Kraftmesstechnik in ihrer ganzen Vielfalt
Kraftmessung in Schweißprozessen
– zur Verbesserung der Schweißverbindungen
Das Schweißen zählt in der Industrie zu den wichtigsten Fügeverfahren zur dauerhaften Verbindung von Werkstücken – sowohl bei Metallen als auch bei Thermoplasten (Kunststoffen).
Bei den sogenannten Pressschweißverfahren spielt die aufgebrachte Kraft während des Fügeprozesses (Aneinanderpressens) eine entscheidende Rolle für die Qualität und Zuverlässigkeit der Schweißnaht. Im Unterschied zu den sogenannten Schmelzschweißverfahren ist hier nicht nur die Temperatur, sondern vor allem die präzise Dosierung der Kraft ein wichtiger Parameter. Eine kontinuierliche Kraftmessung trägt wesentlich dazu bei, die Sicherheit des Prozesses zu erhöhen und die Qualität der geschweißten Verbindung zu gewährleisten.
Verschweißt werden beispielsweise:
- Karosserie- und Fahrzeugteile
- Verpackungen
- Rohre
- Textilien
- Büroartikel
- Sportartikel
Schweißverfahren
Bei den Pressschweißverfahren werden unter anderem, folgende Verfahrensvarianten unterschieden, in denen die Fügekräfte mit Hilfe von Kraftaufnehmern überwacht und geregelt werden:
Widerstandspunktschweißen
Typische Anwendung in der Automobilindustrie mit C- oder X-Zangen für z. B. Karosserieteile. Bleche werden an den Berührungspunkten durch elektrischen Strom und gleichzeitig aufgebrachten Druck verschweißt. Der Stromfluss erzeugt Wärme an der Kontaktstelle und der Druck sorgt für die Verbindung.
Stumpfschweißen
Werkstücke werden plan gegeneinander gedrückt, durch elektrische Erwärmung auf Schweißtemperatur gebracht und dann unter Druck verbunden. So entsteht eine gleichmäßige, vollflächige Verbindung.
Heizelement-Stumpfschweißen
Die Enden von z. B. Kunststoffrohren werden gegen ein beheiztes Element gedrückt, angeschmolzen, das Heizelement entfernt und die Enden unter Druck zusammengefügt.
Ultraschallschweißen
Einsatz z. B. in der Elektronik oder Medizintechnik für feine und empfindliche Bauteile. Beim Ultraschallschweißen erzeugen hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) Reibung an der Fügestelle. Bei gleichzeitigem Druck entsteht eine feste Verbindung.
Reibschweißen
Die zu verbindenden Teile rotieren oder oszillieren gegeneinander, wobei durch die Reibung Wärme entsteht. Nach Erreichen der Schweißtemperatur wird durch hohen Druck die Verbindung hergestellt.
Buckelschweißen
Hier werden Buckel oder Erhebungen auf den Bauteilen eingeprägt, die als Schweißpunkte dienen. Unter Einwirkung von Strom und Druck schmelzen diese, wodurch die Bauteile fest miteinander verbunden werden.
Laserschweißen
Beim Laserschweißen schmilzt ein hochfokussierter Laserstrahl das Material an der Fügestelle.
Kraftmessung im Schweißprozess
– präzise und zuverlässig mit DMS-basierten Kraftsensoren
Die Qualität einer Schweißverbindung hängt im Wesentlichen von drei Parametern ab:
- der Kraft, mit der die Bauteile aneinandergepresst werden
- der Stärke des Schweißstromes
- des Zeitraums, in dem Schweißstrom anliegt
Mit dem zunehmenden Einsatz von Servoantrieben anstelle pneumatischer oder hydraulischer Systeme in modernen Schweißanlagen entfällt die bisher übliche Druckmessung zur Erfassung der Kraft. Servoantrieben bieten zahlreiche Vorteile: Sie sind deutlich wartungsärmer und serviceanfällig, arbeiten präziser und verbrauchen weniger Energie.
Durch die Integration von Kraftsensoren direkt am Servoantrieb lässt sich die Anpresskraft beim Fügen der Werkstücke exakt erfassen und der Schweißprozess aktiv regeln. Dies ermöglicht eine konstante, hohe Verbindungsqualität.
DMS-basierte Kraftsensoren von Primosensor sind hierfür perfekt geeignet. Sie sind speziell für den Einsatz in Schweißmaschinen und Schweißanlagen in Verbindung mit Servoantrieben konzipiert.
Standardausgangssignale unserer Sensoren sind:
- 4…20 mA (2- und 3-Leiter)
- Redundant mit 2 x 4…20 mA
- 0…10 V
- +/-10 V
- mV/V
- CANopen
Vorteile gegenüber piezoelektrischen Sensoren
Im Vergleich zu den in Schweißverfahren ebenso verwendeten piezoelektrischen Sensoren bieten DMS-basierte Systeme unter anderem folgende Vorteile:
- deutlich günstiger in der Anschaffung und im Betrieb
- technisch vorteilhafter bei statischen und quasistatischen Prozessen, durch eine vernachlässigbare Nullpunktdrift
- kein manuelles „Nullen“ vor jeder Messung erforderlich
Typische Kraftsensor-Geometrien in Schweißanlagen- und Maschinen
In Schweißanlagen, Schweißmaschinen und Schweißrobotern kommen je nach Anwendung verschiedene Kraftsensor-Typen zum Einsatz. Zu den gängigsten Bauformen zählen:
- Druckkraftaufnehmer (Kraftmessdosen)
- Zug-/Druckkraftaufnehmer
- Ringkraftaufnehmer
- Doppelscherstäbe
- Messachsen (Lastmessbolzen)
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