DE19948441A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauelementen aus Metall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum punktförmigen Verbinden von flächigen Bauelementen (20, 21) aus Metall. Die bis jetzt benutzten Vorrichtungen dieser Art haben eine aufwendige Konstruktion und sind Benutzer unfreundlich. Um diese Nachteile zu umgehen, ist die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mit zwei Bauteilen (2, 3) in Form von zylinderförmigen Stiften vorgesehen. Die beiden Stifte (2, 3) sind einander gegenüberliegend angeordnet, derart, daß ihre Längsachsen (2L, 3L) in einer Ebene liegen, wobei einer oder beide Stifte (2, 3) um die Längsachsen gedreht werden können. Die miteinander zu verbindenden Bauelemente (20, 21) werden zwischen den beiden Stiften (2 und 3) angeordnet. Zum Verbinden der beiden Bauelemente (20, 21) werden einer oder beide Stifte (2, 3) in Drehung versetzt. Gleichzeitig werden die Stifte (2, 3) gegen die Außenflächen der Bauelemente (20, 21) gepreßt. Durch das Drehen eines oder beider Stifte (2, 3) wird so viel Wärme erzeugt, daß der Werkstoff der Bauelemente (20, 30) punktförmig aufgeschmolzen und die beiden Bauelemente (20, 30) beim Erkalten des Werkstoffs dauerhaft verbunden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbinden von flächigen Bauele­ ment aus Metall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf ein Ver­ fahren zum Verbinden solcher Bauelemente gemäß Patentanspruch 6.

Solche Vorrichtungen kommen überall dort zur Anwendung, wo flächige Bauelemente punktförmig und stoffschlüssig miteinander zu verbinden sind. Ein sehr großes An­ wendungsgebiet ist die Herstellung von Karosserien für Fahrzeuge.

Es sind schon eine Vielzahl von Schweißvorrichtungen zum stoffschlüssigen Verbin­ den flächiger Bauelemente aus Metall bekannt. Dabei kann die Energie, die zum Auf­ schmelzen der Bauelemente erforderlich ist, in Form eines elektrischen Strom bereit gestellt werden, wie das beim Lichtbogenschweißen oder Widerstands-Punktschwei­ ßen geschieht. Wärme- bzw. Strahlungsquellen können jedoch auch als Energiequelle genutzt werden, wie das beim Gasschmelzschweißen, Schutzgasschweißen, Laser­ schweißen und Elektronenschweißen der Fall ist. Es ist ebenfalls bekannt, die zum Verbinden von Bauteilen notwendige Energie mechanisch zuzuführen, wie das beim Preßschweißen und Reibschweißen geschieht.

Beim punktförmigen Verbindungen von flächigen Bauelementen mit größeren Werk­ stücken wie Karosserien von Fahrzeugen wird das Widerstandspunktschweißen an häufigsten angewendet. Die flächigen Bauelemente werden während des Schweißens mit einer Schweißzange fixiert. Der mechanische und korrosive Verschleiß der Elek­ troden ist gegenüber anderen Schweißverfahren sehr groß. Für die Durchführung des Verfahrens müssen Kühlwasser, Antriebsluft und ein Strom von mehreren kA bereit gestellt werden, der durch die flächigen Bauelemente aus Metall geleitet wird. Dem­ entsprechend sind schwere Kupferquerschnitte, große Transformatoren und hohe elektrische Leistungen notwendig. Der Aufwand für die Stromversorgung ist sehr groß. Das Gleiche gilt für die Regelung der Stromversorgung, deren Parameterempfindlich­ keit zudem sehr hoch ist. Für die hohen Querschnitte sind auch Schweißzangen mit einem Gewicht von über 100 kg erforderlich, wodurch die Automatisierung des Pro­ zesses unter Verwendung von Robotern erschwert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung aufzuzeigen, mit der flä­ chige Bauelemente aus Metall unter Vermeidung der eingangs genannten Nachteil dauerhaft miteinander verbindbar sind. Ferner soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mit dem das Verbinden von flächigen Bauelementen aus Metall auf einfache Weise möglich ist.

Diese Aufgabe die Vorrichtung betreffend wird durch die Merkmale der Patentan­ sprüche 1 gelöst.

