Anforderungen des Aluminium-Punktschweißens

Aluminium prozesssicher punktschweißen ist ein anspruchsvolles Unterfangen

Das reproduzierbare, d.h. prozesssichere Widerstandspunktschweißen von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen ist, auch besonders unter der Maßgabe, solche Schweißprozesse mit den geringstmöglichen Energieeinsätzen - sprich Stromstärken - zu fahren, eine technologisch sehr anspruchsvolle Aufgabe.

Anders als beispielsweise beim Punktschweißen von Stählen sind beim Schweißen von Aluminium weit mehr physikalische Variablen und Einflußgrößen zu berücksichtigen. So ist in diesem Fall die Materialzusammensetzung der Elektroden von großer Bedeutung und ebenso die physikalischen Eigenschaften des zu verschweißenden Aluminium-Werkstoffes selbst.

Aluminium-Werkstoffe treten in zahlreichen Legierungsformen auf und entsprechend erhöhen sich dadurch wiederum die jeweiligen elektrophysikalischen Eigenschaften dieser Legierungen. Selbst unterschiedlich lange Lagerungszeiten von Aluminiumblechen beeinflussen die elektrophysikalischen Eigenschaften einzelner Chargen.

Anders auch als im Stahlbau, also z.B. beim Punktschweißen von Karosseriebauteilen aus hochlegierten Stählen in der Automobilindustrie, besteht beim Punktschweißen von Aluminium mit den üblichen Kupferelektrodenkappen das grundsätzliche Problem des Anlegierens des Aluminiums auf den Kupferkappen - es bilden sich Aluminiumoxide, welche mit Auftreten umgehend Einfluß nehmen auf die elektrischen Eigenschaften der Kontaktflächen an Elektrode und Aluminiumblech.

Zudem müssen im Alu-Punktschweißprozess generell höhere Stromstärken eingesetzt werden als beim Punktschweißen von beispielsweise hochlegierten Stahlsorten. Dies wiederum erfordert größer dimensionierte Leistungsteile in den Stromquellen und leistungsstärker ausgelegte Trafos in den Punktschweißzangen.

Im Bild: Unter starker Belastung anlegierte Standard-Elektrodenkupferkappen. Es haben sich deutliche Aluminiumoxidschichten ausgebildet. Mit solchen Kappen gesetzte Schweißpunkte liefern keine prozesssichere Qualität.

Die Einführung des Aluminium-Punktschweißens in den Kfz-Reparaturmarkt 2014

Eine praktikable Lösung für die Kfz-Reparatur

In den Jahren 2003/2004 entwickelt ELMA-Tech in Zusammenarbeit mit Opel die erste Punktschweißanlage für prozesssicheres Widerstandsschweißen von hochfesten Stählen.

Mit der Einführung der Schweißprozesssteuerung „Virtuelle Maschine“ kann ELMA-Tech ab 2008 die erste vollautomatisch einstellende Punktschweißmaschine auf dem Markt anbieten: Ein System, dass mit virtueller Meßtechnik aus der beim Schließen der Zange ermittelten Gesamtblechdicke nach einem kalorimetrischen Modell die für die erfolgreiche Schweißung passende Linsengröße berechnet und den Punktschweißprozess entsprechend vollautomatisch führt.

Ein Aluminium-Punktschweißprozess für diese Maschinen wird für den Kfz-Reparaturmarkt seit 2014 angeboten. Auch dieser erfolgt vollautomatisch. Es kommen für diesen Prozess allerdings teure Elektroden mit Speziallegierungs-Kappen zum Einsatz, um das bereits erwähnte Problem der Anlegierung in den Griff zu bekommen. Für den Kfz-Reparaturmarkt ist dies eine machbare Lösung, da vergleichsweise wenig Punkte in geringer Intensität geschweißt werden. Für den industriellen Bereich ist diese Lösung nicht einsetzbar: Zum einen aus Kostengründen, zum anderen erreichen die im Kfz-Reparaturmarkt eingesetzten Punktschweißmaschinen nicht ganz die erforderliche Leistung.

Aluminium-Punktschweißen in industriellen Anwendungen

Bislang aufwändige Lösungen notwendig

Die weiter oben beschriebenen Faktoren gestalten das Aluminium-Punktschweißen im industriellen Bereich aufwändig und damit auch kostenintensiv. Speziallegierungs-Zumischungen in den Elektrodenkappen verringern zwar das Anlegieren der Kappen, sind aber im industriellen Einsatz unwirtschaftlich und weisen zudem schlechte thermische Eigenschaften auf.

Der Problemlage begegnen die Schweißtechnologiehersteller bislang mit verschiedenen Maßnahmen. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Verhinderung des Anlegierens der Elektrodenkappen und der Gestaltung eines prozesssicheren Schweißvorgangs.

So werden z.B. zusätzliche, automatisierte Kappenreinigungssysteme eingesetzt, welche die im Einsatz befindlichen Elektrodenkappenoberflächen nach relativ wenigen Punktschweißungen einer Reinigung durch Abbürsten bzw. Abschleifen unterziehen. Diese Lösungen unterbrechen also den Schweißprozess und sorgen insgesamt für langsamere Taktzeiten.

