DE102018106785B4

DE102018106785B4 - Bolzenschweißverfahren sowie Schweißvorrichtung und Roboter

Info

Publication number: DE102018106785B4
Application number: DE102018106785.2A
Authority: DE
Inventors: Lothar Petri
Original assignee: Nelson Stud Welding Inc
Current assignee: Nelson Stud Welding Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: WO2019179872A2; WO2019179872A3; EP3768456A2; DE102018106785A1

Abstract

Bolzenschweißverfahren, umfassend folgende Verfahrensschritte:a) Anordnen eines Schweißbolzens (B) in einem Bolzenhalter (H);b) Positionieren des Bolzens (B) so, dass er die Oberfläche (O) eines Werkstücks (W) kontaktiert;c) Bewegen eines den Bolzenhalter (H) verschieblich aufnehmenden Grundkörpers (T) zum Werkstück (W) hin um ein vorgebbares Absenkmaß (e);d) Fixierung des Bolzens (B) relativ zum Grundkörper (T) durch Fixiermittel (F);e) Abheben des Bolzens (B) von der Werkstückoberfläche (O) durch Bewegung des Grundkörpers (T) vom Werkstück (W) weg um ein vorgebbares Hubmaß (e) zur Erzeugung eines Lichtbogens;f) Lösen der Fixierung (F) und Heranführen des Bolzens (B) an das Werkstück (W), um beide miteinander zu verschweißen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bolzenschweißverfahren, eine zugehörige Schweißvorrichtung zum automatisierten Bolzenschweißen und einen Roboter mit einer entsprechenden Vorrichtung.
Beim Bolzenschweißen mittels Lichtbogen wird zwischen dem Bolzen und dem mit diesem zu verschweißenden Werkstück ein Lichtbogen erzeugt, der den Bolzen und das Werkstück lokal erhitzt und soweit verflüssigt, dass nach dem Eintauchen des Bolzens in das Schweißbad des Werkstücks und nachfolgende Abkühlung eine stabile Schweißverbindung entsteht. Der Lichtbogen wird erzeugt, indem der Bolzen zunächst die Werkstückoberfläche berührt und ein geringerer Vorstrom vom Bolzen in das Werkstück fließt. Dann wird der Bolzen um ein vorgebbares Maß von der Werkstückoberfläche abgehoben und der Hauptstrom zugeschaltet, um für eine ebenfalls vorgebbare Dauer (Schweißzeit) den eigentlichen Lichtbogen zwischen Bolzenspitze und Werkstück zu erzeugen. Mit Ablauf der Schweißzeit wird der Bolzen dann auf das Werkstück abgesenkt (Absenkbewegung) und um ein ebenfalls vorgebbares Maß in das Schweißbad bzw. die Werkstückoberfläche eingetaucht.
Die Hub- und Senkbewegungen des Bolzens werden in der Regel von den Komponenten eines Schweißkopfes oder einer Bolzenschweißpistole durchgeführt, wobei im Falle des Schweißkopfes dieser seinerseits an die Schweißposition bewegt werden muss, was in der Regel über einen Roboter geschieht. Die Erfassung und Kontrolle der einzelnen Hubmaße erfolgt dabei im Schweißkopf. Dies erfordert Komponenten wie einen servo-elektromagnetischen Antrieb und ein Wegmess-System für die Relativbewegungen des Bolzens. Aus dem Stand der Technik sind ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem beschriebenen Funktionsprinzip aus DE 10 2011 121 692 A1 bekannt.
Weitere Bolzenschweißverfahren und -vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus DE 102 07 726 A1 , DE 101 44 256 A1 , DE 10 2004 056 021 A1 , DE 10 2013 201 463 A1 , DE 295 18 041 U1 , DE 43 24 223 A1 oder US 5 130 510 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzubieten, welche den vorgenannten Schweißablauf vereinfacht bzw. teilautomatisiert, um die Positionierung des Schweißkopfes bzw. dessen Aufbau zu vereinfachen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bolzenschweißverfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 9 sowie einen Roboter mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die Absenkbewegung, bei der der vom Werkstück abgehobene Bolzen um ein Absenkmaß bis in das Schweißbad auf dem Werkstück abgesenkt werden soll, durch mechanische Mittel zu automatisieren, ohne dass dazu ein den gesamten Schweißkopf tragender Roboter bewegt werden müsste. Stattdessen wird der Bolzen relativ zu einem zum Schweißkopf gehörenden Grundkörper zunächst in eine erste Richtung um ein Absenkmaß verschoben und dabei in die Gegenrichtung mit einer Rückstellkraft vorgespannt. In dieser Position wird der Bolzen anschließend relativ zum Grundkörper fixiert und zur Erzeugung des Lichtbogens vom Werkstück abgehoben, indem der Grundkörper mitsamt dem temporär an ihm fixierten Bolzen um ein vorgebbares Hubmaß vom Werkstück abgehoben wird.
