-
Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Hubzündungsschweißen sowie eine Verwendung der Schweißvorrichtung.
-
Beim Hubzündungsschweißen wird ein Schweißteil, das z.B. ein Schweißbolzen oder eine Kugel sein kann, in einem Schweißelementhalter (Bolzenhalter) einer Schweißvorrichtung aufgenommen und auf das Bauteil aufgesetzt. Dann wird ein Strom durch das Schweißteil und das Bauteil geleitet und das Schweißteil wird durch Zurückziehen des Schweißelementhalters um eine definierte Strecke vom Bauteil abgehoben. Es kommt zur Bildung eines Lichtbogens. Der Strom wird auf einen Schweißstrom erhöht, wodurch Material des Bauteils und/oder des Schweißteils anschmilzt. Nach vorgegebener Schweißzeit wird das Schweißteil auf das Bauteil abgesenkt bzw. geringfügig in dieses eingedrückt. Der Schweißstrom wird abgeschaltet und unter Erkaltung des aufgeschmolzenen Materials bildet sich eine stoffschlüssige Fügeverbindung zwischen Schweißteil und Bauteil. Um die Qualität und Optik der Schweißstelle zu verbessern, ist es üblich, die Schweißung unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen.
-
Eine für das Hubzündungsschweißen geeignete Schweißvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 217 499 A1 bekannt. Eine derartige Schweißvorrichtung weist ein glockenförmiges Element auf, mit dem es auf das Bauteil aufgesetzt wird, wodurch sich eine Schweißkammer bildet, in der das Hubzündungsschweißen stattfindet. Die Kammer kann während des Schweißverfahrens mit Schutzgas durchströmt werden.
-
Die Druckschrift
DE 20 2004 001 667 U1 zeigt ein Schutzgasmundstück zum Lichtbogenbolzenschweißen mit einem Schweißkopf mit einem Körper, der im Inneren einen Hohlraum mit mindestens zwei Öffnungen aufweist, wobei durch eine erste Öffnung eine Schweißvorrichtung greifen und bei einer zweiten Öffnung ein Schweißbolzen auf ein Bauteil aufgesetzt werden kann und wobei die zweite Öffnung im Wesentlichen geschlossen ist, wenn das Element auf dem Bauteil aufsitzt. Das Mundstück beinhaltet eine Gaszuführung zum Zuführen von Schutzgas in den Hohlraum und eine Gasabführung zum Abführen von dem Hohlraum zugeführten Schutzgas, wobei die Gasabführung beim Schweißen im Wesentlichen der ersten Öffnung entspricht. Im Hohlraum ist eine Gasbuchse derart angeordnet, dass Schutzgas über die Gaszuführung und einen Zwischenraum zwischen dem Körper und der Gasbuchse in den Hohlraum einleitbar und eingeleitetes Schutzgas im Wesentlichen in Richtung der ersten Öffnung aus dem Hohlraum ausleitbar ist.
-
Die Druckschrift
DE 10 2009 060 074 A1 offenbart ein Verfahren und einen Bolzenhalter zum Verschweißen von kugelförmigen Schweißteilen. Das zu verschweißende Teil wird mittels Vakuum an einer als Schweißspitze ausgebildeten Bolzenhalter eines Schweißkopfes gehalten und in diesem Zustand wird der Schweißvorgang durchgeführt.
-
Aus der Druckschrift
US 2015/0 375 332 A1 ist weiterhin eine Hubzündungsschweißvorrichtung bekannt mit einer Gasdüse, in der ein Verteilersystem mit einer Vielzahl von Gasdurchführungen ausgebildet ist. Das Gas wird über eine Vielzahl von Gittern in einen Gasraum geleitet, wo es den aufzuschweißenden Schweißbolzen umströmt.
-
Je nach verwendeten Schweißteilen kommt es zu unterschiedlich starker Schweißspritzerbildung. Werden z.B. kugelförmige Elemente oder Doppelkugeln verwendet, so ist eine besonders starke Belastung der Schweißvorrichtung durch Schweißspritzer feststellbar, welche zu Gasdurchflussproblemen und daraus resultierenden Festigkeitsproblemen der Schweißung führen. Weiterhin ist ein erhöhter Anlagenverschleiß feststellbar, wodurch die Anlagenverfügbarkeit sinkt und die Kosten steigen.
