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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißelektrode für eine Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, umfassend einen Elektrodenschaft, eine Elektrodenkappe, die an dem Elektrodenschaft angebracht ist, sowie Mittel zur Kühlung der Schweißelektrode. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, die zwei Schweißelektroden, welche an zumindest einen Kondensator angeschlossen sind, umfasst.
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Kondensatorentladungsschweißvorrichtungen, die Schweißelektroden der eingangs genannten Art aufweisen und insbesondere zum Kondensatorentladungspunktschweißen eingerichtet sind, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bereits bekannt. Kondensatorentladungsschweißverfahren stellen eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Widerstandsschweißens dar. Beim Widerstandsschweißen wird eine Fügeverbindung dadurch erzeugt, dass durch die stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Werkstücke mittels zweier Schweißelektroden ein Schweißstrom geleitet wird. Dieser Schweißstrom führt zu einem lokalen Wärmeeintrag in die Werkstücke, so dass sich an einer Schweißstelle lokal ein flüssiges Schmelzbad bildet. Das konventionelle Widerstandsschweißen mit Gleichstrom oder hochfrequentem oder mittelfrequentem Wechselstrom hat den Nachteil, dass während des Schweißprozesses thermische Energie ungewollt aus der Fügeebene entweichen kann, da die Energie teilweise in den Grundwerkstoff der Werkstücke und in die Elektrodenkappen der Schweißelektroden eingetragen sowie in die Umgebung ausgetragen wird.
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Insbesondere bei hochlegierten, pressgehärteten oder stark beschichteten Stahlwerkstoffen müssen zum erfolgreichen Schweißfügen hohe Temperaturen über die gesamte Schweißzeit aufrechterhalten werden. Für derartige Werkstoffe eignet sich in besonders vorteilhafter Weise das Kondensatorentladungsschweißen. Die hohe elektrische Energie, die zum Aufschmelzen des Materials an der Schweißstelle erforderlich ist, resultiert beim Kondensatorentladungsschweißen aus einer impulsartigen Entladung mindestens eines Kondensators beziehungsweise einer Mehrzahl parallel zueinander geschalteter Kondensatoren, die eine oder mehrere Kondensatorbänke bilden können. Während des Fügeprozesses auftretende Wärmeverluste können insbesondere durch eine Variierung der Prozessparameter Schweißstrom und/oder Kraft ausgeglichen werden.
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Neben einem minimierten Wärmeeintrag in die Schweißstelle besteht ein weiterer Vorteil des Kondensatorentladungsschweißens in einer synchronen Netzbelastung eines elektrischen Versorgungsnetzes. Da sich die Kondensatoren beziehungsweise die Kondensatorbänke in den Schweißpausen gleichmäßig und symmetrisch aufladen, ist der Strombezug aus dem elektrischen Versorgungsnetz konstant und weist folglich keinerlei Lastspitzen auf. Darüber hinaus kann die Änderung der Metallurgie der Fügepartner aufgrund der Erwärmung an der Schweißstelle über die Schweißzeit zum Beispiel durch eine Entfestigung in der Wärmeeintragszone einen negativen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißverbindung haben. Generell ist das Einbringen von Energie über den Anschluss an das elektrische Versorgungsnetz mit relativ hohen Kosten verbunden, wobei nur ein geringer Anteil der Schweißenergie zur Ausbildung der eigentlichen Schweißstelle notwendig wäre. Beim Kondensatorentladungsschweißen lassen sich bei vergleichsweise niedriger Ladespannung des mindestens einen Kondensators sehr hohe Schweißströme in Verbindung mit einem steilen Stromanstieg und sehr kurzen Schweißzeiten realisieren.
