektrode
Äußere
Elektroden
I
Metall
Q
Kunststoff
Abbildung 3: Schematische Darstellung der koaxialen Elektrodenanordnung
Als metallische Werkstoffe wurden EN AW-6016-T4 (t=1,15 mm) und DX56D+Z100MB (t=1,0 mm)
gewählt und mit dem glasfaserverstärkten Kunststoff PA6 GF 47 (t=2,0 mm) gefügt. Die Schweißversuche
wurden an Überlappverbindungen in Anlehnung an DVS/EFB 3480-1 mit einer Überlappfläche
von 20 mm * 45 mm² durchgeführt. Die Werkstoffkombination Aluminium/Stahl wurde im Rahmen der
Untersuchungen stets stahlseitig geschweißt. Bei Metall/Kunststoff-Verbindungen wurde die Metall-
8 DVS 326

23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
oberfläche im Überlappbereich vor dem Schweißen durch Korundstrahlen oder Laserstrukturieren
vorkonditioniert.
4 Ergebnisse Metall-Kunststoff-Verbindungen
4.1 Ermittlung des Schweißstrom-Zeit-Bereiches
Das Erreichen eines möglichst großen Schweißbereiches ist gleichbedeutend mit einer hohen Prozesssicherheit,
die notwendig werden, um eine reproduzierbare Anbindungsfläche im Herstellungsprozess
zu gewährleisten. Für die Bestimmung des Schweißbereiches konnte nicht auf konventionelle
Prüf- und Dokumentationsrichtlinien zurückgegriffen werden. Aus diesem Grund wurden eigene Bereichsgrenzen
definiert. Die untere Grenze des Schweißbereiches beschreibt die Grenze, bei der die
erzeugten Verbindungen im quasistatischen Scherzugverzug weniger als 500 N halten. Die obere
Grenze des Schweißbereiches ist erreicht, wenn die aufgeschmolzene Matrix von PA6 GF47 aus dem
Überlappbereich herausgedrängt wird. Während die Elektrodenkraft durch Voruntersuchungen auf
435 N festgelegt wurde, erfolgte eine Variation von Schweißstrom und Schweißzeit. Dabei zeigte sich,
dass sowohl die Verbindungen mit Stahl als auch mit Aluminium einen ausgeprägten Schweißbereich
von mindestens 2 kA aufweisen (vgl. Abbildung 4).
Abbildung 4: Schweißstrom-Zeit-Bereichsdiagramme. VHZ: 200 ms, NHZ: 600 ms - Links: DX56D+Z100MB
Rechts: EN AW 6016-T4
4.2 Festigkeitseigenschaften und Oberflächenkonditionierung
Die Beurteilung der Tragfähigkeit der einseitig widerstandspunktgeschweißten Metall-Kunststoff-
Verbindungen erfolgte durch quasistatische Scherzugversuche. Da bereits eine Vielzahl von Untersuchungen
zum thermischen Direktfügen von Metallen mit faserverstärkten Kunststoffen belegt haben,
dass eine Strukturierung des Metalls an der Grenzfläche zur Erreichung hoher Verbundfestigkeiten
notwendig ist, erfolgte im Vorfeld die Strukturierung mittels Korundstrahlen (F 60, Arbeitsdruck 6 Bar)
und Laserstrahlstrukturierung. Ein Querschliff einer korundgestrahlten Aluminiumprobe ist in Abbildung
5 dargestellt und zeigt Vertiefungen mit unregelmäßiger Skalierung und stochastischer Verteilung.
Weiterhin sind Hinterschneidungen ersichtlich, in die der Kunststoff im Fügeprozess einfließen
kann und durch die es bei Erstarren des Polymers zur Ausbildung einer mechanischen Verankerung
der Fügepartner kommt. Im Gegensatz dazu erlaubt die Oberflächenkonditionierung mit einem gepulsten
ns-Laser das Einbringen von Strukturen in den metallischen Partner mit definierten Aspektverhältnis,
Strukturtiefen und Hinterschneidungen (vgl. Abbildung 5).
DVS 326 9

