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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Widerstandsschweißvorrichtung und ein Widerstandsschweißverfahren zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil.
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Widerstandsschweißen von verschiedenen Blechkombinationen wird beispielsweise in der automatisierten Fahrzeugfertigung eingesetzt, bei welcher Schweißvorrichtungen Schweißverbindungen an beispielsweise einer Karosserie eines Fahrzeugs, wie Kraftfahrzeug, Lastkraftwagen, Flugzeug, usw., herstellen. Hier, wie auch in anderen Fertigungsanlagen, wie beispielsweise Fertigungsstraßen für Möbel, Heizkörper, usw., werden metallische Teile durch Schweißen mit Hilfe eines Schweißwerkzeugs der Schweißvorrichtung verbunden.
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Zudem kann eine Widerstandsschweißvorrichtung auch in der Einzelfertigung zum Einsatz kommen.
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Durch den Gleichstrom beim Schweißen kann Magnetisierung der geschweißten Teile auftreten. In Folge dessen wird die Weiterverarbeitung der geschweißten metallischen Teile erschwert. Durch die mögliche Magnetisierung von Anlagenteilen kann es zu Verschmutzung und Fehlfunktionen in der Schweißanlage kommen.
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Außerdem kann es durch verschiedene Legierungen für die geschweißten Bleche, verschiedene Blechdickenkombinationen und dem Peltiereffekt bei Aluminium schweißstromrichtungsabhängig zu unerwünschtem Abbrand an den Schweißelektroden bzw. Materialwanderung kommen.
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Diese Effekte treten zudem insbesondere beim Widerstandsschweißen von Kettengliedern und beim Schweißen von Heizkörpern auf.
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Um die Magnetisierungseffekte zu vermeiden, könnte es überlegt werden, einen Gleichrichter mit vier Thyristoren anstelle eines herkömmlichen Diodengleichrichters zu verwenden, der üblicherweise bei der Widerstandsschweißvorrichtung für die Bereitstellung des Schweißstroms verbaut ist.
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Nachteilig an einer derartigen Lösung ist jedoch, dass der Gleichrichter mit vier Thyristoren im Vergleich zu dem Diodengleichrichter zum einen den doppelten Bauraum benötigt. Durch den doppelten Bauraum wird der Gleichrichter mit vier Thyristoren sehr unhandlich und ineffizient in der Handhabung. Dies ist nicht nur bei einer Vorrichtung zur Bewegung der Widerstandsschweißvorrichtung im Raum, wie beispielsweise einem Roboter, nachteilig.
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Zum anderen legt der Gleichrichter mit vier Thyristoren im Vergleich zu dem Diodengleichrichter schlechtere Betriebseigenschaften an den Tag, da der Gleichrichter mit vier Thyristoren höhere Verluste und eine geringere Leistung hat. Die schlechteren Betriebseigenschaften sind im Hinblick auf den schonenden Einsatz von Ressourcen unerwünscht. Zudem verursachen die schlechteren Betriebseigenschaften für den Betreiber der Widerstandsschweißvorrichtung höhere Kosten.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Widerstandsschweißvorrichtung und ein Widerstandsschweißverfahren zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Widerstandsschweißvorrichtung und ein Widerstandsschweißverfahren zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil bereitgestellt werden, bei welchen der störende Magnetisierungseffekt sehr effizient, einfach und kostengünstig vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Widerstandsschweißvorrichtung zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil nach Anspruch 1 gelöst.
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Bei der Widerstandsschweißvorrichtung ist eine einfache Polaritätsumschaltung des Transformators, der vorzugsweise als Mittelfrequenz-Gleichstrom-Transformator (MF-DC-Transformator) ausgeführt ist und auch als Transformator-Gleichrichtereinheit bezeichnet wird, in kleiner Baugröße und mit geringen Verlusten realisiert. Dadurch kann der beim herkömmlichen Diodengleichrichter entstehende störende Magnetisierungseffekt mit der beschriebenen Widerstandsschweißvorrichtung sehr effizient, einfach und kostengünstig vermieden werden.
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Die in den Ansprüchen beanspruchte Widerstandsschweißvorrichtung hat geringere Verluste und einen kleineren Bauraum jedoch eine höhere Leistung als die zuvor beschriebene Thyristor-Lösung. Außerdem hat die in den Ansprüchen beanspruchte Widerstandsschweißvorrichtung eine ähnliche Leistungsfähigkeit und ähnlichen Bauraum jedoch geringere Verluste als ein MF-DC-Transformator mit einem Diodengleichrichter nach dem Stand der Technik.
