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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodenhalterung für Schweißzangen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie auf zugehörige
Elektroden gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 16.
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Beispielsweise
bei der Fertigung von Karosserien werden überlappt angeordnete, fest
miteinander zu verbindende Blechteile vielfach durch Punktschweißen aneinander
befestigt. Dazu dienen Schweißzangen
mit meist stiftförmigen
Kupferelektroden an Armen, die – mit
dem Werkstück
dazwischen – aufeinander
zu und auseinander bewegt werden können. Beidseitige Berührung der
Blechteile durch die mit elektrischer Spannung beaufschlagten Elektroden
bewirkt Stromdurchgang, wobei der elektrische Widerstand des Blechs
zu rascher lokaler Erwärmung
führt,
so daß die
Teile bei Schweißtemperatur
unter Druck punktuell verschmelzen.
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Weil
sich die Elektroden dabei abnutzen, ist deren mechanische Nachbearbeitung
regelmäßig nötig. Sie
müssen
immer wieder abgefeilt, abgefräst, abgeschliffen
und schließlich
ersetzt werden. Jeder solche Vorgang erfordert eine Unterbrechung
der Schweißarbeiten,
um am Elektrodenhalter die Kappe zu wechseln, die Elektroden zu
verkürzen
oder auszutauschen, Kühlwasser
abzulassen und auch neu zu befüllen.
Das bedingt Stillstandszeiten, die in der Serienproduktion höchst unerwünscht sind,
weil dadurch beachtliche Zeitverluste und Unkosten entstehen.
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Eine
Verkürzung
der unvermeidlichen Pausen ist mit Revolverelektroden möglich, wie
sie etwa in JP-A-05169277 und in EP-A-0 838 299 beschrieben sind.
Dabei tragen die Schweißzangenarme drehbare
Elektrodenköpfe,
die paarweise eine Anzahl Elektroden aufweisen, die jeweils an den
Werkstücken
ansetzbar sind. Durch Verstellen der Köpfe um einen Drehschritt kommt
das jeweils nächste Elektrodenpaar
zum Einsatz. Nachbearbeitung und Ersatz sind hier nicht so oft nötig.
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In
der Praxis entstehen Probleme durch die Abmessungen der Elektroden
und ihrer Halterungen. Üblich
sind runde Stabelektroden mit halbkugelförmigen Schweißkappen
von z.B. 16 mm Durchmesser. Wegen der notwendigen Randabstände müssen die zu
verschweißenden
Blechflansche herkömmlich eine
Länge bzw.
Tiefe von ca. 16 mm bis 18 mm haben, so daß relativ viel Blechmaterial
benötigt
wird, was zum Gewicht des Produkts entsprechend beiträgt. Revolverköpfe sind
an Eck- und Randbereichen kaum oder nicht einsetzbar.
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Es
ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, Abhilfe zu schaffen und eine
Vorrichtung zu entwickeln, mit der die Wirtschaftlichkeit von Punktschweißarbeiten
erheblich gesteigert werden kann. Ferner sollen mit deutlich weniger
Zeitaufwand als herkömmlich stabile
Schweißungen
auch an kleineren oder schwer zugänglichen Werkstückteilen
herstellbar sein.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind in Anspruch 1 und Anspruch 16 angegeben. Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 15 sowie 17 bis 19.
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Bei
einer Elektrodenhalterung für
eine Schweißzange
mit zustellbaren Armen, die jeweils einen Aufnahmeblock mit Kühlkanälen tragen,
welche mit Kühlkanälen in einem
Schaft strömungsverbunden
sind, der eine endseitig mit einer länglichen Arbeitsfläche versehene
Elektrode haltert, sieht die Erfindung laut Anspruch 1 vor, daß der Schaft
einen Führungsabschnitt
aufweist, in dem die Elektrode gesteuert vorschiebbar ist. Obwohl
im Schweißbetrieb und
bei der Nachbearbeitung Elektrodenmaterial abgetragen wird, ist
es erfindungsgemäß möglich, die aus
der Halterung vorstehende Arbeitslänge der Elektrode fortlaufend
oder schrittweise nachzustellen, z.B. in Schritten von je 0,1 mm.
Die Elektroden-Gebrauchsdauer wird auf diese Weise erheblich größer und
der Wechselbedarf dementsprechend viel seltener.
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Die
erfindungsgemäße Elektrode,
im Folgenden auch Schubelektrode genannt, besteht aus hochleitfähigem Hartmetall.
