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Schweißen ohne jeglichen Verzug

Elektromagnetische Pulstechnologie
Schweißen ohne jeglichen Verzug

Explosionsartig verschweißen die Fügeteile, ganz ohne Wärmeeintrag: Dies ist das Kennzeichen der Elektromagnetischen Pulstechnologie EMPT von PSTproducts. Mit ihr werden beispielsweise großvolumige Aluminium-Druchbehälter für die Kfz-Klimatechnik effizient gasdicht gefertigt.
Aus Kostengründen entstehen moderne Automotive-Komponenten unter anderem aus stranggepressten Alu-Profilen (auch mit runden Querschnitten), die mit tiefgezogenen Endkappen stoffschlüssig verbunden und damit verschlossen werden. Hier stößt das Schmelzschweißen auf Grenzen. Es liefert oft Instabilitäten und führt zu Nahtdefekten wie Poren und Rissen. Fehler an der Schweißnaht wie Randkerben oder Nahteinfall begrenzen den Einsatz der konventionellen Schweißverfahren ebenfalls. Generell sind sie zu langsam und führen zu einem großen Wärmeeintrag, der Spannung und Verzug zur Folge hat. Daraus können Leckagen und Undichtigkeiten entstehen und zum vorzeitigen, plötzlichen Versagen des Bauteils in der Schweißnaht führen.
Doch auch das Laserschweißen ist nicht unproblematisch. Es muss sehr sorgfältig auf die gewählten Materialpaarungen abgestimmt werden. Zudem entfällt der Vorteil, dass die beim MIG/MAG-Schweißen recht breite Schweißnaht die Rohrtoleranzen kompensiert. Im Gegensatz dazu sind die Anforderungen für die Elektromagnetische Pulstechnologie EMPT weniger einengend, was eine effiziente Produktion möglich macht.
Die EMPT ermöglicht das stoffschlüssige Fügen von metallischen Werkstoffen ohne Einbringen von Wärme und damit ohne die Gefahr der Riss- oder Porenbildung in der Schweißnaht. Da keine Wärmeausdehnungen auftreten, besteht eine große Freiheit in der Wahl der Werkstoffpaarung. Auch Werkstoffe mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten und Wärmeausdehnungskoeffizienten lassen sich stoffschlüssig verbinden. Außerdem verändert das EMPT-Schweißen das Gefüge nicht und erhält so die Festigkeit in der Fügezone. Für EMPT eignen sich duktile und elektrisch leitfähige Metalle, wie sie im automobilen Leichtbau Verwendung finden, etwa Aluminium und Kupfer. Zum Beispiel beim Einsatz der konventionell schwer schweißbaren 6000er-Alulegierungen sorgt der wiederholgenaue EMPT-Schweißprozess für hohe Festigkeit ohne Schweißzusätze.
Weil Druckbehälter und Rohrleitungen zunehmend aus schwer schmelzschweißbaren Legierungen, Mischverbindungen und Leichtmetallen entstehen, wird die EMPT zur ersten Wahl. EMPT-geschweißte Druckbehälter gelten in der Regel als heliumdicht, da sich keine Poren bilden.
Voraussetzung für die Elektromagnetische Pulstechnologie: Das Material ist elektrisch leitfähig. Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert Wirbelströme in elektrisch leitenden Körpern. Auf diese wiederum übt das Magnetfeld eine Kraft aus, deren Stärke vom Gradienten der magnetischen Flussdichte und der Größe der induzierten Ströme abhängt. Da die Impulse sehr kurz sind, wird die Kraft immens groß: Beim EMPT-Prozess beschleunigt der leitende Körper sehr stark und trifft mit hoher Geschwindigkeit auf den anderen Fügepartner. Da es sich um einen explosionsartigen Vorgang handelt, reden die PSTproduct-Experten von einem „Flyer“, der auf das „Target“ zufliegt.
