Verfahren und Vorrichtung zum Befestigen eines Endes eines Bolzens an einem Metall werkstück durch elektrisches Lichtbogenschweissen und nach diesem Verfahren mit einem Bolzen versehenes Werkstück Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befestigen eines Endes eines Bolzens an einem Metallwerkstück durch elektrisches Lichtbogenschweissen und auf ein nach diesem Verfah ren mit einem angeschweissten Bolzen versehenes Werk stück.
Dieses Schweissverfahren wird nachstehend der Kürze halber als Bolzenschweissen bezeichnet.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bolzenschweissen, bei dem der Schweissvorgang über einen ringförmigen, auf dem Werkstück aufruhenden und mit dem Bolzen zusammenarbeitenden, schlacken bildenden Körper eingeleitet wird und nach einer be stimmten Brenndauer des Bogens der Bolzen, im fol genden auch Stift genannt, durch diesen Körper hin durch in Richtung des Werkstückes bewegt wird.
Bei diesem bekannten Verfahren wird die Bogen länge durch die Abmessungen des Startkörpers bedingt, der auch den Bogen einleitet und die Bogendauer regelt.
Die Bogendauer und somit das Schweissergebnis sind stark vom Erweichen und mithin von der Gestalt, der Zusammensetzung und der elektrischen Leitfähig keit des Körpers abhängig, der auch als Patrone be zeichnet wird.
Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, die Bo gendauer auf jeden gewünschten Wert einzustellen und diese Dauer somit unabhängig von den Eigenschaften der Patrone zu machen.
Gemäss der Erfindung wird beim Verfahren gleich zeitig mit der Einleitung des Schweissvorganges oder kurze Zeit nachher eine vom schlackenbildenden Kör per getrennte Festhaltevorrichtung in Betrieb gesetzt, die den Bolzen während des Erweichens des Körpers im Abstand vom Werkstück festhält, wobei nach einer Startzeit, während welcher Strom den Körper durch fliesst, jedoch noch kein Bogen vorhanden ist, im Augenblick der Bogenerzeugung eine Vorrichtung zum Dosieren der übrigen Festhaltezeit betätigt wird. Es sei bemerkt, dass es bekannt ist, bei einer Bolzen schweisspistole einen Stift mittels einer Festhaltevor richtung während des Schweissvorganges einige Zeit im Abstand vom Werkstück zu halten.
Bei dieser Vor richtung findet kein schlackenbildender Körper Ver wendung, aber der Stift hat an seinem freien Ende einen vorbearbeiteten Punkt, der abschmelzbar ist und die Bogenlänge mitbestimmt. Diese Vorrichtung arbeitet mit einem zuvor eingestellten Zeitrelais, das gleich zeitig mit dem Strom eingeschaltet wird. Die Erregung des Zeitrelais ist infolgedessen nicht notwendigerweise an die Erzeugung des Bogens verbunden. Deshalb fällt die vom Zeitrelais dosierte Festhaltezeit nicht notwen digerweise mit der Bogenzeit zusammen. Dem Verfahren nach der Erfindung fehlt dieser Nachteil, während sie den Vorteil hat, dass keine vor bearbeiteten Stifte verwendet zu werden brauchen.
Auch besondere Massnahmen zum Verhüten, dass der schlackenbildende Körper vorzeitig unter dem Druck des Stiftes bricht, wie ein Papphaltering am Körper, oder eine besondere Zusammensetzung des Körpers sind bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung nicht mehr unbedingt nötig.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist vom bekannten Typ, der mit einem in der Längsrichtung beweglichen Halter für den Bolzen versehen ist, welcher Halter mit einem Glied, z. B. einer Feder, zusammenarbeitet, um ihn in Rich= tung zu dem Werkstück hin zu bewegen, wobei eine Vorrichtung, um den Halter zeitweilig im Abstand vom Werkstück festzuhalten, und eine einstellbare Dosier vorrichtung für die Festhaltezeit vorgesehen sind.
