DE10221387C1 - Bolzenschweißen mit asymmetrisch erzeugtem Magnetfeld - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bolzenschweißverfahren nach dem Prinzip des rotierenden Lichtbogens, kurz Rotationslichtbogenschweißen, wobei das dazu nötige Magnetfeld durch eine Spule (1) erzeugt wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, für eine solche Bolzenschweißvorrichtung (14) eine Anordnung vorzuschlagen, gemäß der die Spule (1) außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens angeordnet werden kann. Dadurch werden insbesondere aufwendige Kühlverfahren für die Spule (1) überflüssig. Außerdem wird dadurch eine bessere Zugänglichkeit der Schweißstelle (15) erzielt und somit auch u. a. die Integration von bzw. in Automaten, beispielsweise zur Bestückung des Bolzenhalters (3), erleichtert. Zur Lösung der Aufgabe wird die Spule (1) außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens asymmetrisch angeordnet und es sind Vorrichtungsteile (2, 3, 7) vorgesehen, die den magnetischen Fluss von der Spule (1) zur Schweißstelle (15) leiten und dort das gewünschte symmetrische magnetische Querfeld (12) zum Lichtbogenstrom hervorrufen. Die Erfindung kann beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie zur Anwendung kommen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bolzenschweißverfahren, bei dem ein Schweißelement mit in Draufsicht im Wesentlichen ringförmiger Stirnfläche auf ein Werkstück aufgeschweißt wird und der Lichtbogen während des Schweißvorgangs durch ein Magnetfeld in Rotation versetzt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Elektromagnetanordnung und eine Bolzenschweißvorrichtung zur Verwendung bei einem solchen Bolzenschweißverfahren.

Bolzenschweißverfahren mit rotierendem Lichtbogen wird üblicherweise eingesetzt, um Teile wie beispielsweise Hohlbolzen, Hülsen, Rohrstücke oder Muttern aufzuschweißen. Das Verfahren kommt beispielsweise in Einrichtungen zur Verbindung von Rohren im Leitungsbau oder in Anlagen zur Verbindung von rohrförmigen Teilen mit Flanschen aus der Abfertigung der Kraftfahrzeugindustrie zum Einsatz, wobei zahlreiche Muttern auf Karosserieblechen anzubringen sind.

Das Prinzip des Verfahrens, auf das sich die Erfindung bezieht ist folgendes: Wirkt auf einen Gleichstromlichtbogen ein magnetisches Querfeld, entsteht eine Kraft, die die Lichtsäule bewegt und zur Rotation bringt. Dieses magnetische Querfeld wird durch eine gesonderte Spulenanordnung erzeugt, die im Schweißbereich ein symmetrisches Querfeld ausbildet. Insbesondere durch diese symmetrische Feldausbildung bewegt sich der Lichtbogen mit hoher Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn.

Das Verfahren des Bolzenschweißens mit rotierendem Lichtbogen ist bereits seit mehreren Jahrzehnten bekannt, beispielsweise wird es in der Druckschrift US 2,473,871 aus dem Jahre 1946 vorgestellt. In dieser wird auch eine elektromagnetische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes beschrieben, die symmetrisch zur Mittelachse des Schweißelementes angeordnet ist. Der magnetische Kreis der Spule wird hierbei durch den umgebenden Luftraum geschlossen.

Aus der DE 44 32 550 C1 ist ein Hubzündungsbolzenschweißen bekannt, bei dem der aufzuschweißenden Hohlbolzen eine besondere stirnseitige Ausgestaltung aufweist. Genauer gesagt weist der anzuschweißende Hohlbolzen einen kegelstumpfförmigen Flächenbereich auf, dessen kleinster Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung und dessen größter Durchmesser mindestens im Wesentlichen gleich groß ist wie der Durchmesser der Werkstückbohrung. Durch eine solche Gestaltung kann eine Selbstzentrierung des Hohlbolzens gegenüber der Schweißelementbohrung erreicht werden. Hinsichtlich der Rotation des Lichtbogens ist weiterhin von Bedeutung, dass die aus dem kegelstumpfförmigen Flächenbereich austretenden Magnetfeldlinien eine erhebliche Radialkomponente aufweisen, die eine wirksame Rotation des Lichtbogens um die Werkstückbohrung ergibt. Dieses Verfahren hat indessen bei wirtschaftlicher Betrachtung den Nachteil, dass beispielsweise kaum Standardmuttern verwendet werden können, sondern wesentlich teurere Spezialteile mit speziell gestalteter Stirnfläche verwendet werden müssen.

Aus der DE 44 00 957 C1 ist ein weiterer Ansatz bekannt, nach dem wiederum zum Anschweißen von Bolzen mit im Wesentlichen ringförmigem Querschnitt durch Lichtbogenverschweißung nach dem Hubzündungsprinzip ein Bolzenhalter symmetrisch von einer Elektromagnetspule umgeben ist, wobei in diesem Fall das erzeugte Magnetfeld über ein sogenanntes Flussführungsteil, das das Schweißelement kegelstumpfförmig umgibt, zum Schweißspalt geleitet wird.

In der DE 15 65 003 A wird eine diesbezügliche Anordnung vorgeschlagen, bei der die Spule um den Bolzenhalter aus dem Schweißstromkabel besteht und in der DE 34 38 043 A1 wird eine ähnliche Anordnung vorgeschlagen, bei der der Spulenstrom veränderbar ist.

