-
Die
Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung
und ein Schweißteil
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Aus
der Praxis sind Impuls-Schweißverfahren
mit Presskrafteinwirkung auf die zu verschweißenden Bauteile bekannt, z.B.
als konventionelle Kondensatorentladungs-Schweißverfahren nebst zugehörigen Schweißvorrichtungen.
Bei solchen Impuls-Schweißverfahren
werden die zusammen gepressten Werkstücke von einem Impulsstrom durchflossen,
wobei sie am Kontaktbereich in einen teigigen Zustand übergehen
und sich miteinander verbinden. Um eine ausreichend hohe Stromkonzentration zu
erreichen, werden die Kontaktstellen der Werkstücke möglichst klein gehalten, wobei
z.B. ein Punkt- oder Linienkontakt besteht. Bei Blechen werden zu diesem
Zweck an ein oder beiden Blechen in einer Bauteilvorbereitung Buckel
angebracht oder angeformt bzw. eingeformt. Dies erfordert einen
zusätzlichen
Aufwand.
-
Die
DE 40 38 016 A1 zeigt
eine Verbundelektrode, die aus einem zylindrischen Grundkörper mit einem
kegelstumpfförmig
verjüngten
Ende besteht, an dem der eigentliche Elektrodenkörper aus einer verschleißfesten
Schicht, z.B. Wolfram, durch Diffusionsschweißen aufgebracht ist. Der Elektrodenkörper hat
eine zylindrische Form mit einer ebenen Stirnfläche, welche die Elektrodenandruckfläche bildet.
-
Aus
der
DE 19 44 614 A1 ist
ein Verfahren zum Verbinden zweier Metallplatten mittels Kondensatorentladungsschweißen bekannt.
In den verschiedenen Ausführungsbeispielen
dieser Druckschrift wird der Schweißstrom zum einen mit stromführenden
Elektroden und zum anderen mit stromlosen Druckstempeln übertragen,
wobei im letzteren Fall die Pole einer Kondensator-Impulsschweißmaschine direkt
an den Blechen angebracht werden. Ansonsten zeigt die Schrift noch
verschiedene Stirnfräser, die
den zu verschweißenden
Blechen eine bestimmte Formgebung verleihen sollen. Die Elektroden
sind in konventioneller Weise ausgebildet und haben eine ebene Stirnfläche bzw.
Kontaktfläche.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schweißtechnik
aufzuzeigen.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen in den Hauptansprüchen für die Schweißvorrichtung
und das Schweißteil.
-
Die
erfindungsgemäße Schweißtechnik
hat den Vorteil, dass beim gattungsgemäßen Impulsschweißen die
aufwändigen
Bauteilvorbereitungen und insbesondere das Anbringen oder Anformen
von Buckeln an Blechen, entfallen kann. Die Fokusierung des Impulsstroms
wird über
einen im wesentlichen ringförmigen
Isolator in einem Spalt zwischen den Werkstücken bewirkt. Dieser Isolator
isoliert die Werkstücke
elektrisch und vermeidet eine Kurzschlusssituation. Hierbei kann
er auch eine Werkstückdistanzierung
bewirken. Der notwendige stromleitende Werkstückkontakt kann während des Schweißprozesses
durch eine Verformung zumindest eines der Werkstücke in einen Freiraum innerhalb
des Isolators bewirkt werden. Der Isolator selbst kann am Schweißteil verbleiben
und umgibt die geschaffene Schweißverbindung oder Naht, wobei
er eine Schutzfunktion ausüben
kann.
-
Während des
Schweißprozesses
und der Einbringung der Verformung wird der Isolator komprimiert
und entwickelt nach der Entlastung eine Spannkraft und Spreizwirkung
an der Schweißstelle.
Der Isolator kann auch als Klebstoff ausgeführt sein, der vorzugsweise
erst während
des Schweißprozesses durch
den Impulsstrom bzw. die Wärme
aktiviert wird. Durch die Spreizkraft bzw. die Klebekraft wird eine zusätzliche
Haltekraft zwischen den Werkstücken
an der Schweißstelle
eingebracht, welche die Scherfestigkeit der Werkstückverbindung
erhöht.