Gemäss der Erfindung ist diese Dosiervorrichtung so ausgebildet, dass sie auf einen beim Entstehen des Bogens auftretenden Vorgang wie eine Strom- oder Spannungsänderung anspricht.
Schaltungsanordnungen, die dies bewirken, sowie weitere Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Bolzenschweisspistole, die sich zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung eignet; Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Verlaufes der Spannung, der Stromstärke und der Verschiebung des Stiftes während des Schweissvorganges; Fig. 3 und 4 sind Schaltbilder.
Die Pistole nach Fig. 1 hat einen Griff 1, durch den ein Stromkabel 2 und die nicht dargestellten Steuer leitungen hindurchgeführt sind.
In diesem Griff 1 befindet sich auch ein Schalter 3, der mittels eines Knopfes 4 betätigbar ist. Mittels dieses Schalters ist ein nicht dargestellter magnetischer Schal ter betätigbar, der gleichzeitig den Schweissstrom ein schaltet und eine Spule 5 im Kopf 6 der Pistole erregt.
Die Spule 5 hat einen durchbohrten Weicheisen kern. Dieser besteht aus zwei Teilen, nämlich einem festen Teil 7 und einem beweglichen Teil B. Der beweg liche Teil 8 des Eisenkernes ist flexibel, zum Beispiel durch biegsame Glieder 9, mit kegelförmigen Klemm segmenten 10 verbunden, die sich in einer kegelförmi gen Kammer 11 befinden.
Wenn die Spule 5 nicht erregt ist, werden die Kern teile 7 und 8 durch Federn 12 auseinandergedrückt, wodurch die Klemmsegmente 10 frei in der Kammer 11 liegen. Dabei kann eine verschiebbare Buchse 13, die durch die Klemmsegmente 10 hindurchgeführt ist, unbehindert auf und ab bewegt werden.
Die Buchse 13 ist in Lagern 14 und 15 geführt und trägt am unteren Ende einen Halter 16 für einen an ein Werkstück 17 anzuschweissenden Bolzen 18.
Zwischen dem Ende des Bolzens 18 und dem Werk stück 17 wird ein ringförmiger, schlackenbildender Körper 19 angeordnet.
Die Pistole ruht mit Stützen 20 auf dem Werkstück. An der Buchse 13 ist ein Flansch 21 befestigt, auf den eine Feder 22 einwirkt, die bestrebt ist, die Buchse 13 mit dem Halter 16 in Richtung des Werkstückes 17 zu bewegen.
Wenn die Spule 5 erregt wird, ziehen die Kernteile 7 und 8 einander an. Die Segmente 10 werden längs der kegelförmigen Wand der Kammer 11 emporgezogen. Infolgedessen wird die Buchse 13 wie dargestellt fest geklemmt und somit der Stift 18 im Abstand vom Werkstück gehalten.
Die Buchse 13 ist um eine Strecke a angehoben, die der Höhe des Körpers 19 entspricht, gegebenenfalls zuzüglich eines bestimmten Masses, das als Vorsprung bezeichnet wird und einem Abstand entspricht, auf dem der Bolzen in das Werkstück 17 eindringen kann, wenn dieses an dieser Stelle flüssig ist, was bei der Bil dung des Schmelzbades erfolgt.
Unter der Einwirkung der Bogenwärme zerfällt der Körper 19, jedoch erst dann, wenn die Festhaltevor richtung, das heisst die Klemmvorrichtung 10, ausser Betrieb gesetzt worden ist; dann kann die Buchse 13 sich unter der Einwirkung der Feder 22 um die Strecke a verschieben. Dabei wird der Bolzen 18 in das Schmelz bad gedrückt.
Fig. 2 zeigt drei Diagramme übereinander. Die Abszisse deutet die Zeit an.
Die obere Linie V zeigt den Verlauf der sekundären Schweissspannung V in bezug auf die Zeit. Die mittlere Linie 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Strom I und der Zeit.
Die untere Linie g' stellt die Verschiebung des Bolzens 18 als Funktion der Zeit dar.