-
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine Hubzündungs-schweißvorrichtung anzugeben, mit der insbesondere das Verschweißen von kugelförmigen Schweißteilen prozesssicher und mit hoher Anlagenverfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit realisiert werden kann.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Hubzündungsschweißvorrichtung nach Patentanspruch 1. In einem weiteren Aspekt wird die Verwendung einer derartigen Hubzündungsschweißvorrichtung gemäß Anspruch 9 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Es wird eine Schweißvorrichtung angegeben zum Verschweißen eines Schweißteils mit einem Bauteil im Hubzündungsschweißverfahren. Die Schweißvorrichtung beinhaltet einen Schweißelementhalter zum Halten eines Schweißteils, sowie einen Gasring, welcher radial umlaufend um den Schweißelementhalter ausgebildet ist. Der Gasring weist Gasführungskanäle auf, durch die ein Schutzgas in einen um den Schweißelementhalter herum verlaufenden Gasraum einbringbar ist. Weiterhin weist die Schweißvorrichtung ein Abschirmelement zur Abschirmung der Gasführungskanäle vor Schweißspritzern auf. Das Abschirmelement ist zwischen den Gasführungskanälen und dem Schweißelementhalter angeordnet.
-
Aufgrund des Abschirmelementes wird das Schutzgas indirekt an die Schweißstelle geführt, die Gaszuführkanäle stehen nicht in direktem Kontakt mit der Schweißstelle und werden so vor Schweißspritzern geschützt.
-
Besonders bevorzugt ist es, dass das Abschirmelement aus Messing ausgebildet ist. Messing zeigt eine besonders geringe Neigung zur Anhaftung von Schweißspritzern und daher besonders hohe Standzeiten.
-
Zur Realisierung einer vollständigen Abschirmung bei gleichzeitig gleichmäßiger Durchströmung mit Gas ist es besonders vorteilhaft, dass das Abschirmelement als Ring ausgebildet ist und gegenüber den Gasführungskanälen winkelversetzte Gasdurchtrittsöffnungen aufweist. Das ringförmige Abschirmelement bildet einen ersten Gasraum um den Schweißelementhalter. Auf der Außenseite des Abschirmelements wird ein zweiter Gasraum gebildet, in den die Gasführungskanäle münden. Durch die winkelversetzte Anordnung der Gasdurchtrittsöffnungen, d.h. diese sind nicht fluchtend zu den Gasführungskanälen angeordnet, werden die Öffnungen der Gasführungskanäle von der Wandung des Abschirmelements abgeschirmt. Schweißspritzer, welche von dem Schweißelement oder Bauteil stammen, werden von der Wandung des Abschirmelements abgehalten. Besondere Vorteile erreicht ein derartiges Abschirmelement, wenn es aus Messing ausgebildet ist, da das Messing ein Zusetzen der Schlitze durch Schweißspritzer sicher unterbindet. Das Schutzgas kann sich gleichmäßig in den inneren Gasraum bewegen.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Schweißvorrichtung doppelt so viele Gasdurchtrittsöffnungen wie Gasführungskanäle auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schweißvorrichtung vier Gasführungskanäle in dem Gasring aufweist und acht Gasdurchtrittsöffnungen in dem Abschirmelement. Die Gasführungskanäle sind vorzugsweise gleichmäßig entlang des Umfangs des Gasrings verteilt. Ebenso sind die Gasdurchtrittsöffnungen vorzugsweise gleichmäßig entlang des Umfangs des Abschirmelements verteilt, wobei die Gasführungskanäle hälftig versetzt zwischen zwei Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind. So kann ein gleichmäßiger Gaseintrag von allen Seiten erzielt werden und eine sichere Abschirmwirkung des Abschirmelements.