Geeignet ist z.B. eine Cu·Al2O3-Legierung, die
unter dem Handelsnamen Nitrode® erhältlich und bis ≥ 900 °C formfest
ist. Die Elektrode ist in der Halterung verdrehungssicher geführt, wozu
beide innenseitig abgeflacht sein können. Man kann sie mit definiertem
Profil kostengünstig
extrudieren und je nach der Ausdehnung des Führungsabschnitts passend ablängen. Gemäß Anspruch
16 haben die Schubelektroden ein allgemein flaches Profil, z.B.
balken- bzw. barrenähnliche
Form, mit einer stirnseitigen Arbeitsfläche von länglicher, insbesondere etwa
recht eckiger oder ovaler Gestalt. Bevorzugt sind die Langseiten
eben und die Längskanten
gerundet oder angefast, während
die Schmalseiten keil- oder V-förmig
gestaltet und gegebenenfalls leicht ballig angefast sind, was die
Einführung
in den Schaft erleichtert.
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Dank
der flachen Elektrodengestalt und ihrer länglichen Arbeitsfläche komm
man bei Blechflanschen ganz nah an die Flanschwurzel heran. Daher können nicht
nur Standardflansche von > 16
mm Tiefe, sondern auch sehr schmale bzw. kurze Flansche verschweißt werden,
beispielsweise mit einer Tiefe von 8 mm oder sogar bloß 6 mm.
Die länglichen Schweißflecke
oder Schweißstreifen
sorgen für
erhöhte
Verbindungs-Festigkeit,
obwohl die Arbeitsfläche – bei typischen
Quermaßen
[in mm] von 3,5×10 oder
4×10 oder
3×12 – bevorzugt
nur 35...40 mm2 groß ist. Bei Elektroden nach
dem Stand der Technik haben die Schweißflächen größeren Abstand zur Flanschwurzel
sowie untereinander. Zudem läßt der herkömmliche
Platzbedarf ein Schweißen
nur bei tiefen Blechflanschen und außerhalb von Eck- bzw. Randbereichen
zu.
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Der
Schaft ist vorteilhaft zylindrisch, gegebenenfalls im mittleren/unteren
Bereich verjüngt
oder abgeflacht. Er enthält
zwei bis zum Führungsabschnitt
reichende achsparallele, Wasser zu- bzw. abführende Kühlkanäle, die mit zugeordneten Kühlkanälen im Aufnahmeblock
strömungsverbunden
sind. Im unteren Schaftbereich ist zur verdrehsicheren Aufnahme
der Schubelektrode eine Führungsnut
vorhanden, wahlweise oder zusätzlich
eine Abflachung. Ferner kann als Sicherung gegen Herausfallen der Schubelektrode
wenigstens eine Kugelrast vorgesehen sein.
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Der
Schaft führt
die Schubelektrode vorzugsweise mit Preßpassung, so daß eine großflächige Wärmeabfuhr
stattfindet, was die Kühlung
der von Wasser durchströmten
Kühlkanäle wirksam
unterstützt.
An den Kanalenden befindet sich ein diese verbindender Ringraum,
damit das Kühlwasser
aus einem Vorlaufkanal in einen Rücklaufkanal übertreten
kann. Zusätzlich
können
im unteren Bereich des Schafts kleine Kühlbohrungen direkt neben der Schubelektrode
angebracht sein.
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Für den Vorschub
ist zweckmäßig eine Druckstange
vorgesehen, mit deren Stangen-Außengewinde
ein Zahnrad oder Ritzel schraubt, das dazu ein Innengewinde aufweist,
stirnseitig in einer Kammer des Aufnahmeblocks gehalten und von
einem externen Zahnrad antreibbar ist. Dies ist vorzugsweise motorisch
gesteuert bzw. programmiert, so daß der Vorschub präzise dosiert
wird. Am unteren Ende hat die Druckstange bevorzugt einen Konus,
welcher in eine Konusaufnahme am oberen Ende der Schubelektrode
formschlüssig
eingreift, wodurch eine sichere Kraftübertragung gewährleistet ist.
