Widerstandspreßschweißen Grundlagen - Verfahren - Anwendung M. Krause
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 1.1 1.2 Einleitung. Fügetechnik. Einteilung der Widerstandsschweißverfahren. 1 1 4 2 Elektrotechnische Grundlagen des Widerstandsschweißens 9 2.1 Die Einheiten der elektrotechnischen Größen 9 2.2 Die Stromarten 10 2.3 Der Widerstand im Stromkreis 13 2.4 Schaltung von Widerständen 14 2.4.1 Reihenschaltung der Widerstände 14 2.4.2 Parallelschaltung der Widerstände 15 2.4.3 1. Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) 16 2.4.4 2. Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) 16 2.4.5 Widerstandsarten 16 2.4.5.1 Wirkwiderstand im Wechselstrom kreis 16 2.4.5.2 Induktiver Widerstand im Wechselstromkreis 17 2.4.5.3 Kapazitiver Widerstand im Wechselstromkreis 17 2.4.5.4 Scheinwiderstand (Impedanz) im Wechselstromkreis 18 2.5 Darstellung von Wechselstromvorgängen durch Vektoren 18 2.5.1 Wirkwiderstand, induktiver und kapazitiver Blindwiderstand im Wechselstromkreis 20 2.6 Wechselstromleistung 21 2.6.1 Wirkleistung 21 2.6.2 Blindleistung 22 2.6.3 Scheinleistung 22 2.7 Der Transformator 22 2.8 Mehrphasige Wechsel ströme 23 2.8.1 Dreiphasen- oder Drehstrom 24 2.8.2 Dreieckschaltung 24 2.8.3 Stern schaltung 24
3 Physikalische Grundlagen des Widerstandsschweißens 26 4 Voraussetzungen, Hinweise und Richtwerte zum (Punkt-)Schweißen 29 4.1 Schweißbarkeit der Bauteile 29 4.2 Schweißeignung der Werkstoffe 29 4.2.1 Schweißeignung der Stahlwerkstoffe 30 4.2.2 Schweißeignung der beschichteten Stahlwerkstoffe 31 4.2.3 Schweißeignung der Aluminiumwerkstoffe 32 4.2.4 Schweißeignung von Kupfer- und Nickelwerkstoffen 34 4.2.5 Schweißeignung weiterer Werkstoffe und Werkstoffpaarungen 34 4.3 Hinweise zu den SchweißeinsteIlwerten 36 4.3.1 Stromdichte 37 4.3.2 Schweißlinsendurchmesser, Schweißzeit, Elektrodenkraft 38 4.3.3 Schweißnebenzeiten 38 4.4 Schweißelektroden und Elektrodenwerkstoffe 39 4.4.1 Die gebräuchlichen Elektrodenwerkstoffe und ihre bevorzugten Anwendungen 40 4.4.2 Punktschweißelektrodenformen 41 4.4.3 Standmenge der Elektroden 42 4.5 Anordnung der Schweißpunkte 42 4.5.1 Nebenschluß 42 4.5.2 Abstand der Schweißpunkte 43 4.6 Schweißgerechte Konstruktion 43 4.6.1 Nebenschlußmöglichkeiten 44 4.6.2 Zugänglichkeit der SchweißsteIle 45 4.6.3 Auflageflächen für Elektroden 46 4.6.4 Verbindungen mit ungleich dicken Blechen 46 4.6.5 Impedanzänderung im Sekundärkreis 46 4.7 Prüfen von Schweißverbindungen 47 4.7.1 Werkstattversuche zum Beurteilen von Schweißverbindungen 47 4.7.2 Weitere mechanisch-technologische Prüfverfahren 47 4.7.2.1 Scherzugversuch 47 4.7.2.2 Kopfzugversuch 48 4.7.2.3 Torsionsversuch 48 4.7.2.4 Prüfung durch schlagende Beanspruchung 48 4.7.2.5 Dauerschwingversuch 48 4.7.2.6 Bauteilversuch 48 4.7.3 Zerstörungsfreie Prüfverfahren 48 4.7.3.1 Magnetpulverprüfung 48 4.7.3.2 Farbeindringprüfung 49 4.7.3.3 Ultraschallprüfung 49 4.7.3.4 Durchstrahlungsprüfung 49 4.7.3.5 Schallemissionsprüfung 49 4.7.3.6 Metallographische Untersuchung 49 4.8 Schweißfehler und ihre Ursachen 49
5 5.1 5.1.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.5.7 5.5.8 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.6.6 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 Steuerungen für Widerstandsschweißeinrichtungen 51 Die Schweißeinrichtung 51 Prinzipieller Aufbau der Schweißeinrichtung 51 Die Schweißsteuerung 52 Die Leistungsstufe 54 Der Thyristor 54 Bemessung der Thyristorsteller 54 Relative Einschaltdauer 55 Sperrspannung 56 Thyristorkühlung 57 Schutzbeschaltung " 57 Die Stromsteuerung 58 Phasenanschnitt 58 Effektivwert " 59 Leistungsfaktor cos phi 59 Verzögerte erste Halbwelle 60 Stromanstieg - Stromab fall " 62 Die Zeitsteuerung 62 Stromzeit 62 Nebenzeiten 63 Mehrprogrammsteuerungen 64 Betriebsartenumschaltung 64 Weiterlaufkommando 64 Netzlastverriegelung 65 Schweißpunktzähler (Stepperfunktion) 65 Regelung " 65 Sonderschweißsteuerungen 66 Steuerungen für zentrale Programmierungen " 66 Frequenzwandleranlagen 68 Steuerungen für Maschinen mit Sekundärgleichrichter " 68 Mittelfrequenzschweißsteuerungen 70 Steuerungen für Schweißanlagen mit Kondensatorentiadung 70 Steuerungen für Stumpf- und Abbrennstumpfschweißanlagen 71 Steuerungsdefekte 72 Störungen 73 Fehlerhafte Einstellung bzw. Programmierung der Steuerung " 73 Maschinendefekte 74 Überwachungseinrichtungen 75 Abschließende Hinweise 75 Netzanschluß von SchweiBmaschinen 76 Das Leistungsverhalten des Schweißtrafos in Abhängigkeit von der Einschaltdauer " 76 Was ist beim Anschluß einer Schweißmaschine zu beachten? 