-
Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung, welche mehrere drehbare Elektroden umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen.
-
Bei Schweißvorrichtungen mit drehbaren Elektroden handelt es sich um Widerstandsschweißmaschinen. Prinzipiell ist Widerstandsschweißen wahlweise als manuelles Schweißverfahren oder als automatisiertes Verfahren gestaltbar. Allgemein werden Teile, beispielsweise Bleche, miteinander verschweißt, indem den Teilen unter gleichzeitiger Krafteinwirkung elektrischer Strom zugeführt wird.
-
Eine elektrische Widerstands-Rollennahtschweißmaschine ist beispielsweise aus der
DE 15 65 753 C3 bekannt. Beim Betrieb der bekannten Schweißmaschine sind zwei zu verschweißende Bleche gleichzeitig zwischen Rollen der Schweißmaschine einzuschieben. Ein Rollenantrieb ist derart gestaltet, dass sich die Bleche beim Auftreffen auf die beiden Rollen mit Schweißgeschwindigkeit bewegen. Damit soll erreicht werden, dass auch der Anfang der Schweißnaht weder zu wenig geschweißt wird noch festigkeits- oder abdichtungsmäßig nicht genügt.
-
Eine in der WO 2009 / 073 157 A1 beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung einer Schweißnaht umfasst zwei rollenförmige Elektroden, zwischen denen zu verschweißende plattenförmige Bauteile geführt werden, wobei zwischen den Elektroden wirkende Kräfte sowie elektrische Ströme, die durch die Elektroden geleitet werden, je nach Betriebsphase variiert werden.
-
Eine in der
US 5,676,862 A beschriebene Widerstandsschweißanlage umfasst zwei Paare rollenförmiger Elektroden, wobei das erste Paar an Elektroden eine Schweißnaht erzeugt und das zweite Paar an Elektroden mindestens eine weitere Aufgabe übernimmt, beispielsweise die Dicke der Schweißnaht reduziert und/oder eine Wärmebehandlung durchführt.
-
Eine in der JP H09- 300 080 A beschriebene Vorrichtung, welche Mittel zur Verarbeitung von Informationen, die die Position einer Schweißnaht betreffen, umfasst, weist einen Drehtisch zur Positionierung eines Werkstücks auf.
-
Aus der
DE 1 822 196 U ist eine Schweißmaschine zum automatischen Schweißen mindestens teilweise krummlinig verlaufender Nähte bekannt. Die Schweißmaschine ist zum Konturnahtschweißen von Blechradiatoren vorgesehen und umfasst eine Steuervorrichtung zum Steuern der Bewegung der Werkstücke.
-
Eine in der
DE 10 2012 107 451 A1 offenbarte Rollennahtschweißvorrichtung, welche zum Verschweißen von Bauteilen eingerichtet ist, die durch ein Paar an rollenförmigen Schweißelektroden hindurchgeführt werden, weist einen mit einer Schweißeinheit gekoppelten Verfahrmechanismus auf, der zum Verfahren der Schweißeinheit quer zur Durchführrichtung der Bauteile ausgebildet ist.
-
Eine in der
DE 21 63 731 B2 beschriebene Vorrichtung zur Rollnahtdichtschweißung der Seitenränder von Platten-Radiatoren umfasst zwei Rollnahtschweißaggregate, von denen eines hin und her bewegbar ist. Mit dieser Beweglichkeit soll auf Längentoleranzen zu verschweißender Bauteile Rücksicht genommen werden.
-
Aus der
EP 1 881 879 B1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen metallischer Fasern zu einem Vlies bekannt, welche mehrmalige Durchführungen eines Schweißprozesses vorsieht. Die Schweißvorrichtung umfasst eine profilierte Rollelektrode. Die Rollelektrode kann mehrere Sektionen aufweisen, die unabhängig voneinander einen Stromfluss erzeugen können.
-
Die
JP 2013 -
031 857 A beschreibt eine Schweißvorrichtung zum Widerstandschwei-ßen mit einer kugeligen Elektrode, die über eine Bürste mit dem Schweißstrom versorgt wird.
-
Die US 2006 / 0 043 074 A1 offenbart ein programmierbares Widerstandsschweißgerät mit kugeligen Elektroden und ein Verfahren.
-
Die US 2015 / 0 283 644 A1 beschreibt ein Schweißgerät mit rotierenden Elektroden.
-
Aus der
DE 103 06 235 A1 geht ein Verfahren und eine Anordnung zum Widerstandsnahtschweißen im Bereich eines Brennstoffzellensystems hervor.
