Anwendung des Kondensatorentladungsschweißens im PKW-Antriebsstrang

Die vorliegende Dissertation untersucht das Potenzial des Kondensatorentladungsschweißens (KE-Schweißen) für Fügeaufgaben im Antriebsstrang eines PKWs. Die Fügeaufgaben umfassen eine Vielzahl von ringförmigen Schweißnähten an rotationssymmetrischen Bauteilen. Um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens für die Herstellung von Antriebsstrangkomponenten zu bewerten und das Anwendungspotential nutzbar zu machen, werden verschiedene Aspekte des KE-Schweißens von Ringnähten untersucht. Ein kombinierter Ansatz aus numerischen Simulationen und experimentellen Messungen ergibt, dass die Portalbauweise der Schweißmaschinen zu einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen dem Schweißprozess und den Stromzuführungen führt. Diese Wechselwirkung führt zu einer Ungleichverteilung der magnetischen Flussdichte entlang des Umfangs der Schweißnaht. Die daraus resultierende Lorentzkraft stört die homogene Stromdichte im Schweißprozess und verhindert eine gleichmäßige Wärmeeinbringung in der Fügeebene. Zusätzlich erzeugt der resultierende magnetische Druck eine Strömung in den schmelzflüssigen Bestandteilen des Schweißwulstes, die von den Seiten der Stromzuführungen abgestoßen werden. Bei Kollision gegenläufiger Schmelze-Ströme an den Seiten der Portalöffnungen wird die Oberflächenspannung gebrochen und makroskopische Schweißspritzer aus der Fügezone herausgeschleudert. Um diese Systematik der Schweißspritzerbildung messtechnisch zu erfassen, wird eine Messmethode mit Photodetektoren vorgestellt. Der beim Schweißen emittierte Photonenstrom wird in ein messbares Spannungssignal umgewandelt, das zur Prozesscharakterisierung genutzt wird. Mittels umfangreicher experimenteller Versuche wird der Einfluss verschiedener Prozesseingangsparameter und Fügegeometrien auf den Schweißprozess untersucht und die maximal erzielbare Nahtbreite beim Schweißen verschiedener Nahtanordnungen ermittelt. Die Prozessgrenze wird durch die Bildung makroskopischer Schweißspritzer definiert. Es wird festgestellt, dass insbesondere kurze Stromanstiegszeiten und geringe Schweißkräfte die erreichbare Nahtbreite und somit die Verfahrensgrenze einschränken. Beim Schweißen von Axialnähten ist zudem die Reaktivität des Nachsetzsystems relevant. Mit numerischen Simulationen wird der Eigenspannungszustand einer KE-Buckelschweißnaht analysiert, wobei Randbereiche der Wärmeeinflusszone mit erhöhtem Eigenspannungszustand identifiziert werden. Durch die Anwendung eines zweiten nachgelagerten Stromdurchflusses (sog. Anlassimpuls) der Fügestelle wird der Eigenspannungszustand reduziert und die Aufhärtung verringert. In mechanischen Prüfungen der geschweißten Proben führt der Anlassimpuls zu einer Erhöhung der quasistatischen Festigkeit, der Verformungsfähigkeit und der Schwingfestigkeit.