DE202006016484U1

DE202006016484U1 - Bolzenschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE202006016484U1
Application number: DE200620016484
Authority: DE
Original assignee: AU TECH GmbH
Current assignee: AU TECH GmbH
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2016-10-25
Also published as: DE102007050476A1

Abstract

Vorrichtung zum Bolzenschweißen, umfassend ein Andrucksystem (5) mit einem Kolben (3) zum Anpressen eines in einem Halter (14) gehaltenen Schweißelementes (15) an ein Werkstück (16), dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) so ausgebildet ist, dass es
– die Anspresskraft des Schweißelementes (15) an das Werkstück (16) beim Kondensatorentladungsschweißen im Kontaktverfahren erzeugt,
– die Kraft zur Beschleunigung und Bewegung des Schweißelementes (15) in Richtung Werkstück (16) beim Kondensatorentladungsschweißen im Spaltverfahren erzeugt,
– die Kraft zur Beschleunigung und Bewegung des Schweißelementes (15) in Richtung Werkstück (16) beim Hubzündungsschweißen und Kurzzelt-Hubzündungsschweißen erzeugt,
wobei die erzeugte Kraft des elektromagnetischen Andrucksystems (5) elektrisch oder elektronisch einstellbar und veränderbar ist und somit der Kraft/Zeit-Verlauf bzw. der Weg/Zeit-Verlauf dem gewählten Schweißverfahren angepasst wird.

