DE102015100849A1

DE102015100849A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs

Info

Publication number: DE102015100849A1
Application number: DE102015100849.1A
Authority: DE
Inventors: Azeddine Chergui
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: CN107206538B; US20180009057A1; KR20170102560A; DE102015100849B4; KR101948461B1; JP6383499B2; JP2018502722A; WO2016116188A1; CN107206538A; EP3247526A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, wobei der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird und die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss zum Schweißen in einem ersten eine erste Stromquelle aufweisenden Stromkreis über eine erste, auf der Seite des Sandwichblechs angeordnete Schweißelektrode und eine zweite, auf der Seite des weiteren Bauteils angeordnete Schweißelektrode miteinander verschweißt werden. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches für einen einfachen Ablauf ausgelegt ist und zudem kurze Zykluszeiten erreichen kann, wird dadurch gelöst, dass der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs durch einen Stromfluss zum Vorwärmen in einem zweiten Stromkreis erwärmt wird, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter und eine zweite Stromquelle umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, wobei der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird und die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss zum Schweißen in einem eine erste Stromquelle aufweisenden ersten Stromkreis über eine erste, auf der Seite des Sandwichblechs angeordnete Schweißelektrode und eine zweite, auf der Seite des weiteren Bauteils angeordnete Schweißelektrode miteinander verschweißt werden. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs, welches eine zwischen metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, mit mindestens einem weiteren Bauteil, mit einer ersten, auf der Seite des Sandwichblechs anordenbaren Schweißelektrode, mit einer zweiten, auf der Seite des weiteren Bauteils anordenbaren Schweißelektrode, mit Mitteln zur Bereitstellung eines eine erste Stromquelle aufweisenden ersten Stromkreises, welche einen Stromfluss zum Schweißen zumindest über die erste und die zweite Schweißelektrode führen, und mit Mitteln zur Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht des Sandwichblechs aus dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs.
Die steigende Nachfrage nach Leichtbaukonzepten im Kraftfahrzeugbereich rückt die Verwendung von Sandwichblechen in den Vordergrund, um unter Verwendung von Sandwichblechen die Gewichtseinsparungspotentiale im Kraftfahrzeugbau weiter zu vergrößern. Sandwichbleche weisen zwischen zwei metallischen dünnen Deckschichten eine thermoplastische Kunststoffschicht auf. Dadurch können Sandwichbleche verschiedene, sich häufig ausschließende Eigenschaften bereitstellen, welche neue Gewichtseinsparpotentiale eröffnen. So weisen Sandwichbleche aufgrund der Kunststoffschicht ein deutlich geringeres Gewicht als Vollbleche auf und stellen gleichzeitig hohe Festigkeitswerte zur Verfügung. Darüber hinaus sind die Sandwichbleche schalldämpfend und bieten eine hohe Steifigkeit. Nachteilig bei Sandwichblechen ist allerdings, dass diese eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, welche bei Schweißverfahren Probleme in Bezug auf die Ausbildung einer einwandfreien Schweißverbindung verursacht. Aufgrund der mangelnden Eignung der Sandwichbleche für das Verschweißen, beispielsweise für ein Widerstandsschweißen oder Widerstandspunktschweißen mit anderen insbesondere metallischen Bauteilen, werden Sandwichbleche daher häufig verklebt oder mechanisch miteinander gefügt.
Um trotzdem eine Schweißverbindung zu ermöglichen, ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 109 708 A1 ein Verfahren zum Fügen eines Sandwichblechs mit einem weiteren Bauteil bekannt, bei welchem die Zwischenschicht im Verbindungsbereich aufgeschmolzen wird und aus dem Verbindungsbereich verdrängt wird, so dass anschließend durch Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen dem Bauelement und den Deckschichten des Sandwichblechs eine Schweißverbindung erzeugt werden kann. Es wird vorgeschlagen, die Erwärmung der Fügebereiche durch temperierbare Elektroden oder Presselemente durchzuführen. Die Schweißelektroden oder Presselemente sind hierzu beispielsweise mit Heizelementen versehen. Aufgrund der notwendigen Modifikationen an der Schweißelektrode wird der Aufbau der Schweißelektroden damit relativ komplex. Zudem ist die Geschwindigkeit des Erwärmens der thermoplastischen Kunststoffschicht verbesserungsbedürftig, damit kürzere Zykluszeiten erreicht werden können.
