DE102017211725A1

DE102017211725A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102017211725A1
Application number: DE102017211725.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Walter Jilg; Heinz Soyer jun.
Original assignee: Bolzenschweißtechnik Heinz Soyer GmbH
Current assignee: Bolzenschweißtechnik Heinz Soyer GmbH
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: DE102017211725B4

Abstract

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement, beispielsweise in Form eines Bolzens (7) und einem Werkstück (4) an einer Schweißstelle mit Hilfe eines Schweißstroms vorgesehen. Dabei weist das Verfahren den Schritt auf: Ablenkung eines durch den Schweißstrom erzeugten Lichtbogens. Zur Ablenkung des Lichtbogens werden wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) verwendet, die entlang einer Ringform um die Schweißstelle herum elektrisch leitend mit dem Werkstück (4) verbunden angeordnet sind. Dabei erfolgt eine Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) derart, dass der Schweißstrom in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt. Durch diese Gestaltung lässt sich erzielen, dass auf eine magnetische Spule zur Ablenkung des Lichtbogens verzichtet werden kann, was grundsätzlich vorteilhaft mit Bezug auf den erforderlichen Raumbedarf ist. Außerdem ist auf diese Weise ein besonders regelmäßiges Starverhalten der Rotationsbewegung des Lichtbogens erzielbar. Außerdem ist eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement und einem Werkstück an einer Schweißstelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen Schweißverbindung. Bei dem Schweißelement kann es sich insbesondere um einen Bolzen, eine Mutter, einen Stift, eine Innengewindebuchse oder ein nicht symmetrisches Schweißelement handeln.
Aus dem Stand der Technik ist das so genannte Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung bekannt. Bei diesem Verfahren wird zu Beginn des Schweißvorgangs der Bolzen durch einen Hubmechanismus gegenüber dem Werkstück angehoben und zuerst ein Hilfs- oder Pilotlichtbogen, dann der Hauptlichtbogen - Letzterer hier auch kurz als „Lichtbogen“ bezeichnet - zwischen der Bolzenspitze und dem Werkstück gezündet. Ein bekanntes Problem beim Bolzenschweißen mit Hubzündung ist die so genannte Blaswirkung, durch die der beim Schweißvorgang erzeugte Lichtbogen ausgelenkt wird. Dies führt in der Regel zu einer einseitigen Anschmelzung an der Schweißstelle und zu einer erhöhten Porenzahl im Schweißgut.
In 4a ist eine schematische Seitenansicht einer Schweißvorrichtung gemäß dem Stand der Technik angedeutet, mit der eine Schweißverbindung zwischen einem Bolzen 70 und einem Werkstück 40 hergestellt werden kann. Wird eine Masseklemme 50 auf einer Seite der Schweißstelle angebracht, so führt die Blaswirkung - wie durch einen Pfeil angedeutet - dazu, dass der Lichtbogen 111 auf die der Masseklemme 50 gegenüberliegende Seite abgelenkt wird. 4b zeigt eine entsprechende schematische Aufsicht. In den 5a und 5b ist der entsprechende Fall skizziert, in dem die Masseklemme 50 auf der gegenüberliegenden Seite am Werkstück 40 angebracht ist.
Wenn, wie in den 6a und 6b entsprechend skizziert, zwei Masseklemmen 50, 50' auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Schweißstelle am Werkstück 40 angebracht werden, so kompensieren sich die Wirkungen der Masseklemmen 50, 50' und die Blaswirkung auf den Lichtbogen 111 ist verringert.
In den 7a und 7b ist entsprechend ein Fall gezeigt, in dem eine so genannte „Ausgleichsmasse“ 120 auf der der Masseklemme 50 gegenüberliegenden Seite am Werkstück 40 angeordnet ist. Auch hierdurch wird die Wirkung der Masseklemme 50 reduziert bzw. kompensiert.
