DE102013205767A1

DE102013205767A1 - Langlichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE102013205767A1
Application number: DE102013205767A
Authority: DE
Inventors: Mark D. Gugel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: DE102013205767B4; CN103357996B; CN103357996A; US9463522B2; US20130263434A1

Abstract

Langlichtbogenschweißanordnung und -verfahren zum gleichzeitigen Schweißen eines Bolzens an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, welche aneinander angebracht werden und eine elektrisch isolierende Fügeschicht zwischen den Werkstücken aufweisen. Ein Paar Leitungen ist an dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück befestigt, wobei elektrisch entgegengesetzte Dioden zwischen den Leitungen und einer Leistungsversorgung verbunden sind. Die Leistungsversorgung stellt auch Leistung an einen Bolzen bereit. Während des Schweißens werden zwei Lichtbögen gleichzeitig zwischen dem Bolzen und dem ersten Werkstück und zwischen dem Bolzen und dem zweiten Werkstück aufrechterhalten. Die Leistungsversorgung kann ein zerhackter Wechselstrom von einer Doppelwechselrichter-Leistungsversorgung sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Langlichtbogenschweißen.
Wenn Werkstücke wie z. B. Metallbleche mithilfe eines Klebstoffes aneinander angebracht werden (Bilden einer Fügestelle zwischen den zwei Werkstücken) kann es Situationen geben, in denen eine Reparatur erforderlich ist, wenn eine Unstimmigkeit in der Klebeverbindung vorhanden sein kann. Um solch eine Unstimmigkeit zu reparieren, können Nieten oder Schrauben verwendet werden, um die Fügestelle zu reparieren. Andere können in einem Versuch, die Fügestelle zu reparieren, probiert haben, einen Bolzen an eines der Werkstücke zu schweißen, was aber für eine Reparatur, wie erwünscht, unter Umständen nicht so gut sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform betrifft eine Langlichtbogenschweißanordnung zum gleichzeitigen Schweißen eines Bolzens an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, welche aneinander angebracht werden und eine elektrisch isolierende Fügeschicht zwischen den Werkstücken aufweisen, wobei das erste Werkstück und die Fügeschicht einen Hohlraum aufweisen, der sich dadurch und teilweise durch das zweite Werkstück hindurch erstreckt. Die Anordnung kann eine elektrische Leistungsversorgung; eine erste Elektrode von einem ersten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung, welche mit dem Bolzen funktionell in Eingriff bringbar und ausgestaltet ist, um dem Bolzen elektrische Leistung zuzuführen; eine erste Leitung, welche ausgestaltet ist, um mit dem ersten Werkstück funktionell in Eingriff zu stehen; eine zweite Leitung, welche ausgestaltet ist, um mit dem zweiten Werkstück funktionell in Eingriff zu stehen; eine erste Diode, welche eine erste elektrische Orientierung aufweist und zwischen der ersten Leitung und einem zweiten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird; und eine zweite Diode umfassen, welche eine der ersten Diode entgegengesetzte zweite elektrische Orientierung aufweist und zwischen der zweiten Leitung und dem zweiten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird.
Eine Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Langlichtbogenschweißen eines Bolzens an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, wobei das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück angebracht wird und wobei sich eine elektrisch isolierende Fügeschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück befindet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein Hohlraum durch das erste Werkstück, die Fügeschicht und nur einen Abschnitt des zweiten Werkstückes hindurch gebohrt wird; eine erste Elektrode von einem ersten Ausgang einer Leistungsversorgung mit dem Bolzen verbunden wird; eine erste Leitung mit dem ersten Werkstück verbunden wird, wobei die erste Leitung über eine erste Diode, welche eine erste elektrische Orientierung aufweist, mit einem zweiten Ausgang der Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird; eine zweite Leitung mit dem zweiten Werkstück verbunden wird, wobei die zweite Leitung über eine zweite Diode, welche eine der ersten elektrischen Orientierung entgegengesetzte zweite elektrische Orientierung aufweist, mit dem zweiten Ausgang der Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird; der Bolzen in den Hohlraum in einen Kontakt mit dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück gepresst wird; die Leistungsversorgung aktiviert wird, um einen Pilotlichtbogen anzuwenden; der Bolzen von dem ersten und dem zweiten Werkstück wegbewegt wird, um gleichzeitig einen ersten Lichtbogen zwischen dem Bolzen und dem ersten Werkstück und einen zweiten Lichtbogen zwischen dem Bolzen und dem zweiten Werkstück zu bilden; der Leistungsausgang von der Leistungsversorgung erhöht wird, um zu bewirken, dass die Oberflächen des ersten und des zweiten Werkstückes in dem Hohlraum teilweise schmelzen; und der Bolzen in die teilweise geschmolzenen Oberflächen hinein gepresst wird, um dadurch den Bolzen gleichzeitig an das erste Werkstück und das zweite Werkstück zu schweißen.
Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass eine Fügestelle zwischen einem Paar Werkstücke repariert werden kann, indem ein einziger Bolzen gleichzeitig an beide Werkstücke geschweißt wird. Zwei unabhängig gesteuerte parallele Lichtbögen zwischen einem einzigen Bolzen und zwei Werkstücken, welche durch eine einzige Gleichstrom- oder Wechselstrom-Parallelschaltung in der Langlichtbogenschweißanordnung erzeugt werden, lassen das Schmelzen aller Kontaktflächen unmittelbar vor dem Eintauchen und Erstarren zu. Dies gestattet eine zuverlässige Fügestellenreparatur, bei welcher der einzige Bolzen gleichzeitig an die zwei durch eine isolierende Schicht getrennten Werkstücke langlichtbogengeschweißt wird. Somit erlaubt dieses Langlichtbogen-Schweißverfahren das gleichzeitige Schweißen eines Bolzens oder anderen Gegenstandes an beide Teile eines Verbundstahls (mit einer nicht leitfähigen Verbundschicht) oder an beide Teile eines geschichteten Aufbaus mit einem Dichtmittel und/oder einem Klebstoff zwischen den Blechen, um dadurch die Fügestellenfestigkeit und -steifigkeit stark zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Systems zum Erzeugen einer Langlichtbogenschweißnaht zwischen zwei Werkstücken.
2 eine schematische Darstellung eines anderen Abschnittes des Systems zum Erzeugen der Langlichtbogenschweißung zwischen zwei Werkstücken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Bezugnahme auf 1 umfasst eine Werkstückanordnung 20 ein oberes Werkstück 22 und ein unteres Werkstück 24. Eine Fügeschicht 26 aus Klebstoff und/oder einem Dichtmittel 26 ist dazwischen angeordnet und bringt das obere Werkstück 22 an dem unteren Werkstück 24 an, wobei zwischen diesen eine Fügestelle 32 gebildet wird. Die Fügeschicht 26 stellt gewisse elektrische Isoliereigenschaften zwischen den zwei Werkstücken 22, 24 bereit. Die Werkstückanordnung 20 kann auch aus Werkstücken 22, 24 von Verbundmetall wie z. B. Stahl mit einer die Fügeschicht 26 bildenden nicht leitfähigen Verbundschicht bestehen. Die Fügeschicht 26 stellt eine elektrische Isolierung bereit, die hinreichend ist, um ein Spannungsgefälle aufzuweisen, das größer ist als jenes der gleichen Länge von Plasma. Wenn z. B. ein Schweißlichtbogen von etwa einem Zentimeter etwa zwölf Volt aufweist, würde eine Fügeschicht aus Klebstoff mit einer Dicke von einigen zehn Mikrometer ein Spannungsgefälle von etwa einem Zehntel Volt herstellen, um die Lichtbögen stabil zu halten – man kann stattdessen ein Spannungsgefälle durch die Fügeschicht 26 hindurch anwenden, der um eine oder zwei Größenordnungen höher ist als dieser, falls erwünscht.
Ein Bohrwerkzeug 34, welches einen halbkugelförmigen Kopf 28 aufweisen kann, ist benachbart zu einem der Werkstücke (in diesem Beispiel dem oberen Werkstück 22) unmittelbar vor Verwendung des Bohrwerkzeuges 34, um einen Hohlraum 30 (in 2 gezeigt) teilweise durch die Werkstückanordnung 20 hindurch zu bohren, gezeigt. Das Bohrwerkzeug 34 kann sich dort befinden, wo eine Unstimmigkeit in der Fügestelle 32 vermutet wird.