Aus der US-Patentschrift US 4,650,951 ist darüber hinaus ein Verfahren zum Widerstandsschweißen zweier Verbundbleche bekannt, welches zwei Schweißelektroden verwendet, die beheizt sind und so die zwischen den Deckschichten liegende Kunststoffschicht erwärmen und verdrängen, bevor das eigentliche Verschweißen beginnt. Hierzu werden Heizelemente um die Elektroden herum angeordnet. Auch hier ist die Geschwindigkeit des Erwärmens der thermoplastischen Kunststoffschicht verbesserungsbedürftig, um kürzere Zykluszeiten zu erreichen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Sandwichblechen sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche für einen einfachen Ablauf ausgelegt ist und zudem kurze Zykluszeiten erreichen kann.
Die genannte Aufgabe wird nach einer erste Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs durch einen Stromfluss zum Vorwärmen in einem zweiten Stromkreis erwärmt wird, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter und eine zweite Stromquelle umfasst.
Durch die Kombination einer zweiten Stromquelle und einem zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter in dem zweiten Stromkreis zum Erwärmen des zu schweißenden Bereichs kann ein Erwärmen des zu schweißenden Bereichs ohne weitere Modifikationen lediglich durch Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Stromquelle, welche von der ersten Stromquelle verschieden ist, erreicht werden. Beispielsweise sind keine umfangreichen Modifikationen an der Schweißelektrode, wie eine Integration von Heizelementen in den Elektrodenkörper, notwendig, noch ist ein Anlegen oder Schalten von zusätzlichen Stromleitern wie Strombrücken an dem Sandwichblech oder der zweiten Schweißelektrode erforderlich. Zudem können unerwünschte Zweigströme insbesondere über bereits vorhandene Schweißverbindungen in dem Sandwichblech vermieden werden. Gleichzeitig wird vorteilhaft durch den zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter eine effiziente Erwärmung des zu schweißenden Bereichs erzielt, beispielsweise durch einen entsprechend ausgelegten, spezifischen elektrischen Widerstand des elektrischen Leiters. Im Ergebnis wird daher ein Verfahren bereitgestellt, welches einen einfachen Ablauf ermöglicht und zudem kurze Zykluszeiten erreichen kann.
Das weitere Bauteil kann beispielsweise ein metallisches Vollblech sein, beispielsweise ein Stahlblech. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass auch das weitere Bauteil ein Sandwichblech ist. Ebenfalls können auch weitere Bauteile vorgesehen sein, welche verschweißt werden, etwa ein zwischen dem Sandwichblech und dem weiteren insbesondere metallischen Bauteil angeordnetes zusätzliches metallischen Bauteil.
Die erste und/oder die zweite Stromquelle können beispielsweise Gleichstrom- oder vorzugsweise Wechselstromquellen sein. Dabei können die dedizierten Stromquellen des ersten und des zweiten Stromkreises bedarfsgerecht und unabhängig voneinander ausgelegt werden.
Der erste Stromkreis umfasst vorzugsweise insbesondere die erste Stromquelle, die erste Schweißelektrode, die zweite Schweißelektrode, mit der ersten und der zweiten Schweißelektrode verbundene erste elektrische Leitungen, das Sandwichblech und das weitere Bauteil.
Der zweite Stromkreis umfasst vorzugsweise insbesondere die zweite Stromquelle, den elektrischen Leiter und mit dem elektrischen Leiter verbundene zweite elektrische Leitungen. Somit umfasst der zweite Stromkreis vorzugsweise nicht das Sandwichblech, das weitere Bauteil, die erste Schweißelektrode und/oder die zweite Schweißelektrode.
Wird gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst die zweite Stromquelle aktiviert, sodass der Stromfluss zum Vorwärmen in dem zweiten Stromkreis erfolgt, und anschließend die erste Stromquelle aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Schweißen in dem ersten Stromkreis erfolgt, wird ein unnötig frühes Aktivieren der erste Stromquellen vermieden und die erste Stromquelle wird erst bei Bedarf aktiviert. Dadurch werden unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Stromkreisen vermieden und auf einfache Weise ein prozesssicheres Ergebnis erzielt.
Bevorzugt wird die erste Stromquelle mit dem oder nach dem Deaktivieren der zweiten Stromquelle aktiviert. Grundsätzlich ist jedoch auch denkbar, dass die erste Stromquelle bereits vor dem Deaktivieren der zweiten Stromquelle aktiviert wird. Die Steuerung der Stromquellen erfolgt beispielsweise durch eine Steuerung, welche beispielsweise eine Trigger-Schaltung umfasst. Beispielsweise ist bei einer Trigger-Schaltung eine ausreichende, zum Beispiel vollstände Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich das auslösende Ereignis, wodurch ein Schaltimpuls oder eine Schaltflanke für die erste und/oder zweite Stromquelle erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für eine Aktivierung der ersten Stromquelle und/oder Deaktivierung der zweiten Stromquelle ein für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativer Messwert berücksichtigt. Hierdurch kann eine präzise und bedarfsgerechte Aktivierung bzw. Deaktivierung der Stromquellen erzielt werden. Dadurch kann die Effizienz des Verfahrens weiterhin gesteigert werden, da der Schweißprozess unmittelbar nach einer ausreichenden Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich beginnen kann. Mittels des für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativen Messwerts kann beispielsweise kontinuierlich auf den Fortschritt der Verdrängung geschlossen werden. Es kann auch ein für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativer Messwert gewählt werden, aus welchem lediglich einzelne diskrete Informationen über den Fortschritt der Verdrängung geschlossen werden kann, etwa ob die Verdrängung bereits vollständig erfolgt ist oder nicht. Beispielsweise kann der repräsentative Messwert mit einem Referenzwert verglichen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht der für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentative Messwert auf einer elektrischen Eigenschaft zumindest des Sandwichblechs. Auf diese Weise kann ein Kontakt der metallischen Deckschichten des Sandwichblechs im zu schweißenden Bereich auf einfache und verlässliche Weise festgestellt werden. Beispielsweise erfolgt eine Messung des für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativen Messwerts während des Erwärmens des zu schweißenden Bereichs und dem Zusammendrücken der Deckschichten des Sandwichblechs. Beispielsweise erfolgt eine elektrische Widerstandsmessung, sodass der für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentative Messwert ein elektrischer Widerstandswert ist und den elektrischen Widerstand zwischen den Deckschichten des Sandwichblechs umfasst. Hierzu kann der elektrische Widerstand beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode gemessen werden. Weisen die Deckschichten metallischen Kontakt auf, sinkt der Widerstand jedenfalls lokal abrupt ab, sodass auf eine ausreichende Verdrängung des thermoplastischen Kunststoffs aus dem zu schweißenden Bereich geschlossen werden kann. Als Referenzwert kann ein Widerstandswert gewählt werden, welcher zwischen den Schweißelektroden gemessen bei direktem Kontakt der Deckschichten unterschritten wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht der für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentative Messwert auf einer Position einer Schweißelektrode, vorzugsweise der ersten Schweißelektrode. Wird die Position der Schweißelektrode ohnehin erfasst, kann auf einfache Weise automatisiert festgestellt werden, wann eine ausreichende Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich erfolgt ist, ohne dass beispielsweise eine Widerstandmessung durchgeführt zu werden braucht. Hat sich beispielsweise die Position der Schweißelektrode um die Dicke der thermoplastischen Kunststoffschicht geändert, das heißt hat sich die Schweißelektrode um die Dicke der thermoplastischen Kunststoffschicht bewegt, kann auf eine ausreichende Verdrängung des thermoplastischen Kunststoffs aus dem zu schweißenden Bereich geschlossen werden. Als Referenzwert kann dabei die Dicke der thermoplastischen Kunststoffschicht dienen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneter elektrischer Leiter ein Leiterband verwendet. Ein Leiterband oder Kontaktierungsband kann beispielsweise einfach um die erste Schweißelektrode herumgeführt sein oder diese umspannen, sodass der Kontaktbereich der Schweißelektrode, welcher normalerweise das zu verschweißende Sandwichblech kontaktieren würde, wie beispielsweise die Elektrodenkappe, durch das Leiterband zumindest teilweise bedeckt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Leiterband mit einer Bandhalterung zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordnet. Durch eine Bandhalterung kann das Leiterband besonders kompakt und zuverlässig zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech vorgesehen werden. Zudem kann die Bandhalterung so ausgebildet sein, dass das Leiterband zur Erneuerung gegenüber der ersten Schweißelektrode verfahren werden kann. Dadurch gelangen unterschiedliche Stellen des Leiterbandes zwischen die erste Schweißelektrode und das Sandwichblech, sodass einer Veränderung der Eigenschaften des Leiterbandes im Bereich zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech entgegengewirkt werden kann. Beispielsweise kann die Bandhalterung an der ersten Schweißelektrode montiert sein. Werden die Schweißelektroden beispielsweise durch eine Schweißzange bereitgestellt, kann die Bandhalterung beispielsweise an der Schweißzange montiert oder in die Schweißzange integriert sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kontaktiert der zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordnete elektrische Leiter die erste Schweißelektrode und/oder das Sandwichblech unmittelbar. So kann ein effizientes Erwärmen des zu schweißenden Bereichs und ein schnelles Verdrängen der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem zu schweißenden Bereich erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der elektrische Leiter einen ersten Bereich mit einem ersten spezifischen elektrischen Widerstand und einen zweiten Bereich mit einem zweiten spezifischen elektrischen Widerstand, welcher größer als der erste spezifische elektrische Widerstand ist, zum Erwärmen des zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs auf. Durch eine entsprechende Positionierung des zweiten Bereichs kann eine effiziente und angepasste Erwärmung des zu schweißenden Bereichs erzielt werden. Beispielsweise besteht der erste Bereich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Beispielsweise besteht der zweite Bereich aus Wolfram oder einer Wolframlegierung. Während der Vorwärmstrom durch das Kupfer oder die Kupferlegierung im ersten Bereich unter geringer Wärmeentwicklung geleitet wird, kann durch das Wolfram oder die Wolframlegierung im zweiten Bereich eine effiziente Wärmeentwicklung erfolgen. Beispielsweise kann der Vorwärmstrom über den ersten zum zweiten Bereich gelangen.
Als weiteres Beispiel kann der Leiter, insbesondere das Leiterband, zumindest abschnittsweise zwei- oder mehrschichtig ausgebildet sein, beispielsweise mit einer der ersten Schweißelektrode und einer dem Sandwichblech zugewandten Schicht. Beispielsweise entspricht die dem Sandwichblech zugewandte Schicht zumindest teilweise dem ersten Bereich mit dem ersten spezifischen elektrischen Widerstand. Beispielsweise entspricht die der ersten Schweißelektrode zugewandte Schicht zumindest teilweise dem zweiten Bereich mit dem zweiten spezifischen elektrischen Widerstand.
Wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der zweite Bereich im Kontaktbereich der ersten Schweißelektrode mit dem Sandwichblech angeordnet, kann durch die räumliche Nähe des zweiten Bereichs zu dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs eine effiziente Erwärmung des zu schweißenden Bereichs erfolgen, sodass weiterhin verkürzte Zykluszeiten erzielt werden können.
Weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der elektrische Leiter einen Bereich zur Isolation, insbesondere zur Isolation des ersten Bereichs gegenüber der ersten Schweißelektrode auf, können unerwünschte Zweigströme, insbesondere über die erste Schweißelektrode vermieden werden. Der Bereich zur Isolation kann beispielsweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bereich zur Isolation an der ersten Schweißelektrode oder an der Bandhalterung vorgesehen sein.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein zweiter Stromkreis vorgesehen ist, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech anordenbaren elektrischen Leiter und eine zweite Stromquelle umfasst.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann durch die Kombination einer zweiten Stromquelle und einem zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech anordenbaren elektrischen Leiter in dem zweiten Stromkreis zum Erwärmen des zu schweißenden Bereichs erreicht werden, dass ein Erwärmen des zu schweißenden Bereichs besonders einfach durch Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Stromquelle ermöglicht werden kann. Dabei sind weder umfangreiche Modifikationen an der Schweißelektrode noch ein Vorsehen von zusätzlichen Stromleitern an dem Sandwichblech oder der zweiten Schweißelektrode notwendig. Gleichzeitig wird durch den zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter eine effiziente Erwärmung des zu schweißenden Bereichs erzielt. Im Ergebnis wird daher eine Vorrichtung bereitgestellt, welche einen einfachen Ablauf ermöglicht und zudem kurze Zykluszeiten erreichen kann.
Die Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuerung vorgesehen, welche mit der ersten und der zweiten Stromquelle gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass zunächst die zweite Stromquelle aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Vorwärmen in dem zweiten Stromkreis erfolgt, und anschließend die erste Stromquelle aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Schweißen in dem ersten Stromkreis erfolgt. Damit wird ein unnötig frühes Aktivieren der ersten Stromquelle vermieden und die erste Stromquelle wird erst bei Bedarf aktiviert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuerung eingerichtet, für eine Aktivierung der ersten Stromquelle und/oder Deaktivierung der zweiten Stromquelle einen für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativen Messwert zu berücksichtigen. Hierdurch kann eine präzise und bedarfsgerechte Aktivierung bzw. Deaktivierung der Stromquellen erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordnete elektrische Leiter ein Leiterband. Dieses kann einfach um die erste Schweißelektrode herumgeführt sein oder diese umspannen, sodass der Kontaktbereich der Schweißelektrode durch das Leiterband zumindest teilweise bedeckt ist.
Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Beschreibung der Ausführungsformen des Verfahrens und deren Vorteile verwiesen.
Dabei sollen durch die Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln zur Durchführung eines Verfahrensschrittes der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren Bauteil offenbart, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, wobei der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird und die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss zum Schweißen in einem eine erste Stromquelle aufweisenden ersten Stromkreis über eine erste, auf der Seite des Sandwichblechs angeordnete Schweißelektrode und eine zweite, auf der Seite des weiteren Bauteils angeordnete Schweißelektrode miteinander verschweißt werden, wobei der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs durch einen Stromfluss zum Vorwärmen in einem zweiten Stromkreis erwärmt wird, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter umfasst.
Zudem wird eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs, welches eine zwischen metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, mit mindestens einem weiteren Bauteil offenbart, mit einer ersten, auf der Seite des Sandwichblechs anordenbaren Schweißelektrode und mit einer zweiten, auf der Seite des weiteren Bauteils anordenbaren Schweißelektrode, mit Mitteln zur Bereitstellung eines eine erste Stromquelle aufweisenden ersten Stromkreises, welche einen Schweißstrom zumindest über die erste und die zweite Schweißelektrode führen, mit Mitteln zur Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht des Sandwichblechs aus dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs, ein zweiter Stromkreis vorgesehen ist, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech anordenbaren elektrischen Leiter umfasst.
Der erste und der zweite Stromkreis können dabei eine gemeinsame Stromquelle aufweisen. Hierzu kann der zweite Stromkreis beispielsweise die erste Stromquelle, den elektrischen Leiter, die erste Schweißelektrode und mit dem elektrischen Leiter verbundene zweite elektrische Leitungen aufweisen.
Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung können dabei wie zuvor beschrieben sein. Beispielsweise kann als zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneter elektrischer Leiter ein Leiterband verwendet werden. Beispielsweise kann der elektrische Leiter einen ersten Bereich mit einem ersten spezifischen elektrischen Widerstand und einen zweiten Bereich mit einem zweiten spezifischen elektrischen Widerstand, welcher größer als der erste spezifische elektrische Widerstand ist, zum Erwärmen des zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs aufweisen.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
1a, b eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens während des Vorwärmens;
2 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 während des Schweißens;
3 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 während eines Mehrpunktwiderstandsschweißens;
4a, b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens während des Vorwärmens;
5 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 4 während des Schweißens und
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung eines weiteren Verfahrens.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens während des Vorwärmens. Die Vorrichtung 1 dient zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs 2 mit mindestens einem weiteren beispielsweise metallischen Bauteil 4. Das Sandwichblech 2 weist eine zwischen metallischen Deckschichten 2a, 2b angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht 2c auf. Die Vorrichtung weist eine erste, auf der Seite des Sandwichblechs 2 angeordnete Schweißelektrode 6 und eine zweite, auf der Seite des weiteren metallischen Bauteils 3 angeordnete Schweißelektrode 8 auf.
Weiterhin sind mit der ersten Stromquelle 10 und den ersten elektrischen Leitungen 12 Mittel zur Bereitstellung eines ersten Stromkreises vorgesehen. Dadurch kann ein Stromfluss zum Schweißen I_S über die erste und die zweite Schweißelektrode 6, 8 geführt werden (dargestellt in 2).
