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Dec 29, 2023

Neue Technologien für das Bolzenschweißen

Das neue Bolzenschweißgerät CD110 mit Kondensatorentladung von Image Industries schweißt Bolzen

Das neue Bolzenschweißgerät CD110 mit Kondensatorentladung von Image Industries schweißt Bolzen in nur 0,01 Sekunden. Die Ladezeit beträgt weniger als 3 Sekunden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Image Industries Inc.

Das neue Kondensatorentladungsschweißgerät NCD+ 3200 von Nelson Stud Welding ist mikroprozessorgesteuert. Es kann Bolzen mit einem Durchmesser von bis zu 3/8 Zoll auf Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer und Messing schweißen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nelson Stud Welding Inc.

Gewindebolzen sind die gebräuchlichsten Befestigungselemente für das Bolzenschweißen, die Technologie kann jedoch auch zur Befestigung von Stiften, Laschen, Haken, Schlaufen, Halterungen und hydraulischen Anschlüssen verwendet werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Image Industries Inc.

Der neue KSE 1000 von Nelson Stud Welding ist ein servoangetriebener Schweißkopf für automatisierte Bolzenschweißanwendungen mit Hubzündung. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nelson Stud Welding Inc.

Abhängig von der Größe und dem Material der Befestigungselemente kann ein Roboter mehrere Bolzen pro Minute schweißen. Nelson Stud Welding arbeitet an einer neuen Technologie, mit der 20 Bolzen pro Minute verschweißt werden könnten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nelson Stud Welding Inc.

Das Bolzenschweißen hat zahlreiche Anwendungen in der Automobilindustrie. Foto mit freundlicher Genehmigung von Boehm Pressed Steel

Das Bolzenschweißen lässt sich problemlos automatisieren. In dieser Zelle legen Roboter stationären Schweißern Teile vor. Schweißpistolen können jedoch auch an einen Roboter montiert werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von The Roueche Co. LLC

Für automatisierte Anwendungen können Bolzen aus einer Vibrationsschüssel zugeführt und über einen Pneumatikschlauch zur Schweißpistole geblasen werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Solysol.

Heutzutage achten Hersteller aller Couleur stärker auf ihren Energieverbrauch als potenzielle Quelle für Kosteneinsparungen – selbst Hersteller der größten und teuersten Produkte der Welt.

Die General Dynamics Bath Iron Works in Bath, Maine, bauen Zerstörer und andere Kriegsschiffe für die US-Marine. Obwohl ein Zerstörer mehr als 640 Millionen US-Dollar kosten kann, hielt das den Verteidigungsriesen nicht davon ab, die Kosten für die Installation eines der kleinsten und technisch am wenigsten ausgestatteten Teile des Bootes zu prüfen: die an Rahmen und Wände geschweißten Bolzen, Stifte, Halterungen und anderen Befestigungselemente und Schotten.

Ein Marineschiff kann Millionen dieser geschweißten Verbindungselemente enthalten. Daher haben sich General Dynamics und sein Schiffbaukollege Huntington Ingalls Industries Inc. vor einigen Jahren mit Nelson Stud Welding Inc. zusammengetan, um zu ermitteln, wie viel Energie sie durch den Austausch ihrer alten Bolzenschweißausrüstung gegen neuere, energieeffizientere Modelle einsparen könnten. Ihre im Mai 2012 veröffentlichten Ergebnisse waren verblüffend.

Konkret wurden in der Studie neuere Modelle von Hubzündungs-Bolzenschweißgeräten (ausgestattet mit Inverter-Stromquellen) mit älteren Modellen (ausgestattet mit Zeitschaltuhren oder Transformator-Gleichrichter-Technologie) verglichen. In der Studie wurden auch neuere Modelle von Bolzenschweißgeräten mit Kondensatorentladung (ausgestattet mit Schaltnetzteilen) mit älteren Modellen (ausgestattet mit Transformator-Gleichrichter-Technologie) verglichen. Die Ausrüstung wurde sowohl in einer kontrollierten Laborumgebung als auch in verschiedenen Werften getestet.

Die Forscher fanden heraus, dass Bolzenschweißgeräte aufgrund ihrer geringen Einschaltdauer im tatsächlichen Stillstand die meiste Energie verbrauchen. Im Gegensatz dazu verbrauchen die neuesten Geräte im Leerlauf 20- bis 24-mal weniger Strom. Die Forscher schätzten, dass 842 bis 1.013 US-Dollar pro Stromquelle und Jahr – oder 0,128 bis 0,154 US-Dollar pro Bolzen – eingespart werden könnten, wenn ihre alte Bolzenschweißtechnologie ersetzt würde. Durch die Aufrüstung von 700 älteren Bolzenschweißgeräten mit neueren Modellen könnten die Schiffbauer insgesamt zwischen 589.000 und 708.000 US-Dollar pro Jahr einsparen. (Um den Bericht herunterzuladen, klicken Sie hier: http://bit.ly/1nCqtSp.)