-
Die
JP S60 - 37 277 A beschreibt ein luftdichtes Schweißverfahren unter Verwendung rollenförmiger Elektroden.
-
Die
DE 10 2005 053 438 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung von Punktschweißungen zweier elektrischer Bauteile.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verschweißen von Blechen mit einem Widerstandsschweißverfahren besonders rationell und flexibel zu gestalten.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen gemäß Anspruch 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Schweißverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die zum Schweißen ausgebildete Vorrichtung und umgekehrt.
-
Die Schweißvorrichtung umfasst mindestens zwei kugelförmige Elektroden, welche jeweils um ihren eigenen Mittelpunkt in beliebiger Weise drehbar sind. Durch die freie Drehbarkeit der kugeligen Elektroden ist eine beliebige Verfahrbarkeit der Elektrode auf einer Werkstückoberfläche, ohne jegliche Vorzugsrichtung, gegeben. Geradlinige Verfahrbewegungen sind ebenso realisierbar wie gekrümmte Konturen mit beliebig engen Radien. Eine Anordnung aus mehreren aufeinanderliegenden Blechen, insbesondere genau zwei Blechen, ist verschweißbar, indem ein elektrischer Strom mittels zweier Elektroden, die als frei drehbare, Oberflächen der Bleche punktuell kontaktierende kugelige Elektroden, nachfolgend auch nur kurz Kugeln genannt, ausgebildet sind, durch die Bleche geleitet wird. Auf diese Weise sind auch sehr dünne flächige Metallteile miteinander verschweißbar. Das Verschweißen ist prinzipiell als Setzen einzelner Schweißpunkte ebenso durchführbar wie als Erzeugung einer Schweißnaht. Eine Schweißnaht kann hierbei entweder in einem kontinuierlichen Prozess oder durch eine Vielzahl aneinander gereihter Schweißpunkte aufgebaut werden.
-
Durch die kugelige Gestalt der Elektroden ergibt sich bei flächiger Form der miteinander zu verschweißenden Werkstücke ein annährend punktförmiger Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück. Somit ist auch bei im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren, welche Rollelektroden nutzen, geringer Stromstärke, eine hohe, zum Verschweißen ausreichende Stromdichte gegeben. Die permanente Rotation der kugelförmigen Elektrode beim Schweißvorgang, bei welcher es sich nicht um eine Rotation um eine definierte Achse, sondern lediglich um eine Rotation um einen definierten Punkt handelt, wirkt gleichzeitig der thermischen Überlastung der Elektrode entgegen.
-
Gemäß einer einfach gestalteten, für sich genommen nicht erfindungsgemäßen Bauform ist die kugelige Elektrode in einer Elektrodenhalterung gleitgelagert, wobei sie einen entsprechend dem Radius der kugeligen Elektrode konkav gekrümmten Oberflächenabschnitt der Elektrodenhalterung kontaktiert.
-
Gemäß der erfindungsgemäßen Bauform ist die Kugel, welche als Schweißelektrode verwendet wird, mit Hilfe mehrerer, vergleichsweise kleiner Lagerkugeln in einer Elektrodenhalterung kugelgelagert. Auf diese Weise ist eine besonders reibungsarme Drehbarkeit der kugelförmigen Schweißelektrode gegeben. Zusätzlich kann die Lagerung der Schweißelektrode mit einem leitfähigen Schmiermittel gefüllt sein. Somit kann das Schmiermittel, zusätzlich zu den erfindungsgemäß als Stromleitungselemente ausgebildeten Lagerkugeln, der Leitung eines elektrischen Stroms dienen. Unabhängig von der mechanischen Gestaltung ihrer Lagerung kann die kugelige Elektrode per Schleifkontakt eine elektrische Leitung kontaktieren. Sind einzelne Lagerkugeln vorhanden, welche der Lagerung der Schweißelektrode dienen, so ist der Schleifkontakt beispielsweise ringförmig von der Anordnung aus den einzelnen Lagerkugeln umgeben. Die als Schweißelektrode fungierende Kugel kann unabhängig davon, wie sie gelagert ist, beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Buntmetalllegierung gefertigt sein.
-
Werden Bleche mit Hilfe der Schweißvorrichtung punktuell und/oder durch Schweißnähte verschweißt, so können mehrere, nicht notwendigerweise gleichartig gestaltete Schweißvorrichtungen gleichzeitig zum Einsatz kommen.
