DE102011113308A1

DE102011113308A1 - Bolzenschweißverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE102011113308A1
Application number: DE102011113308A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Gisbert SCHMITT; Lothar GERLACH; Bernhardt Göbel; Markus Schläger; Mathias Eccarius
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14
Also published as: EP2753448A1; KR20140071360A; JP6201996B2; JP2014526382A; TW201318759A; EP2753448B1; CN103781582A; KR101989639B1; CN103781582B; WO2013034564A1

Abstract

Bolzenschweißverfahren zum Schweißen eines Bauelementes (12) auf eine Oberfläche (16) eines Werkstückes (14), mit den Schritten: Absenken des Bauelementes (12) auf die Oberfläche (16) des Werkstückes (14) und Einschalten eines elektrischen Stromes (I); Abheben des Bauelementes (12) von dem Werkstück (14), so dass ein im Wesentlichen in Längsrichtung (21) ausgerichteter Lichtbogen (24) gezogen wird; Beeinflussen des Lichtbogens (24) durch ein Magnetfeld (27), wobei das Magnetfeld (27) in einem generellen Magnetfeldwinkel (28) in Bezug auf die Längsrichtung (21) ausgerichtet ist; und eine axiale Komponente (BA) und/oder eine radiale Komponente (BR) aufweist; und Absenken des Bauelementes (12) auf das Werkstück (14), um die Schweißverbindung herzustellen; wobei der Magnetfeldwinkel (28) während der Lichtbogendauer verändert wird, um den Lichtbogen (24) dynamisch zu beeinflussen, indem das Vorzeichen der radialen und/oder der axialen Komponente (BR, BA) während der Lichtbogendauer wenigstens einmal geändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bolzenschweißverfahren zum Schweißen eines Bauelementes auf eine Oberfläche eines Werkstückes, mit den Schritten, das Bauelement auf die Oberfläche des Werkstückes abzusenken und einen elektrischen Strom einzuschalten, das Bauelement von dem Werkstück abzuheben, so dass ein im Wesentlichen in Längsrichtung ausgerichteter Lichtbogen gezogen wird, wobei der Lichtbogen durch ein Magnetfeld beeinflusst wird, das in einem generellen Magnetfeldwinkel in Bezug auf die Längsrichtung ausgerichtet ist und eine axiale Komponente und/oder eine radiale Komponente aufweist, und schließlich das Bauelement auf das Werkstück abzusenken, um die Schweißverbindung herzustellen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bolzenschweißen eines Bauelementes auf ein Werkstück, insbesondere zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, mit einem Bauelementhalter, an dem ein Bauelement gehalten werden kann, einem Linearmotor, mittels dessen der Bauelementhalter mit einem daran gehaltenen Bauelement in einer Längsrichtung bewegbar ist, einem Stromquellenanschluss zum Anschließen einer elektrischen Schweißstromquelle, und einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, mittels dessen ein zwischen dem Bauelement und dem Werkstück brennender Lichtbogen beeinflussbar ist, wobei das Magnetfeld in einem generellen Magnetfeldwinkel in Bezug auf die Längsrichtung ausgerichtet ist und eine axiale Komponente und/oder eine radiale Komponente aufweist.
Ein derartiges Bolzenschweißverfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung sind aus dem Dokument JP S39-27526 bekannt. Dieses Dokument offenbart, einen rotationssymmetrischen Bolzenstift mittels eines Lichtbogens auf ein Werkstück zu schweißen, wobei der Lichtbogen mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung beeinflusst wird, die eine elektrische Spule und ein konzentrisch zu dem Bolzen angeordnetes Joch aufweist, das als Feldformer ausgebildet ist. Zwischen einer Ringöffnung des Feldformers und dem Bolzen ist ein Luftspalt eingerichtet, in dem das magnetische Feld den Lichtbogen beeinflusst. Der Feldformer ist dabei so angeordnet, dass ein Magnetfeldvektor schräg zur Längsachse ausgerichtet ist, so dass eine radiale und eine axiale Komponente des Magnetfeldes auf den Lichtbogen wirken. Durch die radiale Komponente wird der Lichtbogen in Drehung versetzt. Durch die axiale Komponente wird der Lichtbogen konvergiert.
Ein ähnliches Verfahren ist aus dem Dokument DE 10 2009 054 365 A1 bekannt.
Ferner ist es aus dem Dokument DE 102 53 415 A1 bekannt, Bauelemente mit einer länglichen Schweißfläche auf ein Werkstück zu schweißen, wobei eine Magnetfelderzeugungseinrichtung den Lichtbogen entlang der länglichen Schweißfläche hin- und herbewegt, wobei das Magnetfeld umgepolt wird, wenn der Lichtbogen das Ende einer Stirnseite erreicht hat.
Das eingangs genannte japanische Dokument lässt sich nicht verwenden, wenn das Bauelement aus einem nichtmagnetischen Material besteht, wie beispielsweise Aluminium, da ein magnetischer Kreis über das Bauelement geschlossen wird.
Bei Bolzenschweißverfahren der eingangs genannten Art, bei denen Bauelemente aus Aluminium oder einem anderen nichtmagnetischen Material auf ein entsprechendes Werkstück geschweißt werden, ist es bekannt, anstelle des bei den obigen Verfahren verwendeten Gleichstromes den Lichtbogen durch einen Wechselstrom zu erzeugen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Bolzenschweißverfahren sowie eine verbesserte Bolzenschweißvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Bolzenschweißverfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei gemäß Anspruch 1 der generelle Magnetfeldwinkel während der Lichtbogendauer gezielt verändert wird, um den Lichtbogen dynamisch zu beeinflussen, indem das Vorzeichen der radialen und/oder der axialen Komponente während der Lichtbogendauer wenigstens einmal geändert wird.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung dazu ausgelegt ist, einen generellen Magnetfeldwinkel des Magnetfelds in Bezug auf die Längsrichtung zu verändern, um den Lichtbogen dynamisch zu beeinflussen, indem das Vorzeichen der radialen und/oder der axialen Komponente während der Lichtbogendauer wenigstens einmal geändert wird.
Unter einer dynamischen Beeinflussung des Lichtbogens wird vorliegend verstanden, dass der Lichtbogen im Verlauf eines Schweißvorganges eines Bauelementes auf ein Werkstück beeinflusst wird, wobei die Beeinflussung sich sowohl auf die Drehrichtung des Lichtbogens als auch auf eine Fokussierung (Konvergenz) wie auch eine Defokussierung beziehen kann. Ferner kann die Beeinflussung sich auf die Art des Lichtbogens bzw. auf die Art der Ladungsträger in den Lichtbogen beziehen.
Der Begriff des generellen Magnetfeldwinkels ist vorliegend wie folgt zu verstehen. Da das Magnetfeld, mittels dessen der Lichtbogen beeinflusst wird, nicht homogen ist, ist der Magnetfeldwinkel über die Länge des Lichtbogen gesehen nicht konstant. Vorzugsweise weisen die Vektoren der magnetischen Feldstärke, die die jeweiligen Magnetwinkel definieren, jedoch jeweils eine radiale und/oder eine axiale Komponente auf, deren Vorzeichen gleich ist. Vorzugsweise sind lediglich die Beträge der radialen und/oder axialen Komponente der Einzelvektoren unterschiedlich groß. Insbesondere kann unter einem generellen Magnetfeldwinkel ein mittlerer Magnetfeldwinkel verstanden werden.
Sofern nachfolgend der Begriff des Magnetfeldwinkels verwendet wird, so soll sich dieser auf den generellen Magnetfeldwinkel beziehen.
Das Verändern des Magnetfeldwinkels kann durch elektrische Maßnahmen und/oder durch mechanische Maßnahmen erfolgen.
Unter einem Bauelement ist vorliegend vorzugsweise ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Bauelement zu verstehen, wie beispielsweise ein Bolzen mit kreisförmigem Querschnitt oder ein Ringbauelement wie eine Mutter mit einem ringförmigen Querschnitt. Entsprechend kann eine Schweißfläche des Bauelementes im Wesentlichen kreisförmig oder im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sein, wobei die Ringform nicht notwendigerweise durchgehend sein muss. Die Konturen der Schweißflächen müssen nicht notwendigerweise kreisförmig sein, sondern können polygonal sein.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren eignet sich für jede Art von Bauelementen aus Metall. Von besonderer Bedeutung ist vorliegend jedoch, dass das Schweißverfahren mit Bauelementen aus nichtmagnetischen bzw. wenig magnetischen Materialien verwendbar ist, wie zum Beispiel Aluminium, Aluminiumlegierungen, Edelstahl, etc.
Der elektrische Strom, der zum Erzeugen des Lichtbogens verwendet wird, kann ein Gleichstrom sein, ist jedoch vorzugsweise ein Wechselstrom. Demzufolge ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren sehr variabel und kann an verschiedene Parameter, Randbedingungen und Prozessverläufe des Bolzenschweißens angepasst werden.
Vorzugsweise ist das den Lichtbogen beeinflussende Magnetfeld generell schräg zu der Längsachse des Lichtbogens ausgerichtet und weist folglich eine radiale und eine axiale Komponente auf.
Durch das Ändern des Vorzeichens der radialen und/oder der axialen Komponente können die Magnetfeldvektoren in Bezug auf die Längsrichtung des Lichtbogens oder in Bezug auf eine Ebene quer zur Längsrichtung des Lichtbogens gekippt werden, wobei sich das Vorzeichen der radialen Komponente, das Vorzeichen der axialen Komponente oder das Vorzeichen beider Komponenten ändern kann.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der generelle Magnetfeldwinkel an der axialen Komponente und/oder an der radialen Komponente gespiegelt wird.
Ferner ist es möglich, dass der generelle Magnetfeldwinkel um 180° gedreht wird.
Wenn der elektrische Schweißstrom beispielsweise ein Gleichstrom ist, können durch die Vorzeichenveränderung der radialen und/oder der axialen Komponente die elektrischen Ladungsträger des Lichtbogens beeinflusst werden, von fokussierend zu defokussierend und umgekehrt.
Die Fokussierung erfolgt dabei bei rotationssymmetrischen Bauelementen vorzugsweise symmetrisch, das heißt der Lichtbogen wird vorzugsweise über den gesamten Umfang radial nach innen gerichtet (fokussiert) oder radial nach außen gerichtet (defokussiert). Die Fokussierung und die Defokussierung hängen von dem Ladungstyp der den Lichtbogen bildenden Ladungsträger ab. Die Ladungsträger können Ionen und Elektronen sein. Ionen sind positiv geladene Teilchen. Elektronen sind negativ geladen und weisen beim Werkstoff Aluminium eine um den Faktor 500.000 geringere Masse als Ionen auf. Der Lichtbogen kann insbesondere im Falle von Aluminium oder Aluminiumlegierungen (im Folgenden generell mit ”Aluminium” bezeichnet) auch vorwiegend nur Elektronen aufweisen.
Von Vorzug ist es, wenn man festlegen kann, welche Art von Ladungsträger maßgeblich ist für die Bildung des Lichtbogens. In diesem Fall kann man die Fokussierung oder die Defokussierung gezielt einrichten. Dies hängt beispielsweise davon ab, ob die Ladungsträger aus einer Oxidschicht gelöst werden oder direkt aus einer Schmelze.
Generell ist es zumindest beim Schweißen von Aluminiumbauelementen bevorzugt, die Randbedingungen des Schweißprozesses so festzulegen, dass der Lichtbogenstrom im Wesentlichen nur aus Elektronen besteht. Hierfür sind die Richtung des Lichtbogenstromes (d. h. dessen Polarität) und die Richtung der Magnetfeldvektoren im Lichtbogen (der jeweiligen Magnetfeldwinkel) von Bedeutung. Wenn man beim Bolzenschweißen mit Gleichstrom z. B. das Vorzeichen der axialen Komponente ändert, so bleibt der Drehsinn der Ladungsträger erhalten. Die Fokussierung bzw. Defokussierung der Ladungsträger ändert sich aber mit jedem Vorzeichenwechsel der axialen Komponenten der Magnetfeldvektoren. Diese Vorzeichenänderung kann bevorzugt durch eine Änderung der Lichtbogenlänge (Hubänderung während der Schweißung) verursacht werden.
Die radialen Komponenten der Magnetfeldvektoren haben einen Einfluss auf die Drehrichtung der Ladungsträger und bestimmen damit auch ihre Fokussierung bzw. Defokussierung.
Die axiale Komponente des Magnetfeldes hat einen Einfluss auf die Fokussierung/Defokussierung des Lichtbogens. Da die Ladungsträger positiv (Ionen) oder negativ (Elektronen) geladen sein können, wird für ein bestimmtes Magnetfeld mit einer axialen Komponente immer entweder eine Fokussierung von positiven Ladungsträgern bei gleichzeitiger Defokussierung von negativen Ladungsträgern oder umgekehrt erzielt.
Wenn als Strom zur Erzeugung des Lichtbogens ein elektrischer Wechselstrom verwendet wird, was bedeutet, dass sich das Vorzeichen des elektrischen Stromes während der Lichtbogendauer wenigstens einmal ändert (etwaige vorangehende Reinigungsschritte vorzugsweise ausgenommen), ergibt sich noch eine größere Vielfalt von Möglichkeiten der Beeinflussung des Lichtbogens.
Zum einen ergibt sich bei wechselnder Polarität des Schweißstromes und gleichbleibendem generellen Magnetfeldwinkel ein Wechsel der Drehrichtung des Lichtbogens.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn der Lichtbogen durch einen elektrischen Wechselstrom erzeugt wird, dessen Polarität während des Schweißvorganges wenigstens einmal geändert wird, wobei der generelle Magnetfeldwinkel in Abhängigkeit von dem Polaritätswechsel verändert wird, insbesondere synchron mit dem Polaritätswechsel.
Vorzugsweise erfolgt das Verändern des Magnetfeldwinkels gleichzeitig mit der Änderung der Polarität des Wechselstromes.
Wenn man beim Bolzenschweißen mit Wechselstrom z. B. das Vorzeichen der radialen Komponenten der Magnetfeldvektoren synchron mit den Polaritätswechseln des Lichtbogenstromes ändert, so bleiben Drehsinn und Fokussierung bzw. Defokussierung der Ladungsträger erhalten.
Andererseits ist es durch Einflussnahme auf den Magnetfeldwinkel und/oder die Polarität des Wechselstromes auch möglich, den Drehsinn bewusst umzukehren und/oder zwischen einer Fokussierung und Defokussierung umzuschalten.
Der Bolzenschweißprozess kann auf diese Weise in weitem Umfange beeinflusst werden, um letztendlich gute Schweißergebnisse zu erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Lichtbogen durch einen elektrischen Gleichstrom erzeugt, wobei der generelle Magnetfeldwinkel durch Veränderung der Position eines Abschnittes einer Magnetfelderzeugungseinrichtung verändert wird.
Durch Verändern der Position bzw. Lageversetzen des Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann der Magnetfeldwinkel beeinflusst werden. Vorzugsweise erfolgt dies, indem der Magnetfeldwinkel über eine radiale Ebene oder eine hierzu senkrechte Achse hinaus gekippt wird. Bei einem solchen Kippen über eine Ebene hinweg oder über die Längsachse hinweg kann ein Wechsel des Vorzeichens einer radialen und/oder einer axialen Komponente des Magnetfeldes realisiert werden. Mit anderen Worten werden die Magnetfeldvektoren hin zu oder weg von der Bolzenachse gekippt.
Der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann eine Magnetfeldquelle sein, wie beispielsweise ein Permanentmagnet. Der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann jedoch auch ein magnetisches Joch bzw. ein Feldformer sein. Wenn der Magnetfeldwinkel durch Verändern der Position des Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung verändert wird, kann durch vergleichsweise einfache mechanische Anordnungen ein Vorzeichenwechsel der radialen und/oder der axialen Komponente erzwungen werden.
Bei dieser Ausführungsform kann das Schweißergebnis durch eine koordinierte Änderung des Magnetfeldwinkels bei gleichbleibendem Drehsinn zu beliebigen Zeitpunkten oder in Abhängigkeit von anderen Schweißparametern, z. B. dem Lichtbogenstrom optimiert werden.
Durch die Veränderung des Magnetfeldwinkels durch Lageversetzen des Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung ist es möglich, eine Magnetfeldquelle ohne Umpolungsmöglichkeit zu verwenden, wie beispielsweise einen Permanentmagneten.
Von besonderem Vorzug ist es hierbei, wenn der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung parallel zur Längsrichtung bewegt wird.
Da insbesondere beim Bolzenschweißen auch für andere Komponenten eine Axialbeweglichkeit eingerichtet wird (beispielsweise für einen Halter eines Bolzens), ist es konstruktiv vergleichsweise einfach, auch einen Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung parallel zur Längsrichtung zu bewegen.
Insgesamt ist es ferner bevorzugt, wenn das Magnetfeld von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, die einen Permanentmagneten als Magnetfeldquelle aufweist. Es versteht sich, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung auch eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweisen kann. Besonders bevorzugt ist eine Verwendung eines Permanentmagneten in einer Ausrichtung parallel zur Längsrichtung, insbesondere konzentrisch zu einer Längsachse des Lichtbogens
Generell ist es auch möglich, dass die das Magnetfeld bildenden Magnetfeldvektoren um 180° in ihrer Richtung geändert werden, beispielsweise von einem radial nach innen gerichteten Magnetfeldvektor hin zu einem radial nach außen gerichteten Magnetfeldvektor.
Ferner ist es insgesamt bevorzugt, wenn das Magnetfeld von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, die eine elektrische Spule aufweist, wobei der generelle Magnetfeldwinkel verändert wird, indem die Spule umgepolt wird oder ein Einschaltzustand der Spule geändert wird.
Durch Umpolen oder durch Ändern des Einschaltzustandes (von eingeschaltet in ausgeschaltet oder umgekehrt) der elektrischen Spule, die als Magnetfeldquelle dient, kann eine gleichzeitige Änderung des Vorzeichens der radialen und der axialen Komponente des Magnetfeldes erreicht werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Polaritätswechsel der Schweißstromquelle (bei Wechselstrom) ausgeglichen werden, um den Drehsinn beizubehalten und dabei einen Wechsel von Fokussierung nach Defokussierung von z. B. Ionen und umgekehrt zu erzielen. Es versteht sich ferner, dass eine Magnetfelderzeugungseinrichtung ferner einen Permanentmagneten und eine umpolbare Spule aufweisen kann. Ferner sind Magnetfelderzeugungseinrichtungen denkbar, die eine insbesondere umpolbare Spule sowie einen mechanisch hinsichtlich der Position veränderbaren Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweisen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform üben Ladungsträger des Lichtbogens aufgrund der radialen Komponente des Magnetfeldes eine Drehbewegung um die Längsrichtung aus, wobei der generelle Magnetfeldwinkel derart verändert wird, dass der Drehsinn erhalten bleibt.
Hierdurch kann bspw. bei gleichbleibender Drehrichtung des Lichtbogens zwischen einer fokussierenden und einer defokussierenden Einflussnahme auf den Lichtbogen umgeschaltet werden, indem der Magnetfeldwinkel verändert wird.
Alternativ kann die Drehrichtung auch dann gleich bleiben, wenn der elektrische Schweißstrom ein Wechselstrom ist. Dabei kann bei einem Wechsel der Polarität des Schweißstromes der Magnetfeldwinkel synchron hierzu so verändert werden, dass die Drehrichtung gleich bleibt.
Ferner ist es insgesamt bevorzugt, wenn Ladungsträger des Lichtbogens aufgrund des Magnetfeldes fokussiert oder defokussiert werden und wenn der Magnetfeldwinkel derart verändert wird, dass die Fokussierung oder die Defokussierung während der Lichtbogendauer beibehalten werden.
Wie oben erwähnt, kann diese Ausführungsform mit jener kombiniert werden, bei der der Drehsinn der Ladungsträger des Lichtbogens erhalten bleibt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden Ladungsträger des Lichtbogens aufgrund des Magnetfeldes fokussiert oder defokussiert, wobei der Magnetfeldwinkel derart verändert wird, dass die Fokussierung oder die Defokussierung während der Lichtbogendauer zyklisch mit Änderungen des Magnetfeldwinkels wechseln.
Durch diese Maßnahme kann der Lichtbogen so beeinflusst werden, dass er eine größere Fläche an der Oberfläche des Werkstückes anschmilzt, auf das das Bauelement zu schweißen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung ist es bevorzugt, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine elektrische Spule aufweist, die umpolbar ist, um den Magnetfeldwinkel zu verändern.
Bei Magnetfeldern, die eine radiale und eine axiale Komponente aufweisen, können durch Umpolen der Spule gleichzeitig die radiale und die axiale Komponente des Magnetfeldes verändert werden, wodurch beispielsweise ein Polaritätswechsel der Schweißstromquelle ausgeglichen werden kann, um die Drehrichtung gleichgerichtet beizubehalten, und dabei einen Wechsel von Fokussierung nach Defokussierung von z. B. Ionen und umgekehrt zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung lageversetzbar, um den Magnetfeldwinkel zu verändern.
Das Versetzen der Lage des Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann beispielsweise dazu führen, dass sich das Vorzeichen der axialen Komponente des Magnetfeldes ändert, um auf diese Weise Einfluss zu nehmen auf die Drehrichtung bzw. Fokussierung/Defokussierung des Lichtbogens.
Der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann eine Magnetfeldquelle sein. Der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann jedoch auch ein Joch sein, über das ein magnetischer Kreis zwischen einer Magnetfeldquelle und einem Luftspalt geschlossen wird, innerhalb dessen der Lichtbogen brennt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der lageversetzbare Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung mit dem Bauelementhalter oder mit einem Mundstück fest verbunden, das bei dem Schweißprozess um den Lichtbogen herum angeordnet wird.
Bei dieser Ausführungsform kann von der Tatsache Gebrauch gemacht werden, dass bei Bolzenschweißvorrichtungen der gattungsgemäßen Art der Bauelementhalter ohnehin in Längsrichtung bewegbar sein muss, um den Bolzenschweißprozess durchführen zu können. Demzufolge kann der Hub des Bauelementhalters (entsprechend der Länge des Lichtbogens) verändert werden, um den Magnetfeldwinkel zu verändern.
Bei einer bevorzugten Variante einer Bolzenschweißverfahren ist ferner ein Mundstück vorgesehen, das bei dem Schweißprozess um den Lichtbogen herum angeordnet wird, um Einwirkungen von außen (Störung einer Schutzgasabdeckung bzw. Blaswirkung) zu verringern. Bei dieser Ausführungsform kann der lageversetzbare Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung auch mit dem Mundstück gekoppelt sein.
Insgesamt ist es ferner von Vorteil, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung einen Permanentmagneten aufweist.
Diese Ausführungsform ist unabhängig davon, ob die Bolzenschweißvorrichtung oder das Bolzenschweißverfahren eine Veränderung des Magnetfeldwinkels während der Lichtbogendauer ermöglichen, als eigene Erfindung anzusehen.
Während im Stand der Technik als Magnetfeldquellen generell Spulen herangezogen worden sind, ist die Verwendung eines Permanentmagneten von enormem Vorteil. Denn Permanentmagnete können auf wesentlich kleinerem Bauraum eine wesentlich höhere magnetische Flussdichte erzeugen, insbesondere, wenn die Permanentmagnete aus Seltenen Erden hergestellt sind.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Bauelemente selbst nicht magnetisch oder nur gering magnetisch sind, so dass das ständig vorhandene Magnetfeld des Permanentmagneten keinen Einfluss auf das Bauelement hat. Insbesondere Bauelemente aus Aluminium sind hierbei bevorzugt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement ringförmig, wobei zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung in die Ringöffnung des Bauelementes ragt.
Bei dieser Ausführungsform kann das Magnetfeld mit einer im Wesentlichen radialen Ausrichtung (zuzüglich gegebenenfalls einer kleinen axialen Komponente) über den gesamten Umfang der ringförmigen Schweißfläche des Bauelementes eingerichtet werden, so dass eine symmetrische Beeinflussung des Lichtbogens möglich wird. Das Magnetfeld verläuft dabei von einem Abschnitt radial innerhalb der ringförmigen Schweißfläche zu einem Abschnitt radial außerhalb der ringförmigen Schweißfläche, so dass es bevorzugt ist, dass zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung radial außerhalb des Lichtbogens angeordnet ist.
Der in die Ringöffnung des Bauelementes ragende Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann sich auch durch die Ringöffnung hindurch erstrecken, so dass das Magnetfeld in dem sich anschließenden Luftspalt weniger durch die Form des Bauelementes beeinflusst wird.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung, der in die Ringöffnung des Bauelementes ragt oder sich durch diese hindurch erstreckt, als Permanentmagnet ausgebildet ist.
Mit der vorliegenden Erfindung ist folglich durch Ändern des Vorzeichens der radialen und/oder der axialen Komponente ein gesteuertes Kippen der Magnetfeldvektoren hin zu oder weg von der Längsachse eines Magnetfeldes möglich, das extern in einer Lichtbogenbrennzone symmetrisch zu der Längsrichtung erzeugt wird. Hierdurch kann symmetrische Fokussierung/Defokussierung von Ladungsträgern im Lichtbogen erzwungen werden. Ferner kann bei Polaritätswechseln des Schweißstromes ein Wechsel von einer Fokussierung zu einer Defokussierung verhindert werden. Weiterhin ist es möglich, bei derartigen Polaritätswechseln eine Änderung der Drehrichtung zu vermeiden.
Als Magnetfeldquellen können Permanentmagnete und/oder elektromagnetische Spulen verwendet werden.
Die Ausführungsform mit radial außen liegendem Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung kann auch bei solchen Ausführungsformen von Vorteil sein, bei denen das Bauelement als Vollbolzen ausgebildet ist.
Der Schweißprozessablauf kann so erfolgen, dass bei einer gegebenen Anordnung einer Magnetfelderzeugungseinrichtung bei einem Polaritätswechsel des Schweißstromes eine symmetrische Fokussierung eines Ionenstromes dauerhaft ohne Eingriff auf die Magnetfelderzeugungseinrichtung ermöglicht wird.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass im Takt bzw. synchron mit Polaritätswechseln des Schweißstromes während der Lichtbogendauer ein in Längsrichtung verschiebbarer Stützfuß und/oder ein Schutzgasmundstück bewegt werden, um bei einem Polaritätswechsel eine Fokussierung eines Ionenstroms dauerhaft über den gesamten Schweißprozess zu gewährleisten.
Ferner kann die Stromflussrichtung einer elektrischen Spule oder von elektrischen Spulen (Elektromagneten) umgepolt werden, um bei einem Polaritätswechsel des Schweißstroms die symmetrische Fokussierung eines Ionenstromes dauerhaft über den gesamten Schweißprozess zu erhalten.
Des Weiteren ist es möglich, ein konstant starkes und gleichgerichtetes Magnetfeld zu verwenden, um bei häufigen Polaritätswechseln und bei einem im Wesentlichen aus Elektronen bestehenden Lichtbogenstrom trotz abwechselnder symmetrischer Fokussierung/Defokussierung sehr gute Schweißergebnisse zu erzielen.
Die Bauelemente können Bolzen mit konventionellem Flansch oder mit einem Ringflansch sein. Die Bauelemente können auch ringförmige Schweißmuttern sein. Besonders bevorzugt sind die Bauelemente aus einem nichtmagnetischen Material, insbesondere Aluminium (einschließlich von Aluminiumlegierungen, legiert beispielsweise mit Zink, Magnesium etc.), hergestellt.
Beispielsweise bei Aluminium, gegebenenfalls auch bei anderen Nichteisenwerkstoffen, kann eine Oxidhaut während des Schweißprozesses einen Einfluss auf den Schweißvorgang nehmen.
Wenn diese Oxidhaut während des Schweißprozesses bis zum finalen Absenken des Bauelementes im Wesentlichen intakt bleibt, wird der Lichtbogen im Wesentlichen durch Elektronen gebildet. Dies kann durch geeignete Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden. Ferner können die folgenden Nachteile mit der Erfindung je nach Ausführungsform vermieden werden: Zum einen kann vermieden werden, dass die Hubhöhe zu klein werden muss, um Blaswirkungen zu vermeiden. Ferner ist es möglich, zu kleine Hubhöhen zu vermeiden, wodurch Kurzschlüsse verhindert werden können.
Ferner kann das Schweißverfahren mit einem relativ niedrigen Strom, häufigen Polaritätswechseln und/oder einer relativ langen Schweißzeit erfolgen, um Überhitzungen der Schmelze über die Verdampfungstemperatur von Legierungsbestandteilen hinaus zu vermeiden. Auch kann vermieden werden, dass der Lichtbogen nicht gleichmäßig rund läuft oder in einer radialen Position bleibt und dann für ein asymmetrisches Anschmelzen sorgt.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl mit Gleichstrom- als auch mit Wechselstromtechnik durchgeführt werden. Die Veränderung des Magnetfeldwinkels kann beispielsweise durch einen Permanentmagneten in Verbindung mit einer Lageversetzung eines Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung erfolgen. Alternativ kann eine elektromagnetische Spule in Verbindung mit einem Permanentmagneten verwendet werden, in welchem Fall beispielsweise eine Magnetfeldwinkeländerung durch Zu- und Abschalten der Spule oder durch Umpolen der Spule erfolgen kann. Auch ist es möglich, das Magnetfeld mittels zweier elektromagnetischer Spulen einzurichten.
Generell kann sich bei dem vorliegenden Verfahren während der Lichtbogendauer eine ständige Hubbewegung des Abschnittes der Magnetfelderzeugungseinrichtung und gegebenenfalls damit des Bauelementes selbst ergeben. Die Hubbewegung erfolgt jedoch so, dass vorzugsweise kein Kurzschluss mit dem Werkstück erzeugt wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung;
2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung;
2a einen Magnetfeldvektor bei Umpolung einer Magnetfeldquelle der Vorrichtung der 2;
3 die Vorrichtung der 2 mit einer lageversetzten Magnetfeldquelle und verändertem Magnetfeldwinkel;
4 Zeitablaufdiagramme zur Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bolzenschweißverfahrens;
5 Zeitablaufdiagramme zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bolzenschweißverfahrens;
6 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung;
7 die Bolzenschweißvorrichtung der 6 mit einem lageversetzten Permanentmagneten;
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines fokussierten Lichtbogens;
9 eine der 8 entsprechende Darstellung zur Erläuterung eines defokussierten Lichtbogens; und
10 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung generell mit 10 bezeichnet. Die Bolzenschweißvorrichtung 10 dient dazu, ein Bauelement 12, das vorliegend als Schweißbolzen ausgebildet ist, auf ein Werkstück 14 zu fügen. Genauer gesagt wird das Bauelement 12 auf eine Oberfläche 16 des Werkstückes 14 geschweißt, ohne dass eine Zugänglichkeit von einer Rückseite des Werkstückes 14 aus erforderlich ist.
Das Bauelement 12 weist eine Schweißfläche 13 auf, die vorliegend als Kreisfläche ausgebildet ist. Ferner kann die Schweißfläche 13 wie dargestellt leicht konisch zulaufend ausgebildet sein. Das Bauelement 12 ist rotationssymmetrisch geformt, und das Werkstück 14 ist beispielsweise ein Blech oder dergleichen.
Die Bolzenschweißvorrichtung 10 beinhaltet ferner einen schematisch angedeuteten Bauelementhalter 18, an dem das Bauelement 12 während des Schweißprozesses gehalten wird. Der Bauelementhalter 18 ist mittels eines Linearmotors 20 (beispielsweise ein elektrischer Linearmotor) hin- und herbewegbar, wie es bei 20 gezeigt ist. Die Bewegung des Bauelementhalters 18 erfolgt parallel zu einer Längsachse 21 des Bauelementes 12, die zudem die Längsrichtung bzw. Längsachse des Bolzenschweißprozesses definiert.
Ferner beinhaltet die Bolzenschweißvorrichtung 10 eine Stromquelle 22, mittels der eine elektrische Spannung zwischen dem Bauelement 12 und dem Werkstück 14 angelegt werden kann, so dass ein elektrischer Schweißstrom I fließen kann.
Mittels der gezeigten Bolzenschweißvorrichtung 10 ist ein Bolzenschweißverfahren durchführbar, das die folgenden Schritte beinhaltet: Zunächst wird das Bauelement 12 durch Bewegen des Bauelementhalters 18 auf die Oberfläche 16 des Werkstückes 14 abgesenkt, so dass ein Hub H des Bauelementes 12 gleich null wird. Anschließend wird die Stromquelle 22 eingeschaltet, so dass ein elektrischer Strom zwischen dem Bauelement 12 und dem Werkstück 14 fließt. Anschließend wird das Bauelement 12 von der Oberfläche 16 abgehoben, so dass ein Lichtbogen gezogen wird, der in 1 schematisch durch eine Mehrzahl von parallelen Pfeilen angedeutet ist. Die Richtung der Pfeile hängt von der Richtung des Stromes I ab.
Sobald die Schweißfläche 13 und ein gegenüberliegender Abschnitt der Oberfläche 16 des Werkstückes 14 angeschmolzen sind, wird das Bauelement 12 wieder auf das Werkstück 14 abgesenkt. Hierdurch wird ein elektrischer Kurzschluss erzeugt, und die Stromquelle 22 wird abgeschaltet. Die Gesamtschmelze erstarrt, so dass das Bauelement 12 stoffschlüssig mit dem Werkstück 14 verbunden ist.
Zur Beeinflussung des Lichtbogens ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 vorgesehen, die in 1 schematisch dargestellt ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 ist dazu ausgelegt, in zumindest einen Abschnitt des Lichtbogens 24 ein Magnetfeld einzukoppeln. Vorzugsweise ist das Magnetfeld 27, das durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, symmetrisch zu der Längsachse 21.
Das Magnetfeld 27 kann homogen sein, es kann jedoch auch nichthomogen sein. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass auch ein nichthomogenes Feld einen gemittelten Gesamtmagnetfeldvektor B_G definiert. Der Gesamtmagnetfeldvektor B_G setzt sich zusammen aus einer radialen Komponente B_R und aus einer axialen Komponente B_A.
Die radiale Komponente B_R erzeugt auf die sich parallel zur Lichtbogenachse bewegenden Ladungsträger des Lichtbogens 24 eine Lorentzkraft, die so gerichtet ist, dass die Ladungsträger bzw. der dadurch gebildete Lichtbogen 24 in eine Drehung versetzt werden. Die Drehrichtung ist für eine negative Bolzenpolarität in 1 schematisch bei D angedeutet.
Die axiale Komponente B_A kann eine Konvergenz oder eine Divergenz des Lichtbogens 24 hervorrufen, durch Krafteinwirkung auf Ladungsträger, die sich nicht parallel zu der Längsachse 21 bewegen. Der Gesamtmagnetfeldvektor B_G schließt mit der Längsachse 21 einen Magnetfeldwinkel 28 ein. Wenn der Magnetfeldwinkel 28 null ist, besteht das Magnetfeld nur aus einer axialen Komponente. Wenn der Magnetfeldwinkel 28 90° beträgt, beinhaltet das Magnetfeld nur eine radiale Komponente. Die radiale Komponente B_R und die axiale Komponente B_A können wie dargestellt gerichtet sein, also radial nach innen bzw. axial nach unten, können jedoch jeweils auch die entgegengesetzte Richtung haben.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 ist so ausgebildet, dass das Bauelement 12 nicht Bestandteil des magnetischen Kreises ist. Das Bauelement 12 ist vorzugsweise aus einem Nichteisenmetall hergestellt, insbesondere aus einem nicht oder nur wenig magnetisierbaren bzw. magnetischen Werkstoff wie Aluminium, Edelstahl etc.
Das Bauelement 12 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch und kann wie dargestellt als Bolzen ausgebildet sein, kann jedoch auch ein Ringelement sein, in welchem Fall die Schweißfläche 13 nicht kreis- sondern ringförmig ausgebildet ist. In diesem Fall kann sich ein Teil der Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 auch radial innerhalb des Bauelementes 12 befinden, um auf diese Weise ein Magnetfeld zwischen einem radial innen liegenden Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 und einem radial außen liegenden Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 einzurichten (siehe 7).
In einer Ausführungsform wird durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 ein konstanter Magnetfeldwinkel 28 eingerichtet. Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Stromquelle 22 als Wechselstromquelle ausgebildet. In diesem Fall ergibt sich während des Schweißprozesses mit jedem Polaritätswechsel der Stromquelle 22 eine Drehrichtungsumkehr. Um dennoch eine vollständige 360° Rotation des Lichtbogenstroms zu erzielen, ist die Frequenz des Wechselstromes I in diesem Fall abhängig von der Geschwindigkeit der Ladungsträger in dem Lichtbogen 24.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 dazu ausgebildet ist, den Magnetfeldwinkel 28 zu verändern. Dies kann auf elektrische Art und Weise erfolgen oder durch mechanische Maßnahmen.
Wenn der Magnetfeldwinkel 28 des Gesamtmagnetfeldvektors B_G über eine Radialebene hinaus oder über die Längsrichtung hinaus gedreht wird, und wobei der Betrag des Magnetfeldwinkels vorzugsweise nur geringfügig geändert wird, so ergibt sich ein Vorzeichenwechsel der radialen Komponente B_R und/oder der axialen Komponente B_A. Hierdurch ist es möglich, auch bei Polaritätswechseln einer Wechselstromquelle 22 die Drehrichtung D konstant zu halten, indem der Magnetfeldwinkel 28 synchron mit den Polaritätswechseln verändert wird. Ferner kann durch Veränderung des Magnetfeldwinkels 28 Einfluss genommen werden auf eine Fokussierung bzw. Defokussierung der Ladungsträger des Lichtbogens 24, wobei hierbei zu berücksichtigen ist, dass der Lichtbogen 24 insbesondere bei Aluminium-Bauelementen 12 aus Ionen und Elektronen oder vorwiegend nur aus Elektronen bestehen kann. Demzufolge ist es bevorzugt, zu wissen, durch welche Art von Ladungsträgern der Lichtbogen 24 hauptsächlich gebildet wird, um dann durch Veränderung des Magnetfeldwinkels 28 Einfluss auf die Fokussierung/Defokussierung des Lichtbogens 24 und/oder auf dessen Drehrichtung nehmen zu können.
In den weiteren 2 bis 10 sind weitere Ausführungsformen von Bolzenschweißvorrichtungen gezeigt, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Bolzenschweißvorrichtung 10 der 1 entsprechen. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
In den 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform einer Bolzenschweißvorrichtung 10' gezeigt, bei der eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 26' durch eine Magnetfeldquelle mit axialer Ausrichtung rotationssymmetrisch um das Bauelement herum 12 gebildet ist. Hierdurch wird ein Magnetfeld 27 eingerichtet, das im Bereich des Lichtbogens 24 zwischen dem Bauelement 12 und dem Werkstück 14 eine axiale Komponente B_A und eine radiale Komponente B_R aufweist, so dass ein Gesamtmagnetfeldvektor B_G gebildet wird, der in 2 von der Längsachse 21 schräg nach unten gerichtet ist. Durch Umpolen der Magnetfeldquelle 26', wie es in 2 schematisch bei 30 gezeigt ist, kann der Gesamtmagnetfeldvektor B_G um 180° gedreht werden, so dass sowohl die radiale Komponente B_R als auch die axiale Komponente B_A ihre Richtung bzw. ihr Vorzeichen ändern. Dies ist in 2a gezeigt. Hierbei bleibt zwar der Betrag des Magnetfeldwinkels 28 konstant, es ändert sich jedoch das Vorzeichen des Magnetfeldwinkels 28. Beispielsweise ist in 2 ein positiver Magnetfeldwinkel 28 gezeigt, und in 2a ein negativer Magnetfeldwinkel 28.
Die Umpolung der Magnetfeldquelle kann elektrisch erfolgen, wenn beispielsweise die Magnetfeldquelle durch eine elektrische Spule gebildet ist. Generell ist es jedoch auch möglich, die Magnetfeldquelle mechanisch zu drehen.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der die Magnetfeldquelle 26' nicht gedreht wird, sondern parallel zu der Längsachse 21 lageversetzt wird. Hierdurch ändert sich der Magnetfeldwinkel 28 derart, dass das Vorzeichen der axialen Komponente B_A gegenüber 2 gleich bleibt, die radiale Komponente B_R jedoch gegenüber 2 ihr Vorzeichen wechselt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 bzw. ein Abschnitt hiervon lässt sich mittels einer Lageversetzungseinrichtung 32 in axialer Richtung parallel zu der Längsachse 21 bewegen.
In 2 ist gezeigt, dass der Schweißstrom I negativ ist, also vom Bauelement 12 zum Werkstück 14 fließt. In 3 ist gezeigt, dass der Schweißstrom I seine Polarität geändert hat. Dadurch, dass der Polaritätswechsel des Schweißstromes I einhergeht mit einem Vorzeichenwechsel wenigstens einer Komponente B_R des Gesamtmagnetfeldvektors B_G, kann sowohl die Drehrichtung D als auch die Fokussierung bzw. die Defokussierung der Ladungsträger des Lichtbogens 24 während des Schweißvorganges gleich bleiben. In den 2 und 3 ist gezeigt, dass sich das Magnetfeld 27 durch das Bauelement 12 hindurch erstrecken kann. Im Falle von nichtmagnetischen Bauteilen kann das Magnetfeld 27 auch außen am Außenumfang des Bauelementes 12 entlang verlaufen und an der Unterseite des Bauelementes 12 in den Bereich des Lichtbogens 24 hinein ausgelenkt werden.
Die 2 und 3 dienen im Wesentlichen zur Verdeutlichung, wie Magnetfeldvektoren in der Fügezone synchron mit Polaritätswechseln des Lichtbogenstromes zu ändern sind, um den Drehsinn und die Fokussierung bzw. Defokussierung von Ladungsträgern im Lichtbogen über dem gesamten Schweißprozess konstant zu halten.
Mit einer Bolzenschweißvorrichtung der 2 und 3 kann auch ein Bolzenschweißverfahren realisiert werden, wie es in 4 dargestellt ist. In 4 sind über der Zeit aufgetragen der Schweißstrom I, die Drehrichtung D des Lichtbogens 24, die radiale Komponente B_R des Gesamtmagnetfeldvektors und dessen axiale Komponente B_A.
In 4 ist dabei der Prozess ausgehend von einem Zeitpunkt t₁ gezeigt, bei dem das Bauelement 12 nach Einschalten des Schweißstromes I von dem Werkstück 14 abgehoben worden ist. Zu diesem Zeitpunkt fließt bis zu einem Zeitpunkt t₂ zunächst ein kleiner Vorstrom, der zum Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₃ in einen positiven Schweißstrom I übergeht. Zum Zeitpunkt t₃ erfolgt ein Polaritätswechsel, und von t₃ bis t₄ fließt ein negativer Schweißstrom I.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung verändert zum Zeitpunkt t₃ das Vorzeichen der radialen Komponente B_R des Magnetfeldes, wohingegen die axiale Komponente B_A über den gesamten Zeitraum von t₁ bis t₄ das Vorzeichen behält. Dies entspricht beispielsweise der Änderung des Gesamtmagnetfeldvektors von der Darstellung der 2 zur Darstellung der 3.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass trotz des Polaritätswechsels des Schweißstromes die Drehrichtung D und die Fokussierung bzw. Defokussierung der Ladungsträger im Lichtbogen über den gesamten Zeitpunkt von t₁ bis t₄ konstant bleibt. Zum Zeitpunkt t₄ wird das Bauelement 12 auf das Werkstück 14 abgesenkt, so dass ein Kurzschluss eintritt. Der Schweißprozess ist damit beendet.
In 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Bolzenschweißprozesses gezeigt. In 5 werden ein Schweißstrom I, ein Hub H des Bauelementes 12, die Drehrichtung D des Lichtbogens sowie die axiale Komponente B_A und die radiale Komponente B_R über der Zeit aufgetragen.
Wie im Fall der 4 beginnt der Prozess zum Zeitpunkt t₁. Bis zum Zeitpunkt t₂ fließt ein kleiner Vorstrom, der dann vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄ durchgehend in einen negativen Schweißstrom übergeht. Im Gegensatz zu 4 wird das Verfahren gemäß 5 folglich mit einem Gleichstrom als Schweißstrom durchgeführt.
Bei der Ausführungsform der 5 wird die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 so betrieben, dass zumindest ein Abschnitt hiervon parallel mit dem Bauelement in axialer Richtung bewegt wird, wobei zum Zeitpunkt t₃ die Höhe H des Bauelementes bei einem konstanten Schweißstrom verändert wird. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 ist bei dieser Ausführungsform dazu ausgebildet, durch Änderung des Hubs H die axiale Komponente B_A hinsichtlich des Vorzeichens zu verändern. Das Vorzeichen der radialen Komponente B_R bleibt hingegen über den gesamten Zeitraum t₁ bis t₄ konstant, so dass zum Zeitpunkt t₃ mit der Änderung des Hubs H eine Umschaltung von fokussiertem auf defokussierten Lichtbogen 24 durchgeführt wird, wie es nachstehend noch beschrieben werden wird. Die Drehrichtung wird bei dieser Ausführungsform nicht verändert, da die radiale Komponente B_R konstant bleibt.
In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung 10'' gezeigt, die insbesondere zur Durchführung des Verfahrens der 5 ausgelegt ist. Bei der in den 6 und 7 gezeigten Bolzenschweißvorrichtung 10'' werden ringförmige Bauelemente 12'' auf eine Werkstückoberfläche 16 geschweißt. Die Bauelemente 12'' können beispielsweise als Schweißmuttern ausgebildet sein und weisen eine ringförmige Schweißfläche 13'' auf.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26'' weist einen Permanentmagneten 36 in Form eines Stabmagneten auf, der konzentrisch zu der Längsachse 21 angeordnet ist. Genauer gesagt erstreckt sich zumindest ein Teil des Permanentmagneten 36 durch eine Ringöffnung des Bauelementes 12'' hindurch. Ferner ist in 6 gezeigt, dass radial außen um den Lichtbogen herum ein Mundstück 34 (beispielsweise zum Zuführen von Schutzgas) angeordnet ist.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26'' weist ferner ein erstes Jochelement 38 auf, das aus einem magnetisierbaren Material hergestellt und mit dem oberen Ende des Permanentmagneten 36 verbunden ist. Das erste Jochelement 38 ist in einen ersten Isolationsabschnitt 40 eingebettet.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26'' beinhaltet ferner ein zweites Jochelement 42, das in das Mundstück 34 integriert ist. Das zweite Jochelement 42 ist nach der Art eines Feldformers ausgebildet und weist einen sich radial hin zu dem Lichtbogenbereich erstreckenden Vorsprung auf. Radial nach innen ist das zweite Jochelement 42 durch einen zweiten Isolationsabschnitt 44 magnetisch isoliert. Es versteht sich, dass im Bereich des radialen Vorsprungs der zweite Isolationsabschnitt 44 durchbrochen sein kann.
Das erste Jochelement 38 und das zweite Jochelement 42 sind magnetisch miteinander gekoppelt, so dass ein magnetischer Kreis eingerichtet wird, der einen Luftspalt zwischen dem Vorsprung des zweiten Jochelementes (Feldformer) 42 und einem unteren Ende des Stabmagneten 36 aufweist.
In 6 ist ferner gezeigt, dass die Achse 46 des Lichtbogens zwischen der ringförmigen Schweißfläche 13'' und der Oberfläche 16 des Werkstückes 14 parallel versetzt zu der Längsachse 21 ist. Der Luftspalt des magnetischen Kreises erstreckt sich durch diesen Bereich hindurch. Hierbei wird beispielsweise ein Magnetfeld eingerichtet, das eine nach innen gerichtete radiale Komponente B_R und eine nach oben gerichtete axiale Komponente B_A aufweist, so dass sich ein nach schräg oben gerichteter Gesamtmagnetfeldvektor B_G ergibt.
Der Permanentmagnet 36 und gegebenenfalls das erste Jochelement 38 sind starr mit dem Bauelementhalter 18'' gekoppelt. Durch Bewegen des Bauelementhalters 18'' derart, dass der Hub H verkleinert wird, verändert sich das Magnetfeld 27 in dem Luftspalt derart, dass die axiale Komponente B_A ihr Vorzeichen wechselt und folglich der Gesamtmagnetfeldvektor B_G radial schräg nach unten gerichtet ist (7).
Hierdurch kann der Magnetfeldwinkel 28 verändert werden, wie es im Vergleich der 6 und 7 zu erkennen ist. Beispielsweise kann folglich durch Verändern des Hubs H ein Verfahren durchgeführt werden, wie es in 5 gezeigt ist.
Alternativ hierzu wird als Schweißstrom ein Wechselstrom verwendet, wie in 4. Hierbei kann der Vorzeichenwechsel der axialen Komponente B_A dazu verwendet werden, um entweder bei einem Polaritätswechsel des Schweißstromes dafür zu sorgen, dass die Drehrichtung D konstant bleibt. Alternativ hierzu kann dieser Vorzeichenwechsel der axialen Komponente B_A dazu verwendet werden, um zwischen einer Fokussierung und Defokussierung des Lichtbogens umzuschalten.
Ein fokussierter Lichtbogen 24 ist in 8 gezeigt, bei dem die Lichtbogenrichtung 24 gegenüber der Lichtbogenachse 46 radial nach innen gerichtet ist. Eine Defokussierung ist in 9 gezeigt, bei der die Lichtbogenrichtung gegenüber der Lichtbogenachse 46 radial nach außen gerichtet ist.
Durch das Umschalten zwischen fokussiertem und defokussiertem Lichtbogen kann der angeschmolzene Abschnitt der Oberfläche 16 des Werkstückes 14 vergrößert werden. Ferner kann gegebenenfalls vermieden werden, dass der Lichtbogen vorwiegend nur radial innere Bereiche der Schweißfläche 13' und der gegenüberliegenden Oberfläche 16 schmilzt.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bolzenschweißvorrichtung 10''' gezeigt, die eine bevorzugte Lösung für die in den 2 und 3 schematisch gezeigte Lichtbogenbeeinflussung darstellt. Die Bolzenschweißvorrichtung 10''' weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 26''' mit einer ersten Spule 50 (oder Permanentmagnet) und einer zweiten Spule 52 auf. Die erste Spule 50 ist in axialer Richtung gesehen oben angeordnet, und die zweite Spule 52 ist in axialer Richtung gesehen unten angeordnet, und zwar vorzugsweise außerhalb eines Mundstückes 34 bzw. Stützfußes 34.
Das Bauelement 12 ist bei dieser Ausführungsform wiederum ein Bolzen mit einer etwa kreisförmigen Schweißfläche 13.
Die erste Spule 50 erzeugt über Jochelemente 42'' und 34 in der Fügezone ein Magnetfeld, das wie in 2 Magnetfeldvektoren B_G aufweist, deren axiale Komponente B_A zum Werkstück 14 und deren radialen Komponente B_R zur Längsachse 21 des Lichtbogens gerichtet sind. Mit dem Polaritätswechsel des Schweißstromes wird die ersten Spule ausgeschaltet und die zweite Spule 52 eingeschaltet. Dies bewirkt über die Jochelemente 42''' und 34 in der Fügezone ein Magnetfeld, bei dem die radiale Komponente B_R ihre Richtung um 180° ändert (sich deren Vorzeichen geändert hat). Dies wiederum bewirkt, dass der Drehsinn und die Fokussierung der Ladungsträger im Lichtbogen sich beim Polaritätswechsel des Schweißstromes nicht verändern.
Dieser Effekt kann auch erzielt werden, indem man die erste Spule 50 durch einen Permanentmagneten ersetzt. Die zweite Spule 52 hat nun die Aufgabe, eine so starke radiale Komponente B_R in der Fügezone zu erzeugen, dass die vom Permanentmagneten in der Fügezone erzeugte radiale Komponente in ihrer Wirkrichtung um 180° drehen kann. Dies kann allerdings eine etwas andere geometrische und magnetische Auslegung der magnetischen Kreise der 10 mit sich bringen.
Die Vorteile der in 10 gezeigten Ausführungsform bestehen darin, dass ein Bolzenschweißen an großflächigen Werkstücken bei nur einseitiger Zugänglichkeit zum Werkstück und ein spritzerfreies Bolzenschweißen ermöglicht werden, unabhängig davon, aus welchen Ladungsträgern der Lichtbogen besteht.