Bei A wird der Strom eingeschaltet. Die Festhalte vorrichtung wird in der Regel auch in diesem Zeitpunkt in Betrieb gesetzt, obgleich dies auch einen Augenblick später erfolgen kann, jedoch jedenfalls bevor der schlackenbildende Körper 19 zu zerfallen anfängt.
Der Abstand A-B stellt die sogenannte Startzeit dar. Die Leerlaufspannung Vo bleibt in dieser Zeit nahezu konstant. Der Strom Io wächst langsam. Bei<I>B,</I> das heisst nach einer Startzeit<I>AB,</I> die völlig oder teilweise einen Teil der Festhaltezeit bildet, zündet der Bogen. Dabei weist der Strom eine Änderung, und zwar eine Zunahme auf IB auf, während die Spannung auf<I>VB</I> absinkt. Bei C ist die Bogenzeit verstrichen. Dann sinkt der Bolzen eine Strecke a in das Schmelz bad ein. Der Schweisskreis ist dann kurzgeschlossen und die Spannung fällt auf<I>VK</I> ab. Bei<I>D</I> hört der Schweissvorgang auf.
Gemäss einem wichtigen Merkmal der Erfindung wird die Zeit BC, das heisst die Bogenzeit und gleichzei tig auch die restliche Festhaltezeit des Bolzens<B>18</B> vom Punkt B an durch einen Zeitschalter dosiert.
Zu diesem Zweck findet die in B auftretende Ände rung des Stromes oder die in diesem Zeitpunkt auftre tende Abnahme der Spannung Verwendung.
Ersteres erfolgt bei der Anwendung der Schaltungs anordnung nach Fig. 3, das zweite bei der Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 4.
Das Schalten in Abhängigkeit von der Spannung erweist sich als universeller, weil für Körper 19 ver schiedener Grösse der Wert von<I>VB</I> nahezu der gleiche ist, während der Wert von IB von der Stromeinstellung abhängig ist, die für Schweisspatronen 19 verschiedener Grösse veränderlich ist.
In beiden Schaltungsanordnungen nach Fig. 3 und Fig. 4 bezeichnet 23 einen Schweisstransformator, 24 einen magnetischen Schalter, 25 ein für niedrige Steuer spannung geeignetes Hilfsrelais, 26 einen Gleichrichter, 5 die Sperrspule in der Pistole (siehe Fig. 1) und 3 den Druckschalter in der Schweisspistole.
Fig. 3 zeigt weiter einen Hilfstransformator 27 für niedrige Steuerspannung, einen Hilfstransformator 28 zum Speisen der Sperrspule 5, ein Zeitrelais 29 und einen Stromtransformator 30 für dieses Relais.
In beiden Schaltbildern ist die Schaltpistole selbst fortgelassen. Nur die Spule 5 und der Steuerschalter 3 sind angegeben.
Der Bolzen 18 ist um eine Strecke a1 gegen den Druck der Feder 22 angehoben.
Die Schaltung ist derartig, dass durch Betätigung des Schalters 3, das heisst durch Eindrücken des Knop fes 4 an der Pistole, die Spule des Schalters 24 durch das Relais 25 erregt wird. Infolgedessen wird dem Transformator 23 Strom aus den Leitungen 31 und 32 zugeführt und der Schweisskreis 33, 34, 18, 19, 17, 35 geschlossen. Auch wird über den geschlossenen Kontakt 36 des noch nicht erregten Zeitrelais 29 der Transformator 28 eingeschaltet, so dass über den Gleich richter 26 die Spule 5 erregt und somit die Festhalte vorrichtung 10 für den Bolzen betätigt wird. Der Bol zen 18 kann nunmehr nicht herabsinken.