-
Zur Erhöhung der Standzeit der Schweißvorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn der Gasring aus Aluminium gefertigt. Durch die Wahl des Materials Aluminium kann die Anhaftung von Schweißspritzern verringert werden. Insbesondere zeigt der Gasring aus Aluminium keine nennenswerten Verschleißerscheinungen durch Spritzer. Anhaftende Schweißperlen lassen sich z.B. durch Druckluftreinigung entfernen. Es werden hohe Standzeiten des Gasrings erreicht. Auch lässt sich der Gasring aus Aluminium problemlos und kostengünstig herstellen.
-
Der Gasring und das Abschirmelement sind vorzugsweise an einem Gehäuse der Schweißvorrichtung befestigt. Der Schweißelementhalter ist gegenüber dem Gasring, dem Abschirmelement und dem Gehäuse zur Ausübung der Hubbewegung verfahrbar.
-
Die Schweißvorrichtung kann in einer Ausgestaltung weiterhin ein Mundstück aufweisen, welches während der Schweißung mit einer Stirnfläche auf das Bauteil aufgesetzt wird, wobei ein die Stirnfläche beinhaltender Endabschnitt des Mundstücks gegenüber dem Abschirmelement vorsteht und aus Messing ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist zumindest derjenige Abschnitt des Mundstücks, welcher gegenüber dem Abschirmelement vorsteht und folglich in Kontakt mit Schweißspritzern gelangen kann, aus Messing ausgebildet. Hierdurch kann die Spritzeranhaftung weiter reduziert werden, zudem zeigt sich Messing sehr unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen, was für einen Serieneinsatz mit einer Vielzahl von Schweißungen vorteilhaft ist.
-
Das Mundstück kann in einer Ausgestaltung umfangsseitig außen um den Gasring herum verlaufen und vollständig aus Messing ausgebildet sein. Die Befestigung des Mundstücks erfolgt in dieser Ausgestaltung vorzugsweise am Gasring, z.B. mittels Verschraubung. Ein derartiges Mundstück lässt sich leicht und daher kostengünstig fertigen. Ein Austausch, z.B. wegen Verschleiß, ist problemlos möglich. Beispielsweise kann das Mundstück von vorne auf den Gasring aufsteckbar sein.
-
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Endabschnitt des Mundstücks sowie das Abschirmelement einen gemeinsamen, zylinderförmigen inneren Gasraum bilden. Verwirbelungen des Schutzgases und ein eventuell negativer Einfluss auf den Lichtbogen können so reduziert werden.
-
Während des Schweißvorgangs wird die Schweißvorrichtung auf das Bauteil aufgesetzt. Durch die Gasführungskanäle wird Schutzgas in den äußeren Gasraum eingebracht. Von dort strömt es durch die Gasdurchtrittsöffnungen des Abschirmelements in den inneren Gasraum rund um den Schweißelementhalter. Zur Sicherstellung einer optimalen Gasversorgung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Gasführungskanäle in einem spitzen Winkel, vorzugsweise in einem Bereich von 20 Grad bis 30 Grad und insbesondere 35 Grad, geneigt zur Fügeachse und mit einem Durchmesser von mindestens 3 mm an den Gasaustrittsöffnungen enden. Die Fügeachse ist durch die Bewegungsachse des Schweißteilhalters gegeben. Mit weiter steigendem Durchmesser steigt die für das Schweißverfahren notwendige Schutzgasmenge an. Hinsichtlich einer optimalen Schutzgasversorgung kann es vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser der Gasführungskanäle in einem Bereich von 3 mm bis 5 mm liegt.
-
Bezüglich des Abschirmelements hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Gasdurchtrittsöffnungen als Langlöcher oder Schlitze ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gasdurchtrittsöffnungen eine Breite im Bereich von 1,3 bis 1,7 mm aufweisen. Die Länge liegt vorzugsweise in einem Bereich von 6 bis 8 mm. Die geringeren Schlitzbreiten zeigen eine hervorragende Abschirmwirkung gegen ein Durchtreten von Schweißspritzern ohne durch dieselben zu Verbacken. Bei deutlich größeren Schlitzbreiten ist eine Abschirmwirkung ungenügend.
