Reinigung im Lichtbogen

Schweißtechnik – Im Lichtbogen verschweißte Stahlbolzen dienen im Fahrzeugbau als Masseverbindung oder als Befestigungspunkt für Komponenten. Der Einsatz von Wechselstrom zum Schweißen erweitert das Verfahren jetzt auch auf die Verwendung bei Aluminiumbauteilen.

22. Februar 2008

Eine seit Jahren gängige Verbindungstechnik vor allem im Automobilbau ist das Bolzenschweißen. In jedem Kraftfahrzeug dienen deshalb zwischen 200 und 500 Bolzen als Masseverbindung oder als Befestigungspunkt für Fahrzeugkomponenten. Verschweißt werden die Bolzen üblicherweise im Kurzzeit-Lichtbogenverfahren mithilfe einer Gleichstromquelle. Dabei wird die Schweißwärme in der Fügezone mit Gleichstrom vorwiegend von einer Seite her eingebracht. In Europa ist dies in der Regel der Bolzen, in Japan und den USA ist es das Bauteil. Beide Methoden funktionieren grundsätzlich gleich gut, haben aber spezifische Vor- und Nachteile.

Aluminium macht Probleme

Die Automobilindustrie praktiziert dies mit Stahlbolzen seit vielen Jahren erfolgreich. Durch den zunehmenden Einsatz von Aluminium im Fahrzeugbau stößt diese Technik heute jedoch an ihre Grenzen, da sich der Werkstoff im Vergleich zu Stahl anders verhält. So reagieren Aluminiumteile mit dem Sauerstoff der Luft und bilden eine ungleichmäßige Oxidhaut an Bolzen und Bauteil, welche ein hochwertiges Schweißergebnis verhindert: Zum einen verursacht eine ungleichmäßige Oxidhaut eine Blaswirkung, durch die das Bauteil nicht symmetrisch zum Bolzen angeschmolzen wird. Zudem muss die Oxidhaut dünn sein, damit sie sich leicht aufbrechen lässt. Am negativ gepolten Teil lösen sich dabei Elektronen aus der Oberfläche, und die hierzu benötigte Austrittsarbeit schmilzt das Aluminium unmittelbar hinter der Oxidhaut. Die eingelagerten Legierungselemente, wie etwa Magnesium, verdampfen, bis der entstehende Dampfdruck die Oxidhautfeinflächig aufreißt. Am positiv gepolten Bauteil erfolgt das Aufbrechen der Oxidhaut hauptsächlich mechanisch durch den Aufschlag des Bolzens auf das Bauteil am Ende des Schweißprozesses.

Probleme bereitet auch die hohe Affinität von flüssigem Aluminium zum Element Wasserstoff, der unter anderem in Tiefziehmitteln chemisch gebunden enthalten ist. Vor allem Aluminiumbauteile, die mittels Kaltumformung bearbeitet werden, müssen deshalb vor der Verarbeitung gereinigt werden. Anderenfalls löst die Aluminiumschmelze den Wasserstoff aus dem Tiefziehmittel, der beim Erstarren wieder ausgast, was zu porösen Fügezonen und damit zu mangelhaften Schweißverbindungen führt.

Optimale Bedingungen für das Bolzenschweißen mit Gleichstrom erfordern deshalb eine aufwendige Reinigung der Bauteile. Dazu kommt eine Beizpassivierung, um die ursprüngliche Oxidhaut durch eine dünne und gleichmäßige Schicht zu ersetzen.

Deutlich reduzieren lassen sich diese aufwendigen Vorarbeiten durch den Einsatz von Wechselstrom zum Lichtbogenschweißen. Dabei werden nicht nur Bauteil und Bolzen automatisch gereinigt, zudem besteht hier nicht die Gefahr, dass die Schmelze aufgrund von Überhitzung explodiert, weil die Wärme in beide Teile gleichmäßig und definiert eingebracht wird.

Wechselstrom als Lösung

Eine Lösung für die Automobilindustrie hat die Tucker GmbH aus Gießen entwickelt. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung von Befestigungstechnik für die Automobilindustrie und bietet ein Gerät zum Kurzzeitbolzenschweißen mit gezogenem Lichtbogen im Wechselstrom. Kernkomponente der Lösung ist die Energiequelle DCE 1500 AC mit einer H-Brückenschaltung, die den Schweißstrom von bis zu 1.500 Ampere in einen Wechselstrom umwandelt. Die Schweißstromquelle ermöglicht Wechselstromfrequenzen bis 100 Hertz und eine Änderung der Pulsweite von 30 bis 70 Prozent. Dabei lassen sich Stromstärke und Pulsweite für die positive und die negative Halbwelle des Schweißstroms getrennt programmieren.

Beim Schweißprozess wird der Bolzen zunächst bis auf die Oberfläche des Bauteils gefahren, um den Schweißkreis zu schließen. Dabei genügt ein maximal 20 Ampere starker Vorstrom, um die dünne Oxidhaut in einen leitenden Zustand zu versetzen. Kurz danach wird der Schweißbolzen mit einem Linearmotor definiert vom Bauteil abgehoben, und es entsteht zunächst ein schwacher Lichtbogen zwischen Bolzen und Bauteil, der nach 20 Millisekunden in einen Reinigungslichtbogen geschaltet werden kann, oder direkt in den Schweißlichtbogen übergeht. Die Reinigungsphase mit Stromstärken zwischen 20 und 500 Ampere dauert 20 bis 100 Millisekunden, je nach notwendiger Reinigungswirkung. Im anschließenden Schweißlichtbogen mit Stromstärken von 500 bis 1.500 Ampere schmilzt die Oberfläche des jeweils negativ gepolten Bauteils, dessen Oxidhaut zugleich aufbricht.

Die Möglichkeit, Stromstärke und Pulsdauer für die negative und die positive Polarität getrennt einzustellen, erlaubt es, die Schweißwärme individuell auf Bolzen und Bauteil zu verteilen und entsprechend der jeweiligen Dicke der Bauteile sowie dem Benetzungsgrad mit Fremdstoffen anzupassen. Sobald danach die Oberflächen von Bolzen und Bauteil zusammengeführt werden, erstarrt die Schmelze schlagartig, und die Verbindung ist hergestellt. Eine Argon- Schutzgasabdeckung der Fügezone mit Faltenbalg verhindert dabei das Oxidieren des geschmolzenen Aluminiums.

Die wesentliche Stärke der Wechselstrom- Lösung ist die Reinigungswirkung auf Bolzen und Bauteil, die sehr porenarme Schweißergebnisse bewirkt. Zudem beschränkt sich das Verfahren nicht auf die Verarbeitung von Aluminium und Aluminiumlegierungen, sondern kann auch bei Stahlbauteilen eingesetzt werden, speziell bei der Verarbeitung von verzinktem Stahlblech: Hier entfernt die Verarbeitung mit Wechselstrom die Zinkschicht vor dem eigentlichen Schweißprozess und verhindert so das Entstehen von Schweißspritzern und Fehlstellen in der Fügezone.

Dr.-Ing. Klaus G. Schmitt, Tucker GmbH/bt

Fakten

Durch den Wechsel der Polarität beim Schweißen mit Wechselstrom werden Verschmutzungen vor dem eigentlichen Schweißprozess entfernt.

Die Möglichkeit, Stromstärke und Pulsdauer für die negative und die positive Polarität getrennt einzustellen, erlaubt es, die Schweißwärme individuell auf Bolzen und Bauteil zu verteilen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2008