In 10 sind ferner einige Abmessungen gezeigt, insbesondere ein Schweißflächendurchmesser 54, ein Radialabstand 56 der zweiten Spule 52 von der Längsachse 21, ein Hub 58 eines Jochelementes 42''', das mittels einer Lageversetzungseinrichtung 32''' in axialer Richtung versetzbar ist, eine Axialhöhe 60 der ersten Spule 50 sowie ein Radialabstand 62 von dem Feldformer 42''' zu dem Außenumfang des Bauelementes 12.
Die oben genannten Abmessungen können wie folgt in Verbindung stehen. Der Hub H kann beispielsweise kleiner sein als der Durchmesser 54, insbesondere kleiner als die Hälfte des Durchmessers 54. Der weitere Hub 58 kann beispielsweise größer sein als der Hub H, und zwar insbesondere doppelt so groß wie der Hub H. Die zweite Spule 52 kann etwa auf der Höhe des maximalen Hubs H während eines Schweißprozesses angeordnet sein. Die Höhe 60 der ersten Spule 50 kann mindestens dreimal so hoch sein wie der maximale Hub H, und maximal etwa fünffach so hoch wie der maximale Hub H.
Der Radialabstand 62 ist vorzugsweise in der Größenordnung des halben Schweißflächendurchmessers 54. Der Radialabstand 56 ist vorzugsweise etwa doppelt so groß wie der Schweißflächendurchmesser 54.
Durch das Bereitstellen von zwei Spulen 50, 52, die vorzugsweise jeweils an- und ausschaltbar sind und ferner vorzugsweise jeweils hinsichtlich ihrer Polarität umschaltbar sind, kann eine hohe Variabilität hinsichtlich der Einflussnahme auf den Lichtbogen 24 erzielt werden.
Mit zwei Spulen dieser Art kann beispielsweise ein Lichtbogenstrom mit symmetrisch zur Längsachse 21 defokussierten Elektronen und symmetrisch zur Längsachse 21 fokussierten Ionen erzeugt werden, und zwar bei gleichbleibendem Drehsinn über den gesamten Schweißprozess und bei wechselnder Polarität des Schweißstromes.
Die Fokussierung der Ionen kann dabei Schweißspritzer verhindern. Vorzugsweise wird dies beispielsweise erreicht, indem die Spulen 50, 52 abwechselnd an- und ausgeschaltet werden, und zwar synchron mit dem Polaritätswechsel des Schweißstromes I. Ferner kann ein ähnliches Verfahren erzielt werden, wenn die Magnetfelderzeugungseinrichtung 26 nur einen Permanentmagneten 36 aufweist (6 und 7), und wenn der Hub H synchron mit dem Polaritätswechsel des Schweißstromes verändert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 39-27526 [0003]
DE 102009054365 A1 [0004]
DE 10253415 A1 [0005]

Claims

Bolzenschweißverfahren zum Schweißen eines Bauelementes (12) auf eine Oberfläche (16) eines Werkstückes (14), mit den Schritten, Absenken des Bauelementes (12) auf die Oberfläche (16) des Werkstückes (14) und Einschalten eines elektrischen Stromes (1); Abheben des Bauelementes (12) von dem Werkstück (14), so dass ein im Wesentlichen in Längsrichtung (21) ausgerichteter Lichtbogen (24) gezogen wird; Beeinflussen des Lichtbogens (24) durch ein Magnetfeld (27), wobei das Magnetfeld (27) in einem generellen Magnetfeldwinkel (28) in Bezug auf die Längsrichtung (21) ausgerichtet ist und eine axiale Komponente (B_A) und/oder eine radiale Komponente (B_R) aufweist; und Absenken des Bauelementes (12) auf das Werkstück (14), um die Schweißverbindung herzustellen; wobei der generelle Magnetfeldwinkel (28) während der Lichtbogendauer verändert wird, um den Lichtbogen (24) dynamisch zu beeinflussen, indem das Vorzeichen der radialen und/oder der axialen Komponente (B_R, B_A) während der Lichtbogendauer wenigstens einmal geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der generelle Magnetfeldwinkel (28) an der axialen Komponente (B_A) und/oder an der radialen Komponente (B_R) gespiegelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der generelle Magnetfeldwinkel um 180° gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Lichtbogen (24) durch einen elektrischen Wechselstrom (I) erzeugt wird, dessen Polarität während des Schweißvorganges wenigstens einmal geändert wird, und wobei der generelle Magnetfeldwinkel (28) synchron mit dem Polaritätswechsel verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Lichtbogen (24) durch einen elektrischen Gleichstrom (I) erzeugt wird, und wobei der generelle Magnetfeldwinkel (28) durch eine Veränderung der Position eines Abschnittes einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) parallel zur Längsrichtung bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Magnetfeld von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, die einen Permanentmagneten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Magnetfeld von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung erzeugt wird, die eine elektrische Spule aufweist, und wobei der generelle Magnetfeldwinkel verändert wird, indem die Spule umgepolt wird oder ein Einschaltzustand der Spule geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei Ladungsträger des Lichtbogens (24) aufgrund der radialen Komponente (B_R) des Magnetfeldes (27) eine Drehbewegung um die Längsrichtung ausüben, und wobei der generelle Magnetfeldwinkel derart verändert wird, dass der Drehsinn erhalten bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei Ladungsträger des Lichtbogens (24) aufgrund des Magnetfeldes fokussiert oder defokussiert werden und wobei der Magnetfeldwinkel (28) derart verändert wird, dass die Fokussierung oder die Defokussierung während der Lichtbogendauer beibehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei Ladungsträger des Lichtbogens (24) aufgrund des Magnetfeldes (27) fokussiert oder defokussiert werden und wobei der Magnetfeldwinkel (28) derart verändert wird, dass die Fokussierung oder die Defokussierung während der Lichtbogendauer zyklisch mit Änderungen des Magnetfeldwinkels (28) wechseln.
Vorrichtung (10) zum Bolzenschweißen eines Bauelementes (12) auf ein Werkstück (14), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Bauelementhalter (18), an dem ein Bauelement (12) gehalten werden kann, einem Linearmotor (20), mittels dessen der Bauelementhalter (18) mit einem daran gehaltenen Bauelement (12) in einer Längsrichtung (21) bewegbar ist, einem Stromquellenanschluss zum Anschließen einer elektrischen Schweißstromquelle (22), und einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) zum Erzeugen eines Magnetfelds (27), mittels dessen ein zwischen dem Bauelement (12) und dem Werkstück (14) brennender Lichtbogen (24) beeinflussbar ist, wobei das Magnetfeld (27) in einem generellen Magnetfeldwinkel in Bezug auf die Längsrichtung (21) ausgerichtet ist und eine axiale Komponente (B_A) und/oder eine radiale Komponente (B_R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) dazu ausgelegt ist, den generellen Magnetfeldwinkel (28) des Magnetfelds (27) in Bezug auf die Längsrichtung (21) zu verändern, um den Lichtbogen (24) dynamisch zu beeinflussen, indem das Vorzeichen der radialen und/oder der axialen Komponente (B_R, B_A) während der Lichtbogendauer wenigstens einmal geändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) wenigstens eine elektrische Spule (50, 52) aufweist, die umpolbar ist, um den Magnetfeldwinkel (28) zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) lageversetzbar ist, um den Magnetfeldwinkel (28) zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der lageversetzbare Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) mit dem Bauelementhalter (18) oder mit einem Mundstück (34) fest verbunden ist, das bei dem Schweißprozess um den Lichtbogen (24) herum angeordnet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) einen Permanentmagneten (36) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (12) ringförmig ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) in die Ringöffnung des Bauelementes (12) ragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Magnetfelderzeugungseinrichtung (26) radial außerhalb des Lichtbogens (24) angeordnet ist.