-
Durch die Verwendung eines Abschirmelementes kann ein Verstopfen der Gasführungskanäle sicher vermieden werden. Die Schutzgaszufuhr kann auch noch nach vielen Schweißzyklen sichergestellt werden und die Schwei-ßungen erreichen die für die Serienfertigung notwendige Prozesssicherheit.
-
Die Verwendung der voranstehend beschriebenen Schweißvorrichtung ist hinsichtlich der Art und Geometrie der zu verschweißenden Schweißteile nicht beschränkt. Besondere Vorteile erzielt die Schweißvorrichtung jedoch, wenn sie verwendet wird um kugelartige Schweißteile auf ein Bauteil aufzuschweißen. Der Begriff kugelartig ist dabei breit zu verstehen, so dass nicht nur Kugeln, sondern auch Doppelkugeln oder Kugelsegmente darunter fallen sollen. Das Fehleraufkommen durch unzureichende Schutzgasströmung kann verringert werden. Nacharbeit wird verringert. Es ist kein nennenswerter Verschleiß am Gasring und Mundstück feststellbar, wodurch die fortlaufenden Kosten und der Instandhaltungsaufwand reduziert werden. Insgesamt ist eine gegenüber herkömmlichem Gasring und Mundstück deutlich erhöhte Anlagenverfügbarkeit gegeben.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer Hubzündungsschweißvorrichtung gemäß der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf das Abschirmelement gemäß 1 und
- 3 eine Seitenansicht auf das Abschirmelement gemäß 1.
-
In 1 ist eine Hubzündungs-Schweißvorrichtung 1 gezeigt zum Aufschweißen eines Schweißteils 2 auf ein Bauteil 3. Das Schweißteil 2 ist gemäß 1 eine Kugel. Selbstverständlich können auch andere Schweißteile wie z.B. Schweißbolzen etc. mit der Hubzündungsschweißvorrichtung 1 verschweißt werden. Das Bauteil 3 kann beispielsweise aus einem Metall, wie z.B. einem Stahl o.ä. hergestellt sein und ist vorzugsweise ein Blechbauteil.
-
Die Hubzündungsschweißvorrichtung 1 umfasst ein Schweißwerkzeug mit einem Werkzeuggehäuse 10, einem Schweißelementhalter 12 und einem Ladestift 14. Der Schweißelementhalter 12 ist hülsenartig ausgebildet, wobei ein Endabschnitt mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete fingerförmige Spannelemente aufweist, welche als Spannvorrichtung zusammenwirken.
-
Zum Einbringen des Schweißteils 2 in den Schweißelementhalter 12 wird dieses über einen Zuführschacht 16 z.B. pneumatisch zugeführt und gelangt in den Innenraum der hülsenartigen Schweißelementaufnahme 12. Der Ladestift 14, welcher koaxial zur Schweißelementaufnahme 12 angeordnet und mittels eines nicht dargestellten Stellgliedes relativ zu dieser verschiebbar ist, schiebt das Schweißelement 2 in bekannter Weise durch den Innenraum in Richtung auf den Endabschnitt. Hierbei bringt der Ladestift 14 die erforderliche Kraft auf, um die Spannelemente beim Durchschieben des Schweißelements 2 elastisch nach außen aufzuspreizen und das Schweißelement 2 bis in eine Endposition zu bringen. Als Endposition wird diejenige Position des Schweißelements 2 in Relation zur Schweißelementaufnahme 12 bezeichnet, in der das Schweißelement 2 während des Hubzündungsschweißens gehalten werden soll.
-
Weiterhin weist das Schweißwerkzeug einen Gasring 20 auf, der vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet ist, ein Abschirmelement 23 sowie ein Mundstück 30. Das Abschirmelement 23 und das Mundstück 30 sind vorzugsweise aus Messing ausgebildet. Das Mundstück verläuft außen um den Gasring 20 und das Abschirmelement 23 herum und steht gegenüber diesem mit einem Endabschnitt 32 vor. Gasring 20 und Mundstück 30 sind in nicht dargestellter Weise am Gehäuse 10 befestigt.