Zudem dient die erste Schweißelektrode 6 als Mittel zur Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht 2c des Sandwichblechs 2 aus dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs 2. Ebenfalls können Mittel zur Kraftbeaufschlagung, wie etwa eine Schweißzange, vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Zudem ist ein zweiter Stromkreis vorgesehen, welcher einen zwischen der ersten Schweißelektrode 6 und dem Sandwichblech 2 angeordneten elektrischen Leiter 14, eine zweite Stromquelle 16 und zweite elektrische Leitungen 18 umfasst. Der als zwischen der ersten Schweißelektrode 6 und dem Sandwichblech 2 angeordnete elektrische Leiter 14 ist dabei als Leiterband ausgebildet und mittels einer Bandhalterung 22 zwischen der ersten Schweißelektrode 6 und dem Sandwichblech 2 angeordnet. Dabei kontaktiert das elektrische Leiterband 14 die erste Schweißelektrode 6 und das Sandwichblech 2 unmittelbar. Das elektrische Leiterband 14 weist einen ersten Bereich 14a mit einem ersten spezifischen elektrischen Widerstand und einen zweiten Bereich 14b mit einem zweiten spezifischen elektrischen Widerstand zum Erwärmen des zu schweißende Bereich des Sandwichblechs 2 auf. Der erste Bereich 14a ist beispielsweise aus Kupfer und der zweite Bereich 14b aus Wolfram. Dadurch ist der zweite spezifische elektrische Widerstand größer als der erste spezifische elektrische Widerstand. Schließlich weist das elektrische Leiterband 14 einen Bereich 14c zur Isolation des ersten Bereichs 14a gegenüber der Schweißelektrode 6 auf.
1b zeigt eine Vergrößerung des Leiterbands 14 im Bereich der Kontaktierung mit der ersten Schweißelektrode 6.
Da der zweite Bereich 14b im Kontaktbereich der ersten Schweißelektrode 6 mit dem Sandwichblech 2 angeordnet ist, kann der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs 2 besonders effizient erwärmt werden, sodass die thermoplastische Kunststoffschicht 2c schnell aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten 2a, 2b aus dem Schweißbereich verdrängt wird. Dies erfolgt durch einen Stromfluss zum Vorwärmen I_V in dem zweiten Stromkreis, welcher in 1a durch die Pfeile dargestellt ist. Die elektrische Energie wird dabei durch den elektrischen Widerstand des zweiten Bereichs 14b und den Übergangswiderstand zwischen dem ersten Bereich 14a und dem zweiten Bereich 14b in Wärme umgewandelt.
Weiterhin ist eine Steuerung 20 vorgesehen, welche eine Trigger-Schaltung umfasst und an die erste und die zweite Stromquelle 10, 16 gekoppelt ist. Dabei ist die Steuerung derart eingerichtet, dass zunächst die zweite Stromquelle 16 aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Vorwärmen I_V in dem zweiten Stromkreis erfolgt.
Dass die thermoplastische Kunststoffschicht 2c aufgeweicht und verdrängt ist, sodass die Deckschichten 2a, 2b metallischen Kontakt haben, wird durch die Berücksichtigung eines dafür repräsentativen Messwerts festgestellt. Dies kann beispielsweise ein Abfall des elektrischen Widerstands zwischen den Schweißelektroden 6, 8 oder ein der Dicke der thermoplastischen Kunststoffschicht 2c entsprechender von der ersten Schweißelektrode 6 zurückgelegter Weg sein.
