Widerstands-Impulsschweissverfahren und Maschine zur Durchführung des Verfahrens Das Patent betrifft ein Widerstands-Impuls schweissverfahren, welches vorzugsweise zum An schweissen von Armaturen oder dergleichen auf ein seitig isolierte Bleche, Bleche mit unzugänglicher Rückseite oder mit thermisch empfindlicher Rück seite bestimmt ist.
Schweissungen dieser Art verlangen ein besonde res Verfahren, da sonst die rückseitige Oberfläche beschädigt wird. Ein solches Schweissverfahren ist das sogenannte Graham-Verfahren, bei welchem mit tels eines kurzen Lichtbogens zwischen einem Bolzen und der Blechoberfläche diese zunächst oberfläch lich geschmolzen und unmittelbar danach das Werk stück aufgepresst wird. Bei Widerstandsschweissungen wird das Werkstück mittels einer Elektrode an das Blech angedrückt, während die andere Elektrode mit dem Blech in elektrischem Kontakt steht. Durch kurzzeitigen Stromstoss, meist mittels Kondensator entladungen, wird dann die Schweissung durchgeführt. Die eigentlichen Arbeitsbedingungen, die Stromstärke und die Schweisszeit, sind hierbei derart kritisch, dass die Verfahren bei dünnen Blechen praktisch nicht mehr angewendet werden können. So wird z.
B. beim Schweissen von Verkleidungsblechen elektrischer Ge räte mit Blechstärken um<B>1</B> mm oder darunter durch die vom Schweisspunkt erzeugte Wärme die Rück seite thermisch beschädigt und, wenn es sich um eine Lackschicht handelt, unansehnlich ausfallen. Deshalb finden alle diese Verfahren nur bei vergleichsweise dickeren Blechstärken Anwendung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile. zu 'beseitigen und ein Verfahren zu ermöglichen, mit dessen Hilfe auch dünne, einseitig isolierte oder lackierte Bleche ohne Beschädigung der Rückseite. elektrisch verschweisst werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Energie und die Dauer eines an einer flächigen Schweissstelle des Schweissgutes ein- und austretenden Schweissstromimpulses so bemes sen werden, dass die erzeugte Schweisswärme einen vorbestimmten Umgebungsbereich der Schweissstelle höchstens auf eine unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur liegende Temperatur erhitzt.
Im Falle einer Punktschweissung wird z. B. die Schweissstelle des Blechmaterials halbkugelförmig auf die maximal zulässige Temperatur erhitzt, so dass der Radius dieser Halbkugel gerade der Blechdicke entspricht bzw. ein klein wenig darunter liegt. Hier bei wird der zeitlich vorgegebene Energiestoss der Schweissenergie zweckmässig entweder durch eine di rekte oder transformierte Kondensatorentladung mit vorzugsweise aperiodischem Verlauf oder mittels in duktiver Speicherung erzeugt. Die Schweissenergie kann aber auch einem Teil einer Sinushalbwelle eines niederfrequenten. Wechselstromes im Phasenanschnitt verfahren entnommen oder durch Entladung eines Akkumulators erzeugt werden.
Das Patent betrifft auch eine Maschine zur Durch führung des erfindungsgemässen Verfahrens. Diese Maschine mit Schweissstromimpulserzeugung durch Kondensatorentladung dient vorzugsweise zur Er zielung sehr kurzer und steiler Impulse für Doppel- bzw. Mehrfachpunkt- oder Nahtschweissung und hat einen zweckmässig nahezu eisenfreien Transformator mit vorzugsweise extrem fester Kopplung. Unter einem nahezu eisenfreien Transformator sei ein Transformator verstanden, bei dem der Eisenkern eine untergeordnete Rolle spielt. Stets wird Eisen einen gewissen Nutzen an Wirkungsgrad bringen, solange nämlich die Magnetisierung kleine Werte er- reicht.
Bei Transformatoren, bei denen mit sehr hoher magnetischer Erregung gearbeitet wird, ist der Eisenkern im Leerlauffall völlig übersättigt und hat damit eine Permeabilität von praktisch 1, d. h. er wirkt wie ein Lufttransformator. Beim Transformator der Maschine zur Durchführung des erfindungsge mässen Verfahrens pflegt man daher z. B. den ma gnetischen Schluss des Transformators wegzulassen und nur das Innere der Spule mit Blechen auszufül len, um die Anlaufcharakteristik bei noch kleinen Strömen zu verbessern.
Die Schweisselektroden und ihre Zu- und Ableitungen liegen auf ein und dersel ben Seite der Schweissstelle, und die Zu- und Ablei tungen sind zur Kleinhaltung der Induktivität und zur Erzeugung eines Minimums an Streufluss so an geordnet und bemessen, dass die Induktivität des Schweissstromkreises bei kurzgeschlossenen Schweiss gut-Stromzufuhrelektroden unterhalb von 0,1 H liegt, wobei die Elektroden koaxial zueinander an geordnet sind.
