Das Prinzip einer CD-Bolzenschweißung mit Spitzenzündung

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Inhalt

Zusammenfassung

Animation: Gegenüberstellung mechanische und elektrische Vorgänge während der Schweißung

Die Animation zeigt eine Gegenüberstellung der mechanischen und elektrischen Vorgänge während der Schweißung mit Spaltzündung in Zeitlupe.
Rot: Stromverlauf,
dunkleres Blau: Spannungsverlauf (gemessene Spannung)
helleres Blau: Spannungsverlauf (Spannungsabfall an induktiven und ohm´schen Serienwiderständen kompensiert)

Der Strom beginnt zu fließen, wenn die Pfeile kurz eingeblendet werden.
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Besonderheiten des Verfahrens

Bolzenschweißen mit Spitzenzündung zählt zu den Lichtbogen-Schweißverfahren und zeichnet sich durch eine hohe mögliche Taktzahl aus. Das CD (Capacitor Discharge = Kondensator-Entladung) im Namen des Verfahrens drückt aus, dass die Energie für die Schweißung einem vor der Schweißung aufgeladenen (Lade-)Kondensator entnommen wird. Wesentlich für das Verfahren ist die Zündspitze auf dem Bolzenflansch. Sie wird bei der Schweißung aufgeschmolzen und teilweise verdampft. Damit liefert sie einen Teil der Metallschmelze für die Schweißung. Ihre Aufgabe ist es aber auch, die Lücke zu erzeugen, welche der Schweißstrom als Lichtbogen überbrücken muss.


Reproduzierbarkeit

Überlagerte Strom- und Spannungsverläufe von 71 Schweißungen

Bei einer elektrisch und mechanisch gut eingestellten Schweißvorrichtung ist der Ablauf der einzelnen Phasen hochgradig reproduzierbar, obwohl der Gesamtvorgang (abhängig vom Bolzentyp und Einstellung des Geräts) nur zwischen knapp einer und wenigen tausendstel Sekunden dauert. Diese Vorgänge werden in der Animation oben auf dieser Seite veranschaulicht.


STUD-DI nutzt eben diese Reproduzierbarkeit, um durch Aussortieren von Ausreißern die Schweißqualität sicherzustellen.


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Spaltzündung und Kontaktzündung: zwei Verfahren, wie der Einsatz des Schweißstromes bei der CD-Bolzenschweißung mit Spitzenzündung gesteuert wird

Spaltzündung

Die Phasen der Schweißung in den Strom- und Spannungskurven


 

Bei der (häufigeren) Spaltzündung (Animation) liegt die Schweißspannung (Ladespannung des Kondensators) schon zwischen Bolzen und Werkstück an, bevor die Zündspitze Kontakt mit dem Werkstück hat. Die Mechanik des Schweißkopfes oder der Schweißpistole bewegt den Bolzen mit einer Geschwindigkeit von ca. 0.5 m/s gegen das Werkstück. Sobald die Zündspitze das Werkstück berührt, beginnt der Schweißstrom zu fließen. Dies ist der Beginn der Vorwärmphase.

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Kontaktzündung

Bei der Kontaktzündung wird die Zündspitze des Bolzens schon vor dem Schweißvorgang federnd auf das Werkstück gedrückt. Der Schweißstrom-Kreis ist jedoch wegen eines Schalters (meist elektronisch, Thyristor) innerhalb des Schweißgerätes noch offen. Deshalb liegt noch keine Spannung (=0V) an.

Kontaktzündung, Kurvenverläufe von 40 Schweißungen überlagert

Erst beim Schließen dieses Schalters beginnt der Schweißstrom und damit die Schweißung. Die Vorgänge nach Beginn des Schweißstrom-Flusses sind für Spalt- und Kontaktzündung weitgehend gleich.

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Vorwärmphase

Die Mechanik des Schweißkopfes oder der Schweißpistole drückt die Zündspitze federnd auf das Werkstück. Dadurch existiert zwischen beiden normalerweise ein nur geringer elektrischer Widerstand (mOhm). Die Stromstärke steigt nun schnell an (Größenordnung: mehrere Millionen A/s), denn aufgrund des geringen Innenwiderstands des Lade-Kondensators im Schweißgerätes wird der Stromanstieg im wesentlichen durch die Induktivität des Schweißkabels begrenzt.

gedehnte Darsstellung der Vorgänge während der Vorwärmphase

Es mag vielleicht erstaunen, dass die gemessene Spannung zu Beginn der Vorwärmzeit nicht 0 V beträgt. Dafür gibt es hauptsächlich zwei Gründe:

In der Praxis kann der Spannungsabgriff meist nicht genau am Schweißspalt erfolgen. Daher erfasst die Spannungsmessung unvermeidlicherweise auch den Spannungsabfall in den Zuleitungen zwischen den Spannungs-Abgriff-Punkten und dem Schweißspalt. Der Spannungsabfall beruht auf dem Ohm´schen und induktiven Serienwiderstand dieser Abschnitte des Schweißstromkreises.
Des weiteren kann der Schweißstrom im Kabel zur Spannungsmessung eine Spannung induzieren, welche der Änderung des Stroms proportional ist. Diese Spannung ist umso größer, je weiter die beiden Adern für den Spannngsabgriff voneinander getrennt oder gar mit dem Schweißstrom-Kabeln parallel verlaufen. (Dann entsteht ein Transformator, dessen Primärwicklung aus dem Schweißstrom- und dessen Sekundärwicklung aus dem Spannungs-Abgriff-Kabel besteht.)
Beide Arten der Verfälschung der Spannungskurven-Messung sind unabhängig davon, ob es sich um Spalt- oder Kontaktzündung handelt. Die Veränderung des Kurvenverlaufs erscheint dem Betrachter bei Kontaktzündung jedoch tendentiell weniger auffällig als bei Spaltzündung.
Solange diese Effekte jedoch nicht übermäßig stark ausgeprägt sind, lassen sie sich rechnerisch kompensieren, wie dies STUD-DI z.B. in der Abbildung im Kapitel Spaltzündung gemacht hat.
Selbst wenn sie nicht kompensiert werden, stören sie die Bewertung von Schweißungen im allgemeinen nicht, sofern die Auswertung auf dem Vergleich mit Referenzschweißungen beruht, deren Spannungsmessung mit dem identischen Messfehler wie im Produktionsbetrieb behaftet ist.

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Normalzündung

Im Folgenden werden die Vorgänge beschrieben, die sich normalerweise vor Ausbildung des Lichtbogens abspielen (=Normalzündung). Alternativ kann es zu den im folgenden Abschnitt besprochenen Frühzündungen kommen. Der elektrische Widerstand der Zündspitze ist zwar klein, aber nicht null. Daher wird die Zündspitze durch den Schweißstrom erhitzt. Dies ist ein selbstverstärkender Vorgang. Weil

Gegenüberstellung Frueh- und Normalzuendungbeschleunigt sich die Erwärmung der Zündspitze immer weiter. Schließlich erreicht die Zündspitze ihre Schmelztemperatur und verdampft sogar zum Teil. Dadurch entsteht eine Lücke (="Schweißspalt")  zwischen der Flansch-Oberfläche des Bolzens und dem Werkstück. Der Schweißstrom fließt weiter, ist aber gezwungen, diese Lücke als Lichtbogen zu überbrücken. Der Zündvorgang des entstehenden Lichtbogens stellt gleichzeitig das Ende der Vorwärmphase dar.
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Frühzündung

Bei Spaltzündung liegt die Schweißspannung schon an, bevor die Zündspitze das Werkstück berührt. Dann kann es passieren, dass der Lichtbogen schon beim ersten Kontakt der Zündspitze mit dem Werkstück entsteht. Man kann sich das so vorstellen, dass die Zündspitze schneller "abbrennt", als sich der Bolzen dem Werkstück nähert (mit ca. 0.5 m/s). Der Grund für Frühzündungen kann ein Grat an der Zündspitze sein oder ein Übergangswiderstand zwischen Werkstück und Zündspitze (z.B. die auf Aluminium immer vorhandene Oxidschicht). Dann wird an dem Übergangswiderstand lokal mehr Energie in Wärme verwandelt als im Mittel im Volumen der Zündspitze und es kommt zu dem erwähnten, lokal beginnenden, frühzeitigen Abbrand der Zündspitze.

Frühzündungen können, müssen aber nicht zu defekten Schweißungen führen. Sie unterscheiden sich charakteristisch im Spannungsverlauf. Geübte Schweißer hören den Unterschied zwischen Frühzündung und Normalzündung.
Frühzündungen treten bei Aluminium-Schweißungen besonders häufig auf.