Nach Ablauf der Schweißzeit kann der Grundkörper (und mit ihm der Schweißkopf und ein diesen tragender Roboterarm) im Wesentlichen ortsfest verbleiben, also seine Relativposition gegenüber dem Werkstück nicht verändern. Stattdessen wird die Fixierung des vorgespannten Bolzens relativ zum Grundkörper gelöst, sodass sich der Bolzen unter Nutzung der zuvor eingebrachten Rückstellkraft auf das Werkstück absenkt, und zwar um genau das zuvor „gespeicherte“ Absenkmaß. Eine Bewegung des Schweißkopfes bzw. eines diesen tragenden Roboters ist für diesen Verfahrensschritt vorteilhafterweise nicht nötig. Stattdessen wird der Bolzen durch den vorgenannten Mechanismus automatisch bis auf das Werkstück und zusätzlich um die gewünschte Eintauchtiefe in das Schweißbad auf der Werkstückoberfläche hineingeschoben, wonach die Schweißverbindung auskühlen kann. Erst dann muss der Schweißkopf bzw. der Roboter wieder bewegt werden, etwa um einen neuen Schweißbolzen im Bolzenhalter des Schweißkopfes anzuordnen und/oder um den Schweißkopf an einer neuen Schweißposition zu platzieren.
Bei Positionierung des Schweißkopfes mittels eines Roboters kann auf einen dazu separaten servo-elektromagnetischen Antrieb und ein (bevorzugt digitales) Wegmess-System für die Relativbewegungen des Bolzens im Schweißkopf verzichtet werden, wodurch sich eine erhebliche Kostenersparnis und Reduktion der Komplexität der Konstruktion des Schweißkopfes ergibt. Zudem können erfindungsgemäß auch Bolzen im größeren Durchmesserbereich verschweißt werden, was bislang nur manuell mittels Schweißpistole erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher insbesondere folgende Verfahrensschritte:

a) Anordnen eines Schweißbolzens in einem Bolzenhalter;
b) Positionieren des Bolzens so, dass er die Oberfläche eines Werkstücks kontaktiert;
c) Bewegen eines den Bolzenhalter verschieblich aufnehmenden Grundkörpers zum Werkstück hin um ein vorgebbares Absenkmaß;
d) Fixierung des Bolzens relativ zum Grundkörper durch Fixiermittel;
e) Abheben des Bolzens von der Werkstückoberfläche durch Bewegung des Grundkörpers vom Werkstück weg um ein vorgebbares Hubmaß zur Erzeugung eines Lichtbogens;
f) Lösen der Fixierung und Heranführen des Bolzens an das Werkstück, um beide miteinander zu verschweißen;

Der Bolzenhalter bildet einen Teil des Schweißkopfes und nimmt den zu verschweißenden Bolzen auf, wobei der Bolzenhalter insbesondere zur Einleitung des Schweißstroms in den Bolzen dient. Zugleich ist der Bolzenhalter erfindungsgemäß verschieblich relativ zum Grundkörper an diesem angeordnet. In Vorbereitung des Schweißverfahrens kann der Grundkörper - zunächst ohne Relativbewegung zwischen Bolzenhalter und Grundkörper - zu Beginn so verfahren werden, dass der Bolzen bis auf die Werkstückoberfläche abgesenkt wird und diese kontaktiert. Die Position bzw. der Abstand des Grundkörpers zum Werkstück im Moment des Kontakts zwischen Bolzen und Werkstück wird erfasst und in einer den Roboter steuernden Steuereinheit hinterlegt.
