DE102012112547B4

DE102012112547B4 - "Verfahren und Schweißeinrichtung zum elektrischen Widerstandsschweißen"

Info

Publication number: DE102012112547B4
Application number: DE102012112547.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Rödder
Original assignee: NIMAK GmbH
Current assignee: NIMAK GmbH
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CH709176B1; DE202012013531U1; DE102012112547A1; WO2014095334A8; WO2014095334A1

Abstract

Verfahren zum elektrischen Widerstandsschweißen, wobei zwei Schweißelektroden (14, 16) unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen (20) in einer Schließrichtung (22) zusammengeführt und mit einer Schweißkraft (F) verpresst und mit einem elektrischen Schweißstrom (i) beaufschlagt werden, wobei für den Schweißvorgang die in Schließrichtung (22) wirkende Schweißkraft (F) durch einen Elektromagneten (30; 30a, 30b) erzeugt wird, wobei der Elektromagnet (30; 30a, 30b) zur Erzeugung und Regelung der Schweißkraft (F) unabhängig von dem Schweißstrom (i) angesteuert wird, wobei jeweils ein aktueller Istwert (FIst) der Schweißkraft (F) ermittelt und mit einem vorgegebenen Sollwert (FSoll) verglichen wird, und wobei die Schweißkraft (F) durch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten (30; 30a, 30b) auf den Sollwert (FSoll) eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkraft (F) anteilig durch den Elektromagneten (30a) und mindestens einen weiteren, zweiten Elektromagneten (30b) erzeugt wird, wobei vorzugsweise jeder Elektromagnet (30a, 30b) geregelt angesteuert wird, wobei die beiden Elektromagneten (30a, 30b) zwei gegeneinander wirkende Teilkräfte (F1, F2) der Schweißkraft (F) erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum elektrischen Widerstandsschweißen, wobei zwei Schweißelektroden unter Zwischenlage von zu verschweißenden metallischen Bauteilen in einer Schließrichtung zusammengeführt und mit einer Schweißkraft verpresst und mit einem elektrischen Schweißstrom beaufschlagt werden, wobei für den Schweißvorgang die in Schließrichtung wirkende Schweißkraft durch mindestens einen Elektromagneten erzeugt wird. Der Elektromagnet wird zur Erzeugung und Regelung der Schweißkraft unabhängig von dem Schweißstrom angesteuert. Es wird dabei jeweils ein aktueller Istwert der Schweißkraft ermittelt und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, wobei die Schweißkraft durch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten auf den Sollwert eingeregelt wird,
Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 6 und 10 auch eine Schweißeinrichtung zum elektrischen Widerstandsschweißen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit zwei Elektrodenhaltern für zwei mit einem elektrischen Schweißstrom beaufschlagbare Schweißelektroden, wobei wenigstens einer der zwei Elektrodenhalter derart bewegbar ist, dass die Schweißelektroden unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen in einer Schließrichtung zusammenführbar und mit einer Schweißkraft beaufschlagbar sind, wobei zur Erzeugung der Schweißkraft mindestens ein Elektromagnet vorgesehen ist, wobei eine Regelungseinrichtung für die Schweißkraft mit einem Regler, der anhand eines Istwert-Sollwert-Vergleiches den Elektromagnet derart ansteuert, dass die Schweißkraft jeweils auf einen vorbestimmten Sollwert einregelbar ist.
Schweißeinrichtungen zum Widerstandsschweißen im Punkt- oder Buckelschweißverfahren sind allgemein bekannt; sie können als bewegliche Schweißzangen - siehe beispielsweise die Dokumente DE 20 2008 013 883 U1 und DE 20 2008 013 884 U1 - oder als stationäre Schweißmaschinen ausgebildet sein. Zum Verschweißen von zwei Bauteilen, insbesondere Metallblechen, werden zwei gegenüberliegende Schweißelektroden über Elektrodenhalter unter Zwischenlage der Bauteile zusammengeführt, mit einer Schweißkraft, d. h. einer mechanischen Presskraft, und dann mit einem elektrischen Schweißstrom beaufschlagt. Der hohe Schweißstrom fließt im Kontaktbereich der Elektroden durch die Bauteile, die dadurch aufgeschmolzen und nach einem anschließenden Abkühlen stoffschlüssig verbunden, folglich miteinander verschweißt werden.
Solche Schweißeinrichtungen können eine C-Bauform oder eine X-Bauform haben. Bei der C-Bauweise sind die Elektrodenhalter an gegenüberliegenden Enden eines C-förmigen Rahmens gehalten, wobei die eine Elektrode über einen Linearantrieb in gleichachsiger Richtung linear gegen die andere, ortsfeste Elektrode bewegbar ist. Bei der X-Bauweise ist mindestens einer der Elektrodenhalter an einer schwenkbar gelagerten, wippenartigen Schwinge angeordnet, wobei ein Linearantrieb an der Schwinge angreift, um die bewegliche Elektrode gegen die andere Elektrode zu verschwenken.
Aus der US 6 066 824 A ist eine Schweißeinrichtung als Roboter geführte X-Typ Schweißzange mit zwei Elektroden zum Widerstandsschweißen bekannt. Diese weist einen Gleichstrommotor zum Schließen der Zange auf. Zusätzlich zum Gleichstrommotor wird ein Elektromagnet offenbart, der bis zu 1500 p (ca. 15 kN) Schweißkraft der Elektroden erzeugen kann. Die Schweißzange hat zudem einen Kraftsensor, der mit einer Regelung nur den Elektromagnet steuert. Eine Antriebseinheit mit Gleichstrommotor und Elektromagnet und Rückkopplung über einen Kraftsensor ist beispielsweise aus der WO 96 / 026 038 A1 bekannt.
Bei vielen bekannten Punkt- und Buckelschweißeinrichtungen erfolgt einerseits die Schließbewegung der Elektroden bis zu deren Werkstück-Anlage, andererseits aber auch die für den Schweißvorgang erforderliche Schweißkraft-Beaufschlagung über mindestens einen Linearantrieb, der als hydraulischer oder pneumatischer Druckzylinder oder als servoelektrischer Antriebsmotor ausgebildet sein kann. Der Linearantrieb muss daher sowohl für eine möglichst schnelle Schließ- und Öffnungsbewegung der Elektroden, andererseits aber auch für die erforderliche Schweißkraft ausgelegt sein, so dass der Linearantrieb wegen dieser Anforderungen recht aufwändig und folglich teuer ist. Außerdem sind übliche Linearantriebe hinsichtlich der Schweißkraft-Beaufschlagung in aller Regel sehr träge.
Es sind daher auch Schweißeinrichtungen bekannt, mit denen die Schweißkraft mit einem Elektromagneten erzeugt wird.
So beschreibt beispielsweise das Dokument US 2,863,985 A eine „Magnetkraft-Schweißeinrichtung“, bei der die bewegliche Schweißelektrode einerseits durch einen Aktuator in Form eines Druckzylinders über eine Kolbenstange bewegbar ist, und andererseits ist die Kolbenstange des Druckzylinders auf ihrer der Elektrode gegenüberliegenden Seite zusätzlich mit einem Anker eines Elektromagneten verbunden. Allerdings ist der Elektromagnet elektrisch in Reihe mit den Elektroden geschaltet, so dass der Schweißstrom auch über den Elektromagnet die Schweißkraft erzeugt. Daher ist nachteiligerweise die Schweißkraft stets abhängig vom jeweiligen Schweißstrom. Außerdem ergibt sich über die Kolbenstange des Druckzylinders für den Magnet ein stark variierender Luftspalt, so dass die Schweißkraft sehr undefiniert ist.
Auch das Dokument US 2,863,986 beschreibt eine ähnliche „Magnetkraft-Schweißeinrichtung“, wobei ein recht spezieller, aus zwei parallelen, sich bei Stromfluss magnetisch auseinander bewegenden Platten bestehender Elektromagnet, ein so genannter Rückstoß- oder Repulsitionsmagnet (englisch: repulsion magnet), zwischen der beweglichen Elektrode und einem zugehörigen Elektrodenhalter angeordnet ist. Auch hierbei fließt der Schweißstrom durch diesen Elektromagneten, so dass dann die Platten zur Erzeugung der Schweißkraft auseinander gedrückt werden. Somit ist auch hier die Schweißkraft stets abhängig vom Schweißstrom und daher nicht in allen Fällen optimal.
Auch aus dem Dokument FR 2 837 413 A1 eine Schweißeinrichtung mit einem Elektromagnet für die Elektroden-Schließbewegungen bekannt. Hierbei ist der Elektromagnet für den gesamten Bewegungshub der bewegbaren Elektrode ausgelegt, was zu einer großen Bauform führt.
Insbesondere aus der US 3 313 910 A ist eine Pneumatik zum Schließen der Zange und ein zusätzlicher Elektromagnet zur Beaufschlagung des Schweißdrucks bekannt, insbesondere kann auch hier ein Kraftsensor zum Messen des Schweißdrucks eingesetzt werden.
