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Anordnung zum Schweißen. Die Erfindung bezieht sich auf das elektrische
Schweißen und insbesondere auf Bolzenschweißvorrichtungen zum Binden des einen Endes
eines Bolzens an die Oberfläche eines sich seitlich erstreckenden Werkstücks zu
beliebigen Zwecken. Das äußere Ende des Bolzens kann beispielsweise mit Gewinde
versehen werden, um an dem Werkstück, nachdem der-Bolzen an ihm angeschweißt worden
ist, irgendwelche gewünschten Teile befestigen zu können.
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Es sind zahlreiche elektrische Einrichtungen für Bolzenschweißvorrichtungen
der vorgenannten Art vorgeschlagen worden. Bei einer solchen Einrichtung wird de#
Bolzen anfänglich mit dem WerkstUck in Berührung gehalten, während ein Strom durch
die Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilenhindurchgeführt wird, dann wird
der Bolzen von dem Werkstück wegbewegt, um einen ZUndlichtbogen zu ziehen, danach
wird der Bolzen in einem Abstand von dem Werkstück
gehalten, während
ein Schweißlichtbogen durch einen Strom erzeugt wird, der Über die von dem Zündlicht'bogen
hergestellte ionisierte Strecke gerichtet wird, und schließlich wird der Bolzen
gegen das Werkstück gedrückt, um die sich gegenüberliegenden geschmolzenen Teile
des Bolzens und des Werkstückes zu vereinigen.
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, Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, ist es notwendig,
daß das Ausmaß der Erhitzung an den sich gegenüberliegenden Teilen des Bolzens und
des Werkstücks am Zeitplankt ihrer Vereinigung genau vorherbestimmt ist. Das Ausmaß
der Erhitzung kann mittels eines Zeitgebers bestimmt werden, welcher die Dauer des
Schweißlichtbogens regelt.
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Hauptzweck der Erfindung ist, für eine Bolzenschweißvorrichtung der
oben genannten Art einen neuartigen Zeitgeber zu schaffen, der elektronische Bestandteile
enthält, die in besonderer Weise ausgebildet und in besonderer Beziehung zueinander
stehen, um eine gleichbleibende Genauigkeit und eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten.
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Insbesondere umfaßt der 2eitgeber gewäß der Erfindung folgende Bestandteile,
die sowohl voneinander unabhängige als auch zusammenwirkende Funktionen gemäß nachstehender
Beschreibung ausfühen: eine Vollwellen-Gleichrichterbrücke, die über die Gleichstromquelle
geschaltet ist und gewährleistet, daß die richtige Polarität der Ausgangsspannung
ohne Rücksich1.- auf die Polarität der angelegten Spannung erhalten wird; eine Zener-Diode
zum Regeln der an de#i Zeitgeber
angelegten Spannung; ein einstellbares'
i Widerstand-Konden-. sator-Einschwingnetzwerk (transient network)', das beim An-Eprechen
auf die durch die Zener-Diode geregelte Spannung eine Ladung auf einen vorbestimmten
Wert innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer aufbaut; einen Einübergang-Flächentransistor
(unijunction transistor), der einen scharfen Steuerimpuls erzeugt, wenn die Ladung
den vorbestimmten Wert erreicht., und zwar trotz unerwünschter Änderungen der Umgebungstemperatur;
und einen Durchlaßgleichrichter (gating rectifier), der auf den von dem Transistor
erhaltenen Impuls anspricht, um den Schweißlichtbogen zu unterbrechen.
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Weitere Zwecke der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, in welcher die Erfindung in Ver&ndung mit der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert wird.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer-,"Bolzenschweißanordnung
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 Ist eine übertrieben vergrößerte Querschnittsansieht eines
Flächentranaistors mit einem Übergang, der In der Anordnung gemäß Fig.
1
verwendet werden kann.
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Fig. 3 ist eine übertrieben vergrößerte Querschnittsansieht
eines Durchlaßgleichrichters, der sich zur Anwendung in der Anordnung gemäß Fig.
1
eignet.