Sodann, übereinstimmend mit Merkmal c), wird der Grundkörper des Schweißkopfes durch geeignete Ansteuerung des diesen tragenden Roboters um ein vorgebbares Absenkmaß e₁ zum Werkstück hin bewegt. Da der Bolzen das Werkstück bereits kontaktiert, wird er sich gemeinsam mit dem Bolzenhalter relativ zum Grundkörper verschieben, jedoch seine Lage relativ zum Werkstück nicht ändern. Das Absenkmaß e₁, um welches der Grundkörper bei am Werkstück anliegendem Bolzen zum Werkstück hin verschoben wird, setzt sich zusammen aus dem zur nachfolgenden Erzeugung des Lichtbogens erforderlichen Hubmaß e₂ und einer Eintauchtiefe, mit welcher der Bolzen nach erfolgter Plastifizierung in das Werkstück bzw. das Schweißbad eintauchen soll.
Anschließend, gemäß Merkmal d), wird der Bolzen relativ zum Grundkörper fixiert, sodass eine weitere Relativbewegung gegenüber dem Grundkörper unterbunden wird.
Gemäß Merkmal e) wird der Grundkörper um das Hubmaß e₂ wieder vom Werkstück weg bewegt, was aufgrund des nun fixierten Bolzens dazu führt, dass auch die Bolzenspitze um das Hubmaß e₂ von der Werkstückoberfläche abgehoben wird. Während oder nach dieser Hubbewegung wird der Lichtbogen erzeugt, welcher den Bolzen an seiner dem Werkstück zugewandten Spitze aufschmilzt und auch auf der Werkstückoberfläche ein Schweißbad erzeugt.
Schließlich wird, gemäß Merkmal f), die Fixierung zwischen Grundkörper und Bolzen gelöst, sodass der Bolzen die zuvor erfolgte relative Verschiebung zwischen Bolzen und Grundkörper in umgekehrter Richtung wieder ausführen kann, sich also um das Absenkmaß e₁ wieder in Richtung auf und bis in die Werkstückoberfläche hineinbewegen kann, ohne dass hierzu der Grundkörper bzw. der Schweißkopf durch Roboterbewegungen verfahren werden müsste.
Zweckmäßigerweise ist der Bolzen relativ zum Grundkörper gegen eine Rückstellkraft verschiebbar, sodass die Rückstellkraft den Bolzen nach Lösen der Fixierung zum Werkstück hintreibt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Bolzen nach gelöster Fixierung selbsttätig, unter Abbau der zuvor eingebrachten Rückstellkraft, auf das Werkstück zubewegt wird und in dieses eintaucht. Allein durch Lösen der Fixierung, ohne erforderliche Bewegungen des Schweißkopfes relativ zum Werkstück, kann daher das Eintauchen des Bolzens automatisiert erfolgen. Da die Relativbewegung gemäß Merkmal c) des obigen Verfahrensablaufs um das Absenkmaß e₁ (Hubmaß + Eintauchtiefe) erfolgte, bewegt sich der Bolzen nach Lösen der Fixierung unter Abbau der Rückstellkraft um genau dieses Maß e₁ wieder zurück zum bzw. in das Werkstück, sodass die gewünschte Position des Bolzens am Werkstück nach dem Auskühlen der Schweißverbindung exakt eingehalten bzw. sichergestellt werden kann.
Zweckmäßigerweise wird die Rückstellkraft in einem Kraftspeicher aufgebaut und gespeichert, wobei es sich insbesondere um eine Feder oder eine Kolben- Zylindereinheit handeln kann. So könnte etwa eine zwischen Grundkörper und Bolzen wirkende Feder dazu dienen, den Bolzen bei Relativverschiebung zum Grundkörper vorzuspannen bzw. wieder in seine Ursprungslage relativ zum Grundkörper zu verschieben nach Lösen der Fixierung. Alternativ kann auch eine Kolben-Zylindereinheit hierfür verwendet werden. Dabei wird der Bolzen temporär mit dem Kolben gekoppelt, sodass eine Verschiebung des Bolzens relativ zum Zylinder das von Kolben und Zylinder eingeschlossene Volumen komprimiert bzw. umgekehrt das eingeschlossene Volumen den Kolben mitsamt dem daran gekoppelten Bolzen zum Druckabbau vorschiebt. Die Kolben-Zylindereinheit hat gegenüber einer Feder den Vorteil, dass auf den Druck des eingeschlossenen Mediums Einfluss genommen werden kann, um etwa eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit oder eine Anpresskraft des Bolzens an das Werkstück sicherstellen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf wenigstens zwei unterschiedlichen Wegen ausführen. So ist es in einer ersten Variante denkbar, den den Bolzen haltenden Bolzenhalter mit einem Kraftspeicher zu koppeln, sodass der Bolzen samt Bolzenhalter gegen eine Rückstellkraft relativ zum Grundkörper verfahrbar ist, und wobei die Rückstellkraft zwischen Bolzenhalter und Grundkörper wirkt. Da eine solche Variante jedoch konstruktive Eingriffe in den Bolzenhalter erfordert, der eigentlich insbesondere der Stromzufuhr in den Bolzen dient, wird die andere, nachfolgend beschriebene Variante bevorzugt.
