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Vorrichtung zur Schweißung mit koaxialer Stromzuführung bei Widerstands-Schweißmaschinen
für Kondensatorschweißung mit sehr kurzen und steilen Impulsen Gegenstand des Hauptpatents
967 893 ist eine Widerstands-Schweißmaschine für Kondensatorschweißung mit sehr
kurzen und steilen Impulsen für Doppel- bzw. Mehrfach-Punkt- oder -Nahtschweißung,
bei welcher nahezu eisenfreie Transformatoren extrem fester Kopplung verwendet werden,
alle Schweißelektroden und ihre Zu- und Ableitungen auf der einen Seite des Werkstückes
liegen und zur Kleinhaltung der Induktivität und zur Erzeugung eines Minimums an
Streufluß die Zu- und Ableitungen so angeordnet und bemessen sind, daß sie ein Minimum
des Werkstückes umfassen und außerdem die Induktivität der gesamten Sekundäranordnung
einschließlich des Schweißgutes unterhalb von 0,1 uH liegt, indem die Zuleitungen
der Schweißelektroden und der gemeinsamen Gegenelektroden als Flachkupferstreifen
ausgebildet und die Schweißelektroden bei einem gegenseitigen Abstand von 0,3 bis
1 mm derart angeordnet sind, daß die eine Hälfte der Elektrodenspitzen durch Aussparungen
des anderen Elektrodenbandes hindurchragt, während die andere Hälfte der Elektrodenspitzen
auf dem ausgesparten Elektrodenband befestigt ist. Zweckmäßig ist es hierbei, mehrere
Elektrodensätze in verschiedenen Anordnungen hintereinander auf demselben Bandpaar
anzuordnen derart, daß durch Wahl der Auflagestelle der rückwärtigen Elektrode eine
verschiedene oder in verschiedenem Abstand liegende Schweißpunktanordnung erzielt
wird.
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Bekanntlich liegen die Vorteile des Impulsschweißens darin, daß sekundärseitig
leicht Stromdichten von 100 000 AIcm2 und mehr erreicht werden, wobei der Stromfluß
bereits nach einer Dauer von 2 - l0-3 bis 2 - 10-2 Sekunden abgeklungen ist. Trotz
dieser Vorteile blieb das Impulsschweißverfahren auf wenige geeignete kleine Werkstücke
anwendbar. Erst durch die im Hauptpatent beschriebenen Maßnahmen konnte das Verfahren
auch auf größere Werkstücke ausgedehnt werden. Obgleich der Anwendungsbereich dermaßen
erweitert worden war, hat es sich herausgestellt, daß das Verfahren nicht ohne weiteres
allgemein angewendet werden kann. So war es z. B. nicht möglich, Armaturen auf dünne
Bleche aufzuschweißen, und schon gar nicht, wenn diese dünnen Bleche mit einer einseitigen
Schutzschicht oder einem Lack versehen waren.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Verbesserung der Vorrichtung nach
Patent 967 893 auch diese und ähnliche Anwendungsbereiche dem Impulsschweißverfahren
zu erschließen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in bekannter Weise
die beiden Schweißelektroden koaxial angeordnet und vorzugsweise vollständig oder
teilweise zylindrisch ausgebildet sind. Die Innenelektrode, mit lösbarer Verbindung
zwischen Elektrodenschaft und Vorschubmechanismus, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung mit einem konischen Unterteil versehen, in dem ebenfalls ein außen
konischer und innen zylindrischer Hilfselektrodenschaft angeordnet ist, der seinerseits
geschlitzt ist, derart, daß durch Andruck der Innenelektrode der spanmangenartige
Bund des Schaftes an das vorher fertig bearbeitete Werkstück fest zylindrisch angepreßt
wird. In an sich bekannter Weise kommt hierbei vorzugsweise infolge Zwischenschaltung
entsprechender elastischerAndruckelemente zwischen Außen- und Innenelektrode eine
gemeinsame Andruckskraft derart zur Auswirkung, daß bei Erreichen eines Teildruckes
der Schweißstrom eingeschaltet wird und anschließend bei weiter wachsendem Druck
gleichfalls ansteigt, vorzugsweise derart, daß die Maxima der Stromstärke und des
Andruckes gleichzeitig erreicht werden.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der koaxialen Elektroden
nach der Erfindung im Schnitt dargestellt.
