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Die
Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung
zum elektrischen Impulsschweißen
von Werkstücken
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Aus
der Praxis sind elektrische Impulsschweißeinrichtungen in Form von
Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtungen
bekannt, die zum Schweißen
von Werkstücken,
insbesondere von dünnwandigen
Blechen, Buckel in zumindest einem Blech für die Stromkonzentration benötigen. In
Blechen werden derartige Buckel durch Bauteilverformung eingebracht.
Um beim Impulsschweißen
mit den zugestellten und beidseits an die Werkstücke angepressten Elektroden
die Buckel nicht übermäßig zu verformen,
wird bei 1 mm dicken Stahlblechen mit Elektrodenanpresskräften von
ca. 1 kN gearbeitet. Die Elektroden haben stirnseitig Kontaktflächen zur Anlage
an den Werkstücken
und zur Einleitung des Schweißstromimpulses
mit einer Flächengröße von ca.
400 mm2. In der Praxis hat das Kondensatorentladungsschweißen das
Problem, dass eine aufwändige
Bauteilvorbereitung erforderlich ist, die einen entsprechend langen
zeitlichen Vorlauf benötigt. Kurzfristige Änderungen
der Schweißvorgaben
sind dadurch nicht möglich.
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Aus
der
DE 197 29 968
C1 ist es bekannt, eine Elektrode um die Elektrodenlängsachse
drehbar zu lagern, um die beiden Fügepartner oder Bleche während des
Schweißstromflusses
relativ gegeneinander drehen zu lassen. Über die Drehbewegung der Elektrode
soll der eine Fügepartner
formschlüssig mitgenommen
und gedreht werden.
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Die
DE 35 04 721 C2 befasst
sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Schweißen von gewickelten
Magnetkernen.
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Die
DE 201 13 032 U1 zeigt
eine CD-Schweißmaschine
mit einem Doppel-C-Gestell und einem Elektrodenpaar. Die Elektroden
haben die übliche
zylindrische Form, wobei über
deren Abmessung und die Größe der Elektrodenkontaktflächen keine
Angaben gemacht werden. Die bewegliche obere Elektrode hat lediglich
einen kleineren Durchmesser als die untere ortsfeste Elektrode.
Die Kontaktfläche
der oberen Elektrode ist nicht abgesetzt und hat die übliche Größe.
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Die
Literaturstelle: DVS-Merkblätter
Widerstandsschweißtechnik
zeigt in den Bilddarstellungen verschiedene Formen von Punktschweiß-Elektroden, bei
denen die Kontaktfläche
zum Werkstück
kleiner als der Elektrodenschaft ist. Größenangaben zu Durchmesser oder
Flächengröße der Kontaktfläche werden
nicht gemacht.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Schweißtechnik
aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
Verkleinerung der Kontaktflächen
von mindestens einer oder auch mehrerer Elektroden hat den Vorteil,
dass hierdurch ein elektrisches Impulsschweißen von plan aufeinander liegenden
Werkstücken
möglich
ist. Auf die bisher zum Impulsschweißen erforderlichen Schweißbuckel
kann verzichtet werden. Alternativ können Buckel vorhanden sein, sind
aber nicht mehr unbedingt erforderlich. Die zur Erwärmung der
Werkstücke
an der Fügestelle
günstige
Einschnürung
der Schweißstroms
kann durch die kleine Kontaktfläche
oder Stromübergangsfläche erreicht
werden. Die beanspruchte Schweißtechnik hat
vor allem in Verbindung mit dem Kondensatorentladungsschweißen (nachfolgend
CD-Schweißen) Vorteile.
Die Werkstücke
können
als dünnwandige Bleche
ausgebildet sein. Durch die plane Kontaktlage der Werkstücke bzw.
Bleche kann außerdem
mit höheren
Elektrodenanpresskräften
von z.B. ca. 4 kN (z.B. 1 mm dicke Stahlbleche) gearbeitet werden.
