DE19713344C1 - Vorrichtung zum Lichtbogenbolzenschweißen, vorzugsweise unter Gasschutz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogenbolzenschweißen, vorzugsweise unter Gasschutz, in der Nähe lichtbogenablenkender Eisenmassen und unter beengten Bedingungen, unter Verwendung von Bolzen, die an ihren Schweißstirnseiten mit für die einzelnen Verfah­ rensvarianten üblichen Zündspitzen ausgebildet sind, und sie läßt sich insbesondere vorteilhaft beim Bolzenschweißen mit Hubzündung realisieren.

Auf dem Gebiet der Schweißtechnik sind allgemein eine Vielzahl von Verfahren und Vorrich­ tungen zum Lichtbogenbolzenschweißen bekannt, die grundsätzlich in solche mit Hubzündung und solche mit Spitzenzündung unterteilt werden können.

Die für das Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung üblichen Bolzenschweißgeräte, wel­ che im wesentlichen durch eine Bolzenschweißpistole, bestehend aus einem Gehäuse mit Hal­ tegriff, einem Haltearm und der Bolzenhalterung, sowie durch eine Schweißstromquelle gebil­ det werden, sowie die für die einzelnen Verfahrensvarianten üblichen Bolzen, welche an ihren Schweißstirnseiten zumeist mit kegel- oder zylinderförmigen Zündspitzen ausgebildet sind, sind ebenfalls für den Fachmann hinreichend bekannt.

Das Aufschweißen der Bolzen auf Bleche oder Rohre mit solchen Bolzenschweißgeräten er­ folgt dabei üblicherweise derart, daß der in die Bolzenhalterung der Bolzenschweißpistole ein­ gesetzte anzuschweißende Bolzen zunächst stirnseitig auf die Werkstückoberfläche aufgesetzt, danach der Lichtbogen unter eingeschaltetem Schweißstrom durch Abheben des Bolzens ge­ zündet und anschließend nach einer definierten Brenndauer auf die Werkstückoberfläche auf­ gepreßt wird sowie gleichzeitig die Abschaltung des Schweißstromes erfolgt.

In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß aufgrund des hohen Schweißstromes durch un­ symmetrische Stromverteilung und/oder beim Schweißen in unmittelbarer Nähe größerer Ei­ senmassen, beispielsweise in der Nähe von Profilen od. dgl., magnetische Blaswirkungen auf den Lichtbogen auftreten, so daß der Lichtbogen zum Anschweißen des Bolzens unsymme­ trisch wird beziehungsweise nicht senkrecht auf der Werkstückoberfläche aufsetzt. Dadurch verläuft der Schweißwulst am Rand des Bolzens ungleichmäßig und die Schweißergebnisse sind unbefriedigend beziehungsweise nicht reproduzierbar.

Zur Vermeidung der Blaswirkung auf den Lichtbogen ist es deshalb beim Bolzenschweißen auf frei zugänglichen Blech- oder Rohroberflächen bekannt, den Lichtbogen durch eine zweiseitige Stromzuführung am Schweißteil zu stabilisieren. Dabei werden die Massezwingen am Werk­ stück so angeklemmt, daß die Bolzenschweißpistole in der Mitte der Verbindungsstrecke bei­ der Massezwingen auf das Schweißteil aufgesetzt werden kann, so daß im Blech zwei Teil­ ströme fließen, deren negative Wirkungen sich aufheben.

Beim Lichtbogenbolzenschweißen in der Nähe größerer Eisenmassen wird dagegen unter ande­ rein durch das DVS - Merkblatt 0902 - Lichtbogenschweißen mit Hubzündung - empfohlen, nur eine Stromzuführung zu verwenden und ebenfalls so anzuschließen, daß sich die den Licht­ bogen beeinflussenden Blaswirkungen von der Eisenmasse und durch die einseitige Stromzu­ führung gegenseitig aufheben.

