DE102004011977A1

DE102004011977A1 - Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Herstellen kleiner und kleinster Schweißpunkte, und Gerät zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004011977A1
Application number: DE102004011977A
Authority: DE
Inventors: Josef Kranjc; Midhat Selimovic
Original assignee: SCHUETZ DENTAL GmbH; Schuetz-Dental GmbH
Current assignee: SCHUETZ DENTAL GmbH; Schuetz-Dental GmbH
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-09-22
Also published as: ITMI20050371A1; JP2005254331A

Abstract

Die Erfindung beruht auf dem Problem, ein einfaches und sicheres Verfahren zum Schweißen, insbesondere von Dentalprothesen, zu erhalten. Üblicherweise wird bei dieser Anwendung Lichtbogenschweißen eingesetzt.
Zum Zünden des Lichtbogens werden zunächst die Schweißelektrode (2) und das zu schweißende Werkstück (6) in Kontakt gebracht.
Demgegenüber sieht die Erfindung vor, die Schweißelektrode (2) und das zu schweißende Werkstück (6) in einem kleinen Abstand d zu halten und mit einer Hochfrequenzspannungsquelle (7) in einer Schutzgasatmosphäre einen Überschlag zwischen diesen zu erzeugen, der das Schutzgas ionisiert. Dadurch entsteht eine leitfähige Strecke, über die sich ein Kondensator (4) in einen Lichtbogen entladen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen insbesondere zum Herstellen kleiner und kleinster Schweißpunkte durch den Fluss eines elektrischen Stromes.
Ein derartiges Verfahren ist in der EP 1 283 087 A2 beschrieben. Zum Schweißen eines Werkstückes mittels eines kurzzeitig fließenden hohen elektrischen Stromes wird dieses zunächst mit einer Schweißelektrode in Kontakt gebracht. Sodann wird an das Werkstück und an die Elektrode eine Spannung angelegt und damit ein Stromkreis geschlossen. Kurz nach dem Anlegen der Spannung, bevor sich ein Kurzschlussstrom ausbilden kann, wird die Schweißelektrode automatisch vom Werkstück weggezogen. Dadurch bildet sich ein Lichtbogen, mit dem das Werkstück geschweißt wird. Da die Elektroden vorher an dem Werkstück angesetzt war, ergibt sich ein definierter Schweißpunkt an der Stelle, an der die Elektrode das Werkstück berührt hatte.
Dieses Verfahren hat zum Einen den Nachteil, dass der Geräteaufwand erheblich ist, da Mittel vorgesehen werden müssen, die die Elektrode definiert vom Werkstück zurückziehen. Des Weiteren wird die Elektrode übermäßig beansprucht. Kommt es nämlich zu einer zufälligen Berührung zwischen Elektroden und Werkstück während des Schweißvorgangs, treten Verschweißungen oder Verbrennungen der Elektrodenspitze auf, da prinzipiell keine elektronische Kurzschlusssicherung eingebaut werden kann.
Die Erfindung beruht somit auf dem Problem, ein Verfahren darzustellen, das ohne großen Geräteaufwand durchzuführen ist und das nur zu geringen Belastungen der Schweißelektrode führt.
Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung daher ein Verfahren mit den folgenden Schritten vor:
Bereitstellen einer Schweißelektrode und eines zu schweißenden Werkstückes,
Zusammenführen des Werkstückes und der Schweißelektrode bis auf eine kleine Lücke,
Einbringen eines Schutzgases in die Lücke und Anlegen einer Hochfrequenzspannung zwischen dem Werkstück und der Elektrode, so dass ein Überschlag zwischen dem Werkstück und der Elektrode entsteht,
Verbinden von Werkstück und Elektrode mit einem geladenen Kondensator, so dass ein Schweißstrom in Form eines Lichtbogens durch den vom Überschlag erzeugten Kanal aus ionisiertem Schutzgas fließt,
Laden des Kondensators.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass hierfür kein aufwändiges Mittel zum Zurückziehen der Schweißelektrode notwendig ist. Trotzdem kann die Lage des Schweißpunktes relativ genau bestimmt werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der durch die Hochfrequenzspannung erzeugte Überschlag ziemlich genau gegenüber der Elektrodenspitze in das Werkstück einschlägt.
