DE10334478A1

DE10334478A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Widerstandsschweißen

Info

Publication number: DE10334478A1
Application number: DE2003134478
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kölzer; Peter Prof. Dr. Puschner; Dieter Regner; Walter Riether
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: DE10334478B4

Abstract

Verfahren zum Widerstandsschweißen, folgende Schritte umfassend: Bereitstellen einer steuerbaren Stromquelle, Bereitstellen einer Schweißzange, welche wenigstens zwei Elektroden aufweist und welche durch die Stromquelle mit elektrischer Energie versorgt wird, Bereitstellen von Mitteln, mit welchen elektrische Größen zum Bestimmen der Prozessimpedanz an den Elektroden bereitstellbar sind, Bereitstellen einer Steuereinheit zum Steuern des Schweißprozesses, wobei in der Steuereinheit mithilfe der elektrischen Größen die Prozessimpedanz bestimmt wird und mit einer oder mehreren hinterlegten oder extern zugeführten Soll-Impedanzen verglichen wird und abhängig von diesem Vergleich oder den Vergleichen der Schweißprozess gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10.

Widerstandsschweißmaschinen nach Stand der Technik bestehen aus einer Punkt-schweißzange mit Anschlusskabel, einer steuerbaren Stromquelle im Strombereich 1kA bis einige 100kA und einer Steuereinheit. Letztere steuert den erforderlichen Ablauf zum Schließen und Öffnen der Zange, ggf. den über die Elektroden aufgebrachten Druck und die Stromzeit und ggf. Stromhöhe und den zeitlichen Stromverlauf. Probleme bei derartigen Maschinen treten dann auf, wenn die Ausgangsbedingungen zum Setzten eines Punktes schwanken. So können die zu verschweißenden Bleche, insbesondere in einem Reparaturfall, bereits mit einer beiderseitigen Lackschicht versehen sein und damit der Stromfluss behindert sein. Des weiteren treten unterschiedliche Anfangsbedingungen auf, je nachdem ob es sich um den ersten Punkt oder nach bereits erfolgter Punktschweißung um einen zweiten oder dritten oder weitere Punkte in dessen Nachbarschaft handelt. Derartige Situationen führen bei Maschinen nach Stand der Technik zu unterschiedlicher Qualität der erzeugten Punktverbindung, in der Regel kann eine unzurei chend erfolgte Punktschweißung nicht einmal mehr erkannt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Widerstandsschweißen anzugeben, welches ein sicheres Verschweißen auch bei unterschiedlichen Schweißbedingungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung schließt insbesondere die technische Lehre ein, dass zur Steuerung des Schweißprozesses in der Steuereinheit mit Hilfe elektrischer Größen die Prozessimpedanz bestimmt wird und mit einer oder mehreren hinterlegten oder extern zugeführten Soll-Impedanzen verglichen wird und abhängig von diesem Vergleich oder den Vergleichen der Schweißprozess gesteuert wird.

Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass durch ein einfaches Abgleichen von Impedanzen die Schweißbedingungen überprüfbar sind. Auf der Basis dieser Erkenntnis können dann erfindungsgemäß höchst vorteilhafte Maßnahmen im Schweißprozess ergriffen werden, die eine gleichbleibende Qualität der Schweißung sicherstellen.

Hierzu wird der Schweißprozess in unterschiedliche Verfahrensschritte oder Prozessphasen aufgeteilt. Nach der Phase des Schließens der Zange kommt insbesondere einer sogenannten Testphase erfindungsgemäß ein wichtige Bedeutung zu. In der Testphase werden zunächst die generellen Anfangsbedingungen festgestellt. Vorteilhafterweise geschieht dies bei einer Strom-Pulsfolge, die in ihren Parametern den zu verschweißenden Blechen angepasst werden kann. Dabei wird neben dem Ist-Stromverlauf auch die Schweißspannung erfasst, was in vorteil hafter Weise so nahe wie möglich an den Elektroden erfolgt. Je näher die Messleitungen an die Elektroden herangeführt werden, desto genauer ist die über diesen Parameter gewonnene Aussagefähigkeit. Der unmittelbaren Ankopplung der Messleitungen an die Elektroden oder in unmittelbarer Nähe stehen vielfach Probleme entgegen, die in der Messwertverfälschung der Ist-Spannung durch elektromagnetische Einstreuung in das über die Messleitungen an der Zange aufgespannte Fenster begründet sind. Die Verfälschung ist insbesondere bei sog. Mittelfrequenz-Stromquellen erheblich und kann die Messwertverwertung erheblich beeinträchtigen.