Aus der Schrift DE 10 2004 051 389 A1 ist ein so genanntes Bolzenschweißen mit Hubzündung und rotierendem Lichtbogen bekannt. Hierbei wird mit Hilfe einer Magnetspule ein auf die Schweißstelle wirkendes Quermagnetfeld erzeugt, das dazu führt, dass der Lichtbogen mit Bezug auf die Hauptachse des Bolzens kreisartig umläuft. Die Blaswirkung ist hierdurch reduziert. Zudem lässt sich auf diese Weise eine verbesserte Verteilung der Schweißenergie über die Stirnfläche des Bolzens erzielen. Allerdings wird für die Magnetspule Raum beansprucht. Zudem besteht die Gefahr, dass das Startverhalten der Rotation des Lichtbogens unregelmäßig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes verbessertes oder alternatives Schweißverfahren anzugeben, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Schweißverfahrens.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Gegenständen gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement und einem Werkstück an einer Schweißstelle mit Hilfe eines Schweißstroms vorgesehen. Dabei weist das Verfahren den Schritt auf: Ablenkung eines durch den Schweißstrom erzeugten Lichtbogens. Zur Ablenkung des Lichtbogens werden wenigstens drei Werkstückkontaktierungen verwendet, die entlang einer Ringform um die Schweißstelle herum elektrisch leitend mit dem Werkstück verbunden angeordnet sind; dabei erfolgt eine Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen derart, dass der Schweißstrom zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt.
Durch diese Gestaltung lässt sich eine vorteilhafte Rotation des Lichtbogens erzielen, ohne dass hierfür eine magnetische Spule zur Ablenkung des Lichtbogens erforderlich ist; dies ist grundsätzlich vorteilhaft mit Bezug auf den erforderlichen Raumbedarf. Außerdem ist auf diese Weise ein besonders regelmäßiges Starverhalten der Rotationsbewegung des Lichtbogens erzielbar.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen dabei derart, dass der Schweißstrom in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt.
Vorzugsweise erfolgt dabei die Ansteuerung derart, dass innerhalb eines Zeitraums, in dem ein Fließen des Schweißstroms vorgesehen ist, der Schweißstrom über wenigstens eine der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt. Auf diese Weise lässt sich erzielen, dass der Schweißstrom nicht ausgeschaltet und wieder eingeschaltet wird, so dass entsprechende Verluste vermieden oder zumindest reduziert werden können. Außerdem ist dies vorteilhaft mit Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung derart, dass zwischen einem ersten Zeitpunkt, in dem der Schweißstrom lediglich über eine erste der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt und einem späteren zweiten Zeitpunkt, in dem der Schweißstrom lediglich über eine zweite der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt, der Schweißstrom in einem dritten Zeitpunkt, der zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt liegt, sowohl über die erste Werkstückkontaktierung, als auch über die zweite Werkstückkontaktierung fließt. So lässt sich insbesondere ein ungewolltes Aus- und Einschalten des Schweißstroms zuverlässig verhindern.
Vorzugsweise wird eine Position des Lichtbogens bestimmt, insbesondere mit Hilfe eines optischen und/oder magnetischen Sensors. Durch eine solche Bestimmung der Lichtbogenposition lässt sich erfassen, ob sich der Lichtbogen in einer gewünschten Soll-Position befindet oder in einer anderen Position, die von der Soll-Position abweicht. Somit ist durch die Erfassung der Lichtbogenposition im Fall einer Abweichung von der Soll-Position die Grundlage für eine Beeinflussung des Lichtbogens zur Korrektur der Position ermöglicht.
Vorzugsweise wird dabei in einem Fall einer Abweichung der mit Hilfe des Sensors bestimmten Position von einer Soll-Position des Lichtbogens der Schweißstrom derart über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen geleitet, dass hierdurch die Abweichung verringert oder aufgehoben wird.
Vorzugsweise wird mit Hilfe einer magnetischen Spule ein Magnetfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens erzeugt oder für eine Ablenkung eines Hilfslichtbogens, wobei der Hilfslichtbogen durch einen Vorstrom gezündet wird, der zeitlich vor dem Schweißstrom fließt, insbesondere bei bzw. nach einem Abheben des Schweißelements von dem Werkstück zur Vorbereitung einer Zündung des Lichtbogens durch den Schweißstrom.
Vorzugsweise wird mit Hilfe mehrerer magnetischer Spulen ein Drehfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens erzeugt, wobei das Drehfeld insbesondere mit dem Fluss des Schweißstroms über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen synchronisiert erzeugt wird.
Vorzugsweise wird mit Hilfe mehrerer magnetischer Spulen ein Drehfeld für eine Ablenkung eines Hilfslichtbogens erzeugt wird, wobei der Hilfslichtbogen durch einen Vorstrom gezündet wird, der zeitlich vor dem Schweißstrom fließt, insbesondere nach einem Abheben des Schweißelements von dem Werkstück zur Vorbereitung einer Zündung des Lichtbogens durch den Schweißstrom.