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Nach Fig. 1 soll eine Schraube 3 mit ihrem Kopf an der Schweißnaht
4 auf das dünne Blech 1, das unter Umständen mit einer isolierenden rückseitigen
Schicht 2, z: B. einer Kunststoffplattierung oder
sonstigen Lackierung,
versehen sein kann, angeschweißt werden. Die nach der Erfindung hierfür geeignete
Elektrode besteht aus der inneren zylindrischen Elektrode 5, die über den oberen
Bandleiter 6 in der ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Außenelektrode 10 gelagert
ist. Diese äußere Elektrode - in diesem Falle die Kontaktelektrode -berührt das
Blech 1 in der Kontaktfläche 11 und wird vom unteren Bandleiter 9 gehalten. Beide
Bandleiter sind mit den Polen des Impulsschweißtransformators verbunden. Der Anpreßdruck
für die innere Schweißelektrode 5 wird von einer in Pfeilrichtung wirkenden Kraft
8 geliefert und von einem z. B. zylindrisch ausgebildeten Bolzen über eine gummielastische
Federung 7 auf die Innenelektrode 5 übertragen. Die äußere (Kontakt-) Elektrode
10 wird ebenfalls über ein Andruckorgan bei zwischengeschalteter, gleichfalls gumnüelastischer
Federung 12 und 12a von der gemeinsamen Kraft 8 oder von einer separaten Kraft 8
a mit der erforderlichen Andruckkraft versorgt.
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Das Andruckorgan selbst ist nicht Gegenstand der Erfindung, da hinreichend
geeignete Ausführungen bekannt sind. In der Zeichnung besteht dieses z. B. aus zwei
ineinander verschiebbaren Hohlzylindern. Wichtig hierbei ist, daß in bekannter Weise
bei der Bemessung der Elektroden die Abmessung der Auflagefläche 11 wesentlich größer
ist als der Schweißquerschnitt 4, so daß es an der Kontaktfläche 11 nicht zu Schweißerscheinungen
kommt, sondern die Schweißung nur an der Auflage des Werkstückes 3 gegenüber dem
Blech 1 bewirkt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung stellt den einfachsten
Fall des Erfindungsgegenstandes dar.
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In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das besonders
dann angewandt wird, wenn z. B. vorher fertig bearbeitete Wellen im Inneren von
Töpfen od. dgl. angeschweißt werden sollen. In der Fig. 2 bedeuten 1 und 1 a einen
aus dünnem Blech bestehenden Topf, an den der geschliffene Bolzen 16 an der Schweißfläche
4 angeschweißt wird. Hier ist die topfförmig ausgebildete Innenelektrode 5 innen
mit einer konischen Fläche 13 versehen. In die Elektrode 5 ragt ein zylinderförmiger,
unten mit einem konischen Bund versehener Hilfselektrodenschaft 14 hinein, und zwar
so, daß die konische Außenfläche 15 des Einsatzes 14 der konischen Innenfläche 13
der Innenelektrode 5 eng anliegt. Diese Berührungsstellen 13 und 15 sind zweckmäßig
hartverchromt, stark versilbert oder auch poliert. Der Einsatz 14 ist geschlitzt.
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Wenn es sich darum handelt, ein Werkstück, z. B. eine polierte Welle
16, so zu umfassen, daß keine Einbrandstellen an der Außenfläche der Welle 16 erzeugt
werden, so werden auch die Innenflächen des Einsatzes 14 sehr glatt ausgeführt.
Beim Anpressen der Innenelektrode 5 drückt diese zunächst auf die konische Berührungsfläche
15 und damit den geschlitzten Hilfselektrodenschaft 14 an das Werkstück 16, so daß
es an der Berührungsstelle 4 zwischen Werkstück 16 und Blech 1 zu einer satten Schweißung
kommt. Die übrigen Bezeichnungen entsprechen denen der Fig. 1.