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Die dargestellte Anordnung umfaßt allgemein eine Bolzenschweißpistole
209 einen Steuerstromkreis 22 und einen Zeitgebe
I rstromkreis
24. Nachstehend soll zunächst die Schweißpistole 20 in Verbindung mit einem Bolzen
#26--- und e inem 0 1
Werkstück 28 näher beschrieben werden, und anschließend
werden der Steuerstromkreis 22 und der Zeitgebersteomkreis 24 mit Bezug auf das
Arbeiten der Pistole 20 und die Arbeitsbeziehungen ihrer Bestandteile beschrieben.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält die igehvieißpfstole
20 ein Futter 30 ztün Halten des Bolzens 26. Das Futter
30 ist innerhalb des Gehäuses 32 der Pistole hin-und herbewegbar angeordnet.
Es wird durch eine Feder -34---# In:-seine äußerste Stellung gedrückt und
kann durch eine ElektromagnetsPule 36 in seine innerste-Stellung zurückgezogen
werden* Das Futter 30 ist so ausgebildete daß es in das'Gehäuse
32 hineingedrängt wird, wenn die Pistole von Hand gegen 'das Wbrkstück
28 gedrückt wird" und unter diesen Um-.# ständ*n liegt der Bolzen
26 an-dem Werkstück 28 an.
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Wenn zum.Betrieb der Abzug 38 der Pistole 20 betätigt wird,
wird die SPule 36 erregt» so daß sie das Futter'30 und damit den Bolzen
26 von dem Werkstück 28 wegbewegt.#I wodurch ein Zügdlichtbogen zwischen
dem Boltön-und dem WeiJ£-stück gezogen wird.*Danach-erzeugt der Steuerstromkreis
22 einen Schweißlichtbogen und aktiviert den Zeitgebergitromkreis 24. Der Zeitgeberätromkrks
24 unterbricht nach einer bestimmten Zeit den Schweißlichtbogen und bewirkt, daß
der Steuerstromkreis 22 die BlektromagnetsPule 36 stromlos macht. Wenn
die sich gegenüberliegenden Teile des Bolzens 26 und des Werkstücks
28 durch den SchweißlichtbogEn in geschmolzenem
Zustand
erhitzt worden sind, drückt'schließlich die Feder 34 den Bolzen 26 in Berührung
mit dem Werkstück 28.
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Der schematisch dargestellte Steuerstromkreis 22, der eine Gleichstromquelle
40' aufweist, arbeitet wie folgt: Wenn der einen gewöhnlich offenen Schalter darstellende
Abzug 3? der Pistole 20 betätigt wird, wird, von der Gleichstromquelle 40
ein Steuerrelais '42 erregt, wodurch normaler'-weine offene Schalter 44, 46, 48
und 50 geschlossen werden. -Der Schalter 48-schafft eine Verriegelung an
dem Abzug _38, um den Stromfluß durch das Relais 42 hindurch aufrechtzuerhalten.,
wenn der Abzug 38 losgelassen wird. Durch das Schlimsen den Schalters 46
wird die Blektromagnetspule 36 erregt, so daß der Bolzen 26 von dem
Werkstück 28 wegbewegt wird, und durch das Schließen.'des Schalters 44 wird
über einen Widerstand 52 ein Zündlichtbogen zwischen Dein Bolzen und dem
Werkstück erzeugt. Durch das Schließen des Schalters 50, das erst nach dem
Schließen der Schalter 44, 46 und 48 erfolgt, wird ein Relais 54 betätigt, das einen
Schalter 56 schließt, wodurch der Schweißlichtbogen erzeugt wird.