Vorzugsweise wird der Schweißstrom durch eine Wechselstromquelle erzeugt; dies ist beispielsweise vorteilhaft beim Schweißen von Aluminiummaterial. Es lässt sich also trotz Verwendung von Wechselstrom ein rotierender Lichtbogen mit den damit verbundenen Vorteilen erzeugen. Dies ist möglich, weil die Polarität des Schweißstroms keinen Einfluss auf die Richtung der Blaswirkung hat.
Insbesondere kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Polarität der magnetischen Spule synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird bzw. dass die Richtung des Drehfelds synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird.
Vorzugsweise werden die elektrischen Widerstände an den wenigstens drei Werkstückkontaktierungen gemessen, insbesondere für eine Freigabe des Schweißstroms. Hierdurch lässt sich das Verfahren besonders sicher und zuverlässig gestalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement und einem Werkstück an einer Schweißstelle mit Hilfe eines Schweißstroms vorgesehen, die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen zum Leiten des Schweißstroms aufweist, wobei die Werkstückkontaktierungen elektrisch leitend mit dem Werkstück verbunden sind und dabei ringartig um die Schweißstelle herum angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung dabei außerdem eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen auf, derart, dass der Schweißstrom - insbesondere in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge - zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen fließt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung dabei eine Schutzgasglocke auf, wobei die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen am Umfang der Schutzgasglocke angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen optischen oder magnetischen Sensor zur Bestimmung einer Position des Lichtbogens auf.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Energiequelle in Form einer Wechselstromquelle zur Erzeugung des Schweißstroms auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a bis 1h Skizzen zu einer zeitlichen Abfolge des Schweißstroms über vier Werkstückkontaktierungen und die hierdurch hervorgerufene Beeinflussung des Lichtbogens,
2 eine Skizze zu einer anmeldungsgemäßen Schweißvorrichtung,
3a bis 3d Diagramme zu unterschiedlichen Gestaltungen der zeitlichen Abfolge des Schweißstroms über die vier Werkstückkontaktierungen,
4a bis 7b Skizzen zur Blaswirkung, und
8 eine Skizze zu einer Ausgestaltung mit optischen Sensoren zur Erfassung einer Position des Lichtbogens.

In 1a ist eine schematische Skizze zu einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement 7 - hier exemplarisch in Form eines Bolzens 7 - und einem Werkstück 4 an einer Schweißstelle 12 mit Hilfe eines Schweißstroms gezeigt. Die Blickrichtung weist dabei entlang der Längsachse des Bolzens 7. 2 zeigt eine entsprechende Skizze, in der jedoch noch weitere Elemente der Vorrichtung gezeigt sind. Durch den Schweißstrom wird - wie als solches bekannt - ein Lichtbogen 11 gebildet, der zum Schmelzen eines Stirnflächenbereichs des Bolzens 7 führt.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Schweißkopf oder um eine Schweißpistole handeln. Die Vorrichtung kann eine Schutzgasglocke aufweisen. Allerdings ist eine Schutzgasglocke nicht zwingend erforderlich.
Im Allgemeinen kann es sich bei dem Schweißelement 7 - wie eingangs erwähnt - beispielsweise um einen Bolzen, eine Mutter, einen Stift, eine Innengewindebuchse oder ein nicht symmetrisches Schweißelement handeln.
Anmeldungsgemäß sind zur Ablenkung des Lichtbogens 11 wenigstens drei Werkstückkontaktierungen vorgesehen, im gezeigten Beispiel exemplarisch vier Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4, die elektrisch leitend mit dem Werkstück 4 verbunden angeordnet sind, und zwar entlang einer Ringform um die Schweißstelle 12 herum. Dabei ist die Gestaltung derart, dass der Schweißstrom über die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 fließen kann. Im gezeigten Beispiel gibt es dementsprechend eine erste Werkstückkontaktierung 5.1, eine zweite Werkstückkontaktierung 5.2, eine dritte Werkstückkontaktierung 5.3 und eine vierte Werkstückkontaktierung 5.4.
Die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 können an der Vorrichtung montiert angeordnet sein, also beispielsweise an dem Schweißkopf oder an der Schweißpistole, und zwar auch für den Fall, dass die Vorrichtung keine Schutzgasglocke aufweist.