Für eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird daher vorteilhafter Weise eine Messwert-Aufbereitungsanordnung oder Filter vorgesehen, die oder der den tatsächlichen Spannungswert wieder regeneriert, in dem die elektromagnetische Einstreuung in die an der Zange aufgespannten Messleitungen eliminiert werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird bei gesteuerten Quellen mit Konstantstromcharakteristik der Verlauf der Spannung mindestens während der Testphase beobachtet und ausgewertet. In besonders vorteilhafter Ausführung wird durch Quotientenbildung der Ist-Werte Spannung und Strom fortlaufend die Prozessimpedanz gewonnen, wobei hier diejenige Impedanz gemeint ist, die sich an den Ankoppelstellen der Spannungsmessleitung ergibt, und die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreicht. Die Impedanz kann sowohl in ihrem unmittelbaren zeitlichen Verlauf als auch als eine gemittelte Größe über einen definierten Zeitraum, vorteilhafter Weise der Dauer eines Testpulses, gebildet werden.

Wegen des hohen technischen Aufwandes der Sekundärstrommessung kann hier auch die Primärstromgröße des bei derartigen Geräten zur Anwendung kommenden Netz- oder Mittelfrequenztransformators der Stromquelle unter Berücksichtigung des Übertragungs verhaltens mit einem Korrekturfaktor versehen herangezogen werden. Bei Gleichstromanlagen kann hierzu das so gewonnene Messsignal gleichgerichtet werden.

Die Testphase wird so ausgelegt, dass über die Betrachtung des Spannungsverlaufs oder der Prozessimpedanz zwei oder mehr Fälle unterschieden werden. Solche Fälle können ein Erstpunkt auf zwei blanken Blechteilen, ein Zweitpunkt auf zwei blanken Blechteilen, ein Erstpunkt auf zwei durch Lackschichten gegeneinander isolierten Blechteilen, ein Zweitpunkt auf zwei durch Lackschichten gegeneinander isolierten Blechteilen usw. sein. Jeder dieser Fälle unterscheidet sich in der Testphase durch die jeweilige Anfangsimpedanz und kann erfindungsgemäß detektiert bzw. erfasst werden. Eine verfahrensgemäße Vorrichtung kann so ausgelegt werden, dass diese eine oder mehrere Testphasen mit dabei zu Testzwecken abgegebenen Stromtestpulse hintereinander ausführt und in Abhängigkeit vom Unterschreiten bestimmter Soll-Impedanzen entsprechende Programmverzweigungen auslöst. Der Energieeintrag während der Testphase kann dabei durch geeignete Pulsstromverläufe niedrig gehalten werden, so dass ein Beginn der Schweißung während der Testphase vermieden wird. Es kann aber ebenso der Energieeintrag bereits so hoch gewählt werden, dass die Schweißung bzw. Schweißphase mit der ersten Unterschreitung der Referenzimpedanz bereits mit der Testphase begonnen wird.

Vorteilhaft werden beispielhaft eine Vorwärmphase, ein Schweißphase und ein Nachwärmphase vorgesehen. Für einen qualifizierten Ablauf wird zunächst in der oder den Testphasen das Unterschreiten einer Referenz- bzw. Soll-Impedanz geprüft. Die Referenzimpedanz wird dabei so gelegt, dass diese bei blanken Blechen und einem Erstpunkt sicher unterschritten wird. Ist dies der Fall, so wird unmittelbar auf das Schweißsegment geschaltet und die Schweißung mit einem üblichen Strom-Zeitprogramm ausgeführt.