Als Schutzgase kommen Edelgase, insbesondere Argon, zum Einsatz. Argon hat sich bewährt, da es eine sauerstoff freie Atmosphäre schafft und relativ leicht zu ionisieren ist.
Damit der Schweißvorgang tatsächlich in einer schutzgasreichen Atmosphäre stattfindet, ist es von Vorteil, wenn zunächst die Zuführung des Gases in die Lücke zwischen dem Werkstück und der Elektrode erfolgt und danach erst die Hochfrequenzspannung angelegt wird.
Für den Erfolg des Verfahrens braucht die Größe der Lücke nicht sehr genau eingehalten werden. Die Werkstücke können daher manuell an die Schweißelektrode bzw. die Schweißelektrode an das Werkstück herangeführt werden. Der Abstand zwischen der Spitze der Schweißelektrode und den Werkstücken sollte ca. 0,5 bis 2 mm betragen.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Gerät zum Durchführen des Verfahrens.
Das Gerät besteht aus einem Kondensatorkreis mit einem Kondensator hoher Kapazität und einer Hochfrequenzspannungsquelle. Der eine Pol des Kondensatorkreises ist mit einer Schweißelektrode und der andere Pol ist mit einem zu schweißenden Werkstück, bzw. mit zwei miteinander zu verschweißenden Werkstücken verbunden. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um ein Schutzgas ventilgesteuert in den Bereich vor der Schweißelektrode zu leiten. Das Gerät verfügt weiterhin über eine Steuerung, die so eingerichtet ist, dass auf ein einziges Auslösesignal hin, sowohl das Schutzgas vor die Elektrode geleitet wird als auch die Hochfrequenzspannungsquelle aktiviert wird.
Vorzugsweise ist die Steuerung so eingestellt, dass zunächst das Schutzgas eingeleitet wird und danach zeitverzögert die Hochfrequenzspannungsquelle zugeschaltet wird.
Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des Schutzgases über eine Düse, die an einem Halter für die Schweißelektrode befestigt ist. Besonders günstig ist eine Ringdüse, die koaxial zur Spitze der Schweißelektrode angeordnet ist.
Die Hochfrequenzspannungsquelle verfügt über einen Transformator, dessen Sekundärspule in Reihe zu dem Kondensator geschaltet ist. Diese Schaltung ist einfach zu realisieren.
Des Weiteren verfügt der Kondensatorkreis über einen elektronischen Schutz zum Vermeiden von Kurzschlüssen zwischen der Elektrode und dem Werkstück.
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Geräts zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen elektrischen Schaltplan,
3 eine schematische Darstellung der zeitlichen Ablaufs der Schweißung,
4 der Stromstärkenverlauf während der Schweißung.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Geräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. An einem Halter 1, dieser kann als Handstück oder feststehend ausgeführt sein, befindet sich eine z. B. aus Wolfram bestehende Schweißelektrode 2. Diese ist mit dem einen Pol 3 eines einen Kondensator 4 aufweisenden Stromkreises (Kondensatorkreis) verbunden. Der Kondensator 4 weist eine hohe Kapazität auf, um genügend elektrische Energie für den Schweißvorgang zur Verfügung stellen zu können.
Der andere Pol 5 des Kreises wird mit dem Werkstück 6 verbunden. In dem Kondensatorkreis befindet sich weiterhin eine Hochfrequenzspannungsquelle 7.
Der Kondensatorkreis wird von einer Steuerung 8 betätigt. Diese erhält ein Auslösesignal von einem Fußschalter 9.