Hierzu können die Zuleitungen. der Schweisselektroden und der gemeinsamen Gegenelek troden als Flachkupferstreifen ausgebildet und die Schweisselektroden bei einem gegenseitigen Abstand von 0,3 bis 1 mm derart angeordnet sein, dass die eine Hälfte der Elektrodenspitzen durch Aussparungen des anderen Elektrodenbandes hindurchragt, während die andere Hälfte der Elektrodenspitzen auf dem aus gesparten Elektrodenband befestigt ist. Zweckmässig ist es hierbei, mehrere Elektrodensätze in verschie denen Anordnungen hintereinander auf demselben Bandpaar anzuordnen derart, dass durch Wahl der Auflagestelle der rückwärtigen Elektrode eine ver schiedene oder in verschiedenem Abstand liegende Schweisspunktanordnung erzielt wird.
Bekanntlich liegen die Vorteile des Impuls schweissens darin, dass sekundärseitig leicht Strom dichten von 100 000 A/cm2 und mehr erreicht werden, wobei der Stromfluss bereits nach einer Dauer von 2. 10-3 bis 2. 10-2 Sekunden abge klungen ist. Trotz dieser Vorteile blieb das Impuls schweissverfahren bei Verwendung bekannter Ma schinen zunächst auf wenige geeignete kleine Werk stücke anwendbar. Erst mit Maschinen der oben angegebenen Art konnte das Verfahren auch auf grössere Werkstücke angewandt werden. Obgleich der Anwendungsbereich dermassen erweitert worden war, hat es sich herausgestellt, dass das Verfahren mit diesen Maschinen nicht ohne weiteres allgemein angewendet werden kann. So war es z.
B. nicht mög lich, Armaturen auf dünne Bleche aufzuschweissen, und schon gar nicht, wenn diese dünnen Bleche mit einer einseitigen Schutzschicht oder einem Lack ver sehen waren.
Die Elektroden der erfindungsgemässen Maschine sind vorzugsweise über ihre ganze Länge oder teil weise zylindrisch. Die innere der koaxialen Elektro den hat zweckmässig eine. Bohrung, welche an ihrem der Schweissstelle zugewandten Ende konisch erwei tert ist und einen, der konischen Erweiterung ange passten längsgeschlitzten, spannzangenartigen Einsatz hat. Dieser Einsatz ist dazu bestimmt, ein an eine Fläche eines Werkstückes anzuschweissendes Werk stück aufzunehmen und unter der Wirkung der Schweissdruckkraft festzuspannen. Weiterhin kann der Elektrodenschaft lösbar mit der der Elektrode zugeordneten Vorschubvorrichtung verbunden sein.
Zweckmässig sind einander zugeordnete Elektroden durch elastische Zwischenstücke miteinander verbun den und sind diese Elektroden gemeinsam der Schweissdruckkraft ausgesetzt, wobei die Maschine derart ausgeführt sein kann, dass der Schweissstrom beim Erreichen eines vorbestimmten Teiles der Schweissdruckkraft eingeschaltet und die Maxima der Schweissstromstärke und der Schweissdruckkraft gleichzeitig erreicht werden.
In der Zeichnung sind wesentliche Teile von Aus führungsbeispielen der erfindungsgemässen Maschine dargestellt. Im Zusammenhang damit wird -auch das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläu tert. Es zeigen: Fig. 1 einen Teil einer Schweissanordnung im Längsschnitt, Fig. 2 einen Teil einer Anordnung zur Bestim mung des Anteiles des Widerstandes der Schweiss stelle am Gesamtwiderstand des Stromkreises, Fig. 3 eine Anordnung zum Anschweissen einer Schraube an ein Blech mit rückseitiger Isolierschicht, im Schnitt, Fig. 4 eine Anordnung zum Anschweissen eines Bolzens an die Innenseite des Bodens eines Topfes, im Schnitt.
Nach Fig. 1 ist ein dünnes Blech 1 mit einer Lack- oder Isolierschicht 2 rückwärts belegt. Als aufzuschweissende Armatur ist eine Schraube j mit ausgehöhltem Kopf gewählt, die mittels einer soge nannten Koaxialschweissung am Blech 1 befestigt werden soll. Bei dieser Koaxialschweissung drückt eine hohlzylindrische Andruckelektrode 4 die Schraube<B>3</B> auf das Blech<B>1.</B> Die Elektrode 4 ist mit dem Bandleiter<B>5</B> verbunden. Um diese Andruck elektrode 4 herum ist die andere Elektrode<B>6,</B> die gleichfalls hohlzylindrisch ist, angeordnet. Sie ist mit einem zweiten EIektrodenband 7 verbunden und steht mit dem Blech<B>1</B> in elektrischem Kontakt. Da es zwischen dieser Elektrode<B>6</B> und dem Blech<B>1</B> nicht zur Schweissung kommen soll, ist ihr Querschnitt vergleichsweise gross gewählt.
Die Elektrodenbänder <B>5</B> und<B>7,</B> an deren Stelle auch flexible, tunlichst in duktionsarme Flachlitzen treten können, sind in be kannter Weise mit einem Schweisstransformator <B>(11,</B> 12 in Fig. 2) oder einer anderen Schweissstrom- quelle verbunden.