In der DE 94 17 354 U1 wird eine Anordnung mit symmetrischer Spule vorgestellt, bei der der magnetische Fluss direkt in das Schweißelement unter Umgehung des Bolzenhalters eingekoppelt wird.

In der DE 197 13 344 C1 wird eine Anordnung zur magnetischen Ablenkung des Lichtbogens vorgestellt, bei der eine externe Spule zur Erzeugung des Quermagnetfeldes zum Einsatz kommt, die nicht symmetrisch zur Mittelachse des Schweißelementes angeordnet ist. Eine Lichtbogenrotation kann damit jedoch nicht erreicht werden.

In allen beschriebenen Schriften ist man der Ansicht, dass ein rotationssymmetrisches Feld im Schweißbereich nur durch eine gleichfalls symmetrische Spulenanordnung erreicht werden kann. Die Spule befindet sich dabei außerdem im thermischen Einflussbereich des Lichtbogens. Dies führt insbesondere bei hoher Schweißfolge durch Strahlung und Wärmeleitung des Lichtbogens zu einer sehr starken Aufheizung der Erregerspule, wodurch in der Regel aufwendige Kühlsysteme und -verfahren erforderlich werden. Da die Größe des Schweißkopfes nur so gewählt werden kann, dass dadurch eine gute Zugänglichkeit der Schweißvorrichtung zur Schweißstelle nicht behindert wird, ist es nur äußerst eingeschränkt möglich, entsprechend leistungsfähige Systeme zur Kühlung der Spule vorzusehen.

Ein weiterer Nachteil bei den dargestellten Verfahren liegt darin, dass die um den Bolzenhalter symmetrisch angeordnete Erregerspule den Zugang zum Bolzenhalter verdeckt. Dadurch wird insbesondere der Einbau von automatischen Teilefördereinheiten, wie sie beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie erforderlich sind, erheblich behindert. Allgemein wird die Beladung des Bolzenhalters mit Schweißelementen dadurch erschwert.

Dies alles sind mit Gründe dafür, dass sich alle bisherigen Konstruktionen in vielen Bereichen als unzureichend erwiesen haben. Insbesondere für das Schweißen von Muttern auf Blechen sind seit circa zehn Jahren Anlagen bekannt, jedoch konnte sich das Verfahren bis heute nicht durchsetzen.

Die dargestellten Probleme bei der Nutzung des Bolzenschweißens mit rotierendem Lichtbogen führten außerdem dazu, dass technisch sehr aufwendige und wartungsintensive Sonderanlagen nötig wurden. Derlei Sonderanlagen sind in der Regel mit hohen Investitions- und Wartungskosten verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik zum Bolzenschweißen mit rotierendem Lichtbogen vorzuschlagen, die die oben genannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Zentraler Gedanke zur Lösung ist es dabei, das beim Bolzenschweißen mit rotierendem Lichtbogen langjährig praktizierte Prinzip einer zum Schweißelement achsensymmetrischen Anordnung der Erregerspule zu verlassen und stattdessen eine zur Schweißelementachse asymmetrische Anordnung der Spule außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens vorzuschlagen, die trotz asymmetrischer Erregerspulenanordnung im Schweißbereich ein achsensymmetrisches Magnetfeld erzeugen kann.

An dem symmetrischen Anordnungsprinzip nach dem Stand der Technik wurde bisher festgehalten, obgleich im Bereich des Bolzenschweißens für andere Anwendungen, beispielsweise gemäß DE 197 13 344 C1 Spulen bekannt sind, die nicht achsensymmetrisch zum Werkstück angeordnet sind. Hier wird eine Ablenkung des Lichtbogens in einer Achse erreicht, die jedoch für eine Lichtbogenrotation nicht geeignet ist.

Erfreulicherweise liefert die Erfindung gleichzeitig weitere Vorteile: Die Schweißstelle ist wesentlich leichter zugänglich als bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, wodurch insbesondere die Möglichkeit gegeben wird, wesentlich leichter als bisher eine Automation zur Teilezuführung an die Schweißstelle zu integrieren. Auch wird eine Integration der gesamten Schweißvorrichtung in automatische Fertigungsanlagen mit Robotern deutlich erleichtert. Ferner ist auch beim manuellen Schweißen durch die erfindungsgemäße Spulenanordnung ein Vorteil gegeben, da die Schweißstelle besser einsehbar ist. Schließlich werden dadurch besonders günstige Bedingungen für eine Schutzgasführung geschaffen.

Gemäß der Erfindung wird ein Bolzenschweißverfahren und die entsprechende Bolzenschweißvorrichtung und insbesondere eine entsprechende Elektromagnetanordnung vorgestellt, bei der ein Schweißelement auf ein Werkstück aufgeschweißt wird, wobei die Schweißstelle im Wesentlichen ringförmig ist. Bei dem Schweißelement kann es sich beispielsweise um einen Hohlbolzen, eine Hülse, ein Rohrstück, eine Mutter oder ein geschlossenes Hohlprofil handeln. Die Schweißelemente können aus Stahl, Edelstahl oder Nichteisenmetallen gefertigt sein.