Dabei sind separat zum Bolzenhalter ausgebildete Greifmittel vorgesehen, welche den (vom Bolzenhalter gehaltenen) Bolzen mittels Greifelementen (bspw. Klemmbacken) nach Bedarf greifen oder freigeben können. Die Greifmittel sind an dem Grundkörper angeordnet, wobei Fixiermittel auf die Greifmittel einwirken. Bei gelösten Fixiermitteln ist eine Bewegung der den Bolzen greifenden Greifmittel relativ zum Grundkörper möglich, während die aktivierte Fixierung diese Bewegung unterbindet. Bspw. könnten die Greifmittel über eine Linearführung an dem Grundkörper angeordnet sein, wobei ein Klemmmechanismus die Greifmittel relativ zum Grundkörper fixieren bzw. freigeben könnte.
Der Greifer dient dazu, die Ausrichtung des Bolzens während des Verfahrens sicherzustellen und ihn mit dem Kraftspeicher zu koppeln, sodass durch Relativbewegung des gegriffenen Bolzens gegenüber dem Grundkörper eine Rückstellkraft im Kraftspeicher aufgebaut oder abgebaut wird. In der bevorzugten Verfahrensvariante greift der Greifer mit seinen Greifelementen den Schweißbolzen, bevor dieser gemäß Merkmal b) auf die Oberfläche des Werkstücks aufgesetzt wird. Der zu diesem Zeitpunkt relativ zum Grundkörper geführte Greifer stellt so sicher, dass der Bolzen am Greifer fixiert ist und seine Ausrichtung (bevorzugt orthogonal zum Werkstück) beibehält. Bei der anschließenden Bewegung des Grundkörpers relativ zum Werkstück gemäß Merkmal c) erzeugt der über den Greifer mit dem Kraftspeicher gekoppelte Bolzen im Kraftspeicher eine Rückstellkraft, die mit Annäherung des Grundkörpers an das Werkstück zunimmt. Erreicht der Grundkörper nach dem Absenken um e₁ seine unterste (dem Werkstück nächstliegende) Position, wird der Bolzen erfindungsgemäß relativ zum Grundkörper fixiert gemäß Merkmal d), indem die Greifmittel am Grundkörper fixiert werden. Der Bolzen wird dadurch quasi „starr“ mit dem Grundkörper verbunden, und die durch die vorherige Relativbewegung im Kraftspeicher erzeugte Rückstellkraft wird zunächst konserviert.
Anschließend erfolgt das Abheben des Bolzens, indem der Grundkörper mit dem nun daran fixierten Greifer vom Werkstück abgehoben wird gemäß Merkmal e). Da der Bolzen von den Greifelementen des Greifers gegriffen wird und dieser seinerseits gegenüber dem Grundkörper temporär fixiert ist, bewegen sich alle für die Bolzenbewegung relevanten Komponenten gemeinsam vom Werkstück fort, sodass auch der Kolben seine Relativposition gegenüber dem vom Grundkörper gehaltenen Zylinder beibehält.
Nach Anheben des Grundkörpers um das Hubmaß e₂ und ggf. Aufbau des Lichtbogens bzw. Ablauf der Schweißzeit kann schließlich die Fixierung des Greifers relativ zum Grundkörper wieder gelöst werden. Dadurch kann der auf den Greifer einwirkende Kolben sich nun relativ zum Zylinder bzw. Grundkörper verschieben, um die im Zylinder „konservierte“ Rückstellkraft abzubauen. Infolgedessen wird der immer noch vom Greifer gehaltene Bolzen um das Absenkmaß e₁ wieder in Richtung auf das Werkstück zugeschoben und in das Schweißbad eingetaucht. Der relativ zum Grundkörper verschieblich gelagerte Bolzenhalter kann diese Bewegung mitvollführen.