-
Eine nicht erfindungsgemäße Schweißvorrichtung umfasst rollenförmige Elektroden. Die rollenförmigen Elektroden können hierbei glatte oder profilierte Oberflächen aufweisen. In beiden Fällen können die rollenförmigen Elektroden als lenkbare Elektroden ausgebildet sein, welche zur Herstellung gekrümmter Schweißnähte geeignet sind. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Rotationsachse einer rollenförmigen Elektrode um eine weitere Achse, nämlich eine Schwenkachse, welche sich außerhalb der rollenförmigen Elektrode befindet, schwenkbar, wobei optional der Abstand der rollenförmigen Elektrode von der Schwenkachse verstellbar ist. Mit einer solchen Aufhängung der rollenförmigen Elektrode sind beispielsweise geschlossene Schweißnähte produzierbar, welche annähernd eine Rechteckform beschreiben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Kombination einer erfindungsgemä-ßen Schweißvorrichtung und einer nicht erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung mit unterschiedlich ausgebildeten Elektrodenvorrichtungen, also kugeligen Elektroden und weiterhin rollenförmigen Elektroden, zum Einsatz kommen.
-
Die Schweißvorrichtungen eignen sich beispielsweise zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Zum technologischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 102 35 419 A1 ,
DE 103 06 235 A1 und
DE 103 17 388 A1 hingewiesen.
-
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass mit Hilfe einer wartungsarmen Vorrichtung eine große Vielfalt an Schweißverbindungen hoher Qualität herstellbar ist. Durch die freie Drehbarkeit der Elektroden der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen ist ein Aufbau gegeben, der an einen Kugelschreiber erinnert, welcher in beliebiger Weise über das Werkstück gefahren werden kann. Das Werkstück kann sich hierbei in Ruhe befinden. Grundsätzlich ist auch eine Bewegung des Werkstücks beim Schweißvorgang möglich. In beiden Fällen ist eine Parallelisierung des Schweißvorgangs durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Schweißvorrichtungen möglich. Dies spart Bearbeitungszeit für ein einzelnes Werkstück ein.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine für sich genommen nicht erfindungsgemäße Schweißvorrichtung in schematischer Darstellung,
- 2 eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung,
- 3 ein mit Hilfe einer Schweißvorrichtung bearbeitetes Werkstück,
- 4 eine für sich genommen nicht erfindungsgemäße alternative Ausgestaltung einer Schweißvorrichtung in einer Darstellung analog 1,
- 5 und 6 in schematischen Ansichten Einzelheiten einer weiteren, für sich genommen nicht erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung,
- 7 eine für sich genommen nicht erfindungsgemäße Schweißvorrichtung in symbolisierter Draufsicht,
- 8 bis 10 verschiedene Varianten geschlossener Schweißnähte,
- 11 in einem Diagramm Betriebsparameter einer Schweißvorrichtung,
- 12 in symbolisierter Darstellung eine Fertigungsanlage einschließlich einer Schweißvorrichtung.
-
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Schweißvorrichtung umfasst zwei Elektrodenanordnungen 2, 3, zwischen welchen sich ein Werkstück 11 befindet, das aus zwei aufeinander liegenden Blechen 6, 7 aufgebaut ist. In typischer Verfahrensführung befindet sich das Werkstück 11 in Ruhe, während mit Hilfe der Schweißvorrichtung 1 Schweißnähte 12, 13 und Schweißpunkte 14, die die Bleche 6, 7 miteinander verbinden, gesetzt werden.
-
Jede Elektrodenanordnung 2, 3, wie sie in 1 und in 2 erkennbar ist, weist eine frei drehbare kugelige Elektrode 4 auf. Die kugelige Elektrode 4 ist in einer Kugelhalterung 5 gelagert und stellt einen nahezu punktförmigen Kontakt zur Oberfläche des Bleches 6, 7 her. Die Elektrodenanordnungen 2, 3 samt kugeligen Elektroden 4 sind in beliebiger Weise, das heißt geradlinig oder in einer gekrümmten Bahn mit beliebig engen Krümmungsradien, auf dem Werkstück 11 verfahrbar.
-
Eine mögliche Gestaltung des Werkstücks 11 in Form einer Bipolarplatte ist in 3 skizziert. Hierin ist eine Schweißnaht, welche eine Außenkontur bildet, mit 12 bezeichnet. Mit 13 sind Schweißnähte bezeichnet, die Innenkonturen des insgesamt flächigen Werkstücks 11 darstellen. Sämtliche Schweißnähte 12, 13 und Schweißpunkte 14 des Werkstücks 11 sind wahlweise mit der Schweißvorrichtung 1 nach 1 oder mit der Schweißvorrichtung 1 nach 2 herstellbar.