Description

Technisches Umfeld
Die Erfindung betrifft eine Bolzenschweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Beim Bolzenschweißen wird zwischen Kondensatorentladungsschweißen mit Spitzenzündung und Hubzündungsschweißen unterschieden. Bei beiden Verfahren gibt es zusätzliche Unterscheidungen beim Ablauf des Schweißvorgangs.
Kondensatorentladungsschweißen
Hierbei wird zwischen den zwei Unterverfahren Kontaktschweißen und Spaltschweißen unterschieden.
Beim Kontaktschweißen wird die Zündspitze des Schweißelementes mittels einer starken, in der Schweißvorrichtung eingebauten Druckfeder auf das Werkstück gepresst, um einen Schweißstromkreis herzustellen. Das anschließende "Zuschalten" der geladenen Kondensatoren bewirkt das Verdampfen der Zündspitze, wodurch der Entladungslichtbogen zündet. Nach sehr kurzer Zeit, ca. 1–3 Millisekunden, taucht das Schweißelement durch die einwirkende Federkraft in das Schmelzebad ein und der Schweißvorgang ist abgeschlossen.
Für dieses Schweißverfahren werden sogenannte Kontakt-Pistolen oder Kontakt-Schweißköpfe verwendet. Die bekannten Vorrichtungen erzeugen die Anpresskraft durch eine mechanisch verstellbare Vorspannung einer Druckfeder.
Das Spaltschweißen unterscheidet sich dadurch, dass das Schweißelement um ein bestimmtes Maß vom Werkstück abgehoben wird, um dann, beschleunigt durch Federkraft, mit hoher Geschwindigkeit auf der Werkstückoberfläche aufzutreffen. Der Schweißstromkreis schließt sich, wenn die Zündspitze die Werkstückoberfläche berührt. Die Zündspitze verdampft und zündet den Entladungslichtbogen. Nach sehr kurzer Zeit, ca. 0,5–2 Millisekunden, taucht das Schweißelement in das Schmelzebad ein und der Schweißvorgang ist abgeschlossen.
Für dieses Schweißverfahren werden sogenannte Spalt- oder Hub-Pistolen bzw. Spalt- oder Hub-Schweißköpfe (nachfolgend Vorrichtung genannt) verwendet. Um das Schweißelement vom Werkstück abzuheben, wird ein in der Vorrichtung eingebauter Elektromagnet bestromt. Durch die Abhubbewegung wird eine bereits leicht vorgespannte Druckfeder weiter zusammengedrückt. Dadurch erhöht sich die zur Beschleunigung notwendige Kraft. Wird der Elektromagnet abgeschaltet, erzeugt die Druckfeder die Beschleunigung und dadurch die Bewegung des Schweißelementes in Richtung Werkstück. Die Größe des Abhubes, auch Spalt genannt, wird durch einen mechanisch verstellbaren Anschlag bestimmt. Nur eine geringe Anzahl der bekannten Vorrichtungen verfügt über eine zusätzliche Einstellmöglichkeit für die Federkraft.
Für die beiden unterschiedlichen Schweißverfahren beim Kondensatorentladungsschweißen werden derzeit zwei verschiedene Pistolen- oder Schweißkopf-Ausführungen benötigt und verwendet.
Auch sind keine Bolzenschweißpistolen oder Bolzenschweißköpfe bekannt, mit denen ohne Änderungen an Mechanik oder Elektrik sowohl Kontaktschweißen als auch Spaltschweißen durchgeführt werden kann.
Hubzündungsschweißen
Beim Hubzündungsschweißen wird zwischen Kurzzeit-Hubzündung und normalem Hubzündungsschweißen unterschieden.
Die beiden Verfahren unterscheiden sich lediglich in der Zeitdauer des Schweißvorgangs und im Anwendungsbereich. Das Schweißelement besitzt keine Zündspitze und wird mittels einer in der Schweißvorrichtung eingebauten Druckfeder auf das Werkstück gepresst, um einen Schweißstromkreis herzustellen. Der Schweißstrom wird eingeschaltet und gleichzeitig das Schweißelement um ein bestimmtes Maß vom Werkstück abgehoben, wodurch sich der Lichtbogen aufbaut. Das Maß des Abhubes, d.h. der Abstand zwischen Werkstück und Schweißelement, bestimmt die Schweißparameter Lichtbogen-Spannung und -Strom, wobei Differenzen im 1/10 mm-Bereich das Schweißergebnis beeinflussen können. Nach einer vorbestimmten Lichtbogenbrennzeit wird der Schweißstrom abgeschaltet und das Schweißelement in das Schmelzebad gedrückt. Bei bekannten Schweißvorrichtungen, die für dieses Verfahren verwendet werden, erfolgt das Abheben mittels Elektromagneten. Nach der vorbestimmten Brennzeit wird der Magnet abgeschaltet und das Schweißelement durch die Kraft einer in der Vorrichtung eingebauten Druckfeder in das Schmelzebad gedrückt.
Für das Verfahren Kurzzeit-Hubzündung werden spezielle Schweißelemente mit eingeengten Längentoleranzen angeboten. Aus diesem Grund finden in der Praxis häufig baugleiche Ausführungen von Schweißvorrichtungen Verwendung, wie sie auch für das Kondensator-Entladungsschweißen beim Spaltschweißen benutzt werden.
