DE102013113449A1

DE102013113449A1 - Widerstandsschweissen mit minimiertem Schweissaustrieb

Info

Publication number: DE102013113449A1
Application number: DE102013113449.1A
Authority: DE
Inventors: Yansong Zhang; Guanlong Chen; Pei-Chung Wang; Yang-Yang Zhao; Xinmin Lai
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US20150034609A1; US9579744B2

Abstract

Ein System zum Bilden einer Schweißlinse in einem Metallwerkstück umfasst eine Leistungsversorgung, einen Aktuator, Elektroden und einen Controller. Der Aktuator liefert in Ansprechen auf einen Kraftbefehl eine variable Elektrodenkraft an das Werkstück. Der Controller führt ein Verfahren aus, indem er einen Schweißstrombefehl an die Leistungsversorgung überträgt, um zu bewirken, dass die Leistungsversorgung einen Schweißstrom an die Elektroden ausgibt. Der Controller überträgt den Kraftbefehl an den Aktuator, um die variable Elektrodenkraft über die Elektroden auf einem ersten Kraftniveau auf das Werkstück anzuwenden. Die variable Elektrodenkraft steigt unmittelbar nach Abschluss einer ersten Dauer von einem zweiten Kraftniveau an, um einen Schweißaustrieb zu minimieren. Das zweite Kraftniveau beginnt zu einem Zeitpunkt in dem dynamischen Widerstandsprofil, zu dem ein dynamischer Widerstandswert des Werkstückes mit einer Schwellenrate während der Bildung der Schweißlinse abnimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Widerstandsschweißen mit minimiertem Schweißaustrieb.
HINTERGRUND
Der Prozess des Widerstandsschweißens mit oder ohne Strukturkleber/n wird verwendet, um benachbarte Metallblechplatten mit anderen Metallkomponenten zu fügen. In herkömmlichen Widerstandsschweißprozessen werden solche Platten zwischen gegenüberliegenden Schweißelektroden eingespannt. Dann wird ein elektrischer Schweißstrom zwischen den Elektroden durch das Tafel/Komponentenmaterial hindurch geleitet. Der dynamische Widerstand des Materials erzeugt eine intensive Wärme an den Stoß-Grenzflächen des Werkstückes, d. h. jeglichen Substrat/Substrat-Stoß-Grenzflächen wie auch an jeglichen Elektroden/Werkstück-Stoß-Grenzflächen. Die Wärme schmilzt augenblicklich das Plattenmaterial an den Stoß-Grenzflächen. Wenn das Material abkühlt, wird eine feste Schweißlinse gebildet. An den Stoß-Grenzflächen werden oft Klebematerialien verwendet, um die Schweißlinse in einem Prozess zu festigen, der als Punktschweißkleben bezeichnet wird.
Historisch war das Vorhandensein von Funken in einem Widerstandsschweißprozess als eine Art von optischer Versicherung für einen Schweißer dafür vorgesehen, dass eine Schweißlinse mit hinreichender Größe gebildet wurde. Die Funken selbst sind ausgestoßene Tröpfchen von Metallschmelze, die allgemein als Schweißspritzer bezeichnet werden. Das Schweißspritzermaterial wird während der Produktion von jeglichen ästhetischen Oberflächen der Werkstücke wie z. B. von den fertigen äußeren Metall-Sichtoberflächen eines Autokarosserieblechs gereinigt. Außerdem werden einige Metallwerkstücke durch ein Bad mit einem Galvanisierungsmaterial gezogen, nachdem der Widerstandsschweiß/Punktschweißklebeprozess beendet wurde. Angesammelte Schweißspritzer neigen dazu, sich in dem Bad zu trennen und am Boden des Behälters anzusammeln. Das Reinigen von angesammelten Schweißspritzern und/oder der Badbehälter hat oft eine zusätzliche Stillstandzeit und andere Prozess-Unwirtschaftlichkeiten zur Folge.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind ein Schweißsystem und ein zugehöriges Verfahren offenbart, die beide einen Schweißaustrieb minimieren und somit Schweißspritzer in den Punktschweißklebe- und anderen Widerstandsschweiß-Prozessen minimieren sollen. Ein möglicher Vorteil des vorliegenden Ansatzes ist die Reduktion der Kosten und Stillstandzeit in Verbindung mit einer Schweißspritzerreinigung, ohne die Schweißnahtfestigkeit zu beeinträchtigen.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst ein System zum Bilden einer Schweißlinse in einem mehrschichtigen oder Mehrblech-Stapel, wobei der Stapel hierin nachfolgend als ein Werkstück bezeichnet wird, eine Schweißleistungsversorgung, einen Aktuator, ein Paar von Elektroden und einen Controller. Die Elektroden sind mit der Schweißleistungsversorgung und mit dem Aktuator funktionell verbunden ist. Der Aktuator liefert in Ansprechen auf einen von dem Controller ausgegebenen Kraftbefehl eine variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden an das Werkstück. Der Controller weist einen Prozessor und einen computerlesbaren Speicher auf. Der Speicher umfasst ein kalibriertes dynamisches Widerstandsprofil für das Werkstück und einen Satz von Anweisungen, die über den Prozessor zum Bilden der Schweißlinse ausführbar sind.