Das Verfahren besteht nun darin, die Ausdehnung der der im vorliegenden Falle kreisringförmigen Schmelzzone<B>8</B> durch Ausgestaltung des Zeitpro- grammes und Bemessung der Energie für die elek trische Erhitzung gegenüber der Blechdicke so klein zu wählen, und zwar errechenbar so klein, dass nach Beendigung des Schweissvorganges und Abwanderung der Wärme die Schichtgrenze zwischen dem Blech<B>1</B> und dessen Auflage 2 höchstens auf die maximal zulässige Temperatur der Auflage erhitzt ist. Diese Verhältnisse sind in Form von Isothermenkurven 9 und 10 in Fig. 1 eingetragen. Die Isotherme 10 würde dann die maximal zulässige Temperatur der be schichteten Rückseite darstellen.
Die Berechnung wird in vereinfachter Form nach folgend für einen einzigen Schweisspunkt durchge führt. Die Isotherme hat im Endzustand, also 'bei Erreichen der unteren Begrenzungsschicht, Halbku gelform. Die für diese Isotherme erforderliche elek trische Energieinvestition<B>d.</B> h. Energieverbrauch ist dann gegeben durch
EMI0003.0000
wobei
EMI0003.0001
So ergibt sich z. B. für Stahlblech von r<B><I>=</I> 1</B> mm, γ-- 8 mg/mm3 und c = 0,1 cal/g ' C und einem angenommenen höchstzulässigen Temperatursprung von<B>100' C,</B> wie dies für Lack-- oder Isolierschichten 2 tragbar ist, eine elektrische Energieinvestition von
EMI0003.0002
1 - - 8 - 0,1 - 10-3 - 100 = 0,16 cal und mit 1 Ws 0,239 cal E = 0,63 Wattsee.
Annähernd der gleiche Betrag strömt auch in die Materie des Materials der Armatur 3 ab, so dass dies einer Verdoppelung des Betrages entspricht, also <B><I>E</I> = 1,26</B> Wattsee. Diese ausserordentlich kleine elektrische Energie wäre also anzustreben, und sie würde trotzdem ausreichen, um in einer kleineren Halbkugelzone von etwa '/.,0 des von der Isotherme <B>10</B> umschlossenen Volumens, entsprechend etwa 1/_I mm Radius im gewählten Beispiel, noch die Schmelztemperatur zu überschreiten und eine Ver schweissung sicherzustellen. Da nun ausserdem im Stromkreis Energieverluste auftreten, müssen, diese bei der Durchführung des Verfahrens ermittelt und mit berücksichtigt werden. Die Summe beider ergibt dann die zu investierende elektrische Energie.
Wie die Verlustenergie bestimmt werden kann, zeigt Fig. 2, bei welcher die- gleiche koaxiale Elektroden anordnung wie in Fig. 1 gewählt ist. Die Bandleiter 5 und<B>7</B> sind an der Sekundärwicklung<B>11</B> eines Trans formators, z. B. eines Impulstransformators, ange schlossen, dessen Eisenkern 12 nur schematisch an gedeutet ist. Wird nun der Bandleiter<B>7</B> an der Stelle 13 unterbrochen und mittels der beiden Anschluss drähte 14 durch die ganze Anordnung ein Gleich strom aus der Stromquelle<B>16</B> geschickt, so kann man durch Abtasten der Potentiale mittels eines Spiegel- galvanometers 15 oder dergleichen feststellen, wie hoch einmal der Gesamtwiderstand des Schweiss stromkreises ist und ausserdem wie hoch der spezielle Anteil zwischen Andruckelektrode 4, Armatur<B>3</B> und Blech<B>1</B> ist.
Im allgemeinen wird man nicht über 10% Widerstandsanteil der eigentlichen Schweiss stelle gegenüber dem Gesamtkreis hinauskommen. Im erwähnten Beispiel wäre demnach eine Gesamt energie von 10. 1,26 = 12,6 Wsec. zu wählen. Diese Energie muss nun so kurzzeitig dem Schweiss objekt zugeführt werden, dass während der Fluss dauer des elektrischen Stromes eine Abwanderung von Wärme in das Werkstück noch nicht erfolgt, es also nur zu einer Schweisslinsenbildung der vor gegebenen Ausdehnung kommt. Versuche zeigten, dass für 1 mm Blechdicke die Schweisszeit unterhalb von 10 msec. liegen muss, bei einer Blechdicke von 0,3 mm unterhalb von etwa 1 msec. Die erlaubte Schweisszeit sinkt also stärker ab als die Blechdicke.
Dies erscheint plausibel, da ja mit abnehmender Blechdicke die Schweissenergie entsprechend dem Halbkugelvolumen mit der dritten Potenz abnimmt, und die Wärmeleitung dementsprechend eine<U>immer</U> grössere Rolle, selbst während der kurzen Impuls dauer, spielt. Bei einer angenommenen Schweisszeit von 1 ms ergibt sich bei 12,6 Wsec Schweissenergie immerhin die Spitzenleistung von 12,6 kWatt, also ein nicht unbeträchtlicher Wert.
Der erforderliche elektrische Energiestoss kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. In üblicher und in bekannter Weise wird z. B. eine transformierte Kondensatorentladung verwendet, aber auch direkte Kondensatorentladungen können eingesetzt werden. Andere Möglichkeiten bestehen darin, dass ein in duktiver Speicher entladen wird oder dass die be kannte Phasenanschnittmethode verwendet wird.
