Bewährte Leistung beim Widerstandsschweißen: Produktionsergebnisse mit AMPCOLOY®-Elektroden

Die Werkstoffauswahl in Schweißumgebungen wird oft erst dann validiert, wenn Leistungseinschränkungen in der Produktion sichtbar werden. Diese Einschränkungen äußern sich in der Regel eher in einem erhöhten Wartungsaufwand, Prozessschwankungen oder einer verminderten Anlagenverfügbarkeit als in einem unmittelbaren Bauteilausfall.

Beim Widerstandsschweißen und in angrenzenden Schweißverfahren schafft das Zusammenspiel von elektrischer Belastung, mechanischer Kraft und thermischer Beanspruchung Bedingungen, unter denen bereits geringe Unterschiede in den Werkstoffeigenschaften zu messbaren Veränderungen im Produktionsverhalten führen. Unterschiede in der Härte beeinflussen die Verformungsbeständigkeit unter Belastung, während die elektrische und thermische Leitfähigkeit bestimmen, wie Wärme in der Kontaktzone erzeugt und abgeführt wird. Das Oberflächenverhalten bestimmt wiederum die Wechselwirkung mit schmelzflüssigem Material und Schweißspritzern.

Dieser Artikel präsentiert gemessene Produktionsergebnisse aus zwei industriellen Schweißumgebungen. Der erste Fall untersucht das Elektrodenverhalten beim Abbrennstumpfschweißen, bei dem Stromstärke und mechanische Belastung die Leistung bestimmen. Der zweite Fall untersucht Vorrichtungskomponenten in einer Roboterschweißzelle, in der thermische Belastung und Schweißspritzeranhaftung den Wartungsaufwand bestimmen. In beiden Fällen führte eine Änderung der Werkstoffeigenschaften zu messbaren Veränderungen hinsichtlich der Wartungshäufigkeit und der Produktionskontinuität. Diese Ergebnisse bieten eine produktionsbasierte Referenz für die Bewertung der Werkstoffauswahl vor der Angebotsanfrage (RFQ).

Einen umfassenderen Überblick über die Rolle hochleitfähiger Legierungen finden Sie in unserem Fachartikel "Leistung und Verschleißmechanismen von hochleitfähigen Legierungen beim Widerstandsschweißen".

Wichtigste Erkenntnisse

• Beim Abbrennstumpfschweißen von Bandsägeblättern reduzierte der Ersatz von CuAl10Ni durch AMPCO® 18 die Häufigkeit der Nachprofilierung um 50 %, bei gleichbleibender Standmenge in Hüben und einer Senkung der Beschaffungskosten (~10 %) sowie der Lagerhaltungskosten (~90 %).
• In robotergestützten Schweißumgebungen führte der Ersatz von Vorrichtungskomponenten aus EN31 durch Auflageblöcke (Mylars) aus AMPCOLOY® dazu, dass während des beobachteten Produktionszeitraums keine Reinigungsvorgänge mehr erforderlich waren, wodurch etwa 40 Minuten pro Tag eingespart und bis zu 325 zusätzliche Schweißaufträge pro Monat ermöglicht wurden.
• Eine erhöhte Härte verringert die Verformung unter mechanischer Belastung, während eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit die Wärmeableitung verbessert und eine temperaturbedingte Erweichung begrenzt.
• Die Oberflächenstabilität kupferbasierter Legierungen begrenzt das Anhaften von Schweißspritzern, wodurch Wartungsmaßnahmen und damit verbundene Ausfallzeiten an Schweißvorrichtungen reduziert werden.
• Die Werkstoffauswahl hat direkten Einfluss auf Wartungsintervalle, Prozessstabilität und Produktionsdurchsatz unter definierten Betriebsbedingungen.

Fallbeispiel 1 – Abbrennstumpfschweißen: Elektrodenleistung unter hoher Belastung

Bei dieser Anwendung handelt es sich um einen in Indien tätigen Hersteller von Bandsägeblättern, der als Tochtergesellschaft eines deutschen Maschinenherstellers Sägelösungen für die Maschinenbauindustrie liefert. Das Unternehmen fertigt Sägeblätter mittels Abbrennstumpfschweißen und unterstützt seine Kunden durch integrierte Engineering- und Serviceleistungen. Zu den Produktionsanforderungen zählen eine gleichbleibende Schweißqualität, kontrollierte Wartungsintervalle und eine stabile Versorgung mit kritischen Schweißkomponenten.In diesem Umfeld werden Elektroden der RWMA-Klasse 5 für das Abbrennstumpfschweißen von Sägeblättern eingesetzt. Diese Elektroden arbeiten unter hohem elektrischem Strom, typischerweise im Bereich von 40–100 kA, kombiniert mit einer erheblichen Spannkraft. Die Elektrode fungiert sowohl als Stromleiter als auch als kraftaufnehmendes Spannelement, was eine stabile Geometrie und ein gleichbleibendes thermisches Verhalten über wiederholte Schweißzyklen hinweg erfordert.Der ursprüngliche Elektrodenwerkstoff war CuAl10Ni, der von der Muttergesellschaft in Deutschland bezogen wurde. Der Werkstoff erfüllte zwar die grundlegenden Leistungsanforderungen, doch stellte das Unternehmen im Zusammenhang mit dessen Einsatz mehrere betriebliche Einschränkungen fest:

• Die Beschaffungsvorlaufzeiten waren lang und nicht fest terminiert.
• Der Lagerbestand musste bei rund 20 Sätzen gehalten werden, um die Produktionskontinuität zu gewährleisten.
• Die Lagerhaltungskosten stiegen aufgrund des importierten Werkstoffs und der damit verbundenen Logistik.
• Alle 4 Tage war eine Nachprofilierung erforderlich, um die Elektrodengeometrie wiederherzustellen.

Die beobachtete Häufigkeit der Nachprofilierung deutet auf eine fortschreitende Verformung der Elektrodenoberfläche unter kombinierter thermischer und mechanischer Belastung hin. Veränderungen der Kontaktgeometrie im Laufe der Zeit beeinflussen die Stromdichteverteilung und erfordern regelmäßige Eingriffe, um stabile Schweißbedingungen aufrechtzuerhalten.

Um sowohl die Leistungs- als auch die Lieferkettenprobleme zu beheben, wurde eine Werkstoffsubstitution mit AMPCO® 18 durchgeführt, das ebenfalls der RWMA-Klasse 5 zugeordnet ist. Dieser Werkstoff bietet ein verändertes Gleichgewicht zwischen mechanischen und thermischen Eigenschaften, mit einer Härte von 192 HBW, einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 12 % IACS und einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 63 W/m·K.

 Diese Eigenschaften stellen messbare Veränderungen im Vergleich zum Ausgangswerkstoff dar:

• Die Härte stieg von 160 HBW auf 192 HBW.
• Die elektrische Leitfähigkeit stieg von 8 % auf 12 % IACS.
• Die Wärmeleitfähigkeit stieg von rund 36 auf 63 W/m·K.

Diese Veränderungen wirken sich direkt auf das Verformungsverhalten und die Wärmeübertragung an der Elektrodengrenzfläche während des Schweißvorgangs aus.

Gemessene Produktionsergebnisse

Die Verlängerung des Intervalls für die Nachprofilierung von 4 auf 6 Tage spiegelt wider, wie die Elektrode während des Betriebs auf kombinierte thermische und mechanische Belastungen reagiert. Dank der höheren Härte und der verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften behält die Elektrode ihre Kontaktgeometrie über wiederholte Zyklen hinweg deutlich konstanter bei, wodurch sich die Verformungsrate verringert.

Diese Veränderung beeinflusst nicht die Gesamtlebensdauer in Hüben, die weiterhin bei rund 18.000 Hüben liegt. Der Unterschied liegt in der zeitlichen Verteilung des Verschleißes: Der Abbau schreitet langsamer und kontrollierter voran, sodass die Elektrode über längere Zeiträume zwischen den Wartungseingriffen innerhalb der zulässigen Geometrietoleranzen arbeitet.

Gleichzeitig verringert das verbesserte thermische Verhalten die Dauer und Intensität der Temperaturbelastung an der Kontaktfläche. Dies unterstützt den Erhalt der mechanischen Festigkeit während des Betriebs und trägt über den gesamten Schweißzyklus hinweg zur Stabilität der Kontaktbedingungen bei.

Diese Effekte gehen über die reine Elektrodenleistung hinaus. Die erhöhte Vorhersehbarkeit der Wartungsintervalle ermöglicht eine Ausrichtung der Beschaffungs- und Bestandsplanung am tatsächlichen Verbrauch. Durch definierte Lieferpläne und eine geringere Schwankung beim Elektrodenverbrauch konnte der erforderliche Lagerbestand von 20 auf 2 Sätze gesenkt werden, was die Lagerhaltungskosten reduziert und das Lieferkettenmanagement vereinfacht.

Das Ergebnis ist ein stabileres Produktionssystem, in dem sich Elektrodenverhalten, Wartungsplanung und Versorgungslogistik bei unveränderten Schweißparametern in einem definierten und vorhersagbaren Rahmen bewegen.

