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Die Erfindung betrifft ein Punktschweißwerkzeug mit zwei sich gegenüberliegenden Punktschweißelektroden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Zwischenelement zur Positionierung zwischen einer Punktschweißelektrode und einem zu schweißenden Bauteil.
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Das Punktschweißen von Bauteilen ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beim Punktschweißen von Bauteilen können die Punktschweißelektroden einen sichtbaren Abdruck bzw. Eindruck an den Schweißstellen hinterlassen. Solche Abdrücke können aus technischen Gründen unerwünscht sein, weil sich Schmutz und Feuchtigkeit einlagern können, insbesondere dann, wenn die Schweißstellen noch von einer Dichtung oder dergleichen überdeckt sind. Solche Abdrücke können aber auch aus ästhetischen Gründen unerwünscht sein, insbesondere dann, wenn sich die betreffenden Schweißstellen in einem sichtbaren oder einsehbaren Bereich, befinden. Dies betrifft insbesondere den Karosseriebau für Personenkraftwagen.
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In der
WO 2010/057751 A1 sind eine Vorrichtung und eine Verfahren zum Punktschweißen von flächigen Bauteilen beschrieben, die es ermöglichen, mit herkömmlichen Schweißzangen zwei Bleche wiederholbar sicher miteinander zu verschweißen, ohne dass es an der Sichtseite zu Verformungen kommt. Die zu verschweißenden Bleche werden in gewünschter Relativposition mit der späteren Sichtseite gegen eine flächige Auflagenanordnung gespannt. Daraufhin wird die Schweißzange an einer Schweißstelle so positioniert, dass eine der Punktschweißelektroden direkt an einem der Bleche anliegt, wohingegen die andere Punktschweißelektrode gegenüberliegend an der Auflagenanordnung anliegt und somit an der Sichtseite keine Verformung entstehen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, andere Möglichkeiten zur Vermeidung von Abdrücken beim Punktschweißen aufzuzeigen, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur im verminderten Umfang aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Punktschweißwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem ersten nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Hülse für die Ummantelung einer Punktschweißelektrode zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Punktschweißwerkzeug. Mit einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein erfindungsgemäßes Zwischenelement bzw. Kontaktelement zur Positionierung zwischen einer Punktschweißelektrode und einem Bauteil während eines Punktschweißvorgangs. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten analog für alle Erfindungsgegenstände. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich ebenfalls analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Ein erfindungsgemäßes Punktschweißwerkzeug weist wenigstens zwei sich gegenüberliegende Punktschweißelektroden auf, zwischen denen in bekannter Weise die zu schweißenden Bauteile positioniert und durch Aufbringen einer, insbesondere definierten, Elektrodenkraft und Durchleitung eines Schweißstroms mittels Punktschweißung fügbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Punktschweißelektroden in einer elektrisch nicht leitenden Hülse bzw. Kappe angeordnet ist, welche die Punktschweißelektrode (nur) in radialer Richtung umhüllt bzw. ummantelt und deren bauteilseitige Stirnfläche mit der elektrischen Kontaktfläche der Punktschweißelektrode abschließt, so dass die elektrische Kontaktfläche der Punktschweißelektrode und die Stirnfläche der Hülse eine gemeinsame Druckfläche, für die auf das zu kontaktierende Bauteil aufzubringende Elektrodenkraft, bilden.
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Die in radialer Richtung die Punktschweißelektrode umgebende Hülse ist insbesondere konzentrisch zur Punktschweißelektrode ausgebildet. Die Hülse weist bauteilseitig insbesondere eine kreisringförmige Stirnfläche auf, welche die insbesondere kreisförmige Kontaktfläche der Punktschweißelektrode umgibt bzw. umrandet. Bevorzugt ist nur eine der Punktschweißelektroden mit einer ummantelnden Hülse versehen, wobei es sich insbesondere um die auf der Sichtseite befindliche Punktschweißelektrode handelt.
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Ein Punktschweißwerkzeug ist eine als solche in verschiedenen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zum Herstellen von Punktschweißverbindungen. Das Punktschweißwerkzeug wird vor allem als mobile Einrichtung verwendet. Die Bewegung des Punktschweißwerkzeugs kann manuell bzw. von Hand oder mittels Roboter bzw. Schweißroboter erfolgen. Das erfindungsgemäße Punktschweißwerkzeug kann bspw. in Form einer Punktschweißzange oder eines C-Rahmengestells bzw. C-Bügels gestaltet sein. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Punktschweißwerkzeug auch wenigstens ein Krafterzeugungsmittel zur Erzeugung einer Elektrodenkraft auf.