Aufgrund der Ringform lässt sich eine Reihenfolge der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 festlegen, und zwar eine der Ringform umlaufend folgende Reihenfolge. Im gezeigten Beispiel und mit Bezug auf die 1a lässt sich also eine - hier beispielhaft entgegen dem Uhrzeigersinn - umlaufende Reihenfolge wie folgt festlegen: erste Werkstückkontaktierung 5.1, zweite Werkstückkontaktierung 5.2, dritte Werkstückkontaktierung 5.3 und vierte Werkstückkontaktierung 5.4.
Vorzugsweise sind die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 derart angeordnet, dass sie alle denselben Abstand zu der Schweißstelle 12 aufweisen. Insbesondere sind die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 gleichmäßig über die Ringform verteilt angeordnet. Die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 können insbesondere alle baugleich ausgeführt sein.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung - wie in 2 skizziert - eine Steuervorrichtung 9 zur Ansteuerung der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 und zwar derart, dass der Schweißstrom - insbesondere in einer, der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge - zeitlich nacheinander über die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 fließt. Dies ist in den 1a bis 1h angedeutet. Dabei bedeutet das Symbol „+“, dass die betreffende Werkstückkontaktierung aktiviert ist, also für den Schweißstrom leitend geschaltet ist. Das Symbol „0“ bedeutet, dass die betreffende Werkstückkontaktierung inaktiviert ist, also für den Schweißstrom nicht leitend geschaltet ist. Dabei ist exemplarisch die oben beispielhaft erwähnte Reihenfolge gewählt.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement, also beispielsweise einem Bolzen 7 und einem Werkstück 4 an einer Schweißstelle 12 mit Hilfe eines Schweißstroms weist dementsprechend den folgenden Schritt auf: Ablenkung eines durch den Schweißstrom erzeugten Lichtbogens, wobei zur Ablenkung des Lichtbogens wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 verwendet werden, die entlang einer Ringform um die Schweißstelle 12 herum elektrisch leitend mit dem Werkstück 4 verbunden angeordnet sind, wobei eine Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 derart erfolgt, dass der Schweißstrom zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 fließt.
Insbesondere kann zur Realisierung der entsprechenden Schaltungen die Steuereinrichtung 9 - wie in 2 skizziert - Transistoren 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 aufweisen, insbesondere für jede der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 genau einen der Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, der elektrisch leitend mit der jeweiligen Werkstückkontaktierung verbunden ist.
Eine mögliche Art der Ansteuerung ist in 3b gezeigt. Hierbei wird - wie in der Zeile „5.1“ durch ein schwarzes Kästchen symbolisiert - in einem ersten Zeitintervall lediglich die erste Werkstückkontaktierung 5.1 aktiviert, die restlichen Werkstückkontaktierungen 5.2, 5.3 und 5.4 sind inaktiviert. Dies entspricht dem in 1a gezeigten Zustand. Insbesondere ist dabei die erste Werkstückkontaktierung 5.1 über das gesamte erste Zeitintervall hinweg ohne Unterbrechung aktiviert. Innerhalb des ersten Zeitintervalls findet sich somit ein erster Zeitpunkt t1, in dem der Schweißstrom lediglich über die erste Werkstückkontaktierung 5.1 fließt.
Wie in 3b angedeutet, folgt auf das erste Zeitintervall unmittelbar ein zweites Zeitintervall und auf dieses unmittelbar ein drittes Zeitintervall u. s. w. Insbesondere sind die Zeitintervalle dabei alle gleich lang.
Im dritten Zeitintervall wird lediglich die zweite Werkstückkontaktierung 5.2 aktiviert, die restlichen Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.3 und 5.4 sind inaktiviert. Dies entspricht dem in 1c gezeigten Zustand. Dementsprechend findet sich ein, im Vergleich zu dem ersten Zeitpunkt späterer zweiter Zeitpunkt t2, in dem der Schweißstrom lediglich über die zweite Werkstückkontaktierung 5.2 fließt. (Im gezeigten Beispiel liegt der zweite Zeitpunkt t2 also innerhalb des dritten Zeitintervalls). Im fünften Zeitintervall wird lediglich die dritte Werkstückkontaktierung 5.3 aktiviert, die restlichen Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2 und 5.4 sind inaktiviert und im siebten Zeitintervall wird lediglich die vierte Werkstückkontaktierung 5.4 aktiviert, die restlichen Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2 und 5.3 sind inaktiviert.
Zwischen den genannten Zeitintervallen 1, 3, 5 und 7 findet sich jeweils ein dazwischen liegendes weiteres Zeitintervall, in dem jeweils zwei Werkstückkontaktierungen aktiviert sind, und zwar diejenige, die in dem unmittelbar vorangehenden Zeitintervall aktiviert ist und diejenige, die in dem unmittelbar folgenden Zeitintervall aktiviert ist. Hierbei sind die restlichen Werkstückkontaktierungen wiederum inaktiviert. In 3b ist dies durch schraffierte Kästchen entsprechend symbolisiert.
So sind - entsprechend der Darstellung in 1b - in dem zweiten Zeitintervall die erste Werkstückkontaktierung 5.1 und die zweite Werkstückkontaktierung 5.2 aktiviert, während die dritte Werkstückkontaktierung 5.3 und die vierte Werkstückkontaktierung 5.4 inaktiviert sind u. s. w. Somit findet sich insbesondere ein dritter Zeitpunkt t3 (im gezeigten Beispiel innerhalb des zweiten Zeitintervalls), der zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 liegt, in dem der Schweißstrom sowohl über die erste Werkstückkontaktierung 5.1, als auch über die zweite Werkstückkontaktierung 5.2 fließt.
Nach Ablauf des achten Zeitintervalls hat der Schweißstrom sozusagen einmal der Ringform folgend die Schweißstelle 12 „umrundet“, also einen „Umlauf“ um die Schweißstelle 12 herum zurückgelegt. Natürlich ergäbe sich für die Anzahl der Zeitintervalle für einen Umlauf für einen Fall, in dem die Anzahl der Werkstückkontaktierungen insgesamt drei beträgt, sechs. Allgemeiner formuliert ergibt sich für die Anzahl der Zeitintervalle eines Umlaufs für einen Fall, in dem die Anzahl der Werkstückkontaktierungen insgesamt x beträgt, 2x.
Innerhalb eines jeden Zeitintervalls ist der Aktivierungszustand der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 unverändert. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass in jedem Zeitpunkt der acht Zeitintervalle der Schweißstrom fließen kann, also nicht unterbrochen wird. Dies ist vorteilhaft, weil sich auf diese Weise Aus- und Einschaltverluste praktisch vermeiden oder zumindest reduzieren lassen. Darüber hinaus ist dies auch vorteilhaft mit Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit der Vorrichtung.
Aufgrund der beschriebenen Ansteuerung der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 ergibt sich eine Blaswirkung auf den Lichtbogen 11, die dergestalt ist, dass der Lichtbogen 11 ebenfalls umläuft, natürlich auf einer kleineren Umlaufbahn, so dass der Stirnflächenbereich des Bolzens 7 besonders gleichmäßig angeschmolzen werden kann.
Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass zur Herstellung der Schweißverbindung der Schweißstrom bzw. der Lichtbogen 11 mehr als einen Umlauf zurücklegen. Vorzugsweise ist dementsprechend für ein Fließen des Schweißstroms insgesamt ein Zeitraum vorgesehen, der länger ist als die genannten Zeitintervalle zusammengenommen. Dabei erfolgt die Ansteuerung vorzugsweise derart, dass innerhalb dieses Zeitraums der Schweißstrom über wenigstens eine der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 fließt, also ohne Unterbrechung. Dies lässt sich insbesondere dadurch erzielen, dass nach dem achten Zeitintervall - bzw. allgemeiner nach dem letzten Zeitintervall eines Umlaufs - unmittelbar mit einer Wiederholung der Ansteuerung begonnen wird, und zwar beginnend mit dem ersten Zeitintervall.
Insbesondere können also insgesamt mehrere Umläufe vorgesehen sein, beispielsweise mehr als fünfzig. Dabei kann für die Umläufe beispielsweise eine Frequenz zwischen 100 Hz und 1 Hz vorgesehen sein.
Das so erzielte Umlaufen des Lichtbogens 11 wird grundsätzlich auch beim eingangs erwähnten Bolzenschweißen mit Hubzündung und rotierendem Lichtbogen erzielt. Allerdings lässt sich mit dem hier gezeigten Verfahren durch die Ansteuerung der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 die Beeinflussung des Lichtbogens 11 besonders geeignet und gezielt steuern, insbesondere über ein entsprechendes Schalten der genannten Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. Die Umlaufzeit des Lichtbogens 11 lässt sich dabei praktisch beliebig einstellen, insbesondere prinzipiell unabhängig von der Stärke des Schweißstroms. Auch die Umlaufrichtung lässt sich durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 frei wählen.
Die an sich eigentlich unerwünschte Blaswirkung lässt sich durch das hier vorgestellte Verfahren gezielt nutzen. Dabei ist es nicht erforderlich, ein externes Magnetfeld anzulegen.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Widerstände über die einzelnen Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 gemessen werden, bevor der Schweißstrom eingeschaltet wird - zur Freigabe des Schweißprozesses.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Fluss des Schweißstroms während des Umschaltens der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 geprüft bzw. gemessen wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Fluss des Schweißstroms in einem Zeitintervall bzw. in einem Zeitpunkt gemessen wird, in dem vorgesehen ist, dass der Schweißstrom gleichzeitig über zwei der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 fließt, wobei der Schweißprozess abgebrochen wird, falls kein Schweißstrom über denjenigen der beiden Werkstückkontakte fließt, für den entsprechend der vorgesehenen Reihenfolge die zeitlich spätere Aktivierung vorgesehen ist.
In 3a ist eine alternative mögliche Art der Ansteuerung gezeigt. Hierbei ist der zeitliche „Überhang“ bzw. der Zeitraum, in dem zwei benachbarte Werkstückkontaktierungen gleichzeitig aktiviert sind, deutlich kleiner als bei dem in 3b gezeigten Beispiel. Der „Überhang“ bzw. die zeitliche Überlappung ist, wie oben bereits grundsätzlich dargestellt, vorteilhaft, weil hierdurch ein Ausschalten und Einschalten des Schweißstroms während des für das Fließen des Schweißstroms vorgesehenen Zeitraums vermieden werden kann.
Gemäß der in den 3a und 3b gezeigten Gestaltungen ist vorgesehen, dass die Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 derart erfolgt, dass der Schweißstrom in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 fließt. Allerdings ist es im Allgemeinen nicht erforderlich, dass eine solche der Ringform folgende Reihenfolge eingehalten wird. Dies sei exemplarisch anhand der 3c illustriert. Wie dort - analog zu 3b angedeutet - kann beispielsweise vorgesehen sein, dass innerhalb eines „Umlaufs“ zunächst die Werkstückkontaktierung 5.3 angesteuert wird, anschließend die - in diesem Fall gegenüberliegende - Werkstückkontaktierung 5.1, dann die Werkstückkontaktierung 5.4 und schließlich die Werkstückkontaktierung 5.2. Vorzugsweise ist die Gestaltung jedoch, auch in einem solchen Fall, derart, dass jede der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 über mehrere Umläufe gleich oft angesteuert wird.
Wie in 2 beispielhaft gezeigt, umfasst eine anmeldungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Energiequelle 1, die eine elektrische Spannung zur Durchführung des Schweißprozesses zur Verfügung stellt. Bei der Energiequelle kann es sich im Allgemeinen insbesondere um eine Gleichstromquelle oder um eine Wechselstromquelle handeln. Die Energiequelle 1 ist elektrisch leitend über einen Leitungswiderstand 2 und eine Leitungsinduktivität 3 mit dem Bolzen 7 verbunden.
Die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 können vorteilhaft am Umfang einer Schutzgasglocke 6 isolierend angebracht sein, beispielsweise auf einer nach außen weisenden Oberfläche der Schutzgasglocke 6.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung insbesondere die bereits erwähnte Steuereinrichtung 9, insbesondere mit einer Ansteuerelektronik 10 zur Ansteuerung der bereits genannten Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. Die Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4. dienen also dazu, den Schweißstrom auf die Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 wie oben beschrieben zu verteilen. Über einen gemeinsamen Anschluss fließt der Strom dann zur Energiequelle 1 zurück.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin wenigstens einen optischen oder magnetischen Sensor zur Bestimmung einer Position des Lichtbogens 11 auf. Beispielsweise kann - wie in 8 in einer schematischen Querschnittskizze gezeigt - die Vorrichtung, wie als solches bekannt, einen Schweißelementhalter 13 - hier in Form eines Bolzenhalter 13 - zum Halten des Schweißelements bzw. Bolzens 7 aufweisen, wobei dann ein optischer Sensor 12 an einer Stelle am Umfang des Bolzenhalters 13 angeordnet ist und eine durch den Lichtbogen 11 erzeugte Helligkeit erfasst. Vorzugsweise sind mehrere, insbesondere wenigstens drei derartige optische Sensoren 12, 12' über den Umfang des Bolzenhalters 13 gleichmäßig verteilt vorgesehen. Bei Verwendung der oben erwähnten Schutzgasglocke 6 ist der wenigstens eine Sensor 12, 12' vorzugsweise derart positioniert angeordnet, dass er sich - bei Betrachtung entlang der Längsachse des Bolzens 7 - innerhalb des von der Schutzgasglocke 6 umschlossenen Raums befindet. Mit dem Bezugszeichen 14 ist ein als solcher bekannter Stößel bezeichnet, der zum Abstoßen des Bolzens 7 am Ende des Schweißprozesses dient.
Alternativ kann zur Bestimmung der Position des Lichtbogens 11 auch wenigstens ein magnetischer Sensor, insbesondere entsprechend verteilt am Umfang des Bolzenhalters 13 angeordnet vorgesehen sein.
Durch eine Bestimmung der Position des Lichtbogens 11 lässt sich insbesondere ermitteln, ob sich der Lichtbogen 11 in einer gewünschten Soll-Position befindet oder in einer anderen Position, die von der Soll-Position abweicht. Wenn die erfasste Position des Lichtbogens 11 von der Soll-Position abweicht, kann der Schweißstrom vorteilhaft derart über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 geleitet werden, dass hierdurch die Abweichung verringert oder aufgehoben wird. Dies sei anhand der 3d - analog der Darstellung in 3a - exemplarisch illustriert: Demnach können die Aktivierungszustände der Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 innerhalb eines Umlaufs bei einer Abweichung von der Soll-Position unterschiedlich lange dauern, um so die Ist-Position der Soll-Position anzunähern.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Schweißstrom durch eine Wechselstromquelle erzeugt wird. Insbesondere kann hierzu die Energiequelle 1 eine Wechselstromquelle sein. Dies ist insbesondere geeignet möglich, weil die Polarität des Schweißstroms keinen Einfluss auf die Richtung der Kraft der Blaswirkung hat.
Bei Verwendung von Wechselstrom sind die Transistoren 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 vorzugsweise als bidirektionale Schalter ausgestaltet.
Wenngleich zur Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens, wie erwähnt, kein externes Magnetfeld erzeugt werden muss, so kann dennoch vorgesehen sein, dass mit Hilfe einer magnetischen Spule ein Magnetfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens 11 erzeugt wird, insbesondere ein radialsymmetrisches Magnetfeld, wie es als solches aus dem so genannten SRM-Schweißen (SRM, Studwelding in Radially Symmetrical Magnetic Field) bekannt ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass entsprechend mit Hilfe der magnetischen Spule ein Magnetfeld für eine Ablenkung eines Hilfs- bzw. Pilotlichtbogens erzeugt wird, wobei der Hilfslichtbogen durch einen Vorstrom gezündet wird, der zeitlich vor dem „eigentlichen“ Schweißstrom fließt, insbesondere bei bzw. nach einem Abheben des Bolzens 7 von dem Werkstück 4 zur Vorbereitung einer Zündung des Lichtbogens 11 durch den Schweißstrom, also insbesondere bei einem Verfahren mit Hubzündung.
Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass eine wechselnde dynamische Ansteuerung erfolgt, und zwar abhängig von einer Phase des Schweißprozesses. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Vorstrom wie oben beschrieben über die Werkstückkontaktierungen geleitet wird, so dass der durch den Vorstrom gezündete Hilfs- bzw. Pilotlichtbogen entsprechend abgelenkt wird, während anschließend der „eigentliche“ Schweißstrom durch die genannte magnetische Spule beeinflusst wird.
Falls Wechselstrom verwendet wird, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Polarität der magnetischen Spule synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mit Hilfe mehrerer magnetischer Spulen ein Drehfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens 11 erzeugt wird, wobei das Drehfeld insbesondere mit dem Fluss des Schweißstroms über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 synchronisiert erzeugt wird. Beispielsweise können zur Erzeugung des Drehfelds wenigstens drei Elektromagneten, beispielsweise vier Elektromotoren um die Schweißstelle herum angeordnet werden und dann so angesteuert werden, dass das gewünschte Drehfeld erzeugt wird.
Auch in diesem Fall kann vorgesehen sein, dass eine wechselnde dynamische Ansteuerung erfolgt, und zwar abhängig von einer Phase des Schweißprozesses. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Vorstrom wie oben beschrieben über die Werkstückkontaktierungen geleitet wird, so dass der durch den Vorstrom gezündete Hilfs- bzw. Pilotlichtbogen entsprechend abgelenkt wird, während anschließend der „eigentliche“ Schweißstrom durch das Drehfeld beeinflusst wird.
Falls Wechselstrom verwendet wird, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Richtung des Drehfelds synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004051389 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement (7) und einem Werkstück (4) an einer Schweißstelle (12) mit Hilfe eines Schweißstroms, aufweisend den Schritt - Ablenkung eines durch den Schweißstrom erzeugten Lichtbogens (11), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablenkung des Lichtbogens (11) wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) verwendet werden, die entlang einer Ringform um die Schweißstelle (12) herum elektrisch leitend mit dem Werkstück (4) verbunden angeordnet sind, wobei eine Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) derart erfolgt, dass der Schweißstrom zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) derart erfolgt, dass der Schweißstrom in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung derart erfolgt, dass innerhalb eines Zeitraums, in dem ein Fließen des Schweißstroms vorgesehen ist, der Schweißstrom über wenigstens eine der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung derart erfolgt, dass zwischen einem ersten Zeitpunkt (t1), in dem der Schweißstrom lediglich über eine erste der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1) fließt und einem späteren zweiten Zeitpunkt (t2), in dem der Schweißstrom lediglich über eine zweite der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.2) fließt, der Schweißstrom in einem dritten Zeitpunkt (t3), der zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) liegt, sowohl über die erste Werkstückkontaktierung (5.1), als auch über die zweite Werkstückkontaktierung (5.2) fließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position des Lichtbogens (11) bestimmt wird, insbesondere mit Hilfe eines optischen und/oder magnetischen Sensors (12, 12').
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fall einer Abweichung der mit Hilfe des Sensors bestimmten Position von einer Soll-Position des Lichtbogens (11) der Schweißstrom derart über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) geleitet wird, dass hierdurch die Abweichung verringert oder aufgehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer magnetischen Spule ein Magnetfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens (11) oder eine Ablenkung eines Hilfslichtbogens erzeugt wird, wobei der Hilfslichtbogen durch einen Vorstrom gezündet wird, der zeitlich vor dem Schweißstrom fließt, insbesondere bei bzw. nach einem Abheben des Schweißstroms (7) von dem Werkstück (4) zur Vorbereitung einer Zündung des Lichtbogens (11) durch den Schweißstrom.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mehrerer magnetischer Spulen ein Drehfeld für eine weitere Ablenkung des Lichtbogens (11) erzeugt wird, wobei das Drehfeld insbesondere mit dem Fluss des Schweißstroms über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) synchronisiert erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mehrerer magnetischer Spulen ein Drehfeld für eine Ablenkung eines Hilfslichtbogens erzeugt wird, wobei der Hilfslichtbogen durch einen Vorstrom gezündet wird, der zeitlich vor dem Schweißstrom fließt, insbesondere nach einem Abheben des Schweißelements (7) von dem Werkstück (4) zur Vorbereitung einer Zündung des Lichtbogens (11) durch den Schweißstrom.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrom durch eine Wechselstromquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in seiner Rückbeziehung auf den Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarität der magnetischen Spule synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in seiner Rückbeziehung auf den Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Drehfelds synchron mit dem Wechsel des Wechselstroms gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände an den wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) gemessen werden, insbesondere für eine Freigabe des Schweißstroms.
Vorrichtung zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Schweißelement (7) und einem Werkstück (4) an einer Schweißstelle (12) mit Hilfe eines Schweißstroms, gekennzeichnet durch - wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) zum Leiten des Schweißstroms, wobei die Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) elektrisch leitend mit dem Werkstück (4) verbunden sind und dabei ringartig um die Schweißstelle (12) herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch - eine Steuereinrichtung (9) zur Ansteuerung der wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) derart, dass der Schweißstrom - insbesondere in einer der Ringform umlaufend folgenden Reihenfolge - zeitlich nacheinander über die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch - eine Schutzgasglocke (6), wobei die wenigstens drei Werkstückkontaktierungen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) am Umfang der Schutzgasglocke (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch - einen optischen oder magnetischen Sensor (12, 12') zur Bestimmung einer Position des Lichtbogens (11).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch - eine Energiequelle (1) in Form einer Wechselstromquelle zur Erzeugung des Schweiß stroms.