Am Handstück 1 befindet sich weiterhin eine Düse 12, die über ein Ventil 10 mit einem Schutzgasvorrat 11 verbunden ist. Als Schutzgas wird typischerweise Argon eingesetzt. Die Düse 12 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Spitze der Schweißelektrode 2.
In dem Kondensatorkreis befindet sich weiterhin eine Sicherung 13, die so eingestellt ist, dass bei elektrischen Strömen, wie sie bei einem Kurzschluss auftreten, der durch eine direkte Berührung von Werkstück 6 und Elektrode 2 entsteht, der Kreis unterbrochen wird.
Um eine Schweißung durchzuführen, werden die Spitze der Schweißelektrode 2 und das zu schweißende Werkstück 6 bis auf einen kleinen Abstand d, der etwa 0,5 bis 2 mm beträgt, zusammengeführt. Dieser Abstand kann von einem erfahrenen Schweißer ohne weiteres manuell eingehalten werden, zumal es für das Verfahren nicht entscheidend darauf ankommt, dass ein exakter Wert eingehalten wird. Üblicherweise wird auch ein Stereomikroskop verwendet, um den Arbeitsbereich deutlich vergrößert darstellen zu können, was diesen Schritt erleichtert.
Durch Betätigen des Fußschalters 9 wird der Schweißvorgang eingeleitet: Die Steuerung 8 öffnet zunächst das Ventil 10, so dass das Schutzgas über die Düse 12 in die vom Abstand d gebildete Lücke zwischen der Spitze der Elektrode 2 und dem zu schweißenden Werkstück 6 geleitet wird. Hier bildet sich nun eine sauerstofffreie Atmo sphäre. Etwas verzögert, wird die Hochfrequenzspannungsquelle 7 aktiviert. Dies führt zu einem Hochspannungsüberschlag zwischen der Elektrodenspitze und dem Punkt auf dem Werkstück, der der Spitze gegenüberliegt. Dadurch wird das sich dort befindende Schutzgas teilweise ionisiert, wodurch sich ein leitfähiger Kanal aus ionisierten Gasen bildet.
Dieser Kanal bildet nun eine leitfähige Strecke zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 6, so dass sich nun der Kondensator 4 über diese Strecke in einem Lichtbogen entladen kann, wodurch das Werkstück 6 geschweißt wird. Auf diese Weise können auch problemlos zwei Werkstücke miteinander durch Schweißen verbunden werden.
Im Unterschied zum Stand der Technik, wird somit der Lichtbogen nicht durch einen erstmaligen Kontakt zwischen der Elektrode 2 und dem Werkstück 6 gezündet, sondern durch einen Hochfrequenzüberschlag.
Dies ermöglicht es, eine Schutzschaltung mittels der Sicherung 13 zu realisieren, die bei einem Kurzschlussstrom, wie er durch einen direkten Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück entsteht, den Kondensatorkreis unterbricht, so dass kein elektrischer Strom mehr fließt. Beschädigungen der Elektrode werden dadurch vermieden. Ein solcher Schutz ist nach dem Stand der Technik prinzipiell nicht möglich, da zum Auslösen des Lichtbogens es notwendig ist, zunächst einen Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück herzustellen.
Während des Schweißvorgangs wird der Kondensator nahezu vollständig entladen. Daher muss nach jedem Schweißvorgang der Kondensator neu geladen werden.
Die elektrische Verschaltung des Kondensatorkreises ist in 2 dargestellt: In dem Kondensatorkreis 20 mit dem Kondensator 4 befindet sich die Sekundärspule 21 der Hochfrequenzspannungsquelle 7. Der Kreis wird mittels eines elektronischen Schalters 22 geschaltet. Der Schalter 22 enthält dazu eine MOSFET-P Transistor. Ein typischerer wert für die Kapazität des Kondensators 4 liegt bei ca. 150.000 μF.