Nach Abkühlen der Schweißverbindung kann der Greifer vom angeschweißten Bolzen gelöst werden, sodass der gesamte Schweißkopf verfahren und mit einem neuen Bolzen bestückt bzw. einer neuen Schweißposition zugeführt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, den Bolzen nach Lösen der Fixierung kontrolliert auf das Werkstück zu- bzw. in dieses hineinzubewegen (einzutauchen). Durch Kontrolle der Absenkgeschwindigkeit und/oder des Fügedrucks beim Eintauchen in das Schweißbad kann die Qualität der Schweißverbindung besser kontrolliert werden. Dazu könnte bspw. die Relativbewegung des Kolbens gegenüber dem Zylinder mit einer einstellbaren Dämpfung versehen sein, sodass eine kontrollierte Absenkgeschwindigkeit des vom Greifer gegriffenen Bolzens sichergestellt ist. Über Anschlag- oder Federmittel könnte ferner die Anpresskraft des Bolzens im Moment des Eintauchens in das Schweißbad eingestellt werden. Auch durch Einflussnahme auf den Druck im Zylinder kann die Kolbenbewegung kontrolliert werden.
Das Verfahren lässt sich besonders einfach durchführen, indem das Absenkmaß gemäß Merkmal c) gebildet wird aus dem Hubmaß e₂ zuzüglich der Eintauchtiefe, mit welcher der Bolzen in die angeschmolzene Werkstückoberfläche eingetaucht werden soll. Nach dem Abheben des fixierten Bolzens um das Hubmaß e₂ erfolgt das anschließende Absenken in die Gegenrichtung, also auf das Werkstück zu, um eben dieses Hubmaß e₂ zuzüglich der gewählten Eintauchtiefe, was bei präzise aufgebauter Rückstellkraft automatisch und sehr genau erfolgen kann.
Vorzugsweise wird während des Schweißverfahrens ein Niederhalter verwendet, welcher ein Schutzelement im Bereich der Schweißverbindung auf das Werkstück aufgedrückt hält. Dadurch wird die Zentrierung des Lichtbogens und die gleichmäßige Formgebung des Schweißwulstes sichergestellt. Vorzugsweise ist der Niederhalter gegen eine Federkraft verschieblich am Grundkörper derart angeordnet, dass er das Schutzelement während des Absenkens nach c), während des Abhebens nach e) und auch nach dem Lösen der Fixierung und während des Eintauchens des Bolzens in das Schweißbad auf die Werkstoffoberfläche drückt bzw. dort festhält.
Ein zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeter Schweißkopf umfasst die Merkmale gemäß Anspruch 9.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand von Figurenbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Schweißanordnung vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 die Anordnung mit vorpositioniertem Bolzen,
3 die Anordnung mit vorgespanntem Bolzen,
4 die Anordnung mit abgehobenem Bolzen und Lichtbogen,
5 die Anordnung mit in das Bauteil abgesenktem bzw. eingetauchtem Schweißbolzen, und
6 den angeschweißten Bolzen nach Abschluss des Verfahrens.

1 zeigt in vereinfachter Schnittdarstellung eine als Schweißkopf A ausgebildete erfindungsgemäße Schweißvorrichtung, wobei der Schweißkopf A zum Anschweißen eines Bolzens B an einem Werkstück W zunächst oberhalb der Werkstückoberfläche O angeordnet ist. Der Schweißkopf A umfasst insbesondere einen Grundkörper T, der mittels eines nicht näher dargestellten Roboters positionierbar sein kann. Am Grundkörper T ist ein Bolzenhalter H angeordnet, der seinerseits zur Aufnahme eines Schweißbolzens B vorgesehen ist und insbesondere zur Einleitung des Schweißstroms in den Schweißbolzen B ausgebildet ist. Der Bolzenhalter H ist relativ zum Grundkörper T in Richtung der Längsachse des Bolzens B verschieblich.