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Die Erfindung ist insbesondere auch für die Umrüstung vorhandener Punktschweißwerkzeuge geeignet. Die bauteilseitig aus der stirnseitigen elektrischen Kontaktfläche der Punktschweißelektrode und der Stirnfläche der Hülse gebildete Druckfläche, mit der beim Punktschweißen ein direkter oder gegebenenfalls auch indirekter Druckkontakt mit einem der zu fügenden Bauteile herbeigeführt wird, kann auch als Anlagefläche oder Berührungsfläche bezeichnet werden. Die Druckfläche ist selbsterklärend größer als die elektrische Kontaktfläche der Punktschweißelektrode, wodurch sich beim Punktschweißen eine verringerte Flächenpressung ergibt und ein Abdruck der Punktschweißelektrode im Bauteil verhindert oder zumindest reduziert wird, sofern bezüglich eines Schweißvorgangs ohne Hülse keine wesentlich höhere Elektrodenkraft verwendet wird. Bei Umrüstung eines vorhandenen Punktschweißwerkzeugs ist eine Anpassung der Elektrodenkraft nicht erforderlich, womit die bestehende Steuerung oder Regelung für die Elektrodenkraft ohne Anpassungen weiterverwendbar ist, ohne nachteiligen Einfluss auf die Punktschweißqualität und insbesondere Punktschweißfestigkeit. Trotz der aus der Hülse resultierenden großen Anlagefläche bzw. Berührungsfläche fließt der Schweißstrom beim Punktschweißen nur über die stirnseitige elektrische Kontaktfläche der Punktschweißelektrode, wodurch die Stromdichte unverändert bzw. gleich bleibt, sofern der Schweißstrom bezüglich eines Schweißvorgangs ohne Hülse bzw. Schweißhülse unverändert bzw. gleich bleibt. Bei Umrüstung eines vorhandenen Punktschweißwerkzeugs ist die bestehende Steuerung oder Regelung für den Schweißstrom ohne Anpassungen weiterverwendbar, ohne nachteiligen Einfluss auf die Punktschweißqualität und insbesondere Punktschweißfestigkeit.
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Für ein erfindungsgemäßes Punktschweißwerkzeug sind die bekannten Mittel und Maßnahmen zur Überwachung des Schweißvorgangs bzw. Punktschweißvorgangs und/oder der Punktschweißqualität verwendbar. Bei Umrüstung eines vorhandenen Punktschweißwerkzeugs sind die vorhandenen Mittel und Maßnahmen zur Überwachung des Schweißvorgangs und/oder der Punktschweißqualität ohne Anpassungen weiterverwendbar.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Hülse aus einem elektrisch nicht leitenden oder aus einem elektrisch schlecht leitenden Werkstoff gebildet ist. Mit Letzterem ist gemeint, dass der Hülsenwerkstoff eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der Elektrodenwerkstoff, so dass der Schweißstrom aufgrund des höheren spezifischen Widerstands im Wesentlichen nur durch die Punktschweißelektrode fließt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Hülse aus einem Kunststoff oder keramischen Werkstoff gebildet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hülse aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, bspw. aus Metall, gebildet und oberflächlich, d. h. zumindest an ihrer bauteilseitigen Stirnfläche, mit einer Isolierschicht, bspw. einer keramischen oder aus Kunststoff gebildeten Isolierschicht, versehen ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einbindung der Hülse in den Elektrodenkraftfluss durch in axialer Richtung wirksame Formschlussmittel zwischen der Punktschweißelektrode und der Hülse erfolgt. Solche Formschlussmittel können bspw. am Außenumfang der Punktschweißelektrode und am Innenumfang der Hülse ausgebildete Ringschultern sein, mit denen eine axiale Abstützung erzielt wird.
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Der Flächenanteil der Hülsen-Stirnfläche (Stirnfläche der Hülse) an der gemeinsamen Druckfläche beträgt bevorzugt 40% bis 80% und insbesondere 50% bis 70%. Die sich während eines Punktschweißvorgangs aus der Elektrodenkraft ergebende Flächenlast verteilt sich entsprechend der vorgegebenen Flächenanteile auf die Kontaktfläche der Punktschweißelektrode und auf die Stirnfläche der Hülse, so dass die Flächenlast an der Punktschweißelektrode und die daraus resultierende Flächenpressung zwischen der Punktschweißelektrode und dem kontaktierten Bauteil im entsprechenden Maße reduziert wird bzw. niedriger ist.
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Die Hülse kann mehrteilig ausgebildet sein und bspw. mehrere Schalenelemente umfassen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Hülse einteilig und einstückig ausgebildet ist. Wie bereits obenstehend erläutert, ist die Hülse derart ausgebildet, dass deren bauteilseitige Stirnfläche zusammen mit der Kontaktfläche der Punktschweißelektrode eine gemeinsame Druckfläche für die aufzubringende Elektrodenkraft bildet bzw. bilden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Zwischenelement bzw. Kontaktelement, das während eines Schweißvorgangs direkt oder indirekt zwischen einer Punktschweißelektrode und einem zu schweißenden Bauteil positioniert werden kann, weist einen elektrisch leitenden Kern bzw. ein elektrisch leitendes Kernelement zur Durchleitung des Schweißstroms und eine elektrisch nicht leitende Hülse, welche den Kern bzw. das Kernelement (nur) in radialer Richtung umhüllt bzw. ummantelt, auf. Die Hülse schließt zumindest bauteilseitig mit der elektrischen Kontaktfläche des Kernelements ab, so dass die elektrische Kontaktfläche des Kernelements und die Stirnfläche der Hülse eine gemeinsame Druckfläche für die auf das zu kontaktierende Bauteil aufzubringende Elektrodenkraft bilden.
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Das Kernelement ist insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, bspw. einer Kupferlegierung, gebildet. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Zwischenelement rotationssymmetrisch und insbesondere zylindrisch ausgebildet. Im Übrigen gelten, insbesondere im Hinblick auf die Hülse, analog die vorausgehenden Erläuterungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Punktschweißwerkzeug.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Figuren beispielhaft näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von den in den Figuren gezeigten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine erste erfindungsgemäße Möglichkeit zur Verhinderung eines Abdrucks beim Punktschweißen.
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2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine zweite erfindungsgemäße Möglichkeit zur Verhinderung eines Abdrucks beim Punktschweißen.
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1 zeigt zwei blechartige Bauteile 10 und 20, die an der gezeigten Stelle mittels Punktschweißen gefügt werden sollen. Hierzu werden die Bauteile 10 und 20 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Punktschweißelektroden 30 und 40 positioniert (oder umgekehrt). Die Punktschweißelektroden 30 und 40 sind in einem nicht dargestellten Schweißwerkzeug, bspw. einer Schweißzange, gehalten. An der Fügestelle werden die Bauteile 10 und 20 mit definierter Pressung zusammengedrückt, wozu beide oder zumindest eine der Punktschweißelektroden 30 und 40 mit einer Elektrodenkraft F beaufschlagt werden. Die gemeinsame Kraftachse der Punktschweißelektroden 30 und 40 ist mit L bezeichnet. Anschließend wird an der Fügestelle über die Punktschweißelektroden 30 und 40 ein Schweißstrom I durch die zu fügenden Bauteile 30 und 40 geleitet, wodurch sich in bekannter Weise eine Schweißlinse ausbildet. Währenddessen wird die Elektrodenkraft F aufrecht erhalten.
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Um an der Sichtseite 11 der herzustellenden Punktschweißverbindung das Eindrücken der Punktschweißelektrode 40 in die Oberfläche des Bauteils 10 zu verhindern ist vorgesehen, dass diese Punktschweißelektrode 40 in einer elektrisch nicht leitenden Hülse bzw. Kappe 50 angeordnet ist, welche die Punktschweißelektrode 40, zumindest über einen Teil ihrer axialen Erstreckung, in radialer Richtung r (d. h. quer zur Kraft- bzw. Fügeachse) ummantelt bzw. formschlüssig umgreift. Die Hülse 50 schließt stirnseitig mit der elektrischen Kontaktfläche 41 der Punktschweißelektrode 40 ab, so dass die elektrische Kontaktfläche 41 der Punktschweißelektrode 40 und die Stirnfläche 51 der Hülse 50 eine gemeinsame plane Druckfläche für die auf das zu kontaktierende Bauteil 10 aufzubringende Elektrodenkraft F bilden. Diese gemeinsame Druckfläche ist größer ist als die stirnseitige elektrische Kontaktfläche 41 der Punktschweißelektrode 40, wobei der Schweißstrom 1 nur über diese Kontaktfläche 41 fließt. Der Flächenanteil der kreisringförmigen Stirnfläche 51 der Hülse 50 an der gemeinsamen Druckfläche beträgt bspw. 50% bis 70% oder auch mehr oder weniger.
