Bolzenschweissvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Bolzenschweissvorrich tung der Art, in ;denen ;beispielsweise ein Bolzen zu nächst in Berührung mit einem Werkstück gehalten wird, während ein Strom durch die Grenzfläche zwischen diesen beiden Teilen fliesst, worauf der Bolzen von dem Werkstück .abgezogen wird, um einen Zündlichtbogen zu zünden, dann der Bolzen im Abstand von dem Werk stück gehalten wird, während .ein Schweisslichtbogen erzeugt wird,
indem über die von dem Zündlichtbogen hergestellte ionisierte Strecke ein Strom :geführt wird, und schliesslich der Bolzen, gegen das Werkstück gei drückt wird, so dass das geschmolzene, aneinandemliegende Teile d es Bolzens und :des Werkstücks vereinigt werden. Zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse muss die Er wärmung -der einander berührenden Teilen des Bolzens und des Werkstücks im Augenblick der Vereinigung der Teile einen bestimmten Wert aufweisen.
Oft schwankt jedoch die von dem Schweisslichtbogen erzeugte Wärme, weil beispielsweise,die Anspeisung für den Schweisslicht bogen nicht stabil ist. Beispielsweise nimmt die abge gebene Leistung von Gleichstrom-Motorgeneratoren und Gleichrichtern bei steigender Temperatur im allgemeinen ab; die Spannung von Batrien nimmt bei rascher Entladung ab, und die Netzleistung schwankt infolge des gleichzeitigen Anschlusses anderer Verbraucher.
Die erfindungsgemässe Lösung bezweckt daher eine Kompensation der Schwankungen der Heizwirkung eines Schweisslichtbogens durch eine Regelschaltung, !die im wesentlichen aus einem Messglied bestehen kann, das über ,eine Blindwiderstandskopplung die Stromstärke des Schweisslichtbogens misst, so dass dieser unterbrochen werden kann, wenn eine vorherbestimmte Wärmemenge erzeugt worden ist.
Zu dessen Zwecke umfasst die erfindungsgemässe Bolzenschweissvorrichtung eine .erste .Einrichtung ,zum Halten von zwei miteinander zu verschweissenden Teilen in einer Schweissstellung, eine zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Schweissstroms, .eine dritte Einrichtung mit einem Leiter zur Zuführung :des Stroms, der von der zweiten Einrichtung :
durch die beiden Teile fliesst, eine vierte Einrichtung, die mit dem genannten Strom induktiv gekoppelt ist und .einen mit dem Strom in einer Funktionsbeziehung stehenden Impuls erzeugt, eine .auf diesen Impuls ansprechende fünfte Einrichtung zur Er zeugung eines Steuersignals, und eine auf das Steuer signal .ansprechende sechste Einrichtung zum Abtrennen der dritten von der zweiten Einrichtung, wenn ,der Strom in Abhängigkeit von der Stromstärke und der Zeit eine vorgewählte Wärmemenge erzeugt hat.
In einer Bolzenschweissvorrichtung dieser Art kann die Blindwiderstandskopplung aus einer Drosselspule mit sättigbarem Kern bestehen, die direkt mit .einem Gleich richter gekoppelt ist, auf !den ein Speicher anspricht. Letzterer kann ein Übergangsnetzwerk bilden, Idas auf Grund des Anlegens einer Spannung von der Drosselspuke mit sättigbarem Kern eine Ladung bis. zu einem vorher bestimmten Wert speichert :und .an eine Doppelbasis diode .anlegt, die beim Erreichen dieses vorgewählten Wertes einen Impuls erzeugt.
Infolge dieses Impulses wird :der Schweisslichtbogen vorzugsweise in dem Augen blick, in dem oder in Wärme verwandelte Anteil des Schweissstroms einen vorherbestimmten Wert erreicht, unterbrochen.
