Verfahren zur elektrischen Widerstandsschweissung von piezoelektrischen Kraftmesselementen, insbesondere Druckgebern Die Erfindung bezieht sich lauf ein Verfahren Dur elektrischen Widerstandsschweissung von piezoelek trischen Kraftmesselementen, insbesondere Druck gebern, welche Elemente eine das Piezoelement und eine Isolierhülse :enthaltende Vorspannhülse und ein an diese angeschweisstes Anschlussstück aufweisen.
Die Piezoelemente solcher Druckgeber bestehen im allgemeinen aus einem zwischen Elektroden einge spannten Schichtquarz, der<B>je</B> nach der auf ihn ausge übten Druckspannung eine mehr :oder weniger grosse elektrische Ladung an die Elektroden abgibt. Diese Signale werden verstärkt und beispielsweise einem Messgerät, einem Kathodenstrahloszillographen oder einer anderen Anzeigevorrichtung zugeführt, die ein Ablesen oder Sichtbarmachen des Druckverlaufes, d, -m der Druckgeber ausgesetzt ist, ermöglicht.
Damit der Druckgeber linear arbeitet, muss dem Piezoele- ment eine anfängliche Vorspannung gegeben werden. Dadurch wird die an Iden Berührungsflächen von Schichtquarz und Elektroden stets vorhandene und auch bei einwandfreiem Schliff dieser Flächen unver meidbare Spaltfederung, .die als nicht erfassbarer Un sicherheitsfaktor in das Messergebnis eingehen würde, ausgeschaltet bzw. unwirksam gemacht.
Um jede Un sicherheit des Messergebnisses auszuschliessen und den Druckgeber auch in Druckbereichen unter dem Atmo sphärendruck verwenden zu können, erhaltendie Piezo- elemente üblicherweise eine höhere Vorspannung, als zur Ausschaltung der Spaltfederung erforderlich ist. Um bei der Serienfertigung von Druckgebern der gleichen Bautype im gesamten Druckbereich .gleiche Messergebnisse zu erhalten, muss .die Vorspannung aller Piezoelemente möglichst gleich gross sein. Die Erfüllung dieser Forderungen bereitet ,insbesondere bei der Herstellung von Druckgebern kleiner und kleinster Abmessungen, wie sie z.
B. zur Messung des Druckverlaufes in den Zylindern von Brennkraft- maschinen verwendet werden, meist erhebliche ferti gungstechnische Schwierigkeiten.
Bisher sind hauptsächlich zwei Verfahren zum Aufbringen der Vorspannung an piezoelektrischen Druckgebern bekanntgeworden. Nach dem einen Ver fahren werden die anschlussseitig verlängert ausge führte und mit Innengewinde versehene Vorspann hülse und .ein mit einem passenden Aussengewinde versehenes Gegenstück mittels eines Drehmoment schlüssels in einem .solchen Masse gegeneinander ver spannt, dass das zwischen Vorspannhülse und Gegen stück eingespannte Piezoelement die gewünschte Vor spannung erhält. Die Gewindereibung, aber auch der Zustand des Drehmomentschlüssels stellen kaum er fassbare Unsicherheitsfaktoren dar,
so dass mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens nur eine relativ grobe Einstellung der Vorspannung ,des Piezoelementes möglich ist. Eine befriedigende Übereinstimmung der Messergebnisse von Druckgebern der gleichen Bau type ist hierbei nicht zu erwarten.
Nach dem zweiten bekannten Verfahren werden Vorspannhülse und Gegenstück an der Stelle ihres Zusammenschlusses mit Flanschen versehen und wei sen gegenüber dem eingesetzten Piezoelement ein vorbestimmtes Untermass auf. Die Flanschen kom men somit :erst miteinander an Berührung, wenn Vor spannhülse und Gegenstück durch äussere Einwir kung einer Druckkraft gegeneinander gepresst werden. Hiebei erhält das Piezoelement ;eine Vorspannung, deren Wert einzig und allein vom vorgenannten Unter mass, d. h. von der Bearbeitungsgenauigkeit von Vor spannhülse, Gegenstück und Psezoelement abhängt.
Abgesehen davon, dass die geforderte Masshaltigkeit der Teile eine hohe Präzision bei der Bearbeitung er fordert und daher relativ grosse Kosten verursacht, ist zum Verspannen von Vorspannhülse und Gegenstück, beispielsweise durch Umbördeln, :ein zusätzlicher Bauteil erforderlich. Eine sichere und genaue Ein stellung .der Vorspannung auf ,ihren Sollwert ist auch nach diesem Verfahren nicht möglich. Diesen Mängeln der bekannten Verfahren zu begegnen ,und den Zusammenbau piezoelektrischer Druckgeber bei präziser Einstellung des Sollwertes der Vorspannung zu ermöglichen, ist Ziel des erfin dungsgemässen Verfahrens.