Andere Systeme - siehe Grafik unten - arbeiten mit permanent umlaufenden Prozessbändern über den Elektrodenkappen, um den direkten Kontakt zwischen Kappenoberfläche und Aluminiumblechen zu vermeiden. Auch diese Lösung arbeitet also mit aufwändigem Zusatzequipment und verursacht dem Anwender zudem weitere Zusatzkosten für das anfallende Material der Prozessbänder und das antreibende System.

Der effektive Lösungsansatz von ELMA-Tech: Keep it small!

Effektive und schlank: Die Aluminium-Punktschweißlösung von ELMA-Tech

ELMA-Tech hat das Punktschweißen von Aluminium-Dünnblechen bereits 2014 als erstes Unternehmen für den Kfz-Reparaturmarkt vorgestellt, damals noch mit Speziallegierungs-Elektrodenkappen und prozesssicher für die typischen (wenig intensiven) Anwendungen in der Karosseriereparatur.

Eine Hauptprämisse für die Weiterentwicklung dieses Prozesses für den Einsatz im industriellen Bereich lautete in den Folgejahren von Anfang an, einen solchen Schweißprozess auf Basis im Hause bereits vorhandener Systemkomponenten zu entwickeln:

• Prozesssteuerung „Virtuelle Maschine“
• Industrieschweißzangen mit zugehörigem Schaltschrank (Stromquelle)
• Virtuelle Messtechnik
• 16 mm Standard-Kupferelektrodenkappen

Der zu optimierende Prozess sollte also ohne die weiter oben beschriebenen zusätzlichen Systeme auskommen, wie der Wettbewerb sie einsetzt. Ziel war somit ein maximal schlankes Maschinenkonzept. Dieses Ziel konnte realisiert werden.

Auch für ELMA-Tech stellt sich in den Jahren der Forschung & Entwicklung seit 2014 das Anlegierungen der Kappen als wesentliches Problem, welches zu einem überwiegenden Teil mit Hilfe der Prozesssteuerung im Zusammenspiel mit der virtuellen Messtechnik überwunden werden konnte.

Verwendete Systemkomponenten des ELMA-Tech Aluminium-Punktschweißprozesses für Industrieanwendungen

Im Bild oben: ELMA VISION CM Alu. Industriehandschweißzange von ELMA-Tech in der Alu-Version mit höherer Trafo- und Kühlleistung. C-Zange mit Standardelektrodenschäften und 16 mm KupferChromZirkon-Elektrodenkappen.

Im Bild unten: ELMA VMC VISION Alu. Schaltschrank bzw. Stromquelle mit Prozesssteuerung „Virtuelle Maschine“ (VM3) und speziellem Leistungsteil für Aluminiumapplikationen. Die Prozesssteuerung „Virtuelle Maschine“ ist das Herzstück der Schweißtechnologie von ELMA-Tech. 20.000 mal in der Sekunde werden alle Prozessparameter erfasst. Daraus errechnet die Steuerung verlässlich und prozesssicher die für den Alu-Punktschweißprozess erforderliche Energiesteuerung.
Rechts neben dem Schaltschrank ein SMC HRS 50 Wasserrückkühlgerät für eine optimale Kühlung der Punktschweißzange und des Schaltschranks.

Die ELMA-Tech Aluminium-Punktschweißtechnik für den industriellen Einsatz aus Sicht von Experten

Bedeutsame Effizienzsteigerung

Nach aufwändigen Versuchsreihen und beständiger Fortentwicklung der Schweißprozesssteuerung im Hause ELMA-Tech kristallisierten sich Mitte 2017 valide Ergebnisse.

Im Frühjahr 2018 konnte MAGNA Steyr (Graz, Österreich) mit einer ELMA-Tech Prototyp-Anlage die positiven Prozessergebnisse in groß angelegten Testreihen reproduzieren und in Laboranalysen bestätigen, u.a. etwa in dynamischen Zugversuchen, Schliff- und Schälproben.

In den Tests bei MAGNA konnten mindestens 150 Schweißpunkte ohne Wechsel, Reinigung oder Fräsen der Elektrodenkappen gesetzt werden. Als wesentlich für den technologischen Durchbruch erwies sich die von ELMA-Tech entwickelte virtuelle Messtechnik direkt an den Elektrodenkappen.

Werner Karner, Leiter des Fügezentrums Versuchsbau bei MAGNA Steyr, spricht in diesem Zusammenhang von einer „sehr bedeutsamen Optimierung und Effizienzsteigerung“ beim industriellen Schweißen von Aluminiumverbindungen.

Von besonderer Bedeutung sei hierbei, dass „der Prozess mit Standardequipment“ funktioniere und nunmehr prozesssicher „von der Einzelfallanwendung der Kfz-Reparatur auf die industrielle Anwendung“ hin adaptiert worden sei.

