-
Die
Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung
zum elektrischen Impulsschweißen,
insbesondere zum Kondensatorentladungsschweißen, mit den Merkmalen im Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
-
Derartige
Schweißeinrichtungen
zum Kondensatorentladungsschweißen
sind aus der Praxis bekannt. Sie bestehen aus einer entsprechenden Schweißstromquelle,
die über
Kondensatorentladung einen elektrischen Impulsstrom zur Verfügung stellt
und aus einer Zustelleinrichtung für ein oder mehrere Elektroden.
Aus der Praxis sind diese sogenannten CD-Schweißeinrichtungen als Ständermaschinen
mit einem steifen C-förmigen
Maschinengestell ausgebildet, welches eine hydraulisch betätigte Zustelleinrichtung
für eine
oder mehrere Elektroden aufweist, die gegen das Werkstück und eine
oder mehrere stationäre
Gegenelektroden gepresst werden. Zum Nachführen der Elektroden beim Schweißvorgang
ist ggf. eine Nachsetzeinrichtung vorhanden. Die Ständermaschinen
sind für
einen ortsfesten Betrieb vorgesehen.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schweißeinrichtung
zum elektrischen Impulsschweißen
aufzuzeigen.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
-
Die
Ausgestaltung der Zustelleinrichtung als ortsbewegliche Schweißzange bietet
völlig
neue Einsatzmöglichkeiten
beim elektrischen Impulsschweißen,
insbesondere beim Kondensatorentladungsschweißen oder sog. CD-Schweißen. Eine
solche ortsbewegliche und entsprechend leichtgewichtige Schweißzange kann
manuell oder von einem Manipulator oder Roboter bewegt und geführt werden.
Sie kann insbesondere relativ zu einem anderweitig stationär oder instationär gehaltenen
Werkstück
zugestellt werden.
-
Die
CD-Schweißzange
hat federnde Zangenarme, die vorzugsweise in der Nähe der Elektroden
mit Zusatzmassen beidseitig ausgerüstet sind. Über diese Zusatzmassen kann
unter Ausnutzung der Massenträgheiten
ein optimiertes Anpress- und Nachsetzverhalten der Schweißeinrichtung
erzielt werden. Die federelastische Ausbildung der Zangenarme und
insbesondere ihrer Vorderarme ist in zweierlei Hinsicht günstig. Einerseits
können
die Zangenarme leichtgewichtig sein, was der Führung von Menschenhand oder
durch einen Manipulator bzw. Roboter entgegenkommt und Material
und Kosten spart. Die bei konventionellen Ständermaschinen übliche und
erforderliche steife und schwergewichtige Ausführung ist nicht mehr erforderlich.
Andererseits ist eine hohe Federkonstante der Zangenarme in Verbindung
mit den Zusatzmassen günstig,
um die Resonanzfrequenz der Schweißzange zu reduzieren. Dies
hat den Vorteil, dass die Elektroden der CD-Schweißzange nicht unmittelbar, sondern
mit einem bestimmten Zeitverlauf der Erweichung des Werkstückmaterials
folgt. Günstig
ist hierbei eine Absenkung der Resonanzfrequenz auf 500 Hz oder
weniger. Bevorzugt ist ein Resonanzbereich unter 200 Hz, insbesondere
zwischen 5 und 100 Hz.
-
Die
CD-Schweißzange
kann nach dem Modell eines Feder-Masse-Schwingsystems
ausgebildet sein, wobei die Elektroden mit den Zusatzmassen den
Massenkörper
und die Zangenarme die Federn bilden. Die Zusatzmassen sind dabei
zwischen Federn und Elektroden angeordnet und wirken durch ihre
Massenträgheit
dämpfend.
-
Die
CD-Schweißzange
kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Besondere Vorteile
ergeben sich hinsichtlich einer X-Zange mit schwenkbar gelagerten
Zangenarmen, die eine besonders günstige Steuerung der Feder-
und Massenverhältnisse
erlaubt. Hierbei können
auch über
einen entsprechenden Antrieb beide Zangenarme relativ zueinander
angetrieben und bewegt werden. Alternativ kann die CD-Schweißzange als
C-Zange oder in anderer Weise ausgebildet sein.
-
Für die Stromzuführung von
der Stromquelle zu den Elektroden bzw. zu geeigneten Kontakten an den
elektrisch leitfähigen
Vorderarmen wird vorzugsweise eine flexible und induktionsarme Leitung
eingesetzt. Hierdurch werden zusätzlich
induktive Streuverluste vermieden. Das Spannungsniveau im Stromquellenbereich
und im Arbeitsbereich an der Schweißzange kann dadurch niedrig
gehalten werden.