76 Installation der Schweißmaschine 82 Meßtechnik im Schweißstromkreis " 84
7 Betrachtungen zur Bestimmung der Schweißtransformatorleistung 86 7.1 Messen der Sekundärimpedanz 86 7.1.1 Rechenbeispiel 88 7.1.2 Berechnen der Sekundärimpedanz 90 7.1.3 Berechnen der Anschlußleistung 91 7.1.4 Rechenbeispiel zur Anschlußleistung 91 8 Bemessung von Leistungsschaltern (Hauptschalter) in Schweißanlagen 93 9 Berechnungsvorschlag für Schweißmaschinen mit Dreiphasen-Sekundärgleichrichtern.. 96 10 Bestimmung der Netzbelastung beim Einsatz mehrererschweißanlagen, Anmerkungen für den Einsatz von Netzlastbegrenzungssteuerungen 99 10.1 Einsatz von Netzlastbegrenzungssteuerungen 101 11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 11.2.7 11.2.8 11.2.9 11.2.10 11.3 11.3.1 11.3.2 11.4 11.5 11.5.1 11.5.2 11.6 Qualitätssicherung und Prozeßoptimierung beim Widerstandsschweißen 103 Der Qualitätsbegriff 103 Anmerkung zur Produkthaftung 103 Schweißfehler 104 Prozeßfähigkeit und Statistik 105 Statistische Prozeßregelung 105 Maschinenfähigkeit 105 Prozeßfähigkeit 107 Aufbereitung der Meßwerte 107 Ermitteln der Grundstreuung 108 Errechnung der Standardabweichung 111 Prozeßregelkarten 113 Mittelwert-Spannweitenkarte (x-r-prozeßregelkarte) 113 Errechnung der Grenzen für die Mittelwertkarte 114 Errechnung der Grenzen für die Spannweiten karte 115 Vereinfachte Bestimmung der Eingriffsgrenzen über die mittlere Spannweite R 115 Problemlösungsmethoden 119 Das Ursache-Wirkung-Diagramm 119 Das Pareto-Prinzip 119 Das Messen der Parameterwerte 120 Geräte zur Qualitätssicherung 122 Steuerungen mit qualitätssichernden Eigenschaften 124 Der Unterschied zwischen Steuerung und Regelung 124 Verschiedene Arten der Steuer- und Regelverfahren 125
11.6.1 11.6.2 11.6.2.1 11.6.2.2 11.6.2.3 11.6.2.4 11.6.2.5 11.6.2.6 11.6.2.7 11.7 11.8 11.9 11.10 Beobachtung mechanischer Größen. Beobachtung elektrischer Größen. Regelverfahren mit Strommessung. Regelverfahren mit Spannungsmessung. Steuerungs- und/oder Regelverfahren mit Widerstandsmessung. Steuerungs- und Regelverfahren mit Energiebeobachtung. Kompensation des Elektrodenverschleißes (Stepperfunktion). Steuerungsverfahren mit Schallemissionsmessung. Steuerungs- oder Regelverfahren mit Beobachtung der Schweißwärme. Kritische Betrachtung der Regelverfahren. Zukünftige Regelungen bzw. Steuerungen. Passive Schweißgüteüberwachungsgeräte. Schlußbemerkung. 125 127 127 128 128 130 12 12.1 12.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.4 12.5 Weitere Widerstandspreßschweißverfahren. Das Buckelschweißverfahren. Das Rollennahtschweißen. Das Abbrennstumpfschweiß- und Preßstumpfschweißverfahren. Schlittengeschwindigkeiten und Schweißströme. Das Preßstumpfschweißverfahren. Aufstellen der Maschinenkennlinie. Mögliche Schweißfehler beim Abbrennstumpfschweißen. 131 131 132 133 135 135 135 140 13 Ausblick und Prognose 141 14 Personelle Anforderungen - Ausbildung 147 14.1 Bedienpersonal 147 14.2 Schweißaufsicht 147 IS Regeln und Vorschriften für den Betrieb von Schweißanlagen und erforderlicher Arbeitsschutz 149 15.1 Gefahren durch elektrischen Strom 149 15.2 Gefahren durch mechanische Vorgänge 150 15.3 Gefahren durch Verbrennungen 151 15.4 Gefahren durch Lärm 151 15.5 Gefahren durch Emission 152 15.6 Beschränkung des mit Schweißarbeiten beschäftigten Personen kreises 153 15.7 Wichtige VDE-, VBG-Vorschriften, Normen und DVS-Merkblätter 153 Schrifttum 155