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Der Zeitgeberstromkreis-24.arbeitet wie folgt: Wenn der von dem Abzug
38 der Pistole 20 gebildete Schalter geschlossen wird, wird Spannung an eine
Gleichrichterbrücke 58 angelegt., die'ermöglicht,;daß'der Zeitgeberstromkreis'
ohne Rücksicht auf die Polarität der angelegten Spannung arbeitet. Ohne Regelung
würde die Größe der an die Brücke 58
angelegten Spannung zwischen dem belasteten
und dem unbelasteten
Zustand stark schwanken. Daher ist über die
Brücke 58 eine Zener-Diode 60 geschaltet, die eine konstante Spannung
mit Bezug auf die Belastung trotz einer Fluktuation der von der Stromquelle angelegten
Spannung aufrechterhält. Die Zener-Diode 60 wirkt als Kurzschluß für alle
Spannungen.. welche die Durchbruchsspannung der Diode überschreiten. Mit andWren
Worten auagedrUckt, die Zener-Diode 60 dient dazu, die Spannung auf einem
vorbestimmten Wert unterhalb der Belastungsspannung zu halten. Diese Spannung wird
an ein Widerstand-KondensÄtor-Netzwerk angelegt, das einen festen Widerstand
62, einen veränderbaren Widerstand 64 und einen Kondensator 66 enthält,
der sich mit einer Einschwinggeschwindigkeit (transient rate) auflädt., die durch
die Einstellung den veränderbaren Widerstandes 64 geregelt wird. Der feste Widerstand
62 dient dazu, zu verhindern, daß sich die Impedanz auf den Wert Null vermindert.
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Ein Einübergang-Flächentranaistor 68, der zwei Basiselektroden
70 und 72 und eine Emitterelektrode 74 besitzt, ist so ausgebildet,
daß er einen scharfen Impuls erzeugt$ wenn der Kondensator 66 eine Spannung
entwickelt, die ungefähr 50 % der Spannung zwischen den beiden Baeinelektroden
70 und 72 beträgt. Wenn diese Spannung erreicht wird, zündet der Transistor
68, und zu diesem Zeitpunkt tritt eine starke Leitfähigkeit zwischen der
Emitteieektrode 74 und der Basinelektrode 70 auf, wodurch ein Spannungaimpuls
an einem Widerstand 76 erzeugt wird.
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Die relativen Ströme, die durch die Elektroden des Einübergang
-Flächentransistors
68 hindurchgehep, ändern,sich mit der Temperatur. Demgemäß ändert sich der
Spannungeabfall an einem mit der Baeiselektrode 72 des Transistors in Reihe
geschalteten Widerstand 77 mit der Temperatur, so daß der Zeitpunkt.ezu welchem
der Transistor 68 zündet, eine Funktion der Umgebungstemperatur ist.
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Das Ende den Widerstandes 76, das an die ernte Basiselektrode
70 den Transistors 68 angeaählonnen ist# is t , #auaii.-dem
mit dem Eingang (Sate) eines gesteuerten Silidiuiügleitbii. richters 78 verbunden.
Daher wird durch die an dem Widot, I stand 76 entwielcelte Sim#ung der gesteuert*
Gleiahriohter 78 gezUndet, wodUroh ein Relais 80 erregt wirdb Duroh
die' Erregung#des Relxig#80 wird ein normalerweise genahlannener-Schalter
82 Im Steuerstromkrein 22 geöffnet und daduröh der Schweißzyklus beendet.
Wenn der von dem Abzug der böhalter nAseh Beendigung den Schweiß-Pistole
20 gebildet-* zyklus geschlossen gehalten wird» bleibt der genteuerte Silleiumgleichrichter
78 weiter leitend.. so daß das Reiaim 80 erregt und der normalerweise
geschlossene Schalter 82 geöffnet bleibt, womit eine unerwUnachte WJEderholung den
Schweißzyklus verhindert wird.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlioh*Iot" weist der Einübergang-. Transistor
68 einen Siltoiummtab 84 der N-Art auf.. Mit der, einen Fläche
den Siliiei:Ü«tabeis 84 filnd zwei aus leitendem Keramikmaterial bestehende
Meinkontakte 86 und 88 durch getrennte Goldsohiohten 90 bzw.-
92 verbunden..Der Emitter 74
der P-Art, der beispielsweise aus Aluminium
bestehty ist an die andere Fläche des Siliciumstabes 84 an einer.Stelle angeschmolzen,
die näher an der Basis 72 als an der Basis 70
liegt, so daä die Vorrichtung
nicht symmetrisch ist.