Wird durch die Steuerung 20 festgestellt, dass die thermoplastische Kunststoffschicht 2c aus dem Schweißbereich verdrängt ist (wie in 2 dargestellt), wird die zweite Stromquelle 16 deaktiviert und die erste Stromquelle 10 aktiviert, sodass der Stromfluss zum Schweißen I_S in dem ersten Stromkreis erfolgt.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 während des Schweißens. Durch die Steuerung 20 wurde die zweite Stromquelle 16 deaktiviert und die erste Stromquelle 10 aktiviert. Der Schweißstrom I_S, wie durch die Pfeile in 2 dargestellt, fließt in dem ersten Stromkreis über die elektrischen Leitungen 12, die erste und zweite Schweißelektrode 6, 8, das weiter Bauteil 4 und das Sandwichblech 2. Die Deckschichten 2a, 2b werden hierdurch mit dem weiteren Bauteil 4 durch den elektrischen Stromfluss zum Schweißen I_S verschweißt.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 während eines Mehrpunktwiderstandsschweißens. Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten Fall, ist in 3 bereits eine Schweißverbindung 24 erfolgt. Dadurch, dass ein zweiter Stromkreis mit einer zweiten Stromquelle 16 vorgesehen ist, hat die durch die Schweißverbindung 24 entstehende elektrische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode 6, 8 keine unerwünschten Zweigströme während des Vorwärmens zur Folge. Vielmehr erfolgt der Stromfluss zum Vorwärmen I_V wie bereits in 1 dargestellt.
4a zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens während des Vorwärmens. Die Vorrichtung 1' und das damit durchgeführte Verfahren sind ähnlich zu der Vorrichtung 1 und dem damit durchgeführten Verfahren. Insofern wird zunächst auf die Beschreibung zu den 1 bis 3 verwiesen.
Die Vorrichtung 1' weist wiederum einen elektrischen Leiter 14' auf, der als Leiterband ausgebildet und mittels der Bandhalterung 22' zwischen der ersten Schweißelektrode 6 und dem Sandwichblech 2 diese unmittelbar kontaktierend angeordnet ist. Das elektrische Leiterband 14' weist wiederum einen ersten Bereich 14a', einen zweiten Bereich 14b' mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand zum Erwärmen des zu schweißende Bereichs und einen Bereich 14c' zur Isolation des ersten Bereichs 14a' gegenüber der Schweißelektrode 6 auf.
4b zeigt eine Vergrößerung des Leiterbands 14' im Bereich der Kontaktierung mit der ersten Schweißelektrode 6.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 sind die Bereiche des elektrischen Leiterbands 14' der Vorrichtung 1' jedoch abweichend angeordnet. Im Kontaktbereich des elektrischen Leiters 14' mit dem Sandwichblech 2 ist ausschließlich der zweite Bereich 14b' mit dem höheren elektrischen spezifischen Widerstand angeordnet, welcher in Kontakt mit der ersten Schweißelektrode 6 und dem Sandwichblech 2 ist. Daran schließt sich auf jeder Seite der erste Bereich 14a' an. Der isolierende Bereich 14c' verhindert im Bereich der Elektrodenkappe der ersten Schweißelektrode 6 einen direkten elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Bereich 14a' und der ersten Schweißelektrode 6. Im Unterschied zum Leiterband 14 weist das Leiterband 14' jedoch im Bereich der Bandhalterung 22' keinen isolierenden Bereich 14c' auf, da die Bandhalterung 22' bereits einen Bereich 26 zur Isolierung der Schweißelektrode 6 gegenüber dem elektrischen Leiterband 14' aufweist.
Wie bereits beschrieben, kann durch die Anordnung des zweiten Bereichs 14b' im Kontaktbereich der ersten Schweißelektrode 6 mit dem Sandwichblech 2 der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs 2 besonders effizient erwärmt werden, sodass die thermoplastische Kunststoffschicht 2c schnell aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten 2a, 2b aus dem Schweißbereich verdrängt wird. Dies erfolgt durch einen Stromfluss zum Vorwärmen I_V in dem zweiten Stromkreis, welcher durch die Pfeile in 4a dargestellt ist.