Alternativ kann ein pneumatischer Antrieb für die Druckstange vorgesehen
sein. Grundsätzlich
eignet sich solcher Vorschub auch für Elektroden aus einem harten, hochtemperaturfesten
Material, z.B. aus einer Cu·Al2O3-Legierung, die
auch bei zylindrischer Form in der Elektrodenhalterung schrittweise
oder stetig vorschiebbar sind.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
Teilschrägansicht
einer Schweißzange,
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2 eine
Axialschnittansicht zweier Elektrodenhalterungen mit Elektroden
in Gegenüberstellung,
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3 eine
Querschnittsansicht durch eine Elektrodenhalterung nach 2,
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4 eine
Axialschnittansicht zweier Elektrodenhalterungen mit Elektroden
in Gegenüberstellung,
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5 eine
Schnittansicht einer Elektrodenhalterung mit Schubelektrode,
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5a einen
Querschnitt entsprechend der Linie Va-Va in 5,
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5b einen
Querschnitt ähnlich 5a,
jedoch in abgewandelter Bauform,
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6 eine
Seitenansicht zweier Elektrodenhalterungen mit Elektroden in Betriebsposition,
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7 eine
Seitenansicht einer Elektrodenhalterung mit Antrieb,
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8 eine
auseinandergezogene Schrägansicht
einer Elektrodenhalterung,
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9a eine
Seitenansicht einer Elektrodenhalterung in Betriebsposition und
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9b eine
Vorderansicht der Elektrodenhalterung von 9a.
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Man
erkennt in 1 Arme A einer Schweißzange S
mit zwei Elektrodenhalterungen 10, die durch eine Schraubverbindung 11 mit
einem Aufnahmeblock 12 verbunden sind. Jeder Block 12 haltert einen
Schaft 15, der an seinem Ende eine Elektrode 20 trägt. Die
beiden Elektroden 20 stehen einander gegenüber und
kommen im Schweißbetrieb
mit ihren Arbeitsflächen 22 an
einem (hier nicht dargestellten) Werkstück beiderseits zur Anlage.
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2 zeigt
Einzelheiten des Aufbaues. Man sieht, daß der Schaft 15 in
einer Längsbohrung 21 eine
Druckstange 25 führt,
deren unteres Ende einen Konus 34 aufweist. Dieser greift
in eine Konusaufnahme 24 der Elektrode 20, so
daß durch
satten Formschluß ein
Vorschub der Elektroden 20 gewährleistet ist, sobald die Druckstangen 25 abwärts, d.h. aufeinander
zu bewegt werden, bis die Arbeitsflächen 22 aneinander
bzw. am Werkstück
anliegen. Das untere Ende des Schafts 15 ist durch einen
Einsatz 33 abgeschlossen, der einen Dichtungsring 39 aufweist
und mehrere Funktionen hat. Er dient nämlich zur Führung der Elektrode 20,
zur Stromzuführung
an diese und zum Abdichten gegen ein Kühlmedium, im allgemeinen Kühlwasser.
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Während jedes
Schweißtakts
werden die Elektroden 20 an ihren Arbeitsflächen 22 sehr
heiß, wogegen
in der Zwischenzeit bis zum nächsten Schweißvorgang
eine Kühlung
stattfindet. Dazu sind Kühlkanäle 18 im
Schaft 15 vorgesehen, und zwar gemäß 3 in einer
Kreuzanordnung von Kanälen 18,
die radial an den Elektrodenkörper 20 anschließen. Aus 4 ist
ersichtlich, daß ein
Vorlaufkanal 28 bis zu einem Ringraum 30 unmittelbar
an dem Einsatz 33 führt,
wobei der Ringraum 30 für
eine Strömungsverbindung
zu einem Rücklaufkanal 29 sorgt.
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Die
bzw. jede Elektrode 20 besteht vorzugsweise aus einem harten,
hochtemperaturfesten Material, z.B. aus einer Cu·Al2O3-Legierung, die unter dem Handelsnamen Nitrode® erhältlich und
bis ≥ 900 °C formfest
ist. Die vorbeschriebene Elektrodenhalterung 10 ist für Elektroden 20 von
abgeflachter oder auch zylindrischer Form geeignet, die mittels
der Druckstangen 25 schrittweise oder stetig vorgeschoben
werden können,
um den beim Schweißen
auftretenden Materialabtrag in der Weise zu ergänzen, daß der Überstand über die unteren Enden des Schafts 15 hinaus
zumindest im Wesentlichen konstant bleibt, bis die Elektrode 20 zu
kurz ist, um noch sicher geführt
zu werden. Im Ausführungsbeispiel
der 5 bis 9b werden flache Elektroden 20 mit
länglicher
Arbeitsfläche 22 benutzt.