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Das Kondensatorentladungsschweißen erfordert eine effiziente Kühlung der Schweißelektroden, die zum Beispiel mittels einer kühlwasserbasierten Kühlvorrichtung erfolgen kann. Diese hat insbesondere den Nachteil, dass nach dem Abziehen der Elektrodenkappe vom Elektrodenschaft unter Umständen Kühlwasser entweichen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißelektrode der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auf besonders einfache Weise effizient gekühlt werden kann. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kondensatorentladungsschweißvorrichtung der eingangs genannten Art mit effizient kühlbaren Schweißelektroden zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Schweißelektrode der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Kondensatorentladungsschweißvorrichtung wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine gattungsgemäße Kondensatorentladungsschweißvorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Schweißelektrode zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur Kühlung der Schweißelektrode mindestens ein thermoelektrisches Kühlelement umfassen. Das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement ermöglicht im Bedarfsfall eine effiziente Kühlung der Schweißelektrode ohne dass ein kühlwasserbasierter Kühlkreislauf vorgesehen sein muss. Es hat sich ferner gezeigt, dass sich die Kühlung der Schweißelektrode mittels des mindestens einen thermoelektrischen Kühlelements prozessstabilisierend auf das Kondensatorentladungsschweißverfahren auswirkt. Da kein Kühlmedium, insbesondere kein Kühlwasser, durch einen Kühlkreislauf strömt, kommt es in vorteilhafter Weise auch nicht zu einem Entweichen des Kühlmediums, wenn die Elektrodenkappe vom Elektrodenschaft abgezogen wird. Dieses wirkt sich ebenfalls positiv auf die Umweltverträglichkeit aus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement an einer Außenseite des Elektrodenschafts angebracht ist. Durch den unmittelbaren thermischen Kontakt des mindestens einen thermoelektrischen Kühlelements mit der Außenseite des Elektrodenschafts wird eine besonders wirksame Kühlung der Schweißelektrode erreicht.
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Um eine effizientere Abführung der Abwärme von dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement zu bewirken, kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement an einer Außenseite thermisch mit mindestens einem Kühlkörper gekoppelt ist. Durch Wärmeleitung kann zumindest ein Teil der Abwärme von dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement auf den diesem zugeordneten Kühlkörper übertragen werden.
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Die hier vorgestellte Schweißelektrode kann zum Beispiel in eine stationäre Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, insbesondere in eine stationäre Kondensatorentladungspunktschweißvorrichtung, integriert sein. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der mindestens eine Kühlkörper Teil einer Tragvorrichtung, insbesondere eines Maschinentischs, der Kondensatorentladungsschweißvorrichtung ist. Dadurch ist es nicht erforderlich, ein oder mehrere separate Kühlkörper vorzusehen, um das Abführen der Abwärme von dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement zu unterstützen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Wärmeeintrag von dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement unmittelbar in die Tragvorrichtung der Kondensatorentladungsschweißvorrichtung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der Elektrodenschaft einen durch eine Außenwandung begrenzten Aufnahmeraum aufweist, innerhalb dessen das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement untergebracht ist. In dieser Ausführungsform kann die Schweißelektrode einen Einsatz für eine Schweißzange einer Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, insbesondere einer Kondensatorentladungspunktschweißvorrichtung, bilden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass innerhalb des Aufnahmeraums ein Zangenkörper einer Schweißzange der Kondensatorentladungsschweißvorrichtung angeordnet ist. Um an dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement auftretende Abwärme abzuführen, steht dieses vorzugsweise mit dem Zangenkörper, der insbesondere aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, in einem thermischen Kontakt.
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Vorzugsweise kann das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement zwischen der Außenwandung des Aufnahmeraums und dem Zangenkörper angeordnet sein. Somit kann zumindest ein Teil der Abwärme von dem mindestens einen thermoelektrischen Kühlelement durch Wärmeleitung auf den Zangenkörper übertragen werden.
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Eine erfindungsgemäße Kondensatorentladungsschweißvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schweißelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet sind. Die thermoelektrischen Kühlelemente, mit denen die Schweißelektroden ausgestattet sind, ermöglichen eine effiziente, bedarfsgerechte Kühlung der Schweißelektroden ohne dass ein kühlwasserbasierter Kühlkreislauf vorgesehen sein muss. Dieses wirkt sich positiv auf die Prozesssicherheit aus.
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Um eine Regelung der Temperatur der Schweißelektrode zu ermöglichen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Kondensatorentladungsschweißvorrichtung eine Temperaturregelungseinrichtung aufweist, die an das mindestens eine thermoelektrische Kühlelement angeschlossen ist. Die Elektrodentemperatur bildet somit eine weitere Regelgröße für das Kondensatorentladungsschweißen. Mit Hilfe der thermoelektrischen Kühlelemente und der daran angeschlossenen Temperaturregelungseinrichtung können in vorteilhafter Weise regelbare Temperaturen der Elektrodenkappe erzeugt werden. Ein wesentliches Ziel ist dabei eine sichere Regelung der Temperatur bis hin zu negativen Temperaturen (< 0°C).