Dieses besteht darin, dass die Vorspannhülse und das Anschlussstück zueinander zentriert, mit schmalen ringförmigen Stossflächen zu sammengefügt und anschliessend zwischen den Hohl elektroden eines elektronisch gesteuerten Wider standsschweissgerätes mit regelbarem Elektroden druck geschweisst werden, wobei mit einem an das Piezoelement engeschlossenen Messgerät die Vorspan nung des Piezoelementes laufend gemessen und die Schweissung erst bei Erreichen einer vorbestimmten Vorspannung des Piezoelementes beendet wird.
Vor teilhaft kann die Schweissung selbsttätig durch einen Eingriff der der Vorspannung des Piezoelementes ent- sprech2nden elektrischen Messgrösse in die elektroni sche Steuerungseinrichtung des Widerstandsschweiss gerätes beendet werden. Da die Vorspannung des Piezoelementes unmittelbar von diesem selbst gemes sen wird, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, den Sollwert der Vorspannung mit grosser Genauigkeit einzustellen. Von besonderem Vorteil ist dies beim serienmässigen Zusammenbau piezoelektrischer Druckgeber, .da hiedurch eins korrekte Übereinstim mung der Vorspannung, somit auch der Messergeb nisse der einzelnen Druckgeber gewährleistet ist.
Durch selbsttätige Steuerung des Schweissvorganges kann die Präzision des erfindungsgemässen Verfah rens infolge des Fortfalles individueller Einflüsse noch weiter gesteigert werden. Ausserdem ergibt sich dadurch eine wesentliche Vereinfachung in der Be dienung des Schweissgerätes.
Vorzugsweise werden Vorspannhülse und An schlussstück mit während des Schweissens auf den Stirnflächen der Hohlelektroden anliegenden, gross flächigen Ringflanschen hergestellt und nach dem Schweissen gemeinsam abgedreht und auf Fertigmass geschliffen. Auf diese Weise wird eine Erwärmung der zu verschweissenden Teile im Bereich der Berüh- rungsflächen mit den Elektroden verhindert und ein einwandfreier Stromübergang erzielt, .so dass sich die Erwärmung stets auf Iden unmittelbaren Bereich der Schweissnaht beschränkt.
Dadurch ergibt sich eine vollkommen dichte und gleichmässige Schweissver bindung von Vorspannhülse und Anschlussstück. Durch die nachfolgende Bearbeitung erhält der Druckgeber seine endgültige raumsparende Form. Nach diesem Verfahren hergestellte Druckgeber eig nen sich deshalb insbesondere zur Verwendung bei beengten Raumverhältnissen. Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachste hend! an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die An ordnung der Geräte zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen Axialschnitt eines nach dem erfindungs gemässen Verfahren geschweissten, zwischen Hohl elektroden eingespannten Druckgebereinsatzes, Fig. 3 den Bereich der Schweissnaht vor Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im teilweisen Axial schnitt in vergrössertem Massstab, Fig. 4 eine Ansicht des Druckgebereinsatzes nach der Schweissung .und Fig. 5 eine Ansicht des fertig bearbeiteten Druck gebereinsatzes der Fig. 4.
Der Druckgebereinsatz 1 in Fig. 1 ist zwischen die Hohlelektroden 6 -und 7 :eines elektronisch gesteu erten Widerstandsschweissgerätes 8 mit regelbarem Elektrodendruck eingesetzt. Das Piezoelement des Druckgebereinsatzes 1 ist über eine Messleitung 9 mit einem Piezoverstärker 10 verbunden, an den ein Messgerät 11 angeschlossen ist. Der Piezoverstärker 10 ist mittels :einer Steuerleitung mit der elektronischen Steuerungseinrichtung 12 des Widerstandsschweiss gerätes 8 verbunden.
Der Druckgebereinsatz 1 besteht aus einem zylin drischen Piezoelement 2, beispielsweise einem Schichtquarz, dessen Mantelfläche von einer Isolier- hülse 3 umgeben und mit dieser in eine einseitig abge schlossene Vorspannhülse 4 eingesetzt ist. Koaxial zur Vorspannhülse 4 schliesst an deren freiem Ende ein axial durchbohrtes Anschlussstück 5 an, durch dessen Bohrung die Messleitung 9 des Piezoelementes 2 herausgeführt ist. Die Vorspannhülse 4 und das Anschlussstück 5 liegen mit ihren schmalen ringför migen Stossflächen 13, 14 aneinander. Im Bereich in nerhalb dieser ringförmigen Stossflächen 13, 14 wei sen die Vorspannhülse 4 und das Anschlussstück 5 ringförmig.- Ausnehmungen auf, die zusammen einen Ringraum 16 bilden.