-
Im nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 1 sind die kugeligen Elektroden 4, welche elektrisch gut leitfähig sind, in den Kugelhaltungen 5 gleitgelagert. Im Unterschied hierzu existieren in der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 2 zahlreiche Lagerkugeln 8, welche wesentlich kleiner als die kugeligen Elektroden 4 sind und diese in der Kugelhalterung 5 in Form einer Wälzlagerung lagern. Weiterhin ist in 2 eine Leitung 10 erkennbar, wobei die kugelige Elektrode 4 über einen Schleifkontakt 9 elektrisch leitend mit der Leitung 10 gekoppelt ist. Je nach Werkstoff, aus welchem die Lagerkugeln 8 gefertigt sind, kann auch ein Stromfluss durch die Lagerkugeln 8 vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein Stromfluss durch ein elektrisch leitendes Schmiermittel gegeben sein. Dies gilt auch für die nicht erfindungsgemäße Ausführungsform nach 1.
-
In 4 ist eine nicht erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 1 skizziert, welche alternativ oder zusätzlich zur nicht erfindungsgemäße Schweißvorrichtung 1 nach 1 oder zur erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1 nach 2 zum Einsatz kommen kann. In der Bauform nach 4 ist statt einer kugeligen Elektrode 4 eine rollenförmige Elektrode 15 vorgesehen. Die Rotationsachse der rollenförmigen Elektrode 15 ist als Mittelachse MA bezeichnet. Die Mittelachse MA ist in vielfältiger Weise schwenkbar und verlagerbar, wie in 4 durch Pfeile angedeutet ist. Insgesamt eignet sich damit auch die Schweißvorrichtung 1 nach 4 zur Herstellung verschiedenster Schweißnähte 12, 13, insbesondere nicht geradlinig verlaufender Schweißnähte 12, 13.
-
Eine weitere Bauform einer Schweißvorrichtung 1, welche ergänzend zu den Schweißvorrichtungen 1 nach den 1, 2, 4 oder isoliert bei der Bearbeitung des Werkstücks 11 zum Einsatz kommen kann, ist in den 5 und 6 veranschaulicht. Ebenso wie in der nicht erfindungsgemäßen Bauform nach 4 weist in der nicht erfindungsgemäßen Bauform nach den 5 und 6 jede Elektrodenanordnung 2, 3 eine rollenförmige Elektrode 15 auf. Im Fall von 5 und 6 existieren Schienen 16 und Halterungen 17, welche für eine Verfahrbarkeit der rollenförmigen Elektroden 15 auf einer definierten Bahn sorgen. Die rollenförmige Elektrode 15 ist mit Hilfe einer in 6 angedeuteten Steckachse 18 gelagert.
-
Die in 7 skizzierte nicht erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1 ist unter anderem zur Herstellung der Innenkonturen 13 des Werkstücks 11 nach 3 geeignet. Im Fall von 7 ist die rollenförmige Elektrode 15 an einem Verbindungsarm 19 gelagert, welcher um eine Schwenkachse SW drehbar ist. Ferner ist eine Feder 20 erkennbar, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel auf die rollenförmige Elektrode 15 eine Kraft in Längsrichtung des Verbindungsarms 19 ausübt. In der Gegenrichtung, das heißt in Richtung zur Schwenkachse SW, ist die rollenförmige Elektrode 15 mit Hilfe einer nicht dargestellten Aktuatorik verschiebbar. Auf diese Weise sind verschiedenste Schweißnähte 12, 13, insbesondere mit geschlossener Form, erzeugbar. In nicht dargestellter Weise kann zusätzlich vorgesehen sein, die Mittelachse MA der rollenförmigen Elektrode 15 gegenüber dem Verbindungsarm 19 zu verschwenken, so dass zwischen einer Ebene, in der die rollenförmige Elektrode 15 liegt, und dem Verbindungsarm 19, anders als in der Konfiguration nach 7, ein spitzer Winkel eingeschlossen ist.
-
Die 8 bis 10 veranschaulichen verschiedene Varianten, eine Schweißnaht 12, 13 zu schließen, das heißt die Enden der Schweißnaht 12, 13 derart miteinander zu verbinden, dass die gewünschte Dichtwirkung gegenüber Flüssigkeiten und Gasen gegeben ist. In allen Fällen ist der Anfangspunkt der Schweißnaht 12, 13 mit 21 und der Endpunkt der Schweißnaht 12, 13 mit 22 bezeichnet. Im Fall von 8 wird der Endpunkt 22 um die Breite der Schweißnaht 12, 13 neben den Anfang der Schweißnaht 12, 13 gesetzt. Im Unterschied hierzu wird in der Variante nach 9 beim Schließen der Schweißnaht 12, 13 der Anfangspunkt 21 noch einmal mit der Elektrode 4, 15, das heißt der kugelförmigen Elektrode 4 oder der rollenförmigen Elektrode 15, überfahren und mit geringer Stromstärke auf Temperatur gebracht, bevor der Endpunkt 22 gesetzt wird. Eine Erwärmung des Anfangspunktes 21 vor dem Schlie-ßen der Schweißnaht 23 findet auch in der Verfahrensvariante nach 10 statt. In diesem Fall wird hierzu eine externe Wärmequelle 29 verwendet. Sämtliche Verfahrensvarianten nach den 8 bis 10 sind mit jeder der beschriebenen Schweißvorrichtungen 1 durchführbar.
-
Im Diagramm nach 11 ist mit durchgezogener Linie der Spannungsverlauf zwischen den kugeligen Elektroden 4 oder rollenförmigen Elektroden 15 beim Setzen einzelner Schweißpunkte 14, 21, 22 aufgezeigt. Einzelne Maxima des Quadrats der Spannung U treten aufgrund des Ohm'schen Widerstandes, welcher durch die Bleche 6, 7 gebildet ist, zwangsläufig auf, wenn der Schweißstrom maximal ist. Peaks des mit ScS bezeichneten Schweißstroms fallen somit mit Spannungsmaxima zusammen. In der Verfahrensführung gemäß 11 wird nach dem Setzen eines jeden Schweißpunktes 14, 21, 22 mit Hilfe eines Messstroms MeS eine Prüfung der elektrischen Eigenschaften der hergestellten Schweißverbindung durchgeführt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass elektrische Eigenschaften vom Vorhandensein und der Qualität der Schweißpunkte 14, 21, 22 abhängig sind. Abweichend von der vereinfachten Darstellung nach 11, welche in der Art einer Handskizze gestaltet ist, kann es sich beim Messstrom MeS um ein im Vergleich zum Schweißstrom ScS höherfrequentes Signal handeln, mit welchem auch kapazitive und induktive Eigenschaften der durch den Schweißpunkt 14, 21, 22 hergestellten elektrischen Verbindung zwischen den Blechen 6, 7 feststellbar sind.
-
In 12 ist der Aufbau einer Fertigungsanlage 23, welche mehrere Schweißvorrichtungen 1 umfasst, skizziert. Die Fertigungsanlage 23 dient der serienmäßigen Herstellung von Bipolarplatten 11 aus Blechen 6, 7, welche jeweils vom Coil 24, 25 abgerollt werden. Die zunächst aufgerollten, das heißt als Coil 24, 25 vorliegenden Bleche 6, 7 werden zunächst einer Stanzvorrichtung 26 zugeführt und anschießend in Rahmen 27 zusammengespannt. Eine Mehrzahl jeweils in einem Rahmen 27 fixierter Bleche 6, 7, das heißt Werkstücke 11, wird in einem Zwischenlager 28 abgelegt. Aus diesem Zwischenlager 28 werden die Werkstücke 11 bei Bedarf zur weiteren Verarbeitung entnommen. Die weitere Verarbeitung erfolgt mit Hilfe mehrerer Schweißvorrichtungen 1, welche in der Ausgestaltung nach 12 jeweils nach dem Kugelschreiberprinzip aufgebaute Elektrodenanordnungen 2, 3 aufweisen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schweißvorrichtung
- 2
- Elektrodenanordnung
- 3
- Elektrodenanordnung
- 4
- Kugelige Elektrode
- 5
- Kugelhalterung
- 6
- Blech
- 7
- Blech
- 8
- Lagerkugel
- 9
- Schleifkontakt
- 10
- Leitung
- 11
- Werkstück, hier in Form einer Bipolarplatte
- 12
- Schweißnaht, Außenkontur
- 13
- Schweißnaht, Innenkontur
- 14
- Schweißpunkt
- 15
- Rollenförmige Elektrode
- 16
- Schiene
- 17
- Halterung
- 18
- Steckachse
- 19
- Verbindungsarm
- 20
- Feder
- 21
- Anfangspunkt der Schweißnaht
- 22
- Endpunkt der Schweißnaht
- 23
- Fertigungsanlage
- 24
- Coil
- 25
- Coil
- 26
- Stanzvorrichtung
- 27
- Rahmen
- 28
- Zwischenlager
- t
- Zeit
- MA
- Mittelachse
- MeS
- Messstrom
- ScS
- Schweißstrom
- SW
- Schwenkachse
- U
- elektrische Spannung