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Besondere
Vorteile bestehen bei Werkstücken
oder Blechen aus metallischen Werkstoffen mit Oxidoberflächen. Die
an den Kontaktstellen zwischen den Blechen bestehende Oxidschicht
erhöht den Übergangswiderstand
und sorgt für
eine Temperaturerhöhung,
die für
die Schweißung
günstig
ist. Die an den außen
liegenden Werkstückoberflächen befindliche
Oxidschicht kann vor oder während
des Schweißvorgangs
entfernt werden, wodurch der Stromübergang von den Elektroden
auf die Werkstücke
verbessert wird. Die Schweißeeinrichtung
kann hierfür
eine Dreheinrichtung oder dergl. aufweisen, mit der über eine
Bewegung der angepressten Elektroden die Oxidschicht zerstört und entfernt
werden kann.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
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1:
eine Schweißeinrichtung
mit zwei plan aufeinander liegenden Werkstücken in Seitenansicht,
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2:
eine alternative Paarung von Elektroden und Werkstücken,
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3 und 4:
alternative Ausgestaltungen einer Elektrode und
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5 bis 7:
verschiedene Formgebungsvarianten der Elektrodenkontaktfläche.
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Die
Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung
(1) und ein Verfahren zum elektrischen Impulsschweißen von
Werkstücken
(12, 13). Die elektrischen Schweißimpulse
werden durch einen stoßweisen
Entladungsvorgang erzeugt. In der gezeigten und bevorzugten Ausführungsform
ist die Schweißeinrichtung
(1) als Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung ausstaltet, die
nachfolgend abgekürzt
als CD-Schweißeinrichtung
bezeichnet wird. Der Schweißstromimpuls
wird hierbei durch die Entladung eines Kondensators oder einer Kondensatorbatterie
erzeugt. Alternativ kann ein anderes elektrisches Energiespeicherelement
entladen werden.
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Die
Werkstücke
(12, 13) sind z.B. in der gezeigten Ausführungsform
als dünnwandige
Metallbleche ausgebildet, die aus beliebigen metallischen Werkstoffen,
z.B. Stahl, Leichtmetalllegierungen oder dgl. bestehen können.
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Vorteilhaft
sind z.B. Leichtmetallbleche, insbesondere Aluminiumbleche. Die
Blechstärken
liegen z.B. bei ca. 1,5 mm und niedriger. Die Bleche (12, 13)
können
an der Oberfläche
eine Oxidschicht aufweisen.
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Bei
der nachfolgend beschriebenen elektrischen Impulsschweißtechnik
können
die Werkstücke (12, 13)
im Fügebereich
und ggf. auch in anderen Bereichen plan aufeinander liegen. Auf
die beim CD-Schweißen
bislang üblichen
Buckel im Fügebereich
kann verzichtet werden. Für
die Bereitstellung und Positionierung der Werkstücke (12,13)
zum Schweißen
kann eine in 1 schematisch angedeutete Halteeinrichtung
(14) vorhanden sein.
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Die
Schweißeinrichtung
(1) ist in der Ausführungsform
von 1 als CD-Schweißeinrichtung ausgebildet und
besitzt ein Gestell (3), welches z.B. als stationäres ständerartiges
und C-förmiges
Gestell ausgebildet ist. Alternativ kann das Gestell (3)
instationär
und z.B. als bewegliche Schweißzange (X-Zange
oder C-Zange) ausgestaltet sein. Eine solche Schweißzange kann
manuell geführt
oder mit der Hand eines Manipulators, insbesondere eines mehrachsigen
Industrieroboters, verbunden werden.
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Die
Schweißeinrichtung
(1) besitzt eine elektrische Stromquelle (2) zur
Erzeugung des elektrischen Impulsstroms. Dies ist z.B. eine Kondensatorentladungs-Stromquelle (nachfolgend
CD-Stromquelle genannt). Die Stromquelle (2) ist mit zwei
oder mehr Elektroden (4, 5) verbunden, die mit
den Werkstücken
(12, 13) vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten in Kontakt
gebracht und an die Werkstücke
(12, 13) angepresst werden können.
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Die
CD-Stromquelle (2) kann an ein mehrphasiges Netz angeschlossen
sein. Die drei Netzphasen speisen über eine entsprechende dreiphasige
Thyristorschaltung spannungsgeregelt einen Netztransformator, der
die Netzspannung hochtransformiert, z.B. auf einen Wert von ca.
3 kV. Der Netztransformator ist über
ohmsche Widerstände
mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, über welche die Ladung einer
Kondensatorbatterie erfolgt. Die Kondensatorbatterie ist primärseitig
an einen Impulstransformator angeschlossen, an den sekundärseitig die
Elektroden (4, 5) angeschlossen sind. Die Kondensatorentladung
und die Bereitstellung des Schweißstromimpulses erfolgen, wenn
die Kondensatorbatterie auf einen vorparameterisierten Wert aufgeladen
ist und die zu verschweißenden
Werkstücke
(12, 13) über
die Elektroden (4, 5) mit einem voreingestellten
Druck zusammengepresst werden. Ein Auslöseimpuls einer Steuerung der
Schweißeinrichtung
(1) steuert den Thyristor an, wobei die in der Kondensatorbatterie
gespeicherte Energie stoßartig in
den Impulstransformator entladen wird. Dabei wird die primäre netzseitige
Hochspannung in eine sekundäre,
sehr viel niedrigere Spannung umgewandelt. Das Verhältnis der
primärseitigen
zur sekundärseitigen
Spannung ist durch das Übersetzungsverhältnis Ü des Sekundärtransformators
oder Impulstransformators zum Netztransformator bestimmt. Durch
den über
die Elektroden (4, 5) eingeleiteten Stromimpuls, der
z.B. eine Dauer von ca. 10 bis 30 ms hat, werden die Werkstücke (12, 13)
an der Fügestelle
und an der gegenseitigen Kontaktstelle teigig und gehen eine Schweißverbindung
ein. Die mit dem Schweißstromimpuls übertragene
Leistung kann sehr hoch sein und bis in den Megawatt-Bereich reichen.
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Zumindest
eine der beteiligten Elektroden (4, 5) der Schweißeinrichtung
(1) besitzt eine verkleinerte Kontaktfläche (10) für den Kontakt
zum Werkstück (12, 13)
und für
die Einleitung des Schweißstromimpulses.
Sie ist kleiner als beim konventionellen CD-Schweißen. Die
Flächengröße liegt
z.B. bei ca. 35 mm2 oder kleiner. Bevorzugt
wird eine Kontaktflächengröße von ca.
28 mm2 oder kleiner. Die Kontaktfläche (10)
oder Stromübergangsfläche kann
plan oder gewölbt
sein und ist z.B. quer zur Elektrodenlängsachse und zur Zustell- oder
Anpressrichtung ausgerichtet.
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Die
Kontaktfläche
(10) kann z.B. eine im wesentlichen kreisrunde Kontur haben
und besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von ca. 6 mm oder kleiner. 5 zeigt
eine solche Kontaktflächenform. Die
Kontaktfläche
(10) kann im Umriss alternativ prismatisch oder oval ausgebildet
sein. Sie kann hierbei gemäß 7 eine
im wesentlichen punktförmige
Gestaltung, hier als Sechseck, haben. Sie kann alternativ gemäß 6 auch
streifenförmig
oder balkenförmig
bzw. rechteckig ausgebildet sein. Hierbei kann sie in weiterer Variation
eine Wellenform besitzen. Bei einer länglichen Kontaktflächenform
sind die Längen- und Breitenabmessungen
auf die gewünschte Kontaktflächengröße abgestimmt.
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In
der Ausführungsform
von 1 haben die Elektroden (4,5)
gleich große
Kontaktflächen.
In der Variante von 2 sind die Kontaktflächen (10)
unterschiedlich groß,
wobei z.B. die eine und hier obere Elektrode (4) die besagte
kleine Kontaktfläche
(10) aufweist. Die untere Elektrode (5) hat eine
größere Kontaktfläche (10).
Die Elektroden (4, 5) können gleiche oder unterschiedliche
Umrissformen aufweisen.
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Die
Elektroden (4, 5) können in beliebiger Weise ausgebildet
sein. In den gezeigten Ausführungsformen
besitzen sie einen Elektrodenschaft (8), der z.B. eine
zylindrische Form hat. Stirnseitig und z.B. zentrisch ist am Elektrodenschaft
(8) ein verjüngter
bzw. verkleinerter Elektrodenkopf (9) mit der Kontaktfläche (10)
angeordnet und ragt über
das Schaftende vor. Der Übergang
vom Elektrodenschaft (8) auf den verjüngten Elektrodenkopf (9)
kann stufenförmig
abgesetzt oder konisch ausgebildet oder in beliebiger anderer Weise
gestaltet sein. 1 und 2 zeigen
abgestufte Formgebungen.
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In
der Variante von 3 hat der Elektrodenkopf (9)
eine hammerkopfartige längliche
Form und besitzt eine Kontaktfläche
(10), die z.B. gemäß 6 streifenförmig oder
rechteckig ausgebildet ist. Am Übergang
zum Elektrodenschaft (8) kann eine Verjüngung oder Einschnürung vorliegen.