Hierzu hat die Elektrodenhalterung 10 ebenfalls einen mit
den (hier nicht gezeigten) Armen A verschraubten Aufnahmeblock 12,
der quer verlaufende Kühlkanäle 14 aufweist.
An diese schließen
rechtwinkelig Kühlkanäle 18 im Schaft 15 an,
der durch eine Mutter bzw. Gewindebuchse 19 mit einem Ansatz 13 des
Blocks 12 austauschbar verbunden ist. Am Kopf des Schafts 15 befindet
sich ein Dichtungsring 39 zur Abdichtung gegenüber dem
Block 12.
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Die
Druckstange 25 durchsetzt sowohl den Aufnahmeblock 12 als
auch den Schaft 15. An ihrem oberen Ende ist ein Außengewinde 35 sichtbar,
das mit einem Ritzel oder Zahnrad 40 schraubt, das in einer
Kammer oder Aussparung 17 des Aufnahmeblocks 12 Platz
findet. Am unteren Ende greift der Konus 34 der Druckstange 25 in
die Konusaufnahme 54 der Elektrode 20 ein, die
hier als barrenförmiger Flachkörper ausgebildet
ist. Die Kühlkanäle 18 münden unten
in den Ringraum 30.
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Aus 5a ist
ersichtlich, daß der
Führungsabschnitt 16 des
Schafts 15 die Elektrode 20 in Umfangsrichtung
teilweise umschließt,
und zwar satt anliegend und mit einer nach außen offenen Flachseite. Innen
im Schaft 15 befindet sich vorzugsweise eine Längs-Abflachung 27,
an die ein Schlitz 31 radial anschließt, der im Schweißbetrieb
mit abwechselnden Aufheiz- und Abkühlphasen einen Dehnungsausgleich
erlaubt. 5b zeigt eine Variante, bei
welcher die Kanäle 18 durch
Kühlbohrungen 38 ergänzt sind,
die bis in die unmittelbare Nachbarschaft der Elektrode 20 führen. Diese
Ausgestaltung sorgt für besonders
intensive Kühlung
der Elektrode in den Pausen zwischen den Schweißvorgängen.
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In
Betriebsposition zeigt 6 die unteren Enden der Schäfte 15 mit
ihren Elektroden 20, die zwischen sich Blechflansche F
punktuell verschweißen,
wobei die Arbeitsflächen 22 durch
stromgebende Anlage an den Flanschen F deren Verschweißung bewirken.
Bei vorübergehender Öffnung der
Arme A kann die Schweißzange
S an die nächste
Blechverbindungsstelle und dann erneut in Schweißposition gebracht werden.
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Ein
Beispiel für
den Schubstangenantrieb ist in 7 dargestellt.
An dem Aufnahmeblock 12, der in seiner Kammer oder Aussparung 17 das
Antriebsritzel 40 für
die Schubstange 25 enthält,
kann – mit nicht
näher dargestellter
Befestigung – ein
Antrieb Z angesetzt werden, der in einer Lagerung 44 ein
externes Zahnrad 45 aufweist. Wird dieses von einem (nicht
gezeichneten) Motor oder Schrittmotor angetrieben, so schraubt das
Ritzel 40 die Druckstange 25 je nach Drehsinn
herunter oder herauf. Alternativ ist in 7 oben mit
gestrichelten Linien ein Aufsatz angedeutet, der ein Nachschieben
der Druckstange 25 durch interne Krafteinwirkung ermöglicht,
beispielsweise mit einem (nicht dargestellten) pneumatischen Antrieb.
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Einzelheiten
der Elektrodenhalterung 10 sind aus 8 ersichtlich.
In dieser Explosionszeichnung sind die vorgenannten Bauelemente
auseinandergezogen dargestellt, so daß auch die Montageschritte verständlich werden.
Die fertig montierten Einheiten sind in 9a von
der Seite und in 9b von vorn dargestellt.
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Wesentlich
ist stets, daß die
Elektrodenhalterung 10 eine schaftgeführte Druckstange 25 aufweist,
die am unteren Ende auf den Kopf einer Elektrode 20 trifft,
welche im Führungsabschnitt 16 des Schafts 15 zügig geführt ist.