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im normalen Betrieb des Einübergang-Flächentransistors 68 gemäß
Fig. 2 ist die Basis 70 Über den Widerstand 76
(oder eine Einzelimpulstransformatorwicklung)
geerdet, und an-die Basiselektroden 72 und 70 wird eine positive Vorspannung
angelegt, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. Diese .Vorspannung läßt innerhalb
des Siliciumstaben 84 einen Strom und ein elektrischen Feld entstehen.und erzeugt
eine Spannung auf der N-Seite des Emitterübergange. Diese Spannung ist eine Funktion
n der an die Baeiselektroden angelegten Spannung VBB , und diese Funktion
n wird als Ilintrinsio standorf ratiot' bezeichnet.
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Wenn die angelegte Emitterspannung V, kleiner als hVBB ist, wird der
Emitterübergang umgekehrt vorgespannt# und es fließt nur ein kleiner Leokstrom im
Emitterkreis. Wenn die Emitterspannung V, den Wert ÜVBB um einen Betrag Ubersteigt,
der gleich dem Vorwärteapannungeabfall der Emitterdiode istp. steigt der Emitterstrom
an. Wesentlich ist,-daß der Weg zwischen dem Emitter 74 und der Basis
70 im Vergleich zu seinem vorherigen Zustand hoohleitend wird. Wenn die quell'
der Emitterspannung V, ein Kondensator ist, entlädt sich der Kondensator über diesen
leitenden Weg, um an dem W idirstand 76 einen.Impule zu erzeugen.
Wie
aun yig- 3 ersichtlich.:Let" ist jer gesteuerte Silleiumgleichrichter
78 allgemein,einem gewöhnlichen Glleichrichter ähnlich, d er nur In der Vorwärtsrichtung
von einer Anode 92 zweiner Kathode 94 leitend ist. Jedoch erfolgt in dem gesteuerten
Slliciumgleichrichter 78 auch eine-Blockierung 14 der Vorwärterichtung"
bis eine,kleine;Spannung" die als ZUndopgnnung bezeichnet wird, an den Eingang
96 (gate) angelegt wird, Danach bleibt,die Leitfähigkeit bestehen., selbst
wenn der,Eingangsatrom unterbroohen.wird, bis der von der Anode-zur Kathode gehende
Strom unter ein gegebenen Minimum gesunken Ist, das als Halteätrom bezeichnet wird.
Zwischen der Anode 92 und der Kathode 94 sind in der ang-eg*be4en Reihenfolge angeordnetz
ein Träger 98, ein P,.N-P-AÜ:rbau 100-und ein P-N-Aufbau 102. Der P-N-P-Aufbau
100 besteht aun'drei Biliciumschichten*104" lo6 und lo8.
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Ader P-4-Aufbau 102 umfaßt die Siliolumschicht 108 und ,eine
Gold-Antir»n-Bohicht 110. Der Eingang 96 ist mit der Si,liolumoh:Loh-Mn-08
verbunden. Der Gleichrichter 78 stellt im wesentliehen-eine P-N-P-K-Einheit
mit binem Eingangeleiter d»r" dereit der inneren P-Schloht verbunden ist.
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;g Betr:Leb muß die Spannung zwischen dem Eingang
96 und der K#Ä'tho" 94 den Gleiohrichtero 78 Uber einem vorbentimm----'ten
M:Lnimt«.liegen" bevor Leitfähigkeit eintritt. Nachde#m Leitt4higkeit eingetreten
ist.. fließt der Strom weiter" 4
lbte.'.we= die gingangespannung weggenommen
wird"-bis der strom,vat4e ein Vorbestimmten Minlmim.oinkt., und zu diesem
Zeitpunkt
kehrt der gesteuerte Siliciumgleichricht#er in den in Vorwärtsrichtung blockierenden
Zustand zurück, in welchem der Eingang offen ist.
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Obwohl entweder der gesteuerte Siliciumgleichrichter 78
oder
der Einübergang-Transistor 68 für sich allein verwendet werden kann, um beim
Ansprechen auf das Arbeiten des Widerstand-Kondensator-Netzwerks 62, 64,
66 die Dauer des Schweißstroms zu regeln, werden durch ihre gemeinsame Verwendung
außerordentlich zuverlässige und reproduzier-* bare Ergebnisse erhalten.
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An der beschriebenen und dargestellten Anordnung können im Rahmen
der Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden.