Prinzip KE-Schweißen / KES

Das Kondensatorentladungsschweißen wird aufgrund der kurzen Stromanstiegszeit und der vergleichsweise niedrigen und schnellen Wärmeeinbringung gegenüber dem konventionellen Punkt- oder Buckelschweißen seit Mitte der 50er Jahre für ausgewählte Schweißaufgaben eingesetzt. Im allgemeinen Sprachgebrauch haben sich die Abkürzungen KE-Schweißen, KES, Kondensator-Impulsschweißen oder auch die von der englischsprachigen Bezeichnung „capacitor discharge welding“ abgeleitete Abkürzung CD-Schweißen durchgesetzt.

Das Kondensatorentladungsschweißen gehört zur Gruppe der konduktiven Widerstandspressschweißverfahren. Es gilt als mögliche Stromquelle für das Buckelschweißen, findet aber auch als Widerstandspunktschweißen Anwendung.

Aus heutiger Sicht dominiert das Buckelschweißen, das durch einen Fügeteilpartner mit buckelähnlicher Kontur, um den Stromfluss auf die Berührungsfläche zu konzentrieren, charakterisiert wird. Beim Widerstandspunktschweißen wird die notwendige Stromkonzentration dagegen durch die Geometrie der Elektrodenspitze realisiert. Während das Widerstandspunktschweißen vermehrt Einsatz im Karosseriebau oder bei dem Verbinden von dünnen Blechen findet, wird das Kondensatorentladungsschweißen unter anderem in großer Vielfalt im Getriebebau oder beim Fügen von Schweißmuttern und -bolzen bei unterschiedlichen Werkstoff- und Wanddickenkombinationen genutzt, um Gewicht, Energie und Ressourcen einzusparen.

Für das KE-Schweißen werden verschiedene Bereiche von Ladespannung verwendet.
Auf der einen Seite gibt es KE-Maschinen mit hoher Kondensatorladespannung von 3200 V (ACHTUNG: Mittelspannung!) und auf der anderen Seite die von Kapkon vertriebenen Maschinen mit einer Ladespannung von 1300 V (Niederspannung). Neben einem dynamischeren Schweißverhalten bringt die Verwendung von 1300 V besonders unter Kostengesichtspunkten für den Kunden viele Vorteile mit sich.

Vorteile der von Kapkon vertriebenen 1300 V-Ladetechnik:

  • Betriebstechnisch für den Kunden:
    • Niederspannungsbereich – keine Erschwernisse durch Mittelspannung (wie bspw. besonderes elektrotechnisches Personal, Wartungen schneller durchführbar)
    • Verwendung von Standardkabeln mit max. Isolationsspannung von 1000 V (1300 V entspricht Effektivwert der Entladespannung von rund 930 V)
    • meist keine Kühlung notwendig
  • Fügeprozesstechnisch:
    • geringere Impulstransformatorübersetzungsverhältnisse, kürzere Stromanstiegszeiten und höherer Spitzenstrom bei identischer Kondensatorladeenergie
    • Sättigung des Impulstransformatorkerns vermeidbar

Die sich ergebenden Nachteile, wie höhere Primärströme und eine geringere Energieeinbringung werden durch entsprechende technische Lösungen umgangen.
Die Primärströme werden problemlos mittels Thyristoren geschalten, die Energieeinbringung wird durch höhere Kapazitäten gesteigert.

Innerhalb der konduktiven Widerstandspressschweißprozesse unterscheidet sich das Kondensatorentladungsschweißen von anderen Verfahren durch die Art der Schweißstromquelle und der damit einhergehenden Stromform. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wechsel- oder Gleichstromquellen wird nicht mit mehreren Stromimpulsen gearbeitet, die direkt aus dem Versorgungsnetz entnommen werden und zu einer unsymmetrischen Netzbelastung führen, sondern mit nur einem einzelnen, kurzen, hohen Stromimpuls (bis zu 1000 kA), der über eine transformierte Kondensatorentladung bereitgestellt wird. Die Schweißzeit beträgt beim Kondensatorentladungsschweißen üblicherweise weniger als 20 ms, wobei auch deutlich geringere Schweißzeiten möglich sind. Die nachfolgende Abbildung zeigt den konventionellen, auf einem Puls basierenden Schweißstromverlauf.
Die Erläuterungen der verwendeten Begriffe sind hier zu entnehmen.