Im Falle des Nichtunterschreitens der Referenz-Impedanz wird das Unterschreiten einer höher gewählten 2. Soll-Impedanz geprüft. Diese 2. Soll-Impedanz kann so gewählt werden, dass diese bei einem Zweitpunkt unter Isolationsbedingungen (Lackschicht) über den Nebenschluss des Erstpunktes unterschritten wird. In einem solchen Fall führt die Programmverzweigung auf ein Vorwärmsegment. Die dabei eingebrachte Energie über die Kontaktwiderstände an den Berührungsstellen der Elektroden mit den Werkstücksoberflächen und über den Nebenschlusswiderstand über die Blechteile und den Erstpunkt führt dann zum Verbrennen der Isolationsschicht, so dass eine erste elektrische Verbindung unmittelbar im Bereich des zu setzenden Punktes auftritt. Diese führt dann erfindungsgemäß unmittelbar zum Unterschreiten der Referenz-Impedanz und wird zur unmittelbaren oder verzögerten Aktivierung des Schweißsegments genutzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird jeweils ein Teil oder die gesamte Energie, welche während der Testphase und der Vorwärmphase in die Bauteile eingebracht wurde, in der Schweißphase berücksichtigt. Dies kann über die Beeinflussung der Schweißzeit oder des Schweißstromes oder beider geschehen.

Über die unmittelbare Leistungsbildung und deren Integration über der Zeit zur Energie können die jeweiligen tatsächlichen Energieeinträge in allen Phasen erfasst und im weiteren Prozessverlauf berücksichtigt werden und zur Steuerung des Prozessverlaufs herangezogen werden. Beispielsweise kann ein Überschreiten einer vorgegebenen Energie während einer Vorwärmphase, bei der es nicht zum Unterschreiten der vorgegebenen Soll-Impedanz kommt, ein Abbruch des Schweißvorgangs herbeigeführt werden.

Eine Steuerungsvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens kann sowohl in herkömmlicher Elektronik oder mit Prozessoren und geeigneter Software erfolgen. In besonderer Ausführung wird die Steuerung von einer Virtuellen Maschine übernommen, die sowohl die erforderlichen Operationen zur Realisierung der einzelnen Segmente vornimmt als auch zugehörige Parameter aus einer Datenbank bezieht, die dies für unterschiedliche Blechmaterialien, Blechdicken, Schweißpunktaufbau (Zweiblech-Mehrblech), Oberflächenbeschaffenheit und Zangen- und Elektrodentyp bereithält.

In einem solchen Fall kann zusätzlich der Schweißablauf entsprechend seiner Verzweigungen entsprechend der Anfangsbedingungen am Schweißende über eine sog. Qualitätsampel dargestellt werden. Wird keine der Soll-Impedanzen unterschritten, so handelt es sich um einen isolierten Erstpunkt ohne bestehende Nebenschlüsse, der nicht zum Erfolg führen kann. Der Prozess wird abgebrochen.

Das beschriebene Verfahren leistet höchst vorteilhaft das Setzen von Schweißpunkten nach dem Widerstands-Punktverfahren unter völlig unterschiedlichen Anfangsbedingungen und kann daher neben der Produktion auch und insbesondere bei Reparaturschweißungen z. B. im Automobilbereich eingesetzt werden, bei denen die Anfangsbedingungen durch Unzugänglichkeit oder Verdeckungen durch das ausführende Personal nicht sicher erkannt werden können.