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Insgesamt kann mit der in den Ansprüchen beanspruchten Widerstandsschweißvorrichtung eine einfache Polaritätsumschaltung eines Schweißtransformators in kleiner Baugröße und mit geringen Verlusten realisiert werden
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Widerstandsschweißvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die zuvor beschriebene Widerstandsschweißvorrichtung kann Teil einer Anlage sein, die zur Behandlung von Gegenständen vorgesehen ist. Hierbei kann die Widerstandsschweißvorrichtung zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil vorgesehen sein, das zur Behandlung von mindestens einem der Gegenstände vorgesehen ist.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Widerstandsschweißverfahren zum Widerstandsschweißen von mindestens einem Bauteil nach Anspruch 9 gelöst.
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Das Widerstandsschweißverfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Widerstandsschweißvorrichtung genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Anlage mit einer Widerstandsschweißvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 ein Blockschaltbild einer Anlage mit einer Widerstandsschweißvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt sehr schematisch eine Anlage 1 mit einer Widerstandsschweißvorrichtung 2. Die Anlage 1 kann beispielsweise eine Fertigungsanlage für Gegenstände 4, wie Fahrzeuge, Möbel, Heizkörper, usw. sein.
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In der Fertigungsanlage 1 können metallische Bauteile 5, 6 durch Widerstandsschweißen derart verbunden werden, dass eine Schweißverbindung 7 hergestellt wird. Hierzu weist die Widerstandsschweißvorrichtung 2 ein Schweißwerkzeug 10 in Form einer Schweißzange mit zwei Schweißelektroden 11, 12, eine Steuereinrichtung 20, einen Schweißtransformator 30 mit drei Ausgängen 31, 32, 33, eine Gleichrichterschaltung 40 aus einem ersten Transistor 41, einem zweiten Transistor 42, einem dritten Transistor 43, einem vierten Transistor 44, und eine Vorrichtung 50 zum Führen des Schweißwerkzeugs 10 auf.
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Die Widerstandsschweißvorrichtung 2 kann unter Steuerung der Steuereinrichtung 20 mit dem Schweißwerkzeug 10 eine Schweißverbindung 7 herstellen.
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Es ist auch möglich, dass beispielsweise zwei Kanten eines einzigen Bauteils 5 durch Widerstandsschweißen mit einer oder mehreren Schweißverbindungen 7 miteinander verbunden werden. Unabhängig davon wie viele Bauteile 5, 6 mit einer Schweißverbindung 7 miteinander verbunden werden, kann/können die Schweißverbindung(en) 7 eine Punktschweißung oder eine Schweißnaht oder Kombinationen daraus sein.
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An der Sekundärseite des Schweißtransformators 30 liegt eine erste Sekundärspannung U21 zwischen dem ersten und zweiten Ausgang 31, 32 des Schweißtransformators 30 an. Außerdem liegt eine zweite Sekundärspannung U22 zwischen dem zweiten und dritten Ausgang 32, 33 des Schweißtransformators 30 an. Die erste Sekundärspannung U21 und die zweite Sekundärspannung U22 bilden eine Schweißspannung U21, U22, welche einen Schweißstrom I2 zur Folge hat.
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An dem ersten Ausgang 31 des Schweißtransformators 30 ist der erste Transistor 41 angeschlossen. Zu dem ersten Transistor 41 ist ein zweiter Transistor 42 in Reihe geschaltet. Dadurch ist die Reihenschaltung aus erstem und zweitem Transistor 41, 42 zwischen den Schweißtransformator 30 und das Schweißwerkzeug 10 geschaltet. Genauer gesagt, ist die Reihenschaltung aus erstem und zweitem Transistor 41, 42 zwischen den Schweißtransformator 30 und die erste Schweißelektrode 11 geschaltet.
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Mit dem zweiten Ausgang 32 des Schweißtransformators 30 ist die zweite Schweißelektrode 12 direkt verbunden.
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An dem dritten Ausgang 32 des Schweißtransformators 30 ist der dritte Transistor 43 angeschlossen. Zu dem dritten Transistor 43 ist ein vierter Transistor 44 in Reihe geschaltet. Dadurch ist die Reihenschaltung aus drittem und viertem Transistor 43, 44 zwischen den Schweißtransformator 30 und das Schweißwerkzeug 10 geschaltet. Genauer gesagt, ist die Reihenschaltung aus drittem und viertem Transistor 43, 44 zwischen den Schweißtransformator 30 und die erste Schweißelektrode 11 geschaltet.
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Die Steuereinrichtung 20 kann auch die Polarität der Transistoren 41, 42, 43, 44 wie gewünscht schalten. Die Steuereinrichtung 20 ist ausgestaltet, jeweils in Abhängigkeit der Ausgangsspannung und der Polaritätsvorwahl einen Transistor der Transistoren 41, 42, 43, 44 einzuschalten. Der in Reihe geschaltete Transistor der Transistoren 41, 42, 43, 44 wird im Synchronbetrieb bei Strom dann negativ leitend eingeschaltet.
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Beispielsweise schaltet die Steuereinrichtung 20 den ersten Transistor 41 jeweils in Abhängigkeit der Ausgangsspannung und der Polaritätsvorwahl ein. Der in Reihe geschaltete zweite Transistor 42 wird im Synchronbetrieb bei Strom dann negativ leitend eingeschaltet.