Hervorragende Qualität der Schweißpunkte

Erste Vorstellung des Alu-Schweißprozesses auf der EuroBLECH in Hannover, Oktober 2018

Das interessierte Fachpublikum zeigt sich begeistert

Der Aluminium-Schweißprozess wurde auf Basis einer als Nullserie konzipierten Leichtbau-
Industriehandschweißzange des Typs CM auf dem Stand der ELMA-Tech anlässlich der EuroBlech 2018 in Hannover erstmals vorgestellt.

Während eines noch auf der Messe initiierten Versuchs gelang es ELMA-Tech, mit nur einer Standardkupferelektrodenkappe auf einer definierten Aluminiumlegierung eine Anzahl von 650 Schweißpunkten zu setzen.

Geringfügiges Anlegieren ohne Funktionsverlust für den Prozess

Im Bild unten leicht anlegierte 16 mm Standardelektrodenkappen nach 150 gesetzten Schweißpunkten: Die Kappen weisen eine Anlegierung auf, die sich während der ersten ca. 12 Schweißpunkte bildet und im weiteren Schweißprozess allerdings nicht weiter zunimmt.

Diese Anlegierung verursacht in der Folge keinen Funktionsverlust des weiteren Schweißprozesses, da die Schweißprozesssteuerung Virtuelle Maschine (VM3) mit einer hochflexiblen Prozessführung auf diese Oberflächenveränderungen an den Elektrodenkappen reagieren kann.

Die Oberflächen der Bleche weisen im Bereich der Elektrodenkontaktflächen auf der Kathodenseite prozessbedingt strahlenförmig gekerbte oder auch angeraute Eindrücke auf. Dies ist bei allen Anwendungen zu berücksichtigen, bei denen es auf eine einwandfreie Optik der Sichtseiten ankommt.

Fazit

Die Vorteile des Aluminium-Punktschweißprozesses von ELMA-Tech

Die im Vergleich zum Wettbewerb besonderen Vorteile des industriellen Aluminium-Schweißprozesses von ELMA-Tech liegen somit klar auf der Hand:

• Der von ELMA-Tech entwickelte industrielle Alu-Punktschweißprozess funktioniert valide mit der für Stahlblechverbindungen eingesetzten Steuerung der ELMA-Tech (Virtuelle Maschine) - d.h., ohne weiteres Zusatzequipment wie etwa umlaufende Prozessbänder oder Kappenreinigungssysteme.
  
  
• Zudem können 16 mm Standardelektrodenkappen eingesetzt werden. Als Schweißstromquellen für die fertige Anwendung werden ELMA-Tech Schaltschränke in der Ausführung VMC VISION Alu zum Einsatz kommen.
  
  
• Es können (mindestens) 150 Schweißpunkte prozesssicher gepunktet werden.

Ausblick

Die weitere Entwicklung und einige Hinweise an Interessenten

Weitere Entwicklung

Neben einer beständigen Entwicklungskooperation mit unserem Partner MAGNA STEYR in Graz werden wir unsere „Produktpalette Aluminium-Punktschweißprozess“ nach den Erfordernissen und der Nachfrage des Marktes weiter ausbauen.

Grundsätzlich werden wir in einem permanenten Prozess für die gebräuchlichsten Aluminiumlegierungen Parameter einrichten, um eine möglichst große Bandbreite an Aluminiumsorten punktschweißen zu können. Beachten Sie bitte die untenstehenden Hinweise.

Für die Zukunft planen wir, auch unsere stationäre Punktschweißanlage ELMAconcept VISION, sowie unsere Roboterschweißzangen für diesen Prozess einzurichten.

Hinweise an Interessenten

Angesichts der unzähligen Aluminiumlegierungen auf dem Markt und unter Berücksichtigung der Komplexität des Aluminium-Punktschweißprozesses kann ELMA-Tech zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht garantieren, mit dem in diesen Informationen vorgestellten Aluminiumschweißprozess jede Aluminiumlegierung prozesssicher mit einer immer gleichen maximalen Punktzahl schweißen zu können.

Sollten Sie Interesse an einer anwendungsspezifischen Prozesslösung haben, sprechen Sie bitte mit unserem „Vertrieb Widerstand“ und vereinbaren Sie im Gespräch das geeignete Vorgehen.

Im Regelfall werden wir Sie bitten, uns Ihre Anforderungen zu schildern und uns Werkstoffe zu senden, damit unsere Anwendungstechnik Probeschweißungen vornehmen kann. Diese Probeschweißungen sind für Sie kostenlos, sofern sie sich im üblichen Rahmen bewegen.

Erst nach Durchführung dieser Schweißproben erhalten Sie von uns eine belastbare Aussage, ob wir Sie mit unseren Anwendungen unterstützen können.

Bei wenig umfangreichen Schweißaufgaben in überschauberen Stückzahlen bieten wir Ihnen gerne auch Lohnschweißungen an. Bitte kontaktieren Sie für weitere Informationen unseren Vertrieb.

Aluminium-Punktschweißsystem