In dem Augenblick, in dem der Bogen zündet, ergibt sich im Schweisskreis 33, 34, 18, 19, 17, 35 eine Stromänderung, wodurch der Stromtransformator 30 das Zeitrelais 29 erregt. Dieses schaltet nach einer ein gestellten Zeit (BC in Fig. 2) den Transformator 28 mittels des Kontaktes 36 aus, wodurch die Spule 5 spannungslos und der Bolzen losgelassen wird. Dieser kann dann in das Schmelzbad hineinsinken. Dann wird der Schalter 3 losgelassen und die Pistole vom ange schweissten Bolzen 18 abgenommen.
In der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 findet man weiter: einen Hilfstransformator 36 für niedrige Steuerspannung und auch für die Speisung der Sperr spule 5, einen Gleichrichter 37, Widerstände 38 und 39, ein spannungsempfindliches Relais 40 und ein sehr schematisch dargestelltes elektronisches Zeitrelais 41. Die Speisespannung für dieses muss an 42 und 43 an gelegt werden. Zwei Kontakte sind mit 44 und 45 be zeichnet.
Im dargestellten Zustand ist das Relais 40 unerregt. Die Kontakte 44 und 45 des Zeitrelais 41 sind unmittel bar miteinander verbunden, so dass das Relais 41 erregt ist.
Wenn der Schalter 3 jetzt geschlossen wird, wird ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 3 der Schweisskreis 33, 34, 18, 19, 17, 35 geschlossen.
Die Sekundärleerlaufspannung des Schweisstrans formators 23 schaltet über den Gleichrichter 37 und den Widerstand 39 (der Widerstand 38 ist kurzge schlossen) das Relais 40 ein, wodurch die Kontakte 44 und 45 unterbrochen und das Zeitrelais 41 in die Null- lage versetzt wird. Die Spule 5 wird über den Transfor mator 36 und den Gleichrichter 26 erregt. Auch wird in den Kreis 37-40 noch der Widerstand 38 eingeschal tet.
Zündet jetzt der Bogen, so fällt die Leerlaufspan- nung auf der Sekundärseite 33 des Schweisstransforma tors erheblich ab, zum Beispiel auf etwa 30 V (siehe Fig. 2). Die Widerstände 38 und 39 sind so bemessen, dass bei etwa 45 V das Relais 40 abfällt, wodurch die Kontakte 44 und 45 unmittelbar miteinander verbun den werden und das Zeitrelais 41 wirksam wird. Nach der eingestellten Zeit wird dann die Spule 5 spannungs los und der Widerstand 38 wiederum kurzgeschlossen. Der Schalter 3 wird losgelassen und elektrisch ist der Zustand jetzt wieder so, wie er in dem Schaltbild der Fig. 4 dargestellt ist.
Method and device for fastening an end of a bolt to a metal workpiece by electric arc welding and workpiece provided with a bolt according to this method. The invention relates to a method and a device for fastening an end of a bolt to a metal workpiece by electric arc welding and to a according to this procedural piece provided with a welded bolt.
For the sake of brevity, this welding process is referred to below as stud welding.
The invention relates to a method for stud welding, in which the welding process is initiated via an annular, resting on the workpiece and cooperating with the stud, slag-forming body and after a certain burning time of the arc of the stud, also called a pin in the fol lowing is moved through this body in the direction of the workpiece.
In this known method, the arc length is conditioned by the dimensions of the starting body, which also initiates the arc and regulates the arc duration.
The arc duration and thus the welding result are strongly dependent on softening and therefore on the shape, composition and electrical conductivity of the body, which is also known as a cartridge.
The aim of the invention is to provide a method and a device which make it possible to set the duration of the bow to any desired value and thus to make this duration independent of the properties of the cartridge.
According to the invention, a holding device separate from the slag-forming body is put into operation during the process at the same time as the welding process is initiated or a short time afterwards, which holds the bolt at a distance from the workpiece while the body is softening, and after a start time during which current flows through the body, but there is still no arch, at the moment the arch is generated, a device is actuated to dose the remaining holding time. It should be noted that it is known, in the case of a stud welding gun, to keep a pin at a distance from the workpiece for some time by means of a retaining device during the welding process.