Des Weiteren umfasst der Grundkörper T einen als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführten Kraftspeicher K, wobei der Zylinder Kz im Wesentlichen ortsfest mit dem Grundkörper T gekoppelt ist, während der Kolben K_K relativ zum Zylinder bzw. zum Grundkörper T verschieblich ist. Am Grundkörper T ist ferner ein Greifer G verschieblich angeordnet. Der Greifer G ist mit der Kolbenstange des Kolbens K_K gekoppelt und relativ zum Grundkörper T in Richtung der Achse der Kolbenstange verschieblich gelagert. Über Fixiermittel F, die bspw. als Klemmen entlang einer Linearführung ausgebildet sein können, ist der Greifer G entlang seines Verschiebeweges relativ zum Grundkörper T temporär mit diesem fixierbar, um die relative Beweglichkeit vorübergehend blockieren zu können. Der Bolzenhalter H, der Greifer G und der Kolben K_K des Kraftspeichers K sind alle in die gleiche Richtung relativ zum Grundkörper T verschieblich am Grundkörper T geführt. Im in 1 dargestellten Fall, in dem der Bolzen B im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche O mit dem Werkstück W zu verschweißen ist, erstreckt sich diese Verschieberichtung senkrecht zur Werkstückoberfläche O.
Der Greifer G verfügt über Greifelemente G_E , mit denen der Bolzen B bei Bedarf gegriffen und dadurch starr mit dem Greifer G gekoppelt werden kann.
Des Weiteren ist ein Niederhalter N relativ zum Grundkörper T gegen eine nicht näher dargestellte Federkraft verschieblich am Grundkörper T gelagert. Der Niederhalter dient dazu, während der nachfolgend dargestellten Verfahrensschritte einen Keramikring R auf die Werkstückoberfläche O zu drücken und dort gedrückt zu halten. Der Keramikring R dient der Zentrierung des Lichtbogens und der gleichmäßigen Formgebung des Schweißwulstes. Gleichzeitig wird die Abschirmung von unerwünschten atmosphärischen Einflüssen sichergestellt. In den nachfolgend dargestellten Verfahrensschritten soll der Bolzen B mit dem Werkstück W verschweißt werden, was erfindungsgemäß folgendermaßen geschieht:

Nach Positionierung des Schweißkopfes oberhalb des Werkstückes W gemäß 1 werden die Greifelemente G_E des Greifers G aktiviert, so dass diese den Bolzen B greifen und halten. Zu diesem Zeitpunkt sind die Fixiermittel F gelöst, sodass der Greifer G und die mit ihm gekoppelte Kolbenstange relativ zum Grundkörper T verschieblich ist. Wie in 2 dargestellt und übereinstimmend mit Merkmal b) des Anspruchs 1, wird der Grundkörper T mit den an ihm angeordneten Komponenten (F, G, B, N, H, K) anschließend soweit in Richtung auf das Werkstück W abgesenkt, bis der Bolzen B mit seiner Spitze S die Werkstückoberfläche O kontaktiert. Die Höhenposition ho, die der Grundkörper T in diesem Moment einnimmt, wird durch nicht näher dargestellte Mittel (etwa durch Wegaufnehmer eines den Schweißkopf tragenden Roboters) erfasst und in einer ebenfalls nicht näher dargestellten Steuereinheit hinterlegt. Sodann wird der Grundkörper T, ausgehend von seiner Ausgangspostion ho, um das Absenkmaß e₁ in Richtung auf das Werkstück W abgesenkt (das Absenkmaß e₁ setzt sich zusammen aus dem nachfolgend beschriebenen Hubmaß e₂ zuzüglich einer Eintauchtiefe, mit der der Bolzen B beim Fügen in das Werkstück W eingetaucht werden soll). Dies führt dazu, dass der die Werkstückoberfläche O bereits kontaktierende Bolzen B über den mit ihm gekoppelten Greifer G den Kolben K_K des Kraftspeichers K um das Maß e₁ relativ zum Grundkörper T nach oben schiebt. In dem von Zylinder Kz und Kolben K_K eingeschlossenen Zylinderraum baut sich dadurch eine Rückstellkraft auf. Durch die Absenkbewegung um e₁ verschiebt sich auch der den Bolzen B haltende Bolzenhalter H relativ zum Grundkörper T. 3 zeigt das Ende dieses Verfahrensschritts gemäß c) des Hauptanspruchs, wobei im unmittelbaren Anschluss daran, wie in 3 bereits dargestellt und übereinstimmend mit Merkmal d) des Hauptanspruchs, die Fixiermittel F den Greifer G relativ zum Grundkörper T verschiebesicher fixieren.