Außerdem kann
der Isolator Verbesserungen bei der Dämpfung des Schweißteils bzw.
der Werkstücke
und beim Korrosionsschutz oder der Abdichtung an der Verbindungsstelle
bewirken.
-
Der
Bauaufwand zur konstruktiven Umsetzung der Schweißtechnik
ist gering. Die beaufschlagte Elektrode braucht lediglich mit einem
geeigneten Stempel ausgerüstet
zu werden. Hierbei empfiehlt es sich, den Stempel aus einem Material
herzustellen, welches eine ausreichende Festigkeit mit sich bringt und
mit dem beaufschlagten Werkstück
keine bleibende Verbindung eingeht. Vorzugsweise ist der Stempel
im Innenbereich der Elektrode angeordnet und wird allseitig von
der Elektrode umgeben. Dies sichert den Elektrodenkontakt mit dem
beaufschlagten Werkstück
und die Stromleitung während
des Schweißprozesses
und der Einbringung der Verformung.
-
In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
-
Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen
-
1:
eine schematische Seitendarstellung einer Schweißvorrichtung,
-
2:
eine Schemadraufsicht auf ein Schweißteil,
-
3 – 5:
Bewegungsabläufe
der Elektrode und der Werkstücke
in 3 Schritten beim Schweißprozess,
-
6:
eine vergrößerte und
abgebrochene Schnittdarstellung der Schweißstelle am Schweißteil und
-
7 – 9:
verschiedene Querschnittsdarstellungen eines Stempels und eines
Isolators.
-
Die
Erfindung befasst sich mit dem elektrischen Impulsschweißen von
Werkstücken
(3,4) mit einer beim Schweißen und beim Stromdurchgang
auf die Werkstücke
(3,4) einwirkenden Presskraft F. In 1 ist
beispielhaft eine hierfür
geeignete Schweißvorrichtung
(1), z.B. eine Kondensatorentladungs-Schweißvorrichtung,
dargestellt. 2 zeigt schematisch ein Schweißteil.
-
Das
Schweißteil
(2) besteht aus zwei oder mehr Werkstücken (3,4),
die mittels Schweißverbindungen
(9) oder Schweißnähten miteinander
verbunden werden. Die Schweißverbindungen
(9) können
in der nachfolgend beschriebenen Weise mit der Schweißvorrichtung
(1) hergestellt werden. Die Werkstücke (3,4)
können
von beliebig geeigneter Art und Größe sein. Sie bestehen aus schweißfähigen und
elektrisch leitenden Werkstoffen, z.B.
-
Stahl.
Die Werkstücke
(3,4) können
eine beliebige Geometrie aufweisen. Mindestens eines der Werkstücke ist
zumindest im Bereich der ein- oder mehrfach vorhandenen Schweißstellen
(7) als dünnwandiges
und elastisch oder plastisch verformbares Blech ausgeführt.
-
Die
Schweißvorrichtung
(1) besteht aus einem Maschinengestell, einer vorzugsweise
innerhalb der Vorrichtung angeordneten Schweißstromquelle (10)
und zumindest zwei Elektroden (12,13) mit mindestens
einer Elektrodenanpressvorrichtung (11). Die Schweißstromquelle
(10) ist z.B. als Kondensatorentladungs-Stromquelle ausgeführt. Die
Schweißstromquelle
(10) erzeugt zum Schweißen einen Impulsstrom mit hoher
Stromstärke,
der über
die Elektroden (12,13) durch die Werkstücke (3,4)
an der Schweißstelle
(7) geleitet wird. Während
des Schweißprozesses
wird an der Schweißstelle
(7) der Impulsstrom mittels eines Isolators (5)
und einer im Prozess eingebrachten Verformung (8) an zumindest einem
der an der Verbindung beteiligten Werkstücke (3,4)
fokusiert. Dies bewirkt an der Schweißstelle (7) einen
lokal begrenzten Stromübergang
zwischen den Werkstücken
(3,4) in Verbindung mit einer flächenmäßig begrenzten
Erwärmung
und zumindest teilweisen Plastifizierung der Werkstücke (3,4)
an der Kontaktstelle, wobei hier eine Schweißverbindung (9) entsteht.
