SB_17.685NLP

2015
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung und
Qualifizierung der
verfahrensspezifischen
Merkmale beim einseitigen
Widerstandspunktschweißen
ohne Gegenlage

Untersuchung und
Qualifizierung der
verfahrensspezifischen
Merkmale beim einseitigen
Widerstandspunktschweißen
ohne Gegenlage
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.685 N
DVS-Nr.: 04.056
RWTH Aachen University Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.685 N / DVS-Nr.: 04.056 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 297
Bestell-Nr.: 170406
ISBN: 978-3-96870-296-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung / Anlass für den Forschungsantrag ...... 2
2 Grundlagen, Beschreibung der Ausgangssituation und Stand der Forschung ............. 3
2.1 Widerstandspunktschweißen ......................................................................................... 3
2.1.1 Verfahrensprinzip des (konventionellen) zweiseitigen Punktschweißen ......................... 3
2.1.2 Verfahrensprinzip des einseitigen Punktschweißens (mit Gegenlage) ........................... 6
2.2 Einseitiges Widerstandspunktschweißen ohne Gegenlage .......................................... 8
2.2.1 Verfahrensprinzip einseitiges Doppeltpunktschweißen ohne Gegenlage ....................... 9
2.2.2 Verfahrensprinzip einseitiges Einpunktschweißen ohne Gegenlage ............................ 10
2.2.3 Das Technologiesystem des einseitigen Punktschweißens ohne Gegenlage .............. 11
3 Praktische Untersuchungen ......................................................................................... 14
3.1 Versuchsaufbau und Allgemeines ............................................................................... 14
3.1.1 Widerstandspunktschweißanlage .................................................................................. 14
3.1.2 Manueller Stoßpunkter .................................................................................................. 16
3.1.3 Werkstoffe...................................................................................................................... 17
3.1.4 Elektrodenkappen .......................................................................................................... 21
3.1.5 Temperaturmesseinrichtung .......................................................................................... 23
3.1.6 Rasterelektronenmikroskop mit EDX-Anlage ................................................................ 24
3.1.7 Meißelprüfung ................................................................................................................ 25
3.2 Versuchsdurchführung und Auswertung ..................................................................... 28
3.2.1 Einfluss der Arbeitselektrode auf das Schweißergebnis ............................................... 28
3.2.2 Einfluss des Verformungsverhaltens auf das den Schweißprozess ............................. 31
3.2.3 Veränderte Linsengeometrie und Unregelmäßigkeiten ................................................. 39
3.2.4 Entstehung und Auswirkung der Ringschweißung ........................................................ 57
3.2.5 Verhalten bei Randschweißungen ................................................................................ 64
3.2.6 Entstehung von Nebenschlüssen und die zugehörige Probenerwärmung ................... 70
3.2.7 Einfluss von Ausführung und Position der Blindelektrode (Masse) .............................. 78
81
3.2.8 Einfluss von Strukturklebstoffen auf den Schweißprozess ........................................... 89
3.2.9 Einfluss von Haftklebstoffen auf den Schweißprozess ................................................. 97
3.2.10 Vergleich vom einseitig manuell- und robotergeführten Punktschweißen .................. 100
4 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................... 108
5 Empfehlungen und Hinweise zum einseitigen Punktschweißen ohne Gegenlage ... 110
6 Wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für KMU ............................... 115
7 Überblick über Transfer der Forschungsergebnisse ................................................. 116
8 Durchführende Forschungsstelle ............................................................................... 121
9 Danksagung ............................................................................................................... 122
Formelzeichen und Abkürzungen ........................................................................................................ 123
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................. 124
Anhang
………………………………………………………………………………………………..126