4 zeigt den sich daran anschließenden Verfahrensschritt gemäß e) des Hauptanspruchs. Dabei wird der Grundkörper T mit allen seinen nun starr mit ihm gekoppelten Komponenten (insbesondere Bolzen B und Greifer G) um das Hubmaß e₂ relativ zum Werkstück W von diesem fortbewegt bzw. abgehoben, wodurch der Greifer G eine Höhenposition h_G einnimmt. Das Hubmaß e₂ entspricht zugleich dem Abstand zwischen der Bolzenspitze und der Werkstückoberfläche O nach Beendigung der Hubbewegung. Während oder nach dem Abheben des Bolzens B um das Hubmaß e₂ kann zwischen der Bolzenspitze und dem Werkstück W ein Lichtbogen L erzeugt werden, um den Bolzen B und das Werkstück W lokal aufzuschmelzen und für das spätere Fügen vorzubereiten.
5, übereinstimmend mit Merkmal f) des Hauptanspruchs, beschreibt diesen Fügeschritt. Dabei wird nach Ablauf der gewünschten Schweißzeit (Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Lichtbogens L) die Fixierung F gelöst. Infolgedessen wird der Greifer G mit dem immer noch starr daran gekoppelten Bolzen B relativ zum Grundkörper T wieder verschieblich und kann, ohne dass der Grundkörper T seinerzeit bewegt werden müsste, wieder in Richtung auf das Werkstück W abgesenkt werden. Diese Bewegung wird insbesondere angetrieben durch die im Kraftspeicher K zuvor konservierte Rückstellkraft, welche durch Lösen der Fixierung F das Verschieben des Kolbens K_K relativ zum Zylinder Kz bzw. Grundkörper T verursacht und dadurch den Greifer G mit dem Bolzen B wieder soweit in Richtung auf das Werkstück W verschiebt, bis die nach 3 erzeugte Rückstellkraft abgebaut ist. Dies ist dann der Fall, wenn sich der Greifer G mit Bolzen B, ausgehend von der vorherigen Höhenposition h_G, um das zuvor eingebrachte Absenkmaß e₁ relativ zum Grundkörper T abwärts bewegt. Da das Absenkmaß e₁ um die Eintauchtiefe größer ist als das Hubmaß e₂ gemäß 4 wird der Bolzen nach Lösen der Fixierung F nicht nur bis auf die Werkstückoberfläche O abgesenkt, sondern zusätzlich um die Differenz (e₁-e₂) in das Schweißbad des Werkstücks W unterhalb des Bolzens B eingetaucht. Der Grundkörper T muss für diesen Verfahrensschritt vorteilhafterweise nicht bewegt werden.
Nach Auskühlen der Schweißverbindung kann der Greifer G vom Bolzen B gelöst werden, sodass der gesamte Schweißkopf A vom Schweißort abgehoben bzw. verfahren werden kann, um mit einem neuen Bolzen B beladen und für einen neuen Schweißvorgang positioniert zu werden.
Das vorgenannte Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft mit Hilfe eines den Schweißkopf A tragenden Roboterarmes durchführen. Roboterarme können mittlerweile hochgenau positioniert werden. Entsprechend kann der an einem Roboterarm angeordnete Schweißkopf A bzw. sein Grundkörper T die Absenkbewegung gemäß 2 und 3 bzw. Merkmal b) und Merkmal c) des Hauptanspruchs durch Steuerung des Roboterarmes vollführen, ohne eigene Wegaufnehmer für den Schweißkopf zu benötigen. Auch das Abheben des Schweißkopfes A nach Merkmal e) bzw. 4 kann durch diesen Roboterarm erfolgen. Das Eintauchen des Bolzens B nach Beendigung des Lichtbogens L dagegen kann ohne Relativbewegung des Grundkörpers T zum Werkstück W erfolgen, sodass hierfür der Schweißkopf A ortsfest gehalten werden kann.