Die Wandungen des Ring raumes 16 sind zu den Stossflächen 13, 14 hin als Schrägflächen 17, 18 gleicher Neigung ausgebildet. Der Zweck dieser Ausbildung wird später näher erläutert. Zwischen Vorspannhülse 4 und Anschluss stück 5 ist ein Ringspalt 19 ausgespart, in den das obere Ende der Isolierhülse 3 hineinragt, wobei sie Vorspannhülse 4 und Anschlussstück 5 zueinander zentriert. Letztere Teile sind mit grossflächigen Ring flanschen 20, 21 versehen, die während des Schwei ssens auf den Stirnflächen der Hohlelektroden 6, 7 des Schweissgerätes 8 aufbiegen.
Das :erfindungsgemässe Verfahren arbeitet nun wie folgt: Nach dem Einsetzen des Piezoelementes 2 und der Isolierhülse 3 in die Vorspannhülse 4 wird das Anschlussstück 5 mit seinem zylindrischen Ansatz in die Isolierhülse 3 eingeschoben, bis sich die schma len ringförmigen Stossflächen 13 und 14 von Vor spannhülse 4 und Anschlussstück 5 berühren.
Die Hohlelektroden 6, 7 des Widerstandsschweissgerätes 8, von denen die eine längs einer Parallelführung mit tels eines pneumatischen Stellzylinders verschiebbar ist, werden nun so weit voneinander entfernt, dass der vormontierte Druckgebereinsatz 1 eingesetzt werden kann. Hierauf wird die Messleitung 9 des Piezoele- mentes 2 an den Piezoverstärker 10 angeschlossen.
Die Hohlelektroden 6 und 7 werden anschliessend mittels der pneumatischen Verstelleinrichtung einan der so weit genähert, dass ihre Stirnflächen mit den Ringflanschen 20 und 21 des Druckgebereinsatzes 1 in Berührung kommen. Das Widerstandsschweissge rät 8 wird hierauf eingeschaltet und die Elektroden 6 und 7 werden mittels der pneumatischen Verstellein richtung unter Druck gesetzt. Durch den hohen Stromübergang an (den ;schmalen ringförmigen Stoss flächen 13, 14 kommt es an dieser Stelle zu einer Erwärmung bis zum Schmelzfluss des Materials.
Wäh rend .des Verschweissens bewirkt der Elektrodendruck eine weitere Annäherung von Vorspannhülse 4 und Anschlussstück 5, so dass das zwischen diesen beiden Teilen eingesetzte Piezoelement 2 eine zunehmende Vorspannung erhält. Die Grösse dieser Vorspannung ist am Messgerät 11 ablesbar. Das im Piezoverstärker 10 verstärkte Signal wird zugleich der elektronischen Steuereinrichtung 12 zugeleitet, die bei Erreichen der vorgegebenen Sollvorspannung den Schweisstrans formator des Widerstandsschweissgerätes 8 ausschal tet. Nach der Schweissung bleiben .die Hohlelektroden 6 und 7 noch kurzzeitig unter Druck, werden danach mittels der pneumatischen Verstelleinrichtung geöff net, und der Druckgebereinsatz 1 kann der weiteren Bearbeitung zugeführt werden.
Beim Abkühlen des geschweissten Druckgebereinsatzes 1 erfährt die Vor spannung das Piezoelementes 2 eine geringfügige Änderung, die empirisch ermittelt wird und bei der Festsetzung des Vorspannungs-Sollwertes zu berück sichtigen ist.
Nach beendeter Schweissung des Druckgeberein satzes 1 werden die Ringflanschen 20 und 21 in einem Arbeitsgang abgedreht und die solcherart ent standene, zylindrische Mantelfläche des Druckgeber einsatzes 1 in einem weiteren Arbeitsgang auf Fertig mass geschliffen (Fig. 4 und 5).
Für ein einwandfreies Gelingen der Schweissung ist die geometrisch richtige Ausbildung der Vorspann hülse 4 und des Anschlussstückes 5 im Bereich ihrer Stosskanten 13, 14 von wesentlicher Bedeutung. Die bereits oben erwähnte Ausbildung des Ringraumes 16 mit Schrägflächen 17 und 18 gleicher Neigung in Be zug auf die Berührungsebene ergibt gleichartig zuneh mende Materialquerschnitte oberhalb und unterhalb der Schweissnaht 15.
Dadurch wird eine symmetrische Wärmeableitung erzielt und die heisseste Stelle bleibt bei der Schweissnaht. Der Ringraum<B>16</B> dient ausser dem noch dazu, gegebenenfalls Metalltropfen und Kondensat aufzunehmen. Ein Vordringen solcher Fremdkörper bzw. Verunreinigungen zum Piezoele- ment 2 durch den an den Ringraum 16 anschliessen den Zentrier-Ringspalt 19 wird durch die darin be findliche Isolierhülse 3 verhindert.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich für piezoelektrische Kraftmesselemente verschiedenster Art und beschränkt sich keineswegs auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel.