DE2014189A1 - Bolzenschweißen - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Heinz Bcrcfehte

Patentanwalt

D-8 München 26, Postfach 4
Telefon 0811/29 2555

München, den 24.3.1970

Mein Zeichen: P 928

Anmelder: WARREN FASTENER CORPORATION

Mount Clemens

80 North Rose Street, Michigan USA

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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zum Anschweißen von Bolzen, u. dgl. an Werkstücken; insbesondere betrifft die Erfindung einen dauerhaften Elektrodenschutzring für Verwendung in einer Bolzenschweißpistole, sowie in Verbindung mit dem Schutzring speziell geeignete Schweißbolzen.

Es ist beim Anschweißen von Bolzen, zumal solchen mit Durchmessern über 6 mm, an Werkstücken üblich, einmalig verwendbare Elektrodenschutzringe, die gewöhnlich aus Keramik bestehen, zu benutzen, um die Schweißstelle gegen Umwelteinflüsse zu schützen, so daß die zum Schweizen erforderliche Energie voll erhalten bleibt. Die bei dieser Art zu schweißen üblichen Verfahrensschritte sind im allgemeinen folgende:

a) Einsetzen eines Schweißstiftes in das Spannfutter einer Schweißpistole;

b) Befestigen des Schutzringes über dem Schweißende des Bolzens in der Pistole; Q Ö 9 8 h 4 / 1 1 6 9

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c) Aufsetzen"der Pistole auf das Werkstück, so daß der Schutzring und das Ende des Bolzens gegen das Werkstück anliegen, Abziehen des Bolzenendes vom Werkstück zum Zünden des Schweißlichtbogens;

d) Zusammenbringen der vom Lichtbogen geschmolzenen Schweißbolzenspitze mit der gleichfalls geschmolzenen Werkstückstelle und anschließendes Abschalten des Schweißstromes;

e) Abziehen der Schweißpistole vom angeschweißten Schweißbolzen und Entfernen der verbrauchten Schutzringe.

Dieses Verfahren ist wegen des nach einmaliger Benutzung verbrauchten und auszuwechselnden Schutzringes und der sich dadurch ergebenden Notwendigkeit, große Mengen solcher Ringe zu lagern, zu teuer. Außerdem kann infolge des sich durch die Handhabung der Schutzringe bedingten Zeitaufwandes das Verfahren nicht in hinreichend wirtschaftlichem Maße eingesetzt werden. Der aus Keramik bestehende Schutzring wird, nachdem die Pistole vom angeschweißten Bolzen abgezogen ist, aus seiner Halterung in der Pistole entfernt, da er durch die Schweißtemperatur in der Regel stark beschädigt wird und auch beim Abziehen vom Stift oft noch zusätzlich zu Schaden kommt, so daß er für weiteres Schweißen unbrauchbar ist. Im allgemeinen muß der Ring ohnehin zerbrochen werden, damit der angeschweißte Bolzen freigegeben wird. Die Schweißenden der in Verbindung mit einmalig verwendbaren Schutzringen gebrauchten Schweißstifte oder -bolzen sind gewöhnlich konisch zugespitzt und mit Flux versehen. Die Form des Bolzens ist im Bezug auf den Schutzring jedoch nie als kritisch angesehen worden, da dem Schutzring immer nur als vorübergehendes Wärmeschild Bedeutung beigemessen wurde, das nach dem Schweißen zu zerstören war. Dagegen beruht die Erfindung zum Teil auf der Erkenntnis, daß der Schutzring noch andere Funtionen ausübt, die sich insgesamt günstig auf das Schweißen auswirken. Einer der Gründe, die dazu führen, daß bekannte keramische Schutzringe nur einmal verwendet werden können, ist erfahrungsgemäß darin zu sehen, daß die Keramik des Ringes unter

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dem Einfluß der enorm hohen Schweißtemperatur sowie der Reaktion zwischen Metall und Flux mit dem an der Schweißstelle geschmolzenen Bolzen- und Werkstückmetall reagiert, wodurch der Ring eine aufgerauhte, mitunter sogar gezackte Oberfläche bekommt, die sich auf einen erneuten Schweißvorgang nachteilig auswirkt. Außerdem läßt sich der Ring, soweit der verwendete Schweißstift ein mit Gewinde versehener ist, nur mit Schweirigkeiten von diesem abziehen. Häufig zerbricht die Keramik schon während des Schweißens. Selbst wenn die Keramik unbeschädigt bliebe, wäre es gewöhnlich rationeller, den Schutzring zu zerbrechen und für den nächsten Arbeitsgang einen neuen zu benutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dauerhaften Elektrpdenschutzring für das Bolzenschweißen zu schaffen, der sich einige hundert Male verwenden läßt, ehe er ausgewechselt werden muß.

Darüber hinaus beruht die Erfindung auf der Aufgabe, eine Schweißpistole mit einer Elektrodenschutzringhalterung zu schaffen, die beim Einsetzen des Ringes diesen zwangsläufig in der richtigen Lage festlegt, ohne daß er wie derzeit üblich von der Bedienungsperson, ausgerichtet zu werden braucht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist. Schutzring und dessen Halterung so auszurichten, daß der Schweißvorgang an sich verbessert wird, indem der Elektronenfluß während des Schweißens, in dem elektrisch leitende Schutzringe dem Elektronenfluß im Schweißstift entgegengesetzt ist, so daß ein Elektronenfluß entsteht, welcher das beim Schweißen schmelzende Metall so beeinflußt, daß dieses sich ringförmig um die Grundfläche des Bolzens herum verteilt.

Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schweißstift zu schaffen, dessen Schweißende von; einer Form ist, die ein besseres Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Schutzring ermöglicht, indem zwischen dem Schweißende des Stiftes und der Innenwand des Schu.tzr Inges ein-Abschluß, mit bestimmtem Spielraum gebildet wird.

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Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß der Elektrodenschutzring ein mit Axialbohrung versehener Kegelstumpf ist, in dessen kleineren Stirnfläche Kerben eingelassen sind, welche einen Zugang vom Äußeren des R-inges in dessen inneres bilden, wenn die Fläche an der Schweißfläche des Werkstückes anliegt.

In besonders vorteilhafter Ausfuhrungsform ist an der Innenfläche des Schutzringes eine Manschette aus dielektrischem Material möglichst herausnehmbar befestigt. Außerdem kann die Mantelfläche des Schutzringes metallüberzogen sein. Die Schweißpistole ist erfindungsgemäß mit einem Spannfutter für einen Schutzring versehen, welches aus einem Widerlager und einer axial durchbohrten Hutmutter mit einer der Mantelfläche des Schutzringes formmäßig entsprechenden Innenwand besteht. Gemäß den der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben hat der erfindungsgemäße Schweißbolzen einen Schaftteil mit gleichmäßigem Durchmesser sowie ein bezüglich dieses koaxiales Schweißende, welches kürzer ist als der Schaft und von einem Wulst umgeben wird, dessen Durchmesser größer ist als der des Schaftes.

Weiterhin schlägt die Erfindung vor, insbesondere im Zusammenhang mit dem Schweißen von Schweißbolzen, deren Durchmesser größer sind als 6 mm, die Kombination von einem elektrisch leitenden Schutzring mit einer koaxialen Isoliermanschette mit einer bestimmten lichten Weite, und einem Schweißbolzen mit einem Schaftteil und einem von einem Wulst umgebenen zylindrischen Schweißende,'das axial in dem Ring bewegt werden kann, wobei die Abmessungen des das Schweißende umgebenden Wulstes und der innenwand des Ringes so Gemessen sind, daß zwischen beiden ein Seitenspiel von ca. 0,1 mm und ca. 0,5 mm liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß das Schweißende eines Bolzens an ein Werkstück gehalten wird, daß ein elektrisch leitender Schutzring um das Schweißende des Bolzens herum, ohne dieses zu berühren, und gegen das Werk-

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stück gelegt wird, und daß ein elektrischer Strom so an den Bolzen gelegt wird, daß zwischen dem Stift, dem Werkstück und dem Schutzkragen ein Stromkreis geschlossen wird, der Strom durch den Bolzen in eine Richtung und durch den Schutzring in die entgegengesetzte Richtung fließt, und gegebenenfalls zwischen Werkstück und Bolzen ein Lichtbogen gezogen wird, ehe sie miteinander verschweißen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Schutzringes .in perspektivischer Darstellung; ^

Fig. 2 einen Seitenaufriß des in Fig. 1 gezeigten Schutzringes;

Fig. 3 bis 7 Seitenaufrisse weiterer Ausfurhungsformen des erfindungsgemäßen Schutzringes;

Fig. 8 eine Draufsicht auf den in Fig. 7 gezeigten Schutzring;

Fig. 9 den erfindungsgemäßen Schweißbolzen in einem im Längsschnitt dargestellten Mündungsstück einer Schweißpi^ stole in Anlage gegen ein Werkstück; . Λ

Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 9 jedoch mit zurückgezogenem Schweißstift;

Fig. 11 eine den Fig. 9 und 10 ähnliche Sicht mit vom Werkstück abgehobenen Schutzring;

Fig. 12 ist ein Schnitt entlang Linie IV-IV in Fig. 9.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Schutzring 1 hat einen kegelstumpf förmigen Körper 2 aus elektrisch leitendem Material, wie

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z.B. Graphit. Eine achsrechte Bohrung 4 verläuft durch den Körper und dient zur Aufnahme eines anzuschweißenden Bolzens, so daß ein Ende desselben von dem Ring eingeschlossen wird. In seiner kleineren Stirnfläche 6 weist der Körper 2 in» Querschnitt V-förmige Kerben auf, aus denen beim Schweißen entstehendes Gas entweichen kann.

Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schutzringes sind mit einer Manschette 12 aus Isolierstoff, wie z.B. Bornitrid versehen. Die Manschette 12 kann entweder in den Schutzring eingefaßt sein oder sie kann gegen eine Schulter in der Bohrung 4 anliegen oder als Überzug in der Bohrung 4 des Schutzringes vorgesehen

m sein. Zur Aufnahme der Maschette 12 kann der Schutzring mit einer Ringnut 16 versehen sein. Die Manschette 12 dient dazu, falls ein Schweißbolzen schief in dem Schutzring steckt, einen elektrischen Kurzschluß zwischen Bolzen und Ring zu vermeiden. Der in Fig. 5 gezeigte Ring 12 ist scheibenförmig. Soweit die Manschette 12 aus dem Ring herausnehmbar ist, kann sie ohne weiteres wieder verwendet werden, nachdem der Ring verbraucht ist. Unter Umständen mag es vorteilhaft sein, die Manschette nicht im Ring, sondern in der Haltevorrichtung der Schweißpistole unterzubringen. Wiederverwendbare Isoliermanschetten sind aus Sparsamkeitsgründen vorteilhaft: Isolierstoffe, die gegen die beim Schweißen auftretenden hohen Temperaturen un-

_ empfindlich sind, sind nämlich sehr teuer.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann die Mantelfläche des Schutzringes ganz oder teilweise mit einem Metallüberzug 14 z.B. aus Stahl versehen sein. Ein anderes geeignetes Überzugsmaterial ist eine Legierung aus Beryllium und Kupfer. Der Überzug 14 verbessert die dem Ringe eigene elektrische Leitfähigkeit und erhöht dessen Schlagfestigkeit. Metallüberzogene Schutzringe brauchen selbst nicht elektrisch leitfähig zu sein, solange der Überzug leitend ist. überzogene Ringe sind insbesondere in Handschweißpistolen von großem Nutzen, da diese bezüglich der Schweißbolzen gewöhnlich nicht so genau ausgerichtet werden können wie an Ständern befestigte

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Pistolen. Außerdem werden Handpistolen in der Regel schonungsloser gehandhabt als an Ständern befestigte, so daß die überzogenen Ringe haltbarer sind.

Die in Fig. 7 und 8 gezeigten Schutzringe sind den in Fig. und 2 gezeigten Ringen ähnlich, nur weisen sie anstelle der dort gezeigten V-förmigen Kerben 8 gerundete Durchlässe 18 auf»

Ein in Fig. 9 gezeigter Schweißbolzen 11 hat einen Schaft13 mit. einem koaxialen Schweißkopf 15. Der Schaft 13 kann entweder glatt sein oder mit einem Gewinde oder mit Riefeln versehen sein. Sein Durchmesser D richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck. Der Kopf 15 ist zylindrisch und kurzer als der Schaft 13. Die Mantelfläche des Kopfes 15 wird von einem radial und axial' gleichförmigen Waist 17 umgeben. Der Kopfteil 15 hat zu beiden Seiten des Wulstes 17 glatte Oberflächen 20, 22, deren Durchmesser E geringer ist als der Durchmesser B des Wulstes 17. Der Durchmesser des Wulstes 17 ist um etwa 0,4 mm bis etwa 0,6 mm größer als der Durchmesser D des Schaftes 13. Die Schultern des Wulstes 17 stehen spitzwinklig von den Flächen 20 und 22 ab und ermöglichen es, den Bolzen in der Mündung einer Schweißpistole im wesentlichen ohne Reibung zu verschieben, so daß folglich auch der Elektrodenschutzring geringerer Abnutzung ausgesetzt ist.

Die gewölbte Stirnfläche 24 des Kopfes 15 ist an sich nicht neu; sie kann z.B. auch konisch mit einem spitzen WinkeJJvon etwa 150° ausgebildet sein .und gegebenenfalls eine Fluxspitze 26 aufweisen.

Im Mündungsstück der nicht voll gezeigten Lichtbogenschweißpistole befindet sich ein Spannfutter 28 zum Halten des Schweißstiftes (Fig. 9 und 10) in koaxialer Lage. Außerdem ist an der Pistole eine Halterung für den Schutzring vorgesehen. Die Halterung besteht aus einem außen mit einem Gewinde versehenen geflanschten Kragen 30, der dazu dient, in den unbeschriebenen halbpermanenten Schutzring 1 in der Pi-

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stole bezüglich des Schweißstiftes 11 teleskopartig zu lagern. Auf das Kragengewinde ist eine Mutter 34 geschraubt, die eine konische innenwand hat, deren Neigung der der Mantelfläche des Schutzringes entspricht. Die Mutter 30 hält den Schutzring 1 nicht nur unter axialem Druck gegen den Kragen 30, sondern sie übt auch einen zentripetalen Druck auf den Ring aus, wodurch dessen Festigkeit wesentlich erhöht wird. Durch die stärkere Festigkeit erhöht sich die Lebensdauer des Ringes nicht unerheblich. Um zu verhindern, daß zwischen dem Bolzen 11 und dem elektrisch leitenden Schutzring ein Kurzschluß gebildet wird, ist der Ring mit einer Isoliermanschette 12 versehen, wobei diese hier von einem Klemmring 38 zwischen dem Kragen 30 und dem inneren Ende des Schutzringes gesichert wird. Da der Schutzring 1 aus Graphit oder einem ähnlich brüchigen Material besteht, ist an der Mutter 34 außen ein Schutzmantel 40 befestigt, der sich gegen die Oberfläche des Werkstückes S legen kann. Der Mantel 40 ist mit einem Vorsprung 42 versehen, der in eine Ringnut in der Mutter 34 einfaßt, so daß der Mantel bis zu einem gewissen Grade verschoben werden kann. Darüber hinaus legt sich ein Klemmring 44 gegen den Mantel 40, um diesen auf der Mutter zu halten. Am Vorderende des Mantels liegen Vorsprünge 46, deren Zwischenräume mit den Kerben 8 bzw. 18 in der Stirnfläche des Schutzringes abfluchten.

Der Schutzring 1 braucht nicht selbst elektrisch leitend zu sein; auch braucht in ihm keine Isoliermanschette 12 vorhanden zu sein, so lange der Ring nicht die Schweißstelle berührt. Aus diesem Grunde ist es besonders wichtig, daß die Oberfläche 19 des Wulstes 17 am Kopf 15 so ausgelegt ist, daß obgleich der Durchmesser B des Wulstes kleiner ist als die lichte Weite der Bohrung 4 im Schutzring 1 die Schweißstelle fast völlig eingeschlossen ist. Auf die Weise wird nicht nur Wärme zwischen dem Wulst 17 und dem Ring 1 erhalten, sondern es 'ird auch vermieden, daß Tröpfchen geschmolzenen Metalls von der Schweißstelle abspringen. Gleichzeitig wird die Schweißstelle immer von einer bestimmten Luftmenge umgeben. Wie * Fig. Io anzeigt, bleibt dieser nahezu völlige Verschluß zwischem dem Wulst 17 und dem Schutzkragen 1 selbst bei zum Zün-

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den des Lichtbogens zurückgezogenem Bolzen bestehen. Das Spiel zwischen dem Wulst 17 und der Bohrung 4 soll weniger als ca. 0,1 mm nicht mehr als etwa 0,5 mm betragen.

Wenn das geschmolzene Ende des Schweißbolzens 11 in das gleichfalls geschmolzene Material des Werkstückes S getaucht wird, bleibt der Verschluß zwischen dem Wulst 17 und der Boh- · rung 4 des Schutzringes 1 aufrechterhalten. Wenn die Schweißstelle W (Fig.11) fertig und der Schweißstrom abgeschaltet ist, kann die Schweißpistole vom Schweißstift abgezogen werden, ohne daß der Schutzkragen beschädigt wird, wobei der mit Gewinde versehene Schaft 13 von der Manschette 12 abliegt, so daß diese nicht beschädigt werden kann. Die Pistole ist dann für den nächsten Schweißvorgang fertig.