Fallbeispiel 2 – Roboterschweißvorrichtung: Oberflächenstabilität und Schweißspritzerverhaltenn

 Jay Bharat Maruti Ltd., ein Tier-1-Zulieferer von Maruti Suzuki India Ltd., fertigt Automobilkomponenten, darunter Rohbaustrukturen (Body-in-White, BIW), Fahrwerkssysteme und sicherheitsrelevante Baugruppen. Das Produktionswerk in Gurugram, Haryana, betreibt hochautomatisierte Roboterschweißlinien, die auf eine konstante Großserienfertigung ausgelegt sind.In einer der robotergestützten MIG-Schweißzellen zur Fertigung von Querträgern waren Auflageblöcke der Spannvorrichtung (sogenannte Mylars) in unmittelbarer Nähe zur Schweißzone positioniert. Diese Komponenten sind dafür verantwortlich, die Bauteilpositionierung und Maßhaltigkeit während des gesamten Schweißzyklus sicherzustellen. Ihre Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst unmittelbar die Prozessstabilität und Wiederholgenauigkeit.Die Schweißstation wurde unter den folgenden Betriebsbedingungen eingesetzt:

• Schweißverfahren: Robotergestütztes MIG-Schweißen
• Produktionsrate: 150 Teile/Schicht (300 Teile/Tag)
• Zykluszeit: 192 Sekunden pro Teil
• Gesamtschweißnahtlänge: ~700 mm pro Bauteil
• Schweißdraht: 1,2 mm ER70C-6M

Unter diesen Bedingungen kam es während des Schweißens zu einer erheblichen Schweißspritzerbildung. Auf den Auflageflächen des bisherigen Vorrichtungswerkstoffs – vergüteter und brünierter EN31-Stahl – lagerten sich rasch Schweißspritzer ab. Diese Anhaftungen veränderten die Kontaktbedingungen zwischen Bauteil und Vorrichtung, beeinträchtigten die Positioniergenauigkeit und erforderten häufige Reinigungsarbeiten.Reinigungsvorgänge waren etwa alle 3 bis 4 Produktionszyklen erforderlich, wobei jeder Reinigungsvorgang rund 2 Minuten in Anspruch nahm. Zusätzlich wurde am Ende jeder Schicht eine umfassende Grundreinigung durchgeführt, die einen manuellen Eingriff von 15 bis 20 Minuten mittels Meißeln und mechanischen Entfernungsverfahren erforderte.Dies führte zu folgenden Auswirkungen:

• Rund 20 Reinigungszyklen pro Schicht
• Mindestens 20 Minuten Reinigungszeit pro Schicht, zuzüglich 10–20 Minuten am Schichtende
• Fortschreitende Oberflächenbeschädigung der Auflageblöcke durch die mechanische Reinigung
• Erhöhter Wartungsaufwand und kürzere Austauschintervalle

Die beobachtete Einschränkung war nicht auf mechanische Belastung oder Verformung zurückzuführen, sondern auf die Oberflächenwechselwirkung mit schmelzflüssigen Schweißspritzern und die thermische Belastung, was den Wartungsaufwand erhöhte und die verfügbare Produktionszeit verringerte.Um dieses Problem zu beheben, wurde AMPCOLOY® Mylar, eine hochleitfähige Kupferlegierung, als Ersatzwerkstoff eingeführt. Der Werkstoff wurde aufgrund seines thermischen Verhaltens und seiner Oberflächenstabilität unter Schweißbedingungen ausgewählt, sodass er nahe am Lichtbogen positioniert werden kann, ohne dass Beschichtungen oder Trennmittel (Anti-Spritzer-Sprays) erforderlich sind.

Measured Production Results

Der vollständige Wegfall der Reinigungsvorgänge wurde über einen einmonatigen Testzeitraum unter stabilen Produktionsbedingungen beobachtet.

Diese Leistungssteigerung hängt mit dem Zusammenspiel von thermischem Verhalten und Oberflächenbeschaffenheit zusammen. Die höhere Wärmeleitfähigkeit der kupferbasierten Legierung reduziert die lokale Wärmekonzentration an der Grenzfläche der Vorrichtung und begrenzt so die Neigung schmelzflüssiger Schweißspritzer, anzuhaften und sich aufzubauen.

Der Werkstoff behält während des gesamten Betriebs eine stabile Oberflächenbeschaffenheit bei und funktioniert ohne Beschichtungen, Trennmittel oder wiederholte Reinigungen. Das Ausbleiben von Spritzeranhaftungen erhält die Geometrie der Auflagefläche, gewährleistet eine konstante Bauteilpositionierung und eliminiert Abweichungen, die durch Oberflächenverschleiß entstehen.

Das gemessene Ergebnis ist eine direkte Umwandlung von Wartungszeit in produktive Fertigungszeit. Der Wegfall der Reinigungszyklen erhöht die Anlagenverfügbarkeit und ermöglicht eine höhere Ausbringung bei unveränderten Betriebsparametern.

Was diese Ergebnisse in der Produktion belegen

Die beiden Fallbeispiele stehen für unterschiedliche Betriebsbedingungen, bei denen jeweils andere dominante Mechanismen die Leistung beeinflussen. Beim Abbrennstumpfschweißen bestimmt die Verformung unter Last in Kombination mit thermischer Belastung das Elektrodenverhalten. Bei Roboterschweißvorrichtungen bestimmt die Oberflächenwechselwirkung mit schmelzflüssigem Material den Wartungsaufwand.

In beiden Umgebungen bestimmen die Werkstoffeigenschaften, wie sich der Verschleiß im Betrieb entwickelt:

• Die Härte beeinflusst die Geschwindigkeit der Geometrieveränderung unter Belastung.

• Die elektrische und thermische Leitfähigkeit bestimmen, wie Wärme verteilt und abgeführt wird.

• Die Oberflächeneigenschaften definieren die Wechselwirkung mit schmelzflüssigem Material und Schweißspritzern.

Diese werkstoffbedingten Effekte wirken innerhalb fest definierter Schweißparameter. Stromstärke, Kraft und Zykluszeit bleiben unverändert, während das Werkstoffverhalten bestimmt, wie sich diese Bedingungen über wiederholte Zyklen hinweg entwickeln.

Die gemessenen Ergebnisse zeigen, dass sich Leistungsfähigkeit in Wartungsintervallen und Prozesskontinuität ausdrückt. Verlängerte Nachprofilierungsintervalle und der Wegfall von Reinigungszyklen belegen, dass Geometrie, thermisches Verhalten und Oberflächenbeschaffenheit über längere Betriebszeiträume stabil bleiben.

Die Werkstoffauswahl bestimmt somit die Geschwindigkeit, mit der sich Elektrodengeometrie, Temperaturverteilung und Oberflächenbeschaffenheit in der Produktion verändern. Diese Rate legt direkt fest, wie häufig Eingriffe erforderlich sind, um einen stabilen und kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Vom Praxisnachweis zur technischen Entscheidung

Produktionsdaten wie diese bieten eine direkte Grundlage für die Bewertung der Werkstoffauswahl in vergleichbaren Fertigungsumgebungen. Wenn die Wartungshäufigkeit zunimmt oder Prozessbedingungen bei stabilen Betriebsparametern driften, wird das Werkstoffverhalten zum entscheidenden Leistungsfaktor.

Nachprofilierungsintervalle, Reinigungshäufigkeit und thermische Stabilität spiegeln wider, wie Werkstoffeigenschaften mit Stromstärke, Kraft und Umgebungsbedingungen interagieren. Ändern sich diese Indikatoren, entspricht die Reaktion des eingesetzten Werkstoffs nicht mehr den Anforderungen der Betriebsumgebung.

Unter solchen Bedingungen behebt eine bloße Anpassung der Prozessparameter nicht die Ursache der Schwankungen. Die Werkstoffsubstitution wird zu einem gezielten technischen Schritt.

Die folgenden Werkstoffkennwerte sind repräsentativ für die Eigenschaftsbereiche in den beiden Anwendungen:

Für die Entscheidungsfindung besteht der entscheidende Schritt darin, diese Eigenschaften auf die dominante Einschränkung der jeweiligen Anwendung abzustimmen. Wenn die Wartungshäufigkeit bei stabilen Schweißparametern zunimmt, definiert das Werkstoffverhalten die Betriebsgrenze des Prozesses. In solchen Fällen sollte die Werkstoffauswahl im Hinblick auf Härte, Leitfähigkeit und Oberflächenverhalten im Verhältnis zum beobachteten Verschleißmechanismus bewertet werden.

Die vorgestellten Praxisbeispiele zeigen, dass eine gezielte Anpassung dieser Eigenschaften den zeitlichen Verlauf von Verschleiß und Materialabbau verändert, was sich unmittelbar auf die Wartungsplanung und Produktionskontinuität auswirkt. Die Entscheidung für eine Werkstoffsubstitution basiert daher darauf, ob der aktuell eingesetzte Werkstoff Geometrie, thermische Stabilität und Oberflächenbeschaffenheit innerhalb des erforderlichen Betriebsintervalls aufrechterhält.

Besprechen Sie Ihre Anwendung mit AMPCO METAL

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Elektroden- und Schweißlinienwerkstoffen unter Ihren spezifischen Produktionsbedingungen prüft das technische Team von AMPCO METAL gerne Ihre Schweißparameter, Grundwerkstoffe und aktuellen Bauteilspezifikationen.

Eine anwendungsspezifische Beratung ermöglicht es, die Werkstoffeigenschaften exakt auf Ihre Betriebsbedingungen abzustimmen, und unterstützt Sie bei der Auswahlentscheidung sowie der Umsetzungsplanung in Ihrer Fertigungsumgebung. Kontaktieren Sie uns über das untenstehende Formular.