23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
Abbildung 5: Oberflächenkonditionierung von EN AW-6016-T4, Links: korundgestrahlt, Rechts: laserstrukturiert
Die Parameter Schweißzeit (600 ms) und Elektrodenkraft (435 N) wurden konstant gehalten. Der
Schweißstrom wurde an die jeweiligen thermophysikalischen Eigenschaften des metallischen Fügepartners
angepasst. So wurde für DX56D+Z100MB ein Strom von 5,8 kA und für EN AW-6016-T4
11,5 kA verwendet.
5000
EN AW 6016-T4 / PA6 GF 47
5000
DX56D+Z100MB / PA6 GF 47
4000
Laserstrukturiert
Korundgestrahlt
4000
Laserstrukturiert
Korundgestrahlt
3000
3000
Scherzugkraft [N]
2000
Scherzugkraft [N]
2000
1000
1000
F = 1500
Korund 213 N
F = 2021
Kor und 42 N
0
F
Laser
= 3742
189 N 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25
0
F = 3261
Laser 79 N
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25
Längenänderung [mm]
Längenänderung [mm]
Abbildung 6: Scherzugkraft-Weg-Verläufe korundgestrahlter und laserstrukturierter Metalloberflächen.
Links: EN AW-6016-T4 mit PA6 GF47 (11,5 kA), Rechts: DX56D+Z100MB mit PA6 GF47 (5,8 kA)
Im Kraft-Längenänderungsdiagramm wurde bei allen Proben eine hohe Deckungsgleichheit festgestellt,
was eine entsprechende Prozessreproduzierbarkeit beweist (vgl. Abbildung 6). Verbindungen
die zuvor laserstrukturiert wurden, weisen im Gegensatz zu korundgestrahlten Proben höhere Tragfähigkeiten
auf. Grund hierfür ist einerseits die durch die Laserablation vergrößerte Oberfläche. Anderseits
wird durch die geometrischen Strukturen mit implizierten Hinterschnitten der thermoplastischen
Matrix eine gleichmäßige Verklammerungsmöglichkeit gegeben.
10 DVS 326

23. DVS-Sondertagung
WIDERSTANDSSCHWEISSEN 2016
4.3 Klebstoffapplikation
In der modernen Karosseriefertigung werden punktförmige Fügeverfahren zwecks Steifigkeitserhöhung,
Verbesserung der Crash- und Schwingfestigkeit sowie der Geräusch- und Vibrationsreduktion
häufig mit dem Klebstoff kombiniert. Weiterhin wird zum einen der Eintritt von Elektrolyten in den
Flansch verhindert und zum anderen erfolgt die elektrochemische Trennung der beiden Werkstoffe.
Die Trennung ist vor allem bei der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen zu gewähren.
Ein Nachteil sind die relativ langen Aushärtezeiten der Klebstoffe bis zur Erzielung einer ausreichenden
Handlingsfestigkeit. Die Kombination des Klebens mit punktförmigen Fügeverfahren führt
auf der einen Seite zur Steigerung der Schäl- und Scherzugfestigkeit, indem die erzeugte Verbindung
als „Peel Stopper“ fungiert und auf der anderen Seite zur Fixierung der Bauteile während des Fertigungsprozesses
bis zur Klebstoffaushärtung im KTL-Prozess. Zur Bestimmung der Eigenschaften
hybridgefügter Verbindungen kam Strukturklebstoff zum Einsatz. Die Werkstoffoberflächen wurden
mittels Aceton und Isopropanol gereinigt. Die Klebstoffraupe wurde jeweils in der Probenmitte aufgetragen.
Die Schweißprozessparameter mussten beim Klebstoffeinsatz nicht angepasst werden.
Abbildung 7: Einfluss von Klebstoff auf die Scherzugkraft widerstandspunktgefügter Verbindungen aus PA6
GF47 mit DX56D+Z100MB (6 kA) und EN AW-6016-T4 (12 kA)
Der Klebstoff beeinflusst den Schweißprozess entscheidend, was die Reduktion des Tragverhaltens
im quasistatischen Scherzugversuch zeigt. So fällt sowohl bei Aluminium als auch bei Stahl die maximale
Scherzugkraft, der mit Klebstoff geschweißten Proben, auf ein Niveau von ca. 50 % im Vergleich
zu gefügten Proben ohne Klebstoff (vgl. Abbildung 7). Die Ergebnisse zeigen, dass das einseitige
Widerstandspunktschweißen von Metall-Kunststoff-Verbindungen in Kombination mit Klebstoff prinzipiell
geeignet ist und strukturelle Scherzugfestigkeiten erreicht werden. Um höhere Tragfähigkeiten zu
erzielen, kann eine Anpassung des Schweißprogramms (Strom, Vorimpuls) als auch der Elektrodenkraft
(verbesserte Klebstoffverdrängung) vorgenommen werden.
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