-
Zumindest
eine Elektrode (12) hat einen in Zustellrichtung (15)
vorstehenden Stempel (14), der zur Verformung eines beaufschlagten
Werkstücks
(3) an der Schweißstelle
(7) beim Anpressen der Elektroden (12,13)
mittels der Elektrodenanpressvorrichtung (11) dient. Der
Stempel (14) verformt mit seinem überstehenden Bereich das beaufschlagte
Werkstück
(3) derart, dass der vorerwähnte Werkstückkontakt mit der Stromleitung
entsteht.
-
Der
Stempel (14) besteht aus einem geeigneten Material, welches
mit dem beaufschlagten Werkstück
(3) keine Schweißverbindung
eingeht. Andererseits ist das Stempelmaterial ausreichend fest und
hart, um das beaufschlagte Werkstück (3) verformen zu
können.
Der Stempel (14) kann z.B. aus einem Hartmetall mit einer
sehr hohen Schmelztemperatur bestehen, die durch den Impulsstrom
nicht erreicht wird. Das Stempelmaterial kann dabei elektrisch leitend
oder elektrisch isolierend sein. Möglich sind z.B. Keramikeinsätze zur
Stempelbildung.
-
Der
Stempel (14) ist vorzugsweise im Innenbereich der zugehörigen Elektrode
(12) angeordnet und wird von dieser z.B. allseitig umgeben.
Die Stromübertragung
auf das beaufschlagte Werkstück (3)
erfolgt über
die vorzugsweise ebene oder gegebenenfalls an die Werkstückgeometrie
angepasste Elektrodenstirnwand. Der Überstand des Stempels (14)
gegenüber
der Elektrodenstirnwand ist an die Verformbarkeit des beaufschlagten
Werkstücks
(3), an die Weite des nachfolgend näher erläuterten Spaltes (6)
zwischen den Werkstücken
(3,4) und an die Kompressibilität eines
im Spalt (6) angeordneten Isolators (5) angepasst.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Schweißtechnik werden
die zu verbindenden Werkstücke
(3,4) zunächst
mit gegenseitigem Abstand an der jeweiligen Schweißstelle
(7) positioniert. Sie werden erst während des Schweißprozesses
durch eine mittels des Stempels (14) eingebrachte Verformung
(8) des beaufschlagten Werkstücks (3) in stromleitenden
und räumlich
begrenzten Kontakt miteinander gebracht. An mindestens einem der
zu verbindenden Werkstücke
(3,4) wird hierfür an der oder den Verbindungsstelle(n)
(7) mindestens ein Isolator (5) angebracht, der
im wesentlichen ringförmig
ausgebildet ist und die Schweißstelle
(7) bzw. die hier zu schaffende Schweißverbindung (9) zumindest
außenseitig
umgibt. Der Isolator (5) isoliert die zu verbindenden Werkstücke (3,4) elektrisch.
Hierbei kann er eine räumliche
Distanzierung der Werkstücke
(3,4) in Zustellrichtung (15) unter Bildung
eines Spaltes (6) bewirken. Der Isolator (5) hat
hierfür
eine Dicke, die im Betriebszustand zumindest geringfügig größer als die
Summe der Rautiefen der beiden benachbarten Werkstückflächen ist
und einen unerwünschten
elektrischen Stromfluss verhindert. Die Dicke des Isolators (5)
richtet sich ansonsten nach der am Schweißteil (2) tolerablen
Spaltweite. In der Praxis empfehlen sich Isolatordicken von ca.
100 bis 1.000 μm,
vorzugsweise im Bereich von ca. 200 μm.