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Dadurch sind im Gleichrichterzweig pro Gleichrichter dann zwei Transistoren, nämlich bei dem Beispiel die Transistoren 41, 42, in Reihe eingeschaltet. Dasselbe gilt in gleicher Weise für die Reihenschaltung aus drittem und viertem Transistor 43, 44 als weiteren Gleichrichter des Gleichrichtzweigs.
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Auf diese Weise kann an dem Schweißtransformator 30 eine polaritätsumschaltbare Schweißspannung U21, U22 und ein polaritätsumschaltbarer Schweißstrom I2 realisiert werden.
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Die Widerstandsschweißvorrichtung 2 kann besonders vorteilhaft bei Blechkombinationen zum Einsatz kommen, bei welchen es bei einer Schweißzange zum unerwünschtem Abbrand der Schweißelektroden oder Materialwanderung kommt. Außerdem kann die Widerstandsschweißvorrichtung 3 besonders vorteilhaft beim Schweißen von Kettengliedern und beim Schweißen von Heizkörpern verwendet werden.
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2 zeigt eine Widerstandsschweißvorrichtung 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Widerstandsschweißvorrichtung 3 ist in vielen Teilen auf die gleiche Weise aufgebaut, wie für die Widerstandsschweißvorrichtung 2 gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Im Unterschied zur Widerstandsschweißvorrichtung 2 gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel sind bei der Widerstandsschweißvorrichtung 3 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Transistoren 41, 42, 43, 44 jeweils speziell als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) ausgestaltet. Die Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind bei der Widerstandsschweißvorrichtung 3 antiparallel geschaltet.
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Wie in 2 gezeigt, ergibt sich eine Primärspannung U1 an der Primärseite des Schweißtransformators 30 aus einer Brückenschaltung 60 von Halbleiterschaltern 61, 62, 63, 64. Die Halbleiterschalter 61, 62, 63, 64 können insbesondere jeweils ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) eines Umrichters sein.
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In der Schaltung 60 sind der erste Halbleiterschalter 61 und der zweite Halbleiterschalter 62 in Reihe geschaltet. Zudem sind der dritte Halbleiterschalter 63 und der vierte Halbleiterschalter 64 in Reihe geschaltet.
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Zwischen einem ersten Verbindungsknoten 71, der zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterschalter 61, 62 angeordnet ist, und einem zweiten Verbindungsknoten 72, der zwischen dem dritten und vierten Halbleiterschalter 63, 64 angeordnet ist, bildet sich die Primärspannung U1 an der Primärseite des Schweißtransformators 30 aus.
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An der Sekundärseite des Schweißtransformators 30 liegt eine erste Sekundärspannung U21 zwischen dem ersten und zweiten Ausgang 31, 32 des Schweißtransformators 30 an. Außerdem liegt eine zweite Sekundärspannung U22 zwischen dem zweiten und dritten Ausgang 32, 33 des Schweißtransformators 30 an. Die erste Sekundärspannung U21 und die zweite Sekundärspannung U22 bilden die Schweißspannung U21, U22.
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Der Schweißtransformator 30 wandelt die Primärspannung U1 in die erste und zweite Sekundärspannung U21, U22. Hierbei ist die Summe der Sekundärspannungen U21, U22 kleiner als der Wert der Primärspannung U1. Zudem wandelt der Schweißtransformator 30 einen Primärstrom I1 auf der Primärseite des Schweißtransformators 30 in den Sekundärstrom I2 auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 30 um. Der Sekundärstrom I2, der auch als Schweißstrom bezeichnet werden kann, hat einen höheren Wert als der Primärstrom I1.
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Die in 2 gezeigte Schaltung der Widerstandsschweißvorrichtung 3 wird von der Steuereinrichtung 20 auf die gleiche Weise geschaltet, wie in Bezug auf das vorangehende Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Die Widerstandsschweißvorrichtung 3 kann anstelle der Widerstandsschweißvorrichtung 2 gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel bei der Anlage 1 gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel eingesetzt werden.
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Auch die Widerstandsschweißvorrichtung 3 kann besonders vorteilhaft bei Blechkombinationen zum Einsatz kommen, bei welchen es bei einer Schweißzange zum unterschiedlich hohen Abbrand der Schweißelektroden kommt. Außerdem kann die Widerstandsschweißvorrichtung 3 besonders vorteilhaft beim Schweißen von Kettengliedern und beim Schweißen von Heizkörpern verwendet werden.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, der Widerstandsschweißvorrichtungen 2, 3 und des Widerstandsschweißverfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Die Transistoren 41, 42, 43, 44 können auch Bipolartransistoren sein, wobei jedoch die Ausführung als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) bevorzugt wird.
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Der Schweißtransformator kann auch aus einer Parallelschaltung von zwei Transformatoren aufgebaut sein.