In einer Steuerschaltung .der vorstehend angegebe nen Art kann die Relativstellung des Bolzens und des Werkstücks durch eine Anordnung mit einem Hub- Elektromagneten und einer Rückstellfeder bestimmt werden. In einem derartigen System arbeiten :die Steuer schaltung und die mechanischen Teile der Bolzen- schweissvorrichtung vorzugsweise meiner sehr einfachen Weise unter Erzielung ungewöhnlich genauer Ergebnisse zusammen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei nun auf die nachstehende ausführliche beispielsweise Be schreibung an Hand der Zeichnung verwiesen. In diesen zeigt: Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Bolzen- schweissvorrichtung, Fig. 2 in übertriebener Darstellung im Querschnitt eine Ausführungsform .eines Bauteils der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 in übertriebener Darstellung im Querschnitt eine Ausführungsform eines anderen Bauteils der Vor richtung nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt eine Bolzenschweisspistole 20, eine Steuerschaltung 22 und eine Zeitbegrenzungsschaltung 24. (dachstehend wird zunächst die Pistole 20 mit einem Bolzen 26 und einem Werkstück 28 beschrieben. Dann werden die Steuer schaltung 22 und die Zeitbegrenzungsschaltung 24 im Zusammenhang mit Odem Betrieb der Pistole 20 und der Beziehung ihrer Bauteile beschrieben.
Die Pistole 20 besitzt ein Spannfutter 30 zum Hal ten eines Bolzens 26. Das Spannfutter 30 ist in dem Gehäuse 32 der Pistole 20 hin und her bewegbar. Es wird von einer Feder 34 auswärts gedrückt und kann von einem Elektromagneten 36 einwärtsgezogen werden. Das Spannfutter -ist so eingerichtet, dass es in das Gehäuse 32 gedrückt wird, wenn die Pistole von Hand gegen das Werkstück 28 gedrückt wird.
Dabei wird der Bolzen 26 gegen das Werkstück 28 gedrückt, während die Bewegung der Pistole<I>gegen</I> das Werkstück durch einen geeigneten Anschlag 37 begrenzt wird. Wenn im Betrieb der Drücker 38 der Pistole 20 be tätigt wird, zieht der Elektromagnet 36 den Bolzen 26 von dem Werkstück 28 ab, so dass zwischen dem Bolzen und :dem Werkstück ein Zündlichtbogen gezün det wird. Wie nachstehend erläutert wind, gestattet dann die Steuerschaltung 22 das Fliessen eines Schweiss stroms zum Erhitzen und Schmelzen der aneinander liegenden Teile des Bolzens 26 und des Werkstücks 28.
Wenn die Zeitbegrenzungsschaltung 24 zeigt, dass eine vorgewählte Wärmemenge .erzeugt worden ist, gibt der Elektromagnet 36 das Spannfutter 30 frei, so dass die Feder 34 den Bolzen 26 gegen :das Werkstück 28 drücken kann. Im allgemeinen entspricht diese Schweiss pistole einer bekannten Ausführung.
Die Steuerschaltung 22 weist im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise einen Wechselstromnetzanschluss 40, einen Gleichrichter 42 zur Erzeugung von Gleich strom zum Speisen des Elektromagneten 36 (welcher der Klarheit halber sowohl mechanisch als auch elektrisch gezeigt ist), und :entsprechende Schalter .auf. Insbeson dere besitzt :die Steuerschaltung die folgernden Bestand teile, die an Hand ihrer Funktionen bezeichnet werden. Der Drückerschalter 38 (welcher der Klarheit halber sowohl mechanisch als auch elektrisch gezeigt ist) be sitzt einen Arbeitskontakt. Bei der Betätigung des Drückerschalters 38 von Hand wird eine Relaisspule 44 von der Quelle 40 mit Wechselstrom gespeist.
Da durch werden die Arbeitskontakte 46, 47 und 48 ge schlossen und wird der Ruhekontakt 49 geöffnet. Durch das Schliessen des Kontakts 48 wird der Elektroma- gnet 36 eingeschaltet, so dass er den Bolzen 26 von dem Werkstück 28 abhebt. Ferner wird in dem Schweiss- Stromkabel 50 ein Strom erzeugt, der zur Bildung eines Zündlichtbogens zwischen (dem Bolzen und dem Werk stück führt. Der Kontakt 47 dient als Haltekontakt, so dass der Stromfluss von der Quelle 40 aufrechterhal ten wird, wenn der Drücker 38 freigegeben wird.
Durch das Schliessen des Kontakts 46 wird eine Schützspule 52 eingeschaltet, die einen Kontakt 54 für die Bildung des Schweisslichtbogens schliesst. Durch das Öffnen des Ruhekontakts 49 wird der Kurzschluss des Kondensators 72 beseitigt. Durch das Schliessen :des Drückerschalters 38 wird ferner Wechselstrom von der Quelle 40 an eine Drosselspule 56 mit sättigbarem Kern angelegt. Diese Drosselspule wird nachstehend an Hand der Zeitbegren zungsschaltung 24 beschrieben.
Die Drosselspule 56 mit sättigbarem Kern besitzt zwei Ringe 58, 60 aus einem vorübergehend magneti- sierbaren Materialbeispielsweise Weicheisen oder Fer rit. Diese Kerne sind' mit in Reihe gegeneinanderge schalteten Wechselstromwicklungen 62, 64 versehen, die mit einem der Wechselstromquelle 40 parallel ge schalteten Belastungswiderstand 66 in Reihe geschaltet sind. Wenn an dem Widerstand 66 und der Drossel spule 56 :eine Wechselspannung anliegt, fliesst infolge des hohen Blindwiderstandes der Kerne nur ein sehr schwacher Strom, so dass an dem Belastungswiderstand nur ein unwesentlicher Spannungsabfall erfolgt. Das den Schweissstrom führende Kabel 50 läuft in der ge zeigten Weise durch die Mitte dieser Kerne.
Wenn ein Schweissstrom fliesst, induziert er in den Kernen ein stär keres Magnetfeld, so dass ihr Blindwiderstand herab gesetzt wird. Das heisst, dass der Wechselstrom-Blind widerstand dem Gleichstrom-Magnetfeld umgekehrt pro portional und dieses der Stromstärke in dem Schweiss kabel 50 ,direkt proportional ist. Wenn der Schweissstrom in dem Kabel den Blindwiderstand der Kerne herab setzt, fliesst in dem Belastungswiderstand 66 ein Wech- selstrom, so dass an dem Widerstand 66 ein Spannungs abfall vorhanden ist. Die an Odem Belastungswider- stand 66 liegende Wechselspannung ist daher dem Schweissgleichstrom in dem Kabel proportional.
Diese Wechselspannung wird in der nachstehend beschriebenen Weise gleichgerichtet und für den Betrieb der Zeit begrenzungsschaltung verwendet.
Der Spannungsabfall an dem Widerstand 66 wird von :einer Gleichrichterbrücke 70 gleichgerichtet, die über einen Regelwiderstand 74 einen Kondensator 72 auflädt. Diesem ist ein Trimmwiderstand 76 paralle1 geschaltet. Der Widerstand 74 und der Kondensator 72, zusammen mit dem Trimmwiderstand 76, haben eine RC-Charakteristik, die von der Stromstärke in dem Ka bel 50 und der von Hand erfolgten :Einstellung des Wi derstands 74 .abhängig ist. Wenn die Spannung an dem Kondensator 72 einen gewählten Wert erreicht, zündet eine Doppelbasisdiode 80 und ein gesteuerter Gleich richter 82 ist infolge der an dem Widerstand 95 ent wickelten Vorspannung leitend.
Es wird daher das Relais 98 eingeschaltet, Idas durch Öffnen des Kontakts 100 ein Relais 44 ausschaltet. Dadurch wird der Drük- ker-Haltekontakt 47 und der Kontakt 46 geöffnet, so dass das Relais 52 ausgeschaltet wird. Dieses unterbricht durch Öffnen des Kontakts 54 den Schweissstrom. Das Relais 44 schaltet ferner durch Öffnen des Kontakts 48 .den Elektromagneten 36 der -Schweisspistole aus, so dass der Bolzen 26 gegen das Werkstück 28 ge drückt wird. Durch das Schliessen des Kontakts 49 be wirkt das Relais 44 eine Entladung des Kondensators 72, der damit für den nächsten Schweissvorgang vorbe reitet wird.
Solange der Drückerschalter 38 :geschlossen gehalten wird, leitet der gesteuerte Gleichrichter 82 und wird das Relais 98 eingeschaltet gehalten, so dass eine Doppelzündung der Schaltung verhindert wird. Die an die Doppelbasisdiode 80 angelegte Spannung wird :durch eine Zenerdiode 86 geregelt, die einen konstanten Span nungsabfall hat. Die Zenerdiode 86 wird von einer Gleichrichterbrücke 88 über eine CR-Kopplung <B>90,92</B> gespeist.
Ohne zusätzliche Stromkreiselemente könnten !die Doppelbasisdiode 80 und der gesteuerte Gleichrich- ter 82 beigeschlossenem Drückerschalter 38 nur funk tionieren, wenn der Bolzen 26 ,mit einem geerdeten Werkstück 28 :in Berührung steht, weil sonst in dem Kabel 50 kein Schweissstrom zur Betätigung der Doppel basisdiode 80 fliesst. Daher ist .eine zweite Zeitbegren zungsschaltung vorgesehen, die eine Doppelbasisdiode 81 und eine RC-Strecke 94, 96 aufweist.
Wenn der gesteuerte Gleichrichter 82 leitet, wird gewöhnlich ein Relais 98 eingeschaltet, das durch Öffnen seines Kon takts 100 das Relais 44 ausschaltet. Dieses schaltet durch Öffnen seines Kontakts 46 :das Relais 52 aus, -das :durch Öffnen seines Kontakts 54 den SchweissStrom unterbricht. Wenn der Bolzen 26 dagegen nicht :geerdet ist, wird die RC-Strecke 94, 96 innerhalb einer kurzen Sicherheitsperiode von z. B. zwei Sekunden auf die Zündspannung .aufgeladen. Am Ende dieser Sicherheits periode, in der die Doppelbasisdiode 80 nicht zündet, wird :die Doppelbasisdiode 81 gezündet, so dass an einem Widerstand 95 eine Vorspannung entwickelt wird, die genügt, um den gesteuerten Gleichrichter 82 leitfähig zu machen, so dass das Arbeitsspiel beendet wird.
Gemäss Fing. 2 besitzt jede Doppelbasisdiode eine Platte 102 aus n-Silizium. Mit der einen Seite der Siliziumplatte 102 sind keramische Basiskontakte 104 und 106, die ohmsche Widerstände bilden, durch ge trennte Goldschichten 108 und<B>110</B> verbunden. Ein ein ziger p-Emitter 112, beispielsweise aus Aluminium, ist .an der anderen Seite der Platte 102 mit einer Grenz- fläche angeschmolzen, die der einen Basis näher liegt als der anderen, so dass die Einrichtung unsymmetrisch ist. Im normalen Betrieb der Doppelbasisdiode ist die Ba sis 104 über einen Widerstand geerdet und :die Basis 106 mit einer Plusspannungsquelle verbunden, die eine positive Vorspannung an die Basen anlegt.
Diese Vor spannung bewirkt, dass in der Siliziumplatte 102 ein Strom fliesst und ein elektrisches Feld erzeugt wird und auf der n-Seite der Emitter-Grenzfläche eine Span nung erhalten wird, die eine Funktion n der zwischen den Basen angelegten Spannung VBB ist. Die Funktion n wird als das Eigen-Abstandsverhältnis bezeichnet. Wenn die angelegte Emitterspannung VE kleiner ist,als nVBB, liegt an der Emitter-Grenzfläche eine Sperrvorspannung und fliesst indem Emitterstromkreis nur ein kleiner Ab leitungsstrom.
Wenn VE um einen Betrag, der dem Durchlass-Spannungsabfall der Emitterstrecke entspricht, grösser ist als nVBB, steigt der Emitterstrom, wobei die Strecke zwischen dem Emitter 102 und der Basis 104 gegenüber ihrem vorherigen Zustand stark leitfähig wird.
Der gesteuerte Gleichrichter 82 ähnelt allgemein einem gewöhnlichen Gleichrichter, der nur in der Durch- lassrichtung von einer in Fig. 3 dargestellten Anode 116 zu .einer Kathode 114 leitet. Der gesteuerte Gleichrich ter 82 ist jedoch auch in der Durchlassrichtung ,ge sperrt, bis zwischen einer Steuerleitung 118 und einer Kathode 114 eine kleine Spannung angelegt wird, die als Zündspannung bezeichnet wird.
Dann leitet der Gleich richter, auch wenn,der Steuerstrom unterbrochen wird, bis der Strom von der Anode zur Kathode unter ein gegebenes Minimum sinkt, das als Haltestromstärke be zeichnet wird. Zwischen der Anode 116 und der Ka thode 114 sind hintereinander ein Träger 120, eine pnp-Anordnung 122 und eine pn-Anordnung 124 vor gesehen. Die pnp-Anordnung 122 besteht aus Silizium schichten 126, 128 und 130. Die pn-Anordnung 124 besteht aus einer Siliziumschicht 130 und einer Gold antimonschicht 132. Die Steuerleitung 118 ist an die Schicht 130 angeschlossen. Der gesteuerte Gleichrichter 82 ist im wesentlichen eine pnpn-Einheit, an deren innere p-Schicht eine Steuerleitung angeschlossen ist.
Im Betrieb muss die Spannung zwischen der Steuer leitung und der Kathode ein vorbestimmtes Minimum überschreiten, damit eine Leitfähigkeit :erhalten wird. Wenn eine Stromleitung stattfindet, dauert sie auch bei Wegnahme der Steuerspannung an, bis die Strom stärke unter ein vorbestimmtes Minimum sinkt, worauf der gesteuerte Gleichrichter bei offener Steuerleitung wieder in .den in der Durchlassrichtung gesperrten Zu stand zurückkehrt.
Nachstehend wird ein vollständiger Schweissvorgang beschrieben: Durch das Schliessen des Drückerschalters 38 wird das Steuerrelais 44 eingeschaltet, welches ein gleich- zeitiges Schliessen der Kontakte 46, 47 und 48 bewirkt. Zur gleichen Zeit wird der Ruhekontakt 49 geöffnet, so dass der Kondensator 72 geladen werden kann. Durch das Schliessen des Kontakts 47 wird der Drückerschal ter 38 überbrückt.
Durch das Schliessen des Kontakts 46 wird die Spule 52 des Schweissschützes .eingeschaltet, so dass dessen Kontakt 54 geschlossen wird. Durch das Schliessen :des Kontakts 48 wird der Elektromagnet 36 eingeschaltet, so dass der Bolzen 26 von dem Werk stück 28 abgehoben :und ein Zündlichtbogen gezündet wird. Bei geschlossenem Kontakt 54 fliesst ein Schweiss strom durch :das Schweisskabel 50. Der Schweissgleich strom bewirkt, dass am Belastungswiderstand 66 eine Wechselspannung auftritt. Diese Wechselspannung wird von :dem Gleichrichter 70 gleichgerichtet und dient zum Laden :des Kondensators 72 über den Widerstand 74.
Das Ende des Schweissvorgangs wird durch die Strom stärke ,in :dem Kabel 50 und,die Einstellung des Wider standes 74 bestimmt. Am Ende des Schweissvorgangs zündet die Doppelbasisidiode 80 :und erzeugt einen Impuls, der den gesteuerten Gleichrichter 82 leitfähig macht, so dass das Relais 98 gespeist wird. Dieses schaltet :durch Öffnen seines Kontakts 100 das Relais 44 aus, so dass die Kontakte 47, 46 und 48 geöffnet wer den und der Kontakt 49 :geschlossen wird. Infolgedessen entfällt die Überbrückung .des Drückerschalters und wird das Relais 52 stromlos, so @dass der Schweissstrom im Kabel 50 unterbrochen wird.
Ferner wird der Elektro magnet 36 ausgeschaltet, der Bolzen zur Bildung einer Schweissverbindung in eine Lache aus schmelzflüssigem Metall getaucht und der Kondensator 72 entladen, so dass er in .den Ausgangszustand für einen weiteren Schweissvorgang zurückkehrt.
Nachstehend werden zahlenmässige Werte von Be standteilen des dargestellten Ausführungsbeispiels ange geben:
EMI0003.0053
Widerstand <SEP> 92 <SEP> 470 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 94 <SEP> 82 <SEP> 000 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 95 <SEP> 47 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 97 <SEP> 470 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 74 <SEP> 0-500 <SEP> 000 <SEP> Ohm, <SEP> Potentiometer
<tb> Widerstand <SEP> 66 <SEP> 40 <SEP> Ohm
<tb> Kondensator <SEP> 90 <SEP> 10 <SEP> mF
<tb> Kondensator <SEP> 96 <SEP> 10 <SEP> .mF
<tb> Kondensator <SEP> 72 <SEP> 20 <SEP> mF
<tb> Widerstand.
<SEP> 76 <SEP> 0-50 <SEP> 000 <SEP> Ohm, <SEP> Potentiometer Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung stellt eine neuartige Bolzenschweissvorrichtung dar, die bei ungewöhnlicher Einfachheit mit nur wenigen Bau teilen eine wirksame Zeitbegrenzung eines Bolzen schweissvorgangs !durch Integration der erzeugten Ener gie bewirkt.
Da .in der vorstehend beschriebenen Anordnung im Rahmen der Erfindung verschiedene Abänderungen möglich sind, sollen die in der Beschreibung oder in der Zeichnung gemachten Angaben nur der Erläuterung der Erfindung dienen, ohne dass diese darauf eingeschränkt ist.