Der Controller ist programmiert oder sonst wie ausgestaltet ist, um einen Schweißstrombefehl an die Schweißleistungsversorgung zu übertragen. Dies bewirkt, dass die Schweißleistungsversorgung einen Schweißstrom an die Elektroden ausgibt, und den Kraftbefehl an den Aktuator zu überträgt. Der Aktuator wendet die variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden auf einem ersten Kraftniveau auf das Werkstück an und hält diese für eine erste Dauer. Dann erhöht der Controller unmittelbar nach Abschluss der ersten Dauer die variable Elektrodenkraft von dem ersten Kraftniveau auf ein zweites Kraftniveau.
Wie hierin dargelegt, beginnt das zweite Kraftniveau zu einem Zeitpunkt in dem kalibrierten dynamischen Widerstandsprofil, zu dem ein dynamischer Widerstandswert des Werkstückes mit einer Schwellenrate während der Bildung der Schweißlinse abnimmt. Das zweite Niveau kann bis zu dem Ende des zum Bilden der Schweißlinse notwendigen Schweißzyklus gehalten werden, oder es können abhängig von der Ausgestaltung zusätzliche Kraftniveaus über diese gleiche Dauer verwendet werden.
Der Aktuator kann in einer Ausführungsform ein Linear-Servoaktuator oder in einer anderen Ausführungsform ein pneumatischer Aktuator sein.
Es ist auch ein Verfahren zum Bilden der Schweißlinse offenbart. Das Verfahren umfasst, dass das Metallwerkstück in Bezug auf ein Paar von Elektroden positioniert wird, das mit einer Schweißleistungsversorgung und mit einem Aktuator funktionell verbunden ist, und dann von einem Controller ein Schweißstrombefehl an die Schweißleistungsversorgung übertragen wird, um zu bewirken, dass die Schweißleistungsversorgung einen Schweißstrom an die Elektroden ausgibt. Das Verfahren umfasst ferner, dass von dem Controller ein Kraftbefehl an den Aktuator übertragen wird, um dadurch zu bewirken, dass der Aktuator die variable Elektrodenkraft über die Elektroden auf einem ersten Kraftniveau, das für eine erste Dauer gehalten wird, auf das Werkstück anwendet.
Außerdem umfasst das Verfahren, dass ein Zeitpunkt in einem dynamischen Widerstandsprofil, das bandfern bestimmt wird und in dem computerlesbaren Speicher des Controllers voraufgezeichnet wird, bestimmt wird, zu dem ein dynamischer Widerstand des Werkstückes mit einer Schwellenrate während eines Schweißzyklus der Schweißlinse abnimmt. Dann erhöht der Controller zu dem Zeitpunkt in dem dynamischen Widerstandsprofil die variable Elektrodenkraft auf ein zweites Kraftniveau. Das zweite Kraftniveau wird bis zu dem Ende des Schweißzyklus aufrechterhalten, oder es können, wie oben erwähnt, zusätzlich Kraftniveaus in dieser gleichen Dauer verwendet werden.
Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Offenbarung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansichts-Illustration eines Punktschweißklebesystems mit einem Controller, der dabei hilft, den Austrieb von Schweißspritzermaterial zu minimieren, wie hierin dargelegt.
1A eine schematische Seitenansichts-Illustration eines Abschnitts eines zu dem in 1 gezeigten alternativen Widerstandsschweißsystems.
2 ist ein Satz von graphischen Schweißlappendiagrammen, wobei die Schweißzykluszeit auf der vertikalen Achse aufgetragen ist und der elektrische Schweißstrom auf der horizontalen Achse aufgetragen ist.
3 ist ein schematisches Zeitdiagramm, das den Effekt einer verlängerten Schweißzeit, aufgetragen auf der horizontalen Achse, auf die Schweißnaht-Expansionskraft (vertikale Achse) illustriert.
4 ist ein beispielhaftes graphisches Diagramm des dynamischen Widerstandes für das in 1 gezeigte System, wobei der dynamische Widerstand auf der vertikalen Achse aufgetragen ist und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist.
5 ist ein beispielhaftes graphisches kombiniertes Diagramm des/der Schweißstromes und -kraft für das in 1 gezeigte System, wobei der Strom und die Kraft auf der vertikalen Achse aufgetragen sind und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zum Minimieren des Austriebes von Schweißspritzermaterial in dem in den 1 und 1A gezeigten Systemen beschreibt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Fig., in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Elemente beziehen, ist ein beispielhaftes Widerstandsschweißsystem 10 allgemein bei 10 in 1 gezeigt. Das Schweißsystem 10 kann verwendet werden, um benachbarte Metallsubstrate eines Werkstückes 11, z. B. ein jeweiliges erstes und zweites Metallsubstrat 12 und 14, mithilfe des Prozesses des Widerstandspunktschweißens, mit oder ohne die Verwendung von Strukturklebern zu fügen. In solchen Prozessen wird letztlich unter Verwendung der Kombination aus einer angewendeten variablen Elektrodenkraft (Pfeile F_E) und einem elektrischen Schweißstrom (Pfeil I) eine feste Schweißlinse 16 zwischen den Metallsubstraten 12 und 14 gebildet. Diese Schweißparameter werden hierin in einer speziellen Weise über einen Controller (C) 30 und einer Logik eines zugeordneten Steuerverfahrens 100 gesteuert, wie unten stehend mit Bezugnahme auf die 2–6 in näherem Detail beschrieben.
In den 1 und 1A ist das Werkstück 11 zwischen einem Paar von Schweißelektroden 20A, 20B mit einer zentralen Längsachse 13 positioniert. Die Schweißelektroden 20A und 20B umfassen jeweilige entfernbare Elektrodenkappen 21A und 21B. Somit können die Elektrodenkappen 21A und 21B je nach Bedarf zum Reinigen, Wiederherstellen oder für andere Wartungsarbeiten entfernt werden.
Herkömmliche Punktschweißtechniken würden eine kalibrierte, konstante Elektrodenkraft auf das Werkstück 11 anwenden. Allerdings baut sich aufgrund des Wachstums der Metallschmelze zwischen benachbarten Substraten schnell ein innerer Druck auf, wenn die Wärme an der Verkopplungs- oder Stoß-Grenzfläche 15 rasch ansteigt. An einem bestimmten Punkt in dem Schweißzyklus übersteigt der innere Druck die angewendete konstante Elektrodenkraft. Wenn dies geschieht, wird Metallschmelze zwischen den benachbarten Substraten, oft als leuchtender Regen von Funken der oben angeführten Art, ausgestoßen. Etwas von dieser Materialschmelze wird schließlich als Schweißspritzer auf den frei liegenden Oberflächen abgeschieden. Das Verfahren 100, von dem ein Beispiel in 6 gezeigt ist, soll den Austrieb von solchem Schweißspritzermaterial über eine mehrstufige Anwendung zunehmender Kraft minimieren.
Das Verfahren 100 kann, zusammen mit dem zugehörigen Schweißsystem 10, das in den 1 und 1A schematisch gezeigt ist, z. B. in Automobil- und Nicht-Automobil-Anwendungen zweckdienlich sein, die geschweißte Karosseriebleche oder andere geschweißte Komponenten benötigen. Das Verfahren 100 ist besonders wertvoll beim Widerstandsschweißen von Produkten, die eine oder mehrere fertige ästhetische Sichtoberflächen aufweisen, deren Aussehen als wichtig für die gesamte Produktqualität erachtet wird. Auf solchen Oberflächen sollte das Vorhandensein von Schweißspritzern vermieden werden.
Das Widerstandsschweißsystem 10 von 1 ist ein beispielhaftes Punktschweißklebesystem, in dem eine dünne Schicht eines Klebematerials 18 wie z. B ein warm aushärtendes Epoxid an der Stoß-Grenzfläche 15 zwischen den benachbarten ersten und zweiten Metallsubstraten 12 und 14 aufgetragen wird. Die 1 und 1A sind schematisch vorgesehen und sind somit nicht unbedingt maßstabgetreu. Deshalb ist die Dicke der Schicht von Klebematerial 18 in 1 zur illustrativen Klarheit stark übertrieben. Die Verwendung des Klebematerials 18 soll Schweißnähte mit erhöhten statischen und dynamischen Festigkeiten schaffen. Wenn der Prozess des Punktschweißklebens durchgeführt wird, kann eine Distanzscheibe (nicht gezeigt) zwischen dem ersten Metallsubstrat 12 und einem feststehenden Element (nicht gezeigt), z. B. einem Tisch oder einer Arbeitsplattform, positioniert werden, um eine gewünschte Orientierung der jeweiligen ersten und zweiten Metallsubstrate 12 und 14 aufrechtzuerhalten.
Kurz Bezug nehmend auf 1A lässt eine alternative Widerstandsschweißanwendung die Verwendung des Klebematerials 18 von 1 weg. In solch einem Prozess werden das erste und das zweite Metallsubstrat 12 und 14 unmittelbar benachbart zueinander positioniert, wie vor der Bildung der Schweißlinse 16 gezeigt. Wie in 1A gezeigt, kann der dynamische Widerstand (R_D), d. h. die Änderung der Schweißspannung (ΔV) dividiert durch die Änderung des elektrischen Stromes (ΔI) während der Bildung der Schweißlinse 16 bandfern als Einleitung zur Ausführung des Verfahrens 100 gemessen werden, wobei die Messung dieses Werts auf dem technischen Gebiet wohlbekannt ist. Die Materialien und Dicken eines gegebenen Werkstückes 11 sind vorweg bekannt. Somit kann durch Verwenden einfacher elektrischer Messungen und Berechnungen ein kalibriertes dynamisches Widerstandsprofil, von dem ein Beispiel in 4 gezeigt ist, in dem Speicher 34 des Controllers 30 voraufgezeichnet und bei der Ausführung des Verfahrens 100 während einer Echtzeitschweißung des Werkstückes 11 verwendet werden.
Das erste und das zweite Metallsubstrat 12 und 14 der 1 und 1A können eine Dicke aufweisen, die abhängig von der vorgesehenen Anwendung und Verwendung des Werkstückes 11 variiert. Eine typische Automobilanwendung kann z. B. Dicken aufweisen, die in einem Bereich oberhalb von etwa 0,4 mm liegen. Die Metallsubstrate 12 und 14 können ebenso aus einem beliebigen geeigneten Material für eine gewünschte Anwendung des Werkstückes 11 gebildet sein. Die Metallsubstrate 12 und 14 können z. B. aus einfach schweißbaren Stählen wie z. B. kohlenstoffarmen und hochfesten Stählen, aber nicht darauf beschränkt, gebildet sein. Es können auch andere Materialien einschließlich Aluminium vorstellbar sein, wobei die Wahl des Materials die spezifischen Parameter beeinflusst, die verwendet werden, um das Verfahren 100 auszuführen, wie in größerem Detail mit Bezugnahme auf die 2–6 beschrieben.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1 kann der Controller 30 als eine Computervorrichtung oder eine Gruppe solcher Vorrichtungen realisiert sein. Im Speziellen kann der Controller 30 einen Prozessor 32 und den Speicher 34, d. h. ein konkretes, nicht transitorisches, computerlesbares Medium umfassen, in dem Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 100 aufgezeichnet sind. Beispiele für den Speicher 34 können einen Festwertspeicher (ROM), einen optischen Speicher, einen Flash-Speicher und dergleichen umfassen. Der Controller 30 kann auch einen transitorischen Speicher wie z. B. einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) umfassen. Die zugehörige Hardware kann einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital/Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen) und beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Vorrichtungen (I/O-Schaltungen und Vorrichtungen) einschließlich eines Transceivers sowie eine Signalaufbereitungs- und Pufferelektronik umfassen.
Das Schweißsystem 10 umfasst einen Aktuator (A) 24. Während sie in 1A der Einfachheit halber weggelassen sind, werden der Aktuator 24 und der Controller 30 von 1 in dieser Ausführungsform auch verwendet. Der Aktuator 24 kann ein elektrisch betätigter Linear-Servoaktuator sein, wenngleich der Ansatz auch auf herkömmliche automatische oder manuelle pneumatische oder andere Schweißaktuatortypen erweitert werden könnte. Ein auf dem technischen Gebiet bekannter Linear-Servoaktuator wird verwendet, um beinahe augenblicklich eine Schweißkraft zu erzeugen, ohne dass eine Druckluft in Bereitschaft benötigt wird, und mit weniger Elektrodenverschleiß als bei herkömmlichen pneumatischen Schweißzangen. Geeignete Ausführungen von Linear-Servoaktuatoren können Rollengewindespindeln und dergleichen umfassen.
Unabhängig von seiner Ausführung ist der Aktuator 24 von 1 ausgestaltet, um einen Kraftbefehl (Pfeil F_C) von dem Controller 30 zu empfangen. In Ansprechen auf den Empfang dieses Befehls wendet der Aktuator 24 die variable Elektrodenkraft (Pfeile F_E) auf das Werkstück 11 an. Dann wird die Schweißlinse 16 über eine gleichzeitige Anwendung des Schweißstromes (Pfeil I) gebildet, die der Controller 30 ebenfalls befiehlt. Dies kann durch eine Übertragung eines Schweißstrombefehls (Pfeil I_C) auf eine Schweißleistungsversorgung 22 erreicht werden, die hier schematisch der Einfachheit halber als eine beispielhafte Gleichstromvorrichtung gezeigt ist, wenngleich in einer alternativen Ausführungsform auch Wechselstromleistung verwendet werden kann.
Bezug nehmend auf 2 ist ein beispielhaftes Schweißlappendiagramm 26 für eine willkürlich akzeptable Schweißnaht gezeigt. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, beschreibt ein Schweißlappendiagramm für eine gegebene angewendete Elektrodenkraft den der Schweißstrom (I) auf der horizontalen Achse und die entsprechende Schweißzeit (t) auf der vertikalen Achse, wobei die Schweißzeit in 1 in Schweißzyklen (cyc) angegeben ist und der Schweißstrom (I) in kA angegeben ist. Ein gegebenes Stück aus Metall wie z. B. das erste oder das zweite Metallsubstrat 12 und 14 von 1 weist ein entsprechendes Lappendiagramm auf. Mit einem schmaleren Lappen wie z. B. dem Schweißlappen 27 kann während der Produktion ein weniger robuster Prozess die Folge sein, was beim Punktschweißkleben von hochfesten Stählen ein herausragendes Problem darstellen kann. Das heißt, das Schweißen kann innerhalb der engen Grenzen des Schweißlappens 27 bei gegebenen elektrischen Fluktuationen und in Konkurrenz stehenden Energiebedarfen an einem typischen Fertigungsstandort schwierig zu erreichen sein. Der vorliegende Ansatz, wie hierin dargelegt, soll einen viel breiteren Schweißlappen, z. B. den Schweißlappen 28, für das gleiche Metallsubstrat 12 oder 14 bereitstellen.
Bezug nehmend auf 3 zeigt ein schematisches Zeitdiagramm 35 die Auswirkungen der Schweißzeit auf die Expansionskraft (F_EXP) für eine Materialschmelze unter einer gegebenen Elektrodenkraft (F_E), wobei die Kraft (F) auf der vertikalen Achse abgebildet ist und die Schweißzeit (t) auf der horizontalen Achse abgebildet ist. Das erste und das zweite Metallsubstrat 12 und 14 der 1 und 1A weisen jeweils elektrische und thermische Eigenschaften auf, die ein Widerstandsschweißen möglich machen. Das heißt, jedes Metallsubstrat 12 und 14 stellt ein Niveau an dynamischem Widerstand (R) gegen den Fluss des elektrischen Schweißstromes (Pfeile I) bereit. Dieser Widerstand bewirkt, dass eine ohmsche Erwärmung stattfindet, wenn der Schweißstrom (Pfeile I) durch das Werkstück 11 hindurch fließt. Mathematisch kann die Wärmeenergie (E) während dieses Prozesses als E = I² × R × t ausgedrückt werden. Somit nimmt die Energie in der Schweißzone zu, wenn der Schweißstrom ansteigt.
Wenn das Schweißen bei t₀ in der Zone I von 3 beginnt und zu t₁ fortschreitet, steigt die Expansionskraft (F_EXP) der eingeschlossenen Materialschmelze schnell mit zunehmender Schweißzeit (t) an. Nach t₁ in der Zone II kann ein Schweißaustrieb und Spritzen auftreten, wenn die angewendete Elektrodenkraft (F_E) kleiner ist als die Expansionskraft (F_EXP) infolge des Wachstums der Materialschmelze, d. h. innerhalb des schraffierten Gebietes 38. Um einen unerwünschten Schweißaustrieb zu vermeiden, ist der Controller 30 von 1 ausgestaltet, um die Elektrodenkraft (F_E) über einen oder mehrere zeitlich präzise gesteuerte Schritte in der Elektrodenkraft (F_E) während des Schweißzyklus zu verändern, um sicherzustellen, dass die angewendete Elektrodenkraft (F_E) immer über der Schweißexpansionskraft (F_EXP) infolge des Wachstums der Metallschmelze liegt. Die Bestimmung der Expansionskraft in Echtzeit ist nicht praktikabel. Daher wird Bezug auf das voraufgezeichnete dynamische Widerstandsprofil für ein Werkstück 11 der gleichen Materialien und Dicken genommen, die bei der Produktion verwendet werden, wie unten stehend dargelegt.
Nunmehr Bezug nehmend auf 4 wird auf der Basis des dynamischen Widerstandes R_D (siehe 1A) des Widerstandsschweißens oder Punktschweißklebens eines gegebenen Mehrblech-Stapels eine variable Elektrodenkraft (F_E) als ein Mittel eingesetzt, eine Schweißausdehnung einzugrenzen und das Auftreten und/oder den Schweregrad des Schweißmaterialaustriebes zu minimieren. In 3 bedeutet dies das Vermeiden eines Eintrittes in die schraffierte Region 38. Solch ein Ansatz kann von speziellem Nutzen beim Schweißen oder Schweißkleben von Stahlblechen, z. B. 1,6 mm dickem, galvanisiertem DP780 Stahl, sein. Die variable Elektrodenkraft (F_E) wird verwendet, um den Schweißlappen für ein gegebenes Material selektiv zu verbreitern.
Das Zeitdiagramm 40 von 4 zeigt die Schweißzeit (t) in Millisekunden (ms) auf der horizontalen Achse und den dynamischen Widerstand in Ohm (Ω) auf der vertikalen Achse. Das Zeitdiagramm 40 ist illustrativ für ein beispielhaftes Schweißkleben eines beispielhaften Teils aus 0,8 mm dickem, galvanisiertem Stahl unter Verwendung eines warm aushärtenden Strukturklebers. Die Achsenwerte würden sich daher für andere Materialien oder Blechdicken ändern.
In der Zone 42 fängt der dynamische Widerstand bei einer Spitze von etwa 0,2 Ω an. Die Elektrodenkraft (F_E) von 1 dünnt die Schicht von Klebermaterial 18 aus und verstärkt dadurch den engen Kontakt des ersten und des zweiten Metallsubstrats 12 und 14 an der Stoß-Grenzfläche. Der Widerstand fällt, wenn die Elektrodenkraft das Werkstück 11 von 1 zusammendrückt. Hier wird der Hauptmetallwiderstand aufgrund der ohmschen Wärmeerzeugung vorherrschend.
Bei etwa t = 50 ms und infolge der ohmschen Erwärmung beginnt die Schweißlinse 16 von 1 bei dem Punkt A und wächst in der Zone 43, wenn der dynamische Widerstand beginnt, anzusteigen. Der Schweißstrom setzt damit fort, die Metallsubstrate 12 und 14 von 1 zu erwärmen. Im Wesentlichen bleibt der dynamische Widerstand auf Niveau oder nimmt allmählich bis zu dem Punkt B ab, wobei der dynamische Widerstand an diesem Punkt scharf abfällt. Dieses detektierbare Ereignis findet in der beispielhaften Veranschaulichung bei etwa t = 110 ms statt. Für Werkstücke 11 mit verschiedenen Metallen oder Blechstärken werden die mit den Punkten A und B zusammenfallenden tatsächlichen Zeiten verschieden sein. Dennoch werden das Phänomen der detektierbaren Abnahme des dynamischen Widerstandes und die hierin festgestellte Erkenntnis, dass sie mit dem Eintritt in das schraffierte Gebiet 38 des Austriebes, wie in 3 gezeigt, zusammenfällt, von dem Controller 30 von 1 beim Ausführen des vorliegenden Steuerverfahrens 100 verwendet.