Bolzenschweißen ist ein Verfahren, bei dem ein Metallbolzen mit einem Metallwerkstück verbunden wird, indem beide Teile mit einem Lichtbogen erhitzt werden. Das Werkstück muss nur von einer Seite zugänglich sein.

Mit dieser Methode können verschiedene Befestigungselemente geschweißt werden, darunter Gewindebolzen, Stifte, Laschen, Gewindebuchsen, Haken, Schlaufen, Halterungen, Hydraulikarmaturen und spezielle Hardware, die an eine bestimmte Aufgabe angepasst ist, wie z. B. die Sicherung von Schläuchen oder Kabelbäumen.

Die Technologie wird in unzähligen Branchen und Anwendungen eingesetzt. In der Automobilindustrie wird es beispielsweise für Hitzeschilde, Servolenkungsbaugruppen, Abgassysteme und andere Komponenten verwendet. Es wird auch in Luft- und Raumfahrtbaugruppen, Traktoren, gewerblichen Geschirrspülern, Büromöbeln, Klimaanlagen, Grillgeräten und Kochgeschirr verwendet.

Beim Bolzenschweißen gibt es zwei Grundtechnologien: Hubzündung und Kondensatorentladung.

Die Hublichtbogentechnik erfordert eine Gleichstromversorgung zur Erzeugung des Lichtbogens, eine Schweißpistole und eine Einweg-Keramikhülse, die die Wärme konzentriert und das geschmolzene Metallbad aufhält. Der Bolzen wird in das Spannfutter der Waffe eingesetzt und über das Ende wird eine Zwinge gestülpt. Anschließend wird die Pistole an das Werkstück angelegt.

Wenn der Abzug betätigt wird, sendet das Netzteil ein Signal, das den internen Hebemechanismus der Pistole aktiviert, den Bolzen anhebt und einen Pilotlichtbogen erzeugt. Dieser Lichtbogen legt einen Pfad für den Schweißstrom fest, der unmittelbar darauf folgt.

Nach ausreichender Lichtbogenzeit bildet sich ein Schweißbad und der Hubmechanismus wird stromlos. Dadurch taucht der Bolzen in die Metallschmelze ein. Wenn sich der Bolzen und das Grundmetall verbinden, kühlt das Metall ab und es entsteht die Schweißnaht. Das im Bolzen eingebettete Flussmittel verdampft während des Vorgangs, um die Schweißzone sauber zu halten.

Die Kondensatorentladungstechnik erfordert eine Schweißpistole und ein Kondensatorspeichersystem, um eine schnelle elektrische Entladung zu erzeugen. Zwingen und Flussmittel sind nicht erforderlich, aber der Bolzen muss am zu verschweißenden Ende einen speziellen Vorsprung haben.

Beim Kondensatorentladungsschweißen gibt es zwei Techniken: Kontakt und Spalt. Beim Kontaktschweißen wird der Bolzen in die Pistole geladen und in Kontakt mit dem Werkstück gebracht. Über den Vorsprung des Bolzens wird dann sofort Energie aus den Kondensatoren entladen. Der Vorsprung verdampft und es entsteht ein Spalt, der die Bildung eines Lichtbogens ermöglicht. Wenn Bolzen und Werkstück zu schmelzen beginnen, werden sie zusammengepresst und es entsteht die Schweißnaht. Beim Spaltschweißen wird der Bolzen über und nicht auf dem Werkstück positioniert.

„Kondensatorentladung ist ein sehr schneller Prozess“, erklärt Blake Hobson, Miteigentümer von Image Industries Inc. „Die Schweißzeiten liegen zwischen 2 und 12 Millisekunden und die Eindringtiefe in das Grundmaterial ist gering – 0,002 bis 0,004 Zoll.“

„Beim Lichtbogenschweißen können Schweißzeiten von 50 Millisekunden bis 1,5 Sekunden erreicht werden. Die Eindringtiefe in das Grundmaterial kann bis zu 0,125 Zoll betragen.“

„Kondensatorentladung eignet sich am besten für Anwendungen, die ein ästhetisches Erscheinungsbild erfordern. Hublichtbogenschweißen eignet sich eher für strukturelle Anwendungen.“

Die technologisch größten Veränderungen in der Bolzenschweißtechnik gab es bei den Stromversorgungen.