Kombipulstechnik / Mehrkondensatortechnik Multi-Capacitor-Source (MCS) unter Anwendung der Kombipulsfolge:

Bisher wurde beim KE-Schweißen davon ausgegangen, dass der Verlauf des Schweißstromes im Wesentlichen durch die konstruktiven Gegebenheiten der Maschine (die Kapazität der Kondensatoren, das Übersetzungsverhältnis des Transformators und die Induktivität des Schweißstromkreises) festgelegt ist. Eine Variation der Schweißparameter ist nur eingeschränkt über die Ladespannung der Kondensatoren möglich. Die eng gesteckten Grenzen können mit dem patentierten Mehrkondensatorsystem Multi-Capacitor-Source (MCS), auch Kombipulstechnik, erweitert werden. Dabei handelt es sich um ein technisches System, welches parallel verschaltete Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten für den KE-Schweißprozess nutzt. Infolgedessen kann der Stromverlauf in mehrere Pulse aufgeteilt werden, die ohne Pause aneinandergereiht werden können. Der Einsatz der verschiedenen Pulse ist in nahezu beliebiger Zündverzögerung möglich, weshalb eine auf die Fügeaufgabe abgestimmte Prozessführung ermöglicht wird. Beispielsweise kann eine Kapazitätsänderung ohne mechanisches Umklemmen erfolgen oder Spitzenströme überhöht bzw. reduziert werden. Auf Grundlage des MCS-Systems wurde die Kombipulsfolge als Basisschema der Stromverläufe für Buckelschweißungen entwickelt.

Kombipulsfolge=Initialpuls(I)+Presspuls(e)(II)+Stützpuls(III)

Die nachfolgende Abbildung erläutert die Kombipulsfolge anhand einer M10-Schweißmutter. Auf der linken Seite wird der Sekundärstromverlauf der Kombipulsfolge und auf der rechten Seite die Stromanstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Strom-Zeit-Integral der verschiedenen Kondensatorkapazitäten visualisiert. Der Initialpuls (I) ist der erste Puls der Schweißung. Dieser hat die Aufgabe die Oberfläche zu aktivieren und zu konditionieren. Es ist ein Kondensator mit möglichst schnellem Stromanstieg zu wählen, der über eine kleine Kapazität erreicht wird (ca. 5 % bis 12 % der Gesamtmaschinenkapazität). Presspulse (II) sind nach der Aktivierung zu verwenden. Die Stromflusszeit tI ist zu verlängern, die Stromanstiegszeit tP ist so zu begrenzen, sodass die Spritzerbildung eingeschränkt wird. Weiter ist der Buckel zu erwärmen und die notwendige Fügeenergie einzubringen. Die Erwärmung ist notwendig, um das Plastifizierungsvermögen zu erhöhen. Dafür ist ein Kondensator höherer Kapazität notwendig (ca. 30 % bis 60 % der Gesamtmaschinenkapazität). Die Aufgabe des Stützpulses (III) ist die Begrenzung des Abfalls des Schweißstroms während einer relativ langen Zündverzögerung zwischen zwei Presspulsen (II). Es ist ein Kondensator geringerer Kapazität zu verwenden (ca. 5 % der Gesamtmaschinenkapazität). Steigen die Abmessungen der Fügeteile, ist es möglich, dass die Ladeenergie und damit die Anfangsladespannung der jeweiligen Pulse zu erhöhen sind.

Schweißungen der Kombipulsfolge sind von Mehrpulsschweißungen, die durch eine KE-Anlage mit einem Kondensator hergestellt wurden, zu unterscheiden!
Mehrpulsschweißungen auf KE-Anlagen mit nur einem Kondensator sind durch Ladevorgänge zwischen den verschiedenen Schweißpulsen gekennzeichnet, wodurch die Schweißung zwischenzeitlich unterbrochen wird. Die Fügestelle kühlt während der Stromunterbrechung so weit aus, dass der nachfolgende Puls keine Schweißwirkung zur Verstärkung der Fügestelle zeigt. Durch die fehlenden Übergangswiderstände kann die erkaltete Fügezone nicht wieder so stark erhitzt werden, dass die Fortsetzung der Schweißung gewährleistet wird. Durch den bereits verformten Buckel findet keine Stromkonzentration mehr statt.

Anders verhält es sich bei Anwendung des MCS-Systems unter Anwendung der Kombipulsfolge. Infolge der in 1/10 ms einstellbaren Bereiche der Zündverzögerung zwischen den Entladungen verschiedener Kondensatoren kann gewährleistet werden, dass der Stromverlauf nicht unter einen bestimmten Wert absinkt. Folglich kann die Zündverzögerung so eingestellt werden, dass bei einem weiteren Puls der Schweißvorgang fortgesetzt wird. Gegenüber der Fügezonenumgebung besteht noch ein Temperaturgradient, der für erhöhte Stoffwiderstände sorgt, wodurch die Wärmeentwicklung im nächsten Puls fortgesetzt wird. Um dies zu realisieren, darf die Zündverzögerung nur so groß sein, dass der Schweißstrom maximal auf 30 % den primären Spitzenstroms abfällt. Dieses Phänomen wird als thermische Kopplung bezeichnet.