2
1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung / Anlass
für den Forschungsantrag
Das Widerstandspunktschweißen wird insbesondere dann eingesetzt, wenn
Stahlfeinblech wirtschaftlich, prozesssicher und hoch automatisiert verbunden werden
sollen. Das bekannteste industrielle Anwendungsgebiet ist die Automobilindustrie,
beziehungsweise der Karosserierohbau. Die konventionelle Stahlkarosserie wird in
Schalenbauweise gebaut. Die seitlich auslaufenden Blechflansche werden für die zu
erzeugenden Fügeverbindungen im Überlappstoß genutzt. Von Industrierobotern
geführte Widerstandspunktschweißzangen, unterschiedlichster Bauart und Ausladung
der Zangenarme, können die gewünschte Schweißposition am Karosserieflansch
zielsicher erreichen und einen Schweißpunkt zwischen den Blechen problemlos
erzeugen. [1] Aus Gründen der Gesamtgewichtoptimierung und Materialeinsparung
bei Fahrzeugen wird zunehmen versucht solche Flansche in der Fläche (bzw. Breite)
zu verkleinern, mit der technischen Beschränkung der Zugänglichkeit des
Schweißwerkzeugs in der Fertigung. Ein weiterer Schritt der Automobilindustrie in
Richtung Karosserieleichtbau ist die Skelettbauweise, beziehungsweise die
profilintensive Leichtbauweise. [2] Am wohl bekanntesten ist diese
Karosseriebauweise bei Personenkraftwagen im Premiumsegment, die vollständig
aus Aluminium hergestellt werden. Aber auch beim Einsatz von höher- und
höchstfesten Stählen in der Volumenproduktion ist diese Bauweise zunehmend
interessant. In der Herstellung von Nutzfahrzeug wird diese Bauweise schon länger
praktiziert. [3] Grade aber hier bestehen technische Beschränkungen für das weit
verbreitete Widerstandspunktschweißen. Der Wegfall von Flanschen und der Einsatz
von geschlossenen Profilen verhindern die Zugänglichkeit zur Schweißstelle. Eine
konventionelle Schweißzange kann nicht mehr beide Elektrodenkappen zielgereichtet
in Schweißposition um die Bleche bringen. An dieser Stelle muss der Hersteller über
alternative Fügetechnologien nachdenken.
Die Zahl der einseitig nutzbarer Schweiß- und Fügeverfahren, die sich für die
Dünnblechverarbeitung noch eignen, ist dabei relativ klein. Das Laserstrahlschweißen,
in seinen verschiedene Varianten, ist ein potentes Verfahren, das Verbindungen hoher
technologischer Güte erzeugen kann und welches aus optischen Gründen auch gerne
im Sichtbereich der Karosserie eingesetzt wird. Die wohl entscheidendsten Nachteile
dieses Verfahrens, im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen, sind die
Investition- und laufenden Kosten, sowie die erhöhten Ansprüche an Arbeitssicherheit
und Wartung. Weitere einseitig nutzbare Alternativen sind das Lichtbogenlöten oder
mechanische Fügeverfahren wie das Blindnieten oder Bolzensetzen. Diese Verfahren
sind grade aus dem Grund der Notwendigkeit eines Zusatzwerkstoff (bzw.
Fügeelements) schwieriger in der Auslegung und Handhabung, sowie anfälliger für
Prozessstörungen. [4]
Es ist folglich sinnvoll zu untersuchen, in wie fern sich das einseitige
Widerstandspunktschweißen ohne Gegenlage in der Schweißqualität und seinen
Randbedingungen vom konventionellen RP unterschiedet und ob es auf einem
ähnlichen Verbindungsfestigkeitsniveau eingesetzt werden kann.

