Punktschweißen (Spot Welding) erklärt: Prinzip, Prozess & Anwendungen

Was ist Punktschweißen (Resistance Spot Welding – RSW)?

Punktschweißen ist ein Widerstandsschweißverfahren, bei dem zwei oder mehr übereinanderliegende Bleche durch Druck und elektrischen Strom punktförmig verbunden werden. Kein Zusatzwerkstoff, kein Schutzgas. Die Wärme entsteht durch den elektrischen Widerstand im Kontaktbereich der Bleche (Joulesches Wärmegesetz).

Zwei kupferlegierte Elektroden (meist CuCrZr) pressen die Bleche zusammen und leiten den Schweißstrom (typ. 5–20 kA, 50–500 ms). Im Grenzflächenbereich (Faying Surface) ist der elektrische Widerstand am höchsten → maximale Wärme → Schmelze (Wärmekern / Nugget) bildet sich. Nach Stromabschaltung kühlt der Kern unter Druck aus → fester metallischer Verbund.

Physikalische Grundlagen & Wärmeerzeugung

Die Wärmemenge Q im Widerstand:

Q = I² · R · t

I = Schweißstrom (kA), R = elektrischer Widerstand (µΩ) im Kontaktbereich, t = Schweißzeit (Zyklen/ms).

Widerstand R setzt sich zusammen aus:

• Widerstand der Bleche (Volumenwiderstand × Länge / Querschnitt)
• Kontaktwiderstände (Blech-Blech, Blech-Elektrode) – dominierend!
• Konstriktionswiderstand (Stromverengung im Kontaktfleck)

Kupferelektroden: Hohe thermische Leitfähigkeit (λ ≈ 350 W/m·K), niedriger elektrischer Widerstand → Wärme wird in die Bleche geleitet, Elektroden bleiben kühl (Wasserkühlung).

Geeignete Werkstoffe & Besonderheiten

Stahl – der Hauptwerkstoff

• Unlegierte / niedriglegierte Stähle (C < 0,15 %): Sehr gut schweißbar. Standard in der Autoindustrie.
• Höherkohlenstoffhaltig (C > 0,25 % / CEV > 0,4): Martensitbildung im HAZ → Härte, Rissgefahr. Gegenmaßnahmen: Vorwärmen, Impulsstrom (Pulsation), weichere Elektroden, Nachwärme (Tempern).
• Verzinkter Stahl (Zn-beschichtet): Zn schmilzt (420 °C) / siedet (907 °C) vor Fe → Legierung mit Cu-Elektrode → Elektrodenverschleiß (Auflegieren), Poren, Spritzer. Lösungen: Höherer Strom, kürzere Zeit, Elektroden-Dressing (Fräsen), beschichtete Elektroden, Zwischenschritte (Pre-Pulse).
• Edelstahl (austenitisch 1.4301, ferritisch): Höherer Widerstand → weniger Strom nötig. Geringere Wärmeleitfähigkeit → konzentriertere Wärme. Kein Zn-Problem. Gute Schweißbarkeit.
• Nickelbasis / Titan: Gut schweißbar, Parameter anpassen (höherer Widerstand).

Aluminium – die Herausforderung

Al hat hohe Wärmeleitfähigkeit (λ ≈ 200 W/m·K) und niedrigen Widerstand → Strom 2–3× höher als Stahl nötig. Oxydhaut (Al₂O₃, Schmelzpunkt 2072 °C) stört Kontaktwiderstand. Kupfer-Elektroden verschleißen extrem schnell (Legierung Al-Cu). Lösungen: Hochstromquellen (MFDC, Kondensatorentladung), spez. Elektroden (CuW, CuCrZr mit Beschichtung), chemisch/mechanisch entoxiden, kurze Zeiten. Nur Spezialanwendungen (z. B. Audi Space Frame, Tesla Giga Press Umfeld).

Kupfer & Kupferlegierungen

Ähnlich Al: hohe λ, niedriger R. Konventionelle Cu-Elektroden versagen (Wärme in Elektrode). Lösung: Elektroden aus Wolfram (W), Molybdän (Mo), CuW, CuMo – hoher Widerstand, hoher Schmelzpunkt. Anwendung: Kupferleiter, Kabelverbindungen, Stromschienen.