Die Oberfläche des Werkstücks ist dabei im Wesentlichen eben geformt, kann jedoch im Bereich der Schweißstelle auch Krümmungen aufweisen, sofern die Krümmungsradien vergleichsweise groß sind. Die Schweißung erfolgt mittels eines Lichtbogens, der während des Schweißvorgangs durch den Einfluss eines magnetischen Querfeldes derart abgelenkt wird, dass er in Rotation versetzt wird. Dazu weist das Magnetfeld eine Komponente auf, die an der Schweißstelle quer zum Lichtbogen verläuft. Das Magnetfeld wird dabei mittels einer elektromagnetischen Spule erzeugt.

Gemäß der Erfindung ist dabei kennzeichnend, dass diese Spule nicht achsensymmetrisch zur Mittelachse des Schweißelementes, sondern gegenüber dem Schweißelement seitlich versetzt angeordnet ist. Dabei ist der Abstand der Spule vom Lichtbogen so groß gewählt, dass sich die Spule während des Schweißvorganges außerhalb des direkten thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens befindet.

Um den für die Schweißung erforderlichen, im Wesentlichen rotationssymmetrischen Verlauf der magnetischen Feldlinien im Bereich der Schweißstelle zu erzeugen, ist die Spule mit magnetisch leitfähigen Vorrichtungsteilen verbunden, die die Feldlinien entsprechend in den Bereich der Schweißstelle leiten. Diese Vorrichtungsteile bilden einen magnetischen Kreis.

Folgende Bauteile, die aus magnetisch leitfähigem Material bestehen, bilden diesen magnetischen Kreis: Der Bolzenhalter mit dem Schweißelement, die Trägerplatte, die den Bolzenhalter mit dem Kern der Spule magnetisch verbindet, der Spulenkern, die Fußplatte, die den Spulenkern mit einem Kreiselement um die Schweißstelle magnetisch verbindet.

Zwischen dem Bolzenhalter und der Trägerplatte ist eine Isolation erforderlich, da der Bolzenhalter sich unter Schweißpotential befindet und der verbleibende magnetische Kreis mit der Masse dem Werkstück elektrisch leitfähig verbunden ist. Die Isolierung wird so gestaltet, dass sie nur einen geringfügigen Spalt im magnetischen Kreis bildet.

Falls das Werkstück, auf das das Schweißelement aufgeschweißt werden soll, aus einem nicht-magnetischen Werkstoff gefertigt ist, ist ein weiteres magnetisch leitfähiges Teil, die Fußplatte vorgesehen. Diese Fußplatte ist ebenfalls magnetisch leitend mit der Spule verbunden und weist im Bereich der Schweißstelle eine kreisrunde Öffnung auf, durch die hindurch das Schweißelement bei der Schweißung mittels des Bolzenhalters auf das Werkstück aufgebracht wird und deren Durchmesser . unwesentlich größer ist als der Durchmesser des Schweißelementes.

Die magnetischen Feldlinien verlaufen somit von der Spule über die Trägerplatte in den Bolzenhalter, überwinden dann eine vergleichsweise klein dimensionierte Luftbrücke, treten in die Fußplatte ein und verlaufen durch diese schließlich wieder zur Spule. Damit ist der magnetische Kreis geschlossen.

Die Öffnung in der Fußplatte ist so geformt, dass der Abstand der Öffnung zum Werkstück an allen Randpunkten der Öffnung im Wesentlichen gleich groß ist. Damit ergibt sich für den magnetischen Kreis an der Luftbrücke ein sehr großer, aber im gesamten Bereich der Luftbrücke im Wesentlichen gleich großer magnetischer Übergangswiderstand. Bei aktivierter Spule bildet der Luftspalt zwischen Fußplatte und Schweißelement mit Abstand den höchsten magnetischen Widerstand im beschriebenen magnetischen Kreis. Dies bedeutet, dass aufgrund der dargestellten geometrischen Anordnung zwischen der Fußplatte und dem Bolzenhalter die Stärke des magnetischen Flusses rund um das Schweißelement im wesentlichen gleich groß ist. Das bedeutet, dass trotz asymmetrischer Erregerspule im Schweißbereich ein rotationssymmetrisches Querfeld gleichbleibender Stärke ausgebildet wird. Damit wird wie in den bisherigen Anordnungen eine gewünschte Rotation des Lichtbogens erreicht.

Die Position der Erregerspule im magnetischen Kreis ist dabei nebensächlich. Dies bedeutet, dass die Erregerspule nicht, wie nach dem Stand der Technik praktiziert, rotationssymmetrisch um den Bolzenhalter angeordnet sein muss, sondern sich an einer beliebigen anderen Stelle befinden kann. Vorteilhaft sind alle Positionen, die nicht im direkten thermischen Einflussbereich des Lichtbogens liegen. Insbesondere bietet sich an, die Spule seitlich des Bolzenhalters anzuordnen.

Bei einem ferromagnetischen Werkstück koppelt der magnetische Fluss über das ferromagnetische Schweißelement - beziehungsweise bei nicht-ferromagnetischem Schweißelement über den Bolzenhalter - direkt über den kreisringförmigen Luftspalt auf das Werkstück. Der Luftspalt in der Schweißzone beträgt beispielsweise 1 bis 2 mm und der magnetische Widerstand des Luftspaltes ist damit wiederum ein Mehrfaches des Widerstandes des restlichen magnetischen Kreises. Wiederum ist somit der magnetische Fluss im Spalt daher symmetrisch und in allen Kreisabschnitten gleich groß. Auch in diesem Fall kann somit eine unveränderte Rotation des Lichtbogens erzielt werden.

Je nach Ausgestaltung der Schweißvorrichtung kann im Falle von ferromagnetischen Werkstücken unter Umständen eine Vorrichtung ohne Fußplatte realisiert werden.