Im Schweißbetrieb
kann sich die Elektrode 20 in ihrer Führung 16 verklemmen,
was während
des Schweißvorgangs
sehr erwünscht
sein kann. In den Pausen des Schweißbetriebes, die allgemein wenigstens
einige Sekunden dauern, bewirkt die Kühlung eine Schrumpfung, so daß die Elektrode 20 auch
bei vorheriger Klemmung nun nachgeschoben werden kann.
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Die
Erfindung ist in vielfältiger
Weise abwandelbar. Zusammenfassend ist jedoch festzuhalten, daß für eine Schweißzange S
mit zustellbaren Armen A eine erfindungsgemäße Elektrodenhalterung 10 jeweils
einen Aufnahmeblock 12 mit Kühlkanälen 14 hat, die mit
Kühlkanälen 18 in
einem Schaft 15 strömungsverbunden
sind. Dieser weist endseitig einen Führungsabschnitt 16 auf,
in dem eine Elektrode 20 verdrehungssicher geführt und
gesteuert vorschiebbar ist. Die Schubelektroden 20 können zylindrisch oder
extrudierte, gemäß der Ausdehnung
des Führungsabschnitts 16 abgelängte Profilteile
sein, wobei zum Wechsel lediglich der Schaft 15 ausgetauscht wird,
der außen
z.B. zylindrisch und im mittleren Bereich verjüngt oder abgeflacht sein kann.
Er enthält zwei
bis zum Führungsabschnitt 16 reichende achsparallele,
Wasser zu- bzw. abführende
Kühlkanäle 18,
die mit den zugeordneten Kühlkanälen 14 im Aufnahmeblock 12 strömungsverbunden
sind. Im unteren Bereich kann der Schaft 15 für die Schubelektrode 20 eine
Führungsnut 26 haben,
gegebenenfalls mit einer Abflachung 27 und wahlweise mit
wenigstens einer Sicherung, z.B. einer Kugelrast, gegen Herausfallen
der Elektrode 20. Der Schaft 15 führt diese mit
Preßpassung
unter großflächiger Wärmeabfuhr namentlich
mittels mediumdurchströnter
Kühlkanäle 18.
An deren Enden kann ein Ringraum 30 zum Überströmen von
Kühlwasser
einen Vorlaufkanal 28 mit einem Rücklaufkanal 29 verbinden,
wahlweise auch mit Kühlbohrungen 38 direkt
neben der Elektrode 20. Zum vorzugsweise motorisch gesteuerten oder
programmierten Vorschub der Elektrode 20 im Schaft 15 dient
eine mechanisch antreibbare Druckstange 25 mit einem Außengewinde 35,
an dem ein Zahnrad oder Ritzel 40 mit Innengewinde angreift. Eine
formschlüssige
Konusverbindung 24, 34 mit der Druckstange 25 unterstützt den
ruckfreien Vorschub. Bevorzugte Elektrode 20 haben ein
flaches Profil mit einer stirnseitigen Arbeitsfläche 22 von länglicher, insbesondere
etwa rechteckiger oder ovaler Form mit ebenen Langseiten 32 und
gerundeten oder angefasten Längskanten,
während
die Schmalseiten 36 keil- oder V-förmig gestaltet sind.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten und räumlicher
Anordnungen, können sowohl
für sich
als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein.
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- A
- Arme
- F
- Blechflansche
- S
- Schweißzange
- Z
- Antrieb
- 10
- Elektrodenhalterung
- 11
- Schraubverbindung
- 12
- Aufnahmeblock
- 13
- Ansatz
- 14
- Kühlkanäle
- 15
- Schaft
- 16
- Führungsabschnitt
- 17
- Aussparung
- 18
- Kühlkanäle
- 19
- Mutter/Gewindebuchse
- 20
- (Schub-)Elektrode
- 21
- Längsbohrung
- 22
- Arbeitsfläche
- 24
- Konusaufnahme
- 25
- Druckstange
- 26
- Führungsnut
- 27
- Abflachung
- 28
- Vorlaufkanal
- 29
- Rücklaufkanal
- 30
- Ringraum
- 31
- Schlitz
- 32
- Langseiten
- 33
- (Dichtungs-)Einsatz
- 34
- Konus
- 35
- Außengewinde
- 36
- Schmalseiten
- 38
- Kühlbohrungen
- 39
- Dichtungsring
- 40
- Ritzel/Zahnrad
- 44
- Lagerung
- 45
- externes
Zahnrad