Schweißen für die Umwelt Neuartiges Punktschweißen ermöglicht leichtere Schienenfahrzeuge

Autor / Redakteur: Christian Mannigel / Peter Königsreuther

Mit der Entwicklung des sogenannten einseitigen Punktschweißens hat ein Schweißtechnikspezialist eine Fügealternative geschaffen, die beim Bau von Schienenfahrzeugen für einen entscheidenden Durchbruch sorgen kann.

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Blick in die Fertigung von Waggonbau Niesky. Auch im Schienenfahrzeugbau spielen Profilkonstruktionen und Rohrstrukturen eine zunehmend wichtige Rolle. Hier eröffnet das einseitige Punktschweißen neue Möglichkeiten.
Blick in die Fertigung von Waggonbau Niesky. Auch im Schienenfahrzeugbau spielen Profilkonstruktionen und Rohrstrukturen eine zunehmend wichtige Rolle. Hier eröffnet das einseitige Punktschweißen neue Möglichkeiten.
(Bild: A. Schulze)

Der erwähnte Schweißtechnikspezialist ist die Nimak GmbH aus Wissen, außerdem bekannt als führender Anbieter von Widerstandsschweißsystemen sowie für seine Roboter- und Handschweißzangen. Tobias Broda, bis Ende des vergangenen Jahres Fachbereichsleiter Pressschweißen in der Abteilung Forschung und Entwicklung der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Halle, zur gemeinsamen Entwicklung mit Nimak: „Diese Innovation ermöglicht ab sofort Konstruktionsweisen, die vorher nicht denkbar waren. Vor allem bei der Verbindungstechnik im Schienenfahrzeugbau kann das neue Verfahren ohne Einschränkungen als technischer Durchbruch bezeichnet werden.“

Punktschweißen der besonderen Art

Genauer gesagt: In Kooperation mit Nimak ist es Broda und seinem Team gelungen, ein einseitiges Punktschweißsystem mit thermoexpansionsbasierter Prozessregelung zu entwickeln. Die Idee zu diesem durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt basiert auf der ebenfalls von Nimak entwickelten „magneticdrive“-Technologie. Bei der durch den Einsatz eines mikroprozessorgesteuerten Elektromagneten nicht nur die Stromstärke, sondern auch die Kraft und der Kraftverlauf während des Pressschweißens gesteuert werden können. So lassen sich ein sehr präziser und sanfter Kraftaufbau sowie individuelle Kraftprofile ausführen, was zu extrem kurzen Fügeprozessen innerhalb von 10 bis 20 ms führt. Das blitzschnelle Regeln des „magneticdrive“ garantiert, dass alles stets mit der programmierten Sollkraft abläuft, fasst Nimak zusammen.

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Übliche Schweißverfahren stoßen an Grenzen

Besonders in Branchen, für die der Leichtbau zählt, bietet das aus der Entwicklungsarbeit hervorgegangene einseitige Punktschweißen völlig neue Möglichkeiten. Dazu zählt auch der Schienenfahrzeugbau – die Kernkompetenz der SLV Halle – wo Profilkonstruktionen und auch Rohrstrukturen jetzt erheblich Gewicht sparen helfen. Denn das bisher übliche zweiseitige Widerstandspunktschweißen stößt dabei zunehmend an seine Grenzen, weil die Fügestellen durch die bauliche Geometrie nicht erreichbar sind.

Grundsätzlich ist das Widerstandsschweißen im Leichtbau sehr interessant, weil es nach wie vor die wirtschaftlichste Verbindungstechnik ist und auch noch schnell. Im Projekt galt es deshalb, einen adäquaten, reproduzierbar anwendbaren Schweißprozess zu entwickeln, der auch noch dem anspruchsvollen Werkstoff Aluminium gerecht wird.

Thermoexpansionsbasierte Regelung

Weil anders als beim klassischen, zweiseitigen Punktschweißen die beiden Elektroden beim einseitigen Fügen nicht mehr auf dem oberen und unteren Blech gegenseitig anliegen können, hat Nimak einen neuartigen „Doppelpunkter“ entwickelt. Und weil Aluminium ein besonders guter Leiter ist, ist es dabei besonders schwierig, den Stromfluss durch das obere und dann noch durch das untere Blech oder die Rahmenstruktur und wieder zurück zu leiten. Um hier qualitativ hochwertige Verbindungen zu erzeugen, muss mit besonders abgestimmten Schweiß-Kraft-Programmen gearbeitet werden. Genau das kann der Doppelpunkter leisten, der sich von herkömmlichen Doppelpunktanlagen durch den Einsatz von zwei „magneticdrive“-Kraft- und -Nachsetzsystemen mit einer integrierten Kraftreglung anstelle der üblichen pneumatischen oder elektromotorischen Einheiten unterscheidet.