In this device before no slag-forming body is used, but the pen has a pre-machined point at its free end that can be melted and helps determine the arc length. This device works with a previously set time relay that is switched on at the same time as the current. As a result, the excitation of the timing relay is not necessarily linked to the generation of the arc. Therefore the holding time dosed by the time relay does not necessarily coincide with the arc time. The method according to the invention lacks this disadvantage, while it has the advantage that no pre-machined pins need to be used.
Special measures to prevent the slag-forming body from breaking prematurely under the pressure of the pin, such as a cardboard retaining ring on the body, or a special composition of the body are no longer absolutely necessary when using the method according to the invention.
The device for carrying out the method according to the invention is of the known type, which is provided with a longitudinally movable holder for the bolt, which holder is provided with a member, e.g. B. a spring, cooperates to move it in Rich = device towards the workpiece, a device to temporarily hold the holder at a distance from the workpiece, and an adjustable metering device for the holding time are provided.
According to the invention, this metering device is designed in such a way that it responds to a process occurring when the arc occurs, such as a change in current or voltage.
Circuit arrangements that cause this, as well as further exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
1 is a schematic longitudinal section through a stud welding gun which is suitable for carrying out the method according to the invention; 2 is a graphic representation of the course of the voltage, the current intensity and the displacement of the pin during the welding process; Figs. 3 and 4 are circuit diagrams.
The gun of Fig. 1 has a handle 1 through which a power cable 2 and the control lines, not shown, are passed.
In this handle 1 there is also a switch 3 which can be actuated by means of a button 4. By means of this switch, a magnetic scarf, not shown, can be actuated, which at the same time turns on the welding current and energizes a coil 5 in the head 6 of the gun.
The coil 5 has a pierced soft iron core. This consists of two parts, namely a fixed part 7 and a movable part B. The movable part 8 of the iron core is flexible, for example by flexible members 9, connected to conical clamping segments 10, which are located in a kegelförmi chamber 11 .
When the coil 5 is not energized, the core parts 7 and 8 are pushed apart by springs 12, whereby the clamping segments 10 are free in the chamber 11. In this case, a displaceable bushing 13, which is passed through the clamping segments 10, can be moved up and down without hindrance.
The bushing 13 is guided in bearings 14 and 15 and at the lower end carries a holder 16 for a bolt 18 to be welded to a workpiece 17.
Between the end of the bolt 18 and the work piece 17, an annular, slag-forming body 19 is arranged.
The gun rests with supports 20 on the workpiece. A flange 21 is fastened to the bushing 13 and is acted on by a spring 22 which tends to move the bushing 13 with the holder 16 in the direction of the workpiece 17.
When the coil 5 is energized, the core parts 7 and 8 attract each other. The segments 10 are drawn up along the conical wall of the chamber 11. As a result, the bushing 13 is firmly clamped as shown and thus the pin 18 is held at a distance from the workpiece.
The socket 13 is raised by a distance a that corresponds to the height of the body 19, possibly plus a certain amount, which is referred to as a projection and corresponds to a distance at which the bolt can penetrate into the workpiece 17 if this is at this point what takes place in the formation of the weld pool is liquid.
Under the action of the arc heat, the body 19 disintegrates, but only when the Festhaltevor direction, that is, the clamping device 10, has been put out of operation; then the bush 13 can move under the action of the spring 22 by the distance a. The bolt 18 is pressed into the melt bath.
Fig. 2 shows three diagrams one above the other. The abscissa indicates the time.
The upper line V shows the course of the secondary welding voltage V in relation to time. The middle line 1 shows the relationship between the current I and time.
The lower line g 'represents the displacement of the bolt 18 as a function of time.
At A the current is switched on. The retaining device is usually also put into operation at this point in time, although this can also take place a moment later, but in any case before the slag-forming body 19 begins to disintegrate.