Das Verfahren lässt sich auch bei grösseren Blech dicken und sehr gutem wärmeleitenden Material, z. B. Aluminium, bevorzugt dazu anwenden, um Ver änderungen in der Oberfläche durch Umkristallisa tion zu vermeiden, indem die, Austrittstemperatur der Schweisswärme unterhalb der zugelassenen kriti schen Temperatur, wie beschrieben<B>'</B> gewählt wird. Die Grösse der Armaturen ist entsprechend dieser Temperatur zu wählen.
Nachdem heute spezielle Akkumulatoren für ex trem kurze Entladung beim Photoblitzlampenbetrieb bekanntgeworden sind, können auch solche chemisch- elektrische Energiespeicher zur Erzeugung der Stoss energie herangezogen werden.
Durch das beschriebene Verfahren werden die eingangs erwähnten Nachteile der bisher bekannten Verfahren beseitigt, und es besteht nun die Möglich keit, auch ganz dünne, einseitig belegte Bleche ohne Beschädigung der Rückseite zu verschweissen.
Nach Fia. <B>3</B> soll eine Schraube<B>17</B> mit ihrem Kopf durch eine Schweissnaht<B>18</B> mit einem dünnen Blech <B>19,</B> das mit einer isolierenden rückseitigen Schicht 20, z. B. einer Kunststoffplattierung oder sonstigen Lackierung, versehen ist, angeschweisst werden. Die hierfür geeignete Elektrodenanordnung besteht aus einer inneren hohlzylindrischen Elektrode 21, die an einen oberen Bandleiter 22 angeschlossen und in einer ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildeten Aussen elektrode<B>23</B> angeordnet ist. Diese äussere Elektrode berührt das Blech<B>19</B> in der Kontaktfläche 24 und ist an einen unteren Bandleiter<B>25</B> angeschlossen. Beide Bandleiter sind mit den Polen eines (in Fig. 3 nicht dargestellten) Impulsschweisstransformators ver bunden.
Der Anpressdruck für die innere Schweiss elektrode 21 wird von einer in Pfeilrichtung wirken den Kraft<B>26</B> geliefert und von einem z. B. zylindrisch ausgebildeten Bolzen über eine gummielastische Fe derung<B>27</B> auf die Innenelektrode 21 übertragen. Die äussere (Kontakt)-Elektrode 23 wird ebenfalls über ein Andruckorgan bei zwischengeschalteter gleichfalls gummielastischer Federung<B>28</B> und 28a von der ge meinsamen Kraft<B>26</B> oder von einer separaten Kraft 26a mit der erforderlichen Andruckkraft versorgt.
Das Andruckorgan selbst ist im einzelnen nicht dargestellt, da hinreichend geeignete Ausführungen bekannt sind. Nach Fig. 3 der Zeichnung besteht dieses aus zwei ineinanderverschiebbaren Hohlzylin dern. Wichtig hierbei ist, dass in bekannter Weise bei der Bemessung der Elektroden die Abmessung der Auflagefläche 24 wesentlich grösser ist als der Schweissquerschnitt 18, so dass es an der Kontakt fläche 24 nicht zu Schweisserscheinungen kommt, sondern die Schweissung nur an der Auflage des Werkstückes<B>17</B> gegenüber dem Blech<B>19</B> bewirkt wird. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung stellt den einfachsten Fall des zu beschreibenden Teiles der Maschine dar.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dar gestellt, das besonders dann angewandt wird, wenn z. B. vorher fertig bearbeitete Wellen im Inneren von Töpfen oder dergleichen angeschweisst werden sollen. In der Fig. 4 bedeuten 30 und 30a einen aus dünnem Blech bestehenden Topf, an den ein ge schliffener Bolzen<B>31</B> an einer Fläche<B>32</B> ange schweisst werden soll. Hier ist eine topfförmig ausge bildete Innenelektrode<B>33</B> innen mit einer konischen Fläche 34 versehen. In die Elektrode<B>33</B> ragt ein zylinderförmiger, unten mit einem konischen Bund versehener Hilfselektrodenschaft 35 hinein, und zwar so, dass die konische Aussenfläche 36 des Einsatzes <B>35</B> der konischen Innenfläche 34 der Innenelektrode <B>33</B> eng anliegt. Diese Berührungsstellen 34 und<B>36</B> sind zweckmässig hartverchromt, stark versilbert oder auch poliert.
Der Einsatz<B>35</B> ist längsgeschlitzt.
Wenn es sich darum handelt, ein Werkstück, z. B. eine polierte Welle 3 1, so zu umfassen, dass keine Einbrandstellen an der Aussenfläche der Welle <B>31</B> erzeugt werden, so werden auch die Innenflächen des Einsatzes<B>35</B> sehr glatt ausgeführt. Beim An pressen der Innenelektrode<B>33</B> drückt diese zunächst auf die konische Berührungsfläche<B>36</B> und damit den geschlitzten Hilfselektrodenschaft 35 an das Werk stück 31, so dass es an der Berührungsstelle 32 zwischen Werkstück<B>31</B> und Blech<B>30</B> zu einer satten Schweissung kommt. Die übrigen Bezeichnungen ent sprechen denen der Fig. 3.