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In
der Variante von 4 hat die Elektrode (4,5)
eine ggf. wechselbare Elektrodenkappe (11). In diesem Fall
besitzt der Elektrodenschaft (8) einen stirnseitigen zentralen
Vorsprung oder Zapfen, auf den die Elektrodenkappe (11)
mit einer Aufnahmeöffnung
aufgesteckt ist. Die Elektrodenkappe (11) bildet den Elektrodenkopf
(9) und besitzt eine stirnseitige Kontaktfläche (10),
die verrundet oder konisch verjüngt
sein kann. Über
die Rundung bzw. die Verjüngung
ergibt sich die gewünschte
kleine Kontaktflächengröße. Die
Elektrodenkappe (11) kann aus einem geeigneten Werkstoff,
z.B. einer Legierung mit Kupfer-Zirkonium, Wolfram oder Beryllium,
bestehen, die ein Anlegieren oder Ankleben am Werkstück (12, 13)
verhindert.
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Der
Elektrodenkopf (9) und der Elektrodenschaft (8)
können
stromleitend verbunden sein, wobei der Elektrodenschaft (8)
an die Stromquelle (2) angeschlossen ist. Alternativ kann
der Elektrodenkopf (9) an die Stromquelle (2)
angeschlossen sein. Die Elektroden (4, 5) können einteilig
ausgeführt sein.
Alternativ ist eine mehrteilige Ausführung möglich, wobei der Elektrodenkopf
(9) und der Elektrodenschaft (8) fest oder lösbar miteinander
verbunden sein können.
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Bei
der in 1 gezeigten Ständermaschine besitzt
die Schweißeinrichtung
(1) eine Zustelleinrichtung für eine oder mehrere Elektroden
(4, 5). Die Zustelleinrichtung kann in beliebiger
Weise ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform betätigt sie
die obere Elektrode (4), wobei die untere Elektrode (5)
am Gestell (3) ortsfest angeordnet ist. Die Zustelleinrichtung
besitzt z.B. eine mit einem entsprechenden steuerbaren Antrieb und
ggf. mit einer Nachsetzeinrichtung versehene Vorschubeinrichtung (7),
welche die Elektrode (4) in deren Längsrichtung an das Werkstück (12)
zustellt und mit der gewünschten
Kraft F anpresst. Die Elektrodenanpresskraft F kann höher als
beim CD-Schweißen
mit Schweißbuckeln
sein und über
z.B. 2 kN liegen. Sie kann z.B. ca. 4 kN betragen.
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Die
Zustelleinrichtung kann ferner eine Dreheinrichtung (6)
aufweisen, mit der die Elektrode (4) um ihre Längsachse
kontinuierlich oder reversierend bzw. oszillierend gedreht werden
kann. Diese Drehung kann unter Presskontakt der Kontaktflächen (10)
am Werkstück
(12) ausgeführt
werden und zerstört über Reibschluss
die dortige Oxidoberfläche
für die
Verbesserung des Stromübergangs.
Alternativ kann die Dreheinrichtung (6) als Rütteleinrichtung oder
dergl. ausgebildet sein, um die Oxidoberfläche auf andere Weise mechanisch
an der Fügestelle
zu zerstören
und zu entfernen.
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Die
Schweißeinrichtung
(1) besitzt eine geeignete Steuerung (nicht dargestellt)
an welche die Stromquelle (2) und die Zustelleinrichtung
mit ihren Komponenten angeschlossen sind.
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Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsformen
sind in verschiedener Weise möglich.
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Die
Elektroden können
in anderer Weise ausgebildet und angeordnet sein. Auch die Schweißeinrichtung
(1) und deren Komponenten, insbesondere das Gestell (3)
und die Zustelleinrichtung können
in anderer Weise gestaltet sein. Statt der Dreheinrichtung (6)
für die
Elektroden (4) kann eine Dreheinrichtung oder sonstige
Bewegungseinrichtungen für
die Bewegung der Werkstücke
(12, 13) bei angepressten Elektroden (4, 5)
vorhanden sein. Die Dreheinrichtung (6) kann auch entfallen.
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- 1
- Schweißeinrichtung,
CD-Schweißeinrichtung
- 2
- Stromquelle,
CD-Stromquelle
- 3
- Gestell
- 4
- Elektrode
- 5
- Elektrode
- 6
- Dreheinrichtung
- 7
- Zustelleinrichtung,
Vorschubeinrichtung
- 8
- Elektrodenschaft
- 9
- Elektrodenkopf
- 10
- Kontaktfläche, Stromübergangsfläche
- 11
- Elektrodenkappe
- 12
- Werkstück, Blech
- 13
- Werkstück, Blech
- 14
- Halteeinrichtung
- F
- Elektrodenanpresskraft