KE-Punktschweissgerät

• Zweck ist Nickelbänder an Akkus zu schweissen
• Ausgangspunkt: Energie von min. 100 J
• Wahlparameter: Spannung U, Kapazität C, also 12 V, 1,5 F .... 50 V 0,1 F
• MOS-Fet als Schalter.

Schalterdimensionierung:

Strom

Unter Annahme der Begrenzung der Widerstände, also ca 5 mOhm für Innenwiderstand für Kondensator +Leitungen +Schalter +Kontakte ergibt also bei 50 V ca. 10 kA. Der Schalter muss das nicht als Dauerlast können. Bei Schweissungen im Sekundentakt ist das Einschaltverhältnis ~1:100000, Also genügend Zeit zur Abkühlung der Siliziums, man kann von 25 °C ausgehen. Die MOS-Fet Reihe IRF bietet ein paar interessante Typen für 55..75 V mit 75…270 A Belastbarkeit. Das wirtschaftliche Optimum zur Erreichung eines niedrigen Innenwiderstandes ist IRFB3077, der 210 A kann bei 3 mOhm Ri. 12 Stück kosten knapp 20 EUR und können nominell 2,5 kA.

Die 12 MOS-Fets haben zusammen eine beachtliche Eingangskapazität. Nahe 0 V habe ich ca. 220 nF gemessen. Der Innenwiderstand der Treiberschaltung muss also entsprechend niedrig sein, damit der Schaltvorgang schnell ist. Das ist notwendig, da nur im Schaltbetrieb diese Fets einfach parallel geschaltet werden dürfen. Da der Treiber hier einfach ein mechanischer ist mit dem die 48 V des Ladekondensators auf das Gate gelegt werden, muss die Spannung mit einer Zehnerdiode auf 18 V begrenzt werden, deshalb muss ein Vorwiderstand den Strom für diese Diode auf sichere Werte begrenzen. Dies alleine schaltet aber ncht schnell genug, weshab dem Widerstand noch ein Kondensator parallel geschaltet wird.

Kondensatoren

Bei 12 V wäre der wirtschaftlichste Kondensator ein 2 F für Auto-HiFi. Leider gibt es dafür keine brauchbaren Datenblätter, so, dass nicht abgeschätzt werden kann, wie geeignet die wirkich sind. Für höhere Spannungen bieten sich andere LowR Elkos an. Jamicon hat hier 6800 uF Typen die sehr günstig zu haben sind. Mit 15 Stück hat man 0,1 mF, die kosten dann ca. 20 EUR.

Elektroden

Das Material der Wahl ist laut Literatur Kupfer, für das Schweissen von Stahl, Nickel etc. Wolfram funktioniert hier sehr schlecht, es gibt ausschliesslich Spritzer und Brandlöcher. Da die Elektroden verschleissen müssen sie also wechselbar sein. Deshalb sind diese aus Standard 4 mm² Kabel gemacht, leicht zu beschaffen und günstig. Die Klemmhalterung für diese Drähte muss diese mit grossem Druck und grosser Fläche einfassen, im nicht nur guten Kontakt zu gewährleisten sondern auch die Kraftübertragung auf die Werkstücke. Die Drähte müssen etwas angespitzt werden so dass eine rundliche oder flache Spitze mit ca 1 mm Durchmesser entsteht. Für grössere Flächen ist die Energie nicht ausreichend, kleinere Flächen führen sofort zum Abbrand. Eine Elektrode hat einen Schalter zum Starten.

Schweissvorgang

Wichtig ist eine kräftige Kraft auf die Elektroden und Werkstücke. Zu geringe Kraft oder auch Verschmutzungen, Oxydschichten etc führen sehr lautstark zu Brandlöchern und Spritzern. Der Schweissvorgang funktioniert nur, weil die Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. Bei Eisen und Nickel sind das 6E-3/K, also bei ~500 °C ist der Wert also schon verdreifacht. Der Schweisstrom erwärmt die Schweissstelle anfangs stark weil der Entladestrom in wenigen µs ein Maximum erreicht. In dieser Anfangsphase ist der Wirkungsgrad sehr schlecht, ein Grossteil der Energie geht in innere Verluste der Kondensatoren und Kabel. Mit steigender Temperatur wird aber der Widerstand der Schweisstelle grösser, damit wir mehr Leistung jetzt hier umgesetzt und der Temperaturanstieg wird beschleunigt.

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