Durch die in Fig. 1 bis 4 dargestellte Anordnung gelingt es, ein Minimum an Streufluss zu erzielen, es kann sogar so weit kommen, dass der Streufluss Null wird, denn die Bandleiter 5, 7 bzw. 22, 25 er zeugen praktisch kein äusseres Streufeld, ebensowenig die beiden koaxialen Elektroden 4, 6 bzw. 23, 21 bzw. 23, 33. Deshalb lässt sich die beschriebene Ma schine vorzugsweise in allen solchen Fällen benutzen, bei denen ein dünnes Blech mit Armaturen ver schweisst werden soll, ohne dass seine isolierende und wärmeempfindliche Rückseite durch Wärme zersetzt wird. Je nach Art des Rückseitenbelages können verschieden hohe Temperaturen zugelassen sein. Dies kann dadurch berücksichtigt werden, dass durch ge eignete Formgebung der Elektroden, unter Beibehal tung der koaxialen Anordnung, die Grösse des Streu flusses variiert wird. So kann z.
B. die Temperatur bei Aluminium höher sein, wenn es sich darum han delt, beim Aufschweissen von Armaturen auf Alumi niumplatten eine oberflächliche Eloxalschicht oder eine sonstige Oberflächenbelegung des Aluminiums thermisch nicht zu beschädigen. In diesem Falle wer den dann nicht runde, sondern z. B. viereckige Elek trodenpaare, die schachtelförmig ineinanderstehen, angewendet. Hilfsweise kann auch die Rückseite mit einer Kühlvorrichtung versehen werden, z. B. mit einer dickeren Kupferplatte oder mit einem wasser gekühlten, hydraulisch angepressten Gummikissen. Es können anderseits aber auch die Impulse so kurz gemacht und die umgesetzte Energie so klein gehal ten werden, dass nur die Mikrozone (z. B. 0, 1 mm tief) verschweisst wird, derart, dass die entwickelte Wärmemenge im Schweisspunkt nicht ausreicht, um die Rückseite unzulässig aufzuheizen.
Bei grösseren Schweissobjekten braucht auch bei der Impulsschweissung der Strom eine gewisse Ab stiegszeit, für einen Maximalbetrag von<B>100 000 A</B> z. B. eine Grösse von<B>10</B> ms, da die naturgegebenen Induktivitäten von Transformatoren zu überwinden sind und ein beliebig schneller Stromanstieg nicht möglich ist. In solchen Fällen ist es ratsam, 'bereits bei einem kleinen Bruchteil des Anpressdruckes die Schweissung auszulösen, so dass der Strom zuneh mend mit dem Druck ansteigt. Dadurch wird be wirkt, dass bei jedem Strom ein für ihn optimaler Druck herrscht.
Würde man dagegen erst bei Anlie gen des vollen Druckes die Schweissung auslösen, so würde das dazu führen, dass zwischen den beiden Werkstücken ein ausserordentlich kleiner übergangs- widerstand herrscht, mit dem Effekt, dass infolge die ses kleinen Widerstandes mitunter kaum eine Schweisserwärmung stattfindet und es zu keiner gu ten oder gar keiner Schweissung kommen kann.
Des halb ist es zweckmässig, bereits in dem Augenblick, C, el in dem die Werkstücke nur lose aufeinanderliegen, den Schweissstrom einsetzen zu lassen, um schon dann die erste Spur des Schmelzbades zu erzeugen. Im weiteren Verlauf der Schweissung wächst das Schmelzbad an unter zunehmendem Strom, bei gleich zeitigem entsprechendem Druckanstieg, so dass die Maxima des Anpressdruckes und des Stromes zusam menfallen.
Neben den bereits beschriebenen Anwendungsge bieten können das beschriebene Verfahren und die beschriebene Maschine auch besonders dort einge setzt werden, wo flächige Werkstücke mit Bolzen winkeln oder sonstigen Armaturen einseitig zu ver schweissen sind und die Werkstoffrückseite nicht zu gänglich ist. Insbesondere kommen hierfür u. a. Aluminiumplatten in Frage, die mit Haltewinkeln für Aussenbekleidungen an Gebäuden in zunehmen dem Umfange als Wärmeschutzisolation Verwendung finden. Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, wird der Anwendungsbereich des Verfahrens und der Ma schine der genannten Art wesentlich erweitert und können nun auch dort eingesetzt werden, wo bisher das Schweissen nicht möglich war.
Resistance pulse welding process and machine for carrying out the process The patent relates to a resistance pulse welding process, which is preferably intended for welding fittings or the like on one side insulated sheets, sheets with inaccessible back or with thermally sensitive back.
This type of welding requires a special procedure, otherwise the rear surface will be damaged. One such welding process is the so-called Graham process, in which by means of a short arc between a stud and the sheet metal surface, this is initially melted superficially and the workpiece is pressed on immediately afterwards. In the case of resistance welding, the workpiece is pressed against the sheet metal by means of one electrode, while the other electrode is in electrical contact with the sheet metal. The welding is then carried out with a brief current surge, usually by discharging a capacitor. The actual working conditions, the current strength and the welding time, are so critical here that the process can practically no longer be used with thin sheets. So z.
