DE102008062667B4

DE102008062667B4 - Schweißelektrodenanordnung mit selbstausrichtenden Merkmalen

Info

Publication number: DE102008062667B4
Application number: DE200810062667
Authority: DE
Inventors: Alexander D. Khakhalev; Vitaly V. Neverovich
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: DE102008062667A1; US8809725B2; US20090173720A1; CN101474715A; CN101474715B

Abstract

Schweißelektrodenanordnung (30), die umfasst: ein Spitzenelement (44) für einen Kontakt mit einer Werkstückfläche (32); und ein Kopplungselement (42) zum Verbinden des Spitzenelements (44) mit einem Antriebselement (34), wobei das Kopplungselement (42) ein Gehäuse (60), einen Druckkolben (62) und ein Vorspannelement (64) umfasst; wobei das Gehäuse (60) fest an dem Antriebselement (34) angebracht ist und eine Öffnung (90) zum Aufnehmen des Druckkolbens (62) umfasst; der Druckkolben (62) fest an dem Spitzenelement (44) angebracht ist und innerhalb der Öffnung (90) sitzt; und das Vorspannelement (60) innerhalb des Kopplungselements (42) zwischen dem Gehäuse (60) und dem Druckkolben (62) angeordnet ist; wobei die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement (34) bewirkt, dass: i) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche (32) in Kontakt tritt, ii) der Druckkolben (62) sich von der Öffnung (90) gegen die Kraft des Vorspannelements (64) abhebt, und iii) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Schweißvorrichtung und im Spezielleren eine Schweißelektrodenanordnung, die bestimmte selbstausrichtende Merkmale aufweist.
Aus der EP 0 852 983 B1 ist beispielsweise eine Einrichtung zum Formen flüssiger Lotportionen beim Weichlöten von Halbleiterchips bekannt geworden, die ein selbstausrichtendes Kraftübertragungselement in Form eines Stempels umfasst, der selbsttätig an der Werkstückoberfläche ausgerichtet wird.
Hintergrund
Das Widerstandsschweißen beinhaltet typischerweise das Verbinden oder Verschmelzen von Metallen durch das Anwenden von elektrischem Strom und Druck. Hitze wird durch den Widerstand der Metallwerkstücke gegenüber dem elektrischen Strom entwickelt, der durch einen elektrischen Kreis geleitet wird, welcher die Metallwerkstücke und Schweißelektroden umfasst. Es sollte einzusehen sein, dass es eine Anzahl verschiedener Arten von Schweißprozessen gibt, die als Widerstandsschweißen charakterisiert werden können. Einige dieser Beispiele für das Widerstandsschweißen umfassen, sind jedoch mit Sicherheit nicht beschränkt auf Buckelschweißen, Punktschweißen, Nahtschweißen, Abschmelzschweißen und Pressstumpfschweißen.
Es ist möglich, dass eine Schweißnaht oder ein Schweißteil den Nachteil eines Defekts aufweist, der während des Widerstandsschweißprozesses verursacht wurde. Ein möglicher Grund Kir solch einen Defekt kann die Orientierung der Schweißelektroden beinhalten, wenn diese mit den Metallwerkstückflächen auf eine nicht rechtwinklige oder anderweitig fehlausgerichtete Weise in Kontakt treten. Wenn die Schweißelektrodenstirnflächen nicht bündig oder anderweitig korrekt mit den Flächen der Metallwerkstücke ausgerichtet sind, können die resultierenden Schweißnähte bestimmte unerwünschte Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können Schweißnähte, die durch fehlausgerichtete Schweißelektroden erzeugt werden, einen gewissen Grad an Metallverzug, eine geschwächte Ganzheit der Schweißnaht, eine Auspressung wie auch ästhetische Probleme aufweisen. Des Weiteren kann eine Fehlausrichtung von Schweißelektroden den Verschleiß der Widerstandsschweißgeräte in der Form einer qualitativen Verschlechterung von Elektroden und Schäden an dem Schweißzylinder, um nur einige Möglichkeiten zu nennen, beschleunigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Schweißelektrodenanordnung vorgesehen, die ein Spitzenelement und ein Kopplungselement