Die DE 198 59 020 A1 offenbart einen Linearantrieb mit einem bewegten und einem feststehenden Teil. An dem bewegten Teil sind mehrere Elektromagnete nebeneinander angeordnet, die als Linearmotor wirken. Am feststehenden Teil sind Permanentmagnete angebracht. Die Steuerung der Elektromagnete bewirkt die lineare Verschiebung und damit den Antrieb. Gleichzeitig wird durch die Elektromagnete die Schweißkraft über den einen verbundenen Elektrodenhalter auf die zu verschweißenden Bauteile übertragen.
Das Dokument US 5 556 552 A beschreibt einen Elektromagnet zum Schließen der Zange und zum Schweißdruckaufbau. Der Elektromagnet ist so dimensioniert, dass dieser Linearantrieb und Kraftübertragung zugleich ist.
Aus der DE 28 34 835 A1 ist eine Hydraulik zum Schließen der Zange und zum Druckaufbau bekannt, wobei kein Elektromagnet zum Druckaufbau eingesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Erzeugung der Schweißkraft und dadurch insgesamt den Schweißprozess im Interesse einer hohen und konstanten Schweißqualität und Präzision zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den im unabhängigen Anspruch 1 definierten Maßnahmen erreicht. Eine entsprechende Schweißeinrichtung ist Gegenstand der Ansprüche 6 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie auch in der anschließenden Beschreibung enthalten.
Es ist vorgesehen, dass der Elektromagnet zur Erzeugung und Regelung der Schweißkraft unabhängig von dem Schweißstrom angesteuert wird, wobei jeweils ein aktueller Istwert der Schweißkraft ermittelt und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und wobei die Schweißkraft durch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten auf den Sollwert eingeregelt wird. Mit Vorteil kann es sich um eine derart schnelle Regelung handeln, dass die Schweißkraft für den Schweißvorgang durch eine entsprechend dynamisch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten mit einem sich über die Zeit ändernden Kraftprofil erzeugt werden kann. Dieses Kraftprofil kann individuell auf die jeweilige Schweißphase abgestimmt vorgegeben und eingeregelt werden.
Eine Schweißeinrichtung weist demnach eine Regelungseinrichtung für die Schweißkraft mit einem Regler auf, der anhand eines Istwert-Sollwert-Vergleiches den Elektromagnet derart ansteuert, dass die Schweißkraft jeweils auf einen vorbestimmten Sollwert einregelbar ist. Dazu ist bevorzugt eine elektronische Ablaufsteuerung für den Schweißvorgang vorgesehen, wobei die Ablaufsteuerung die Bewegungen der Schweißelektroden, die Erzeugung und Regelung der Schweißkraft und davon unabhängig auch die Schweißstrom-Beaufschlagung steuert. Die Ablaufsteuerung ist hinsichtlich des Schweißvorgangs bevorzugt programmierbar, wozu die Ablaufsteuerung Speichermittel zur Vorgabe von bestimmten Parametern für den Schweißvorgang und insbesondere von Kraft-Sollwerten für bestimmte Kraftprofile für die Schweißkraft aufweist.
Das Merkmal, wonach die Schweißkraft „unabhängig von dem Schweißstrom“ erzeugt wird, ist so zu verstehen, dass die Zeitdauer und die Höhe des Schweißstroms keinen Einfluss auf die Schweißkraft haben, vielmehr wird zunächst durch separate Ansteuerung des/jedes Elektromagneten die mechanische Schweißkraft zur Verpressung der Bauteile zwischen den Schweißelektroden erzeugt, und dann erfolgt eine davon separate, unabhängige Ansteuerung zur Beaufschlagung der Elektroden und der Bauteile mit dem Schweißstrom. Somit besteht lediglich eine Abhängigkeit im zeitlichen Ablauf der Ansteuerung für die Schweißkraft und den Schweißstrom, weil der Schweißstrom innerhalb der Zeit fließen soll, in der die Schweißkraft wirkt.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schweißkraft anteilig durch den Elektromagneten und mindestens einen weiteren, zweiten Elektromagneten erzeugt, wobei vorzugsweise jeder Elektromagnet geregelt angesteuert wird, wobei die beiden Elektromagneten zwei gegeneinander wirkende Teilkräfte der Schweißkraft erzeugen.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die Schweißeinrichtung einen zusätzlichen Linearantrieb für Zustellbewegungen des bewegbaren Elektrodenhalters auf. Bei dem Linearantrieb kann es sich um eine pneumatische oder hydraulische Zylinderanordnung oder um einen elektromotorischen Antrieb handeln. Dabei ist der Linearantrieb für die magnetische Schließkraft-Erzeugung gegen lineare Bewegungen im Stillstand selbstsperrend ausgebildet und/oder über eine zusätzliche Blockiereinrichtung sperrbar, damit die elektromagnetisch erzeugte Schweißkraft effektiv auf die Schweißelektroden wirkt und nicht etwa den Linearantrieb zurückbewegen kann. Vorteilhafterweise muss der Linearantrieb nur für die Schließ- und Öffnungsbewegungen ausgelegt sein, nicht aber für die Erzeugung der Schweißkraft. Daher kann ein relativ einfacher und daher kostengünstiger Linearantrieb eingesetzt werden, der zudem für schnelle Schließ- und Öffnungsbewegungen optimiert sein kann. In Kombination damit kann durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung des Elektromagneten durch Vorgabe von bestimmten Parametern die Schweißkraft innerhalb des Schweißprozesses sehr genau gesteuert und geregelt sowie auch programmiert werden. Dadurch kann ein sehr schneller, dynamischer Kraftaufbau mit einem optimierten Kraftprofil erreicht werden. So können im praktischen Einsatz beispielsweise 5 kN innerhalb von nur 20 ms erreicht werden.