-
Zur Durchführung einer Hubzündungsschweißung wird die Schweißvorrichtung 1 mit der Stirnfläche des Mundstücks 30 auf dem Bauteil 3 aufgesetzt. Das Abschirmelement 23 sowie der Endabschnitt 32 des Mundstücks 30 begrenzen einen Gasraum 22, welcher zylinderförmig um den Schweißelementhalter 12 herum ausgebildet ist. Nachfolgend findet in bekannter Art und Weise das Hubzündungsschweißen statt, wozu zunächst das Schweißteil 2 mit dem Bauteil 3 an der Fügestelle in Kontakt gebracht wird und ein Strom durch das Schweißteil 2 und Bauteil 3 geleitet wird. Durch eine Relativbewegung der Schweißelementhalter 12 relativ zum Werkzeuggehäuse 10 entlang einer Fügeachse F wird das Schweißteil 2 geringfügig vom Bauteil 3 abgehoben wird, wodurch ein Lichtbogen gezündet wird. Durch den Lichtbogen kommt es zu einer partiellen Aufschmelzung des Bauteils 3 und/oder des Schweißteils 2. Nach vorgegebener Zeit wird das Schweißteil 2 durch eine Relativbewegung zwischen Schweißelementhalter 12 und Ladestift 14 einerseits und Werkzeuggehäuse 10 andererseits wieder auf dem Bauteil 3 abgesenkt und der Strom wird abgeschaltet. Das aufgeschmolzene Material erkaltet zu einer Schweißverbindung zwischen Schweißteil 2 und Bauteil 3.
-
Um die Qualität der Schweißung sicherzustellen, wird die Fügestelle während des Hubzündungsschweißens mit Schutzgas überspült. Das Schutzgas wird in bekannter und nicht dargestellter Weise durch Gasführungskanäle 24 geleitet, welche im Gasring 20 ausgebildet sind. Die Gasführungskanäle 24 münden in einen äußeren Gasraum 26. Von dort gelangt das Schutzgas weiter durch Gasdurchtrittsöffnungen 28 im Abschirmelement 23 in den inneren Gasraum 22, wo es das Schweißteil 2 sowie die Fügestelle umspült. Die Gasführungskanäle 24 im Gasring 20 verlaufen in Richtung auf den Gasraum 22 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Fügeachse F.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf den Gasring 20 sowie das Abschirmelement 23. Die vier Gasführungskanäle 24 sind umfangsseitig symmetrisch verteilt angeordnet. Winkelversetzt hierzu sind im Abschirmelement 23 acht Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet. Wie in der Seitenansicht aus 3 zu erkennen, sind die Gasdurchtrittsöffnungen als Längsschlitze in dem ringförmigen Abschirmelement 23 ausgebildet.
-
Die Gasdurchtrittsöffnungen sind umfangsseitig gleichmäßig über das Abschirmelement 23 verteilt. Dabei sind die Gasdurchtrittsöffnungen winkelversetzt zu den Gasführungskanälen angeordnet. Hierdurch kommt jeweils eine Öffnung eines Gasführungskanals in radialer Richtung betrachtet zwischen zwei Gasdurchtrittsöffnungen zu liegen und ist durch die zwischenliegende Wandung 29 des Abschirmelements 23 vor Schweißspritzern abgeschirmt. Ein Zusetzen der Öffnungen der Gasführungskanäle 24 kann sicher vermieden werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schweißvorrichtung
- 2
- Schweißteil
- 3
- Bauteil
- 10
- Werkzeuggehäuse
- 12
- Schweißelementhalter
- 14
- Ladestift
- 16
- Zuführschacht
- 20
- Gasring
- 22
- Gasraum
- 23
- Abschirmelement
- 24
- Gasführungskanäle
- 26
- äußerer Gasraum
- 28
- Gasdurchtrittsöffnungen
- 29
- Wandung
- 30
- Mundstück
- 32
- Endabschnitt
- F
- Fügeachse