Bezug nehmend auf 5 beschreibt ein Paar von Zeitdiagrammen 50 den sich ändernden Schweißstrom I und die Elektrodenkraft (F_E), die beide gegen die Zeit (t) auf der horizontalen Achse aufgetragen sind. Um die Schweißlinse 16 der 1 oder 1A zu bilden, befiehlt der Controller 30 von 1 die Elektrodenkraft (F_E) auf einem ersten Niveau F_E1, während der Schweißstrom (I) schrittweise auf ein kalibriertes Niveau (I_CAL) gebracht wird. Für dickere Stapel von etwa 1–2 mm oder mehr kann der Schweißstrom (I) gepulst, wie gezeigt, d. h. in eine Reihe von sich wiederholenden Stromimpulsen 60 gebrochen werden. Solch ein Ansatz soll die Wärme regeln, wobei eine intermittierende Kühlung in den Zeitlücken (Δt) zwischen den Schweißimpulsen 60 vorgesehen ist. Dies kann auch dabei hilfreich sein, die Elektroden 20A, 20B der 1 und 1A zu schützen. Für dünnere Stapel kann ein einziger Stromimpuls 60 verwendet werden, wie durch die Linie 62 angezeigt. In beiden Ansätzen werden die Stromimpulse 60 oder der Impuls 62 vor dem Lösen der Elektrodenkraft (F_E), wie gezeigt, unterbrochen.
Der Controller 30 von 1 hält die Elektrodenkraft (F_E) von dem Punkt A von 5, d. h. dem Beginn der Schweißlinse 16 der 1 und 1A, auf dem ersten Niveau (F_E1) bis zu dem Punkt B. Wie in 4 gezeigt, fällt der Punkt B mit dem detektierten Abfall des dynamischen Widerstandes zusammen, der wiederum mit dem Beginn des Austriebes (schraffiertes Gebiet 38 von 3) variieren wird. Da der Punkt B mit der spezifischen Metall- und Blechstärke zusammenfällt, kann diese Information vorweg bestimmt und in dem Speicher 34 des Controllers 30 aufgezeichnet werden.
Danach kann der Controller 30 von 1 detektieren, wann der Punkt B auftritt, d. h. bei t₁, und die Elektrodenkraft (F_E) sofort auf ein zweites, höheres Niveau (F_E2) erhöhen. Das zweite, höhere Niveau (F_E2) wird dann über das Ende des Schweißzyklus hinaus, d. h. an dem Punkt C, der kurz vor t₂ liegt, beibehalten. Dann wird die Elektrodenkraft (F_E) unterbrochen und der in 5 gezeigt Prozess wird für eine nachfolgende Schweißnaht wiederholt.
In einer speziellen Ausführungsform kann das zweite Niveau F_E2 etwa 115% bis 125% des ersten Niveaus (F_E1) betragen. In einer anderen Ausführungsform kann ein zweites Niveau von 120% verwendet werden, wobei der Anstieg irgendwo von etwa 40% bis 60% der Gesamtschweißzykluszeit stattfinden kann. Es sind auch andere Ausführungsformen vorstellbar, ohne von dem vorgesehenen erfindungsgemäßen Schutzumfang abzuweichen. Beispielsweise könnten, während die zunehmende Verwendung von Linear-Servoaktuatoren den vorliegenden Ansatz erleichtert, ähnliche Konzepte auf pneumatische Aktuatoren, ob automatisiert oder manuell, angewendet werden.
Auch können, während hierin nur ein einziger Schritt in der Elektrodenkraft (F_E) im Detail dargelegt ist, andere Ausführungsformen einen zusätzlichen Schritt oder Schritte in der Elektrodenkraft (F_E), z. B. in dem Fall von Materialien, die mehrere Schwellenwertrückgänge des dynamischen Widerstandes während des Schweißzyklus zeigen, umfassen. Im Prinzip könnten viele Abnahmen stattfinden, insbesondere wenn drei oder vier Bleche im Gegensatz zu dem in den vereinfachten Ausführungsformen der 1 und 1A gezeigten Zweiblech-Stapels geschweißt werden. In solchen Fällen könnte sich ein Schweißaustrieb zu anderen Zeiten und an anderen Stoß-Grenzflächen 15 entwickeln.
Bezug nehmend auf 6 beginnt eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 100 mit Schritt 102, bei dem der dynamische Widerstand (R_D) eines gegebenen Stapels von Werkstücken gemessen und in dem Speicher (34) des in 1 gezeigten Controllers 30 aufgezeichnet wird. Dieser Schritt kann bandfern vor dem Schweißen mithilfe der gleichen Materialien stattfinden, die in der Produktion verwendet werden. Das Zeitdiagramm 40 von 4 wird als Teil von Schritt 102 für ein/e spezifische/s Material und Dicke erzeugt.