Anschließend kann, wie in 5 mittels der Pfeile dargestellt und wie bereits in Zusammengang mit 2 beschrieben, das Verschweißen des Sandwichblechs 2 mit dem weiteren Bauteil 4 mittels des Stroms zum Verschweißen I_S erfolgen.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung 1'' zur Durchführung eines weiteren Verfahrens. Die Vorrichtung 1'' ist ähnlich zur Vorrichtung 1' aufgebaut und es wird das gleiche elektrische Leiterband 14' verwendet. Im Unterschied zu der in 4 beschriebenen Vorrichtung 1' weist die Vorrichtung 1'' jedoch keine zweite Stromquelle auf. Stattdessen wird der Vorwärmstrom I_V auch durch die erste Stromquelle 10 bereitgestellt. Dazu ist eine elektrische Brücke 28 vorgesehen, welche die erste Stromquelle 10 unter Überbrückung der zweiten Schweißelektrode 8, des weiteren Bauteils 4 und des Sandwichblechs 2 über die Bandhalterung 22'' mit dem Leiterband 14' verbindet. Somit umfasst der zweite Stromkreis zum Vorwärmen die erste Stromquelle 10, einen Teil der ersten elektrischen Leitungen 12, die erste Schweißelektrode 6, das elektrische Leiterband 14' und die elektrische Brücke 28. Der Vorwärmstrom kann dann wie durch die Pfeile in 6 gezeigt fließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011109708 A1 [0003]
US 4650951 [0004]

Claims

Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, wobei der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird und die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss zum Schweißen in einem eine erste Stromquelle aufweisenden ersten Stromkreis über eine erste, auf der Seite des Sandwichblechs angeordnete Schweißelektrode und eine zweite, auf der Seite des weiteren Bauteils angeordnete Schweißelektrode miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs durch einen Stromfluss zum Vorwärmen in einem zweiten Stromkreis erwärmt wird, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneten elektrischen Leiter und eine zweite Stromquelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die zweite Stromquelle aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Vorwärmen in dem zweiten Stromkreis erfolgt, und anschließend die erste Stromquelle aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Schweißen in dem ersten Stromkreis erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Aktivierung der ersten Stromquelle und/oder Deaktivierung der zweiten Stromquelle ein für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentativer Messwert berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentative Messwert auf einer elektrischen Eigenschaft zumindest des Sandwichblechs beruht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht aus dem Schweißbereich repräsentative Messwert auf einer Position einer Schweißelektrode beruht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordneter elektrischer Leiter ein Leiterband verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterband mit einer Bandhalterung zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der ersten Schweißelektrode und dem Sandwichblech angeordnete elektrische Leiter die erste Schweißelektrode und/oder das Sandwichblech unmittelbar kontaktiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen ersten Bereich mit einem ersten spezifischen elektrischen Widerstand und einen zweiten Bereich mit einem zweiten spezifischen elektrischen Widerstand, welcher größer als der erste spezifische elektrische Widerstand ist, zum Erwärmen des zu schweißende Bereich des Sandwichblechs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich im Kontaktbereich der ersten Schweißelektrode mit dem Sandwichblech angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter einen Bereich zur Isolation, insbesondere zur Isolation des ersten Bereichs gegenüber der ersten Schweißelektrode aufweist.
Vorrichtung zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs (2), welches eine zwischen metallischen Deckschichten (2a, 2b) angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht (2c) aufweist, mit mindestens einem weiteren Bauteil (4), – mit einer ersten, auf der Seite des Sandwichblechs anordenbaren Schweißelektrode (6), – mit einer zweiten, auf der Seite des weiteren Bauteils anordenbaren Schweißelektrode (8), – mit Mitteln (10, 12) zur Bereitstellung eines eine erste Stromquelle (20) aufweisenden ersten Stromkreises, welche einen Stromfluss zum Schweißen (I_S) zumindest über die erste und die zweite Schweißelektrode (6, 8) führen, und – mit Mitteln (6) zur Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht (2c) des Sandwichblechs (2) aus dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Stromkreis vorgesehen ist, wobei der zweite Stromkreis einen zwischen der ersten Schweißelektrode (6) und dem Sandwichblech (2) anordenbaren elektrischen Leiter (14) und eine zweite Stromquelle (16) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (20) vorgesehen ist, welche mit der ersten und der zweiten Stromquelle (10, 16) gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass zunächst die zweite Stromquelle (16) aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Vorwärmen (I_V) in dem zweiten Stromkreis erfolgt, und anschließend die erste Stromquelle (10) aktiviert wird, sodass der Stromfluss zum Schweißen (I_S) in dem ersten Stromkreis erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) eingerichtet ist, für eine Aktivierung der ersten Stromquelle (10) und/oder Deaktivierung der zweiten Stromquelle (16) einen für die Verdrängung der thermoplastischen Kunststoffschicht (2c) aus dem Schweißbereich repräsentativen Messwert zu berücksichtigen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der ersten Schweißelektrode (6) und dem Sandwichblech (2) angeordnete elektrische Leiter (14) ein Leiterband ist.