Im folgenden wird eine Möglichkeit aufeinanderfolgender Verfahrensschritte gezeigt, wie sie sich aus der Erfindung ergeben können:

1. Zange schließen
2. Kraftaufbau abwarten
3. Testphase mit evtl. mehreren Testzyklen einschalten
4. Unterschreiten einer Referenzimpedanz prüfen, bei Erfolg zur Schweißphase, sonst
5. Unterschreiten einer zweiten höheren Soll-Impedanz prüfen, bei Erfolg zur Vorwärmphase
6. bei Nichterfolg Abbruch
7. In der Vorwärmphase auf Unterschreiten der Referenzimpedanz prüfen, bei Erfolg zur Schweißphase,
8. bei Überschreiten eines Zeitlimits Abbruch
9. Nach der Schweißphase Übergang zur Nachwärmphase
10. Nach der Nachwärmphase Übergang zur Nachhaltephase
11. Nachhalten abwarten, dann
12. Zange öffnen

Es versteht sich von selbst, dass nach der Bildung von Verzweigungskriterien in die unterschiedlichen Phasen in den erfindungsgemäßen Schweißprozess auch weitere Phasen in geeigneter Reihenfolge aufgenommen und aktiviert werden können. Insbesondere kann deren jeweilige Beendigung nicht nur über Zeitablauf sondern nach Erreichen einer phasenspezifischen Energie erfolgen. Die phasenspezifische Energie wiederum kann über eine virtuelle Maschine einer Datenbank entnommen werden, wo diese in Abhängigkeit von Materialbeschaffenheit, Zangen- und Elektrodentyp und Schweißaufgabe zugänglich ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.
Die Figur zeigt eine geeignete Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Dabei stellt 1 eine steuerbare Stromquelle dar, die über Schweißleitungen 2 mit der Schweißzange 3 verbunden ist. Die Schweißzange 3 besitzt zwei Zangenarme 4 und 5 an deren Enden die Elektroden 6 und 7 angebracht sind. Vorteilhafter Weise führen von den Zangenarmen 4 und 5 in der Nähe der Elektroden 6 und 7 zwei Messleitungen 8 zu einer Messwertaufbereitungseinheit 9, die das mit induzierten Störsignalen beeinträchtigte Spannungsmesssignal regeneriert. Das regenerierte Spannungssignal 10 wird ebenso wie das Stromsignal 11 aus der steuerbaren Stromquelle in einer Steuerungseinheit 12 zur Bildung der momentanen Prozessimpedanz verarbeitet. Der Steuereinheit 12 werden ein oder mehrere Referenz-Signale 13 und 14 über die Vorgabeelemente 15 und 16 für die Referenzimpedanz und z. B. eine zweite Sollimpedanz zugeführt. In Abhängigkeit von vorgegebenen oder programmierten Verzweigungskriterien wird der weitere Ablauf über die Steuerungseinheit 12 und insbesondere die Stromführung des Leistungsteils über die Steuerleitung 17 entsprechend dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren beeinflusst.
In Fällen, bei denen die Messleitungen 8 nicht in der Nähe der Elektroden 6 und 7 oder der Zangenarme 4 und 5 angebracht werden können, können diese auch weiter in Richtung Quelle bis hin zu den Anschlusspunkten in der Stromquelle 1 verschoben werden. Die dabei auftretende Verfälschung kann z. B. durch Abzug einer Leitungsimpedanz als Konstante von der so ermittelten Prozessimpedanz kompensiert werden.
Zur besseren Übersicht sind Netzanschluss und sonstige Vorrichtungsteile, z. B. zum Schließen der Zange, weggelassen worden.

Claims

Verfahren zum Widerstandsschweißen folgende Schritte umfassend: Bereitstellen einer steuerbaren Stromquelle, Bereitstellen einer Schweißzange, welche wenigstens zwei Elektroden aufweist, und welche durch die Stromquelle mit elektrischer Energie versorgt wird, Bereitstellen von Mitteln, mit welchen elektrische Größen zum Bestimmen der Prozessimpedanz an den Elektroden bereitstellbar sind, Bereitstellen einer Steuereinheit zum Steuern des Schweißprozesses, wobei in der Steuereinheit mit Hilfe der elektrischen Größen die Prozessimpedanz bestimmt wird und mit einer oder mehreren hinterlegten oder extern zugeführten Soll-Impedanzen verglichen wird und abhängig von diesem Vergleich oder den Vergleichen der Schweißprozess gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuerung für den Schweißprozess mindestens eine Testphase vorgegeben wird, in der die Prozessimpedanz bestimmt wird und mit einer ersten Soll-Impedanz verglichen wird und bei Unterschreiten der ersten Soll-Impedanz die Punktschweißung unmittelbar danach durchgeführt wird, oder bei Nichtunterschreiten zunächst eine Vorwärmphase eingeschaltet wird, bis es zum Unterschreiten der ersten Soll-Impedanz kommt und dann die Punktschweißung unmittelbar danach durchgeführt wird, oder beim Ausbleiben der Unterschreitung der ersten Soll-Impedanz der Schweißvorgang abgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testphase zu Testzwecken mehrere hintereinander folgende Strompulse beinhaltet, wobei als Kriterium für die Ausführung des Schweißvorgangs ein einfaches oder mehrfaches Unterschreiten der ersten Soll-Impedanz erforderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgloser Prüfung auf Unterschreiten der ersten Soll-Impedanz das Unterschreiten einer zweiten größeren Soll-Impedanz geprüft wird und bei Erfolg eine Vorwärmphase eingeschaltet wird, bis es zum Unterschreiten der ersten Soll-Impedanz kommt und dann die Punktschweißung unmittelbar danach durchgeführt wird, oder beim Ausbleiben der Unterschreitung der ersten Soll-Impedanz der Schweißvorgang abgebrochen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Bereitstellen einer Filtereinrichtung zum Aufbereiten der elektrischen Größen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Größen die Schweißspannung umfassen, und die Schweißspannung nahe den Schweißelektroden erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Größen den elektrischen Strom umfassen, und dass das Bestimmen des Stroms entweder über geeignete Mittel im Schweißstromkreis erfolgt oder alternativ bei Leistungsteilen mit Transformatoren der Primärstrom erfasst und über geeignete Mittel wie Gleichrichtung und Umrechnung anstelle des Sekundärstromes zur Bestimmung der Prozessimpedanz herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung der Testphase, Vorwärmphase, Schweißphase und weiteren Phasen erforder lichen Parameter vollständig oder zum Teil einer Datenbank entnommen werden, in der die jeweiligen Parameter in Abhängigkeit von Materialeigenschaften, Schweißzangentyp, Verbindungstyp und erwartetem technologischem Ergebnis abgelegt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Vergleich der Impedanzen herbeigeführten Verzweigungen direkt zur Schweißphase oder über eine Vorwärmphase zur Schweißphase oder zum Abbruch des Schweißvorgangs über geeignete Mittel angezeigt werden.
Vorrichtung zum Durchführen eines Widerstandsscheißprozesses, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine steuerbare Stromquelle zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms, eine Schweißzange, welche mit der Stromquelle elektrisch verbunden ist, und welche wenigstens zwei Elektroden aufweist, Mittel zum Bereitstellen elektrischer Größen, mit welchen die Prozessimpedanz an den Elektroden bestimmbar ist, und eine Steuerungseinheit zur Steuerung des Schweißprozesses, wobei die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass sie mit Hilfe der elektrischen Größen die Prozess-Impedanz bestimmt und mit einer oder mehreren hinterlegten oder extern zugeführten Soll-Impedanzen vergleicht und abhängig von diesem Vergleich oder den Vergleichen den Schweißprozess steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung vollständig in konventioneller Elektronik aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung teilweise oder vollständig unter Ver wendung von Prozessortechnik mit entsprechenden Programmen aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit Hilfe einer virtuellen Maschine verwirklicht ist, die aus mindestens einer Kommunikationseinheit, einem oder mehrerer prozessführender Prozessoren mit geeigneter Peripherie, einer Datenbank zur Bereitstellung der Kommunikationstexte, exekutierender Programme für unterschiedliche Aufgabenstellungen und zugehörige Parameterdatenbänke verfügt.
Steuereinheit zum Steuern eines Scheißprozesses, insbesondere zum Einsatz bei einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, oder zum Einsatz in einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13.
Datenträger zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte bzw. Verfahrensphasen in ein auf dem Datenträger gespeichertes Programm integriert sind.