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Lichtbogen-Phase, "Nase"

Zu Beginn der Lichtbogen-Phase muss die Lichtbogenspannung normalerweise etwas höher sein als im späteren Verlauf des Lichtbogens. Grund: Die Ionendichte im Plasma hat am Anfang der Lichtbogen-Phase noch nicht ihren Endwert erreicht. Entsprechend sind Widerstand und Lichtbogen-Spannung zu Beginn höher als im eingeschwungenen Zustand. Das führt zu der Spannungs-Überhöhung (="Nase") am Anfang der Lichtbogen-Phase.

Die Phasen der Schweißung in den Strom- und Spannungskurven

Diese Nase ist jedoch nicht immer ausgeprägt und hängt stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks ab. Sie fehlt insbesondere bei Frühzündungen, vermutlich weil Frühzündungen ohnehin durch lokale Überhitzung und damit erhöhte Ionendichte ausgelöst werden.

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Lichtbogen-Phase, Brenndauer

Während der Lichtbogen-Phase wird die meiste Energie und damit Wärme in die Schweißung gebracht. Der Lichtbogen erhitzt die Metalloberflächen an beiden Oberflächen des Schweißspalts bis über den Schmelzpunkt. Schon zu Beginn des Lichtbogens herrscht in der Lücke zwischen Bolzen und Werkstück eine hohe Temperatur und damit eine beträchtliche Dichte an Ionen, die den Lichtbogenstrom tragen (Plasma). Daher ist die Spannung des Lichtbogens erheblich geringer als sie nötig wäre, wenn der Strom einen gleich weiten Spalt in kalter Luft überbrücken müsste. In kalter Luft wären zum Überschlag über einen typischen Spalt von 0.5 mm zu Beginn des Lichtbogens ca. 500 V erforderlich. Wegen des heißen Plasmas im Schweißspalt brennt der Lichtbogen jedoch bei einigen 10 V.

Wie erwähnt, wird wird der Bolzen während der gesamten Lichtbogen-Phase gegen das Werkstück beschleunigt. Der Schweißspalt wird also im Laufe der Lichtbogen-Phase immer kleiner. Dadurch wird die Lichtbogen-Spannung auch nach der Spannungs-Nase allmählich immer kleiner. Schließlich berührt der Bolzen das Werkstück. Nun entsteht wieder ein Kurzschluss und die Lichtbogenspannung bricht zusammen. Die Lichtbogen-Phase ist zuende.

Die Brenndauer des Lichtbogens wird also im wesentlichen

bestimmt.

Die anfängliche Weite des Schweißspalts hängt stark von der Geometrie und Verformbarkeit der Zündspitze ab.

Deshalb kommt diesem unscheinbaren "Knubbelchen" auf dem Bolzen eine so große Bedeutung für die Qualität der Schweißung zu!

Die Bewegung des Bolzens während der Lichtbogen-Phase wird überwiegend von der Mechanik des Schweißkopfes oder der Schweißpistole vorgegeben.

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Kurzschluss-Phase, Abkühl-Phase

Unmittelbar nach der Lichtbogen-Phase fließt noch ein erheblicher Anteil des Schweißstroms. Manchmal werden Schweißeinrichtungen sogar so eingestellt, dass der Schweißstrom erst nach der Lichtbogen-Phase sein Maximum erreicht. Trotzdem fällt kaum noch Spannung über der Schweißung ab, denn der elektrische Widerstand zwischen Bolzen und Werkstück ist aufgrund des flächigen Kontakts nun vernachlässigbar klein. Die Leistung, das Produkt aus Schweißstrom und Spannung, ist also nahezu Null. Damit wird auch keine Energie mehr in die Schweißung eingebracht. Folglich kühlt die Schweißung rasch ab.

Dies ist charakteristisch für das Schweißverfahren: Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren ist bei Bolzenschweißungen mit Spitzenzündung das Verhältnis zwischen dem Volumen der Schweißlinse (=Linsenförmiger Bereich erschmolzenen Metalls) und ihrer Oberfläche extrem klein. Die Abkühlung erfolgt so schnell, dass auch bei 0.5 mm-Blechen auf der dem Bolzen abgewandten Seite die zur Entstehung von Anlauffarben erforderliche Temperatur nicht überschritten wird (Ausnahme: Kombinationen der maximalen mit dem Verfahren schweißbaren Bolzendurchmesser mit dünnen Blechen).

Die Abkühlphase hat dennoch maßgeblichen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißung! Bewegt sich der Bolzen während der Abkühlung der Metallschmelze gegenüber dem Werkstück, wird keine genügende Festigkeit erreicht. Federnde Bewegungen des Werkstücks können daher wichtige Ursache für schlechte Schweißungen sein.

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