Zum Laden des Kondenstors 4 ist ein Transformator 23 vorgesehen, dem ein Gleichrichter 24 und ein TRIAC-Laderegler 25 nachgeschaltet sind.
Ein typischer Zeitablauf einer Schweißung ist in der 3 dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 wird das Ventil 10 für die Schutzgaszufuhr geöffnet. Dieses bleibt für den gesamten Schweißvorgang bis zum Zeitpunkt T offen, was durch die Linie 30 angedeutet werden soll. Nach einer kurzen Verzögerung V wird zum Zeitpunkt t1 der elektronische Schalter 22 – je nach gewählte Einstellung – für einen Zeitraum von 3 bis 99 ms betätigt. In diesem Zeitraum entsteht ein Lichtbogen, der von dem sich entladenden Kondensator 4 gespeist wird.
In 4 ist der Stromstärkenverlauf (Kurve 40) in dem Zeitraum t1 bis t2 gezeigt. Da zunächst Ladungsträger durch den Überschlag gebildet werden müssen, ist der anfängliche Strom zunächst gering. Er steigt aber bis zu einem Maximalwert M und fällt danach wieder ab, während sich der Kondensator nach und nach entlädt.

1: Halter
2: Schweißelektrode
3: Pol
4: Kondensator
5: Pol
6: Werkstück
7: Hochfrequenzspannungsquelle
8: Steuerung
9: Fußschalter
10: Ventil
11: Schutzgasvorrat
12: Düse
13: Sicherung
20: Kondensatorkreis
21: Sekundärspule
22: Schalter
23: Transformator
24: Gleichrichter
25: TRIAC-Laderegler
30: Linie
40: Kurve

Claims

Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Herstellen kleiner und kleinster Schweißpunkte durch den Fluss eines elektrischen Stromes, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Schweißelektrode und eines zu schweißenden Werkstückes, Zusammenführen des Werkstückes und der Schweißelektrode bis auf eine kleine Lücke, Einbringen eines Schutzgases in die Lücke und Anlegen einer Hochfrequenzspannung zwischen dem Werkstück und der Elektrode, so dass ein Überschlag zwischen dem Werkstück und der Elektrode entsteht, Verbinden von Werkstück und Elektrode mit einem geladenen Kondensator, so dass ein Schweißstrom in Form eines Lichtbogens durch den vom Überschlag erzeugten Kanal aus ionisiertem Schutzgas fließt, Laden des Kondensators.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Argon Verwendung findet. 3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Schutzgas eingeleitet wird und danach zeitverzögert eine Hochfrequenzspannungsquelle zugeschaltet wird.
Gerät zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Kondensatorkreis mit einem Kondensator (4) hoher Kapazität und einer Hochfrequenzspannungsquelle (7) besteht, wobei der eine Pol (3) des Kondensatorkreises mit einer Schweißelektrode (2) und der andere Pol (5) mit einem zu schweißenden Werkstück (6) ist.
Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Mittel vorgesehen sind, um ein Schutzgas ventilgesteuert in den Bereich vor der Schweißelektrode (2) zu leiten.
Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es über eine Steuerung (8) verfügt, die so eingerichtet ist, dass auf ein einziges Auslösesignal hin, sowohl das Schutzgas vor die Elektrode (2) geleitet wird als auch die Hochfrequenzspannungsquelle (7) aktiviert wird.
Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Schutzgases über eine Düse (12) erfolgt, die an einem Halter (1) für die Schweißelektrode (2) befestigt ist.
Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspannungsquelle (7) über einen Transformator verfügt, dessen Sekundärspule (21) in Reihe zu dem Kondensator (4) geschaltet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorkreis über einen elektronischen Schutz zum Vermeiden von Kurzschlüssen zwischen der Elektrode (2) und dem Werkstück (6) aufweist.
Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei dem elektronischen Schutz um eine Sicherung (13) im Kondensatorkreis handelt.