Zwar ist der beschriebene Schweißbolzen 11 in der Herstellung wegen seiner besonderen Form etwas teurer als gewöhnliche Schweißbolzen, jedoch wird bei Verwendung dieser Bolzen infolge der nicht mehr bestehenden Notwendigkeit, nach jedem Schweißen den Schutzring auszuwechseln, das Schweißen insgesamt verbilligt. Insbesondere ergeben sich aus der Erfindung die folgenden Vorteile:

1. In der Schweißpistole braucht lediglich ein Schweißstift und kein Schutzring eingesteckt zu werden. Damit wird die zur Vorbereitung für das Schweißen erforderliche Zeit wesentlich verkürzt, ohne daß durch den wiederholt benutzbaren Schutzkragen die Qualität des Schweißens herabgesetzt

2. Infolge des zwischen dem Schutzring und den Bolzenwulst bestehenden Verschlusses' ist das Schweißen genauer, sicherer und gleichmäßiger.

3. Beim Schweißen entwickelte Wärme bleibt der Schweißstelle erhalten, und verflüssigtes Metall kann nicht entrinnen.

4. Da der Wulst größer ist als der Durchmesser des Bolzenschaftes, besteht wenig Gefahr, daß der Schutzring von dem

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Schaftgewinde abgerieben wird. Außerdem wird durch den Wulst vermieden, daß Tröpfchen erhärteten Metalls z.B. beim Abziehen der Schweißpistole Schäden an der innenwand des Schutzringes verbleiben.

5. Wegen des Wulstes 17 kann der Schweißbolzen von automtischen Zubringervorrichtungen leichter gesteuert werden, da der Wulst dazu dienen kann, den Bolzen bezüglich der Zubringervorrichtung auszurichten.

6. Der Wulst ermöglicht es, den Schweißbolzen auf der Fläche des Werkstückes genau auszurichten.

12 Fig.
12 Anspr,

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Claims (12)

2OU 189 Patentanspruch e

1. Verfahren zum Anschweißen eines Bolzens an ein Werkstück, dadurch gekennzelehnet, daß ein Ende (15) des Bolzens (11) nahe an das Werkstück (S) gelegt wird, daß ein elektrisch leitender Schutzring (1) um den Bolzen (11) herum und gegen das Werkstück (S) gelegt wird, Wobei zwischen Bolzen (11) und Schutzring (1) kein elektrischer Kontakt besteht, daß zum Erzeugen eines Lichtbogens ein Strom an den Bolzen (11) gelegt wird, so daß ein den Bolzen (11), das Werkstück (S) und den Ring (1) einschließender Stromkreis geschlossen wird, in dem der Strom durch den Bolzen (11) in eine und durch den Ring

(1) in die andere Richtung fließt und daß der Bolzen (11) gegen das Werkstück (S) gebracht wird.

2. Elektrodenschutzring zum Bolzenschweißen aus einem elektrisch leitenden Material und mit einer den Bolzen aufnehmenden Bohrung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1) kegelstumpf form ig ist und daß in der kleineren Stirnfläche (fa) die Mantelfläche mit der Bohrung (4) verbindende Durchlässe (8;18) vorgesehen sind.

3. Schutzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1) in seiner Bohrung (4) mit einer Manschette (12) aus dielektrischem Material versehen ist.

4. Schutzring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12) lösbar in der Bohrung (4) steckt.

5. Schutzring nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette aus Bornitrid besteht.

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6. Schutzring nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1) mit einer seine Mantelfläche (10) abdeckenden Metallschicht (14) versehen ist.

7. Schutzring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (14) aus Stahl besteht.

8. Schutzring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (14) aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung besteht.

9. Schweißbolzen zum Lichtbogenschweißen insbesondere mit

dem in Anspruch 2 bis 8 beschriebenen El äktrodenschutzring, mit einem Schaft von gleichmäßigem Durchmesser und einem in den Schaft übergehenden Schweißkopf, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (15) von einem Wulst (17) umgeben ist, dessen Durchmesser größer ist als der des Schaftes (13) und geringer als der der Bohrung (4) des Schutzringes (1).

10.Schweißbolzen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wulst (17) wenigstens eine in Achsenrichtung geneigte Schulter hat.

11.Schweißbolzen nach Anspruch 9 tmd 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Kopfende und Wulst (17) geringer ist als die axiale Länge der Borhung (4).

12.Schweißbolzen nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Spiel zwischen dem Wulst (17) und der Wand der Bohrung (4) 0.1 bis 0.4mm beträgt.

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