Solche Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, daß das Massekabel beim Schweißen an groß­ flächigen Bauteilen, beispielsweise an Untergestellen für Schienenfahrzeuge, für jede einzelne Schweißung erst umgeklemmt und neu ausgerichtet werden muß. Dieses Um- beziehungsweise Abklemmen erfordert jedoch einen hohen Zeitaufwand, der sich unwirtschaftlich auswirkt, und ermöglicht zudem nur qualitative und keine quantitativen Änderungen der Lichtbogenablen­ kung.

Weiterhin wurde in "Schweißen und Schneiden", 34 (1982), Heft 9, Seite 436 vorgeschlagen, zur Kompensation von Blaswirkungen auf dem Lichtbogen eine Ringspule zu verwenden, wel­ che koaxial um die Bolzenhalterung des Bolzenschweißgerätes herum angeordnet ist. Diese Ringspule steht mit einer separaten Stromquelle in Verbindung und erzeugt mit zunehmendem Spulenstrom eine den Lichtbogen axial zentrierende Rotation des Lichtbogens.

In dieser Literaturquelle wird darüber hinaus als Alternative zu der genannten Ringspule die Möglichkeit genannt, durch die zum Bolzen axiale Anordnung einer eisenlosen Spule die Blaswirkungen auf den Lichtbogen durch einseitige Stromzuführungen oder in der Nähe be­ findliche Eisenmassen zu vermeiden. Das durch eine gesonderte Stromquelle mit dieser Spule erzeugte Axialfeld bewirkt ebenfalls eine starke Lichtbogenrotation, mit welcher der Lichtbo­ gen zentriert und das einseitige Anschmelzen des Bolzens vermieden wird.

Mit solchen Lösungen werden zwar die negativen Effekte der Blaswirkungen auf den Lichtbo­ gen weitestgehend beseitigt, sie haben jedoch den Nachteil, daß gleichzeitig infolge der Licht­ bogenrotation Schweißgut aus der Schweißschmelze herausgeschleudert wird und somit durch eine deutliche Reduzierung des Einbrandes im Blech die Qualität der Schweißverbindung ge­ mindert wird. Die in der Nähe der Bolzenhalterung angeordneten Spulen schränken zudem die Zugänglichkeit der Bolzenhalterung ein und erschweren das Bestücken der Bolzenschweißpi­ stole mit neuen Bolzen.

Bei einer anderen, aus der DE 34 38 043 C2 bekannten Bolzenschweißvorrichtung, die eben­ falls mit einer Ringspule, aber zusätzlich mit einem den Bolzen umschließenden Keramikring ausgebildet ist, wird die Stabilität des Lichtbogens dadurch erhöht, daß der Lichtbogen unter Verwendung niedriger Stromstärken während des gesamten Schweißzyklus sehr viel länger als bisher aufrecht erhalten und um den Bolzen sowie um den Keramikring herum eine Lichtbo­ gensteuerspule angeordnet wird. Der Speisestrom der Lichtbogensteuerung wird zu Beginn des Schweißzyklus eingeschaltet und während des Schweißens langsam, nachdem der Haupt­ schweißlichtbogen erzeugt worden ist, auf eine vorbestimmte Stärke erhöht, damit der Schweißlichtbogen nicht erlischt. Um darüber hinaus eine Oxidation der Schweißstelle zu ver­ meiden, wird die Schweißung unter Abschluß von Luft derart durchgeführt, daß ein stabartiges Feststoff-Flußmittel in einer Bohrung der Bolzenspitze angeordnet wird, welches sich während des Schweißzyklus verbraucht.