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Durch die in Fig. 1 dargestellten Formen gelingt es, ein Minimum an
Streufluß zu erzielen, es kann sogar so weit kommen, daß der Streufluß Null wird,
denn die Bandleiter 6 und 9 erzeugen kein äußeres Streufeld, ebensowenig die beiden
koaxialen Elektroden 5 und 10. Deshalb läßt sich die Erfindung vorzugsweise in allen
solchen Fällen benutzen, bei denen ein dünnes Blech mit Armaturen versehen werden
soll, ohne daß seine isolierende und wärmeempfindliche Rückseite durch Wärme zersetzt
wird. 3e nach Art des Rückseitenbelages können verschieden hohe Temperaturen zugelassen
sein. Dies kann dadurch berücksichtigt werden, daß durch geeignete Formgebung der
Elektroden, unter Beibehaltung des koaxialen Prinzips, die Größe des Streuflusses
variiert wird. So kann z. B. die Temperatur bei Aluminium höher sein, wenn es sich
darum handelt, beim Aufschweißen von Armaturen auf Aluminiumplatten eine oberflächliche
Eloxalschicht oder eine sonstige Oberflächenbelegung des Aluminiums thermisch nicht
zu beschädigen. In diesem Falle werden dann nicht runde, sondern z. B. viereckige
Elektrodenpaare, die schachtelförmig ineinanderstehen, angewendet. Hilfsweise kann
auch die Rückseite mit einer Kühlvorrichtung versehen werden, z. B. mit einer dickeren
Kupferplatte oder mit einem wassergekühlten, hydraulisch angepreßten Gummikissen.
Es können andererseits aber auch die Impulse so kurz gemacht und die umgesetzte
Energie so klein gehalten werden, daß nur die Mikrozone (z. B. 0,1 mm tief) verschweißt
wird, derart, daß die entwickelte Wärmemenge im Schweißpunkt nicht ausreicht, um
die Rückseite unzulässig aufzuheizen.
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Bei größeren Schweißobjekten braucht auch bei der Impulsschweißung
der Strom eine gewisse Abstiegszeit, für einen Maximalbetrag von 100 000 A z. B.
eine Größenordnung von 10 ms, da die naturgegebenen Induktivitäten von Transformatoren
zu überwinden sind und ein beliebig schneller Stromanstieg nicht möglich ist. In
solchen Fällen ist es ratsam, bereits bei einem kleinen Bruchteil des Anpreßdruckes
die Schweißung auszulösen, so daß der Strom zunehmend mit dem Druck ansteigt. Dadurch
wird bewirkt, daß bei jedem Strom ein für ihn optimaler Druck herrscht. Würde man
dagegen erst bei Anliegen des vollen Druckes die Schweißung auslösen, so würde das
dazu führen, daß zwischen den beiden Werkstücken ein außerordentlich kleiner LUbergangswiderstand
herrscht, mit dem Effekt, daß infolge dieses kleinen Widerstandes mitunter kaum
eine Schweißerwärmung stattfindet und es zu keiner guten oder gar keiner Schweißung
kommen kann. Deshalb ist es zweckmäßig, bereits in dem Augenblick, in dem die Werkstücke
nur lose aufeinanderliegen, den Schweißstrom einsetzen zu lassen, um schon dann
die erste Spur des Schmelzbades zu erzeugen. Im weiteren Verlauf der Schweißung
wächst das Schmelzbad an unter zunehmendem Strom bei gleichzeitigem entsprechendem
Druckanstieg, so daß die Maxima des Anpreßdruckes und des Stromes zusammenfallen.
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Neben den bereits beschriebenen Anwendungsgebieten kann die Vorrichtung
nach der Erfindung auch besonders dort eingesetzt werden, wo flächige Werkstücke
mit Bolzenwinkeln oder sonstigen Armaturen einseitig zu versehen sind und die Werkstoffrückseite
nicht zugänglich ist. Insbesondere kommen hierfür unter anderem Aluminiumplatten
in Frage, die mit Haltewinkeln für Außenbekleidungen an Gebäuden in zunehmendem
Umfang als Wärmeschutzisolation Verwendung finden. Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich,
wird der Anwendungsbereich der an sich rationellen Impulsschweißung
nach
dem Hauptpatent durch Verbesserung der dort offenbarten Vorrichtung durch den Gegenstand
der Erfindung noch wesentlich erweitert, und sie kann nun auch dort eingesetzt werden,
wo es bisher nicht möglich war.