Doppelte Schallgeschwindigkeit lässt die Partikel in der Naht verschweißen
Beim stoffschlüssigen Fügen verschiedener metallischer Werkstoffe treffen die beiden elektrisch leitenden Kontaktpartner mit circa 2-facher Schallgeschwindigkeit aufeinander. Die dadurch verursachten oberflächennahen Deformationen brechen die Oxidschichten auf. Außerdem wird die Luft im Wirkspalt durch diese Vorgänge aus dem Spalt gepresst, was Schmutz und Oxidteilchen aus dem Fügebereich herausbläst und das Verschweißen zweier schmutzfreier Oberflächen erlaubt. Es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Festigkeit innerhalb von einigen zehntel Millisekunden.
Mit EMPT lassen sich verschiedenartige Metalle sicher und reproduzierbar fügen, wenn sie nur eine ausreichende elektrische Induktivität aufweisen. Auch Verbindungen zwischen nichtmetallischen Werkstoffen wie Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen und Metallen sind möglich, wenn diese Bedingung erfüllt ist. Da die EMPT letztlich zu einem Umformvorgang führt, lassen sich Komponenten stoffschlüssig fügen, darüber hinaus aber auch umformen, schneiden und sogar formschlüssig verbinden (zum Beispiel durch Umcrimpen).
Die dazu nötige EMPT-Anlage besteht aus einer Spule, gegebenenfalls einem Feldformer und dem für hohe Ströme notwendigen Pulsgenerator. Der Feldformer homogenisiert das magnetische Feld mehrwindiger Spulen und fokussiert die magnetische Flussdichte auf die Fügezone. Der Einsatz von Feldformern zusammen mit den Spulen reduziert den auf die Spule wirkenden magnetischen Druck, was die Spule schont und deren Standzeit deutlich erhöht. Die Anlagen von PSTproducts garantieren eine Standzeit von bis zu 2 000 000 Pulsen. Durch einen Feldformerwechsel lässt sich die Spule außerdem mit geringem Aufwand an neue Werkstückdurchmesser oder -geometrien anpassen. Ein Wechsel ist in weniger als zwei Minuten erledigt.
Die zur Umformung metallischer Werkstoffe notwendigen magnetischen Drücke liegen im Bereich von bis zu einigen 100 N/mm². Die dazu nötigen gepulsten Ströme reichen von 100 kA bis weit über 1500 kA. Der Pulsgenerator besteht aus einer Kondensatorbatterie, einer Kondensatorladeeinheit und einer entsprechenden Verschaltung. Die Entladefrequenz liegt hier bei 6 bis 60 kHz, was sehr kurze Taktzeiten zulässt.
Die integrierte Prozessüberwachung analysiert und speichert den Stromverlauf jedes Pulses und garantiert so, dass sich der Entladestrom auch bei veränderten Umgebungsbedingungen innerhalb eines spezifizierten Prozessfensters bewegt. Dies vereinfacht das Einbinden der Pulsgeneratoren in vollautomatisierte Produktionslinien sehr stark.
Da die hohen Ströme nur kurzzeitig durch stoßartiges Entladen der Kondensatoren auftreten, ist nur ein 380V/32A-Netzanschluss notwendig, um die Kondensatoren zu laden. Bei EMPT-Anlagen kleiner Leistung reichen sogar haushaltsübliche 230V-Anschlüsse.
Die Stromkosten pro Puls liegen unter einem viertel Cent. Mit der von PSTproducts entwickelten MJo-Spule (Mehrfachfügespule) lassen sich simultan mehrere Bauteile fügen. Der Energiebedarf liegt dabei nur geringfügig über dem einer Einzelfügung. Das vervielfacht den Output pro Zeiteinheit und senkt die Fügekosten drastisch.
Die PSTproducts-Anlagen genügen mit ihrer hohen Verfügbarkeit den heutigen Anforderungen an Industrieanlagen. Sie lassen sich in vollautomatisierte Fertigungslinien implementieren. Die integrierte 100%-Prozessüberwachung garantiert eine hohe Qualität der Schweißnaht. Dazu ist das Verfahren wirtschaftlich effizient und sauber. Einer der größten Pluspunkte: Es lassen sich fast beliebige Materialpaarungen bearbeiten, sofern diese elektrisch leitfähig sind. Das schafft in dieser Qualität kein anderes Verfahren.
Dr. Barbara Stumpp, Fachjournalistin in Freiburg
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 4
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4.2024
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