Anwendungsbereiche

• Automobilindustrie (Hauptanwender): Karosserie-in-Weiß (BiW) – 2.000–5.000 Punktschweißungen pro PKW. Hochautomatisiert (Roboterzellen, Punktschweißzangen, Servoguns). Seit > 100 Jahren Standard.
• Weißware / Hausgeräte: Gehäuse, Trommeln, Türinnenbleche.
• Metallmöbel & Regalsysteme: Rohr-/Blechverbindungen.
• Elektrotechnik / Elektronik: Batteriekontakte, Steckverbinder, Leiterplatten-Abschirmungen, Motorkontakte (Micro-Spot-Welding).
• Medizintechnik: Implantate, Gehäuse, Instrumente (Edelstahl, Ti).
• Luftfahrt: Ni-Basislegierungen, Ti-Strukturen (seltener, da Nieten/Kleben dominieren).
• Bauwesen / Stahlbau: Gitterroste, Profilbleche, Sandwichelemente (selten, da Schrauben/Schweißen dominieren).

Varianten des Widerstandsschweißens

• Punktschweißen (Spot): Punktförmige Naht, überlappende Bleche.
• Nahtschweißen (Seam / Roll Spot): Rollenelektroden → überlappende Punkte → dichte Naht (Kraftstofftanks, Behälter, Rohre).
• Buckelschweißen (Projection): Erhebungen (Buckel) auf einem Blech konzentrieren Strom/Wärme → mehrere Punkte gleichzeitig, gleichmäßiger, weniger Elektrodenverschleiß. Muttern, Bolzen, Kreuzverbindungen.
• Stupschweißen (Upset / Butt Welding): Stumpfstoßende Teile werden unter Druck aufgeschweißt (Drähte, Stangen, Kettenglieder).
• Blitzschweißen (Flash Butt): Lichtbogen zwischen den Enden → Aufschmelzen → Upset-Druck. Schienen, Radsterne, Wellen.

Vorteile des Punktschweißens

• Extrem schnell: Einzelpunkt 0,1–0,5 s (inkl. Pressen). Roboter: 30–60 Punkte/min.
• Kein Zusatzwerkstoff, kein Schutzgas, keine Schlacke. Sauber, niedrige Betriebskosten.
• Vollautomatisierbar & prozesssicher: Kraft-Strom-Zeit überwacht, Qualitätsdaten (I, U, F, Verschiebung) aufgezeichnet.
• Geringer Verzug: Lokal begrenzte Wärmeeinbringung.
• Keine offene Flamme / Lichtbogen → sicherer, keine UV-Strahlung.
• Geringe Fachkraftanforderung bei automatisierter Fertigung.
• Hohe Festigkeit: Scherfestigkeit 1–3 kN pro Punkt (je nach Blechdicke, Werkstoff, Kern-Ø).

Nachteile & Limitationen

• Nur Überlappverbindungen (Überlappnaht) – kein Stoß, keine T-/Eckverbindung direkt.
• Blechdicke begrenzt: Optimal 0,5–3,0 mm (pro Lage). Dicke > 3 mm → hoher Strom, langer Zeit, starker Verzug, Elektrodenverschleiß. Verhältnis Dicke1:Dicke2 < 3:1.
• Zugang von beiden Seiten nötig (außer Einseitig-Punktschweißen mit Gegenlektrode / Magnetspule – Spezial).
• Leistungsschwankungen → Qualitätsstreuung (Netzqualität, Kabelquerschnitt, Kontaktwiderstände). MFDC (Mittelfrequenz-DC) löst dies weitgehend.
• Wärmeeinflusszone (HAZ) vorhanden – Gefügeänderung, Härtung (bei härtbaren Stählen), Kerbwirkung am Kernrand.
• Schnittspalt (Kerf) breiter als Laser (nicht trennd, aber Nahtüberlappung sichtbar).
• Nicht für Ag, Cu, Pb, Zn (Reinmetalle) geeignet – zu leitfähig, Elektrodenprobleme.
• Investitionskosten: Roboterzelle 100k–500k €+, MFDC-Stromquelle 20k–50k €.