-
In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
-
Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
-
1:
in einer schematischen Darstellung eine Schweißeinrichtung mit einer CD-Schweißzange,
-
2:
eine Variante der CD-Schweißzange,
-
3:
eine Schweißstation
mit einem Roboter, einer CD-Schweißzange, einer Stromquelle und einer
induktionsarmen Leitungsverbindung,
-
4 und 5:
zwei Querschnittsvarianten der induktionsarmen Leitungsverbindung
und
-
6:
das Prinzipschaltbild eines Feder-Masse-Schwingers.
-
1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Schweißeinrichtung (1) zum
elektrischen Impulsschweißen
von Werkstücken
(14), z.B. metallischen Blechen. In 3 ist eine
Schweißstation (17)
mit einer solchen Schweißeinrichtung
(1) dargestellt.
-
Beim
Schweißprozess
handelt es sich vorzugsweise um das Kondensatorentladungsschweißen, welches
nachfolgend abgekürzt
als CD-Schweißen
bezeichnet wird. Alternativ sind beliebige andere elektrische Impulsschweißverfahren
möglich.
Die Werkstücke
(14) können
an der Kontaktstelle Buckel oder andere den Stromfluss konzentrierende
Vorsprünge
aufweisen.
-
Die
Schweißeinrichtung
(1) beinhaltet zumindest eine Schweißzange (3) oder sog.
CD-Schweißzange
mit ein oder mehreren Elektroden (11, 12), die über eine
entsprechende flexible und vorzugsweise induktionsarme Leitung (20)
an eine Schweißstromquelle
(2) für
den elektrischen Impulsstrom angeschlossen sind. Die Schweißstromquelle
(2) kann Bestandteil der Schweißeinrichtung (1) sein.
Sie kann alternativ eine getrennte Komponente darstellen und kundenseitig
bereits vorhanden sein, so dass zum Liefer- und Schutzumfang nur die nachfolgend erläuterte Schweißzange (3)
gehört.
Die Schweißstromquelle
(2) erzeugt einen elektrischen Impulsstrom durch Kondensatorentladung
oder auf andere geeignete Weise. Wie in 1 angedeutet,
kann dem Kondensator ein Transformator nachgeschaltet sein, welcher
die Kondensatorspannung von z.B. ca. 3.000 V auf eine Schweißspannung
von z.B. ca. 40 bis 80 V herunter transformiert und Schweißströme von z.B.
ca. 20 bis 30 kA ermöglicht.
-
Die
Schweißzange
(3) weist mindestens einen Zangenarm (4, 5)
auf. Vorzugsweise sind mindestens zwei gegenseitig wirkende Zangenarme
(4, 5) vorhanden. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Schweißzange
(3) als X-Zange mit z.B. einer im wesentlichen symmetrischen
Gestalt ausgebildet, bei der die Zangenarme (4, 5) über ein
Gelenk (10) miteinander verbunden und schwenkbar gelagert
sind. Alternativ können
die Zangenarme (4, 5) an einem Traggestell über getrennte
Gelenke schwenkbar gelagert sein.
-
Die
Zangenarme (4, 5) können eine mehrfach abgewinkelte,
bügelartige
Form haben und aus Vorderarmen (6) bestehen, welche jeweils
mindestens eine Elektrode (11, 12) tragen und
jenseits des Gelenks (10) angeordnet sind. Die zugehörigen Hinterarme
(7) befinden sich auf der anderen Gelenkseite und sind
gegeneinander gespreizt. In diesem Bereich kann ein geeigneter Antrieb
(nicht dargestellt) zum Öffnen
und Schließen
der Schweißzange
(3) angreifen, dessen Schließkraft durch den Pfeil F symbolisiert
wird. Dieser Antrieb kann ein manueller Antrieb oder ein maschineller
Antrieb mit einem Motor oder einem anderen Antriebselement sein.
-
Die
Schweißzange
(3) ist leichtgewichtig ausgebildet und hat ein so geringes
Gewicht, dass sie von Menschenhand oder von einem in 3 gezeigten
Manipulator (18) geführt
und betätigt
werden kann. Der Manipulator (18) kann beliebig ausgebildet sein.
Er kann ein ein- oder mehrachsiges Führungsgerät sein. Z.B. kann es sich um
einen mehrachsigen Industrieroboter, insbesondere um einen sechsachsigen
Gelenkarmroboter, handeln.
-
Die
Schweißzange
(3) weist ein oder mehrere geeignete Anschlüsse zum
Bedienen und Führen der
Schweißzange
(3) auf. Diese können
an beliebig geeigneter Stelle angeordnet sein, z.B. am Gelenk (10)
oder an einem der Hinterarme (7). Dieser Anschluss kann
ein Handgriff für
eine manuelle Bedienung oder eine Anschlussplatte für die Verbindung mit
einem Abtriebs- und Führungsteil
(19) des Manipulators (18), z.B. einer mehrachsigen
Roboterhand, sein.
-
Der
Antrieb zum Öffnen
und Schließen
der Schweißzange
(3) kann ein Handantrieb und insbesondere die Handkraft
sein. Bei einer manipulatorgeführten
Schweißzange
(3) kann ein separater Antrieb, z.B. ein Pneumatik- oder
Hydraulikzylinder oder auch ein elektromotorischer Antrieb vorhanden
sein, der mit einer Steuerung der Schweißeinrichtung (1) verbunden
ist. Diese Prozesssteuerung steuert die Zangenbewegungen und den
Schweißstrom.
Sie kann separat angeordnet oder in eine andere Steuerung, z.B.
in die Robotersteuerung, integriert sein.
-
Die
Schweißzange
(3) weist zumindest einen federelastischen Vorderzangenarm
(6) auf, der entsprechend schlank und leichtgewichtig ausgebildet ist
und eine niedrige Federkonstante aufweist. Die Hinterarme (7)
können
biegesteif zur Aufnahme und Übertragung
der Antriebskräfte
ausgebildet sein.
-
An
den Zangenarmen (4, 5) sind an deren Endbereich
und z.B. in der Nähe
der Elektroden (11, 12) jeweils ein oder mehrere
Massenansammlungen oder Massenkonzentrationen angeordnet, die nachfolgend
als Zusatzmassen (15, 16) bezeichnet werden. Die
Zusatzmassen (15, 16) können in Zustellrichtung (28)
der Elektroden (11, 12) unmittelbar hinter den
Elektroden (11, 12) angeordnet sein. Sie können alternativ
weiter entfernt angeordnet sein.
-
Es
ist günstig,
wenn zwischen den Elektroden (11, 12) und der
zugeordneten Zusatzmasse (15, 16) eine steife
Verbindung besteht. Insbesondere können die Elektroden (11, 12)
und die zugehörigen Zusatzmassen
(15, 16) in Zustellrichtung (28) im wesentlichen
fluchtend hintereinander liegen und durch ein abgewinkeltes und
in Zustellrichtung (28) sich erstreckendes Kopfteils des
Vorderarms (6) miteinander verbunden sein.
-
Die
Zusatzmassen (15, 16) können ggf. gelöst, gewechselt
oder verändert
werden und bestehen z.B. aus anmontierbaren Platten oder anderen Gewichtsteilen.
Alternativ können
die Zusatzmassen (15, 16) in die Vorderarme (6)
integriert und als Massenvergrößerungen,
z.B. Armverdickungen oder dergleichen, im Bereich der Elektroden
(11, 12) gestaltet sein. Auch die Masse der Elektroden
kann vergrößert sein,
um die Zusatzmasse (15, 16) zu bilden.
-
Die
Größe der Zusatzmassen
(15, 16) ist wählbar.
Ihre Masse kann insbesondere gleich oder größer als die Masse der Vorderarme
(6) sein. Die Massenverteilung wird z.B. derart gewählt, dass
der resultierende Massen-Schwerpunkt (26) in der Nähe der Elektroden
(11, 12) liegt. Der Schwerpunkt (26) befindet
sich insbesondere im Bereich zwischen. der geometrischen Mitte (27)
der Vorderarme und den Elektroden (11, 12).
-
Die
Schweißzange
(3) bildet mit ihren federelastischen Vorderarmen (6)
und den Zusatzmassen (15, 16) ein Feder-Masse-Schwingsystem
(25) zur Bewegung der Elektrode (11, 12),
wie es in 6 als Prinzipschaltbild dargestellt
ist.
