-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anschweißen eines Schweißelements, z. B. einem Bolzen, an ein Werkstück. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lichtbogen gezündet und das Schweißelement zum Eintauchen in das durch den Lichtbogen aufgeschmolzene Werkstück beschleunigt.
-
Zum Anschweißen von Schweißelementen- oder bolzen, an ein Werkstück, werden üblicherweise Bolzenschweißverfahren oder -vorrichtungen mit Spitzenzündung oder mit Hubzündung eingesetzt. Die Schweißverfahren durchlaufen dabei allgemein verschiedene Verfahrensstufen, nämlich eine Zündphase, in der ein Lichtbogen zwischen Werkstück und Schweißelement gezündet wird, eine Schmelzphase, in der das Werkstück und das Schweißelement durch den Lichtbogen aufgeschmolzen werden und eine Eintauch- bzw. Bindephase, in der das Werkstück und das Schweißelement in Kontakt gebracht werden, wodurch der Lichtbogen erlischt und durch Verfestigung des Materials die Schweißverbindung entsteht.
-
Herkömmliche Schweißverfahren weisen üblicherweise den Nachteil auf, dass durch einen ungesteuert ablaufenden Schmelz- oder Bindeprozess ein Verspritzen oder eine Deformierung der aufgeschmolzenen Teile des Werkstücks und des Schweißelements auftreten kann, was die Qualität der Schweißverbindung mindert. Insbesondere kann durch den beim Kontaktieren des Schweißelements und des Werkstücks entstehenden Kurzschlussstrom die Schmelze deformiert werden und verspritzen. Des Weiteren entsteht beim Zünden des Lichtbogens (Spitzenzündung) üblicherweise ein lautes, unangenehmes Knallgeräusch, das durch das Verdampfen der Zündspitze (im Kurzschluss) hervorgerufen wird.
-
Die
DE 199 27 371 C2 stellt ein Verfahren zum Anschweißen von Schweißelementen an ein Werkstück vor, mit dem Ziel, die oben beschriebene Geräuschentwicklung abzuschwächen, sowie ein Verspritzen oder eine Deformierung der Materialschmelze zu vermeiden. Ferner soll die Bindungsqualität der Schweißverbindung erhöht werden und es soll ein gesteuertes Verfahren bereit gestellt werden, welches den Einsatzbereich herkömmlicher Spitzenzündungs- und Hubzündungsverfahren abdeckt. Gemäß der Druckschrift wird die Verringerung der Geräuschentwicklung durch eine sehr kurze Ionisierungsstrecke, über die der Lichtbogen zündet, und einen geringeren Schweißstrom als in früherem Stand der Technik erreicht.
-
Durch verschiedene Bewegungsabläufe des Schweißelements in der Schmelzphase, insbesondere einer Beschleunigung des Schweißelements am Ende der Schmelzphase, wird ferner gewährleistet, dass ausreichend aufgeschmolzenes Material, d. h. Schmelze, zur Verfügung steht, wobei das Material beim Auftreffen des Schweißelements auf dem Werkstück ausreichend heiß ist, so dass ein Verspritzen und eine damit einhergehende schlechte Qualität der Schweißverbindung vermieden wird. Eine genaue Steuerung des in der Druckschrift vorgestellten Verfahrens, insbesondere der genannten Bewegungsabläufe des Schweißelements, kann die Effektivität der Energieausnutzung erhöhen. Der Bindeprozess des Schweißverfahrens läuft zudem unter einer Druckbelastung ab, wodurch die Qualität der Schweißverbindung verbessert werden kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegen weitere, teilweise auch andere Verbesserungswünsche zu Grunde. So soll durch eine kürzere Schweißzeit bei gleichbleibender eingebrachter Energie und einem gesteuerten Zündzeitpunkt eine verbesserte Bindungsqualität und eine höhere Reproduzierbarkeit des klassischen Spitzenzündungsprozesses erzielt werden. Demnach stellt sich die vorliegende Erfindung allgemein zur Aufgabe den Stand der Technik hinsichtlich seiner Schwächen zu verbessern. Insbesondere gilt es ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anschweißen eines Schweißelements an ein Werkstück bereitzustellen, bei dem Knallgeräusche drastisch vermindert oder gänzlich vermieden werden können, eine deutlich geringere Schweißzeit erzielt werden kann und die Qualität der Schweißverbindung erheblich verbessert wird.
-
Des Weiteren ist es wünschenswert einen Zündpunkt des Lichtbogens genau definieren zu können, eine bessere Energieeffizienz des Verfahrens zu erzielen, aber gleichermaßen ein gesteuertes und reproduzierbares Verfahren bereitzustellen, welches die Einsatzbereiche herkömmlicher Spitzenzündungsverfahren abdeckt.
-
Die vorliegende Erfindung löst die oben genannten Aufgaben gemäß dem anhängigen Hauptanspruch und den Unteransprüchen, welche den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbilden.
-
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anschweißen eines Schweißelements an ein Werkstück, wobei das Verfahren aufweist:
- • Zünden eines Lichtbogens durch Ionisierung einer Zündstrecke zwischen Schweißelement und Werkstück mittels einer Hochspannung, wobei der dadurch eingeleitete Schweißlichtbogen einen Teil des Werkstücks und Bolzens aufschmilzt.
- • Beschleunigen des Schweißelements zum Eintauchen in den aufgeschmolzenen Teil des Werkstücks,
dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen während der Bewegung des Schweißelements in Richtung Werkstück gezündet wird.
-
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Schweißelement bereits vor der Zündphase und nicht während oder gegen Ende der Schmelzphase des Verfahrens beschleunigt bzw. bewegt.
-
Durch die Zündung des Lichtbogens bei bewegtem Schweißelement kann die Zündung in einem definierten Abstand vor Auftreffen des Schweißelements auf dem Werkstück erfolgen. Der gesamte Schweißprozess findet somit bei bewegtem Schweißelement statt und erlaubt es eine variable, bei Bedarf sehr viel kürzere Schweißzeit zu realisieren.
-
Durch die kürzere Schweißzeit kann ein sehr viel höherer Strom kurzzeitig dieselbe thermische Energie in das Material des Werkstücks und Bolzens einbringen, da die kurze Schweißzeit verhindert, dass das umliegende Material aufgrund des Wärmeflusses Schweißenergie absorbiert. Durch eine verkürzte Schweißzeit wird ebenfalls das Eindringen von Fremdstoffen in das flüssige Schweißbad reduziert und dadurch die Qualität der Schweißverbindung verbessert. Ferner wird auch die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert, da sich der Energieeintrag auf die Schweißzone begrenzt und während des Schweißprozesses weniger Wärme in umliegendes Material fließt. Ebenso ist die benötigte Zündleistung im Vergleich zum klassischen Spitzenzündungsverfahren ohne Hochspannungszündung wesentlich geringer.
-
Das Verfahren ermöglicht es ferner einen Zündpunkt des Lichtbogens sehr genau zu bestimmen, da die Zündung mit einer zugeschalteten Hochspannung erfolgt. Bei konventioneller Spitzenzündung kann der Zeitpunkt, bei dem es zur Verdampfung der Spitze und somit zur Zündung des Lichtbogens kommt, sehr stark variieren. Dies liegt sowohl am Prozess selbst, sowie an den möglichen Fertigungstoleranzen der Zündspitzen, abhängig derer sich der Abstand, bei dem gezündet wird, verändert. Ebenfalls ist die maximale Zündgeschwindigkeit (Geschwindigkeit bei Kontakt der Bolzenspitze mit dem Werkstück) bei konventioneller Spitzenzündung auf ca. 100 mm/s bis 600 mm/s begrenzt. Dies ist dadurch begründet, da bei höheren Geschwindigkeiten die benötige Zeit zur thermischen Überlastung und darauf folgenden Verdampfung der Zündspitze zu kurz ist. Bei zu hoher Geschwindigkeit hält die Zündspitze dem Kurzschlussstrom stand, wird aufgrund der kinetischen Energie verformt und die gesamte Energie wird ohne nennenswerte Erwärmung der Bindezone im Kurzschluss ausgeglichen.
-
Vorteilhafterweise ist die Hochspannung zum Zünden des Lichtbogens ein einzelner Hochspannungsimpuls. Durch eine ebenso geeignete Hochfrequenzspannung kann eine höhere Lichtbogenleistung erreicht werden. Die Frequenz muss hierbei jedoch möglichst hoch gewählt werden, da ein Zünden des Pilotlichtbogens bei einem Vielfachen der ersten Schwingung nicht zu prozessbeeinträchtigenden Verschiebungen des Zündzeitpunktes führen darf.
-
Gemäß dem Verfahren soll die Zündung des Lichtbogens wenigstens bei einer Geschwindigkeit größer 0 erfolgen. Vorteilhafterweise bewegt sich das Schweißelement zum Zeitpunkt der Zündung des Lichtbogens mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von etwa 100 mm/s bis 1200 mm/s da hierdurch die Schweißzeit verkürzt werden kann und die negativen Effekte langer Schweißzeiten vermieden werden. Die Geschwindigkeit ist andererseits so gewählt, dass eine präzise Steuerung des Verfahrens und eine genau eingestellte Zünddistanz zum Werkstück möglich sind.
-
Vorteilhafterweise erfolgt die Zündung des Lichtbogens bei einem Abstand von Schweißelement zu Werkstück in einem Bereich von etwa 0,3 mm bis 2 mm. Das Verfahren kann auch ohne Zündspitze realisiert werden, wobei vorteilhaft eine Erhebung im Zentrum des Bolzens vorgesehen werden sollte, um das Zünden des Lichtbogens im Zentrum des Bolzens zu garantieren. Dies sorgt für ein gleichmäßiges Aufschmelzen des Bolzens aus dem Bolzenzentrum heraus und erhöht dadurch die Reproduzierbarkeit des Verfahrens.
-
Der Abstand von Schweißelement zu Werkstück, bei dem die Zündung des Lichtbogens erfolgt, wird vor Beginn des eigentlichen Schweißprozesses, ausgehend vom gemessenen Nullpunkt (Kontakt zwischen Bolzen und Werkstück) ermittelt und eingestellt. Sowohl die Zündung des Pilotlichtbogens, als auch die Messung des richtigen Zündzeitpunktes können sehr exakt und hochdynamisch realisiert werden. Dadurch wird ein genau definierter Zündabstand ermöglicht und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens erhöht.
-
Vorteilhafterweise wird das Schweißelement durch eine über eine vorbestimmte Strecke geregelte Beschleunigung bewegt. Durch die geregelte Beschleunigungsstrecke kann die Genauigkeit des Schweißverfahrens nochmals deutlich verbessert werden. Vorteilhafterweise wird hierbei auf eine konstante Zündgeschwindigkeit des Schweißelements beschleunigt. Durch das Regeln auf eine konstante Zündgeschwindigkeit kann vermieden werden, dass sich das Schweißelement bei Einleitung der Zündung in einer stark ansteigenden Beschleunigungsphase befindet. Eine konstante Geschwindigkeit vereinfacht die Einhaltung des eingestellten Zündzeitpunktes, garantiert gleichbleibende Eintauchgeschwindigkeiten und sorgt somit für eine erhöhte Reproduzierbarkeit.
-
Vorteilhafterweise wird das Schweißelement beim Auftreffen auf das Werkstück gedämpft. Das Vorsehen eines Dämpfungssystems ist hilfreich, um beim Auftreffen des Schweißelements auf einem empfindlichen Werkstück Schäden an letzterem zu vermeiden. Vorteilhafterweise kann das Schweißelement vor dem Auftreffen auf das Werkstück kontrolliert abgebremst werden. Wie die genannte Dämpfung dient das kontrollierte Abbremsen des Schweißelements zur Vermeidung von Schäden am Werkstück.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung zum Anschweißen eines Schweißelements an ein Werkstück, wobei die Schweißvorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren wie oben beschrieben auszuführen. Die Schweißvorrichtung kann damit alle Vorteile des Verfahrens wie oben beschrieben umsetzen.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung zum Anschweißen eines Schweißelements an ein Werkstück, wobei die Schweißvorrichtung insbesondere aufweist:
- • eine Hochspannungsquelle zur Generierung einer Hochspannung zum Zünden eines Lichtbogens durch Ionisierung einer Zündstrecke zwischen Schweißelement und Werkstück, wobei der eingeleitete Schweißlichtbogen einen Teil des Werkstücks und Bolzens aufschmilzt.
- • einen gesteuerten oder geregelten Antrieb um das Schweißelement, ausgehend vom angefahrenen Nullpunkt, vom Werkstück abzuheben und anschließend auf das Werkstück zu beschleunigen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Lichtbogen während der Bewegung des Schweißelements in Richtung Werkstück, in einem festgelegten Abstand zu zünden.
-
Vorteilhafterweise ist der Antrieb ein Linearantrieb in beliebiger technischer Ausführungsvariante. Vorteilhafterweise weist die Schweißvorrichtung ferner eine Messeinrichtung zum Messen des Abstandes auf und beinhaltet eine Steuer und/oder Regeleinrichtung, um die gewünschten Bewegungsabläufe des Schweißprozesses zu realisieren.
-
Vorteilhafterweise weist die Schweißvorrichtung ferner ein Dämpfungssystem auf, welches das Schweißelement vom Antrieb entkoppelt und welches dazu ausgelegt ist, das Auftreffen des Schweißelements auf dem Werkstück zu dämpfen. Durch das Entkoppeln des Schweißelements vom Antrieb werden hohe Impulskräfte verhindert. Ebenso ist es möglich durch das Dämpfungssystem die Druckbeaufschlagung in der Bindephase anzupassen. Dies ist außerdem durch kontrolliertes Bremsen im Bereich einiger Millisekunden möglich. Mittels eines Piezoantriebes oder einem anderen Antriebssystem geeignet hoher Dynamik ist ein solcher Bewegungsablauf auch ohne zusätzliches Bremssystem möglich.
-
Das oben genannte Schweißverfahren und die entsprechende Schweißvorrichtung erfordern nicht zwingend eine Spitze zur Zündung des Lichtbogens. Dies ermöglicht das Aufschweißen von Schweißelementen in z. B. Kugelform, Bolzen ohne Zündspitze. Weitere Vorteile manifestieren sich in einer geringen Schweißzeit und einer hervorragenden Qualität und hohen Reproduzierbarkeit des Schweißvorgangs. Durch den variabel einstellbaren Zündzeitpunkt steht durch ausgeführte Erfindung ein zusätzlicher, wichtiger Parameter zur Verfügung, welcher es beispielsweise erlaubt, bei gleichbleibender Eintauchgeschwindigkeit und gleichbleibendem Schweißstrom, den Energieeintrag über die Schweißzeit (definiert durch den variablen Zündzeitpunkt) zu steuern. Durch geeignete, auf Schweißelement und Werkstück abgestimmte Kombination der drei Hauptparameter Schweißstrom, Schweißzeit und Eintauchgeschwindigkeit kann der Prozess insgesamt optimiert werden.
-
Durch die Ausführungsformen der Schweißvorrichtung kann eine genaue und reproduzierbare Steuerung des Prozesses und somit des Schweißverfahrens erreicht werden. Der typische Ablauf des oben beschriebenen Schweißverfahrens erfolgt folgendermaßen:
- • Ein Schweißelement befindet sich auf Höhe des Nullpunktes (Schweißelement berührt Werkstück) oder der Nullpunkt wird durch die Schweißvorrichtung angefahren und ein gewünschter Zündabstand wird eingestellt.
- • Das Schweißelement wird dann vom Werkstück auf eine feste, oder einstellbare Startposition vom Werkstück wegbewegt.
- • Anschließend wird auf das Werkstück mit einer Geschwindigkeit größer 0 zubewegt.
- • Bei Erreichen des eingestellten Abstandes wird ein Lichtbogen zur Einleitung des Schweißprozesses mittels Hochspannung gezündet.
- • Wie bereits beschrieben kann nach Zündung des Lichtbogens vor und/oder während des Erreichens der Bindephase eine Bremsphase eingeleitet werden, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die anliegenden Figuren im Detail beschrieben.
-
1 zeigt eine Prozessführung des Schweißverfahrens gemäß dem Stand der Technik (mit Pilotlichtbogen).
-
2 zeigt eine Prozessführung eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens mit konstanter Prozessgeschwindigkeit.
-
3 zeigt eine Prozessführung eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens mit negativer Beschleunigung während der Eintauchphase.
-
4 zeigt eine Prozessführung eines erfindungsgemäßen Schweißverfahrens mit Zündung eines Hilfslichtbogens und anschließender Zündung des Hauptlichtbogens.
-
5 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.
-
1 zeigt den Ablauf eines Schweißverfahrens, wie er im Stand der Technik beschrieben wird. Dabei werden der Spannungsverlauf U (durchgezogene Linie), der Stromverlauf I (gepunktete Linie) und der Abstand d (gestrichelte Linie) zwischen einem Schweißelement und einem Werkstück während des zeitlichen Verlaufs t des Schweißverfahrens dargestellt. Dabei ist mit A das Anlegen einer Hochspannung gekennzeichnet, mit B die Zündung eines Schweißlichtbogens gekennzeichnet und mit C das Eintauchen des Schweißelements 2 in das Werkstück 1 gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt des Eintauchens C erlischt der Lichtbogen zwischen Schweißelement und Werkstück. Wie zu sehen ist, befindet sich das Schweißelement zum Zeitpunkt des Einschaltens der Hochspannung in einem endlichen Abstand d zu dem Werkstück. Bei Einschalten der Hochspannung zum Zeitpunkt A beginnt auch der Strom I zu steigen. Die durch die eingeschaltete Hochspannung geschaffene Zündstrecke mit Länge des Abstands d wird ionisiert und kurz darauf zündet der Hauptlichtbogen bei B. Nach der Zündung des Hauptlichtbogens zum Zeitpunkt B fällt die Spannung U wieder ab, während der Strom auf einen Maximalwert ansteigt bevor er langsam wieder abfällt. Zum Zeitpunkt C ändert sich der Abstand d des Schweißelements zu dem Werkstück, da es nach Beendigung der Schmelzphase in das aufgeschmolzene Werkstück beschleunigt wird. Beim Eintauchen in das Werkstück nach dem Zeitpunkt C fällt die Spannung rapide auf 0 ab, da ein Kurzschlussstrom fließt. Der Schweißstrom I fällt ebenfalls ab, die aufgeschmolzenen Teile des Schweißelements und des Werkstücks kühlen ab und die Schweißverbindung wird hergestellt.
-
Wie in 1 zu sehen ist, ist das Schweißelement während der gesamten Zündphase bis zum Zeitpunkt B und der darauffolgenden Schmelzphase bis zum Zeitpunkt C in einem konstanten Abstand d zu dem Werkstück, d. h. es ist unbewegt. Als mögliche Alternativen werden im Stand der Technik Beschleunigungen bzw. im Allgemeinen Bewegungen des Schweißelements in Richtung Werkstück während der Schmelzphase, d. h. zwischen den Zeitpunkten B und C, vorgeschlagen.
-
2 zeigt hingegen ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren. Wiederum ist im zeitlichen Verlauf (entlang der horizontalen Achse t) die Spannung U, der Abstand d zwischen Schweißelement 2 und Werkstück 1, sowie der Schweißstrom I aufgetragen. Das Referenzzeichen 4 bezeichnet eine Hochspannung, die zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet wird. Wie im oben beschriebenen Schweißverfahren des Stands der Technik beginnt zu diesem Zeitpunkt der Strom I anzusteigen. Dies geschieht jedoch schneller, da sich der Abstand d kontinuierlich verkleinert und hierdurch ebenso der Widerstand des Lichtbogens kontinuierlich abnimmt. Zum Zeitpunkt t2 zündet der mit dem Referenzzeichen 6 versehene Hauptlichtbogen und beim Eintauchen 7 des Schweißelements 2 in den Teil des Werkstücks 1 der durch den Hauptlichtbogen 6 aufgeschmolzen wurde, fallen die Spannung U sowie der Strom I rapide ab und die Schweißverbindung wird gefestigt.
-
Im Gegensatz zum oben genannten Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist in 2 ersichtlich, dass der Abstand d zwischen Schweißelement 2 und Werkstück 1 mit fortschreitendem Zeitverlauf t stetig und linear abnimmt. Das bedeutet, dass das Schweißelement 2 mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Werkstücks 1 bewegt wird. Die Bewegung findet schon während der Zündphase, insbesondere schon vor dem Zünden des Hauptlichtbogens 6 statt und findet weiterhin während der gesamten Schmelzphase zwischen Zeitpunkt t2 und t3 statt. Dies ist verfahrensbedingt nötig, um bei Einleitung der Zündung die gewünschte hohe Geschwindigkeit und dadurch kurze Schweißzeit zu erreichen.
-
Alternativ kann das Schweißelement 2 während seiner Bewegungsphase auch beschleunigt oder abgebremst werden, wie es z. B. in 3 dargestellt ist, so dass der Kurvenverlauf des Abstandes d Krümmungen aufweist. Wichtig ist jedoch, dass der Lichtbogen, hier der Hauptlichtbogen 6, bei ausreichend hoher Geschwindigkeit, also bewegtem Schweißelement 2 gezündet wird, d. h. bei einer Geschwindigkeit des Schweißelements 2 wesentlich größer 0.
-
Die Hochspannung 4 kann eine Hochfrequenzspannung sein, um höhere Lichtbogenleistungen zu erreichen, kann aber auch ein Gleichspannungsimpuls sein. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Schweißelement 2 zum Zeitpunkt der Zündung des Lichtbogens bewegt, sollte zwischen 100 mm/s und 1200 mm/s betragen. Dadurch wird eine ausreichend hohe Reproduzierbarkeit und Steuerbarkeit des Verfahrens gewährleistet, während andererseits eine geringe Schweißzeit erzielt wird. Ferner ist es nötig einen Abstand von Schweißelement 2 zu Werkstück 1 einzustellen, bei dem der Lichtbogen gezündet wird. Vorzugsweise liegt dieser Bereich zwischen 0,3 mm und 2 mm
-
In 3 sind als gestrichelte Linien beispielhafte Bewegungsabläufe, die eine Beschleunigung oder ein Abbremsen (negative Beschleunigung) enthalten. Eine Beschleunigung würde eine konvexe Krümmung des Verlaufs des Abstandes d, ein Bremsen eine konkave Krümmung der Linie bedeuten. Idealerweise ist die Eintauchgeschwindigkeit des Schweißelements 2 in das Werkstück 1 immer gleich, d. h. bei jeder Durchführung des Schweißverfahrens konstant. Wenn auf eine solche gleichbleibende, konstante Eintauchgeschwindigkeit geregelt wird, können Situationen vermieden werden, in denen das Schweißelement 2 zum Zeitpunkt der Zündung eine stark ansteigende Beschleunigungsphase durchläuft. Die Reproduzierbarkeit des Entladevorgangs wird dadurch gesteigert. Nach Durchlaufen einer vorgegebenen Beschleunigungsstrecke kann beispielweise das Schweißelement 2 eine vorbestimmte konstante Geschwindigkeit erreicht haben und es kann in einem vorbestimmten Abstand d der Lichtbogen 6 durch Anlegen einer Hochspannung 4 gezündet werden, so dass die danach gleichmäßige Bewegung des Schweißelements 2 eine genaue Vorhersagbarkeit des Auftreffens des Schweißelements 2 auf dem Werkstück 1 (entspricht der Schweißzeit) ermöglicht. Die notwendige Energie, d. h. der notwendige Schweißstrom I kann genau auf die Geschwindigkeit und den Zündabstand eingestellt oder darauf geregelt werden.
-
4 zeigt ein Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Verlauf sehr ähnlich dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren aus 2 ist. Die Referenzzeichen sind identisch, nur dass zum Zeitpunkt t1, zu dem eine Hochspannung 4 angelegt wird, vorerst ein Hilfslichtbogen 5 beliebiger Länge zündet. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 stabilisiert sich der Hilfslichtbogen 5 und bei Zeitpunkt t2 zündet der Hauptlichtbogen 6. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ist der Strom I konstant. Bei Zündung des Hauptlichtbogens 6 steigt der Strom stark an, um zusammen mit der Spannung U zum Zeitpunkt t3, dem Eintauchens 7 des Schweißelements 2 in das Werkstück 1, wieder abzusinken. Wie im Schweißverfahren aus 2 wird das Schweißelement 2 über den gesamten Schweißprozess bewegt, insbesondere findet die Zündung des Pilotlichtbogens 5 und des Hauptlichtbogens 6 bei einem in Richtung des Werkstücks 1 bewegten Schweißelement 2 statt. Das Verfahren aus 4 kann auch wie das Verfahren in 3 mit beschleunigtem und/oder abgebremstem Schweißelement 2 ausgeführt werden. Es ist anzumerken, dass für die oben vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren keine Spitze an dem Schweißelement 2 notwendig ist bzw. diese wesentlich kürzer ausgeführt werden kann, um die Schweißzeit nochmals verkürzen zu können.
-
5 zeigt ein Blockdiagramm einer Schweißvorrichtung 10 mit der die in 2 bis 4 gezeigten erfindungsgemäßen Schweißverfahren ausgeführt werden können. Dazu besitzt die Schweißvorrichtung 10 eine Hochspannungsquelle 11, die eine Hochspannung 4, liefert, um einen Lichtbogen 5/6 zwischen einem Schweißelement 2 und einem Werkstück 1 zu zünden. Das Schweißelement 2 ist dabei mit einem Antrieb 12 gekoppelt, vorzugsweise über eine Dämpfungsvorrichtung oder ein Dämpfungssystem 14. Der Lichtbogen 6 oder 5/6 (im Blockdiagramm zu 3 zusammengefasst) schmilzt einen Teil des Werkstücks 1 sowie den vorderen Teil des Schweißelements 2 auf. Die Schweißvorrichtung 10 verwendet ferner den genannten Antrieb 12, um das Schweißelement 2 in Richtung des Werkstücks 1 bewegen zu können, so dass dieses in den aufgesehmolzenen Teil des Werkstücks 1 eintauchen kann. Der Antrieb kann ein aktiver Linearantrieb sein, oder kann ein Federsystem, z. B. mit einem Hubmagneten sein, welches das Schweißelement 2 in Richtung Werkstück 1 beschleunigt.
-
Die Schweißvorrichtung 10 ist aber nicht auf die Art des Antriebs 12 beschränkt. Es ist jedoch ein Antrieb 12 vorzuziehen, der das Schweißelement 2 auf die oben genannten bevorzugten Geschwindigkeiten zwischen 100 bis 1200 mm/s beschleunigen kann. Die Schweißvorrichtung 10 besitzt ferner eine Steuereinrichtung 13, die das Schweißverfahren, wie in 2, 3 und 4 dargestellt, ausführen kann. Die Steuereinrichtung 13 kann dabei ausgelegt sein, verschiedene Verfahren durchzuführen. Dies kann gegebenenfalls vom Benutzer der Schweißvorrichtung im Vorfeld eingestellt werden. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 13 den Antrieb 12 und die Hochspannungsquelle 11 und kann somit gewährleisten, dass die Hochspannungsquelle 11 nur bei aktiviertem Antrieb 12, d. h. bei sich bewegendem Schweißelement 2 und bei einem vorgegebenem Abstand d eingeschaltet wird. Die Steuereinrichtung 13 kann weiterhin die Funktion einer Messeinrichtung 13 aufweisen, d. h. z. B. geeignete Sensoren aufweisen oder mit geeigneten Sensoren verbunden sein, welche die Bewegung des Schweißelements 2, die Beschleunigung des Schweißelements 2 und/oder den Abstand d zwischen Schweißelement 2 und Werkstück 1 messen. Durch Soll/Istwertvergleich kann die Steuereinrichtung ebenfalls dazu ausgelegt sein als Regler zu arbeiten.
-
Die Steuereinrichtung 13 kann dann das Verfahren bzw. den Schweißvorgang basierend auf diesen Parametern ausführen. Dabei kann eine Zündung des Lichtbogens 3 durch Einschalten der Spannungsquelle 11 bei einem zuvor bestimmten Abstand und vorzugsweise bei einer definierten Geschwindigkeit des Schweißelements stattfinden. Die definierte Geschwindigkeit zum Zeitpunkt des Erreichens des Abstandes d garantiert die Zündung ausschließlich bei positivem Bewegungsverlauf und verhindert das Zuschalten der Hochspannung im Fehlerfall.
-
Die Steuereinrichtung 13 kann eine exakt vorgegebene Beschleunigungsstrecke für das Schweißelement 2 vorgeben, um ab einem bestimmten Abstand, vor Erreichen des Zündabstandes zum Werkstück 1, eine konstante Bewegung des Schweißelements 2 zu erreichen. Andererseits kann die Steuereinrichtung 13 dazu geeignet sein, das Schweißelement 2 kontrolliert abzubremsen, um es z. B. kurz vor Auftreffen auf das Werkstück 1 zu bremsen, damit eine Beschädigung des Werkstücks 1 vermieden wird.
-
Das Dämpfungssystem 14 zwischen Schweißelement 2 und Antrieb 12 entkoppelt diese voneinander und kann insbesondere dazu geeignet sein, das Auftreffen des Schweißelements 2 auf dem Werkstück 1 zu dämpfen. Insbesondere falls der Antrieb eine bestimmte Masse überschreitet ist eine Dämpfung vorzusehen. Die Abbremsung gestaltet sich im Bereich von Millisekunden zwar insbesondere bei größeren Massen und hohen Geschwindigkeiten des Antriebs 12 schwierig, ist allerdings mit einem Piezoantrieb, mit Prinzip bedingtem kleinem Masse/dynamik-Verhältnis möglich. Auch andere geeignete Systeme, die eine solche Abbremsung vollziehen können, sind dafür verwendbar.
-
Die Schweißvorrichtung 10 kann entweder in einem Automatikbetrieb die geeignetsten Parameter, insbesondere den Abstand, bei dem eine Zündung des Lichtbogens 3 erfolgt, die Geschwindigkeit mit der das Schweißelement 2 in Richtung des Werkstücks 1 bewegt wird, eine Beschleunigungsrampe- oder kurve für das Schweißelement 2, die Höhe des Schweißstroms I und ein Abbremsen selbst automatisch bestimmen und einstellen. Die Schweißvorrichtung 10 kann aber auch eine Benutzerschnittstelle aufweisen, über welche die einzelnen Parameter gezielt und unabhängig voneinander eingestellt werden können. Bestimmte Parameterkombinationen können für verschiedene zu schweißenden Materialien vorteilhaft sein. Deshalb können in einem Speicher der Steuer- und Messeinrichtung 13 vorteilhafte Korrelationen zwischen Materialien und einzustellenden Parametern abgelegt sein, z. B. in Form einer Tabelle.
-
Das oben genannte erfindungsgemäße Schweißverfahren und die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 10 ermöglichen durch ihr gemeinsames Merkmal, nämlich den Lichtbogen 3 bei bewegtem Schweißelement 2 zu zünden, dass sehr kurze Schweißzeiten erzielt werden. Es kann dadurch eine größere Energiezufuhr durch den Lichtbogen 3 in das Werkstück 1 erfolgen, ohne dass sich umliegende Bereiche während der Schweißzeit stark aufheizen. Zudem kann der Abstand d, in dem der Lichtbogen 3 gezündet wird, genau bestimmt werden und sorgt somit für reproduzierbare und Schweißzeiten. Insgesamt lässt sich dadurch die Qualität von Schweißverbindungen weiter verbessern.
-
Da das vorliegende Verfahren bzw. die Vorrichtung, die das Verfahren ausführt, keine übliche Spitze am Schweißelement 2 benötigt, sind durch dieses Verfahren kostengünstige Schweißelemente 2 verwendbar. Die Schweißvorrichtung 10 kann durch die genaue Überwachung relevanter Parameter eine sehr hohe Reproduzierbarkeit des Zündvorgangs und des gesamten Schweißvorgangs gewährleisten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