Claims

Bolzenschweißverfahren, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Anordnen eines Schweißbolzens (B) in einem Bolzenhalter (H); b) Positionieren des Bolzens (B) so, dass er die Oberfläche (O) eines Werkstücks (W) kontaktiert; c) Bewegen eines den Bolzenhalter (H) verschieblich aufnehmenden Grundkörpers (T) zum Werkstück (W) hin um ein vorgebbares Absenkmaß (e₁); d) Fixierung des Bolzens (B) relativ zum Grundkörper (T) durch Fixiermittel (F); e) Abheben des Bolzens (B) von der Werkstückoberfläche (O) durch Bewegung des Grundkörpers (T) vom Werkstück (W) weg um ein vorgebbares Hubmaß (e₂) zur Erzeugung eines Lichtbogens; f) Lösen der Fixierung (F) und Heranführen des Bolzens (B) an das Werkstück (W), um beide miteinander zu verschweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (B) gegen eine Rückstellkraft relativ zum Grundkörper (T) verschiebbar ist und die Rückstellkraft den Bolzen (B) nach Lösen der Fixierung zum Werkstück (W) hintreibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft in einem Kraftspeicher (K), insbesondere einer Feder und/oder einer Kolben-Zylindereinheit, zumindest teilweise aufgebaut und gespeichert wird, während sich der Grundkörper (T) zum Werkstück (W) hinbewegt gemäß Merkmal 1c).
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (B) durch separat zum Bolzenhalter (H) ausgebildete Greifmittel (G) aufgenommen wird, wobei die Fixiermittel (F) auf die Greifmittel (G) einwirken, indem die Greifmittel (G) bei gelösten Fixiermitteln (F) eine Bewegung relativ zum Grundkörper (T) zulassen, während die aktivierte Fixierung diese Bewegung unterbindet.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Greifmitteln (G) gegriffene Bolzen (B) nach Lösen der Fixierung auf die Werkstückoberfläche (O) zubewegt wird in einer Absenkbewegung, wobei die Bolzengeschwindigkeit vorzugsweise kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenkmaß (e₁) gebildet wird aus dem Hubmaß (e₂) zuzüglich einer Eintauchlänge, mit welcher der Bolzen in die angeschmolzene Werkstückoberfläche (O) eingetaucht werden soll.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (T) ein gegen eine Federkraft verschieblicher Niederhalter (N) angeordnet ist, welcher ein Schutzelement, insbesondere einen Keramikring (R), auf die Werkstoffoberfläche (O) gedrückt hält, während der Grundkörper (T) um das Schubmaß (e₁) und das Hubmaß (e₂) verfahren wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (T) während des Verfahrensschrittes f) im Wesentlichen ortsfest bleibt.
Schweißvorrichtung (A) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, a) umfassend einen Bolzenhalter (H), der beweglich relativ zu einem Grundkörper (T) an diesem angeordnet ist, b) ferner umfassend einen Kraftspeicher (K), vorzugsweise in Form einer Feder und/oder einer Kolben-Zylindereinheit, c) ferner umfassend Greifmittel (G) zum Greifen eines Schweißbolzens (B), wobei die Greifmittel (G) am Grundkörper (T) geführt sind, und wobei auf die Greifmittel (G) einwirkende, lösbare bzw. aktivierbare Fixiermittel (F) derart vorgesehen sind, dass die Greifmittel (G) bei gelösten Fixiermitteln (F) eine Bewegung relativ zum Grundkörper (T) ausführen können, während die aktivierte Fixierung diese Bewegung unterbindet, d) wobei die Schweißvorrichtung (A) dazu ausgebildet ist, d₁) durch Bewegung der Greifmittel (G) relativ zum Grundkörper (T) eine Rückstellkraft im Kraftspeicher (K) zu erzeugen, und d₂) den Bolzen (B) nach gelöster Fixierung unter Nutzung der Rückstellkraft auf die Oberfläche (O) des Werkstücks (W) zuzubewegen.
Schweißvorrichtung (A) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifmittel (G) mit vorzugsweise einstellbaren Dämpfungsmitteln zusammenwirken, um nach dem Lösen der Fixierung (F) eine hinsichtlich der Geschwindigkeit und/oder Vorschubkraft kontrollierte Absenkbewegung des Bolzens (B) relativ zum Grundkörper (T) auf die Werkstückoberfläche (O) sicherstellen zu können.
Schweißvorrichtung (A) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der den Bolzen (B) haltende Bolzenhalter (H) relativ zum Grundkörper (T) verschieblich ist, indem der Grundkörper (T) bei von den Greifmitteln (G) gegriffenem und die Werkstückoberfläche (O) kontaktierendem Bolzen (B) in Richtung auf die Werkstückoberfläche (O) zubewegt wird.
Roboter mit einer Schweißvorrichtung (A) nach einem der Ansprüche 9 bis 11.