Der Elektromagnet muss in erster Linie für den Kraftaufbau ausgelegt sein. Hierbei ist es vorteilhaft, den Elektromagneten für einen kurzen Weg, und zwar für eine so genannte Elektroden-Nachsetzbewegung auszulegen. Dies bedeutet, dass während des Schweißprozesses beim Aufschmelzen der Bauteile die Elektroden durch die Anpresskraft geringfügig weiter zusammenbewegt werden, um das Anpressen der Bauteile trotz der Aufschmelzung aufrechtzuerhalten. Auch für diese Nachsetzbewegung ist die Verwendung eines Elektromagneten besonders vorteilhaft, da die Nachsetzbewegung - sowie mit Vorteil auch eine elastische, durch die Schweißkraft verursachte Aufbiegung des Maschinengestells bzw. von Schweißzangenarmen - von dem Elektromagneten und seiner Bewegung bewältigt werden kann.
Erfindungsgemäß kann der Elektromagnet nach Belieben auf der Seite nur einer der beiden Elektroden bzw. Elektrodenhalter angeordnet sein, es ist aber auch möglich, zwei Elektromagnete einzusetzen, jeweils einen auf der Seite jeder der beiden Elektroden. Dies erlaubt eine besonders individuelle Steuerung und Regelung des Kraftaufbaus und des Kraftprofils während des Schweißprozesses, indem die zwei Elektromagnete bei Bedarf auch individuell unterschiedlich angesteuert und geregelt werden können.
Für die erfindungsgemäße Schweißkraft-Regelung kann die Erfassung des Kraft-Istwertes sensorisch über einen geeigneten Kraftsensor erfolgen, beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen oder ein Piezoelement. Grundsätzlich ist aber auch eine sensorlose Erfassung der Kraft-Istwerte möglich durch Auswertung von anderen zur Verfügung stehenden physikalischen Systemgrößen, wie insbesondere über die spezifische Kraft-Weg-Kennlinie des Elektromagneten. Da diese Kennlinie in aller Regel temperaturabhängig ist, erfolgt hierbei zusätzlich eine Erfassung und Auswertung der jeweiligen Umgebungstemperatur und der Temperatur der Magnet-Komponenten, wie beispielsweise der Magnetspule und des ferromagnetischen und/oder permanentmagnetischen Materials in Anker und/oder Joch.
Anhand von einigen in der Zeichnung veranschaulichten, bevorzugten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im Folgenden genauer erläutert werden. Dabei zeigen:

1 eine stark schematische Seitenansicht einer Schweißeinrichtung in einer ersten Ausführungsform zusammen mit einer blockschaltbildartigen Darstellung einer Steuereinrichtung mit einer elektronischen Ablaufsteuerung für den Schweißprozess,
2 eine Teilansicht der wesentlichen Komponenten der Schweißeinrichtung gemäß 1 mit einer blockschaltbildartigen Darstellung einer Regelungseinrichtung für die Schweißkraft,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schweißeinrichtung in einer Darstellung analog zu 1, jedoch ohne die Steuereinrichtung, und
4 eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Schweißeinrichtung in einer Darstellung analog zu 3.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine erfindungsgemäße Schweißeinrichtung 1 ist in allen Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 als stationäre Schweißmaschine ausgebildet, die ein etwa C-förmiges Maschinengestell 2 und ein unteres Fußteil 4 zum ortsfesten Aufstellen auf einem Boden aufweist. Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung 1 ist insbesondere in 4 dargestellt.