3
Im Vorhaben war es wichtig herauszuarbeiten in wie fern die modifizierte
Verfahrensfunktionsweise besondere Merkmale aufzeigt und ob diese Merkmale einen
signifikanten Einfluss auf das Schweißergebnis haben. Insbesondere sind das die
veränderte Kraft- und Wärmeeinwirkung am Bauteil durch das Fehlen einer stützenden
und kühlenden Gegenelektrode, sowie der veränderte elektrische Stromfluss in
Richtung der Masse und der damit verbundene Nebenschluss.
2 Grundlagen, Beschreibung der Ausgangssituation und Stand der
Forschung
2.1 Widerstandspunktschweißen
Das Widerstandsschweißen ist ein Pressschweißverfahren welches sich in eine Reihe
von Verfahrensvarianten gliedert. Das bekannteste, weil am meisten eingesetzte,
Beispiel ist dabei das Widerstandspunktschweißen mit der DIN EN ISO 4063
Ordnungsnummer 21, siehe Abbildung 1. Eine deutsche oder internationale
Abkürzung (DIN/ISO) dieser Verfahrensvariante ist gegenwärtig nicht genormt.
Traditionell und in insbesondere in Fachkreisen wir es aber noch mit RP abgekürzt.
Die genormte englische (AWS) Bezeichnung ist Resistance Spot Welding (RSW).
Abbildung 1: Einteilung der Widerstandsschweißprozesse mit Angabe der Abschnittsnummer
aus DIN EN 14610 und mit Angabe der Ordnungsnummern aus DIN EN ISO 4063
2.1.1 Verfahrensprinzip des (konventionellen) zweiseitigen Punktschweißen
Das Prinzip des Widerstandspunktschweißen lässt, so wie auch die anderen
Widerstandsschweißprozesse, durch das Joule’sche Gesetzt erklären. Die zur
Schweißzone zugeführte Wärmemenge ist das Zeitintergral aus Schweißstromstärke
zum Quadrat und den zeitveränderlichen ohmschen Gesamtwiderstand.
Gleichung 1: Q zu = ∫ I 2 (t) ∗ R(t) dt
Qzu: zugeführte Wärmemenge
I: elektr. Schweißstromstärke (zeitabhängig)
R: ohmscher Gesamtwiderstand (zeitabhängig)
t: Schweißzeit

4
Durch fortlaufende Zuführung der Wärmemenge in die Fügezone entsteht die
Schmelze, auch Schweißlinse genannt. Um die Schweißzone herum besteht weiterhin
eine Wärmeeinflusszone (WEZ) die gegebenenfalls die mechanischen Eigenschaften
des Bauteils beeinflusst. Dabei ist die elektrische Stromstärke die wichtigste Stellgröße
des Prozesses, da sie laut dem Joule’schen Gesetzt den größten Einfluss auf die
Wärmebildung hat. Die beiden anderen einstellbaren Schweißparameter sind die
Schweißzeit und die Schweißkraft. [5] Die Schweißkraft hat dabei einen direkten
Einfluss auf den ohmschen Gesamtwiderstand. Dieser setzt sich zusammen aus
Stoffwiderständen und Übergangswiderständen in der Schweißstelle. Die
Schweißkraft ist aber auch wichtig für einen robusten Prozessablauf, indem sie
Blechspalte oder Beschichtungen überbrückt und so einen gleichmäßigen Kontakt
(bzw. Übergangswiderstand) gewährleistet. So wird angenommen, dass abhängig von
Blechdicke, Beschichtungsart, Bauteilsteifigkeit, Werkstofffestigkeit und
Elektrodengeometrie immer eine Mindestschweißkraft genutzt werden sollte um eine
sichere Verschweißung zu erzeugen, unabhängig von Stromstärke und Schweißzeit.
Die Prozesskraft dient indirekt auch als Spannkraft, die einen technischen Nullspalt
zwischen den Blechen erzeugen soll. Bei der Unterschreitung der notwendigen
Mindestkraft, beispielsweise durch eine Rückfederung aufgebogener Bleche, kann es
zu Prozessstörungen kommen. Aber auch zu große Kräfte können zum reduzierten
Schweißlinsenvolumen oder unerwünschten Oberflächenabdrücken führen.
Unterschiedliche Werksnormen, Forschungsberichte und Merkblätter geben
Erfahrungswerte für mögliche Schweißparameterkombinationen an, bspw.
DVS 2902-4.
Abbildung 2: Zweiseitiges Punktschweißen (212) [DIN EN 14610]
Abbildung 2 zeigt eine technische Skizze des (konventionellen) zweiseitigen
Punktschweißens. Es handelt sich dabei um eins in der DIN EN 14610 genormtes
Verfahren mit der Ordnungsnummer 212. Zwischen zwei zu fügende Werkstücken (3)
wird ein Schweißpunkt (1) erzeugt. Die Elektroden (2 u. 4), beim automatisierten
Punktschweißen häufig als wechselbare Elektrodenkappen nach DIN EN ISO 5821
ausgeführt, werden beidseitig und auf einer Wirkungslinie an die Werkstücke in
Kontakt gebracht. Eine Krafteinheit erzeugt die notwendige Schweißkraft durch das
anpressen der Elektroden an die Werkstücke. Nach dem Erreichen der Schweißkraft