Desweiteren ist es durch die DE 36 31 598 A1 bekannt, zur Verringerung der magnetischen Blaswirkung des Lichtbogens um die Bolzenhalterung einer Bolzenschweißpistole herum eine nach vorn offene Gasglocke sowie außerhalb dieser Gasglocke in größtmöglicher Nähe zur Ebene des zwischen dem Bolzen und dem Trägerblech entstehenden Lichtbogens eine als Schleife ausgebildete Magnetspule anzuordnen, die in die Zuführungsleitung des Schweißstro­ mes einbezogen und vom Schweißstrom durchflossen ist, so daß unabhängig vom Durchmesser des zu verschweißenden Bolzens immer ein ausreichend starkes Magnetfeld von der Magnet­ spule aufgebaut wird. Dadurch reduziert sich der Bauraum der Magnetspule wesentlich, und die annähernd parallel zur Bolzenachse verlaufenden Feldlinien des magnetischen Feldes erzeu­ gen im Bereich des Lichtbogens nur noch geringe Streufelder.

Auch mit diesen Lösungen kann jedoch der bereits genannte Nachteil, daß die in der Nähe der Bolzenhalterung angeordneten Spulen od. dgl. die Zugänglichkeit der Bolzenhalterung ein­ schränken und das Bestücken der Bolzenschweißpistole mit neuen Bolzen erschweren, nicht beseitigt werden. Zum Schweißen unter Schutzgas ist bekannt, daß das Schutzgas, wie zum Beispiel in der DE 93 11 958 U1 beschrieben, über Zuführmittel dem Lichtbogenbereich von au­ ßen zugeführt wird. Als Zuführmittel findet hierbei ein Stützrohr Verwendung, das im Bereich des Bolzens und der Bolzenhalterung diese in einem gleichmäßigen Abstand umschließt. Diese Lösung ebenso wie alle Lösungen, bei denen Ringspulen oder Gasglocken od. dgl. um die Bol­ zenhalterung herum angeordnet sind, weisen den Nachteil auf, daß diese Spulen od. dgl. den möglichen Mindestabstand der Schweißstelle zu Stegen oder Flanschen von in der Nähe be­ findlichen Profilen oder zu anderen Eisenmassen u. a. erheblich einschränken, so daß derart ausgerüstete Bolzenschweißgeräte auch in ihren Einsatzmöglichkeiten beschränkt sind.

Die DE 44 00 957 C1 zeigt eine Schweißvorrichtung für Bolzen mit im wesentlichen ringför­ migen Querschnitt. Zur Zuführung des Schutzgases zur Schweißstelle weist der Bolzenhalter eine durchgehende axiale Bohrung auf. Diese Vorrichtung ist allerdings nur für Bolzen mit im wesentlichen ringförmigen Querschnitt geeignet.

Ein weiterer Nachteil aller Lösungen des Standes der Technik ist es, daß die gesamte Pistole mit dem Bolzenhalter in vertikaler Abzugsrichtung bewegt werden muß, um den Bolzen wieder aus dem Bolzenhalter zu entfernen. Der erforderliche Abzugsweg entspricht dabei etwa der Bolzenlänge. Die Bauhöhe des konventionellen Bolzenhalters beträgt ein mehrfaches der durchschnittlichen Bolzenlänge. Auch bei der Anpassung der Konstruktion des Bolzenhalters an eine bestimmte Bolzenlänge muß eine vertikale Freiheit über der Schweißstelle von etwa der dreifachen Bolzenlänge vorhanden sein, d. h. diese Lösungen sind für das Schweißen unter beengten Bedingungen, wie z. B. an den Innenseiten der Schenkel eines U-Profils, völlig un­ geeignet.

Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, das Lichtbogenbolzenschweißen gasgeschützt, unter beengten Bedingungen und in der Nähe lichtbogenablenkender Eisenmassen derart zu gestal­ ten, daß die genannten Mängel des Standes der Technik beseitigt werden.

Als Aufgabe liegt der Erfindung die Konzipierung einer Vorrichtung zum Lichtbogenbolzen­ schweißen, vorzugsweise unter Schutzgas, insbesondere zum Bolzenschweißen mit Hubzün­ dung, zugrunde, welche die Vorteile einer Vorrichtung nach Patent Nr. DE 195 45 607 des Bolzenschweißens in der Nähe von lichtbogenablenkenden Eisenmassen mit dem Bolzen­ schweißen unter Schutzgas, gegebenenfalls unter beengten Bedingungen, in sich vereint.

Die Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 derart gelöst, daß ein U-förmiger Ausschnitt des Stützfußes eines Bolzenschweißge­ rätes mit einem als Spule mit Eisenkern ausgebildeten halbkreisförmig gebogenen ferritischem Hohlprofil, welches radial nach innen gerichtete Bohrungen aufweist und an seinen Enden ver­ schlossen ist, ausgestattet ist und daß der Bolzenhalter in seinem Querschnitt U-förmig aus­ gebildet ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bolzenschweißgerätes gegenüber dem Stand der Technik sind, daß es über die Vorteile des Bolzenschweißgerätes nach dem Patent Nr. DE 195 45 607 hinaus durch das Schweißen unter Schutzgas, wobei dieses die Atmosphäre im Lichtbogenbe­ reich verdrängt, zu einer wesentlichen Verringerung der Porenbildung führt ohne daß die Zu­ gänglichkeit zur Schweißstelle durch Zuführmittel des Schutzgases verringert wird und die Schweißvorrichtung nach dem Schweißvorgang nicht in konventioneller vertikaler Abzugsrich­ tung entfernt werden muß. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in dem Anspruch 2 und 3 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den dazugehörenden Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend ausführlich erläutert. Die Zeichnungen zeigen dabei in:

Fig. 1 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Bolzenhalter mit eingesetztem Bolzen,

Fig. 3 das in den Stützfuß integrierte Spulen-Schutzgaszuführsystem als Detail.

In der Fig. 1 ist deutlich zu sehen, daß das Bolzenschweißen in unmittelbarer Nähe einer licht­ bogenablenkenden Eisenmasse, dem Profilsteg 4, unter beengten Bedingungen erfolgt, welche im konkreten Fall als ein U-förmig endendes Bauteil ausgebildet ist, auf dessen einen Schenkel 2 innenseitig der Bolzen 1 aufgeschweißt werden soll.

Ebenfalls zu sehen ist, daß dazu ein zur Hubzündung geeignetes Bolzenschweißgerät mit einer Bolzenschweißpistole 15 sowie handelsüblichen Bolzen 1 zur Anwendung kommt. Am Halte­ arm 3 der Bolzenschweißpistole 15 ist zusätzlich eine abgewinkelte Verlängerung 16 befestigt, an deren freiem Ende die zum Haltearm 3 achsparallele Bolzenhalterung 6 sowie, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Spulenwicklung 14 mit als Weicheisenkern fungierenden ferritischem Hohlprofil 12 angeordnet ist. Diese Spulenwicklung 14 ist, wie im Patent Nr. DE 195 45 607 vorgeschla­ gen, mit einem Steuergerät zur Lichtbogenbeeinflussung verbunden, so daß der Lichtbogen nach seiner Zündung einem linearen, der Ablenkung entgegenwirkenden Elektromagnetfeld, dessen Feldlinien etwa parallel zur lichtbogenablenkenden Eisenmasse verlaufen, ausgesetzt ist. Der Stützfuß 9 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in bekannter Weise über die Stützsäu­ len 10 mit der handelsüblichen Schweißpistole 15 verbunden und weist einen U-förmigen Aus­ schnitt 17 auf, der im Arbeitszustand den mit der Stirnseite senkrecht zur Innenseite des Profil­ schenkels 2 durch den Bolzenhalter 6 gehaltenen Bolzen 1 im Abstand umschließt.

Fig. 2 zeigt, daß der Bolzenhalter 6 in seinem Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. Der Bolzen 1 wird von 2 Arretierungselementen 8 gehalten, die mittels Federn 7 angepreßt werden. Der Bolzenhalter 6 wie auch der Stützfuß 9 mit seinem U-förmigen Ausschnitt 17 weisen mit ihren offenen Seiten in die Richtung des freien Endes der Verlängerung 16 des Haltearmes 3, womit die Zugänglichkeit zur Schweißstelle und insbesondere die Entfernbarkeit des Schweißwerk­ zeuges parallel zur Schweißebene nach dem Schweißen gewährleistet wird.

Im Randbereich des Ausschnittes 17 am Stützfuß 9, wie in Fig. 3 aufgezeigt, ist ein U-förmig gebogenes vorteilhaft als Rohr ausgebildetes ferritisches Hohlprofil 12 angeordnet, welches an der dem Biegezentrum zugewandten Seite mit Bohrungen 13 versehen ist und von einer Spu­ lenwicklung 14 umschlossen wird. Die Rohrenden 18 sind verschlossen, so daß bei Einleitung von Schutzgas über das Schutzgaszuführungsrohr 11, welches platzsparend im Stützfuß 9 in­ tegriert ist, das Schutzgas durch diese Bohrungen 13 austritt und im Bereich der Schweißstelle eine Schutzgasatmosphäre bildet.

Das Bolzenschweißen mit Hubzündung erfolgt mit solchen Bolzenschweißgeräten in bekannter Weise derart, daß der in der Bolzenhalterung 6 der Bolzenschweißpistole 15 eingesetzte anzu­ schweißende Bolzen 1 zunächst stirnseitig auf die Werkstückoberfläche der Innenseite des Profilschenkels 2 aufgesetzt, danach der Lichtbogen durch Anheben des Bolzens 1 gezündet und nach definierter Brenndauer auf die Werkstückoberfläche aufgepreßt wird. Nach erfolgtem Schweißvorgang kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wahlweise vertikal in konventionel­ ler Abzugsrichtung 5a oder platzsparend in fast horizontaler Abzugsrichtung 5b abgehoben werden, so daß auch bei einer begrenzten vertikalen Freiheit über der Schweißfläche von nur wenig mehr als der Länge des Bolzens 1, nicht nur der Bolzen 1 aufgeschweißt, sondern auch das Bolzenschweißgerät wieder entfernt werden kann.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Lichtbogenbolzenschweißen, vorzugsweise unter Gasschutz, unter beeng­ ten Bedingungen in der Nähe lichtbogenablenkender Eisenmassen unter Verwendung von Bolzen, die an ihren Schweißstirnseiten mit für die einzelnen Verfahrensvarianten üblichen Zündspitzen ausgebildet sind, deren Stützfuß über Stützsäulen mit einer Schweißpistole verbunden ist und bei welcher am Haltearm des Bolzenschweißgerätes zusätzlich eine ab­ gewinkelte Verlängerung befestigt ist, an deren freiem Ende die zum Haltearm achsparallele Bolzenhalterung sowie ein Elektromagnet mit Weicheisenanker zur Kompensierung der Wirkung der lichtbogenablenkenden Eisenmassen, nach Patent Nr. DE 195 45 607 inte­ griert sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Stützfuß (9) ein U-förmiger Aus­ schnitt (17) derart angeordnet ist, daß dieser die Schweißstelle nach der Positionierung des Bolzenschweißgerätes umgibt und daß der Stützfuß (9) im Randbereich dieses Ausschnit­ tes (17) ein halbkreisförmig gebogenes ferritisches Hohlprofil (12), dessen Enden (18) ver­ schlossen sind, mit radial nach innen gerichteten Bohrungen (13) aufweist, das von einer Spulenwicklung (14) umschlossen ist und somit gleichzeitig als Eisenkern wirkt und daß der Bolzenhalter (6) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist, wobei die offenen Seiten des Bolzenhalters (6) sowie des U-förmigen Ausschnittes (17) des Stützfußes (9) vorzugsweise in Richtung des freien Endes der Verlängerung (16) des Haltearmes (6) weisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (1) mit den Arretierungselementen (8) in Wirkverbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferritische Hohl­ profil (12) als Rohr ausgebildet ist.