Selbstverständlich ist es auch möglich die verschiedenen Pulse der Kombipulsfolge komplett voneinander zu entkoppeln oder nur mit einem Kondensator zu arbeiten. Der Aufbau des Schweißprogramms wird jeweils individuell auf die Fügeaufgabe abgestimmt, sodass eine den Anforderungen entsprechende Schweißung realisiert wird.

Video: KE-Mutternschweißen unter Anwendung
der Kombipulstechnik / Mehrkondensatortechnik MCS

Versuchsreihe Mutternschweißen: DIN 928 – M8 – St (verzinkt) auf 22MnB5+AS150 (ebenes Blech)

Schweißmutter DIN 928 – M8 – St (verzinkt)

Blech 22MnB5+AS150 (Ofenverweilzeit: 6 Minuten bei 930 °C)

Versuchsrandbedingungen Anlage: KKC 18-MCS

Versuchsrandbedingungen: Prüf- und Bewertungsmethoden:

  • Kopfzugkraft (Quasistatische Festigkeitsprüfung: 3 mm/min); FKmin ≥ 4 kN
  • Gewindegängigkeit der Mutter
Versuchsplanung und -vorbereitung

Ceteres paribus-Untersuchung: identische Anlagentechnik (mechanisch), Schweißprogramm mit identischen Anpresskräften (13 kN) und nahezu identischem Spitzenstrom (41,7 kA)

Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Stichprobenumfang pro Variante n = 56 + jeweils 1 Schliff

Die Kombipulsfolge reduziert bei identischem Spitzenstrom auftretende Makrospritzer. Werden die Bewegungsverläufe der Oberelektrode als Qualitätskriterium herangezogen, kann das Überschwingen dieser stark reduziert werden.

Schliff Einpuls

Schliff MCS

Die Schliffbilder zeigen, dass die Anbindungsbreiten von Einpuls- und Kombipuls
(MCS)-Schweißungen auf einem ähnlichen Niveau liegen.

Auswertung Kopfzugkräfte

Sowohl die Ergebnisse der Einpuls- als auch der Kombipuls (MCS)-Schweißungen erfüllen die Anforderungen an die Fügeverbindung ( FKmin ≥ 4 kN).
Die Ergebnisse sind normalverteilt, weshalb auf Basis der vorgegebenen unteren Spezifikationsgrenze der Prozessfähigkeitsindex CpK berechnet werden kann. Höhere Werte bedeuten eine sichere Produktion innerhalb der Spezifikation (Anforderungen an Serienproduktion:  4 σ oder CpK ≥ 1,33).  Die Anforderung an eine Serienproduktion wird dabei ebenfalls von beiden Varianten erfüllt – wie die Untersuchung jedoch eindrucksvoll zeigt, steigert die Kombipulstechnik die Prozessfähigkeit weiter.

Die Vorteile des KE-Schweißens beziehen sich auf drei Bereiche:


1. Werkstoffe und Materialien:

  • Schweißen von Mischverbindungen → Kupfer oder Messing mit Stahl
  • Schweißen von Stählen mit einem C-Gehalt über 0,2% → Getriebebauteile
  • Schweißen von Sinterwerkstoffen → Diamant/Bronzemischungen für Steinbohrer und Sägeblätter
  • Schweißen von gehärteten Materialien → Maschinenelemente
  • Schweißen von hochfesten Werkstoffen → Bauteile aus dem Automobilbereich (A-Säule, B-Säule, etc.)

2. Oberflächen:

  • Schweißen von galvanisch und feuerverzinkten Oberflächen ohne Zerstörung der Zinkschicht
  • Schweißen von chromatierten Oberflächen
  • Schweißen von Chrom/Nickel – Stählen mit dünner Blechdicke ohne Entstehung von unerwünschten Anlauffarben
  • Schweißen von einseitig nichtleitend beschichteten Blechen

3. Geometrie:

  • Schweißen von extrem unterschiedlichen Wandstärken und Blechdicken → Membranen auf Massivkörper
  • Dichtschweißung von Ringbuckeln bis Durchmesser 200 mm
  • Vielbuckelschweißen → 50 Buckel in einer Schweißung