Grundsätzlich kann aber die Schweißeinrichtung 1 auch als im Raum bewegliche Schweißzange, beispielsweise Roboter-Schweißzange, und/oder auch in X-Bauweise - wie eingangs erläutert - ausgebildet sein.
Das Maschinengestell 2 weist ein erstes, unteres Widerlager 6 und ein gegenüberliegendes zweites, oberes Widerlager 8 auf. An diesen Widerlagern 6, 8 sind zwei Elektrodenhalter 10, 12 für zwei Schweißelektroden 14, 16 angeordnet. Bevorzugt ist mindestens einer der beiden Elektrodenhalter 10, 12, in den dargestellten Beispielen der obere Elektrodenhalter 10, über einen Linearantrieb 18 - insbesondere in Form eines pneumatischen oder hydraulischen Druckzylinders - derart bewegbar, dass die Schweißelektroden 14, 16 einerseits unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen 20 geschlossen werden können, das heißt in einer Schließrichtung 22 zusammenführbar sind, und andererseits auch in einer umgekehrten Öffnungsrichtung wieder geöffnet, das heißt voneinander wegbewegt werden können. Für einen Schweißprozess werden die Elektroden 14, 16 bei Anlage an den Bauteilen 20 zunächst mit einer mechanischen Schweißkraft F und anschließend mit einem elektrischen Schweißstrom i beaufschlagt. Dazu sind die Elektrodenhalter 10, 12 über jeweils einen Stromleiter 24 mit einem Schweißtransformator 26 verbunden. Der gesamte Schweißprozess wird von einer in 1 blockschaltbildartig dargestellten Steuereinrichtung 28 gesteuert.
Weiterhin ist vorgesehen, dass für den Schweißvorgang die in Schließrichtung 22 wirkende Schweißkraft F durch mindestens einen Elektromagneten 30 erzeugt wird.
Wie sich nun weiter aus 1 ergibt, so weist die Steuereinrichtung 28 eine elektronische Ablaufsteuerung 32 auf, die den gesamten Ablauf des Schweißprozesses steuert, das heißt das Schließen der Elektroden 14, 16 bis zur Anlage an den Bauteilen 20, die Erzeugung der Schweißkraft F, die Beaufschlagung der Elektroden 14, 16 mit dem Schweißstrom i über den Schweißtransformator 26, eine anschließende Abkühlzeit des Schweißpunktes sowie schließlich das Öffnen der Elektroden 14, 16 zur Freigabe der verschweißten Bauteile 20.
Für diesen Steuerablauf steuert die Ablaufsteuerung 32 zunächst den Linearantrieb 18 insbesondere über eine zugehörige Leistungselektronik 34 an. Sofern der Linearantrieb 18 nicht im Stillstand gegen Bewegungen bereits selbstsperrend ist, wie dies zum Beispiel bei elektrischen Servomotoren der Fall ist, ist dem Linearantrieb 18 eine zusätzliche Blockiereinrichtung 36 zugeordnet, die ebenfalls von der Ablaufsteuerung 32, insbesondere über eine Ansteuerelektronik 38, angesteuert wird. Weiterhin steuert dann die Ablaufsteuerung 32 - bevorzugt wiederum über eine Leistungselektronik 40 - den Elektromagneten 30 zur Erzeugung der Schweißkraft F an. Es folgt dann die Beaufschlagung der Elektroden 14, 16 mit dem Schweißstrom i, indem die Ablaufsteuerung 32 den Schweißtransformator 26 über eine weitere zugehörige Leistungselektronik 42 ansteuert. Schließlich steuert die Ablaufsteuerung 32 auch eine Ruhe- oder Abkühlzeit und das abschließende Öffnen der Elektroden 14, 16 über den Linearantrieb 18, gegebenenfalls nach Lösen der Blockiereinrichtung 36.
In 2 sind die wesentlichen Komponenten der Schweißeinrichtung 1 zusammen mit einem speziellen Detail der Steuereinrichtung 28 veranschaulicht. Demnach ist eine Regelungseinrichtung 44 für die Schweißkraft F mit einem Regler 46 vorgesehen, der anhand eines Istwert-Sollwert-Vergleiches den Elektromagneten 30 derart ansteuert, dass die Schweißkraft F jeweils auf einen vorbestimmten Sollwert F_Soll einregelbar ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird jeweils ein Istwert F_Ist der Schweißkraft F über einen geeigneten Kraftsensor 48 erfasst, wobei dieser Istwert F_ist insbesondere über einen Signalverstärker 50 dem Regler 46 zugeführt wird.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Kraftsensor 48 zwischen dem unteren Widerlager 6 und dem unteren, stationären Elektrodenhalter 12 angeordnet. Grundsätzlich kann der Kraftsensor 48 aber auch an jeder beliebigen anderen Stelle angeordnet sein, an der die Schweißkraft F als Istwert F_ist ermittelt werden kann.