B. when welding cladding sheets of electrical devices with sheet thicknesses of <B> 1 </B> mm or less due to the heat generated by the welding point, the back is thermally damaged and, if it is a layer of paint, turn out to be unsightly. Therefore, all of these processes are only used for comparatively thick sheet metal.
It is the object of the invention to address these disadvantages. to 'eliminate and enable a process with the help of which thin, one-sided insulated or painted sheets without damaging the back. can be electrically welded. The method according to the invention is characterized in that the energy and the duration of a welding current pulse entering and exiting at a flat welding point of the welding material are dimensioned in such a way that the welding heat generated heats a predetermined area around the welding point to a temperature below a predetermined limit temperature at most .
In the case of spot welding, z. B. heated the welding point of the sheet material hemispherically to the maximum permissible temperature, so that the radius of this hemisphere just corresponds to the sheet thickness or is a little below. In this case, the time-specified surge of welding energy is expediently generated either by a direct or transformed capacitor discharge with a preferably aperiodic course or by means of ductile storage. The welding energy can also be part of a half sine wave of a low frequency. Alternating current can be taken in phase control or generated by discharging an accumulator.
The patent also relates to a machine for implementing the method according to the invention. This machine with welding current pulse generation by capacitor discharge is preferably used to He aiming very short and steep pulses for double or multiple point or seam welding and has an expediently almost iron-free transformer with preferably extremely strong coupling. An almost iron-free transformer is understood to mean a transformer in which the iron core plays a subordinate role. Iron will always bring a certain benefit in terms of efficiency as long as the magnetization reaches small values.
In transformers that work with very high magnetic excitation, the iron core is completely oversaturated when idling and thus has a permeability of practically 1, i.e. H. it acts like an air transformer. When the transformer of the machine to carry out the process according to the invention one therefore cultivates z. B. omit the ma magnetic circuit of the transformer and only the inside of the coil with metal sheets auszufül len to improve the start-up characteristics with even small currents.
The welding electrodes and their supply and discharge lines are on one and the same side of the welding point, and the supply and discharge lines are arranged and dimensioned to keep the inductance small and to generate a minimum of leakage flux so that the inductance of the welding circuit is short-circuited Weld well-power supply electrodes is below 0.1 H, the electrodes are arranged coaxially to one another.
For this purpose, the supply lines. of the welding electrodes and the common counter-electrodes are designed as flat copper strips and the welding electrodes are arranged at a mutual distance of 0.3 to 1 mm in such a way that one half of the electrode tips protrudes through recesses in the other electrode strip, while the other half of the electrode tips on the out saved electrode tape is attached. It is useful here to arrange several electrode sets in different arrangements one behind the other on the same pair of belts in such a way that a different or differently spaced weld point arrangement is achieved by choosing the support point of the rear electrode.
As is well known, the advantages of pulse welding are that current densities of 100,000 A / cm2 and more can easily be achieved on the secondary side, with the current flow having subsided after a duration of 2.10-3 to 2.10-2 seconds. Despite these advantages, the pulse welding process was initially applicable to a few suitable small work pieces using known machines. Only with machines of the type mentioned above could the process be applied to larger workpieces. Although the field of application has been expanded to such an extent, it has been found that the method cannot readily be used generally with these machines. It was like that
B. not possible, please include welding fittings onto thin sheets, and certainly not if these thin sheets were seen with a protective layer on one side or a varnish.
The electrodes of the machine according to the invention are preferably cylindrical over their entire length or partially. The inner of the coaxial Electro has the appropriate one. Bore which is conically widened at its end facing the welding point and has a longitudinally slotted, collet-like insert that is adapted to the conical widening. This insert is intended to receive a workpiece to be welded to a surface of a workpiece and to clamp it under the action of the welding pressure force. Furthermore, the electrode shaft can be detachably connected to the feed device assigned to the electrode.
Expediently, electrodes assigned to one another are connected to one another by elastic spacers and these electrodes are jointly exposed to the welding pressure force, whereby the machine can be designed in such a way that the welding current is switched on when a predetermined part of the welding pressure force is reached and the maxima of the welding current strength and the welding pressure force are reached simultaneously .
In the drawing, essential parts of exemplary embodiments of the machine according to the invention are shown. In connection with this, the method according to the invention is also tert erläu, for example. 1 shows part of a welding arrangement in longitudinal section, FIG. 2 shows part of an arrangement for determining the proportion of the resistance of the welding point in the total resistance of the circuit, FIG. 3 shows an arrangement for welding a screw to a sheet metal with an insulating layer on the back , in section, Fig. 4 shows an arrangement for welding a bolt to the inside of the bottom of a pot, in section.
According to Fig. 1, a thin sheet 1 is covered with a lacquer or insulating layer 2 backwards. A screw j with a hollowed-out head is selected as the fitting to be welded on and is to be attached to the sheet metal 1 by means of what is known as a coaxial weld. During this coaxial welding, a hollow cylindrical pressure electrode 4 presses the screw <B> 3 </B> onto the sheet metal <B> 1. </B> The electrode 4 is connected to the strip conductor <B> 5 </B>. The other electrode 6, which is also hollow-cylindrical, is arranged around this pressure electrode 4. It is connected to a second electrode strip 7 and is in electrical contact with the sheet metal <B> 1 </B>. Since welding should not occur between this electrode <B> 6 </B> and the sheet metal <B> 1 </B>, its cross-section is selected to be comparatively large.