umfasst. Das Kopplungselement weist ein Gehäuse auf, das fest an dem Antriebselement angebracht ist und umfasst eine Öffnung zum Aufnehmen des Druckkolbens, wobei der Druckkolben fest an dem Spitzenelement angebracht ist und innerhalb der Öffnung sitzt, wobei das Vorspannelement innerhalb des Kopplungselements zwischen dem Gehäuse und dem Druckkolben angeordnet ist. Die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement kann bewirken, dass: i) das Spitzenelement mit der Werkstückfläche in Kontakt tritt, ii) der Druckkolben sich von der Öffnung gegen den Zwang des Vorspannelements hebt, und iii) das Spitzenelement mit der Werkstückfläche korrekt ausgerichtet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch eine Schweißelektrodenanordnung vorgesehen, die ein Spitzenelement und ein Kopplungselement umfasst. In dieser Ausführungsform bewirkt die Anwendung einer Kraft durch ein Antriebselement, dass: i) das Spitzenelement mit der Werkstückfläche in Kontakt tritt, ii) ein Druckkolben und ein Gehäuse sich trennen, sodass sich ein Winkel θ zwischen den Mittelachsen des Gehäuses und des Druckkolbens bildet, und iii) das Spitzenelement mit der Werkstückfläche korrekt ausgerichtet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hierin nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen und in denen:
1 eine beispielhafte Veranschaulichung eines Paares von Widerstandsschweißelektroden ist, die mit Metallwerkstücken fehlausgerichtet sind;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer Schweißelektrodenanordnung zeigt, die über einem Metallwerkstück montiert ist;
3 eine detailliertere isometrische Darstellung der Schweißelektrodenanordnung von 2 zeigt;
4 eine Schnittansicht der Schweißelektrodenanordnung von 3 zeigt, wobei die Schweißelektrodenanordnung mit der oberen Fläche des Metallwerkstückes nicht in Kontakt steht; und
5 eine Schnittansicht der Schweißelektrodenanordnung von 3 zeigt, wobei die Schweißelektrodenanordnung mit der oberen Fläche des Metallwerkstückes in Kontakt steht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die hierin beschriebene Schweißelektrodenanordnung umfasst ein Kopplungselement mit bestimmten selbstausrichtenden Merkmalen, die eine korrekte Ausrichtung während eines Betriebes zwischen der Schweißelektrodenanordnung und einer Werkstückfläche begünstigen. Um dies in einen Kontext zu bringen, veranschaulicht 1 ein Beispiel, bei dem ein Paar von Widerstandsschweißelektroden 10 und 12 mit Flächen von Metallwerkstücken 14 und 16 fehlausgerichtet ist; diese Widerstandsschweißelektroden sind nicht mit den hierin beschriebenen selbstausrichtenden Merkmalen ausgestattet. Diese Fehlausrichtung kann zu einem/r ungleichmäßigen Kontakt oder Grenzfläche zwischen den Widerstandsschweißelektroden und den Metallwerkstücken führen. Die Widerstandsschweißelektrode 10 besitzt eine Mittelachse A, die in Bezug auf die Linie B, die rechtwinklig zu der oberen Fläche des Metallwerkstückes 14 steht, fehlausgerichtet oder versetzt ist. Die Fehlausrichtung oder der Versatz ist durch den Winkel α dargestellt und kann eine ungleichmäßige Grenzfläche bilden, wo einige Abschnitte der Widerstandsschweißelektrode 10 tiefer in das Metall eindringen als andere Elektrodenabschnitte. Dies wiederum kann den Betrag, die Verteilung, den Pfad und/oder andere Eigenschaften des elektrischen Stromes beeinflussen, der während Widerstandsschweißvorgängen durch die Metallwerkstücke fließt, und kann verschiedene Arten von Defekten an den Schweißnähten und Schweißteilen verursachen und den Verschleiß an der Widerstandsschweißausrüstung beschleunigen, wie bereits erklärt. Die unten erläuterte Schweißelektrodenanordnung versucht, bestimmte Probleme in Bezug auf eine Fehlausrichtung, die einige der zuvor erwähnten Probleme umfassen, zu vermeiden.
Es sollte einzusehen sein, dass, während die Schweißelektrodenanordnung unten stehend im Kontext mit einer Widerstandsschweißvorrichtung beschrieben ist, sie auch in anderen Arten von Nicht-Widerstandsschweißvorgängen verwendet werden könnte, wo eine korrekte Ausrichtung zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück erwünscht ist. Der Ausdruck „Widerstandsschweißen” umfasst im weiten Sinn Buckelschweißen, Punktschweißen, Nahtschweißen, Abschmelzschweißen und Pressstumpfschweißen und jede andere Form von Schweißen, die das Verbinden oder Verschmelzen von Materialien durch das Anlegen von elektrischem Strom und Druck beinhaltet. Unter Bezugnahme auf die 2–5 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Schweißelektrodenanordnung 30 gezeigt, die über einem Metallwerkstück 32 montiert ist und durch ein Antriebselement 34, das mit einem pneumatischen Zylinder 36 gekoppelt ist, nach oben und unten angetrieben wird. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform ist die Schweißelektrodenanordnung 30 Teil eines Widerstandsschweißsystems und umfasst allgemein ein Kopplungselement 42 und ein Spitzenelement 44.
Das Antriebselement 34 ist mit einer eine Kraft ausübenden Vorrichtung wie z. B. einem pneumatischen, hydraulischen, elektrischen oder anderen Antriebsmechanismus gekoppelt und bewegt die Schweißlektrodenanordnung 30 auf und ab, sodass das Spitzenelement 44 während Schweißvorgängen gegen die Fläche des Metallwerkstückes 32 gezwungen werden kann. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform ist das Antriebselement 34 ein länglicher Stahlstab, der als eine kolbenartige Ausgangskomponente eines pneumatischen Zylinders 36 wirkt, und umfasst ein axiales Ende 50. Es sollte einzusehen sein, dass das Antriebselement 34 entweder Teil einer eine Kraft ausübenden Vorrichtung sein kann, wie in diesem Beispiel, in dem es eine Ausgangskomponente des pneumatischen Zylinders 36 ist, oder dass es eine separate Komponente sein kann, die mit einer eine Kraft ausübenden Vorrichtung gekoppelt ist. Das axiale Ende 50 erstreckt sich in das Kopplungselement 42 hinein und kann als ein Anschlag für bestimmte innere Komponenten des Kopplungselements wirken, wie anschließend beschrieben wird. Die hier gezeigte Ausführungsform mit dem speziellen axialen Ende umfasst eine leicht gerundete Stirnfläche, es könnten jedoch auch andere Stirnflächenkonfigurationen verwendet werden, vorausgesetzt, sie stellen die Selbstausrichtung des Spitzenelements 44 bereit, wie unten stehend beschrieben.
Das Kopplungselement 42 umfasst selbstausrichtende Merkmale, die es ihm ermöglichen, das Antriebselement 34 mit dem Spitzenelement 44 auf solch eine Weise zu verbinden, dass das Spitzenelement während Schweißvorgängen mit einer Fläche des Metallwerkstückes 32 ausgerichtet wird. Es sollte einzusehen sein, dass das Kopplungselement 42 das Antriebselement 34 direkt mit dem Spitzenelement 44 verbinden kann (wie in dieser Ausführungsform gezeigt), es das Antriebselement mit dem Spitzenelement indirekt unter der Verwendung zusätzlicher eingreifender Komponenten verbinden kann, oder dass es das Antriebselement mit dem Spitzenelement gemäß einer bestimmten anderen Anordnung verbinden kann, die das Kopplungselement 42 verwenden kann. Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform dient das Kopplungselement 42 als ein/e selbstausrichtende/s Gelenk oder Verbindung und umfasst allgemein ein Gehäuse 60, einen bewegbaren Druckkolben 62 und ein Vorspannelement 64 wie z. B. eine Feder. Es sollte einzusehen sein, dass, während das Gehäuse 60 hier als eine mehrteilige Gehäuseanordnung mit oberen und unteren Segmenten gezeigt ist, dieses gemäß einer aus einer Anzahl verschiedener Ausführungsformen vorgesehen sein könnte, die Ausführungsformen mit einem einteiligen oder einheitlichen Gehäuseaufbau umfassen.
Im Allgemeinen trägt das Gehäuse 60 die Komponenten des Kopplungselements 42 und hält dieses in Position und umfasst gemäß dieser Ausführungsform ein oberes Gehäuseteil 70, ein unteres Gehäuseteil 72 und eine oder mehrere Stützstreben 74. Das obere Gehäuseteil 70 ist als ein allgemein scheibenförmiges Objekt mit einer Bohrung 80, die das Antriebs element 34 aufnimmt, und einem vertieften Abschnitt 82 gezeigt, der das Vorspannelement 64 aufnimmt. Die Bohrung 80 erstreckt sich durch das obere Gehäuseteil 70 hindurch und ist derart dimensioniert und geformt, um ein Segment des Antriebselements 34 sicher aufzunehmen, sodass das Antriebselement seine Antriebskraft direkt auf den Druckkolben 62 übertragen kann. In dieser Ausführungsform sind das Antriebselement 34 und das obere Gehäuseteil 70 mithilfe einer/s oder mehrerer Schrauben oder Stifte 84 sicher aneinander angebracht, sodass keine relative Bewegung zwischen diesen beiden Komponenten stattfindet. Alternativ könnte die Bohrung 80 durch ein Grundloch oder ein anderes Merkmal zum sicheren Anbringen an dem Antriebselement 34 ersetzt sein, da es nicht notwendig ist, dass das axiale Ende 50 des Antriebselements vollständig durch das obere Gehäuseteil 70 hindurch verläuft. Da das axiale Ende 50 als eine Anschlagvorrichtung für den Druckkolben 62 wirkt, wie erklärt wird, würde die vorherige alternative Ausführungsform wahrscheinlich erfordern, dass das Gehäuse 60 modifiziert wird, sodass eine andere Komponente als eine Anschlagvorrichtung wirkt und den Bewegungsbereich des Druckkolbens begrenzt. Des Weiteren wäre darauf zu achten, dass sichergestellt wird, dass die durch das Antriebselement ausgeübte Antriebskraft, die zeitweise 7120 N betragen kann, entsprechend auf den Druckkolben übertragen wird. Die Vertiefung 82 ist derart entworfen, dass sie ein oberes axiales Ende des Vorspannelements 64 aufnimmt und halt, und ist hier als eine kreisringförmige Vertiefung gezeigt, die an der Unterseite des oberen Gehäuseteiles 70 angeordnet ist und auf eine allgemein konzentrische Weise mit der Bohrung 80 angeordnet ist. Selbstverständlich könnten auch andere Merkmale anstelle der Vertiefung 82 verwendet werden, um das Vorspannelement 64 in Position zu halten.
Das untere Gehäuseteil 72 ist ein allgemein scheibenförmiges Objekt, das sicher an dem oberen Gehäuseteil 74 befestigt ist und eine Öffnung oder einen Sattel 90 umfasst, um den bewegbaren Druckkolben 62 aufzunehmen. In dieser Ausführungsform sind das obere und das untere Gehäuseteil 70 und 72 in einer allgemein parallelen Orientierung zueinander ausgerichtet und sind durch mehrere spindelartige Stützstreben 64 gesichert, die in der Nähe ihrer äußeren Umfänge angeordnet sind. Wie zuvor erwähnt, könnte diese Art von mehrteiliger Gehäusekomponente durch eine einheitliche Struktur oder eine andere geeignete Gehäusestruktur ersetzt sein, die dem Fachmann bekannt ist. Die Öffnung 90 umfasst eine innere Sitzfläche, die derart entworfen ist, um mit einer äußeren Sitzfläche des Druckkolbens 62 übereinzustimmen oder zusammenzupassen, sodass der Druckkolben in der Öffnung mit der Unterstützung des Vorspannelements 64 eingebettet sein oder ruhen kann. In diesem Beispiel ist die innere Sitzfläche angefast und stimmt mit einer verjüngten äußeren Sitzfläche des Druckkolbens 62 überein, allerdings könnten auch andere Öffnungen verwendet werden, die keine angefasten Konstruktionen aufweisen.
Der Druckkolben 62 ist eine bewegbare Komponente, die sicher an dem Spitzenelement 44 angebracht ist, und sich innerhalb der Öffnung 90 gegen den Federdruck des Vorspannelements 64 auf- und abbewegt. Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform umfasst der Druckkolben 62 einen im Durchmesser vergrößerten Schulterabschnitt 100 mit einer Vertiefung 102 und einer verjüngten äußeren Sitzfläche 104 und einen Halsabschnitt 106, der sich von dem Schulterabschnitt nach unten erstreckt. Die Vertiefung 102 ist in einer oberen Fläche des Schulterabschnitts 100 gebildet und ist derart entworfen, dass sie ein unteres axiales Ende des Vorspannelements 64 aufnimmt und hält. Somit wirken die Vertiefungen 82 und 102 miteinander zusammen, um das Vorspannelement in Position zu halten, sodass es eine Zwangskraft nach unten gegen den Druckkolben 62 aufbringen kann. Zu der Mitte der Vertiefung 102 hin befindet sich eine Kontaktfläche 108, die mit dem axialen Ende 50 des Antriebselements in einer Weise in Kontakt steht, die den Bewegungsbereich des Druckkolbens 62 begrenzt. Die Kontaktfläche 108 kann einfach eine flache oder ebene Fläche sein, die dem runden axialen Ende 50 gegenüberliegt, oder sie kann vorgesehen oder anderweitig konturiert sein, um das axiale Ende des Antriebselements 34 besser aufzunehmen. Es sollte einzusehen sein, dass die Kontaktfläche 108 wie auch jede andere Fläche des Druckkolbens 62 oder des unteren Gehäuseteils 72, die als eine Kontaktfläche dient, mit einem Verfahren wie z. B. Verchromen, Nitrieren, Aufkohlen, Laserabschrecken oder einem anderen Verfahren zur Verbesserung des Gebrauchs oder der Haltbarkeit oberflächengehärtet sein kann.
Der Halsabschnitt 106 ist verglichen mit dem Schulterabschnitt 100 im Durchmesser reduziert und ist derart entworfen, dass er sich durch die Öffnung 90 hindurch erstreckt und sicher an einem oberen Ende des Spitzenelements 44 angebracht ist. In dieser Ausführungsform umfasst der Halsabschnitt 106 eine Vertiefung oder Grundbohrung 110, um einen im Durchmesser reduzierten Schaftabschnitt 134 aufzunehmen, der sich von der Oberseite des Spitzenelements 44 weg erstreckt, stattdessen könnten jedoch auch andere geeignete Befestigungsmerkmale verwendet werden. Der Halsabschnitt 106 und das Spitzenelement 44 können mithilfe von Schrauben oder Stiften 112 aneinander gesichert sein. Es sollte erwähnt werden, dass die soeben beschriebene Kombination aus Vertiefung, Schaft und Schraube nur ein Beispiel einer geeigneten Verbindung zwischen dem Druckkolben 62 und dem Spitzenelement 44 ist, da auch andere Verbindungen, die einem Fachmann bekannt sind, verwendet werden könnten, um diese Komponenten aneinander zu sichern.
Das Vorspannelement 64 ist allgemein zwischen dem Gehäuse 60 und dem Druckkolben 62 angeordnet und übt allgemein eine Trennkraft gegen diese beiden Komponenten aus, sodass der Druckkolben gegen die Öffnung 90 gezwungen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vorspannelement 64 eine Feder mit einem oberen axialen Ende 120, das in einer Vertiefung 82 montiert ist, und einem unteren axialen Ende 122, das in der Vertiefung 102 sitzt. Das Vorspannelement 64 könnte etwas anders angeordnet sein als die in den Zeichnungen gezeigte Orientierung, sofern es in der Lage ist, eine entsprechende Kraft gegen den Druckkolben 62 auszuüben. Wenngleich Federn möglicherweise die gebräuchlichste Art eines geeigneten Vorspannelements darstellen, könnten auch andere Elemente verwendet werden, die in der Lage sind, eine Kraft auf den Druckkolben 62 auszuüben. In einem Beispiel ist das Vorspannelement 64 eine Feder, die eine Federkraft von etwa 89–667,5 N ausübt; die Feder könnte aber abhängig von der speziellen Anwendung variieren.
Das Spitzenelement 44 ist derart entworfen, um einen elektrischen Strom zu leiten, sodass es unter der Kraft des Antriebselements 34 gegen eine Fläche des Metallwerkstücks 32 gepresst werden und einen Widerstandsschweißvorgang ausführen kann. In dieser Ausführungsform ist das Spitzenelement 44 eine mehrteilige Schweißelektrode und umfasst eine Elektrodenhalterung 130 und eine austauschbare Elektrode 132. Die Elektrodenhalterung 130 ist durch die Verwendung eines vorstehenden Schaftes 134 und von Befestigungselementen 112 sicher an dem Halsabschnitt 106 befestigt, wie zuvor erklärt, und umfasst eine elektrische Verbindung 124 zur Aufnahme einer Leistungsversorgung 126, die das Spitzenelement mit geeignetem Schweißstrom versorgt. In einem Beispiel liefert die Leistungsversorgung 126 5 kA–25 kA an elektrischem Strom durch das Spitzenelement 44 und die Metallwerkstücke hindurch, sodass sie miteinander verschmolzen oder anderweitig verbunden werden. Geeignete Materialien für die Elektrodenhalterung 130 umfassen Kupfer (Cu) und Cu-Legierungen, es könnten jedoch auch andere Materialien verwendet werden. Die austauschbare Elektrode 132 ist durch die Elektrodenhalterung 130 getragen und ist derart entworfen, um mit der Fläche des Metallwerkstüekes 32 in Kontakt zu stehen, sodass Druck und elektrischer Strom während eines Schweißvorganges auf das Werkstück übertragen werden können. Gemäß diesem Beispiel ist die austauschbare Elektrode 132 nicht drehbar an dem Elektrodenhalter 130 mithilfe einer Schraube oder eines Stiftes 136 angebracht und ist mit einer allgemein flachen oder ebenen Kontaktfläche 138 versehen. Ein Fachmann wird einsehen, dass andere Arten von Kontaktflächen, umfassend gekrümmte Flächen, mit Nuten versehene Flächen, eingeprägte Flächen etc. ebenfalls verwendet werden können. Einige Beispiele von geeigneten Materialien für die austauschbare Elektrode 132 umfassen, sind jedoch bestimmt nicht beschränkt auf Cu und Cu-Legierungen wie z. B. jene, die ferner Chrom (Cr), Nickel (Ni) und Zirkonium (Zr) umfassen.
Im Gebrauch führt die Schweißelektrodenanordnung 30 einen Widerstandsschweißvorgang aus, indem sie mit einer gegenüberliegenden Schweißelektrodenanordnung (nicht gezeigt) zusammenarbeitet, die unter den geschweißten Werkstücken angeordnet ist und Teil eines gesamten Widerstandsschweißsystems ist, das einem Fachmann bekannt und diesem verständlich ist. Die nachfolgende Beschreibung betrifft die obere Schweißelektrodenanordnung, sie wäre jedoch ebenso gut für die untere Schweißelektrodenanordnung zutreffend. Überdies ist es nicht notwendig, dass die Schweißelektrodenanordnungen in der hierin beschriebenen beispielhaften oberen/unteren Anordnung angeordnet sind, da sie in einer aus einer beliebigen Anzahl von verschiedenen Orientierungen montiert und betrieben sein könnten. Beginnend mit 4 ist die Schweißelektrodenanordnung 30 in einer Nicht-Schweißposition gezeigt; das heißt, die Kontaktfläche 138 ist von der oberen Fläche des Werkstückes 32 beabstandet. In dieser Position sitzt der Druckkolben 62 innerhalb der Öffnung 90 oder ist darin eingebettet, sodass alle Komponenten der Schweißelektrodenanordnung 30 allgemein entlang einer einzigen Mittelachse C ausgerichtet sind. Falls die Schweißelektrodenanordnung 30 mit dem Werkstück 32 fehlausgerichtet ist, ist ein Winkel β zwischen der Mittelachse C und einer Linie D gebildet, der rechtwinklig zu der Werkstückfläche steht.
Wendet man sich 5 zu, so bewirkt die Anwendung einer nach unten gerichteten Kraft durch das Antriebselement 34, dass mehrere Ereignisse auftreten. Als Erstes wird die gesamte Schweißelektrodenanordnung 30 gesenkt, bis das Spitzenelement 44 und im Spezielleren die Kontaktfläche 38 der austauschbaren Elektrode 132 mit der Werkstückfläche in Kontakt tritt. Eine weitere Abwärtsbewegung der Schweißelektrodenanordnung 30 bewirkt, dass der Druckkolben 62 sich von der Öffnung 90 gegen den Zwang des Vorspannelements 64 hebt; in einer Ausführungsform trennt sich der Druckkolben von der Öffnung und bildet einen Spalt von etwa 1 mm–5 mm. Sobald der Druckkolben 62 von der Öffnung 90 abgesetzt ist, ist er frei, sich neu zu orientieren, sodass das Spitzenelement 44 mit der Werkstückfläche korrekt ausgerichtet werden kann. Anders ausgedrückt, sobald der Druckkolben 62 sich von dem unteren Gehäuseteil 72 trennt, bleiben die verschiedenen Komponenten der Schweißelektrodenanordnung 30 nicht länger gemeinsam entlang einer einzigen Mittelachse C ausgerichtet. Das Antriebselement 34 und das Gehäuse 60 bleiben fehlausgerichtet zu der Fläche des Werkstückes entlang einer Mittelachse C', während der Druckkolben 62 und das Spitzenelement 44 korrekt mit dem Werkstück entlang einer Mittelachse C'' ausgerichtet werden. Ein Winkel θ bildet sich zwischen den Mittelachsen C' und C'' und gemäß einer Ausführungsform liegt er zwischen einschließlich 0,1° und einschließlich 5°.
Es sollte einzusehen sein, dass eine „korrekte Ausrichtung” zwischen dem Spitzenelement und der Werkstückfläche nicht auf die in 5 gezeigte beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist, wo die Mittelachse C'' rechtwinklig zu der Werkstückfläche steht. Zum Beispiel könnte dann, wenn die Kontaktfläche 138 eine schräge Fläche wäre – das heißt, nicht rechtwinklig zu der Achse des Spitzenelements stehen würde – eine korrekte Ausrichtung zwischen dem Spitzenelement und der Werkstückfläche beinhalten, dass das Spitzenelement entlang einer anderen Mittelachse als C'' orientiert ist. Dies ist selbstverständlich nur eine mögliche Alternative, neben der es auch viele weitere gibt.

Claims

Schweißelektrodenanordnung (30), die umfasst: ein Spitzenelement (44) für einen Kontakt mit einer Werkstückfläche (32); und ein Kopplungselement (42) zum Verbinden des Spitzenelements (44) mit einem Antriebselement (34), wobei das Kopplungselement (42) ein Gehäuse (60), einen Druckkolben (62) und ein Vorspannelement (64) umfasst; wobei das Gehäuse (60) fest an dem Antriebselement (34) angebracht ist und eine Öffnung (90) zum Aufnehmen des Druckkolbens (62) umfasst; der Druckkolben (62) fest an dem Spitzenelement (44) angebracht ist und innerhalb der Öffnung (90) sitzt; und das Vorspannelement (60) innerhalb des Kopplungselements (42) zwischen dem Gehäuse (60) und dem Druckkolben (62) angeordnet ist; wobei die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement (34) bewirkt, dass: i) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche (32) in Kontakt tritt, ii) der Druckkolben (62) sich von der Öffnung (90) gegen die Kraft des Vorspannelements (64) abhebt, und iii) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche (32) korrekt ausgerichtet wird.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Antriebselement (34) sich durch eine Bohrung (80) in dem Gehäuse (60) hindurch erstreckt und dem Druckkolben (62) gegenüberliegt, um dessen Bewegungsbereich während eines Betriebes zu begrenzen.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Vorspannelement (64) eine Feder ist und ein erstes Ende (120), das in einer Vertiefung (82) des Gehäuses (60) gesichert ist, und ein zweites Ende (122) umfasst, das in einer Vertiefung (102) des Druckkolbens (62) gesichert ist, und eine Kraft ausübt, die den Druckkolben (62) gegen die Öffnung (90) in dem Gehäuse zwingt.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) eine innere Sitzfläche aufweist und der Druckkolben (62) eine äußere Sitzfläche (104) aufweist und die innere und die äußere Sitzfläche (104) einander ergänzen, sodass der Druckkolben (62) innerhalb der Öffnung (90) eingebettet sein kann.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 4, wobei die innere Sitzfläche der Öffnung (90) angefast ist und die äußere Sitzfläche (104) des Druckkolbens (62) verjüngt ist.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Druckkolben (62) einen Schulterabschnitt (100), der mit der Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) zusammenwirkt, und einen Halsabschnitt (106) umfasst, der sich durch die Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) hindurch erstreckt und fest an dem Spitzenelement (44) angebracht ist.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Spitzenelement (44) eine Elektrodenhalterung (130), die elektrisch mit einer Leistungsversorgung (126) verbunden eine austauschbare Elektrode (132) umfasst, um mit der Werkstückfläche (32) in Kontakt zu treten.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement (34) ferner bewirkt, dass der Druckkolben (62) und das Gehäuse (60) sich trennen, sodass sich ein Winkel θ zwischen den Mittelachsen des Gehäuseelements (60) und des Druckkolbens (62) bildet.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 8, wobei der Winkel θ von einschließlich 0,10 bis einschließlich 5° reicht.
Widerstandsschweißsystem mit einer Leistungsversorgung (126), einem ersten Antriebselement, einer ersten Schweißelektrodenanordnung (30) nach Anspruch 1, einem zweiten Antriebselement und einer zweiten Schweißelektrodenanordnung (30), wobei die erste und die zweite Schweißelektrodenanordnung (30) einander gegenüberliegen, sodass eine Vielzahl von Werkstücken (32) dazwischen geschweißt werden kann.
Schweißelektrodenanordnung (30), die umfasst: ein Spitzenelement (44) für einen Kontakt mit einer Werkstückfläche (32); und ein Kopplungselement (42) zum Verbinden des Spitzenelements (44) mit einem Antriebselement (34), wobei das Kopplungselement (42) ein Gehäuse (60), einen Druckkolben (62) und ein Vorspannelement (64) umfasst; wobei entweder das Gehäuse (60) fest an dem Antriebselement (34) und der Druckkolben (62) fest an dem Spitzenelement (44) angebracht sind oder das Gehäuse (60) fest an dem Spitzenelement (64) und der Druckkolben (62) fest an dem Antriebselement (34) angebracht sind, wobei sowohl das Gehäuse (60) als auch der Druckkolben (62) eine Mittelachse aufweisen; und das Vorspannelement (64) innerhalb des Kopplungselements (42) zwischen dem Gehäuse (60) und dem Druckkolben (62) angeordnet ist; wobei die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement (34) bewirkt, dass: i) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche (32) in Kontakt tritt, ii) der Druckkolben (62) und das Gehäuse (60) sich trennen, sodass sich ein Winkel θ zwischen den Mittelachsen des Gehäuses (60) und des Druckkolbens (62) bildet, und iii) das Spitzenelement (44) mit der Werkstückfläche (32) korrekt ausgerichtet wird.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse (60) fest an dem Antriebselement (34) angebracht ist und der Druckkolben (62) fest an dem Spitzenelement (44) angebracht ist.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 12, wobei das Antriebselement (34) sich durch eine Bohrung (80) in dem Gehäuse (60) hindurch erstreckt und dem Druckkolben (62) gegenüberliegt, um dessen Bewegungsbereich während eines Betriebes zu begrenzen.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 12, wobei das Vorspannelement (64) eine Feder ist und ein erstes Ende (120), das in einer Vertiefung (82) des Gehäuses (60) gesichert ist, und ein zweites Ende (122) umfasst, das in einer Vertiefung (102) des Druckkolbens (62) gesichert ist, und eine Kraft ausübt, die den Druckkolben (62) gegen die Öffnung (90) in dem Gehäuse zwingt.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) eine innere Sitzfläche aufweist und der Druckkolben (62) eine äußere Sitzfläche (104) aufweist und die innere und die äußere Sitzfläche (104) einander ergänzen, sodass der Druckkolben (62) innerhalb der Öffnung (90) eingebettet sein kann.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 15, wobei die innere Sitzfläche der Öffnung (90) angefast ist und die äußere Sitzfläche (104) des Druckkolbens (62) verjüngt ist.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 12, wobei der Druckkolben (62) einen Schulterabschnitt (100), der mit einer Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) zusammenwirkt, und einen Halsabschnitt (106) umfasst, der sich durch die Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) hindurch erstreckt und fest an dem Spitzenelement (44) angebracht ist.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 12, wobei das Spitzenelement (44) eine Elektrodenhalterung (130), die elektrisch mit einer Leistungsversorgung (126) verbunden ist, und eine austauschbare Elektrode (132) umfasst, um mit der Werkstückfläche (32) in Kontakt zu treten.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 12, wobei die Anwendung einer Kraft durch das Antriebselement (34) ferner bewirkt, dass der Druckkolben (62) sich von einer Öffnung (90) in dem Gehäuse (60) gegen die Kraft des Vorspannelements (64) anhebt.
Schweißelektrodenanordnung nach Anspruch 11, wobei der Winkel θ von einschließlich 0,1° bis einschließlich 5° reicht.
Widerstandsschweißsystem mit einer Leistungsversorgung, einem ersten Antriebselement, einer ersten Schweißelektrodenanordnung (30) nach Anspruch 11, einem zweiten Antriebselement und einer zweiten Schweißelektrodenanordnung (30), wobei die erste und die zweite Schweißelektrodenanordnung (30) einander gegenüberliegen, sodass eine Vielzahl von Werkstücken (32) dazwischen geschweißt werden kann.