Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4299
Main Title: Untersuchung der Anlagenkonfiguration beim Widerstandspunktschweißen von Stahlfeinblechen
Translated Title: Investigation of the system configuration in resistance spot welding of steel sheets
Author(s): Pepke, Lutz-Alexander
Advisor(s): Rethmeier, Michael
Referee(s): Rethmeier, Michael
Füssel, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Widerstandspunktschweißen hat eine lange Tradition in der Fertigung und ist heute das bevorzugte Fügeverfahren im Automobilbau. Über die Zeit haben sich verschiedene Widerstandspunktschweißeinrichtungen für die Fertigung von Automobilkarossen herausgebildet. Um eine sichere und reproduzierbare Realisierung von Punktschweißverbindungen zu gewährleisten, sind Kenntnisse über den Einfluss der jeweils eingesetzten Schweißeinrichtungskonfiguration auf die Prozesssicherheit des Widerstandspunktschweißprozesses von entscheidender Bedeutung. Die wesentliche Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist, den Einfluss der Anlagenkonfiguration beim Widerstandspunktschweißen auf die mechanischen, makrooptischen sowie elektrischen Eigenschaften zu analysieren. Im Betrachtungsfokus steht die Anlagenkonfiguration mit einer modular aufgebauten Widerstandspunktschweißzange mit wechselbaren Komponenten für die Elektrodenkraft- und die Schweißstromerzeugung. Durch die Bestimmung der Schweißbereiche für verschiedene Stahlfeinbleche, wie den mikrolegierten, den restaustenitischen sowie den pressgehärteten Stahl, erfolgt zunächst die Quantifizierung der Prozesssicherheit. Darauf aufbauend wird die quasi-statische Beanspruchung durch die Scherzugfestigkeit sowie die Drehwinkelfestigkeit und die zyklische Beanspruchung für die verschiedenen Stahlfeinbleche ermittelt. Im Ergebnis zeichnet sich für die mechanischen Eigenschaften der Fügeverbindungen in der Regel keine Anlagenkonfiguration besonders aus. Anschließend erfolgt eine makrooptische Analyse der Punktschweißverbindungen. Hierbei zeigt sich, dass bei den metallografischen Bewertungen der Makroschliffe von Punktschweißverbindungen aus Stahlfeinblechen der vier Schweißzangenkonfigurationen im Allgemeinen keine signifikanten Unterschiede vorliegen. Eine weitere Betrachtung erfolgt durch Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen im Halbschnittverfahren. Dabei werden in Abhängigkeit von der Schweißzeit Bilder aus den Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen ausgewählt, sodass die Wärmeeinbringung und die Wärmeverteilung beurteilt werden kann. Die Aufnahmen zeigen, dass sich bei den DC-Konfigurationen eine dicke Schweißlinse bildet, bei den AC-Konfigurationen hingegen eher eine flache. Insbesondere bei Stahlfeinblechen mit Zinkoberflächenveredelung war zu Beginn des Schweißvorganges ein Aufschmelzen bzw. Verbrennen der Zinkoberflächenveredelung zu erkennen. Bei der Analyse der makrooptischen Eigenschaften der Fügeverbindungen verhält sich grundsätzlich keine Anlagenkonfiguration vorteilhafter gegenüber einer anderen. Für die Beurteilung der elektrischen Eigenschaften wird der Primär- und Sekundärkreis der Punktschweißzange für die jeweilige Konfiguration untersucht. Dabei handelt es sich um nichtlineare elektrische Zusammenhänge. Im Primärkreis, bedingt durch die jeweilige Schweißstromart, wird beim AC-Schweißstrom ein Einsacken der Strangspannung gemessen. Hingegen steigen beim DC-Schweißstrom die Strangspitzenspannungen an. Im direkten Vergleich der unterschiedlichen Schweißstromkonfigurationen lässt sich bei gleichem Schweißstrom ein Unterschied von bis zu 20 % der Energieentnahme aus dem Drehstromnetz feststellen. Im Sekundärkreis kann eine Charakterisierung über den Schweißstrom, den zeitabhängigen elektrischen Widerstand sowie die Schweißstrom-Elektrodenspannungskennlinien erfolgen. Das Schweißstrom-Elektrodenspannungskennlinienfeld wird zwischen der unteren Qualitätsgrenze und der oberen Qualitätsgrenze bestehend aus den Kennlinienästen sowie den Kennliniengraden definiert. Hieraus kann der Differenzenquotient IUm der Kennliniengerade ableitet werden. Infolge können Korrelationsuntersuchungen der Differenzenquotienten IUm in Abhängigkeit des Schweißstromes erfolgen. Dabei wird der Nachweis erbracht, dass eine quantitative Bewertung der einzelnen Schweißzangenkonfigurationen mit Hilfe dieser elektrischen Eigenschaften möglich ist. Dagegen weisen die mechanischen und die makrooptischen Eigenschaften keine signifikanten Unterschiede auf.