„Traditionell wurden Hublichtbogenanlagen von Transformatorgleichrichtern mit wirklich großen Transformatoren angetrieben“, sagt Doug Phillips, Leiter des Produktmanagements bei Nelson Stud Welding. „Solange das Gerät eingeschaltet ist, verbraucht es sehr viel Strom, nur um den Transformator am Laufen zu halten. Und natürlich verbraucht es beim Schweißen zusätzlichen Strom.“

„Mittlerweile sind Hublichtbogengeräte mit Inverter-Stromversorgung erhältlich. Diese Schweißgeräte haben deutlich kleinere Transformatoren. Sie schalten die Primärleistung des Transformators mit sehr hoher Geschwindigkeit, sodass Verluste vom Transformator nur dann sichtbar sind, wenn das Gerät tatsächlich schweißt. Wenn die... Das Gerät schweißt nicht, es verbraucht sehr wenig Strom.

Allerdings ist die Invertertechnik teurer. „Die meisten Hersteller verwenden beim Bolzenschweißen mit Hubzündung immer noch Transformatorgleichrichter“, räumt Hobson ein. „Wechselrichter sind immer noch sehr teuer.“

Abgesehen von besseren Stromversorgungen waren die Verbesserungen in der Bolzenschweißtechnologie größtenteils schrittweise. Leichtere, servoangetriebene Schweißköpfe erleichtern automatisierte Schweißanwendungen. Die Mikroprozessorsteuerung ermöglicht es Ingenieuren, Prozessvariablen wie Strom, Spannung und Zeit einzustellen und zu überwachen. Änderungen in der während einer Schweißung verbrauchten Energiemenge können auf eine fehlerhafte Baugruppe hinweisen.

Einige Lieferanten bieten mittlerweile Geräte an, mit denen mehr als eine Schweißpistole betrieben werden kann. Dadurch kann ein Netzteil mehr als eine Schweißstation versorgen oder eine Station mit mehreren Schweißpistolen ausstatten. Beispielsweise könnte eine Pistole für 1/4-Zoll-Befestigungselemente reserviert sein, während eine andere für 5/8-Zoll-Befestigungselemente eingerichtet werden könnte. Das spart Rüstzeit.

„Das Auswechseln eines Spannfutters dauert nur 5 Minuten, aber wenn man das 10 bis 15 Mal am Tag macht, kann man mehr als eine Stunde Produktion verlieren“, betont Hobson. A

Um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, verwenden Automobilhersteller in Karosseriebauteilen zunehmend hochlegierten Stahl. Aufgrund der hohen Festigkeit des Materials können Automobilhersteller auf die Verwendung sehr dünner Bleche verzichten.

Doch was für die Gewichtsreduzierung gut ist, ist für das Bolzenschweißen nicht so optimal. Auch das Bolzenschweißen mit Spitzenzündung stößt bei einer Wandstärke von 0,5 Millimetern an seine Grenzen. Selbst wenn Schweißen machbar ist, ist es aus kosmetischen Gründen oft nicht wünschenswert.

Um dieses Problem zu lösen, haben DELO Industrial Adhesives LLC und der Befestigungsmittelhersteller Böllhoff Inc. eine Alternative zum Schweißen zur Befestigung von Bolzen an dünnen Blechen entwickelt – die Verklebung mit einem UV-härtenden Klebstoff.

Die neue Technologie mit dem Namen ONSERT kombiniert einen UV-härtenden Klebstoff (ein Acrylat oder Epoxidharz) mit einem speziellen Befestigungselement aus zwei Materialien. Das Befestigungselement besteht aus einem Metallbolzen oder -einsatz mit einem Flansch aus durchscheinendem oder transparentem Kunststoff. Der Kunststoff ermöglicht, dass UV-Licht die Verbindungslinie erreicht und den Klebstoff in weniger als 5 Sekunden aushärtet.

Die Technik kann sowohl auf metallischen als auch auf nichtmetallischen Substraten angewendet werden, einschließlich Glas, Kunststoff und kohlefaserverstärktem Polymer. Es kann sogar auf Metallen angewendet werden, die eine Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel eine kathodische Tauchlackierung, erhalten haben.

Ein Nebenvorteil des Bolzenklebens besteht darin, dass es deutlich weniger Energie erfordert als das Schweißen. Um einen Bolzen mit einem Durchmesser von 6 Millimetern an ein verzinktes Stahlblech mit einer Dicke von 1 Millimeter zu schweißen, muss ein Schweißer möglicherweise 100 Millisekunden lang einen Strom von 18 Kiloampere anlegen. Das verbraucht 3,6 Kilojoule Energie.

Im Gegensatz dazu muss eine LED möglicherweise fünf Sekunden lang UV-Licht mit einer Wellenlänge von 400 Nanometern auf die Verbindung strahlen. Das verbraucht nur 0,6 Kilojoule.

Weitere Informationen finden Sie unter www.boellhoff.com/en/de/assembly_systems/adhesion_of_fasteners.php.