Das Zeitdiagramm 40 enthält die spezifische Schweißzeit an dem Punkt B, zu der der dynamische Widerstand in der Zone 43 rasch abfällt. Eine kalibrierte Schwellenrate oder -neigung kann in dem Speicher 34 des Controllers 30 aufgezeichnet und verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Abnahme signifikant genug ist, um einen Eintritt in das schraffierte Gebiet 38 von 3, d. h. das Gebiet, welches anzeigt, dass ein Austrieb unmittelbar bevorsteht, widerzuspiegeln.
Die Planung von Experimenten oder anderen bandfernen Tests kann durchgeführt werden, um diesen Punkt für einen gegebenen Materialstapel zu isolieren. Es wird hierin jedoch darauf hingewiesen, dass festgestellt wurde, dass die Abnahme des dynamischen Widerstandes beim typischen industriellen Schweißen des ersten und des zweiten Metallsubstrats 12 und 14 innerhalb des Bereiches von etwa 40% bis 60% der Dauer des Schweißzyklus stattfindet. Eine weitere Isolierung dieses Bereiches kann für ein gegebenes Werkstück 11 problemlos bandfern bestimmt werden. Nach dem Aufzeichnen, entweder als das gesamte Zeitdiagramm 40 oder nur die Schweißzeit an dem Punkt B von 4, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter.
Schritt 104 beinhaltet, dass das Werkstück 11 von 1 oder 1A vor dem Einleiten des Schweißvorganges in das Schweißsystem 10 positioniert wird. Das Verfahren 100 schreitet zu Schritt 106 weiter, sobald Schritt 104 abgeschlossen ist.
Bei Schritt 106 überträgt der Controller 30 von 1 den Strombefehl (Pfeil I_C) an die Schweißleistungsversorgung 22 und befiehlt die Elektrodenkraft auf dem ersten Niveau, d. h. F_E1, wie am besten in 5 gezeigt. Die Bildung der Schweißlinse 16 beginnt. Während die Schweißung in der Zone 42 von 4 fortfährt, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 108 weiter.
Schritt 108 beinhaltet, dass, z. B. über eine Bezugnahme auf eine Zeitschaltuhr, bestimmt wird, ob die vorliegende Schweißzeit mit dem Auftreten von Punkt B in 4, d. h. dem Zeitpunkt in dem Schweißzyklus, zu dem der dynamische Widerstand in der Zone 43 mit der kalibrierten Rate abnimmt, zusammenfällt. Wenn dies geschieht, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter. Andernfalls wird Schritt 106 wiederholt.
Bei Schritt 110 befiehlt der Controller 30 von 1 die Elektrodenkraft auf dem zweiten Kraftniveau, d. h. F_E2, wie am besten in 5 gezeigt. Die Bildung der Schweißlinse 16 setzt sich bei dieser stärkeren Elektrodenkraft fort. Wie oben angeführt, kann das Niveau der zweiten Elektrodenkraft (F_E2) etwa 115% bis 125% des ersten Niveaus (F_E1) von Schritt 106 betragen. Während die Schweißung in der Zone 43 von 4 fortfährt, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter.
Schritt 112 beinhaltet, dass, z. B. über eine Bezugnahme auf die in Schritt 108 angeführte Zeitschaltuhr, bestimmt wird, ob die Schweißzeit zu Ende ist, was ein material- und werkstückspezifischer kalibrierter Wert sein kann, der in dem Speicher 34 des Controllers 30 aufgezeichnet ist. Dieser Zeitpunkt fällt mit t₂ von 5 zusammen. Das Verfahren 100 unterbricht die Übertragung des Schweißstrombefehls (Pfeil I_C von 1) kurz vor dieser Zeit, wie in 5 gezeigt, und schreitet zu Schritt 114 weiter, wenn der Schweißzyklus abgeschlossen ist. Wenngleich der Einfachheit halber in 6 nicht gezeigt, könnten in Ausführungsformen mit mehr Blechen als den zwei in den 1 und 1A gezeigten, wie oben angeführt, zusätzliche Kraftniveaus befohlen werden, die höher sind als das zweite Kraftniveau (F_E2). In einer solchen Ausführungsform könnte der Controller 30 die variable Elektrodenkraft (F_E) vor dem Ende des Schweißzyklus von dem zweiten Kraftniveau (F_E2) auf ein drittes Kraftniveau erhöhen. In den Ausführungsformen der 1 und 1A wird Schritt 110 wiederholt, bis die kalibrierte Schweißzeit bei Schritt 112 zu Ende ist, und schreitet dann zu Schritt 114 weiter.
Bei Schritt 114 stellt der Controller 30 die Übertragung des Kraftbefehls (Pfeil F_C) von 1 ein, um die Elektroden 20A, 20B zu lösen. Wie in 5 gezeigt, fällt die Elektrodenkraft (F_E) rasch auf null ab. Das Verfahren 100 ist abgeschlossen und kann mit der nachfolgenden Schweißung wiederholt werden.