Ein nicht einschränkendes Beispiel der Werkstückanordnung 20 besteht aus zwei Metallblechteilen, welche einen Abschnitt einer Fahrzeugkarosserie bilden und die mithilfe eines Klebstoffes aneinander befestigt wurden. Somit dienen, während hierin die Ausdrücke „obere/r/s” und „untere/r/s” verwendet wurden, diese nur der Einfachheit der Bezugnahme auf die Zeichnungen und sind hinsichtlich der Orientierung verschiedener Abschnitte der Werkstückanordnung im Raum nicht einschränkend zu verstehen.
Mit Bezugnahme auf 2 ist die Werkstückanordnung 20 mit dem Hohlraum 30 gezeigt, welcher in sie hinein gebohrt wurde. Der Hohlraum 30 ist tief genug, sodass ein Abschnitt der Fügeschicht 26 abgetragen wurde, um einen Kontakt eines Bolzens 36 (welcher als eine bewegbare Elektrode dienen wird) mit sowohl dem oberen Werkstück 22 als auch dem unteren Werkstück 24 zuzulassen, ist aber nicht tief genug, dass er sich durch die gesamte Werkstückanordnung 20 hindurch erstreckt.
Eine Langlichtbogenschweißanordnung 40 umfasst eine elektronische Schaltung 42 und eine Bolzenpistole 38. Der Bolzen 36 kann durch die Bolzenpistole 38 getragen und manövriert werden, wenn der Bolzen 36 während Schweißvorgängen relativ zu der Werkstückanordnung 20 bewegt wird. Die Bolzenpistole 38 kann während des Schweißvorganges auch elektrische Leistung an den Bolzen 36 bereitstellen.
Die elektronische Schaltung 42 umfasst eine obere Werkstückleitung (Elektrode) 44, welche mit dem oberen Werkstück 22 verbunden ist und eine untere Werkstückleitung (Elektrode) 46, welche mit dem unteren Werkstück 24 verbunden ist. Die Fügeschicht 26 weist einen geringen Grad an Leitfähigkeit auf und wirkt so als ein relativ hochohmiger elektrischer Widerstand zwischen den Leitungen 44, 46. Die obere Werkstückleitung 44 stellt an ihrem entgegengesetzten Ende eine Verbindung von dem oberen Werkstück 22 mit einer oberen Werkstückdiode 50 her, welche eine erste Orientierung aufweist, während die untere Werkstückleitung 46 an ihrem entgegengesetzten Ende eine Verbindung von dem unteren Werkstück 24 mit einer unteren Werkstückdiode 52 herstellt, welche eine elektrische Orientierung aufweist, die jener der oberen Werkstückdiode 50 entgegengesetzt ist. Die Dioden 50, 52 sind mit einem ersten Verbinder 56 einer Doppelwechselrichter-Leistungsversorgung 54 verbunden, welche einen zerhackten Wechselstrom bereitstellt. Die Bolzenpistole 38 und somit der Bolzen 36 sind mit einem zweiten Verbinder 57 der Leistungsversorgung 54 verbunden. Während der Strom kein zerhackter Wechselstrom sein muss, kann dieser die bevorzugte Stromversorgung für das System darstellen.
Der Betrieb der Langlichtbogenschweißanordnung 40 wird nun bezüglich der 1 und 2 erläutert. Wenn eine mögliche Unstimmigkeit in der Fügestelle 32 zwischen dem oberen Werkstück 22 und dem unteren Werkstück 24 detektiert wird und eine Entscheidung getroffen wird, die Unstimmigkeit zu reparieren, dann wird ein Langlichtbogenschweißprozess ausgeführt, um die Fügestelle 32 zu reparieren.