Diese Aufgabe das Verfahren betreffend wird durch die Merkmale der Patentan­ sprüche 6 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung weist eine sehr kompakte Bauweise mit einem Gewicht von weniger als 10 kg. Sie kann deshalb als stationäre Einrichtung in der Fertigungsstraße einer Produktionsanlage installiert, als Roboterschweißzange genutzt oder als mobile Handschweißzange verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung ist mit zwei Stiften aus Keramik versehen. Die beiden Stifte sind einander gegenüberliegend in jeweils einer Halterung so befe­ stigt, daß ihre Längsachsen in einer Ebene liegen. Mindestens einer der Stifte wird mittels eines Hochfrequenzantriebs mit 5000 bis 60000 U/min um seine Längsachse gedreht. Die Schweißvorrichtung wird von einem U-förmigen Rahmen begrenzt. An ei­ nem der beiden parallel zueinander verlaufenden Arme ist der Hochfrequenzantrieb mit der Halterung für einen ersten Stift befestigt. Am zweiten Arm ist die zweite Halte­ rung für den zweiten Stift befestigt ist. Bei Bedarf kann auch der zweite Stift mit einem Hochfrequenzantrieb versehen werden, der dann an dem zweiten Arm befestigt wird.

Ein oder beide Arme sind beweglich gehaltert, damit die zu verbindenden Bauele­ mente zwischen den beiden Stiften angeordnet und diese gegen die Bauelemente ge­ preßt werden können. Durch die Drehbewegung eines oder beider Stifte wird so viel Wärme erzeugt, daß der Werkstoff der beiden Bauelemente aufgeschmolzen wird. Nach dem Entfernen der beiden Stifte kühlt das Material ab, und es bildet sich eine dauerhafte punktförmige Verbindung zwischen den beiden Bauelementen aus. Außer der Antriebsenergie für eine oder zwei Hochfrequenzantriebe und für einen oder beide Arme des Rahmens ist der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung keine weitere Energie zuzuführen. Antriebsluft oder Kühlwasser sind nicht erforderlich. Die Energie­ bilanz ist deshalb wesentlich günstiger als beim bekannten Widerstands- Punktschweißen. Zudem entfällt hierbei im Gegensatz zum Widerstands-Punktschwei­ ßen die gesamte, sehr aufwendige elektrische Schweißstromversorgung und Schweißstromregelung.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung,

Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Schweißvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schweißvorrichtung 1 umfaßt zwei zylinderförmige Bauteile 2, 3, zwei Halterungen 4, 5 sowie einen Hochfrequenzantrieb 6 und einen Rahmen 10. Die Bauteile 2 und 3 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als zylin­ derförmige Stifte ausgebildet. Die Stifte 2 und 3 sind aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff in Form einer Keramik gefertigt. Vorzugsweise werden die Stifte 2 und 3 aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid hergestellt. Jeder Stift 2, 3 ist mit seinem ersten Ende in jeweils einer der beiden Halterungen 4 und 5 angeordnet. Die beiden Halte­ rungen 4 und 5 sind so angeordnet, daß die Stifte 2 und 3 so einander gegenüber lie­ gen, daß ihre Längsachsen 2L und 3L in einer Ebene 7 liegen. Die Halterung 4 ist mit dem Hochfrequenzantrieb 6 so verbunden, daß der Stift 2 mit 5000 bis 60000 U/min um seine Längsachse 2L gedreht werden kann. Im Gegensatz dazu wird der Stift 3 nicht bewegt. Die Schweißvorrichtung 1 ist mit dem U-förmiger Rahmen 10 versehen. An einem ersten Arm 10A des Rahmens 10 ist der Hochfrequenzantrieb 6 montiert, mit dem die Halterung 4 verbunden ist. Am zweiten Arm 10B ist die Halterung 5 für den Stift 3 befestigt. Wenigstens einer der beiden Arme 10A, 10B ist beweglich ge­ haltert, so daß er parallel zur Längsachse der Stifte 2, 3 auf den anderen Arm 10A, 10B zu oder davon weg bewegt werden kann. Die beiden Stifte 2 und 3 können damit so weit voneinander entfernt werden, daß zwei miteinander zu verbindende flächige Bauelemente 20 und 21 aus Metall dazwischen angeordnet werden können. Aus Gründen des Gewichts ist es sinnvoll, den Arm 10B, an dem nur die Halterung 5 und der Stift 3 befestigt sind, beweglich zu installieren. Damit werden die Lager (hier nicht dargestellt) des Rahmens 10 weniger großen Belastungen ausgesetzt. Falls es aus technischen Gründen jedoch notwendig ist, kann jedoch auch der Arm 10A beweglich gehaltert werden. Um die beiden flächigen Bauelemente 20 und 21 punktförmig und dauerhaft miteinander zu verbinden, werden die beiden Stifte 2 und 3 gegen die Au­ ßenflächen der beiden Bauelemente 20 und 21 gepreßt. Anschließend wird der Stift 2 in Drehung versetzt. Durch das Drehen des Stifts 2 wird das Material an den Kontakt­ stellen der beiden Bauelemente 20 und 21 innerhalb von zwei Sekunden vollständig aufgeschmolzen. Nach dem Abschalten des Hochfrequenzantriebs 6 und dem Erkalten des Materials entsteht eine dauerhafte punktförmige Verbindung zwischen den beiden Bauelementen 20 und 21.

Fig. 2 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung 1. Die beide Schweißvorrichtungen 1 unterscheiden sich nur darin, daß die Halterungen 4 und 5 beider Stifte 2 und 3 mit je einem Hochfrequenzantrieb 6 verbunden und beide Arme 10A und 10B des Rahmens 10 beweglich gehaltert sind. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Schweißvorrichtung 1 werden zum Verbinden von zwei flächigen Bauelementen 20 und 21 beide Stifte 2 und 3 mit 5000 bis 60000 U/min um ihre Längsachsen 2L und 3L gedreht, und dann ebenfalls für zwei Sekunden gegen die beiden zu verbindenden Bauelemente 20 und 21 gepreßt.

Erfindungsgemäß kann der Rahmen 10 in der Fertigungsstraße einer Produktionsan­ lage (hier nicht dargestellt) fest montiert werden. Es besteht jedoch auch die Möglich­ keit, den Rahmen 10 als mobile Handschweißzange oder Roboterschweißzange zu nutzen. Das ist insbesondere dann möglich, wenn nur ein Hochfrequenzantrieb 6 für einen Stift 2, 3 vorgesehen ist, und die gesamte Schweißvorrichtung 1 damit nur ein Gewicht von weniger als 10 kg aufweist.

Claims (7)

1. Schweißvorrichtung zum Verbinden von flächigen Bauelementen (20, 21) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein um seine Längsachse dreh­ bar gehaltertes Bauteil (2, 3) vorgesehen und gegen wenigstens eines der zu verbin­ denden Bauelemente (20, 21) preßbar ist.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, daß wenigstens ein erster um seine Längsachse drehbarer, zylinderförmiger Stift (2) und ein zweiter fest arretierter zylinderförmiger Stift (3) so einander gegenüberliegend in­ stalliert sind, daß die zugehörigen Längsachsen (2L, 3L) in einer Ebene liegen und die Stifte (2, 3) gegen die Außenflächen der zwischen ihnen angeordneten Bauelemente (20, 21) preßbar sind.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, daß zwei um ihre Längsachse drehbare, zylinderförmige Stifte (2, 3) so einander ge­ genüberliegend installiert sind, daß die zugehörigen Längsachsen (2L, 3L) in einer Ebene liegen und die Stifte (2, 3) gegen die Außenflächen der zwischen ihnen ange­ ordneten Bauelemente (20, 21) preßbar sind.

4. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, ein U-förmiger Rahmen (10) vorgesehen und das erste Ende eines jeden Stifts (2, 3) in einer Halterung (4, 5) angeordnet ist, die unmittelbar mit einem der Arme (10A, 10B) des Rahmens (10) oder mit einem Hochfrequenzantrieb (6) verbunden ist, der ebenfalls an einem der Arme (10A und 10B) der Rahmens (10) befestigt ist.

5. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsachsen beider Arme (10A, 10B) senkrecht zu den Längsach­ sen der Stifte (2, 3) ausgerichtet und parallel dazu bewegbar sind.

6. Verfahren zum dauerhaften Verbinden von flächigen Bauelementen (20, 21) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drehen wenigstens eines gegen die zu verbindenden Bauelemente (20, 21) gepreßten zylinderförmigen Stifts (2, 3) so viel Wärme erzeugt wird, daß der Werkstoff der zu verbindenden Bauelemente (20, 30) punktförmig aufgeschmolzen wird und die beiden Bauelemente (20, 30) beim Erkalten des Werkstoffs dauerhaft miteinander verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drehen von zwei gegen die zu verbindenden Bauelemente (20, 21) gepreßten zylinderförmi­ gen Stiften (2, 3) so viel Wärme erzeugt wird, daß der Werkstoff der Bauelemente (20, 30) punktförmig aufgeschmolzen und die beiden Bauelemente (20, 30) beim Erkalten des Werkstoffs dauerhaft verbunden werden.