Die Erfindung bezieht sich auf ein Bolzenschweissgerät zum Anschweissen von Metallbolzen an Metallwerkstücke, mit einem Bolzenhalter zur Halterung eines Metallbolzens, Lagermitteln zur längsverschiebbaren Lagerung des Bolzenhalters, Mitteln zur Bewegung des Bolzenhalters relativ zu den Lagermitteln in Längsrichtung des Bolzens, einem Kondensator und Mitteln zum Anschluss des einen Kondensatorpoles an den Bolzen und des anderen Kondensatorpoles an das mit dem Bolzen zu versehende Werkstück sowie Lademitteln für den Kondensator, wobei das Gerät einen Elektromagneten umfasst.
Ein bekanntes Bolzenschweissgerät dieser Art ist als Schweisspistole ausgebildet und hat als Mittel zur Bewegung des Bolzenhalters eine Druckfeder, die durch Zurückschieben des Bolzenhalters gespannt und mit Hilfe eines Elektromagneten in gespanntem Zustand gehalten wird und den Bolzenhalter bei Entspannung in Vorwärtsrichtung auf das Werkstück zu bewegt.
Bei diesem bekannten Bolzenschweissgerät werden als Bolzen zylindrische Metallbolzen mit einem Flansch an ihrem vorderen Ende und einem kurzen Fortsatz in der Mitte der vorderen Endfläche des Bolzens verwendet. Der Fortsatz ist normalerweise zylindrisch und hat einen im Vergleich zum Bolzenquerschnitt sehr geringen Querschnitt.
Zum Anschweissen eines solchen Bolzens an einem Werkstück wird bei dem bekannten Gerät zunächst der Bolzenhalter zurückgeschoben und damit die Druckfeder zur Bewegung des Bolzenhalters gespannt und in gespanntem Zustand durch den Elektromagneten gehalten, dann wird in den Bolzenhalter ein Bolzen eingesetzt und anschliessend die Schweisspistole in Position vor das Werkstück gebracht. Dann wird durch Betätigung eines Druckknopfes an der Schweisspistole der eingangs genannten Kondensator aufgeladen, und sobald die Kondensatorspannung eine vorbestimmte Höhe erreicht hat, wird der Elektromagnet automatisch abgeschaltet, und die erwähnte Druckfeder bewegt nunmehr den Bolzenhalter mit dem eingesetzten Bolzen auf das Werkstück zu.
Da der Kondensator mit einem Pol an den Bolzen und mit dem anderen Pol an das Werkstück angeschlossen ist, wird er vom Moment der Schliessung des Stromkreises über Bolzen und Werkstück an entladen, und durch diese Entladung wird der Bolzen dann mit dem Werkstück verschweisst.
Nun hat sich aber gezeigt, dass diese Verschweissung des Bolzens mit dem Werkstück in vielen Fällen, insbesondere bei Aluminiumbolzen, nur sehr mangelhaft war und schon ein relativ geringer Querdruck auf den Bolzen genügte, um den Bolzen wieder von dem Werkstück abzubrechen, und dass zudem bei einem geringen Prozentsatz der Fälle überhaupt keine Verschweissung des Bolzens mit dem Werkstück erreicht wurde.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Bolzenschweissgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem praktisch in jedem Fall eine Verschweissung des Bolzens mit dem Werkstück erreicht wird und dabei zumindest in der weitaus überwiegenden Zahl der Fälle eine gute und haltbare, gegen Querdruck auf den Bolzen unempfindliche Schweiss verbindung erzielt wird.
Erfindungsgemäss wird das mit einem Bolzenschweissgerät der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Elek tromagnet als Mittel zur Bewegung des Bolzenhalters vorgesehen und derart angeordnet ist, dass der Bolzenhalter bei Anzug des Elektromagneten in Vorwärtsrichtung auf das Werkstück zu bewegt wird.
Durch diese Ausbildung des Bolzenschweissgerätes ergibt sich der Vorteil, dass ein im wesentlichen prellungsfreies Aufsetzen des Bolzens auf das Werkstück erzielbar ist, und dies wiederum ist nach den gewonnenen Erfahrungen eine wesentliche Voraussetzung für die Erzielung der gewünschten haltbaren Schweissverbindungen zwischen Bolzen und Werkstück.
Vorteilhaft kann zusätzlich zur Erhöhung der Sicherheit eines prellungsfreien Aufsetzens in den Kraftübertragungsweg zwischen Elektromagneten und Bolzenhalter eine Druckfeder eingeschaltet sein, die zweckmässig so bemessen sein kann, dass das Produkt aus Federkonstante und maximalem Federweg der Druckfeder mindestens gleich der vollen Anzugskraft des Elektromagneten ist. Anstelle einer solchen Druckfeder oder auch zusätzlich zu dieser können ferner in den Kraft übertragungsweg zwischen Elektromagneten und Bolzenhalter auch Puffermittel eingeschaltet sein, beispielsweise ein Gummiblock.
Vorteilhaft kann weiter zur Erhöhung der Sicherheit eines prellungsfreien Aufsetzens die im Moment des Aufsetzens des Bolzens auf das Werkstück von dem Elektromagneten ausgeübte Anzugskraft verstellbar und damit an verschiedene Arbeitsbedingungen anpassbar sein. Hierzu können Stellmittel vorgesehen sein, die vorteilhaft z. B. aus einem verstellbaren Anschlag, mit dessen Hilfe der Luftspalt zwischen Magnetanker und Magnetkern des Elektromagneten im Moment des Aufsetzens des Bolzens auf das Werkstück verstellbar ist, und/oder aus einem in den Stromkreis der Magnetwicklung des Elektromagneten eingeschalteten veränderbaren Widerstand bestehen können.
Anhand der Zeichnung ist die Erfindung im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt das Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Bolzenschweissgerätes. Alle für die Erläuterung der Erfindung unwesentlichen Teile wurden in diesem Prinzipschema weggelassen. Diese für die Erläuterung der Erfindung unwesentlichen Teile können z. B. so ausgebildet sein wie bei dem oben erwähnten bekannten Bolzenschweissgerät.
Das in der Zeichnung dargestellte Bolzenschweissgerät umfasst einen Bolzenhalter 1 zur Halterung eines Metallbolzens 2. Als Metallbolzen 2 werden bei dem vorliegenden Bolzenschweissgerät die gleichen Metallbolzen wie bei dem oben erwähnten bekannten Bolzenschweissgerät verwendet.
Diese Metallbolzen 2 sind im wesentlichen zylindrisch und sind an ihrem vorderen Ende mit einem Flansch 3 versehen.
Die vordere Endfläche 4 der Bolzen 2 ist leicht konisch ausgebildet und trägt in ihrer Mitte einen zylindrischen Fortsatz 5 mit im Vergleich zum Bolzenquerschnitt sehr geringem Querschnitt.
Der Bolzenhalter 1 ist mit einem Anschlag 6 versehen, der mittels des Drehknopfes 7 verstellbar ist. Der Anschlag 6 kann entsprechend der Länge der Bolzen 2 eingestellt werden.
Der Bolzenhalter 1 ist in einer Führungsbüchse 8 längsverschiebbar gelagert. Die Führungsbüchse 8 wird im vorliegenden Fall von einer zylindrischen Ausnehmung in dem Magnetkern 9 des zur Bewegung des Bolzenhalters 1 vorgesehenen Elektromagneten gebildet. Dieser Elektromagnet umfasst weiter die auf dem Magnetkern aufgebrachte Ma gnetwicklung 10 und den in Achsrichtung des Bolzenhalters 1 beweglichen topfförmigen Magnetanker 11. Der Magnetanker
11 steht über die Druckfeder 12 inBewegungsverbindung mit dem Bolzenhalter 1.
An den Bolzenhalter 1 einerseits und an das mit dem Bol zen 2 zu versehende Werkstück 13 anderseits ist der Konden sator 14 angeschlossen. Zur Aufladung dieses Kondensators
14 ist weiter eine Ladeeinrichtung vorgesehen, die durch den
Transformator 15, den Gleichrichter 16, den Ladeschalter 17 und den Strombegrenzungswiderstand 18 symbolisiert ist.
Parallel zu dem Kondensator 14 ist ein Steuergerät 19 ge schaltet, das bei Überschreiten einer bestimmten Konden satorspannung den Stromkreis 20 der Magnetwicklung 10 des Elektromagneten schliesst und damit den Elektromagneten zum Anzug bringt. Steuergeräte wie das Steuergerät 19, die bei Überschreiten einer vorbestimmten oder einstellbaren
Spannung einen Stromkreis schliessen, sind an sich, beispiels weise auch von dem oben erwähnten bekannten Bolzen schweissgerät her, allgemein-bekannt. Nur der Vollständig keit halber ist innerhalb des Blockes 19 eine sehr einfache
Ausführungsform eines solchen Steuergerätes dargestellt; das Steuergerät umfasst ein Relais R mit einem Selbsthalte kontakt und dem Kontakt des zu schliessenden Stromkreises, eine Diode D und eine Spannungsquelle V mit einstellbarer
Spannung.
Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Bolzenschweissgerät kann ebenso wie das oben erwähnte bekannte Bolzenschweissgerät als Schweisspistole ausgebildet sein. Dabei können, ebenfalls in gleicher Weise wie bei dem bekannten Bolzenschweissgerät, die Ladeeinrichtung 15-18, der Kondensator 14, das Steuergerät 19, die Stromquelle 21 für den Elektromagneten und der zur Einstellung der Anzugskraft des Elektromagneten vorgesehene veränderbare Widerstand 23 in einem gesonderten Gerätekasten zusammengefasst sein, der mit dem Werkstück 13 und der Schweisspistole (Teile 1 und 612) über Zuleitungen verbunden ist.
Die Wirkungsweise des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels des vorliegenden Bolzenschweissgerätes ist folgende: Im Ruhezustand befindet sich der Bolzenhalter 1 in der in der Zeichnung dargestellten Lage und wird in dieser Lage durch die Spiralfeder 22 gehalten.
Zunächst wird nun in den Bolzenhalter 1 ein Bolzen 2 eingesetzt und gegebenenfalls der Anschlag 6 mittels des Drehknopfes 7 entsprechend der Länge des Bolzens 2 so nachgestellt, dass der Bokenflansch 3 einen bestimmten gewünschten Abstand vom vorderen Ende des Bolzenhalters 1 hat.
Anschliessend wird die Spannung der innerhalb des Steuergerätes 19 vorgesehenen einstellbaren Spannungsquelle V auf die Höhe der Spannung eingestellt, auf die der Kondensator 14 aufgeladen werden soll, und ferner wird mit dem Widerstand 23 der sich bei Schliessung des Stromkreises 20 ergebende Erregerstrom des Elektromagneten eingestellt und damit dessen maximale Anzugskraft festgelegt. Dann wird die die Teile 1, 6-12 und 22 umfassende Schweisspistole in Position vor das mit dem Bolzen 2 zu versehende Werkstück 13 gebracht. Danach wird der Ladeschalter 17 z. B. mittels eines am Handgriff der Schweisspistole angebrachten (nicht dargestellten) Druckknopfes geschlossen und damit die Aufladung, des Kondensators 14 eingeleitet.
Solange die Spannung am Kondensator 14 noch niedriger als die eingestellte Spannung der Spannungsquelle V im Steuergerät 19 ist, ist die Diode D im Steuergerät 19 in Sperrichtung vorgespannt, so dass in dem von dem Kondensator 14, der Spannungsquelle V, der Diode D und dem Relais R gebildeten Stromkreis kein Strom fliessen kann. Sobald nun die Spannung am Kondensator 14 die eingestellte Spannung der Spannungsquelle V überschreitet, wird die Diode D in Durchlassrichtung geschaltet und somit der Stromkreis des Relais R geschlossen. Das Relais R zieht daher an und schliesst den Stromkreis 20 sowie den weiter im Steuergerät 19 dargestellten Selbsthaltekontakt des Relais R.
Durch diese Schliessung des Selbsthaltekontaktes bleibt der Relaisstromkreis und damit der Stromkreis 20 der Magnetwicklung 10 des Elektromagneten auch dann geschlossen, wenn die Spannung des Kondensators 14 bei seiner anschliessenden Entladung wieder unter die eingestellte Spannung der Spannungsquelle V fällt, und wird erst dann wieder geöffnet, wenn der Kondensator 14 nahezu vollständig entladen ist. Das Relais R kann ausserdem noch einen weiteren (nicht dargestellten) Kontakt umfassen, mit dem der Ladestromkreis des Kondensators 14 geöffnet wird, solange der Stromkreis des Relais R geschlossen ist.
Mit der Schliessung des Stromkreises 20 durch das Relais R im Steuergerät 19 wird die Magnetwicklung 10 an die Stromquelle 20 angeschlossen. Dadurch wird nunmehr der Magnetanker 11 von dem feststehenden Magnetkern 9 angezogen und in Richtung auf den Kern (in der Zeichnung nach unten zu) in Bewegung gesetzt. Gleichzeitig mit dem Magnetanker 11 wird auch der mit diesem über die Druckfeder 12 bewegungsverbundene Bolzenhalter 1 auf das Werkstück 13 zu in Bewegung gesetzt, wobei der Bolzenhalter 1 durch die zylindrische Ausnehmung 8 im Magnetkern 9 gleitet und von dieser geführt wird.
Sobald nun der Fortsatz 5 am vorderen Ende des Bolzens 2 das Werkstück 13 erreicht hat oder diesem so nahe gekommen ist, dass die Feldstärke im Bereich zwischen diesem Fortsatz 5 und dem Werkstück 13 zur Zündung eines Lichtbogens ausreicht, wird der Entladestromkreis des Kondensators 14 über den Bolzen 2, dessen Fortsatz 5 und das Werkstück 13 geschlossen.
Es liess sich bisher noch nicht mit endgültiger Sicherheit feststellen, ob diese Schliessung des Entladestromkreises des Kondensators 14 tatsächlich erst im Moment der Berührung zwischen dem Fortsatz 5 und dem Werkstück 13 oder schon kurz vorher durch Zündung eines Lichtbogens zwischen Fortsatz 5 und Werkstück 13 erfolgt, jedoch ist dies für den eigentlichen Schweissvorgang nicht von wesentlicher Bedeutung, weil der Fortsatz 5 ja auch im Falle einer Schliessung des Entladestromkreises des Kondensators 14 durch Lichtbogenzündung praktisch unmittelbar nach einer solchen Zündung (wenige Mikrosekunden später) das Werkstück 13 berührt und damit den Entladestromkreis in gleicher Weise galvanisch schliesst, wie dies ohne eine solche Lichtbogenzündung der Fall gewesen wäre.
Sobald nun der Entladestromkreis des Kondensators 14 über den Bolzen 2, den Fortsatz 5 und das Werkstück 13 geschlossen ist, entlädt sich der Kondensator 14 über diesen Entladestromkreis, und da der Kondensator 14 eine sehr grosse Kapazität hat, ergeben sich bei dieser Entladung Stromstärken, die im Spitzenwert mehrere Kiloampere betragen können. Die jeweils vorhandene Kondensatorspannung teilt sich dabei proportional zu den Widerständen der einzelnen Abschnitte im Entladestromkreis auf diese Abschnitte auf, und da der Fortsatz 5 innerhalb des Entladestromkreises den mit Abstand geringsten Querschnitt hat, fällt ein grosser Teil der jeweiligen Kondensatorspannung über diesem Fortsatz 5 sowie in der unmittelbaren Nähe des Aufsetzpunktes des Fortsatzes 5 im Werkstück 13 ab.
Dadurch wird also ein grosser Teil der in dem Kondensator 14 gespeicherten Energie in diesem Fortsatz 5 sowie im Werkstück 13 am Aufsetzpunkt des Fortsatzes 5 umgesetzt. Dieser hohe und sehr rasch vor sich gehende Energieumsatz in Stromwärme führt zu einer beinahe explosionsartigen Schmelzung des Fortsatzes 5 und des Oberflächenbereiches des Werkstückes 13 am Aufsetzpunkt des Fortsatzes 5.
Es ist möglich, dass das, was man bisher als einen Lichtbogen zwischen dem vorderen Ende des Bolzens 2 und dem Werkstück 13 angesehen hat, in Wirklichkeit diese explosionsartig verlaufende und wegen der ausserordentlich starken Erhitzung mit einem hellen Lichtschein verbundene Schmelzung ist
Da also das Schmelzen des Fortsatzes 5 vom Moment der Berührung zwischen Fortsatz 5 und Werkstück 13 an ausser ordentlichraschvor sich geht, besteht im Prinzip die Möglichkeit, auch nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 den Bolzenhalter 1 mit dem Bolzen 2 gleichförmig weiter auf das Werkstück 13 hin zu bewegen.
Dies setzt aber voraus, dass das mechanische Bewegungssystem zur Bewegung des Bolzenhalters 1 hierzu geeignet ist, und das war bei dem oben erwähnten bekannten Bolzenschweissgerät, wo eine Druckfeder zur Bewegung des Bolzenhalters auf das Werkstück zu verwendet wurde, offensichtlich nicht der Fall, und zwar hauptsächlich wohl deswegen nicht, weil diese Druckfeder, die sich ja bei der Bewegung des Bolzenhalters auf das Werkstück zu entspannte, im Moment des Aufsetzens des Fortsatzes auf dem Werkstück schon nahezu entspannt war, so dass sie nicht mehr genügend potentielle Energie besass, um die Reflexion der Bewegungsenergie beim Auftreffen des Fortsatzes auf das Werkstück und damit ein Abprellen des Fortsatzes vom Werkstück praktisch zu unterdrücken.
Möglicherweise ist durch dieses Abprellen dann tatsächlich ein Lichtbogen zwischen Bolzen und Werkstück gezündet worden, der dann zu einer teilweisen Verbrennung der miteinander zu verschweissenden Flächen und dadurch dann zu der mangelhaften Haltbarkeit der Schweissstellen bei dem bekannten Bolzenschweissgerät geführt hat. Auf jeden Fall aber dürfte nach den gewonnenen Erfahrungen das bei dem bekannten Bolzenschweissgerät sich ergebende Abprellen eine der massgeblichen Ursachen für die schlechte Haltbarkeit der Schweissstellen bei diesem bekannten Gerät sein.
Um ein solches Abprellen zu verhindern und zu erreichen, dass sich der Bolzenhalter 1 mit dem Bolzen 2 auch nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 nahezu gleichförmig weiter auf das Werkstück 13 zu bewegt, und zwar in dem Sinne, dass sich der Spalt zwischen der vorderen Endfläche 4 des Bolzens 2 und dem Werkstück 13 kontinuierlich im Mass des Abschmelzens des Fortsatzes 5 verringert und das geschmolzene Material des Fortsatzes 5 nach und nach diesen Spalt ausfüllt, ist bei dem vorliegenden Bolzenschweissgerät zur Bewegung des Bolzenhalters 1 mit dem Bolzen 2 auf das Werkstück 13 zu der schon erwähnte, aus den Teilen 9, 10 und 11 bestehende Elektromagnet vorgesehen.
Denn bei diesem Elektromagneten ist der Luftspalt zwischen Magnetkern 9 und Magnetanker 11 im Moment des Aufsetzens des Fortsatzes 5 auf dem Werkstück 13 schon sehr gering, so dass der Elektromagnet eine sehr grosse Kraft auf den Bolzen 2 ausübt und genügend potentielle Energie hat, um ein Abprellen des Bolzens 2 von dem Werkstück 13 nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 praktisch vollständig zu unterdrücken. Diese von dem Elektromagneten auf den Bolzen 2 ausgeübte Kraft steigt mit der Weiterbewegung des Bolzens 2 auf das Werkstück 13 zu nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 noch an, weil sich der Luftspalt zwischen Magnetkern 9 und Magnetanker 11 dabei noch weiter verringert.
Die Unterdrückung eines Abprellens des Bolzens 2 vom Werkstück 13 ist bei dem vorliegenden Bolzenschweissgerät dadurch gewährleistet, dass sich der Elektromagnet im Moment des Aufsetzens des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 annähernd im Zustand seiner höchsten potentiellen Energie befindet (während sich demgegenüber die Druckfeder bei dem bekannten Bolzenschweissgerät im Moment des Aufsetzens des Fortsatzes auf das Werkstück im nahezu entspannten Zustand, d. h. also nahezu im Zustand ihrer niedrigsten potentiellen Energie, befand). Um die Sicherheit des prellungsfreien Aufsetzens noch weiter zu erhöhen, ist im Kraftübertragungsweg zwischen dem Magnetanker 11 des Elektromagneten und dem Bolzen 2 noch die Druckfeder 12 eingeschaltet, die, wie aus der Zeichnung ersichtlich, einen sehr kleinen Federweg hat, der vorteilhaft nur etwas grösser als die Länge des Fortsatzes 5 ist.
Die Federkonstante dieser Druckfeder 12 ist so bemessen, dass das Produkt aus Federweg und Federkonstante etwas grösser als die Maximalkraft des Elektromagneten ist.
Durch die Druckfeder 12 wird eine vollständig gleichförmige Weiterbewegung des Magnetankers 11 auf den Magnetkern 9 zu auch dann erreicht, wenn die Abschmelzgeschwindigkeit des Fortsatzes 5 und damit die Bewegungsgeschwindigkeit des Bolzens 2 auf das Werkstück 13 zu nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 geringer als die Bewegungsgeschwindigkeit des Bolzens 2 vor diesem Aufsetzen ist Der mit der gleichförmigen Weiterbewegung des Magnetankers 11 schnell ansteigende Druck auf den Bolzen 2 nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 verhindert dabei jede Möglichkeit eines Abprellens des Bolzens 2 vom Werkstück 13.
Anstatt der Druckfeder 12 können unter Umständen auch andere geeignete Puffermittel, z. B. ein Gummipuffer, verwendet werden.
Der Schweissvorgang läuft bei dem vorliegenden Bolzenschweissgerät nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 folgendermassen ab: Der grösste Widerstand innerhalb des Entladestromkreises des Kondensators 14 befindet sich an der Übergangsstelle zwischen Fortsatz 5 und Werkstück 13. Diese Stelle wird dementsprechend bei der Entladung des Kondensators 14 am stärksten erhitzt, so dass unmittelbar nach dem Aufsetzen des Fortsatzes 5 auf das Werkstück 13 das vordere Ende des Fortsatzes 5 abschmilzt und gleichzeitig der Bolzen 2 weiter auf das Werkstück 13 zu bewegt wird. Das abgeschmolzene Material des Fortsatzes 5 wird nach aussen gedrängt und umgibt die Aufsetzstelle. Es bringt die von ihm berührten Oberflächen des Werkstückes
13 und der vorderen Endfläche 4 des Bolzens 2 zum Anschmelzen.
Gleichzeitig wird weiteres Material von dem Fortsatz 5 abgeschmolzen und dadurch sowie wegen der laufenden Verschmälerung des Spaltes zwischen der vorderen Endfläche 4 des Bolzens 2 und dem Werkstück 13 infolge der Bewegung des Bolzens 2 auf das Werkstück 13 zu eine Bewegung des geschmolzenen Materials innerhalb dieses Spaltes vom Zentrum nach dem äusseren Rand des Spaltes zu verursacht. Sobald der Fortsatz 5 ganz abgeschmolzen ist, hat das geschmolzene Material den Spalt praktisch vollständig ausgefüllt. Während der Bewegung des geschmolzenen Materials in dem Spalt vom Zentrum zum Rand zu wird der Leitungsquerschnitt im Bereich des Spaltes immer grösser und damit der elektrische Widerstand über dem Spalt und somit aber auch der prozentuale Energieumsatz der Entladungsenergie des Kondensators 14 über dem Spalt immer geringer.
Am Ende des Vorganges, wenn der gesamte Spalt ausgefüllt ist, wird an dieser Übergangsstelle zwischen Bolzen 2 und Werkstück 13 praktisch keine Energie mehr umgesetzt. Der Elektromagnet übt jedoch jetzt seine grösste Kraft auf den Bolzen 2 aus und presst den Bolzen 2 dadurch so lange fest an das Werkstück
13, bis das Material an der Übergangsstelle zwischen Bolzen 2 und Werkstück 13 erkaltet und damit die Schweissverbindung hergestellt ist. Sobald der Kondensator 14 vollständig entladen ist, fällt das Relais R in dem Steuergerät 19 ab, und damit wird die Stromzufuhr zur Magnetwicklung 10 des Elektromagneten unterbrochen und die Spiralfeder 22, die während des Anzuges des Elektromagneten zusammengedrückt wurde, entspannt sich nunmehr und zieht dabei den Bolzenhalter 1 vom Bolzen 2 ab und bringt gleichzeitig den Elektro- magneten in seine Ausgangslage zurück.
Der Anschweissvorgang des Bolzens 2 an das Werkstück 13 ist damit beendet, und es kann nunmehr die Anschweissung eines weiteren Bolzens vorgenommen werden.
Anstelle der Spiralfeder 22 oder auch zusätzlich zu dieser kann ferner ein weiterer (nicht dargestellter) Elektromagnet zum Abziehen des Bolzenhalters 1 vom Bolzen 2 vorgesehen sein. Die Verwendung eines solchen Rückzugs-Elektromagneten empfiehlt sich insbesondere dann, wenn eine Automatisierung der Arbeitsweise des vorliegenden Bolzenschweissgerätes in dem im folgenden erläuterten Sinne vorgesehen ist.
Zum Zwecke einer solchen Automatisierung der Arbeitsweise kann das vorliegende Bolzenschweissgerät mit einer in bekannter Weise ausgebildeten Vorrichtung zum Zuführen und Einsetzen eines neuen Bolzens 2 in den Bolzenhalter 1 nach Abschluss des Anschweissvorganges bzw. vor Beginn des nächsten Anschweissvorganges versehen sein. Vorrichtungen dieser Art sind z. B. im Zusammenhang mit Einsetzautomaten für Beschlagteile bekanntgeworden und brauchen daher hier nicht näher erläutert werden. Durch eine solche Vorrichtung kann die Arbeitsgeschwindigkeit des vorliegenden Bolzenschweissgerätes wesentlich gesteigert werden.
Abschliessend sei noch auf folgendes hingewiesen: Das vorliegende Bolzenschweissgerät hat im Ergebnis zu wesentlich besseren und haltbareren Schweissstellen zwischen Bolzen und Werkstück geführt, als sie mit dem oben erwähnten bekannten Bolzenschweissgerät erreicht werden konnten.
Obwohl mit einiger Sicherheit angenommen werden darf, dass diese Verbesserungen auf den oben im einzelnen erläuterten Effekten beruhen, kann eine Festlegung auf diese Erläuterungen an dieser Stelle deswegen nicht erfolgen, weil die gesamten erläuterten Vorgänge innerhalb von wenigen Millisekunden vor sich gehen und demgemäss der Beobachtung dieser Vorgänge technische Grenzen gesetzt sind, die den vollständigen Ausschluss von Beobachtungsfehlern nicht erlauben. Fest steht jedoch, dass, aus welchem Grunde auch immer, mit dem vorliegenden Bolzenschweissgerät wesentlich bessere Ergebnisse als mit dem oben erwähnten bekannten Gerät erzielt werden und dass für diese besseren Ergebnisse eindeutig die erfindungsgemässe Ausbildung massgeblich ist.
The invention relates to a stud welding device for welding metal studs to metal workpieces, with a stud holder for holding a metal stud, bearing means for the longitudinally displaceable mounting of the stud holder, means for moving the stud holder relative to the bearing means in the longitudinal direction of the stud, a capacitor and means for connecting the one capacitor pole on the bolt and the other capacitor pole on the workpiece to be provided with the bolt, and charging means for the capacitor, the device comprising an electromagnet.
A known stud welding device of this type is designed as a welding gun and has a compression spring as the means for moving the stud holder, which is tensioned by pushing back the stud holder and held in the tensioned state with the help of an electromagnet and moves the stud holder in the forward direction towards the workpiece when released.
In this known stud welding device, cylindrical metal studs with a flange at their front end and a short extension in the middle of the front end face of the stud are used as the stud. The extension is usually cylindrical and has a very small cross-section compared to the cross-section of the bolt.
To weld such a stud to a workpiece, in the known device, the stud holder is first pushed back and thus the compression spring for moving the stud holder is tensioned and held in the tensioned state by the electromagnet, then a stud is inserted into the stud holder and then the welding gun is in position brought the workpiece. Then the above-mentioned capacitor is charged by pressing a push button on the welding gun, and as soon as the capacitor voltage has reached a predetermined level, the electromagnet is automatically switched off and the compression spring mentioned now moves the stud chuck with the inserted stud towards the workpiece.
Since one pole of the capacitor is connected to the stud and the other pole to the workpiece, it is discharged from the moment the circuit is closed via the stud and the workpiece, and this discharge then welds the stud to the workpiece.
However, it has now been shown that this welding of the bolt to the workpiece was only very poor in many cases, especially with aluminum bolts, and even a relatively low transverse pressure on the bolt was sufficient to break the bolt off the workpiece again, and that in addition In a small percentage of cases, no welding of the stud to the workpiece was achieved at all.
The invention was based on the object of creating a stud welding device of the type mentioned above, with which welding of the stud to the workpiece is achieved in practically every case and, at least in the vast majority of cases, good and durable resistance to transverse pressure the stud insensitive weld connection is achieved.
According to the invention, this is achieved with a stud welding device of the type mentioned in that the electromagnet is provided as a means for moving the stud holder and is arranged such that the stud holder is moved in the forward direction towards the workpiece when the electromagnet is activated.
This design of the stud welding device results in the advantage that the stud can be placed on the workpiece essentially without bruising, and this in turn is an essential prerequisite for achieving the desired durable welded connections between stud and workpiece, based on experience.
In addition to increasing the security of a bounce-free placement in the force transmission path between the electromagnet and the stud chuck, a compression spring can advantageously be switched on, which can be appropriately dimensioned so that the product of the spring constant and the maximum spring travel of the compression spring is at least equal to the full force of the electromagnet. Instead of such a compression spring or in addition to it, buffer means, for example a rubber block, can also be switched on in the force transmission path between the electromagnet and the stud holder.
Advantageously, in order to increase the security of a bounce-free placement, the tightening force exerted by the electromagnet at the moment when the bolt is placed on the workpiece can be adjusted and thus adapted to different working conditions. For this purpose, adjusting means can be provided, which advantageously z. B. from an adjustable stop, with the help of which the air gap between the armature and the magnet core of the electromagnet is adjustable at the moment the bolt is placed on the workpiece, and / or can consist of a variable resistor switched into the circuit of the magnet winding of the electromagnet.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing.
The drawing shows the basic diagram of an embodiment of the present stud welding device. All parts that are not essential for the explanation of the invention have been omitted from this basic diagram. This insignificant for the explanation of the invention parts can, for. B. be designed as in the above-mentioned known stud welding device.
The stud welding device shown in the drawing comprises a stud holder 1 for holding a metal stud 2. The metal studs 2 used in the present stud welding device are the same as in the known stud welding device mentioned above.
These metal bolts 2 are essentially cylindrical and are provided with a flange 3 at their front end.
The front end face 4 of the bolts 2 is slightly conical and has a cylindrical extension 5 in its center with a very small cross-section compared to the bolt cross-section.
The stud holder 1 is provided with a stop 6 which can be adjusted by means of the rotary knob 7. The stop 6 can be adjusted according to the length of the bolts 2.
The stud chuck 1 is mounted in a guide bush 8 so as to be longitudinally displaceable. In the present case, the guide bush 8 is formed by a cylindrical recess in the magnet core 9 of the electromagnet provided for moving the bolt holder 1. This electromagnet further comprises the magnet winding 10 applied to the magnet core and the cup-shaped magnet armature 11 which is movable in the axial direction of the stud holder 1. The magnet armature
11 is in movement connection with the stud chuck 1 via the compression spring 12.
To the stud holder 1 on the one hand and to the workpiece 13 to be provided with the Bol zen 2 on the other hand, the capacitor 14 is connected. To charge this capacitor
14, a charging device is also provided, which by the
Transformer 15, rectifier 16, charging switch 17 and current limiting resistor 18 is symbolized.
In parallel with the capacitor 14, a control unit 19 is switched on, which closes the circuit 20 of the magnet winding 10 of the electromagnet when a certain capacitor voltage is exceeded and thus attracts the electromagnet. Control devices such as the control device 19, which when a predetermined or adjustable
Voltage to close a circuit are generally known per se, for example also from the known stud welding device mentioned above. Only for the sake of completeness is a very simple one within block 19
Embodiment of such a control device shown; the control unit comprises a relay R with a self-holding contact and the contact of the circuit to be closed, a diode D and a voltage source V with adjustable
Tension.
The stud welding device shown schematically in the drawing, like the known stud welding device mentioned above, can be designed as a welding gun. The charging device 15-18, the capacitor 14, the control unit 19, the power source 21 for the electromagnet and the variable resistor 23 provided for adjusting the force of attraction of the electromagnet can be combined in a separate device box, also in the same way as in the known stud welding device which is connected to the workpiece 13 and the welding gun (parts 1 and 612) via supply lines.
The mode of operation of the exemplary embodiment of the present stud welding device shown schematically in the drawing is as follows: In the idle state, the stud holder 1 is in the position shown in the drawing and is held in this position by the spiral spring 22.
First, a bolt 2 is inserted into the bolt holder 1 and, if necessary, the stop 6 is readjusted by means of the rotary knob 7 according to the length of the bolt 2 so that the bolt flange 3 has a certain desired distance from the front end of the bolt holder 1.
Subsequently, the voltage of the adjustable voltage source V provided within the control device 19 is set to the level of the voltage to which the capacitor 14 is to be charged, and furthermore the excitation current of the electromagnet that results when the circuit 20 is closed is set with the resistor 23 and thus its maximum tightening force is set. Then the welding gun comprising the parts 1, 6-12 and 22 is brought into position in front of the workpiece 13 to be provided with the bolt 2. Then the charging switch 17 is z. B. closed by means of a attached to the handle of the welding gun (not shown) push button and thus the charging of the capacitor 14 is initiated.
As long as the voltage on the capacitor 14 is still lower than the set voltage of the voltage source V in the control unit 19, the diode D in the control unit 19 is biased in the reverse direction, so that in that of the capacitor 14, the voltage source V, the diode D and the relay R no current can flow. As soon as the voltage on the capacitor 14 exceeds the set voltage of the voltage source V, the diode D is switched in the forward direction and thus the circuit of the relay R is closed. The relay R therefore picks up and closes the circuit 20 as well as the self-holding contact of the relay R shown in the control unit 19.
Through this closure of the self-holding contact, the relay circuit and thus the circuit 20 of the magnet winding 10 of the electromagnet remains closed even if the voltage of the capacitor 14 falls below the set voltage of the voltage source V again during its subsequent discharge, and is only opened again when the capacitor 14 is almost completely discharged. The relay R can also include a further (not shown) contact with which the charging circuit of the capacitor 14 is opened as long as the circuit of the relay R is closed.
When the circuit 20 is closed by the relay R in the control unit 19, the magnet winding 10 is connected to the power source 20. As a result, the magnet armature 11 is now attracted by the stationary magnet core 9 and set in motion in the direction of the core (downwards in the drawing). Simultaneously with the magnet armature 11, the stud holder 1, which is connected to it via the compression spring 12, is set in motion towards the workpiece 13, the stud holder 1 sliding through the cylindrical recess 8 in the magnet core 9 and being guided by it.
As soon as the extension 5 at the front end of the bolt 2 has reached the workpiece 13 or has come so close that the field strength in the area between this extension 5 and the workpiece 13 is sufficient to ignite an arc, the discharge circuit of the capacitor 14 is via the Bolt 2, its extension 5 and the workpiece 13 are closed.
It has not yet been possible to determine with absolute certainty whether this closure of the discharge circuit of the capacitor 14 actually only takes place at the moment of contact between the extension 5 and the workpiece 13 or shortly beforehand by igniting an arc between the extension 5 and the workpiece 13, however this is not of essential importance for the actual welding process because the extension 5 touches the workpiece 13 practically immediately after such an ignition (a few microseconds later) even if the discharge circuit of the capacitor 14 is closed by arc ignition and thus the discharge circuit in the same way galvanically closes, as would have been the case without such an arc ignition.
As soon as the discharge circuit of the capacitor 14 is closed via the bolt 2, the extension 5 and the workpiece 13, the capacitor 14 discharges via this discharge circuit, and since the capacitor 14 has a very large capacity, this discharge results in currents which can be several kiloamps at its peak. The capacitor voltage present in each case is divided proportionally to the resistances of the individual sections in the discharge circuit on these sections, and since the extension 5 has by far the smallest cross-section within the discharge circuit, a large part of the respective capacitor voltage falls across this extension 5 and in the immediate vicinity of the touchdown point of the extension 5 in the workpiece 13.
As a result, a large part of the energy stored in the capacitor 14 is converted in this extension 5 and in the workpiece 13 at the contact point of the extension 5. This high and very rapid energy conversion into current heat leads to an almost explosive melting of the extension 5 and the surface area of the workpiece 13 at the contact point of the extension 5.
It is possible that what has hitherto been viewed as an arc between the front end of the bolt 2 and the workpiece 13 is actually this explosive melting which is associated with a bright light because of the extremely strong heating
Since the melting of the extension 5 from the moment of contact between the extension 5 and the workpiece 13 goes exceptionally fast, there is, in principle, the possibility, even after the extension 5 has been placed on the workpiece 13, to continue the stud holder 1 with the stud 2 uniformly to move the workpiece 13 towards.
This presupposes, however, that the mechanical movement system for moving the stud holder 1 is suitable for this purpose, and that was obviously not the case with the above-mentioned known stud welding device, where a compression spring was used to move the stud holder towards the workpiece, namely mainly probably not because this compression spring, which relaxed too much when the stud chuck moved towards the workpiece, was almost relaxed at the moment the extension was placed on the workpiece, so that it no longer had enough potential energy to reflect the To suppress kinetic energy when the extension strikes the workpiece and thus practically bounce off the extension from the workpiece.
This bouncing off may actually cause an arc to be ignited between the stud and the workpiece, which then led to partial burning of the surfaces to be welded together and thus to the poor durability of the welds in the known stud welding device. In any case, according to the experience gained, the bouncing off that occurs with the known stud welding device is likely to be one of the main causes of the poor durability of the weld points in this known device.
In order to prevent such a bouncing off and to ensure that the stud holder 1 with the stud 2 continues to move almost uniformly towards the workpiece 13 even after the extension 5 has been placed on the workpiece 13, in the sense that the gap moves between the front end surface 4 of the stud 2 and the workpiece 13 is continuously reduced to the extent of the melting of the extension 5 and the molten material of the extension 5 gradually fills this gap, is in the present stud welding device for moving the stud holder 1 with the stud 2 the workpiece 13 to the already mentioned, consisting of the parts 9, 10 and 11 electromagnet is provided.
Because with this electromagnet, the air gap between magnet core 9 and magnet armature 11 is already very small at the moment the extension 5 is placed on the workpiece 13, so that the electromagnet exerts a very high force on the bolt 2 and has enough potential energy to bounce off of the bolt 2 from the workpiece 13 after the extension 5 has been placed on, virtually completely suppressing it. This force exerted by the electromagnet on the bolt 2 increases with the further movement of the bolt 2 towards the workpiece 13 after the extension 5 has been placed, because the air gap between the magnet core 9 and magnet armature 11 is further reduced.
The suppression of the stud 2 bouncing off the workpiece 13 is ensured in the present stud welding device by the fact that the electromagnet is almost in the state of its highest potential energy when the extension 5 is placed on the workpiece 13 (while the compression spring in the known Stud welder was in the almost relaxed state at the moment the extension was placed on the workpiece, ie almost in the state of its lowest potential energy). In order to increase the safety of the bounce-free placement even further, the compression spring 12 is switched on in the power transmission path between the armature 11 of the electromagnet and the bolt 2, which, as can be seen from the drawing, has a very small spring travel, which is advantageously only slightly greater than the length of the extension is 5.
The spring constant of this compression spring 12 is dimensioned in such a way that the product of the spring deflection and the spring constant is somewhat greater than the maximum force of the electromagnet.
The compression spring 12 achieves a completely uniform further movement of the armature 11 towards the magnet core 9 even if the melting speed of the extension 5 and thus the speed of movement of the bolt 2 towards the workpiece 13 is lower after the extension 5 has been placed on the workpiece 13 than the speed of movement of the bolt 2 before this placement.The pressure on the bolt 2, which increases rapidly with the uniform further movement of the magnet armature 11 after the attachment 5 has been placed, prevents any possibility of the bolt 2 bouncing off the workpiece 13.
Instead of the compression spring 12, other suitable buffer means, e.g. B. a rubber buffer can be used.
With the present stud welding device, after the extension 5 has been placed on the workpiece 13, the welding process takes place as follows: The greatest resistance within the discharge circuit of the capacitor 14 is at the transition point between extension 5 and workpiece 13. This point is correspondingly when the capacitor is discharged 14 heated the most, so that immediately after the extension 5 has been placed on the workpiece 13, the front end of the extension 5 melts and at the same time the bolt 2 is moved further towards the workpiece 13. The melted off material of the extension 5 is pushed outwards and surrounds the contact point. It brings the surfaces of the workpiece touched by it
13 and the front end surface 4 of the bolt 2 for melting.
At the same time, further material is melted from the extension 5 and thereby and because of the ongoing narrowing of the gap between the front end surface 4 of the bolt 2 and the workpiece 13 as a result of the movement of the bolt 2 on the workpiece 13 to a movement of the molten material within this gap Center towards the outer edge of the gap. As soon as the extension 5 is completely melted, the melted material has practically completely filled the gap. During the movement of the molten material in the gap from the center to the edge, the line cross-section in the area of the gap becomes larger and larger and thus the electrical resistance above the gap and thus also the percentage of the discharge energy of the capacitor 14 above the gap decreases.
At the end of the process, when the entire gap is filled, practically no more energy is converted at this transition point between bolt 2 and workpiece 13. However, the electromagnet now exerts its greatest force on the bolt 2 and thereby presses the bolt 2 firmly against the workpiece for so long
13, until the material at the transition point between stud 2 and workpiece 13 has cooled down and the welded connection is thus established. As soon as the capacitor 14 is completely discharged, the relay R in the control unit 19 drops out, and thus the power supply to the magnet winding 10 of the electromagnet is interrupted and the spiral spring 22, which was compressed while the electromagnet was being drawn, now relaxes and pulls the Bolt holder 1 from bolt 2 and at the same time brings the electromagnet back into its starting position.
The welding process of the bolt 2 to the workpiece 13 is thus ended, and a further bolt can now be welded.
Instead of the spiral spring 22 or in addition to it, a further electromagnet (not shown) for pulling the stud holder 1 off the stud 2 can also be provided. The use of such a retraction electromagnet is particularly advisable when the operation of the present stud welding device is to be automated in the sense explained below.
For the purpose of such an automation of the operation, the present stud welding device can be provided with a device designed in a known manner for feeding and inserting a new stud 2 into the stud holder 1 after the welding process has been completed or before the start of the next welding process. Devices of this type are z. B. has become known in connection with automatic insertion machines for fittings and therefore do not need to be explained in more detail here. Such a device can significantly increase the working speed of the present stud welding device.
Finally, the following should be pointed out: The present stud welding device resulted in significantly better and more durable weld points between the stud and the workpiece than could be achieved with the known stud welding device mentioned above.
Although it can be assumed with some certainty that these improvements are based on the effects explained in detail above, a determination on these explanations cannot be made at this point because the entire processes explained take place within a few milliseconds and accordingly the observation of them Processes are technical limits that do not allow the complete exclusion of observation errors. What is certain, however, is that, for whatever reason, significantly better results are achieved with the present stud welding device than with the known device mentioned above and that the design according to the invention is clearly decisive for these better results.