Qualitätssicherung & Prüfnachweise

• Zerstörend: Scherzugversuch (ISO 14273), Zugscherfestigkeit, Kerndurchmesser messen (Mikroschliff), Biegeversuch (Peel Test).
• Zerstörungsfrei: Ultraschall (Phased Array), Wirbelstrom, Infrarot-Thermografie, Elektrodenkraft-/Verschiebungsmessung (Sigmoidal-Kurve), Prozessmonitoring (I, U, t, F, s) in Echtzeit.
• Normen: ISO 14373 (Qualitätsanforderungen), ISO 17662 (WPQR), DIN EN 1090 (Stahlbau), VDA 239-100 (Auto).

Häufige Fragen (FAQ)

Wie dick kann man punktschweißen?

Standard: 0,5–3 mm pro Blech (Gesamtdicke 1–6 mm). Mit MFDC-Spezialquellen bis 6+ mm pro Lage (z. B. Achsteile, Heißgeformte Bauteile 1500–2000 MPa).

Wie stark ist ein Punktschweißpunkt?

Scherzugfestigkeit: 1,5–4 kN (0,8–1,2 mm Blech, Kern-Ø 4–6 mm). Normforderung (ISO 14373): Kern-Ø ≥ 4·√t (t = dünneres Blech in mm). Zerreißversuch: Nahtversagen im Grundwerkstoff (Zugscherfestigkeit) = Idealfall.

Wechsel- oder Gleichstrom?

Historisch: AC (50 Hz) – robust, günstig, Transformator. Modern: MFDC (Mittelfrequenz-DC, 1000 Hz) – kompakter Transformator, konstanter Strom, keine Nulldurchgänge, präzise Steuerung, weniger Spritzer, geringere Netzbelastung, besser für Al/Edelstahl. Kondensatorentladung (CD) für Al, Cu, Micro-Welding.

Kann man mit MIG punktschweißen?

Ja – MIG-Punktschweißen (Spot MIG): Brenner aufsetzen, Bogen zünden, Zeit steuern, Bogen löschen. Kein Druck, aber Füllmaterial. Für Reparatur, Verstärkung, unzugängliche Stellen. Nicht gleichwertig mit RSW (kein Formschluss durch Druck, andere Festigkeit). Eastwood-Spot-Weld-Kit für Heimanwender.

Was sind typische Fehler?

• Zu kleiner Kern / Kein Kern: Strom zu niedrig, Zeit zu kurz, Druck zu hoch, Kontaktwiderstand zu niedrig (saubere Bleche, falsches Material).
• Ausspritzer (Expulsion): Strom zu hoch / Zeit zu lang / Druck zu niedrig / Spalt zwischen Blechen → Schmelze spritzt raus → Kern verkleinert, Oberfläche beschädigt.
• Elektrodenauflegung: Besonders bei Zn-Blechen → Durchmesser wächst → Stromdichte fällt → Kern schrumpft. Dressing (Fräsen) alle 50–200 Punkte.
• Risse im Kern: Martensit bei härtbaren Stählen → Impulsstrom, Nachwärme.

Wie erkenne ich einen guten Punkt ohne Zerstörung?

Prozessmonitoring: Strom-/Spannungsverlauf, dynamischer Widerstand, Elektrodenverschiebung (Expansion). „Signatur“ eines guten Punkts bekannt → Abweichung = Alarm. Ultraschall-Inline bei kritischen Bauteilen (Sicherheitsbauteile: B-Säule, Schweller).

Was ist der Unterschied zwischen Punktschweißen und Nahtschweißen?

Punktschweißen: diskrete Punkte, getrennte Press-/Stromzyklen. Nahtschweißen: Rollenelektroden, überlappende Punkte → dichtende Naht (Flüssigkeits-/Gasdicht). Gleiches physikalisches Prinzip.

Was ist ein Tack-Weld (Heftpunkt) vs. Spot Weld?

Heftpunkt (Tack): Vorfixierung vor Endschweißen (MIG, WIG, SMAW). Kein definierter Qualitätsnachweis, oft nur mechanisches Halten. Punktschweißen (Spot): Endgültige, tragende Verbindung nach qualifiziertem Verfahren (WPS/WPQR).

Kann man Aluminium auf Stahl punktschweißen?

Nicht direkt per RSW (unterschiedliche Schmelzpunkte, IMC-Bildung Fe-Al → spröde Phasen). Lösungen: Kleben + Nieten (Flow Drill Screwing), mechanische Fügeelemente, Laserschweißen mit Zusatzdraht (Fe/Al-Mischung), Übergangselemente (Al/Stahl-Bimetallblech).