Auch hat das „magneticdrive“-System ein Wegmesssystem respektive eine Sensorik, die es möglich macht, während des Schweißens die Ausdehnung der Schweißlinse zu messen. Das Ausmaß dieser Thermoexpansion hat Broda in dem gemeinsamen Projekt untersucht, um daraus eine Stellgröße für den Schweißprozess abzuleiten. Daraus sollte eine sichere Korrelation zwischen Ausdehnung und Schrumpfung sowie dem Durchmesser der Linse ausgearbeitet werden. „Die Ergebnisse dieser Analyse haben wir bei der Programmierung der Thermoexpansionsregelung einfließen lassen“, erklärt Kay Nagel, Vertriebsleiter bei Nimak. Auf dieser Basis kann man stets mit den optimalen Strom-, Zeit- und Kraftprofile im Verlauf des Schweißprozesses arbeiten. Das Weg- beziehungsweise Stromsignal des Magneten wird laut Nagel auch genutzt, um durch Kraftanpassung auf die Linsengröße Einfluss zu nehmen.

Zweifacher Vorteil schweißt noch hochwertiger

Das System „magneticdrive“ wird jetzt also in zweifacher Hinsicht nützlich: zunächst beim Messen der wärmebedingten Ausdehnung der Schweißlinse – was bisher nicht berücksichtigt wurde – und schließlich bei deren Schrumpfung, bei der die Elektrode dann blitzschnell nachsetzt. Durch die Kraftregelung wird das Schweißergebnis noch hochwertiger. Die Schweißung kann je nach Materialstärke des Aluminiums mit Schweißstrom deutlich unter 50 kA erfolgen, was den Einsatz kleinerer Schweißtransformatoren und -inverter ermöglicht und deshalb zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung des Schweißsystems führt. So wird auch eine Kombination mit einem Industrieroboter möglich.

Sichere Prognose der Schweißqualität wird möglich

„Das Ziel des einseitigen Widerstandspunktschweißens mit thermoexpansionsbasierter Regelung ist es, eine optimale Schweißlinsengröße zu erzielen, die dann auch noch möglichst frei von Imperfektionen sein soll“, fasst Nagel zusammen. Durch die Möglichkeit, exakt messen zu können, wie stark sich die Schweißlinse ausdehnt und wie tief die Elektrode später in das Blech einsinkt, kann man genau sagen, ob die Schweißung den Ansprüchen genügt. Und nach der DIN EN 15085 erfülle die neue Nimak-Schweißtechnik nachgewiesenermaßen die geltenden Vorschriften für den Schienenfahrzeugbau, in Deutschland insbesondere für die Deutsche Bahn. Die Qualitätsanforderungen sind erfüllt, weil der Mindestdurchmesser der Schweißlinse und ihre erforderliche Belastbarkeit erreicht werden. Die Prozessstabilität sei im Rahmen einer Verfahrensprüfung nach DIN EN ISO 15614 Teil 12 durch Sichtprüfung, Scher-Zug-Proben und Makroschliffe an einer Beispielverbindung bestätigt.

Für alle leichtbaugeprägten Branchen attraktiv

„Damit ist das neue Nimak-Schweißverfahren vermarktungsreif“, stellt Broda fest. Auch wenn es häufig eine geraume Zeit dauere, bis eine neue Technologie in der Praxis eingesetzt werde und der Schienenfahrzeugbau dabei generell eher zurückhaltend agiere, sieht Broda gute Perspektiven: „Bei einem kürzlichen Erfahrungsaustausch und einer Weiterbildung für Schweißaufsichtspersonen im Schienenfahrzeugbau in der SLV Halle ist die Entwicklung positiv und interessiert aufgenommen worden.“

Die Fügealternative für alle Leichtbau-Akteure

Dieser Erfolg beruhe auch auf der guten Zusammenarbeit mit Nimak. Das große Engagement im Projekt und der ausgezeichnete Austausch in allen fachlichen Fragen hätten sich ausgezahlt. „Die Entwicklung des einseitigen mobilen Widerstandspunktschweiß-Systems mit thermoexpansionsbasierter Regelung bestätigt die Nimak-Expertise“, betont Broda. Das innovative Potenzial schätzt auch Nagel als ausgesprochen hoch ein, und zwar nicht nur im Schienenverkehr, sondern überall dort, wo der Leichtbau eine Rolle spielt und Blechverbindungen wegen einer nur einseitigen Zugänglichkeit der zu verbindenden Stelle bisher nur mit Niet- oder Schraubtechnik machbar sind. Nagel zählt dazu etwa die Luft- und Raumfahrt oder die Produktion von Bussen. MM

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