-
Der
Isolator (5) besteht aus einem begrenzt kompressiblen und
vorzugsweise zäh
elastischen Material. Der Isolator (5) hat ferner elektrisch
isolierende Materialeigenschaften. Die hierfür geeigneten Materialien können Papier,
Kunststoff oder dergleichen sein. Geeignet sind insbesondere Kunststoff-Polymere.
Der Isolator (5) kann auch aus einem Klebstoff bestehen.
Dieser Klebstoff kann beim Auftrag bereits Klebewirkung entfalten
oder erst während
des Schweißprozesses
durch den Stromfluss und/oder die Wärmeentwicklung aktiviert werden.
-
Der
Isolator (5) kann in beliebig geeigneter Form vorliegen.
Er kann z.B. die Gestalt einer dünnwandigen
Folie haben, die zwischen die Werkstücke (3,4)
eingelegt wird. Ferner ist es möglich,
den Isolator (5) auf ein Werkstück (3,4)
aufzudrucken, z.B. durch Tampondruck oder dergleichen. Hierfür eignen sich
plastische Materialien, insbesondere Polymere.
-
Die
Ringform des Isolators (5) kann sich nach der gewünschten
Form der Schweißverbindung (9)
richten. 2 zeigt hierfür verschieden
Formen von Schweißverbindungen
(9) bzw. Schweißnähten. Im
linken oberen Eckbereich des von den Werkstücken (3,4)
gebildeten Schweißteils
(2) sind punktförmige
oder kreisförmige Schweißverbindungen
(9) dargestellt. Alternativ sind Steppnähte mit geraden Nahtabschnitten
oder auch winklig mit Abstand angeordnete gerade Nahtabschnitte
sowie abgewinkelte oder gebogene Nahtformen möglich. Grundsätzlich sind
beliebige Nahtformen möglich,
sofern sie für
das Impulsschweißen
geeignet sind.
-
Der
Isolator (5) umgibt die zugehörige Schweißverbindung (9) zumindest
außenseitig.
Hierfür
kann der Isolator (5) z.B. die in 7 und 9 gezeigte
geschlossene Ringform haben, welche beispielsweise als Kreisring
oder als Ovalring oder in beliebig anderer Weise ausgebildet sein
kann. Die. Ringform muss nicht geschlossen sein. Sie kann gemäß 8 von
mehreren Isolatorteilen (5',5'') gebildet werden, die entlang
des Umfangs der Schweißverbindung
angeordnet sind. Die Isolatorteile (5',5'') können unterschiedliche
Formen und Größen haben und
z.B. aus Punkten oder Linien bestehen.
-
Die
Querschnittsform des Stempels (14) richtet sich nach der
gewünschten
Geometrie der Schweißverbindung
(9). Außerdem
können
die Querschnittsform des Stempels (14) und die Form des
innenseitigen Isolatorfreiraums aneinander angepasst sein.
-
3 bis 5 zeigen
eine Bewegungs- und Funktionsabfolge der Schweißvorrichtung (1) im Schweißprozess.
Im ersten Schritt gemäß 3 wird mittels
der Elektrodenanpressvorrichtung (11) die eine Elektrode
(12) mit dem Stempel (14) in Zustellrichtung (15)
an das beaufschlagte Werkstück
(3) zugestellt. Der Stempel (14) ist an der Schweißstelle
(7) zentrisch zum ringförmigen
Isolator (5) ausgerichtet. Der in Zustellrichtung (15)
vorstehende Stempel (14) kommt mit seiner Stirnfläche vor
der Elektrode (12) in Kontakt mit dem Werkstück (3).
Das andere Werkstück
(4) liegt auf der anderen gegenüber liegenden Elektrode (13)
auf und wird hier abgestützt.