Die Mindestbreite der Schweißvorrichtung wird im Wesentlichen vom Durchmesser des Schutzgasrohres und gegebenenfalls vom Durchmesser der Fußplatte bestimmt. Der Durchmesser des Schutzgasrohres wiederum kann so gewählt sein, dass er im Wesentlichen nur von der Größe des aufzuschweißenden Schweißelementes bestimmt ist. Dabei kann beispielsweise ein Schweißkopf so gestaltet werden, dass er für Schweißmuttern der Größen M 8 bis M 12 geeignet ist.

Wird die Spule wie beispielsweise vorgeschlagen seitlich des Bolzenhalters angeordnet, sind keine aufwendigen Kühleinrichtungen der Erregerspule nötig, da sie sich außerhalb der thermischen Einflusszone des Lichtbogens befindet. Darüber hinaus wird bei dieser Anordnung die Zugänglichkeit zur Schweißstelle gegenüber der konventionellen achsensymmetrischen Anordnung erheblich verbessert. Dadurch entstehen einerseits günstige Bedingungen für die Schutzgasführung, andererseits können automatische Fördereinrichtungen für die Schweißelemente integriert werden. Außerdem kann durch die seitliche Anordnung der Erregerspule die Vorrichtung im Bereich des Schweißelementes klein gehalten werden. Sie wird im Wesentlichen durch die Größe des Schweißelementes und des Schutzgasrohres bestimmt. Dadurch wird ein deutlich besserer Zugang zum Schweißelement als bei bisher bestehenden Systemen ermöglicht.

Durch die vorgeschlagene Anordnung wird insbesondere eine Integration des Schweißkopfes in automatische Fertigungsanlagen mit Robotern deutlich erleichtert.

Zu erwähnen ist ferner, dass es auch möglich ist, für die Erzeugung des Magnetfeldes mehrere Spulen vorzusehen.

Falls das Werkstück, auf dem das Schweißelement aufgeschweißt werden soll, im Wesentlichen eben ist, befindet sich nach der vorgeschlagenen Anordnung die Spule und der Bolzenhalter während des Schweißvorgangs auf derselben Seite des Werkstücks. Dies hat den Vorteil, dass die Schweißvorrichtung zum Schweißen nur von einer Seite mit dem Werkstück in Kontakt gebracht werden muss.

Falls die Oberfläche des Werkstücks eben ist, bietet es sich an, die Unterseite der Fußplatte ebenfalls eben zu formen, um eine gute Kontaktierbarkeit zu ermöglichen. Falls die Oberflächenform des Werkstücks im Bereich des Schweißelementes nicht eben ist, bietet sich die Möglichkeit, die Form der Unterseite der Fußplatte der Oberflächenform des Werkstücks im Bereich des Schweißelementes - wenigstens teilweise - anzupassen, um auf diese Weise eine leichtere Kontaktierbarkeit zu ermöglichen.

Beispielsweise bietet sich diese Möglichkeit für den Fall an, dass das Schweißelement auf ein Rohr aufgeschweißt werden soll, dessen Durchmesser groß ist im Vergleich zu dem Durchmesser des Schweißelementes. Der Radius des Wekstückrohres ist in diesem Fall der Krümmungsradius der Schweißstelle. Die Unterseite der Fußplatte kann dann unter Berücksichtigung dieses Krümmungsradius' entsprechend formschlüssig konkav geformt sein.

Erwähnenswert ist insbesondere, dass sich die vorgeschlagene Bolzenschweißvorrichtung auch zum Bolzenschweißen nach dem Hubzündungsprinzip einsetzen lässt. Die Integration dieses Prinzips in die vorgestellte Erfindung ist für den Fachmann offensichtlich. Wird die Erfindung im Zusammenhang mit dem Hubzündungsprinzip verwendet, ist dies insbesondere im Hinblick auf eine Verringerung der Blaswirkung vorteilhaft. Durch Überlagerung des magnetischen Feldes des Schweißlichtbogens durch ein entsprechend starkes Quermagnetfeld wird der Lichtbogen auch in diesem Fall in eine Rotation versetzt, die die Blaswirkung nahezu aufhebt. Dieser Effekt ist für alle zu schweißenden Materialien anwendbar.

Durch die oben erwähnte vergleichsweise leichte Zugänglichkeit zur Schweißstelle bietet es sich ferner an, in die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung eine Vorrichtung zur automatischen Beladung des Bolzenhalters mit Schweißelementen zu integrieren. Dies ist im Hinblick auf einen Einsatz der Erfindung als Schweißkopf zum automatisierten Bolzenschweißen von Interesse.

Auf die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens hat insbesondere die Stärke des Quermagnetfeldes direkten Einfluss. Wird daher während des Schweißvorganges der Stromverlauf in der Erregerspule verändert, kann auf diese Weise Einfluss auf die Lichtbogenrotation genommen werden. Insbesondere ist es prinzipiell möglich, auf diese Weise das Schweißergebnis zu verbessern. Daher wird vorgeschlagen, bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine entsprechende zeitliche Regelmöglichkeit für den Strom durch die Spule vorzusehen.

Schließlich ist zu erwähnen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der verbesserten Zugänglichkeit zur Schweißstelle derart ausgestaltet sein kann, dass sie sich in besonderer Weise für eine Schutzgaszuführung zur Schweißstelle während des Schweißvorgangs eignet. Dies ist an sich Stand der Technik und kann vom Fachmann leicht in die vorgestellte Vorrichtung integriert werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften sollen nunmehr anhand einer detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und bezugnehmend auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mit Feldlinienverlauf, und

Fig. 3 einen Verlauf der magnetischen Feldlinien in Aufsicht in Richtung auf die Fußplatte auf Höhe der Schweißstelle.

Im Folgenden sind zunächst anhand der Fig. 1 wesentliche Teile der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 14 erläutert. Anhand der Fig. 2 und 3 wird anschließend auf die Formgestaltung einiger dieser Teile im Hinblick auf deren Einfluss auf das magnetische Feld eingegangen.

In Fig. 1 erkennt man eine Erregerspule 1, durch die das magnetische Feld erzeugt wird, mit dem der Lichtbogen an der Schweißstelle 15 während des Schweißvorganges abgelenkt und zur Rotation gebracht wird. Die Spule 1 ist von einem Gehäuse 9 umgeben und im Bereich ihrer Außenseite mit einer elektrischen Zuleitung 8 verbunden. Außerdem enthält die Spule im Bereich ihrer Symmetrieachse 16 einen Spulenkern 10.

Die Spule 1 ist über eine Trägerplatte 7 mechanisch tragend mit dem Bolzenhalter 3 verbunden und dabei seitlich von diesem angeordnet. Die Trägerplatte 7 ist im Fall des gezeigten Ausführungsbeispiels auf der der Schweißstelle 15 abgewandten Seite der dargestellten Schweißvorrichtung 14 angeordnet. Die Trägerplatte 7 ist so geformt und dimensioniert, dass sich die Spule 1 während des Schweißvorganges außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens befindet.

In der seitlich asymmetrisch versetzten Anordnung der Spule 1 gegenüber dem Bolzenhalter 3 liegt ein entscheidender Unterschied zu konventionellen Schweißvorrichtungen, die mit symmetrischen Erregerspulen arbeiten. Durch diesen entscheidenden Unterschied ergeben sich erfreulicherweise gleichzeitig mehrere Vorteile: Die Spule ist außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens angeordnet, wodurch aufwendige Kühlsysteme unnötig gemacht werden. Durch die räumliche Anordnung der Spule wird im Bereich der Schweißstelle 15 entscheidender Raum gewonnen. Dies trägt dazu bei, dass die Schweißstelle 15 besser einsehbar ist, was bei manuellem Schweißen erheblichen Vorteil bietet. Darüber hinaus kann der gewonnene Raum dazu verwendet werden, eine (nicht dargestellte) automatische Fördereinrichtung zur Bestückung des Bolzenhalters 3 mit Schweißelementen 4 zu integrieren. Auch wird dadurch eine Integration des Schweißkopfes in automatische Fertigungsanlagen mit Robotern deutlich erleichtert. Schließlich entstehen dadurch besonders günstige Bedingungen für die Schutzgaszuführung.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Spulenachse 16 und die Bolzenhalterachse 13 in einer Ebene, die in Fig. 1 durch die Zeichenebene repräsentiert ist. Diese Achsenlagenorientierung bietet fertigungstechnische Vorteile. Ferner ist die Spule 1 bezüglich des Bolzenhalters 3 im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet.

Möglich ist jedoch auch eine andersartige Anordnung der Spule 1 bezüglich des Bolzenhalters 3, sofern sich die Spule 1 während des Schweißvorgangs außerhalb des thermischen Einflussbereiches des Lichtbogens befindet und die unten bei der Beschreibung der Fig. 2 und 3 genannten Anforderungen an den Verlauf des magnetischen Feldes erfüllt sind. Beispielsweise könnte die Spule 1 auch so angeordnet sein, dass ihre Achse 16 gegenüber der Achse 13 des Bolzenhalters 3 nicht parallel verläuft und/oder dass die Spule 1 nicht im Wesentlichen auf Höhe des Bolzenhalters 3, sondern höher oder tiefer - also auch in der Zeichenebene der Fig. 1 höher oder tiefer - angeordnet ist. Unter Umständen könnten dadurch weitere Vorteile erzielt werden, beispielsweise könnte dadurch die Außenfläche der Schweißvorrichtung 14 im unmittelbaren Bereich der Schweißstelle 15 derart geformt werden, dass eine weitere Verbesserung der Zugänglichkeit der Schweißvorrichtung 14 zur Schweißstelle 15 auf dem Werkstück, auf das das Schweißelement 4 aufgeschweißt werden soll, möglich wird.

Die Trägerplatte 7 ist gegenüber dem Bolzenhalter 3 elektrisch isoliert angeordnet. Gemäß Fig. 1 ist hierfür eine Isolierschicht 6 vorgesehen, die den Bolzenhalter 3 schlauchförmig umgibt. Diese Isolierschicht 6 verhindert, dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem Bolzenhalter 3 und der mit Werkstückpotential verbundenen Trägerplatte 7 entsteht. Im übrigen ist die Isolierschicht 6 derart auszugestalten, dass sie den Verlauf des magnetischen Feldes wenig behindert.

Weiterhin erkennt man in Fig. 1 eine Fußplatte 2. Sie ist gemäß Fig. 1 so geformt, dass sie in einer Ebene normal zur Mittelachse 13 des Schweißelementes 4 orientiert und im Wesentlichen auf Höhe der Schweißstelle 15 angeordnet ist. Zum Schweißvorgang wird die Fußplatte 2 auf die Schweißstelle 15 des Werkstücks aufgesetzt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fußplatte 2 und insbesondere ihre Unterseite, die beim Schweißvorgang auf das Werkstück aufgesetzt wird, eben geformt. Diese Ausführung eignet sich besonders für Werkstücke, deren Oberfläche in dem Bereich der Schweißstelle 15, in dem die Schweißvorrichtung 14 aufgesetzt wird, ebenfalls eben geformt ist, da in diesem Fall eine gute Kontaktiermöglichkeit der Schweißvorrichtung 14 mit dem Werkstück gegeben ist.

Falls die Oberfläche des Werkstücks im genannten Bereich um die Schweißstelle nicht eben geformt ist, bietet sich an, die Unterseite der Fußplatte 2 in ihrer Form - zumindest teilweise - der Form der Oberfläche des Werkstücks anzupassen. Handelt es sich beispielsweise bei der Oberfläche des Werkstücks um die Außenseite eines Rohres, kann die Unterseite der Fußplatte 2 entsprechend dem Krümmungsradius des Rohres länglich konkav geformt sein, so dass wiederum eine gute Kontaktierbarkeit der Schweißvorrichtung mit dem Werkstück im Sinne eines Formschlusses ermöglicht ist.

Die Fußplatte 2 betreffend, sind ferner folgende zwei Fälle zu unterscheiden, die im Folgenden separat erläutert werden: Entweder ist die Schweißvorrichtung 14 für die Anwendung bei Werkstücken vorgesehen, die aus magnetisch leitfähigem Material geformt sind, oder für solche, die magnetisch nicht oder nur schlecht leitfähig sind.

Falls die Schweißvorrichtung 14 für ein Schweißen auf einem Werkstück aus nicht magnetisch leitfähigem Material vorgesehen ist, ist die Fußplatte 2 derart geformt, dass sie im Bereich der Schweißstelle 15 eine - in Blickrichtung der Mittelachse 13 des Schweißelementes 4 - kreisförmige Öffnung 17 aufweist, durch die hindurch das aufzuschweißende Schweißelement 4 auf das Werkstück aufgesetzt wird. Die Öffnung 17 ist dabei so ausgestaltet, dass sich ihr Mittelpunkt auf der Mittelachse 13 des Schweißelementes 4 befindet und der Abstand zwischen dem Schweißelement 4 und dem Rand der Öffnung 17 relativ klein ist.

Auf die Dimensionierung dieses Abstandes wird weiter unten noch näher eingegangen.

Falls die Schweißvorrichtung 14 für ein Schweißen auf einem Werkstück aus magnetisch leitfähigem Material vorgesehen ist, ist ebenfalls im Bereich der Schweißstelle 15 eine Öffnung 17 vorgesehen, bei deren Dimensionierung und Form allerdings lediglich berücksichtigt werden muss, dass sie zwischen der Spule 1 und dem Werkstück eine magnetisch gut leitfähige Verbindung während des Schweißvorganges herstellt. Unter Umständen kann in diesem Fall sogar auf eine Fußplatte 2 völlig verzichtet werden.

Weiterhin erkennt man in Fig. 1 ein Schutzgasrohr 5, das im Bereich der Schweißstelle 15 um den Bolzenhalter 3 angeordnet ist. Die Schutzgaszuführung 11 befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Bolzenhalter 3 und dem Schutzgasrohr 5 und schließt die Schweißstelle 15 in diesem Bereich ab. Bezüglich der Vorrichtung im Hinblick auf das Schutzgas wird im übrigen auf den Stand der Technik verwiesen.

Im Folgenden wird auf Bauteile der Schweißvorrichtung 14 im Hinblick auf deren Einfluss auf das Magnetfeld eingegangen. In den Fig. 2 und 3 ist durch Linien, die mit Pfeilköpfen versehen sind, schematisch der Verlauf der magnetischen Feldlinien während des Schweißvorgangs für das dargestellte Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt durch die Schweißvorrichtung 14 und Fig. 3 eine entsprechende Aufsicht in Blickrichtung der Bolzenträgerachse 13 auf Höhe der Schweißstelle 15. Soweit nicht anders angegeben, sind die Bezugszeichen der Fig. 1 übernommen.

Wesentlich im Hinblick auf das magnetische Feld, das während des Schweißvorganges den Lichtbogen rotieren lässt und das dafür durch die Spule 1 erzeugt wird, ist es, dass im unmittelbaren Bereich der Schweißstelle 15, insbesondere im Bereich des Lichtbogens ein magnetisches Querfeld erzeugt wird, das eine zur Mittelachse 13 des Schweißelementes 4 rotationssymmetrische gleichmäßige Komponente 12 aufweist.

Der von der Spule 1 erzeugte magnetische Fluss wird durch die magnetischen Bauteile (2, 7, 10) in den Bereich des Bolzenhalters 3 und der Schweißstelle geleitet.

Durch die genannten Vorrichtungsteile führt bei aktivierter Spule 1 ein magnetischer Kreis, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Falls das Schweißelement 4 aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist, verläuft der genannte magnetische Kreis auch durch dieses und falls das Werkstück, auf das das Schweißelement 4 aufgeschweißt werden soll, aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist, verläuft der genannte magnetische Kreis auch durch dieses.

Der genannte magnetische Kreis verläuft somit größtenteils durch magnetisch leitfähiges Material. Allerdings enthält er eine relativ kleine Luftbrücke zwischen dem magnetischen Schweißelement 4 beziehungsweise - bei unmagnetischem Schweißelement 4 - dem Bolzenhalter 3 und der Fußplatte 2 beziehungsweise - bei magnetischem Werkstück - dem Werkstück.

Im Falle eines nicht magnetischen Werkstücks weist die Fußplatte 2 - wie oben dargestellt - eine kreisrunde Öffnung 17 auf, in deren Mitte sich das Schweißelement 4 beim Schweißvorgang befindet. Dabei ist der geometrische Abstand zwischen dem Schweißelement 4 und dem Rand der Öffnung 17 an allen Randpunkten im Wesentlichen gleich groß. Damit ergibt sich für den magnetischen Kreis in diesem Fall an der Luftbrücke ein verhältnismäßig sehr großer, aber an allen Punkten der Luftbrücke im Wesentlichen gleichgroßer magnetischer Übergangswiderstand, der mit Abstand den größten magnetischen Widerstand im gesamten magnetischen Kreis bildet. Auf diese Weise entsteht rund um das Schweißelement 4 ein magnetischer Fluss, dessen Stärke in diesem Bereich im Wesentlichen gleich groß ist und dessen Richtung im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Mittelachse 13 des Schweißelementes 4 verläuft. Somit kann ein magnetisches Querfeld erzeugt werden, das bei geeigneter Spulenstromstärke zu einem rotationssymmetrischen gleichmäßigen Quermagnetfeld führt, das die gewünschte Rotation des Lichtbogens verursacht.

In den Fig. 2 und 3 erkennt man eine Ausführung der Randgestaltung der Öffnung 17, wonach der Radius der Öffnung 17 im Bereich der Unterseite der Fußplatte 2 kleiner ist, als der Radius im Bereich der Oberseite der Fußplatte 2. Hierdurch kann die Richtung der magnetischen Kraft besonders vorteilhaft beeinflusst werden.

Bei einem magnetisch leitfähigen Werkstück entsteht eine entsprechende Luftbrücke zwischen dem Werkstück und dem magnetischen Schweißelement 4 - beziehungsweise bei unmagnetischem Schweißelement 4 - dem Bolzenhalter 3. Der Luftspalt an der Schweißstelle 15 beträgt beispielsweise zwei bis vier Millimeter, was - analog zum obigen Fall - dazu führt, dass die Luftbrücke für den gesamten magnetischen Kreis mit Abstand den größten Widerstand darstellt. Auch in diesem Fall wird ein rotationssymmetrisches gleichmäßiges Quermagnetfeld erzeugt, das zur gewünschten Lichtbogenrotation führt.

Das Quermagnetfeld übt auf den Lichtbogen eine Ablenkungskraft aus und kann damit die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens beeinflussen. Daher kann mittels einer Veränderung des Spulenstromes während des Schweißvorganges eine Veränderung des magnetischen Feldes im Bereich der Schweißstelle 15 hervorgerufen und somit eine Veränderung der Lichtbogenrotation bewirkt werden. Daher wird als Ausführungsbeispiel insbesondere die Möglichkeit erwähnt, die Schweißvorrichtung 14 mit einem Regler zu versehen, mit dem in geeigneter Weise während des Schweißvorganges der Spulenstrom verändert (moduliert) werden kann. Diese Vorrichtung ist dabei so zu gestalten, dass mit Hilfe dieses Reglers positiv auf das Schweißergebnis Einfluss genommen werden kann.

Erwähnt werden soll an dieser Stelle, dass auch durch die Höhe des Schweißstromes die Rotation des Lichtbogens beeinflusst werden kann.

Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:

• - Das Verfahren ist für die Materialien Stahl, Edelstahl und Nichteisenmetalle anwendbar.
• - Auch Kombinationen zwischen magnetischen und nichtmagnetischen Werkstoffen sind möglich.
• - Es ist keine aufwendige Kühlvorrichtung für die Erregerspule notwendig.
• - Es ist möglich, beim Schweißen auftretende Blaswirkungen bei allen Materialien durch Überlagerung mit einem Quermagnetfeld und die dadurch entstehende Lichtbogenbewegung nahezu aufzuheben.
• - Der Bolzenhalter ist bei seitlicher Anordnung der Spule von "drei" Seiten frei zugänglich.
• - Insbesondere bietet die Anordnung günstige Bedingungen für die Schutzgasführung.
• - Eine Vorrichtung zur automatischen Bestückung des Bolzenhalters ist vergleichsweise leicht integrierbar.
• - Im Bereich des Schweißelementes kann die Vorrichtung klein dimensioniert sein. Dadurch ist in der Regel ein deutlich besserer Zugang zum Bauteil im Vergleich zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik möglich.
• - Eine Integration des Schweißkopfes in automatische Fertigungsanlagen mit Robotern ist wesentlich leichter möglich als bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
• - Prinzipiell können Investitions- und Wartungskosten für die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen erheblich gesenkt werden. Dadurch kann eine Anwendung des Verfahrens in der Industrie nennenswert erleichtert und begünstigt werden.

Bezugszeichenliste

1

Spule

2

Fußplatte

3

Bolzenhalter

4

Schweißelement

5

Schutzgasrohr

6

Isolation

7

Trägerplatte

8

elektrische Zuleitung

9

Spulengehäuse

10

Spulenkern

11

Schutzgasführung

12

Feldlinienverlauf im Bereich der Schweißstelle

13

Mittelachse des Schweißelementes

14

Bolzenschweißvorrichtung

15

Schweißstelle

16

Spulenachse

17

kreisförmige Öffnung der Fußplatte

Claims (27)

1. Bolzenschweißverfahren, bei dem
ein Schweißelement (4) mit in Draufsicht im Wesentlichen ringförmiger Stirnfläche mittels eines Lichtbogens auf ein Werkstück aufgeschweißt wird, und
der Lichtbogen während des Schweißvorgangs durch ein von wenigstens einer Spule (1) erzeugtes Quermagnetfeld (12) in Rotation versetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetfeld durch eine asymmetrisch zur Mittelachse (13) des Schweißelementes (4) angeordnete Erregerspule (1) und deren magnetischem Fluss erzeugt wird und so durch einen magnetischen Kreis bildende Teile zum Bolzenhalter (3) und der Schweißstelle (15) zugeführt wird, dass im Schweißbereich ein rotationssymmetrisches gleichmäßiges Quermagnetfeld ausgebildet wird.

2. Bolzenschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem asymmetrisch erzeugten magnetischen Fluss mittels den magnetischen Fluss beeinflussender Mittel (1, 2, 3, 7) im Bereich der Schweißstelle (15) das rotationssymmetrische magnetische Querfeld (12) erzeugt wird.

3. Bolzenschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Bolzenhalters (3) der magnetische Fluss in dem Bereich der Schweißstelle geführt wird.

4. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (1) während des Schweißvorgangs seitlich des Bolzenhalters (3) angeordnet ist.

5. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement (4) und die Spule (1) während des Schweißvorgangs auf derselben Seite des Werkstücks positioniert sind.

6. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spule (1) erzeugte magnetische Fluss eine Trägerplatte (7) durchsetzt, die die Spule (1) mit dem Bolzenhalter (3) verbindet.

7. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spule (1) erzeugte magnetische Fluss eine Fußplatte (2) durchsetzt, die mit der Spule (1) verbunden ist und die im Bereich der Schweißstelle eine kreisförmige Öffnung aufweist, durch die hindurch das Schweißelement (4) mittels des Bolzenhalters (3) auf das Werkstück aufgesetzt wird.

8. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einem Bolzenschweißverfahren mit Hubzündung angewandt wird.

9. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenhalter (3) automatisch mit Schweißelementen beladen wird.

10. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Strom durch die Spule (1) während des Schweißvorgangs verändert wird.

11. Bolzenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißvorgangs ein Schutzgas mittels einer Schutzgasführung (11) zur Schweißstelle transportiert wird.

12. Elektromagnetanordnung zur Verwendung bei einem Bolzenschweißverfahren, bei dem
ein Schweißelement (4) mit in Draufsicht im Wesentlichen ringförmiger Stirnfläche mittels eines Lichtbogens auf ein Werkstück aufgeschweißt wird, und
der Lichtbogen während des Schweißvorgangs durch ein von wenigstens einer Spule (1) erzeugtes Quermagnetfeld in Rotation versetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spule (1) bezüglich der Mittelachse (13) des Schweißelementes (4) seitlich versetzt angeordnet ist.

13. Elektromagnetanordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Feldlinienverlauf beeinflussende Mittel (2, 3, 7, 10), die ausgehend von dem durch die seitlich versetzte Spule (1) erzeugten Fluss im Bereich der Schweißstelle ein rotationssymmetrisches magnetisches Querfeld (12) erzeugen.

14. Elektromagnetanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bolzenhalter (3) derart angeordnet ist, dass mittels des Bolzenhalters (3) der magnetische Fluss in den Bereich der Schweißstelle geführt wird.

15. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) seitlich des Bolzenhalters (3) angeordnet ist.

16. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement (4) und die Spule (1) während des Schweißvorgangs auf derselben Seite des Werkstücks angeordnet sind.

17. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch eine magnetisch leitfähige Trägerplatte (7), die den Bolzenhalter (3) mit der Spule (1) verbindet.

18. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch eine magnetisch leitfähige Fußplatte (2), die mit der Spule (1) verbunden ist und die im Bereich der Schweißstelle eine kreisförmige Öffnung aufweist, durch die hindurch das Schweißelement (4) auf den Träger aufgesetzt wird.

19. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Fußplatte (2) der Oberflächenform des Werkstücks im Bereich des Schweißelementes anpasst ist.

20. Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch Mittel zum Regeln eines elektrischen Stroms, der durch die Spule (1) fließt.

21. Verwendung einer Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20 mit einem Bolzenschweißgerät.

22. Bolzenschweißgerät, gekennzeichnet durch eine Elektromagnetanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20.

23. Bolzenschweißgerät nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, dass der Bolzenhalter (3) von der Trägerplatte (7) elektrisch isoliert angeordnet ist.

24. Bolzenschweißgerät nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass es für ein Bolzenschweißverfahren mit Hubzündung verwendbar ist.

25. Bolzenschweißgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine Schutzgasführung (11) für die Zufuhr von Schutzgas zur Schweißstelle.

26. Bolzenschweißgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 25, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum automatischen Beladen des Bolzenhalters (3).

27. Bolzenschweißgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 26, gekennzeichnet dadurch, dass die Rotation des Lichtbogens zur Unterdrückung der Lichtbogenblaswirkung beim Schweißen eingesetzt wird.