Wie für Fachleute auf dem technischen Gebiet offensichtlich ist, würde die Verwendung des vorliegenden Verfahrens bestimmte Modifikationen an herkömmlichen Pneumatikdruck-Versorgungssystemen erfordern. Insbesondere muss, da das vorliegende Verfahren eine zweistufige Druckversorgung erfordert, jede Pneumatikvariante in der Lage sein, Druck auf solchen Niveaus zu liefern, indem sie z. B. einen kleinerer Zylinder verwendet, gefolgt von der Lieferung eines Druckes von einem größeren Zylinder einen Zeitschwellenbetrag später, gekoppelt mit der Fähigkeit, diese Zylinder vor der nachfolgenden Schweißnaht schnell wieder aufzuladen.
Während die besten Arten, die Offenbarung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Offenbarung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen.

Claims

System zum Bilden einer Schweißlinse in einem Metallwerkstück, wobei das System umfasst: eine Schweißleistungsversorgung; einen Aktuator; ein Paar von Elektroden, das mit der Schweißleistungsversorgung und dem Aktuator funktionell verbunden ist, wobei der Aktuator betreibbar ist, um in Ansprechen auf einen Kraftbefehl eine variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden an das Werkstück zu liefern; einen Controller mit einem Prozessor und einem computerlesbaren Speicher, wobei der Speicher ein kalibriertes dynamisches Widerstandsprofil für das Werkstück und über den Prozessor ausführbare Anweisungen zum Bilden der Schweißlinse umfasst, und wobei der Controller ausgestaltet ist, um: einen Schweißstrombefehl an die Schweißleistungsversorgung zu übertragen, um dadurch zu bewirken, dass die Schweißleistungsversorgung einen Schweißstrom an das Paar von Elektroden ausgibt, um so eine Metallschmelze von dem Metallwerkstück zu bilden; den Kraftbefehl an den Aktuator zu übertragen, um die variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden auf einem ersten Kraftniveau für eine erste Dauer auf das Werkstück anzuwenden; und die variable Elektrodenkraft unmittelbar nach dem Abschluss der ersten Dauer von dem ersten Kraftniveau auf ein zweites Kraftniveau zu erhöhen, um so einen Austrieb der Metallschmelze zu minimieren; wobei das zweite Kraftniveau zu einem Zeitpunkt in dem kalibrierten dynamischen Widerstandsprofil beginnt, zu dem ein dynamischer Widerstandswert des Werkstückes mit einer Schwellenrate während der Bildung der Schweißlinse abnimmt.
System nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Linear-Servoaktuator ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein pneumatischer Aktuator ist.
System nach Anspruch 1, wobei das zweite Kraftniveau mindestens 115% des ersten Kraftniveaus beträgt.
System nach Anspruch 4, wobei das zweite Kraftniveau weniger als 125% des ersten Kraftniveaus beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Dauer zwischen 40% und 60% einer Dauer des Schweißzyklus beträgt.
System zum Bilden einer Schweißlinse in einem Metallwerkstück, wobei das System umfasst: eine Schweißleistungsversorgung; einen Linear-Servoaktuator; ein Paar von Elektroden, das mit der Schweißleistungsversorgung und mit dem Linear-Servoaktuator funktionell verbunden ist, wobei der Aktuator betreibbar ist, um in Ansprechen auf einen Kraftbefehl eine variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden an das Werkstück zu liefern; einen Controller mit einem Prozessor und einem computerlesbaren Speicher, wobei der Speicher ein kalibriertes dynamisches Widerstandsprofil für das Werkstück und über den Prozessor ausführbare Anweisungen zum Bilden der Schweißnaht umfasst, und wobei der Controller ausgestaltet ist, um: einen Schweißstrombefehl an die Schweißleistungsversorgung zu übertragen, um dadurch zu bewirken, dass die Schweißleistungsversorgung einen Schweißstrom an das Paar von Elektroden ausgibt, um so eine Metallschmelze von dem Metallwerkstück zu bilden; den Kraftbefehl an den Linear-Servoaktuator zu übertragen, um die variable Elektrodenkraft über das Paar von Elektroden auf einem ersten Kraftniveau für eine erste Dauer, die zwischen 40% und 60% eines zum Bilden der Schweißlinse notwendigen Schweißzyklus liegt, auf das Werkstück anzuwenden; und die variable Elektrodenkraft unmittelbar nach dem Abschluss der ersten Dauer von dem ersten Kraftniveau auf ein zweites Kraftniveau, das zwischen 115% und 125% des ersten Kraftniveaus beträgt, zu erhöhen, um so einen Austrieb der Metallschmelze zu minimieren; wobei das zweite Kraftniveau zu einem Zeitpunkt in dem kalibrierten dynamischen Widerstandsprofil beginnt, zu dem ein dynamischer Widerstandswert des Werkstückes bei einer Schwellenrate während der Bildung der Schweißlinse abnimmt.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller ausgestaltet ist, um die variable Elektrodenkraft auf dem ersten Kraftniveau bis zu dem Ende des Schweißzyklus aufrechtzuerhalten.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um die variable Elektrodenkraft vor dem Ende des Schweißzyklus von dem zweiten Kraftniveau auf ein drittes Kraftniveau zu erhöhen.