Es wird das Bohrwerkzeug 34 verwendet, um den Hohlraum 30 zu erzeugen, welcher sich durch das obere Werkstück 22, die Fügeschicht 26 und nur einen Abschnitt der Dicke des unteren Werkstückes 24 hindurch bohrt. Der Bolzen 36 wird in die Bolzenpistole 38 geladen. Die Bolzenpistole 38 lenkt den Bolzen 36 in den Hohlraum 30 hinein, in einen Kontakt mit der Werkstückanordnung 20. Die Doppelwechselrichter-Leistungsversorgung 54 wird aktiviert, sodass zwei Pilotlichtbögen 60, 62 angewendet werden. Dieser Pilotlichtbogen kann z. B. etwa 30 Ampere aufweisen. Die Bolzenpistole 38 hebt den Bolzen 36 an, sodass er z. B. einen Abstand 58 von etwa 0,5 bis 1,5 Millimeter von den Oberflächen bildet, welche den Hohlraum 30 bilden. Der in 2 gezeigte Abstand 58 ist nicht maßstabsgetreu, um die Elemente des Systems und seinen Betrieb klarer zeigen zu können. Der Leistungsausgang aus der Doppelwechselrichter-Leistungsversorgung 54 wird erhöht, sodass nun eine Schweißstromstärke angewendet wird. Diese Schweißstromstärke kann z. B. für einen kopflosen Stahlbolzen von fünf Millimetern im Bereich von etwa 300 bis 900 Ampere oder für einen Stahlbolzen von sechs Millimetern mit Kopfschweißnähten von dreizehn Millimetern 1000 bis 1500 Ampere betragen.
Wenn die zwei Leitungen 44, 46 zusammen mit den entgegengesetzt orientierten Dioden 50, 52 an den verschiedenen Werkstücken 22, 24 (welche als zwei separate feststehende Elektroden dienen) mit einer isolierenden Fügeschicht 26 dazwischen angebracht sind, ermöglicht dies sowohl einen ersten Lichtbogen 60, der sich zwischen dem Bolzen 36 (welcher als eine erste bewegbare Elektrode dient) und dem oberen Werkstück 22 erstreckt, als auch einen zweiten Lichtbogen 62, der sich zwischen dem Bolzen 36 und dem unteren Werkstück 24 erstreckt. In diesem Fall gestattet es eine Doppelwechselrichter-Leistungsversorgung 54, dass der Strom von einem Wechselrichter über einen Lichtbogen 60 geleitet wird und der Strom von dem zweiten Wechselrichter (oder selbst demselben Wechselrichter, bei Verwendung der entgegengesetzten Polarität) zu dem zweiten Lichtbogen 62 gepulst wird. Durch unabhängiges Steuern der zwei Lichtbögen 60, 62 können alle drei Oberflächen gleichzeitig geschmolzen werden. Die unabhängige Steuerung des Stroms eines jeden Lichtbogens wird durch Steuern des Stroms der zerhackten Halbperioden erreicht.
Die Lichtbögen 60, 62 werden aufrechterhalten, um die Oberflächen der Werkstücke 22, 24 zu schmelzen. Sobald sie hinreichend geschmolzen sind, taucht die Bolzenpistole 38 den Bolzen 36 in die geschmolzene Oberfläche, um die neue geschweißte Anordnung aneinander zu fixieren. Das Eintauchen des Bolzens 36 in die Werkstücke 22, 24 löscht die Lichtbögen und ermöglicht das sofortige Erstarren. Die Leistung von der Leistungsversorgung 54 wird unterbrochen, die Bolzenpistole 38 taucht den Bolzen 36 in das Werkstück 20 und die Schweißnaht ist vollendet. Somit wird der Bolzen 36 gleichzeitig sowohl an das obere Werkstück 22 als auch das untere Werkstück 24 geschweißt, um dort eine starke Fügestelle zwischen den zwei Werkstücken 22, 24 zu erzeugen, wo eine Unstimmigkeit in der Fügestelle 32 zwischen den Werkstücken 22, 24 vorhanden gewesen sein mag.
Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung auszuführen, die durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum gleichzeitigen Langlichtbogenschweißen eines Bolzens an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, wobei das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück angebracht wird, und wobei sich eine elektrisch isolierende Fügeschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück befindet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) ein Hohlraum durch das erste Werkstück, die Fügeschicht und nur einen Abschnitt des zweiten Werkstückes hindurch gebohrt wird; (b) eine erste Elektrode von einem ersten Ausgang einer Leistungsversorgung mit dem Bolzen verbunden wird; (c) eine erste Leitung mit dem ersten Werkstück verbunden wird, wobei die erste Leitung über eine erste Diode, welche eine erste elektrische Orientierung aufweist, mit einem zweiten Ausgang der Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird; (d) eine zweite Leitung mit dem zweiten Werkstück verbunden wird, wobei die zweite Leitung über eine zweite Diode, welche eine der ersten elektrischen Orientierung entgegengesetzte zweite elektrische Orientierung aufweist, mit dem zweiten Ausgang der Leistungsversorgung elektrisch verbunden wird; (e) der Bolzen in den Hohlraum in einen Kontakt mit dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück gepresst wird; (f) die Leistungsversorgung aktiviert wird, um einen Pilotlichtbogen anzuwenden; (g) der Bolzen von dem ersten und dem zweiten Werkstück wegbewegt wird, um gleichzeitig einen ersten Lichtbogen zwischen dem Bolzen und dem ersten Werkstück und einen zweiten Lichtbogen zwischen dem Bolzen und dem zweiten Werkstück zu bilden; (h) der Leistungsausgang von der Leistungsversorgung erhöht wird, um zu bewirken, dass die Oberflächen des ersten und des zweiten Werkstückes in dem Hohlraum teilweise schmelzen; und (i) der Bolzen in die teilweise geschmolzenen Oberflächen hinein gepresst wird, um dadurch den Bolzen gleichzeitig an das erste Werkstück und das zweite Werkstück zu schweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (f) ferner dadurch definiert ist, dass ein zerhackter Wechselstrom von der Leistungsversorgung aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) ferner dadurch definiert ist, dass der Bolzen von einer Bolzenpistole getragen und bewegt wird, und die Leistung von der Leistungsversorgung durch die Bolzenpistole hindurch auf den Bolzen übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt (e) ferner dadurch definiert ist, dass die Bolzenpistole den Bolzen in den Hohlraum hinein bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) ferner dadurch definiert ist, dass die Fügeschicht eine Schicht aus Klebstoff ist, welche das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück befestigt, und sich die Bohrung des Hohlraumes durch die Klebstoffschicht hindurch bohrt.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, dass ein elektrischer Widerstand vorgesehen wird, der sich zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung erstreckt.
Langlichtbogenschweißanordnung zum gleichzeitigen Schweißen eines Bolzens an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, welche aneinander angebracht sind und eine elektrisch isolierende Fügeschicht zwischen den Werkstücken aufweisen, wobei das erste Werkstück und die Fügeschicht einen Hohlraum aufweisen, der sich dadurch und teilweise durch das zweite Werkstück hindurch erstreckt, wobei die Anordnung umfasst: eine elektrische Leistungsversorgung; eine erste Elektrode von einem ersten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung, welche mit dem Bolzen funktionell in Eingriff bringbar und ausgestaltet ist, um dem Bolzen elektrische Leistung zuzuführen; eine erste Leitung, welche ausgestaltet ist, um mit dem ersten Werkstück funktionell in Eingriff zu stehen; eine zweite Leitung, welche ausgestaltet ist, um mit dem zweiten Werkstück funktionell in Eingriff zu stehen; eine erste Diode, welche eine erste elektrische Orientierung aufweist und zwischen der ersten Leitung und einem zweiten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung elektrisch verbunden ist; und eine zweite Diode mit einer der ersten Diode entgegengesetzten zweiten elektrischen Orientierung, die zwischen der zweiten Leitung und dem zweiten Ausgang der elektrischen Leistungsversorgung elektrisch verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei die elektrische Leistungsversorgung eine Wechselstromleistungsversorgung ist, welche einen zerhackten Wechselstrom erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 7, umfassend eine Bolzenpistole, welche ausgestaltet ist, um den Bolzen während eines Schweißbetriebes zu tragen und zu bewegen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Leistung von der elektrischen Leistungsversorgung mit der Pistole verbunden ist, welche ausgestaltet ist, um die elektrische Leistung auf den Bolzen zu übertragen.