-
Die
Massengröße der Zusatzmassen
(15, 16) und der Vorderarmmassen sowie die Federkonstanten
der Vorderarme (6) werden derart aufeinander abgestimmt,
dass die Resonanzfrequenz des Schwingsystems kleiner als bei normalen
steifen Schweißzangen
ist, wie sie z.B. zum elektrischen Punktschweißen eingesetzt werden. Es wird
eine Resonanzfrequenz von weniger als 1000 Hz angestrebt. Günstig ist
eine Resonanzfrequenz von weniger als 500 Hz, vorzugsweise weniger
als 200 Hz. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Abstimmung von
Massen und Federkonstanten so gewählt, dass die Resonanzfrequenz
im Bereich zwischen 5 und 100 Hz liegt. In die Berechnungsformel
der Resonanzfrequenz gehen Federkonstante und Masse als Wurzel aus
der Division von Federkonstante durch Masse ein.
-
Die
Federkonstante der Vorderarme (6) wird andererseits so
groß gewählt, dass
die benötigte
Anpresskraft der Elektroden (11, 12) am Werkstück (14) aufgebracht
werden kann.
-
Beim
Impulsschweißen,
insbesondere beim Kondensatorentladungsschweißen, erfolgt der Schweißvorgang
innerhalb weniger Millisekunden. Sowohl die Erwärmung als auch die Abkühlung und die
damit verbundene Erweichung sowie das Einsinken der Schweißteile oder
Werkstücke
(14) (Plastifizierung der Buckel oder Vorsprünge) erfolgt
ebenfalls in dieser zeitlichen Größenordnung. Für die Qualität der Schweißung ist
eine Abstimmung des zeitlichen Verlaufs des Einsinkvorgangs zur
Temperaturentwicklung und Erweichung günstig. Beim Schließen der
Schweißzange
(3) werden die Elektroden (11, 12) mit
Kraft gegen die Werkstücke
(14) gepresst, wobei die Vorderarme (6) federnd
gespannt werden. Beim Erweichen der Schweißstelle und beim Plastifizieren der
Buckel folgen die Elektroden (11, 12) durch diese Federspannung
der Erweichung und Annäherung der
Werkstücke
(14) in einer Nachsetzbewegung. Durch die niedrige Federkonstante
und die Massenerhöhung über die
Zusatzmassen (15, 16) wird erreicht, dass die
Elektroden (11, 12) dem Erweichungsvorgang nicht
zu schnell folgen, sondern mit einem bestimmten Zeitverlauf und
einer Verzögerung,
welche der Erweichung des Materials entspricht.
-
Günstig wirkt
sich außerdem
die Massenkonzentration im Bereich der Elektroden (11, 12)
aus. Dies führt
zu einer großen
Massenträgheit
im Elektrodenbereich, die ein Zurückprellen der Elektroden (11, 12)
verhindert und die Elektrodenanpresskraft aufrecht erhält. Dies
ist insbesondere beim Anlegen des Impulsstroms vorteilhaft und wirkt
dem oder den Werkstück(en)
(14) dämpfend
entgegen.
-
2 zeigt
eine Variante der Schweißzange (3)
und der Gestaltung der Vorderarme (6). In dieser Variante
sind die Zusatzmassen (15, 16) an Elektrodenhaltern
(13) lösbar
oder ggf. verstellbar befestigt. Die Elektrodenhalter (13)
tragen die Elektroden (11, 12) und erstrecken
sich im wesentlichen in Zustellrichtung (28) der Elektroden
bzw. in Schließrichtung der
Zange (3) und haben vorzugsweise eine hohe Steifigkeit.
Die Vorderarme (6) können
zusätzliche Federelemente
zur Herabsetzung der Federkonstante aufweisen. 2 zeigt
hierfür
eine Gestaltungsmöglichkeit,
wobei der Frontbereich der Vorderarme (6) jeweils aus zwei
oder mehr dünnen
und federelastischen Auslegern (8) besteht, die parallel
zueinander angeordnet und im wesentlichen quer zur Zustellrichtung
(28) bzw. der Zangenschließrichtung ausgerichtet sind.
Die Ausleger (8) sind am frontseitigen Ende mit den Elektrodenhaltern
(13) und am rückwärtigen Ende
mit dem hinteren Vorderarmbereich verbunden und bilden eine Parallelogrammanordnung
(9), die einem Parallelogramm-Lenkermodell entspricht.