The electrode strips <B> 5 </B> and <B> 7, </B> instead of flexible, if possible, can be inserted in low-induction flat strands, are in a known manner with a welding transformer <B> (11, </ B > 12 in Fig. 2) or another welding current source.
The method now consists in choosing the extent of the annular melting zone <B> 8 </B> in the present case to be so small by designing the time program and measuring the energy for the electrical heating compared to the sheet metal thickness, and indeed calculably so small that after the end of the welding process and migration of the heat, the layer boundary between the sheet <B> 1 </B> and its support 2 is heated to the maximum permissible temperature of the support. These relationships are entered in the form of isothermal curves 9 and 10 in FIG. The isotherm 10 would then represent the maximum allowable temperature of the coated rear side.
The calculation is carried out in a simplified form as follows for a single weld point. The isotherm has in the final state, so 'when reaching the lower boundary layer, hemispherical shape. The electrical energy investment required for this isotherm <B> d. </B> h. Energy consumption is then given by
EMI0003.0000
in which
EMI0003.0001
So z. B. for sheet steel of r <B> <I> = </I> 1 </B> mm, γ-8 mg / mm3 and c = 0.1 cal / g'C and an assumed maximum permissible temperature jump of < B> 100 'C, </B> as is portable for lacquer or insulating layers 2, an electrical energy investment of
EMI0003.0002
1 - - 8 - 0.1 - 10-3 - 100 = 0.16 cal and with 1 Ws 0.239 cal E = 0.63 Wattsee.
Almost the same amount also flows into the material of the material of the fitting 3, so that this corresponds to a doubling of the amount, that is <B> <I> E </I> = 1.26 </B> Wattsee. This extraordinarily small electrical energy should therefore be aimed for, and it would nevertheless be sufficient to achieve in a smaller hemispherical zone of about 1/2 of the volume enclosed by the isotherm <B> 10 </B>, corresponding to about 1 / _I mm radius in selected example to exceed the melting temperature and ensure a welding. Since energy losses now also occur in the circuit, these must be determined and taken into account when carrying out the process. The sum of both then results in the electrical energy to be invested.
How the lost energy can be determined is shown in FIG. 2, in which the same coaxial electrode arrangement as in FIG. 1 is selected. The strip conductors 5 and 7 are connected to the secondary winding 11 of a transformer, e.g. B. a pulse transformer is closed, the iron core 12 is only indicated schematically. If the strip conductor <B> 7 </B> is now interrupted at the point 13 and a direct current from the power source <B> 16 </B> is sent through the entire arrangement by means of the two connecting wires 14, you can scan the Determine potentials by means of a mirror galvanometer 15 or the like, how high the total resistance of the welding circuit is and also how high the special proportion between pressure electrode 4, fitting <B> 3 </B> and sheet metal <B> 1 </B> is.
In general, you will not get beyond 10% of the resistance of the actual welding point compared to the overall circle. In the example mentioned, a total energy of 10. 1.26 = 12.6 Wsec. to choose. This energy must now be supplied to the welding object for such a short time that heat does not migrate into the workpiece while the electric current is flowing, i.e. only weld nuggets of the specified size are formed. Tests have shown that for 1 mm sheet thickness the welding time is less than 10 msec. must be, with a sheet thickness of 0.3 mm below about 1 msec. The permitted welding time therefore decreases more than the sheet thickness.
This seems plausible, since with decreasing sheet metal thickness the welding energy decreases according to the hemispherical volume with the third power, and the heat conduction accordingly plays an <U> always </U> bigger role, even during the short pulse duration. With an assumed welding time of 1 ms, the peak power of 12.6 kWatt results at 12.6 Wsec welding energy, i.e. a not inconsiderable value.
The required electrical energy surge can be generated in various ways. In the usual and known manner, for. B. a transformed capacitor discharge is used, but direct capacitor discharges can also be used. Other possibilities are that an in ductile store is discharged or that the known phase control method is used.
The method can also be used with larger sheet metal, thick and very good thermally conductive material, e.g. B. aluminum, preferably to use in order to avoid changes in the surface by recrystallization by choosing the exit temperature of the welding heat below the permitted critical temperature, as described <B> '</B>. The size of the fittings is to be selected according to this temperature.
Now that special accumulators for extremely short discharges during photo flash lamp operation have become known, such chemical-electrical energy storage devices can also be used to generate the impact energy.
The above-mentioned disadvantages of the previously known methods are eliminated by the method described, and there is now the possibility of welding very thin, single-sided sheets without damaging the back.
According to FIG. <B> 3 </B> should a screw <B> 17 </B> with its head through a weld <B> 18 </B> with a thin sheet <B> 19 </B> that with an insulating back layer 20, e.g. B. a plastic plating or other paint is provided, be welded. The electrode arrangement suitable for this consists of an inner hollow-cylindrical electrode 21, which is connected to an upper strip conductor 22 and is arranged in an outer electrode 23 which is also hollow-cylindrical. This outer electrode touches the sheet metal <B> 19 </B> in the contact surface 24 and is connected to a lower strip conductor <B> 25 </B>. Both strip conductors are connected to the poles of a pulse welding transformer (not shown in FIG. 3).