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Die einteilige und einstückige Hülse 50 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, wie bspw. Keramik, gebildet. Andere Ausführungsmöglichkeiten sind obenstehend beschrieben. Die Hülse 50 und die Punktschweißelektrode 40 sind fest und trennbar miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt. Eine verliersichere Befestigung der Hülse 50 an der Punktschweißelektrode 40 kann bspw. durch Schraub- oder Klemmmittel oder in sonstiger geeigneter Weise erfolgen.
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Um die während eines Schweißvorgangs auf die Punktschweißelektrode 40 wirkende Elektrodenkraft F auf die Hülse 50 zu übertragen und dadurch die Hülse 50 in den Elektrodenkraftfluss einzubinden, sind zwischen der Punktschweißelektrode 40 und der Hülse 50 in axialer Richtung L wirksame Formschlussmittel vorgesehen, wozu die Punktschweißelektrode 40 an ihrem Außenumfang mit einer Ringschulter 42 und die Hülse 50 an ihrem Innenumfang mit einer korrespondierenden Ringschulter 52 ausgebildet sind.
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2 zeigt eine andere Möglichkeit, um das Eindrücken der Punktschweißelektrode 40 an der Sichtseite 11 zu verhindern. Hierzu wird zwischen der Punktschweißelektrode 40 und dem Bauteil 10 ein Zwischenelement 60 positioniert, das ein elektrisch leitendes Kernelement 70 zur Durchleitung des Schweißstroms 1 und eine elektrisch nicht leitende Hülse 80, welche das Kernelement 70 in radialer Richtung r ummantelt bzw. formschlüssig umgreift, aufweist. Die bauteilseitige Kontaktfläche 71 des Kernelements 70 weist eine definierte Flächengröße auf, die insbesondere der Flächengröße der stirnseitigen Kontaktfläche 41 der Schweißelektrode 40 entspricht. Die Hülse 80 schließt zumindest bauteilseitig mit der elektrischen Kontaktfläche 71 des Kernelements 70 ab, so dass die elektrische Kontaktfläche 71 des Kernelements 70 und die Stirnfläche 81 der Hülse 80 eine gemeinsame Druckfläche für die auf das zu kontaktierende Bauteil 10 aufzubringende Elektrodenkraft F bilden. Während eines Schweißvorgangs fließt der Schweißstrom 1 jedoch nur über die Kontaktfläche 71 des Kernelements 70.
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Das Zwischenelement 60 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist beispielhaft eine zylindrische Form auf. Die Keilform des Kernelements 70 führt elektrodenseitig zu einer großen Kontaktfläche für die Punktschweißelektrode 40 und bedingt einen in axialer Richtung L wirksamen Formschluss zwischen dem Kernelement 70 und der Hülse 80.
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In der gezeigten Ausführungsmöglichkeit weisen das Kernelement 70 und die Hülse 80 die selbe axiale Länge auf. Das Kernelement 70 und die Hülse 80 können jedoch auch unterschiedliche axiale Längen aufweisen, so dass elektrodenseitig die Hülse 80 das Kernelement 70 oder das Kernelement 70 die Hülse 80 überragen kann.
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Das Kernelement 70 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Die Hülse 80 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, bspw. einem keramischen Werkstoff, oder einem elektrisch schlecht leitenden Werkstoff gebildet. Die Hülse 80 kann auch aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildet und oberflächlich, d. h. zumindest an der bauteilseitigen Stirnfläche 81, mit einer Isolierschicht versehen sein.
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Mit beiden vorausgehend erläuterten Möglichkeiten können Punktschweißverbindungen im Sichtbereich hergestellt werden, die eine hohe Wertigkeitserscheinung aufweisen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind ohne nennenswerte Mehrkosten umsetzbar. Gegenüber anderen Fügeverfahren, wie bspw. dem Laserloten oder Laserschweißen, bestehen wirtschaftliche Vorteile.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 11
- Sichtseite
- 20
- Bauteil
- 30
- Punktschweißelektrode
- 40
- Punktschweißelektrode
- 41
- Kontaktfläche
- 42
- Ringschulter
- 50
- Hülse
- 51
- Stirnfläche
- 52
- Ringschulter
- 60
- Zwischenelement
- 70
- Kernelement
- 71
- Kontaktfläche
- 80
- Hülse
- 81
- Stirnfläche
- F
- Elektrodenkraft
- I
- Schweißstrom
- L
- Kraftachse, Fügeachse (Längsrichtung)
- r
- radiale Richtung (Querrichtung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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