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Um den Wärmeaustrag aus der Schweißelektrode weiter zu verbessern, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Kondensatorentladungsschweißvorrichtung zumindest eine Kühlluftzuführeinrichtung aufweist, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie zumindest das thermoelektrische Kühlelement mit Kühlluft beaufschlagen kann. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführte Schweißelektrode für eine Kondensatorentladungsschweißvorrichtung,
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2 einen Längsschnitt durch eine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführte Schweißelektrode für eine Kondensatorentladungsschweißvorrichtung.
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Schweißelektrode 1, die für eine Verwendung in einer stationären Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, insbesondere in einer Kondensatorentladungspunktschweißvorrichtung, geeignet ist, einen Elektrodenschaft 2 sowie eine Elektrodenkappe 3, die an dem Elektrodenschaft 2 angebracht ist. Der Elektrodenschaft 2 weist an einem Ende einen kegelstumpf- bzw. konusartigen oder pyramidenstumpfartig geformten Anschlussabschnitt 20 auf, der in einen damit korrespondierenden, hohlkegelstumpfartig bzw. konusartig oder hohlpyramidenstumpfartig geformten Aufnahmeraum der Elektrodenkappe 3 eingesetzt ist.
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Da sich das Kondensatorentladungsschweißen im Vergleich zu herkömmlichen Widerstandsschweißverfahren, insbesondere gegenüber Mittelfrequenz-Widerstandsschweißverfahren, durch kurze Schweißzeiten und einen stark konzentrierten Wärmeeintrag in die stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Werkstücke auszeichnet, kann die Verlustwärme reduziert werden, so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Um auf eine aktive Wasserkühlung verzichten zu können, sind in diesem Ausführungsbeispiel ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente 4a, 4b an einer Außenseite des Elektrodenschafts 2 angebracht. Die thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b, die physikalisch auf dem Peltier-Effekt basieren, sind dazu in der Lage, die Temperatur des Elektrodenschafts 2 sowie die Temperatur der Elektrodenkappe 3 während des Betriebs der Schweißelektrode 1 signifikant abzusenken. Um die an den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b auftretende Abwärme wirksam abführen zu können, stehen diese jeweils mit einem Kühlkörper 5a, 5b in einem thermischen Kontakt. Durch Wärmeleitung kann zumindest ein Teil der Abwärme von den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b auf die Kühlkörper 5a, 5b übertragen werden. Die Kühlkörper 5a, 5b können separate Bauteile sein. Alternativ können die Kühlkörper 5a, 5b auch Teile einer Tragvorrichtung, insbesondere eines Maschinentischs, der stationären Kondensatorentladungsschweißvorrichtung sein, so dass der Wärmeeintrag von den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b unmittelbar in die Tragvorrichtung erfolgt.
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Für eine noch effizientere Abführung der Abwärme von den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b ist es möglich, dass die Kondensatorentladungsschweißvorrichtung zumindest eine hier nicht explizit dargestellte Kühlluftzuführeinrichtung aufweist, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie die thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und vorzugsweise auch die Kühlkörper 5a, 5b mit Kühlluft beaufschlagen kann. Alternativ ist es auch möglich, jeden thermischen Verbund, der jeweils aus einem der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und einem der Kühlkörper 5a, 5b gebildet ist, mittels einer diesen zugeordneten Kühlluftzuführeinrichtung mit Kühlluft zu beaufschlagen.
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Mit Hilfe der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und einer daran angeschlossenen Temperaturregelungseinrichtung können in vorteilhafter Weise regelbare Temperaturen der Elektrodenkappe 3 erzeugt werden. Ein wesentliches Ziel ist dabei eine sichere Regelung der Temperatur bis hin zu negativen Temperaturen (< 0°C). Es hat sich gezeigt, dass die Kühlung der Elektrodenkappe 3 in vorteilhafter Weise die Schweißeignung verbessern kann.
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Vorzugsweise sind der Elektrodenschaft 2 und die Elektrodenkappe 3 thermisch isoliert, so dass hohe Wirkungsgrade sowie kurze Regeldauern erreicht werden können. Bei entsprechender Ausgestaltung der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und entsprechender Auslegung des thermischen Managements der gesamten Schweißelektrode 1 ist es möglich, Temperaturen der Elektrodenkappe 3 bis etwa –30° C zu erreichen.
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Durch eine höhere elektrische Leitfähigkeit, die aus der effizienten Kühlung der Schweißelektrode 1 resultiert, kommt es beim Schweißprozess zu einer geringeren Widerstandserwärmung innerhalb des Elektrodenschafts 2 und der Elektrodenkappe 3, so dass auf eine aktive Wasserkühlung der Schweißelektrode 1 in vorteilhafter Weise verzichtet werden kann. Es hat sich darüber hinaus auch gezeigt, dass sich die hier vorgestellte Art der Kühlung der Schweißelektrode 1 mittels der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b auch prozessstabilisierend auf den Kondensatorentladungsschweißprozess auswirkt. Die Temperatur der Schweißelektrode 1 bildet eine zusätzliche Regelgröße des Schweißprozesses.
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Unter Bezugnahme auf 2 soll nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schweißelektrode 1 näher erläutert werden, die als Zangeneinsatz für eine Schweißzange einer Kondensatorentladungsschweißvorrichtung, insbesondere einer Kondensatorentladungspunktschweißvorrichtung, ausgebildet ist. Die Schweißelektrode 1 weist wiederum einen Elektrodenschaft 2 sowie eine Elektrodenkappe 3 auf, die an dem Elektrodenschaft 2 angebracht ist. Der Elektrodenschaft 2 weist an einem Ende wiederum einen kegelstumpfartig oder pyramidenstumpfartig geformten Anschlussabschnitt 20 auf, der in einen damit korrespondierenden, hohlkegelstumpfartig oder hohlpyramidenstumpfartig geformten Aufnahmeraum der Elektrodenkappe 3 eingesetzt ist. Der Elektrodenschaft 2 weist ferner einen hohlkegelstumpfartig oder hohlpyramidenstumpfartig geformten und durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Außenwandung 21 begrenzten Aufnahmeraum auf. In diesen Aufnahmeraum greift ein damit korrespondierender kegelstumpfartig beziehungsweise pyramidenstumpfartig geformter Zangenkörper 6 der Schweißzange ein.
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Da diese Schweißelektrode 1 aus Platzgründen keine aktive Wasserkühlung zulässt, weist die Schweißelektrode 1 ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente 4a, 4b auf, die innen zwischen der Außenwandung 21 des Aufnahmeraums und dem Zangenkörper 6 angeordnet sind. Mittels der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b können die Temperatur des Elektrodenschafts 2 sowie die Temperatur der Elektrodenkappe 3 während des Betriebs signifikant verringert werden. Um an den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b auftretende Abwärme wirksam abführen zu können, stehen diese jeweils mit dem Zangenkörper 6, der aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, in einem thermischen Kontakt. Durch Wärmeleitung kann somit zumindest ein Teil der Abwärme von den thermoelektrischen Kühlelementen 4a, 4b auf den Zangenkörper 6 übertragen werden.
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Mittels der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und einer daran angeschlossenen Temperaturregelungseinrichtung können in vorteilhafter Weise regelbare Temperaturen der Elektrodenkappe 3 erzeugt werden. Vorzugsweise ist dabei eine sichere Regelung der Temperatur bis hin zu negativen Temperaturen (< 0°C) möglich.
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Vorzugsweise sind der Elektrodenschaft 2 und die Elektrodenkappe 3 thermisch isoliert, so dass in vorteilhafter Weise auch in diesem Ausführungsbeispiel hohe Wirkungsgrade sowie kurze Regeldauern erhalten werden können. Bei entsprechender Ausgestaltung der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b und entsprechender Auslegung des thermischen Managements der Schweißelektrode 1 ist es auch hier möglich, Temperaturen bis etwa –30° C zu erreichen.
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Die vorliegend als Zangeneinsatz für eine Schweißzange ausgebildete Schweißelektrode 1 zeichnet sich insbesondere durch eine relativ geringe Gesamtmasse aus.
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Mittels der hier vorgestellten Schweißelektroden 1 ist ein energieeffizientes Kondensatorentladungsschweißen, insbesondere ein Kondensatorentladungspunktschweißen, ohne aktive Wasserkühlung möglich. Eine bedarfsgerechte Kühlung der Schweißelektrode 1, insbesondere auch der Elektrodenkappe 3, ist mittels der thermoelektrischen Kühlelemente 4a, 4b möglich. Da kein Kühlkreislauf vorhanden ist, durch den Kühlwasser strömt, kommt es in vorteilhafter Weise auch nicht zu einem unerwünschten Wasseraustritt beim Abziehen der Elektrodenkappe 3 vom Elektrodenschaft 2.