The distance A-B represents the so-called start time. The open circuit voltage Vo remains almost constant during this time. The current Io grows slowly. At <I> B, </I> that means after a start time <I> AB, </I> which completely or partially forms part of the holding time, the arc ignites. The current shows a change, namely an increase to IB, while the voltage drops to <I> VB </I>. At C the arc time has passed. Then the bolt sinks a distance a into the melting bath. The welding circuit is then short-circuited and the voltage drops to <I> VK </I>. The welding process stops at <I> D </I>.
According to an important feature of the invention, the time BC, that is to say the arc time and at the same time also the remaining holding time of the bolt 18, is metered from point B by a time switch.
The change in current occurring in B or the decrease in voltage occurring at this point in time are used for this purpose.
The first occurs when the circuit arrangement according to FIG. 3 is used, the second when the circuit arrangement according to FIG. 4 is used.
Switching as a function of the voltage proves to be more universal, because the value of <I> VB </I> is almost the same for bodies 19 of different sizes, while the value of IB depends on the current setting for welding cartridges 19 of different sizes is variable.
In both circuit arrangements according to FIGS. 3 and 4, 23 denotes a welding transformer, 24 a magnetic switch, 25 an auxiliary relay suitable for low control voltage, 26 a rectifier, 5 the blocking coil in the gun (see FIG. 1) and 3 the pressure switch in the welding gun.
Fig. 3 also shows an auxiliary transformer 27 for low control voltage, an auxiliary transformer 28 for feeding the blocking coil 5, a timing relay 29 and a current transformer 30 for this relay.
The trigger gun itself has been left out in both circuit diagrams. Only coil 5 and control switch 3 are indicated.
The bolt 18 is raised by a distance a1 against the pressure of the spring 22.
The circuit is such that the coil of the switch 24 is excited by the relay 25 by actuating the switch 3, that is to say by pressing the button 4 on the pistol. As a result, the transformer 23 is supplied with current from the lines 31 and 32 and the welding circuit 33, 34, 18, 19, 17, 35 is closed. The transformer 28 is also switched on via the closed contact 36 of the not yet energized timing relay 29, so that the coil 5 is energized via the rectifier 26 and thus the retaining device 10 for the bolt is actuated. The Bol zen 18 can now not sink.
At the moment when the arc ignites, there is a change in current in the welding circuit 33, 34, 18, 19, 17, 35, as a result of which the current transformer 30 excites the timing relay 29. This switches off after a set time (BC in Fig. 2) the transformer 28 by means of the contact 36, whereby the coil 5 is de-energized and the bolt is released. This can then sink into the weld pool. Then the switch 3 is released and the gun is removed from the welded bolt 18.
In the circuit arrangement of Fig. 4 you can also find: an auxiliary transformer 36 for low control voltage and also for feeding the locking coil 5, a rectifier 37, resistors 38 and 39, a voltage-sensitive relay 40 and a very schematically illustrated electronic timing relay 41. The The supply voltage for this must be applied to 42 and 43. Two contacts are labeled 44 and 45.
In the state shown, the relay 40 is de-energized. The contacts 44 and 45 of the timing relay 41 are connected to each other directly so that the relay 41 is energized.
If the switch 3 is now closed, the welding circuit 33, 34, 18, 19, 17, 35 is closed, similar to the arrangement according to FIG. 3.
The secondary open circuit voltage of the welding transformer 23 switches on the relay 40 via the rectifier 37 and the resistor 39 (the resistor 38 is short-circuited), whereby the contacts 44 and 45 are interrupted and the timing relay 41 is set to the neutral position. The coil 5 is energized via the transformer 36 and the rectifier 26. Resistor 38 is also switched on in circuit 37-40.
If the arc now ignites, the no-load voltage on the secondary side 33 of the welding transformer drops considerably, for example to around 30 V (see FIG. 2). The resistors 38 and 39 are dimensioned such that the relay 40 drops out at about 45 V, whereby the contacts 44 and 45 are directly connected to one another and the timing relay 41 becomes effective. After the set time, the coil 5 is then voltage-free and the resistor 38 again short-circuited. The switch 3 is released and the electrical state is now as shown in the circuit diagram of FIG.