Resistance spot welding has a long tradition in the manufacturing and is the favourite joining technology at automobile sector today. Over the years different resistance spot welding equipment have emerged for the manufacturing of car bodyworks. For a secure and reproducible implementation of point welding joints, it is of critical importance to have knowledge of the influence of the welding equipment configuration used in each case on the process safety of the resistance spot process. The essential aim of the present work is to analyse the influence of the system configuration during the spot welding on the mechanical, macro-optical as well as electric properties. The main focus is the system configuration consisting of a spot welding electrode holder built up in a modular way with exchangeable components for the production of plug electrode strength as well as welding electric power. Through the determination of the welding ranges for different steel sheets, such as micro alloyed, retained austenite as well as press-hardened steel, the quantification of the process safety occurs first of all. On this basis the quasi-static strain by means of the shearing tensile strength as well as the angle of rotation strength and the cyclical strain for the different steel sheets is determined. In the result no system configuration distinguishes itself especially for the mechanical properties of the matching-connections normally. Subsequently a macro-optical analysis of the point welded joints is carried out. It is proved that in general there are no significant differences in the metallographic evaluations of macro cuts for spot welds of steel sheets of the four welding plier’s configurations. A further consideration takes place through high-speed camera photos using the semi cut technique. In this case images are selected from the high-speed camera photos dependent on the welding time, so that the heat incorporation and the heat distribution can be judged. The photos show that a thick welding lens is formed with the DC-configurations, while on the other hand with the AC-configurations a flat lens is formed. In particular on steel sheets with zinc refinement a melting or burning of the zinc was noticed at the beginning of the welding process. During the analysis of the macro-optical properties of the matching-connections no system configuration performs fundamentally better than the other. For the assessment of the electric properties, the primary and secondary circuit of the spot welding electrode holder is examined for the respective configuration. In this case it is a matter of non-linear electric connections. In the primary circuit, determined by the respective kind of welding current, a bagging of the phase voltage is measured with the AC-Welding current. On the other hand the top phase voltages go up with the DC-Welding current. In the direct comparison of the different welding current configurations a difference of up to 20 % was found in the energy draw-off from the three-phase system using the same welding current. In the secondary circuit a characterization can be determined via the welding current, the time-dependent electric resistance as well as the welding current electrode voltage characteristics. In the welding current electrode voltage characteristic curves definded between the lower quality limit and the upper quality limit, composed of the characteristic branches as well as the characteristic degrees. From this is possible to get difference quotients IUm of the characteristic straight line. Accordingly, correlation studies of the difference quotients IUm in dependence of the welding current can take place. There is evidence demonstrating that a quantitative evaluation of individual welding plier configurations with the aid of these electric properties is possible. In contrast, the mechanical and macro-optical properties do not show any significant differences.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60430
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4596
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4299
Exam Date: 3-Jun-2014
Issue Date: 17-Mar-2015
Date Available: 17-Mar-2015
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Punktschweißen
Schweißzange
Stahlfeinblech
Widerstandspunktschweißen
welding gun
Resistance spot welding
Spot welding
Steel sheet
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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