The contact pressure for the inner welding electrode 21 is supplied by a force acting in the direction of the arrow 26 and by a z. B. Cylindrical bolts are transferred to the inner electrode 21 via a rubber elastic Fe 27 </B>. The outer (contact) electrode 23 is likewise actuated by the common force 26 or by a separate force 26 a with the necessary force via a pressure element with an interposed likewise rubber-elastic suspension 28 and 28a Pressure force supplied.
The pressure element itself is not shown in detail, since sufficiently suitable designs are known. According to Fig. 3 of the drawing, this consists of two telescoping Hohlzylin countries. It is important here that, in a known manner, when dimensioning the electrodes, the dimension of the support surface 24 is significantly larger than the weld cross-section 18, so that there are no welding phenomena on the contact surface 24, but the weld only on the support of the workpiece <B > 17 </B> opposite the sheet <B> 19 </B>. The device shown in Fig. 3 represents the simplest case of the part of the machine to be described.
In Fig. 4, a further embodiment is shown, which is particularly used when, for. B. previously finished shafts are to be welded inside of pots or the like. In FIG. 4, 30 and 30a mean a pot made of thin sheet metal, to which a ground bolt <B> 31 </B> is to be welded on a surface <B> 32 </B>. Here, a pot-shaped inner electrode 33 is provided with a conical surface 34 on the inside. A cylindrical auxiliary electrode shaft 35, provided with a conical collar at the bottom, protrudes into the electrode 33 in such a way that the conical outer surface 36 of the insert 35 matches the conical inner surface 34 of the inner electrode <B> 33 </B> fits tightly. These contact points 34 and <B> 36 </B> are expediently hard-chrome-plated, heavily silver-plated or also polished.
The insert <B> 35 </B> is slit lengthways.
If it is a question of a workpiece, e.g. B. a polished shaft 3 1, so that no burn-in points are generated on the outer surface of the shaft <B> 31 </B>, then the inner surfaces of the insert <B> 35 </B> are made very smooth. When the inner electrode <B> 33 </B> is pressed, it first presses on the conical contact surface <B> 36 </B> and thus the slotted auxiliary electrode shaft 35 on the workpiece 31, so that it is at the contact point 32 between the workpiece B> 31 </B> and sheet metal <B> 30 </B> result in a full weld. The other designations correspond to those of FIG. 3.
The arrangement shown in FIGS. 1 to 4 makes it possible to achieve a minimum of leakage flux, it can even go so far that the leakage flux becomes zero because the strip conductors 5, 7 and 22, 25 practically do not generate any external leakage field Neither do the two coaxial electrodes 4, 6 or 23, 21 or 23, 33. Therefore, the machine described can preferably be used in all those cases in which a thin sheet metal with fittings is to be welded without its insulating and heat-sensitive back is decomposed by heat. Depending on the type of rear side covering, different high temperatures can be permitted. This can be taken into account in that the size of the leakage flux is varied by appropriately shaping the electrodes while maintaining the coaxial arrangement. So z.
For example, the temperature of aluminum can be higher if it is a matter of not thermally damaging a superficial anodized layer or any other surface covering of the aluminum when welding fittings on aluminum plates. In this case who the then not round, but z. B. square electrode pairs, which are in a box-shaped manner, used. Alternatively, the back can also be provided with a cooling device, e.g. B. with a thick copper plate or with a water-cooled, hydraulically pressed rubber cushion. On the other hand, the impulses can also be made so short and the converted energy kept so small that only the micro-zone (e.g. 0.1 mm deep) is welded so that the amount of heat developed in the weld point is not sufficient to heating the rear inadmissible.
With larger objects to be welded, even with pulse welding, the current needs a certain amount of time to rise, for a maximum amount of <B> 100,000 A </B> z. B. a size of <B> 10 </B> ms, since the natural inductances of transformers have to be overcome and an arbitrarily rapid current increase is not possible. In such cases it is advisable to start the weld with a small fraction of the contact pressure, so that the current increases with the pressure. This ensures that there is an optimal pressure for each stream.
If, on the other hand, the welding were only triggered when the full pressure was applied, this would lead to an extraordinarily small contact resistance between the two workpieces, with the effect that as a result of this small resistance there is sometimes hardly any welding heating no good or no welding can occur.
It is therefore advisable to let the welding current begin at the moment, C, el, in which the workpieces are only loosely on top of one another, in order to then produce the first trace of the weld pool. In the further course of the welding, the weld pool grows with increasing current, with a corresponding rise in pressure at the same time, so that the maxima of the contact pressure and the current coincide.
In addition to the application areas already described, the method described and the machine described can also be used where flat workpieces with bolts or other fittings are to be welded on one side and the rear of the material is not accessible. In particular, this includes u. a. Aluminum plates in question, which are increasingly used with brackets for external cladding on buildings as thermal insulation. As can be seen from the above, the scope of the method and the machine of the type mentioned is significantly expanded and can now also be used where welding was previously not possible.