Die Ablaufsteuerung 32 generiert für das jeweils gewünschte Kraftprofil jeweils Sollwerte F_Soll, die ebenfalls dem Regler 46 zugeführt werden. Der Regler 46 generiert dann eine entsprechende Stellgröße F_Stell, mit der über die Leistungselektronik 40 der Elektromagnet 30 beaufschlagt wird, um die Schließkraft F zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Regelung ermöglicht eine Optimierung des zeitlichen Kraftprofils der Schweißkraft F für den jeweiligen Schweißprozess. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die Schweißkraft F unabhängig von dem Schweißstrom i ist.
Im Folgenden sollen noch einige Ausführungsvarianten erläutert werden.
Gemäß 1 und 2 ist der Elektromagnet 30 auf der Seite des einen, über den Linearantrieb 18 bewegbaren Elektrohalters 10 angeordnet, und zwar zwischen dem Elektrodenhalter 10 und dem Linearantrieb 18 bzw. der Blockiereinrichtung 36. Bei dieser Ausführung wird der Elektromagnet 30 folglich insgesamt für die Zustellbewegungen des Elektrodenhalters 10 über den Linearantrieb 18 mit bewegt. Alternativ könnte der Elektromagnet 30 auch zwischen dem Linearantrieb 18 und dem Widerlager 8 angeordnet sein, so dass dann der Elektrodenhalter 10 mittelbar über den blockierten Linearantrieb 18 von dem Elektromagnet 30 mit der Schweißkraft F beaufschlagt wird. In beiden Fällen ist demnach der Linearantrieb 18 praktisch in mechanischer Reihenschaltung mit dem Elektromagnet 30 angeordnet.
Bei der in 3 dargestellten Ausführung ist der Elektromagnet 30, in einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Schweißeinrichtung, auf der Seite des anderen, dem über den Linearantrieb 18 bewegbaren Elektrodenhalter 10 gegenüberliegenden Elektrodenhalters 12 zwischen diesem und dem Widerlager 6 angeordnet. Dabei ist der Elektromagnet 30 folglich ebenfalls stationär abgestützt. Hierbei wird der untere Elektrodenhalter 12 mit der Schweißkraft F beaufschlagt.
Die in 4 veranschaulichte Ausführungsform kombiniert praktisch beide Varianten gemäß 1 und 2 einerseits und 3 andererseits. Dies bedeutet, dass beiden Elektrodenhaltern 10, 12 erfindungsgemäß jeweils ein Elektromagnet 30 zugeordnet ist. Die somit vorgesehenen zwei Elektromagnete 30 sind daher in 4 mit den Bezugszeichen 30a und 30b gekennzeichnet. Die beiden Elektromagnete 30a, 30b erzeugen erfindungsgemäß zwei gegeneinander wirkende Teilkräfte F₁ und F₂, aus deren Summe die Schweißkraft F resultiert. Hierbei entspricht die Anordnung des oberen Elektromagneten 30a der Ausführung gemäß 1 und 2, während der untere Elektromagnet 30b der Ausführung gemäß 3 entspricht. Allerdings kann auch dabei der obere Elektromagnet 30a alternativ zwischen dem Widerlager 8 und dem Linearantrieb 18 angeordnet sein, wie dies zuvor als Alternative zu 1 und 2 beschrieben wurde.
In allen Fällen braucht der/jeder Elektromagnet 30 / 30a, 30b nur für einen sehr geringen Hub ausgelegt zu sein.
Weiterhin besteht in allen Fällen der bzw. jeder Elektromagnet 30 bzw. 30a, 30b aus einem Joch 52 und einem dazu beweglichen Anker 54. Das Joch 52 weist mindestens eine nicht bezeichnete Spule auf, die zur Betätigung des Ankers 54 mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar ist. Vorzugsweise ist der jeweilige Elektromagnet 30 bzw. 30a, 30b so orientiert, dass der Anker 54 auf der dem jeweiligen Elektrodenhalter 10 bzw. 12 zugewandten Seite zugeordnet ist, wobei jeweils das Joch 52 auf der gegenüberliegenden, dem jeweiligen Widerlager 6, 8 zugewandten Seite angeordnet ist. Grundsätzlich ist aber auch eine umgekehrte Orientierung des/jedes Elektromagneten 30, 30a, 30b möglich. Der Anker 54 besteht aus einem permanentmagnetischen Material oder als Eisenkern aus einem ferromagnetischen Material. Alternativ kann der/jeder Elektromagnet 30 auch „kinematisch umgekehrt“ aufgebaut sein, das heißt die Spule kann im beweglichen Anker 54 angeordnet sein, und das stehende Joch 52 kann aus einem permanentmagnetischen oder ferromagnetischen Material bestehen. Auch eine Variante mit zwei Spulen, einer feststehenden Spule im Joch 52 und einer mit dem Anker 54 beweglichen Spule, ist möglich.