Hierdurch werden Winkelfehler und ein Versatz der Elektroden (11, 12)
durch die elastische Verbiegung der Vorderarme (6) gemindert
oder vermieden. Die Elektroden (11, 12) bewegen
sich im Annäherungs-
und Kontaktbereich zu den mittig und etwa auf Gelenkhöhe angeordneten
Werkstücken
(14) im wesentlichen entlang einer geraden Zustellbahn,
die z.B. im wesentlichen senkrecht zur beaufschlagten Werkstückoberfläche verlaufen
kann.
-
Wie 3 verdeutlicht,
wird für
die Stromzuführung
von der Schweißstromquelle
(2) zu den Elektroden (11,12) oder zu
geeigneten Kontakten (24) an den elektrisch leitenden Vorderarmen
(6) eine flexible und vorzugsweise induktionsarme Leitung
(20) verwendet. Die Bildung von induktiven Leiterschleifen wird
bei der in einem Strang geführten
Leitung (20) vermieden. In der Leitung (20) laufen
die Kabel (21, 22) parallel und in enger Nachbarschaft,
wobei sie außenseitig
von einer stabilisierenden Hülle
(23) umgeben sind, welche die stromführenden Kabel (21, 22)
gegen die durch die unterschiedliche Polung entstehenden elektromagnetischen
Abstoßkräfte zusammenhält. Die
Hülle (23)
besteht z.B. aus einem biegeelastischen und in Umfangsrichtung zugfesten Textilmaterial
und bildet durch ihre eng umschließende Anlage eine Bandage für die Kabel
(21, 22).
-
Die
Leitung (20) kann zwei oder mehre Kabel (21, 22)
aufweisen. In 4 ist eine zweiadrige Variante
und in 5 eine vieradrige Variante dargestellt. Bei der
vieradrigen Variante sind die Kabel (21, 22) in
zwei Paaren mit vertauschter Polung übereinander angeordnet, wobei
sich gleiche Polungen in dieser Viereckanordnung diagonal gegenüber liegen. In
Abwandlung der gezeigten Ausführungsformen können mehr
als vier Kabel (21, 22) in einer Leitung (20)
vorhanden sein und z.B. in einer Ringform mit abwechselnder Polung
um einen Stützkern
herum angeordnet sein.
-
Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsformen
sind in verschiedener Weise möglich.
Zum einen können
die einzelnen Gestaltungsmerkmale der Ausführungsbeispiele beliebig miteinander
kombiniert oder vertauscht werden. Alternativ kann die Schweißzange (3)
als C-Zange ausgestaltet sein und einen ggf. abgewinkelten festen
Zangenarm sowie einen linear verschieblichen zweiten Zangenarm aufweisen.
Ferner ist es möglich,
einen der beiden Zangenarme (4, 5) starr anzuordnen
oder zu halten und nur den anderen Zangenarm zu bewegen. Variabel ist
zudem die konstruktive Gestaltung und die gebogene Form der Zangenarme
(4, 5). Die Zangenform muss auch nicht symmetrisch
sein. Auf Hinterarme (7) kann ggf. verzichtet werden, wobei
der Zangenantrieb am Gelenk oder an den Vorderarmen (6)
angreift.
-
Variabel
sind ferner die Gestaltungsmöglichkeiten
für die
Elektroden (11, 12), die z.B. schräg gegen
die Werkstücke
(14) angestellt werden können. Die Massenkonzentration
im Elektrodenbereich kann auch durch eine Erhöhung der Elektrodenmasse oder
Masse der Elektrodenhalter (13) erfolgen, wobei auf separate
und zusätzliche
Massenkörper
verzichtet oder deren Umfang gemindert werden kann.
-
- 1
- Schweißeinrichtung
- 2
- Schweißstromquelle
- 3
- Zustelleinrichtung,
Schweißzange
- 4
- Zangenarm
- 5
- Zangenarm
- 6
- Vorderarm
- 7
- Hinterarm
- 8
- Ausleger,
Federarm
- 9
- Parallelogrammanordnung
- 10
- Gelenk
- 11
- Elektrode
- 12
- Elektrode
- 13
- Elektrodenhalter
- 14
- Werkstück
- 15
- Zusatzmasse
- 16
- Zusatzmasse
- 17
- Schweißstation
- 18
- Manipulator,
Roboter
- 19
- Hand,
Roboterhand
- 20
- Leitung,
Stromleitung
- 21
- Kabel
- 22
- Kabel
- 23
- Hülle
- 24
- Kontakt
- 25
- Feder-Masse-Schwinger
- 26
- Schwerpunkt
- 27
- geometrische
Mitte
- 28
- Zustellrichtung
- F
- Schließkraft