Bolzenschweißen – Varianten und Automation

Bolzenschweißen gehört zu den Lichtbogenschweißverfahren und dient dazu, Bauteile aus Metall wie Bleche, Profile und Rohre unter Druckeinwirkung dauerhaft mit Gewindebolzen, Stiften, Haken, Buchsen und ähnlichen Komponenten zu verbinden. Das Verfahren hat zahlreiche Vorteile. Unter anderem lässt es sich automatisieren und wird dadurch besonders effizient. In der Metallindustrie wird es jeden Tag millionenfach genutzt.

Autor: Thomas W. Frick, 01.10.2019, Thema: Emissionsfreies Fahren

Gegenüber anderen Schweißverfahren und Befestigungen mittels Kleben, Nieten oder Clinchen ragt das Bolzenschweißen durch die unkomplizierte Handhabung der Technologie sowie konstruktive und wirtschaftliche Vorzüge hervor. Es gibt dabei zwei Methoden: die Spitzenzündung und die Hubzündung. Im Grundsatz sind sie identisch und unterscheiden sich lediglich in der Art und Weise der Lichtbogenzündung.

Die Funktionsweise

bolzenZwischen einer Bolzenstirnseite und dem zu verbindenden Bauteil wird mittels Schweißkopf oder -pistole ein Lichtbogen gezündet. Dieser schmilzt die betroffenen Flächen der Fügepartner leicht an. Danach werden sie mit leichtem Druck gegeneinander gepresst. Insgesamt dauert der Prozess meist weniger als eine Sekunde.

Als Querschnitt für die Bolzen kommen sowohl runde, als auch rechteckige Geometrien zum Zuge, die zu einem großen Teil nach DIN EN ISO 13918 genormt sind. Allerdings gibt es je nach Art der Branche sehr viele Schweißelemente, die spezifischen Anforderungen von Kunden- und Werksnormen entsprechen.

Das Verfahren

Beim Bolzenschweißen werden die beiden Fertigungsverfahren der Spitzenzündung und der Hubzündung angewandt. Bei ersterer weist die Unterseite des Bolzens eine Spitze auf. Das Element wird in den Bolzenhalter gesteckt und auf das zu verarbeitende Werkstück aufgesetzt. Bei der Zündung des Lichtbogens an der Spitze werden Bolzenunterseite und Grundmaterial angeschmolzen. Trifft der Bolzen auf das Werkstück und taucht in das Schweißbad ein, erlischt der Lichtbogen. Anschließend sind nach dem Erkalten beide Elemente fest miteinander verbunden. Diese vielseitig einsetzbare Methode kommt zum Beispiel in der Elektroindustrie, im Gehäuse-, Apparate- und Fassadenbau zum Einsatz.

Hubzündung - Spitzenzündung

Die Hubzündung beruht auf einem direkten Kontakt von Werkstück und Bolzen. Nach der Einführung des Schweißelements in den Bolzenhalter wird Strom zugeschaltet. Ein Hubmagnet hebt den Bolzen etwas an und zündet dann den Lichtbogen, so dass beide Komponenten angeschmolzen werden. Dadurch taucht der Bolzen in das Schweißbad ein und bildet nach dem Erkalten eine feste Verbindung mit dem Werkstück. Häufige Verwendung findet diese Methode im Stahl-, Maschinen-, Kessel- und Schiffsbau.

Für beide Verfahren sind elektrisch leitfähige Materialoberflächen erforderlich, das heißt, Lack, Rost oder Zunder müssen vor dem Schweißen beseitigt werden. Verzinkte Bauteile sind vor der Anwendung auf ihre Verschweißmöglichkeit hin zu prüfen.

Überzeugende Festigkeit der Verbindungen

bolzen-verbindungNach Erstarren des Materials ist die Bolzenstirnseite vollflächig mit dem Bauteil verbunden, so dass eine hohe Festigkeit gegeben ist. Da beim Bolzenschweißen keine Löcher und keine Undichtigkeiten entstehen, wird das Werkstück weder geschwächt, noch ergeben sich Probleme mit Korrosion an der Schweißstelle.

Eine fachgerechte Ausführung mit vollflächiger Verbindung von Bolzenstirnseite und Bauteil gewährleistet eine Festigkeit, die statisch höher belastbar ist als die des Bolzens und des Werkstücks. Ein eventueller Bruch am verschweißten Bauteil kann also nur außerhalb der Schweißzone auftreten.

Geeignete Materialien

Grundsätzlich sollten immer gleichartige Materialien zum Schweißen eingesetzt werden. Für das Bolzenschweißverfahren werden besonders nicht rostende Stähle und Baustähle, metallbeschichtete oder verzinkte Bleche sowie Aluminium, Kupfer und Messing eingesetzt. Das Verfahren mit Spitzenzündung eignet sich besonders für dünne Bleche ab 0,5 mm Stärke und Bolzendurchmesser von 2 bis 3 mm bis 8 mm (also M2 bis M8). Der Schweißvorgang dauert etwa 1 ms bis 3 ms. Dickere Bleche ab 2 mm und Bolzen mit Durchmessern von 2-6 mm bis hin zu 25 mm werden mittels Hubzündungsverfahren verbunden. Der Vorgang benötigt etwa 5 ms bis 100 ms bei der Kurzzeithubzündung oder 100 ms bis 1s oder 1,5 s bei der normalen Hubzündung.

Automation als grundlegender Vorteil des Bolzenschweißens

BolzenschweißenEine stationäre Bolzenschweißanlage mit automatischer Bolzenzuführung bringt gegenüber einer manuellen Arbeitsweise drei entscheidende Vorteile, die einerseits die Kosten reduzieren und andererseits für eine höhere Produktqualität sowie eine Steigerung der Prozessreproduzierbarkeit sorgen. Die Automation führt dazu, dass das herkömmliche Bolzenschweißverfahren also noch wirtschaftlicher gemacht werden kann. Ob sie die Möglichkeiten zu einer Optimierung für Ihr Unternehmen nutzen können, sollte anhand dieses Beitrags über automatisiertes Bolzenschweißen für Sie ersichtlich werden.

Gegenüberstellung der Auswahlkriterien

Die Festigkeit und Prozessreproduzierbarkeit der Verbindungen ist bei manueller Bolzenzuführung und mit einer Handschweißpistole stark abhängig von den Fähigkeiten des bedienenden Schweißers. Eine stationäre Anlage bietet hingegen durch ihren technischen Aufbau konstante Bedingungen.

Ähnliches gilt für die Toleranzen. In Handarbeit ist höchste Genauigkeit nicht möglich. Bei der Arbeit mit Schablonen ergeben sich Differenzen von min. +/- 0,5 mm. Durch die Automatisierung wird eine hohe Wiederholgenauigkeit gewährleistet und die Positionsgenauigkeit liegt bei min. +/- 0,25 mm.

Das Investitionsvolumen für eine automatische, stationäre Anlage ist natürlich höher als für manuelle Werkzeuge. Dies wird aber relativ schnell durch größere Stückzahlen amortisiert (Handarbeit bis ca. 2.000 Stück, Maschine ab ca. 5.000 Stück).

Spezifikation der Merkmale einer Automationsanlage

Neben den zuvor genannten Kriterien sind für eine automatische Anlage kundenspezifische Merkmale zu definieren, um möglichst effiziente Resultate zu erzielen. Dazu gehören:

– die Bolzenabmessungen und -geometrien
– die Zahl unterschiedlicher Bolzen (bezogen auf Abmessungen und Werkstoffe)
– die Anzahl verschiedener Bauteile (bezogen auf Abmessungen und Störkonturen)
– die Verfahrensgeschwindigkeiten
– die Positions- und Wiederholgenauigkeit
– die erforderliche Maschinensicherheit (Lärmschutz, Einhausung)
– sonstige Anforderungen an den Arbeitsplatz und den Bedienkomfort

Fazit

Die beschriebenen Fakten und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten – verbunden vor allem mit der Möglichkeit der Automatisierung – machen das Bolzenschweißverfahren zu einer interessanten Alternative gegenüber anderen Schweißverfahren und Fügetechniken in der metallverarbeitenden Industrie, besonders wenn es um die Produktion großer Stückzahlen geht.

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