-
Im
nächsten
Schritt gemäß 4 ist
die Elektrode (12) soweit vorgeschoben, bis sie mit ihrer Stirnfläche stromleitenden
Kontakt mit dem Werkstück
(3) hat. Der vorstehende Stempel (14) hat das Werkstück (3)
verformt und dabei einen Buckel ausgebildet, der durch den freien
Innenraum des Isolators (5)greift und in stromleitenden
Kontakt mit dem anderen Werkstück
(4) gelangt. Unter der in Zustellrichtung (15)
und senkrecht zu den Werkstücken (3,4)
wirkenden Anpresskraft ist auch der Isolator (5) komprimiert
worden. Die dabei reduzierte Isolatordicke ist noch immer so groß, dass
der Isolator (5) seine stromisolierende Funktion beibehält und die
Werkstücke
(3,4) im Bereich außerhalb des Isolators (5) unter
Spaltbildung distanziert. Ein stromleitender Kontakt zwischen den
Werkstücken
(3,4) ist nur im Bereich der Verformung (8)
vorhanden. Sobald diese Stellung von 4 erreicht
ist, wird über
eine Steuerung (nicht dargestellt) der Schweißvorrichtung (1) die
Schweißstromquelle
(10) und der Impulsstrom geschaltet. Hierdurch entsteht
an der Kontaktstelle zwischen den Werkstücken (3,4)
die Schweißverbindung
(9).
-
Nach
Beendigung des Schweißvorgangs und
Abschalten der Schweißstromquelle
(10) wird die Elektrode (12) mit dem Stempel (14)
wieder abgehoben. Der entlastete Isolator (5) kann sich
im Rahmen der Verformungsnachgiebigkeit der Werkstücke (3,4)
wieder etwas entspannen.
-
Anschließend werden
die Werkstücke
(3,4) gegenüber
der Schweißvorrichtung
(1) zur nächsten Schweißstelle
(7) hin versetzt und der vorbeschriebene Schweißprozess
startet von neuem.
-
6 verdeutlicht
die Situation nach Stempelentlastung. Der komprimierte Isolator
(5) versucht sich im angrenzenden Bereich der Schweißverbindung
(9) teilweise zu entspannen und wieder auf die Ursprungsdicke
zu vergrößern, wobei
er auf die Werkstücke
(3,4) im Rahmen ihrer Nachgiebigkeit eine Spannkraft
und Spreizwirkung ausübt.
Durch die Spannkraft und die Anlage des Isolators (5) an
den Werkstückoberflächen ergibt
sich eine Blechverspannung rund um die Schweißverbindung (9) und auch
eine Reibkraft, welche gemeinsam die Scherfestigkeit der Verbindung
erhöhen.
Der Isolator (5) ist zudem dichtend im Spalt (6)
eingespannt und verhindert den Zutritt von Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit,
Gasen oder dgl., zur Schweißverbindung
(9).
-
Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsform
sind in verschiedener Weise möglich.
Zum einen kann die Schweißvorrichtung
(1) stationär
oder instationär
sein. Sie lässt
sich beispielsweise an einer Transporteinrichtung oder einem mehrachsigen
Manipulator, z.B. einem Industrieroboter, montieren. Ferner kann
die Schweißvorrichtung
(1) mehrere Elektrodenpaare (12,13) und
Stempel (14) aufweisen und diese gemeinsam oder zeitversetzt
an verschiedenen Stellen an die Werkstücke (3,4)
zustellen. In weiterer Abwandlung kann der Stempel (14)
an der anderen, ortsfest gehaltenen Elektrode (13) angeordnet
sein. Es ist auch möglich,
an beiden Elektroden (12,13) jeweils einen Stempel
anzuordnen. Der Isolator (5) kann eine großflächige Folie
mit Ausnehmungen im Bereich der Schweißstellen haben.
-
- 1
- Schweißvorrichtung
- 2
- Schweißteil
- 3
- Werkstück, Blech
- 4
- Werkstück, Blech
- 5
- Isolator
- 5'
- Isolatorteil
- 5''
- Isolatorteil
- 6
- Spalt
- 7
- Schweißstelle
- 8
- Verformung,
Buckel
- 9
- Schweißverbindung
- 10
- Schweißstromquelle
- 11
- Elektrodenanpressvorrichtung
- 12
- Elektrode
- 13
- Elektrode
- 14
- Stempel
- 15
- Zustellrichtung,
Anpressrichtung