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Die Erfindung betrifft eine Schweißanordnung, insbesondere für den Karosseriebau, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Widerstandselementschweißen mit einer solchen Schweißanordnung nach dem Patentanspruch 8.
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Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Aluminium-Stahl-Verbindungen bekannt, bei denen zum Beispiel ein Aluminium-Blechteil mit einem Stahl-Blechteil verbindbar ist. Zur Verbindung dieser beiden Blechteile kann zunächst ein Stahl-Widerstandselement in das Aluminium-Blechteil eingetrieben werden. Anschließend kann das in dem Aluminium-Blechteil eingetriebene Stahl-Widerstandselement durch Widerstandspunktschweißen mit dem Stahl-Blechteil verbunden werden.
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Aus der
DE 196 26 459 C2 ist eine gattungsgemäße Schweißanordnung für ein solches Widerstandselementschweißen bekannt. Die Schweißanordnung weist eine Schweißzange auf, mit der das in das Aluminium-Blechteil eingetriebene Widerstandselement mit einem Stahl-Blechteil durch ein Widerstandspunktschweißen verbindbar ist. Die Schweißzange weist eine erste Schweißelektrode auf, die in der Schweißposition mit einer vorgegebenen Zustellkraft in Anlage mit dem Elementkopf des Widerstandselementes gedrückt ist. Eine zweite Schweißelektrode ist als Gegenhalter auf der, von der ersten Schweißelektrode abgewandten Seite des Stahl-Blechteiles positioniert.
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Für eine einwandfreie Schweißanbindung ist es von Bedeutung, dass der Aufsetzpunkt der ersten Elektrode auf dem Elementkopf mittig ist. Dadurch ist eine koaxiale Krafteinleitung der Zustellkraft von der ersten Elektrode in das Widerstandselement gewährleistet. Für den Fall, dass die erste Elektrode außermittig auf dem Widerstandselement aufgesetzt ist, ergibt sich dagegen eine exzentrische Krafteinleitung der Zustellkraft, die nicht mehr in Flucht zur Längsachse des Widerstandselementes, sondern um einen Querversatz dazu exzentrisch angeordnet ist. Dadurch wird das Widerstandselement beim Schweißvorgang mit einem Kippmoment beaufschlagt. Dies kann nach erfolgtem Punktschweißvorgang zwischen dem Widerstandselement und den Blechteilen zu einer Spaltbildung mit den bekannten Korrosionsproblemen führen. Zudem ergibt sich durch den gegebenenfalls einseitig aufstehenden Elementkopf eine Störkontur, die im weiteren Fertigungsverlauf zu Problemen führen kann. Außerdem können fehlerhafte Schweißverbindungen auftreten.
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Aus der
DE 10 2009 049 329 A1 ist eine Schweißanordnung zum Punktschweißen von Werkstücken mit Hilfe einer Schweißzange bekannt. An der Schweißzange ist eine Krafterfassungseinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe auf die Schweißzange wirkende Reaktionskräfte erfasst werden, sofern die zu schweißenden Werkstücke um einen Versatz fehlpositioniert sind. In Abhängigkeit von den erfassten Reaktionskräften kann die Position der Schweißzange verändert werden, um die Reaktionskräfte zu reduzieren.
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Aus der
WO 2004/018 140 A1 ist eine Schweißanordnung mit einer Schweißzangeneinheit bekannt, mit der ein erster Fügepartner mit einem zweiten Fügepartner durch Widerstandspunktschweißen verbindbar ist. Die Schweißzangeneinheit weist eine erste Schweißelektrode auf, die in einer Schweißposition mit einer Zustellkraft in Anlage gedrückt ist, und eine zweite Schweißelektrode, die als Gegenhalter auf der von der ersten Schweißelektrode abgewandten Seite des zweiten Fügepartners positioniert ist. Die Schweißanordnung weist zudem eine Sensoreinheit auf, mit der ein, beim Schweißvorgang auf die erste Schweißelektrode wirkendes Biegemoment erfassbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schweißanordnung sowie ein Verfahren zum Widerstandselementschweißen mit einer solchen Schweißanordnung bereitzustellen, bei denen in einfacher Weise eine einwandfreie Bauteilverbindung gewährleistet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass bei einem Widerstandselementschweißen die Schweißposition der beiden Schweißelektroden einer Schweißzange so zu wählen ist, dass eine koaxiale Krafteinleitung der Zustellkraft in das Widerstandselement gewährleistet ist. Vor diesem Hintergrund weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Schweißanordnung eine Sensoreinheit auf, mit der ein beim Schweißvorgang auf die erste Schweißelektrode wirkendes Biegemoment erfassbar ist. Zudem ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die im Falle der Erfassung eines solchen Biegemomentes ein außermittiges Aufsetzen der ersten Schweißelektrode auf den Elementkopf detektiert. Die Auswerteeinheit kann beispielhaft ein Warnsignal generieren, um gegebenenfalls den Schweißvorgang zu unterbrechen oder damit der Programmierer manuell eine Korrektur der Fehlpositionierung vornehmen kann.
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Bevorzugt erfolgt die Korrektur jedoch nicht manuell, sondern mittels eines Regelkreises. In dem Regelkreis kann die Sensoreinheit das auf die erste Schweißelektrode wirkende Biegemoment in Lage und Betrag vektoriell ermitteln. In Abhängigkeit von dem vektoriell erfassten Biegemoment kann zur Reduzierung des Biegemomentes im Elektrodenschaft der ersten Schweißelektrode die Position der ersten Schweißelektrode geändert werden. Dies kann bevorzugt automatisiert erfolgen.
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Bevorzugt kann die Schweißzangeneinheit mit Hilfe eines programmgesteuerten Industrieroboters bis in die Schweißposition automatisiert verstellt werden. Die Bewegungsbahn der Schweißzangeneinheit bis in die Schweißposition ist von einer Steuereinheit des Industrieroboters abgespeichert.
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Zur Bildung des oben erwähnten geschlossenen Regelkreises kann beispielhaft die Auswerteeinheit, die Sensoreinheit sowie die Steuereinheit des Industrieroboters eingebunden sein. In dem Regelkreis kann die Auswerteeinheit Steuersignale für die Industrieroboter-Steuereinheit generieren, die den Industrieroboter zur Reduzierung des Biegemomentes bewegungssteuert.
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Für eine zuverlässige Erfassung des Biegemomentes im Elektrodenschaft der ersten Schweißelektrode kann die Sensoreinheit zumindest einen, bevorzugt drei (oder eine alternative Anzahl) gleichmäßig umfangsverteilte Dehnmessstreifen oder andere Detektoren aufweisen. Zur weiteren Steigerung der Regelgüte sind erfindungsgemäß die Kontaktflächen des Endstückes der ersten Schweißelektrode und des Elementkopfes des Widerstandselementes nicht ebenflächig zueinander ausgebildet. Vielmehr sind zur Verstärkung des Biegemomentes der Elementkopf oder das Schweißelektroden-Endstück mit einer, mit einer Materialtiefe eingearbeiteten Vertiefung versehen.
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Entsprechend weist das Endstück oder der Elementkopf eine Gegenkontur auf, die bei einem mittigen Aufsetzen der ersten Schweißelektrode auf den Elementkopf ohne Aufbau eines Biegemomentes formschlüssig in die Vertiefung eingreift.
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Bevorzugt kann die mit einer Materialtiefe eingearbeitete Vertiefung trichterförmig oder konusförmig ausgebildet sein. Die Vertiefung kann zudem rotationssymmetrisch zur Längsachse des Widerstandselementes ausgebildet sein. Demgegenüber kann die Gegenkontur mit einer formschlüssig ausgeführten konusartigen, insbesondere rotationssymmetrischen Vorsprung ausgebildet sein.
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Bei derart gebildeten Kontaktflächen wird im Falle eines außermittigen Aufsetzens das Endstück der Schweißelektrode gegen eine schiefe Ebene gedrückt, wodurch eine Querkraftkomponente erzeugt wird, mit der die erste Schweißelektrode unter Bildung des Biegemomentes beaufschlagt wird.
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Demgegenüber wird bei einem mittigen Aufsetzen die Zustellkraft der Schweißelektrode koaxial in das Widerstandselement eingeleitet, wodurch keine Querkraftkomponente und entsprechend auch kein Biegemoment erzeugt wird.
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Bei einem Verfahren zum Widerstandselementschweißen wird zunächst in einem Kontaktierschritt die erste Schweißelektrode mit der Zustellkraft in Anlage mit dem Elementkopf des Widerstandselementes gedrückt. In einem folgenden Detektionsschritt kann, sofern ein Biegemoment erfasst wurde, ein außermittiges Aufsetzen der ersten Schweißelektrode auf dem Elementkopf detektiert werden. Entsprechend kann, wie bereits oben erwähnt, zum Beispiel ein Warnsignal für den Programmierer erzeugt werden.
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In einer Weiterentwicklung des Verfahrens kann im Rahmen eines vollautomatisierten Korrekturschrittes die Position der ersten Schweißelektrode in Abhängigkeit von dem erfassten Biegemoment korrigiert werden, und zwar unter Reduzierung des Ist-Biegemomentes bis ein mittiges Aufsetzen der Schweißelektrode auf dem Elementkopf erreicht ist.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen widergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Ansicht einen programmgesteuerten Industrieroboter mit einer Schweißzangeneinheit für ein Widerstandselementschweißen;
- 2 in einer stark vergrößerten Teilschnittdarstellung die zwischen den Endstücken der Schweißelektroden der Schweißzangeneinheit mit einer Zustellkraft zwischengeklemmte Blechteilanordnung; und
- 3 eine Ansicht entsprechend der 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist ein Industrieroboter mit einem Roboterarm 1 gezeigt. Am Roboterarmkopf ist eine Schweißzangeneinheit 3 montiert. Die Schweißzangeneinheit 3 weist eine verstellbare Elektrode 5 sowie ein damit in Flucht ausgerichtete ortsfest montierte Elektrode 7 auf. Die beiden Elektroden 5, 7 sind mit ihren Endstücken 9 einander in vertikaler Flucht gegenüberliegend sowie über einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet, in dem eine Blechteilanordnung einer Fahrzeugkarosserie positioniert ist.
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Die Blechteilanordnung weist als ersten Fügepartner ein Aluminium-Blechteil 11 sowie als zweiten Fügepartner ein Stahl-Blechteil 13 auf. Im Aluminium-Blechteil 11 ist ein Stahl-Widerstandselement 15 eingetrieben, der durch Widerstandspunktschweißen mit dem Stahl-Blechteil 13 verschweißt wird. In der 1 ist die Anordnung in einer Schweißposition S gezeigt, das heißt unmittelbar vor Durchführung eines Punktschweißvorganges. In der Schweißposition S ist die verstellbare Elektrode 5 über einen Zustellweg in Richtung auf die Blechteilanordnung nach unten verstellt und mit einer vorgegebenen Zustellkraft FZ auf den Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 aufgesetzt, während das Stahl-Blechteil 13 mit seiner, von der verstellbaren Schweißelektrode 5 abgewandten Seite auf der als Gegenhalter wirkenden ortsfesten Elektrode 7 abgestützt ist.
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Die Bewegungsbahn des Roboterarmes 1 bis in die Schweißposition S wird mit Hilfe einer Steuereinheit 19 automatisch gesteuert. Die Bewegungsbahn des Roboterarmes 1 bis in die, in den 1 und 2 gezeigte Schweißposition S wird mit Hilfe einer Steuereinheit 19 automatisch gesteuert, und zwar in Abhängigkeit von einer, in der Steuereinheit 19 abgespeicherten Bewegungsbahn.
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Gemäß der 1 ist die Steuereinheit 19 Bestandteil eines Regelkreises R, in dem zusätzlich noch eine Sensoreinheit 21 um eine Auswerteeinheit 23 eingebunden sind. Die Sensoreinheit 21 weist gemäß der 1 drei, am Elektrodenschaft der Schweißelektrode 5 gleichmäßig umfangsverteilte Dehnmessstreifen oder anderer Detektoren auf. Mit Hilfe der Sensoreinheit 21 kann während des Punktschweißvorganges ein auf die verstellbare Schweißelektrode 5 wirkendes Biegemoment MB erfasst werden. Ein solches Biegemoment MB ergibt bei einer in der 2 gezeigten Konstellation, in der die verstellbare Schweißelektrode 5 gegenüber dem Elementkopf 17 fehlpositioniert ist.
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Gemäß der 2 sind die beiden Schweißelektroden 5, 7 mit dem mittels der Zustellkraft FZ zwischengeklemmte Blechanordnung in der Schweißposition S, das heißt unmittelbar vor Durchführung des Punktschweißvorganges gezeigt. Demzufolge ist die verstellbare Schweißelektrode 5 mit ihrem Endstück nicht mittig auf dem Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 aufgesetzt, sondern vielmehr außermittig, das heißt um einen Querversatz Δy versetzt zur Längsachse L des Widerstandselementes 17. Die Krafteinleitung der Zustellkraft FZ in das Widerstandselement 15 erfolgt somit nicht in Flucht mit der Längsachse L, sondern um den Querversatz Δy exzentrisch dazu, wodurch sich im Elektrodenschaft der verstellbaren Schweißelektrode 5 das Biegemoment MB einstellt.
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Das Biegemoment MB kann zum Beispiel mit Hilfe der drei umfangsverteilten Dehnmessstreifen in Lage und Betrag vektoriell ermittelt und signaltechnisch zur Auswerteeinheit 23 weitergeleitet werden. In der Auswerteeinheit 23 werden in Abhängigkeit vom erfassten Biegemoment MB Bewegungsparameter für die Steuereinheit 19 des Industrieroboters 1 ermittelt. Mit Hilfe der ermittelten Bewegungsparameter kann die Positionierung der Schweißzangeneinheit 3 unter Reduzierung des Biegemomentes MB geändert werden.
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Wie aus der 2 hervorgeht, ist zur Verstärkung des Biegemomentes MB im Elementkopf 17 des Widerstandselementes 15 eine trichterförmige beziehungsweise konusförmige Vertiefung 25 eingeprägt, die rotationssymmetrisch zur Längsachse L ist. An der zugewandten Stirnseite des Endstückes 9 der verstellbaren Elektrode 5 ist als formschlüssige Gegenkontur ein konusartiger, ebenfalls rotationsymmetrischer Vorsprung 27 ausgebildet. Entsprechend ergibt sich bei einem mittigen Aufsetzen der verstellbaren Schweißelektrode 5 auf den Elementkopf 17 kein Biegemoment MB. Bei der in der 2 gezeigten Konstellation ist jedoch der Scheitel 29 des konusartigen Vorsprunges 27 der verstellbaren Schweißelektrode 5 auf der Konusfläche der Vertiefung 25 des Elementkopfes 17 aufgesetzt. Dadurch ergibt sich, wie bei einer schiefen Ebene, eine Querkraftkomponente, mit der die verstellbare Schweißelektrode 5 unter Bildung des Biegemomentes MB in der 2 nach links gebogen wird.
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Nach Detektion des Biegemomentes MB kann noch vor Durchführung des Punktschweißvorgangs in einem Korrigierschritt die Position der verstellbaren Schweißelektrode 5 geändert werden, und zwar so, dass unter Reduzierung des Biegemomentes MB das Endstück 9 mittig auf dem Widerstandselement 5 aufgesetzt ist.
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In der 3 ist gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel das Endstück 9 der verstellbaren Schweißelektrode beabstandet zum Widerstandselement 15 gezeigt. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die im Elementkopf 17 eingeprägte Vertiefung 25 nicht konusförmig, sondern vielmehr in etwa wannenförmig sowie rotationssymmetrisch. Der dazu korrespondierende Vorsprung 27 ist entsprechend formangepasst.
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Alternativ zur 2 oder 3 kann die Vertiefung 25 sowie der dazu korrespondierende Vorsprung 27 jegliche andere Geometrie aufweisen, abgesehen von einer ebenflächigen Gestaltung der beiden einander zugewandten Kontaktflächen des Widerstandselementes 15 und der verstellbaren Schweißelektrode.
