Punktschweißgerät

Ein Punktschweißgerät (eng. Spot welder) wird zum Verbinden zweier Metallplatten verwendet. Um die beiden Platten miteinander zu verbinden wird über zwei Elektroden, die auf die obere Platte gepresst werden Strom zugeführt. Die beiden Werkstücke verschmelzen an den beiden Punkten wo die Elektroden aufliegen durch die Widerstandserwärmung des Stromflusses. Da bei dünnen Werkstücken nur für eine sehr kurze Zeit Strom fließen muss, erwärmt sich das Werkstück sehr punktuell unter den Elektroden und erhitzt sich insgesamt kaum.

Wegen dieser schonenden Art ist ein Punktschweißgerät gut geeignet um Metallplatten zu verbinden, die teilweise beschichtet oder auf sonstige Weise mit Dingen verbunden sind, die keinen hohen Temperaturen standhalten können. Daher wird dieses Verfahren oft beim Verbinden von Lithium-Ionen Zellen verwendet, da beim alternativen Löten die Akkus beschädigt werden und an Kapazität verlieren können.

Vorgehensweise bei dem Verbinden von Lithium-Ionen Zellen:

  • Alle Zellen werden mit Abstandshaltern verbunden. Diese dienen dazu, alle Zellen in gleichem Abstand zueinander in Position zu halten und dem Akku-Pack Stabilität zu geben.
  • Nun werden für alle Verbindungen Metallstreifen passender Länge zugeschnitten.
  • Um beide Zellen miteinander zu verbinden wird der Metallstreifen auf die Zellen gelegt und die beiden Elektroden mit etwas Kraft (5-10 N) auf die Zelle gedrückt. Nun kann ein Puls, also ein kurzer Stromfluss, ausgelöst werden.
  • Nach dem Puls können die Elektroden abgenommen werden.

Empfehlungen und Fehler:

  • Sollten während des Pulses viele Funken entstehen und/oder nach dem Puls ein Loch im Metallstreifen oder dem Akku entstehen kann das zwei Ursachen haben.
    • Zum einen kann es sein, dass die Elektroden nicht mit genügend Druck auf den Akku gepresst worden sind und so der Widerstand zwischen den Elektroden und er Metallplatte sehr groß war. Das kann zu Folge haben, dass sich diese Stelle besonders stark aufheizt und sogar zu Schäden an dem Metallstreifen oder dem Akku führen.
    • Zum anderen kann es sein das die Dauer des Pulses zu lange war und sich das Werkstück deshalb zu sehr erhitzt hat.
  • Pulsdauer:
    • Die Pulsdauer, also die Zeit in der Strom fließt, ist direkt dafür verantwortlich wieviel Hitze entsteht und wie gut sich die beiden Metallplatten verbinden.
    • Es empfiehlt sich zwei Pulse zu verwenden. Einen Ersten, der dafür sorgt das die Elektroden und das Werkstück gut verbunden sind, dann ca. 50 ms Pause. Der zweite Puls verbindet dann die beiden Stücke endgültig. Als Pulsdauer hat sich für mich persönlich 30 ms als Optimum erwiesen.
  • Auch lohnt es sich pro Verbindung zwei Punktschweißungen zu machen, da die Verbindung zum einen stabiler wird und zum anderen mehr Kontakt zwischen Akku und Metallstreifen ist und somit später besser Strom übertragen werden kann.
  • So sollten die Schweißpunkte idealerweise aussehen:

Material:

  • Gehäuse für alle Komponenten (in meinem Fall aus Holz)
  • Trafo aus einer Mikrowelle
  • Ca. 1m 15-30 mm² Kupferkabel
  • 2 ca. 20 cm * 1cm Vierkanstäbe aus Kupfer
  • Elektroden (in meinem Fall Kupfernägel)
  • Solid State Relais mit Schaltzeit von ca. 1 – 5 ms
  • Optional Kühlkörper für das Relais
  • 5V Netzteil
  • Microcontroller (Arduino oder ESP jeder Art sollte funktionieren)
  • 3 Taster
  • 0.96 Zoll OLED Display
  • Analog RGB Led

Aufbau:

Controller:

  • Hardware:
    • Die 3 Kanäle der RGB Led und die 3 Knöpfe werden mit passendem Widerstand mit einem digitalen Pin des Microcontroller verbunden.
    • Das Display wird mit IC² mir dem Microcontroller verbunden.
    • Das Relais wird auch direkt mit einem digitalen Pin des Microcontroller verbunden um es ansteuern zu können.
    • Um später einen Puls auszulösen wird ein weiterer digitaler Pin des Microcontroller entweder mit einem Taster oder wie in meinem Fall mit einer Buchse verbunden.
    • Die Led, alle Taster und der Microcontroller werden mit dem Vin Pin des Microcontrollers verbunden. Das Display wird über den 3.3V Ausgang des Arduino mir Strom versorgt.
    • Der Ausgang des Netzteils wird ebenfalls mit dem Vin Pins des Microcontroller verbunden und versorgt so alle Komponenten mit Strom. (Ich hatte nur ein 12V Netzteil zur Hand und musste so noch einen Buck-Converter vorschalten, der dann die 5V liefert.)
    • Alle Komponenten werden in einem 3D-Gedrucktem Control Panel montiert.
  • Software:
    • Um das Punktschweißgerät zu steuern gibt es einen Enter/Weiter Taster, einen Hoch Taster, einen Runter Taster, eine Led und ein Display.
    • Normalerweise befindet sich das Punktschweißgerät im Ready/Bereit Modus. In diesem kann man entweder einen Puls auslösen oder über den Enter/Weiter Taster Einstellungen vornehmen. Auch werden alle Einstellungen angezeigt.
    • Nach Drücken des Enter/Weiter Tasters kann man zuerst die Pause vor dem ersten Puls mit dem Hoch und Runter-Taster die Dauer der Pause in 50 ms Schritten einstellen. Drückt man den Hoch- oder Runter-Taster länger, wird der 10- fache Schritt verwendet. Dies macht das Einstellen schneller und leichter.
    • Drückt man den Enter-Knopf erneut, kann man dann die Pause zwischen den Pulsen in 10 ms Schritten einstellen. Dann die Pulslänge in 1 ms Schritten und zum Schluss die Pulsanzahl. Drückt man den Enter/Weiter Knopf erneut ist man wieder im Ready/Bereit Modus.
    • Alle Modi werden zusätzlich durch die Farbe der Led gekennzeichnet.
  • Restlicher Aufbau:
    • Transformator:
      • Als erstes wir die Sekundärspule des Mikrowellentrafos entfernt. Hierfür empfiehlt sich eine Dremel-Trennscheibe.
      • Nun wird die Sekundärspule mit 3-4 Windungen des dickeren Kupferkabels ersetzt.
      • Der Trafo kann im Gehäuse befestigt werden. Die beiden Enden der Sekundärspule werden aus dem Gehäuse geführt.
    • Das 5-V Netzteil wird mit der Netzspannung verbunden. Parallel dazu wird der Neutralleiter mit dem einen Ende der Primärspule und die Phase mit dem Relais verbunden. Nun wird noch das andere Ende der Primärspule mit dem anderen Ausgang des Relais verbunden. Zum Schluss wird der Input des Relais mit dem Controller verbunden.
    • Sowohl der Trafo, als auch das Relais und das Netzteil werden geerdet.
    • Elektroden:
      • Die Elektroden bestehen aus 2x 1cm*1cm*20cm Kupfervierkantstäben. Diese werden an einem Ende mit jeweils einem Ausgang des Trafos verbunden. Am anderen Ende befinden sich 2 Locher rechtwinklig zueinander. Das eine dient dazu einen Kupfernagel aufzunehmen und das andere, sich näher am Ende befindende, um diesen mit einer Schraube festzuklemmen.
      • Die beiden Kupferstäbe werden im 30° Winkel zueinander befestigt um die beiden Kontaktpunkte, also die Punkte die am Werkstück aufliegen, möglichst nah nebeneinander zu bringen.
      • Für saubere Schweißpunkte sind spitze Kontaktpunkte (in meinem Fall Kupfernägel) notwendig. Mit diesem Design ist es sehr einfach und günstig verschlissene Kupfernägel auszutauschen.

Warnung:

 Auch wenn an den Elektroden nur 2-3V anliegen und der Ausgang und alle anderen  Oberflächen des Gehäuses entweder geerdet oder nichtleitend sind, sollte nicht vergessen  werden, dass das Gerät mit Netzspannung arbeitet und somit gefährlich sein kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gerät geöffnet wird, da viele der Verbindungen nicht isoliert sind.


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