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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Schweißteils mit einem Werkstück nach dem Hubzündungsschweißverfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft im Weiteren auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Hubzündungsschweißverfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Es gliedert sich im Wesentlichen in drei Abschnitte. Zunächst wird das mit dem Werkstück zu verbindende Schweißteil auf das Werkstück aufgesetzt und ein Vorstrom eingeschaltet, der durch das Schweißteil in das Werkstück fließt. Im Rahmen einer Abhubbewegung, bei der das Schweißteil vom Werkstück abgehoben wird, wird ein Vorstromlichtbogen gezündet. Nach Erreichen eines Endabstandes des Schweißteils vom Werkstück wird in einem zweiten Abschnitt der Vorstrom bis auf einen Hauptstrom bzw. Schweißstrom erhöht. Anders als der Vorstrom dient der Schweißstrom dabei dazu, die spätere Verbindungsstelle zwischen Schweißteil und Werkstück wenigstens teilweise aufzuschmelzen. In einem dritten Abschnitt schließlich wird das Schweißteil wieder auf das Werkstück herabgesenkt, wobei der Schweißstrom aufrechterhalten bleiben kann. Das Schweißteil wird auf bzw. geringfügig in das Werkstück eingefügt, wo die Verbindung nach Abschalten des Schweißstroms abkühlt und sich verfestigt.
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Insbesondere beim Verschweißen von Aluminiumschweißteilen neigt der Lichtbogen dazu, sich seitlich aus der Achse heraus ablenken zu lassen. Infolgedessen werden Schweißteil und Werkstück nur einseitig und damit unbefriedigend miteinander verschweißt. Dies wird allgemein als Blaswirkung bezeichnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzubieten, mit der die Qualität der Schweißverbindung verbessert werden kann, indem insbesondere die Blaswirkung reduziert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
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Die Erfindung geht von der überraschend aufgefundenen Erkenntnis aus, dass der Lichtbogen eine deutlich geringere Neigung zum seitlichen Abweichen zeigt, wenn das Schweißteil vergleichsweise langsam vom Werkstück entfernt wird, während bereits der Schweißstrom zugeschaltet wurde. Anstatt den Schweißstrom also – wie bisher aus dem Stand der Technik bekannt – erst dann zuzuschalten, wenn das Schweißteil auf einen vorbestimmten Endabstand vom Werkstück abgehoben wurde, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Schweißstrom bereits zuzuschalten noch bevor das Schweißteil diesen maximalen Abstand zum Werkstück eingenommen hat. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass unter diesen Umständen der Lichtbogen ein deutlich geringeres Bestreben zeigt, zwischen der unteren Spitze des Schweißteils und der Oberfläche des Werkstücks seitlich auszuweichen. Stattdessen behält der durch den Vorstrom erzeugte Lichtbogen bei frühzeitiger Zuschaltung des Schweißstroms seine im wesentlichen zentrische Anordnung, während das Schweißteil anschließend weiter in Richtung auf seinen maximalen Abstand zum Werkstück angehoben wird.
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Besonders effektiv ist das Verfahren dann, wenn der Schweißstrom möglichst früh zugeschaltet wird, nachdem das Schweißteil zur Bildung des Lichtbogens unter Vorstrombeaufschlagung auf einen festlegbaren Mindestabstand zum Werkstück angehoben wurde, der deutlich unterhalb des im Rahmen des Schweißvorgangs angestrebten maximalen Abstands zwischen Schweißteil und Werkstück liegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbindung eines Schweißteils mit einem Werkstück nach dem Hubzündungsschweißverfahren sieht daher zunächst in bekannter Weise vor, dass über einen Vorstromzeitraum tv mittels eines Vorstromes Iv ein Lichtbogen zwischen Schweißteil und Werkstück erzeugt wird. Dazu wird das Schweißteil unter Beaufschlagung mit dem Vorstrom vom Werkstück abgehoben. Anschließend wird der Vorstrom über einen Schweißstromzeitraum ts auf einen Schweißstrom Is erhöht. Der Schweißstrom Is dient dabei – anders als der Vorstrom Iv – unter Nutzung der Stromstärke dazu, das Schweißteil und/oder das Werkstück teilweise aufzuweichen bzw. anzuschmelzen, um nach dem späteren Fügen von Schweißteil und Werkstück und Abkühlen der Verbindungszone eine stabile Fügeverbindung auszubilden.
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Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor, dass innerhalb des Schweißstromzeitraumes ts der Abstand x zwischen dem Werkstück und dem Schweißteil in einer Abhubbewegung vergrößert wird. Das bedeutet, dass während bereits der Schweißstrom zugeschaltet ist, der Abstand zwischen Schweißteil und Werkstück wenigstens zeitweise absichtlich bzw. gezielt weiter vergrößert wird (Abstandsveränderungen durch Abbrand fallen nicht darunter). Dieses Vorgehen führt zu einer überwiegend zentrischen Ausbildung des Schweißlichtbogens zwischen Schweißteil und Werkstück, so dass Blaswirkung bzw. die asymmetrische und ungenaue Verbindung zwischen Schweißteil und Werkstück vorteilhaft vermieden wird.
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Die Art und Weise, wie die Abhubbewegung erfolgt, ist grundsätzlich frei vorgebbar im Sinne einer von der Zeit t abhängigen Funktion, so lang diese Funktion wenigstens zeitweise die Abstandsvergrößerung zwischen Schweißteil und Werkstück während des bereits zugeschalteten Schweißstroms beinhaltet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Abhubbewegung wenigstens zeitweise mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, der Abstand zwischen Schweißteil und Werkstück also linear zunimmt. Dieses Vorgehen ist steuerungstechnisch einfach zu realisieren und führt zu einem besonders gleichmäßig und gut zentriert aufgebauten Schweißlichtbogen. Grundsätzlich kommt jedoch auch jeder andere geeignete Bewegungsablauf für die Hubbewegung in Frage.
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Zur Vermeidung von unerwünschten Anhaftungen noch vor dem gewünschten Beginn des eigentlichen Schweißvorganges sieht eine weitere Ausführungsform dieses erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Abhubbewegung im Vorstromzeitraum tv, beginnt und das Schweißteil zunächst auf einen Mindesthub xm vom Werkstück abgehoben wird, bevor der Schweißstromzeitraum ts beginnt. Wird der Schweißstrom nämlich zu früh zugeschaltet (Schweißteil noch sehr nahe am Werkstück), besteht die Gefahr, dass das dann erweichende Material des Schweißteils in Form eines Tropfens in Richtung auf das Werkstück gelangt und mit diesem verklebt. Der weitere Abhub des Schweißteils kann dadurch behindert oder gar blockiert werden und eine technisch saubere Schweißverbindung ist dann nicht mehr möglich.
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Der Mindestabstand xm, den das Schweißteil vor der Zuschaltung des Schweißstroms gegenüber dem Werkstück einhalten sollte, liegt in der Praxis vorzugsweise bei 0,2 bis 0,4 mm. Andere Mindestabstände können je nach Anwendungsfall ebenfalls in Frage kommen, wobei allen diesen Werten zu eigen ist, dass sie deutlich unterhalb des während des Schweißzyklus beabsichtigten maximalen Abstandes zwischen Schweißteil und Werkstück liegen.
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Das erfindungsgemäße Hubzündungsverfahren könnte beispielsweise folgendermaßen ablaufen: In einer ersten Phase ist das Schweißteil (bei dem es sich üblicherweise um einen Bolzen handelt) auf das Werkstück aufgesetzt und der Vorstrom wird eingeschaltet. Nach dem Einschalten des Vorstroms beginnt die Abhubbewegung, wobei hierdurch ein Vorstromlichtbogen gezündet wird. Ab Erreichen des vorgebbaren Mindestabstands zwischen Schweißteil und Werkstück, der beispielsweise bei 0,2–0,4 mm liegen kann, wird der volle Schweißstrom eingestellt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die (vergleichsweise langsame) Abhubbewegung dann während des Schweißstromlichtbogens weiter fortgesetzt, bis der gewünschte maximale Abstand bzw. der Endwert des Abhubs erreicht ist.
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Schließlich wird das Schweißteil in umgekehrter Richtung wieder auf das Werkstück zubewegt, wobei zu diesem Zeitpunkt der Lichtbogen noch mit dem Wert des Schweißstroms brennt. Der Schweißstromlichtbogen endet spätestens mit dem Kontakt von Schweißteil und Werkstück und wird zu diesem Zeitpunkt (oder spätestens kurze Zeit danach) ausgeschaltet (theoretisch kann der Schweißstrom kurze Zeit vor dem Eintauchen des Schweißteils in die Schmelze des Werkstücks ausgeschaltet werden, so lange durch das anschließende Fügen der beiden Teile eine stabile Schweißverbindung sichergestellt ist).
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Als besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren dann herausgestellt, wenn sich die Abhubbewegung, also die Entfernung des Schweißteils vom Werkstück, über einen signifikanten Teil des Schweißstromzeitraums ts erstreckt. Mit anderen Worten: Während eines bedeutenden Teils des Schweißstromzeitraums ts wird das Schweißteil vom Werkstück abgehoben. Versuche der Erfinder lassen darauf schließen, dass eine eher langsame Abhubbewegung bzw. deren Durchführung möglichst während eines großen Teils des Schweißstromzeitraums zu besonders guten Schweißergebnissen führt. Die Abhubbewegung sollte sich daher über einen Zeitraum erstrecken, der mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 80% des Schweißstromzeitraums umfasst, welcher sich durch das Zuschalten und Abschalten des Schweißstromes definiert. Die (beispielsweise konstante) Abhubgeschwindigkeit des Schweißteils richtet sich, wenn sie möglichst gering gewählt werden soll, nach dem insgesamt zur Verfügung stehenden Schweißstromzeitraum. Die Durchführung der Abhubbewegung möglichst über diesen gesamten Zeitraum wird jedoch durch das Erfordernis begrenzt, das Schweißteil wieder in Richtung auf das Werkstück abzusenken, während noch immer der Schweißstrom angelegt ist. Eine Optimierung der Abhubbewegung einerseits und der Absenkbewegung andererseits unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Schweißstromzeitraumes ts kann zu optimalen Schweißergebnissen führen, wobei die Absenkbewegung des Schweißteils auf das Werkstück herab üblicherweise deutlich weniger Zeit beansprucht als die vorausgehende Abhubbewegung (siehe beispielsweise 1).
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Denkbar ist es ferner, zwischen Abhubbewegung und Absenkbewegung, wenn das Schweißteil den angestrebten maximalen Abstand zum Werkstück bereits eingenommen hat, diesen Abstand über eine Zeit tc konstant zu halten, wie dies beispielsweise in 2 dargestellt ist. Dies kann zur Optimierung des Schweißergebnisses erforderlich sein. Das Verhältnis der Zeit tc zu der Zeit, während derer die Abhubbewegung erfolgt, ist zweckmäßigerweise eher gering, so dass die Abhubbewegung innerhalb des gesamten Bewegungsablaufs des Schweißteils relativ zum Werkstück den überwiegenden, vorzugsweise den deutlich überwiegenden Anteil ausmacht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die sich insbesondere beim Aluminiumschweißen als zweckmäßig herausgestellt hat, wird die Richtung des Schweißstromes während des Schweißstromzeitraumes ts mindestens einmal umgekehrt, was vorzugsweise während der Abhubbewegung erfolgt. Durch Versuche hat sich herausgestellt, dass eine solche Umpolung vorteilhaft für das gezielte Einbringen der Wärme in das Material des Schweißteils und/oder Werkstücks ist und das Schweißergebnis gerade beim Aluminiumschweißen verbessert.
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Eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zeichnet sich im Wesentlichen durch die Eignung aus, den Abstand des Schweißteils zum Werkstück vergrößern zu können, während bereits der volle Schweißstrom zugeschaltet ist. Dazu kann die Schweißvorrichtung eine geeignete Steuerung aufweisen, welche die Zuschaltung des Schweißstroms und den Abhub des Schweißteils vom Werkstück in erfindungsgemäßer Weise regelt, um eine gleichmäßige und zentrische Ausbildung des Lichtbogens insbesondere während des Schweißstromzeitraumes ts zu gewährleisten.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1–3 ein Schaubild mit unterschiedlichen Stromverläufen bzw. Abhubbewegungen, und
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4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung im Ausschnitt.
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Das Diagramm in 1 zeigt den Verlauf von Strom, Lichtbogenspannung und Abstand des Schweißteils zum Werkstück während des erfindungsgemäßen Schweißvorgangs. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen, während die Ordinate die Spannung U, den Strom I bzw. den Abstand x zwischen Schweißteil S und Werkstück W anzeigt. Zurzeit t0 liegt das Schweißteil S auf der Oberfläche des Werkstücks W auf, der Abstand x ist gleich Null. Vor oder mit Beginn der Abhubbewegung B, bei der sich das Schweißteil S vom Werkstück W abhebt und der Abstand x zunimmt, wird zur Erzeugung des Lichtbogens der Vorstrom IV aufgeschaltet, der zwischen Schweißteil S und Werkstück W zu fließen beginnt.
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Nach Ablauf des Vorstromzeitraums tv hat das Schweißteil S einen Mindestabstand xm eingenommen. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Schweißstromzeitraum ts, indem der Hauptstrom Is zugeschaltet wird. Der Hauptstrom Is ist groß genug, um die Unterseite des Schweißteils S und/oder das Werkstück W im Bereich der geplanten Verbindungsstelle aufzuschmelzen. Nahezu über den gesamten Schweißstromzeitraum ts wird das Schweißteil S entlang der Abhubbewegung B weiter abgehoben, bis auf ein oberes Limit, welches durch den Wert xL den maximal vorgesehenen Abstand zwischen Schweißteil und Werkstück andeutet. Zu diesem Zeitpunkt tu dreht sich die Bewegung des Schweißteils um und es wird wieder in Richtung auf das Werkstück herabbewegt. Zum Zeitpunkt tu ist der Schweißstrom Is entweder noch in voller oder auch reduzierter Stärke aufgeschaltet. Er kann gemeinsam mit dem sich verringernden Abstand x reduziert werden und erreicht den Wert Null in dem Moment, in dem auch das Schweißteil den Abstand Null zum Werkstück einnimmt, also an diesem anliegt oder gar in dieses eintaucht.
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1 macht deutlich, dass während eines erheblichen Anteils des Schweißstromzeitraums ts das Schweißteil S der Abhubbewegung B folgt, also seinen Abstand zum Werkstück weiter vergrößert. Erst während der letzten etwa 10–20% des Schweißstromzeitraums ts kehrt sich die Bewegung des Schweißteils um. Die unter Schweißstrombeeinflussung für die Bewegung des Schweißteils insgesamt zur Verfügung stehende Zeitspanne ts wird gemäß 1 möglichst weitgehend für die Fortbewegung des Schweißteils vom Werkstück genutzt, wodurch ein besonders stabiler Lichtbogen und infolgedessen ein besonders gutes Schweißergebnis erzeugt wird. Eine gewisse Restzeit ist anschließend jedoch unabdingbar, um das Schweißteil in die Schmelze bzw. auf das Werkstück abzusenken. Typische Schweißzeiten für Schweißteile zwischen 4–6 mm Durchmesser liegen bei ca. 20–30 ms, bei dickeren Bolzen werden auch Schweißzeiten von 80, 100 oder mehr Millisekunden erreicht.
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2 zeigt einen ähnlichen Verlauf der Abhubbewegung bzw. der Ströme, wobei auf die erneute Beschriftung der aus 1 bereits bezeichneten Kurven und Zeiträume verzichtet wurde. Zu erkennen ist, dass die Abhubbewegung B an ihrem obersten Abschnitt über einen Zeitraum tc konstant verläuft, so dass sich der Abstand x zwischen Schweißteil und Werkstück zunächst nicht mehr verändert. Erst im Anschluss daran, zum Zeitpunkt tu, erfolgt die bereits bekannte Eintauchbewegung in Richtung auf das Werkstück. Im Vergleich zu 1 reduziert sich bei dieser Verfahrensvariante zwar die reine Abhubbewegung auf einen etwas geringeren Zeitraum. Sein Anteil an dem Schweißstromzeitraum ts ist jedoch immer noch deutlich überwiegend.
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3 zeigt eine insbesondere für die Verschweißung von Aluminiumschweißteilen vorteilhafte Ausführungsform, bei der der Schweißstrom (in den Fig. auch als Hauptstrom bezeichnet) während des Schweißstromzeitraumes zweimal umgepolt wird. Diese Umpolung führt zu besonders guten Schweißergebnissen, bleibt jedoch hier ohne Einfluss auf die Abhubbewegung, die in 3 im Wesentlichen derjenigen der 1 nachempfunden wurde.
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4 zeigt in schematischer Ansicht die wesentlichen Komponenten einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Werkstück W ist unterhalb einer Halterung H angeordnet, in deren vorderem Ende ein Schweißbolzen S angeordnet ist. Der Schweißbolzen S einerseits und das Werkstück W andererseits sind über schematisch dargestellte elektrische Leitungen mit einer dem Fachmann geläufigen Stromversorgung verbunden, die ihrerseits über eine nicht dargestellte Steuereinheit zur Bereitstellung von Vorstrom und Schweißstrom ansteuerbar ist. Insbesondere ist die Vorrichtung V mittels ihrer Steuereinheit so ausgebildet, dass der Schweißbolzen S vom Werkstück W unter Vergrößerung des Abstandes x abhebbar ist, während bereits der volle Schweißstrom über den (nicht dargestellten) Lichtbogen vom Schweißbolzen zum Werkstück fließt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Schweißstromlichtbogen weitgehend dem Verlauf der Achse A folgt, ohne – wie beim Stand der Technik – seitlich auszubrechen und durch diese Blaswirkung das Schweißergebnis zu verschlechtern.