Es sei noch erwähnt, dass der/jeder Elektromagnet 30 für eine Elektroden-Nachsetzbewegung so ausgelegt sein kann, dass der Anker 54 bei elektromagnetischer Ansteuerung einen kurzen Weg, das heißt einen Anker-Hub, von bis zu 5 mm ausführen kann. Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere für eine Ausführung, bei der der Elektromagnet 30 bzw. 30a zwischen dem Linearantrieb 18 und dem Widerlager 8 angeordnet ist, kann der Bewegungsbereich bzw. Anker-Hub auch bis zu 15 mm betragen.
Abschließend sei nochmals erwähnt, dass die Erfindung in allen beschriebenen Varianten auch bei einer Schweißvorrichtung oder Schweißzange mit X-Bauform angewandt werden kann, um eine Schweißelektrode über eine gelenkig gelagerte Schwinge zu verschwenken und mit der erforderlichen, geregelten Schweißkraft zu beaufschlagen.

Claims

Verfahren zum elektrischen Widerstandsschweißen, wobei zwei Schweißelektroden (14, 16) unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen (20) in einer Schließrichtung (22) zusammengeführt und mit einer Schweißkraft (F) verpresst und mit einem elektrischen Schweißstrom (i) beaufschlagt werden, wobei für den Schweißvorgang die in Schließrichtung (22) wirkende Schweißkraft (F) durch einen Elektromagneten (30; 30a, 30b) erzeugt wird, wobei der Elektromagnet (30; 30a, 30b) zur Erzeugung und Regelung der Schweißkraft (F) unabhängig von dem Schweißstrom (i) angesteuert wird, wobei jeweils ein aktueller Istwert (F_Ist) der Schweißkraft (F) ermittelt und mit einem vorgegebenen Sollwert (F_Soll) verglichen wird, und wobei die Schweißkraft (F) durch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten (30; 30a, 30b) auf den Sollwert (F_Soll) eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkraft (F) anteilig durch den Elektromagneten (30a) und mindestens einen weiteren, zweiten Elektromagneten (30b) erzeugt wird, wobei vorzugsweise jeder Elektromagnet (30a, 30b) geregelt angesteuert wird, wobei die beiden Elektromagneten (30a, 30b) zwei gegeneinander wirkende Teilkräfte (F1, F2) der Schweißkraft (F) erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißkraft (F) für den Schweißvorgang durch eine entsprechend dynamisch geregelte Ansteuerung des Elektromagneten (30; 30a, 30b) mit einem sich über die Zeit ändernden Kraftprofil erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Istwert (F_Ist) der Schweißkraft (F) sensorisch mittels eines Kraftsensors (48) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Istwert (F_Ist) der Schweißkraft (F) sensorlos durch Auswertung von anderen zur Verfügung stehenden physikalischen Systemgrößen, insbesondere über die Kraft-Weg-Kennlinie des Elektromagneten (30; 30a, 30b), erfasst wird, wobei vorzugsweise zusätzlich eine Erfassung und Auswertung der Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur des Elektromagneten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine (14) der zwei Schweißelektroden (14, 16) mittels eines zusätzlichen Linearantriebs (18) bewegbar ist, wobei der Linearantrieb (18) gegen Bewegungen im Stillstand selbstsperrend ist und/oder für den Schweißvorgang über eine zusätzliche Blockiereinrichtung (36) gegen Bewegungen gesperrt wird.
Schweißeinrichtung (1) zum elektrischen Widerstandsschweißen unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Elektrodenhaltern (10, 12) für zwei mit einem elektrischen Schweißstrom (i) beaufschlagbaren Schweißelektroden (14, 16), wobei einer (10) der zwei Elektrodenhalter (10, 12) derart bewegbar ist, dass die Schweißelektroden (14, 16) unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen (20) in einer Schließrichtung (22) zusammenführbar und mit einer Schweißkraft (F) beaufschlagbar sind, wobei zur Erzeugung der Schweißkraft (F) ein Elektromagnet (30; 30a, 30b) vorgesehen ist, wobei eine Regelungseinrichtung (44) für die Schweißkraft (F) mit einem Regler (46), der anhand eines Istwert-Sollwert-Vergleiches den Elektromagnet (30; 30a, 30b) derart ansteuert, dass die Schweißkraft (F) jeweils auf einen vorbestimmten Sollwert (F_Soll) einregelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Elektrodenhaltern (10, 12) jeweils ein Elektromagnet (30a, 30b) zugeordnet ist, wobei die beiden Elektromagneten (30a, 30b) zwei gegeneinander wirkende Teilkräfte (F1, F2) der Schweißkraft (F) erzeugen.
Schweißeinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Linearantrieb (18) für Zustellbewegungen des bewegbaren Elektrodenhalters (10), wobei der Linearantrieb (18) gegen lineare Bewegungen im Stillstand selbstsperrend ausgebildet und/oder über eine zusätzliche Blockiereinrichtung (36) sperrbar ist.
Schweißeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (30) auf der Seite des einen, über den Linearantrieb (18) bewegbaren Elektrodenhalters (10) zwischen diesem und dem Linearantrieb (18) oder zwischen dem Linearantrieb (18) und einem Widerlager (8) angeordnet ist.
Schweißeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (30) auf der Seite des anderen, dem über den Linearantrieb (18) bewegbaren Elektrodenhalter (10) gegenüberliegenden Elektrodenhalters (12) zwischen diesem und einem Widerlager (6) angeordnet ist.
Schweißeinrichtung (1) zum elektrischen Widerstandsschweißen unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Elektrodenhaltern (10, 12) für zwei mit einem elektrischen Schweißstrom (i) beaufschlagbaren Schweißelektroden (14, 16), wobei einer (10) der zwei Elektrodenhalter (10, 12) derart bewegbar ist, dass die Schweißelektroden (14, 16) unter Zwischenlage von zu verschweißenden Bauteilen (20) in einer Schließrichtung (22) zusammenführbar und mit einer Schweißkraft (F) beaufschlagbar sind, wobei zur Erzeugung der Schweißkraft (F) ein Elektromagnet (30; 30a, 30b) vorgesehen ist, wobei eine Regelungseinrichtung (44) für die Schweißkraft (F) mit einem Regler (46), der anhand eines Istwert-Sollwert-Vergleiches den Elektromagnet (30; 30a, 30b) derart ansteuert, dass die Schweißkraft (F) jeweils auf einen vorbestimmten Sollwert (F_Soll) einregelbar ist, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Linearantrieb (18) für Zustellbewegungen des bewegbaren Elektrodenhalters (10), wobei der Linearantrieb (18) gegen lineare Bewegungen im Stillstand selbstsperrend ausgebildet und/oder über eine zusätzliche Blockiereinrichtung (36) sperrbar ist, wobei der Elektromagnet (30) auf der Seite des anderen, dem über den Linearantrieb (18) bewegbaren Elektrodenhalter (10) gegenüberliegenden Elektrodenhalters (12) zwischen diesem und einem Widerlager (6) angeordnet ist.
Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der/jeder Elektromagnet (30; 30a, 30b) aus einem Joch (52) und einem dazu beweglichen Anker (54) besteht, wobei der Anker (54) beispielsweise auf der dem Elektrodenhalter (10, 12) zugewandten Seite angeordnet ist.
Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine Ablaufsteuerung (32) für den Schweißvorgang, wobei die Ablaufsteuerung (32) die Bewegungen der Schweißelektroden (14, 16), die Erzeugung und Regelung der Schweißkraft (F) und davon unabhängig auch die Schweißstrom-Beaufschlagung (i) steuert.
Schweißeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerung (32) Speichermittel zur Vorgabe von bestimmten Parametern für den Schweißvorgang und insbesondere von Kraft-Sollwerten (F_Soll) für bestimmte Kraftprofile für die Schweißkraft (F) aufweist.
Schweißeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerung (32) den Regler (46) für den Istwert-Sollwert-Vergleich und zur Ausgabe einer Stellgröße (F_Stell) zur Ansteuerung des/jedes Elektromagneten (30; 30a, 30b) - insbesondere mittelbar über eine Leistungselektronik (40) - aufweist.
Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite mindestens eines der zwei Elektrodenhalter (10, 12) ein Kraftsensor (48) angeordnet ist, der seine Sensor-Ausgangssignale als Kraft-Istwerte (F_Ist) an die Ablaufsteuerung (32) ausgibt.
Schweißeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch Mittel zur sensorlosen Erfassung der Schweißkraft (F) und zur Ausgabe als Kraft-Istwerte (F_Ist) an die Ablaufsteuerung (32).