Die Längentoleranzen von Schweißelementen für das normale Hubzündungsschweißen sind dagegen wesentlich größer. Daher sind spezielle Hubzündungs-Schweißvorrichtungen mit aufwändigen mechanischen Systemen ausgestattet, um die Längendifferenzen auszugleichen. Der Grund liegt darin, dass auch diese Schweißvorrichtungen zum Abheben in der Regel einen Elektromagneten verwenden, wobei der benötigte Abhubweg durch einen mechanischen Anschlag bestimmt wird. Einige Ausführungen dieser speziellen Hubzündungsvorrichtungen verfügen zusätzlich über ein mechanisches Dämpfungssystem, um die Eintauchgeschwindigkeit des Schweißelementes in das Schmelzebad zu reduzieren und/oder ein Zurückgrellen zu dämpfen oder zu verhindern.
Es sind neuere Hubzündungsschweißvorrichtungen, vornehmlich Schweißköpfe bekannt, die mit sogenannter Servotechnik, d.h. Elektromotoren mit Rückführungssystem und Lageregelung, ausgestattet sind. Sie sind geeignet, präzise Bewegungen einschließlich automatischem Längenausgleich auszuführen. Ihr Nachteil sind eine aufwändige und kostenintensive Mechanik sowie hohe Trägheit auf Grund der größeren bewegten Massen. Sie sind daher nicht für das Verfahren Spaltschweißen beim Kondensatorentladungsschweißen geeignet.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der alle der eingangs beschriebenen Schweißverfahren durchführbar sind. Sie sollte so gestaltet sein, dass sie sowohl in Schweißpistolen als auch in Schweißköpfen gleichermaßen einsetzbar ist und die Funktionalität der verschiedenen, vorbeschriebenen Schweißvorrichtungen in einer einzigen Vorrichtung vereint.
Lösung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiel
In der einzigen Figur ist im Schnitt eine Schweißpistole dargestellt, die mit der multifunktionalen Vorrichtung ausgerüstet ist. Diese kann sowohl in Schweißpistolen als auch in Schweißköpfen verwendet werden.
Ein Pistolengehäuse 1 mit Kolbenführung 2 dient als Aufnahme der Vorrichtung, bestehend aus elektromagnetischem Andrucksystem 5, elektromagnetischem Abhubsystem 6, Anker 7, Spindel 8, Mitnehmer 9 und Feder 4, z. B. Kegelfeder.
Der Kolben 3 ist über ein Schweißstromkabel (nicht dargestellt) mit dem Schweißgerät (nicht dargestellt) verbunden und leitet den Schweißstrom über einen Bolzenhalter 14 zum Schweißelement 15.
Eine Steuerelektronik 12 mit einem Wegmeßsystem 11 steuert das Abhubsystem 6 und das Andrucksystem 5 und ist über eine Steuerleitung mit dem nicht gezeigtem Schweißgerät verbunden.
1. Kondensatorentladungsschweißen, Verfahren Kontaktschweißen
Um einen elektrischen Kontakt zwischen Werkstück und Schweißelement sicherzustellen, drückt die zwischen elektromagnetischem Andrucksystem 5 und Kolben 3 eingespannte Feder 4 mit einer geringen Kraft das im Bolzenhalter 14 gehaltene Schweißelement 15 gegen das Werkstück 16. Die Kraft beträgt nur einen Bruchteil der Anpresskraft bekannter Kontaktpistolen. Hierbei ist nach dem Ansetzen der Pistole an das Werkstück der Kolben 3 um ein für das Schweißelement spezifisches Maß in Richtung Andrucksystem 5 verschoben.
Der Schweißvorgang wird dadurch ausgelöst, dass die Kondensatoren „zugeschaltet" werden, um durch das Verdampfen der Zündspitze den Entladungslichtbogen zu zünden. Gleichzeitig erhält die elektronische Steuerung 12 vom Schweißgerät das elektrische Signal zum Einschalten des Andrucksystems 5. Das elektromagnetische Andrucksystem 5 erzeugt über den Anker 7 eine Kraft, die mittels einer Achse 17 auf den Kolben 3 übertragen wird und somit als Anpresskraft des Schweißelementes 15 gegen das Werkstück 16 wirkt. Entsprechend dem vom Schweißgerät über die Steuerleitung an die Pistolenelektronik übertragenen Parameter wird das Andrucksystem 5 von der Elektronik 12 so gesteuert, dass die gewünschte Kraft zum gewünschten Zeitpunkt ihren Maximalwert erreicht, um so das Schweißelement 15 in das entstandene Schmelzebad zu drücken. Hierbei werden die bauartbedingten und in der Steuerung 12 gespeicherten Kennwerte des induktivitätsbehafteten Andrucksystems und die Massenträgheiten der mechanischen Komponenten berücksichtigt.
Somit verfügt die Pistole über eine elektrisch/elektronisch steuerbare Kraft/Zeit-Kennlinie, um den optimalen Einsatzpunkt der Anpresskraft für den Schweißvorgang zu bestimmen.
Zusätzlich kann mit dem Wegmeßsystem 11 vor der Auslösung des Schweißvorgangs der Eindrückweg des Kolben 3 überwacht werden, um fehlerhafte, zu lange oder zu kurze oder nicht richtig eingesetzte Schweißelemente zu erkennen. Gegebenenfalls kann dann die Auslösung des Schweißvorgangs verhindert werden.
2. Kondensatorentladungsschweißen, Verfahren Spaltschweißen
Um einen elektrischen Kontakt zwischen Werkstück 16 und Schweißelement 15 sicherzustellen, drückt die zwischen elektromagnetisches Andrucksystem 5 und Kolben 3 eingespannte Feder 4 mit einer geringen Kraft das im Bolzenhalter 14 gehaltene Schweißelement 15 gegen das Werkstück 16. Die Kraft ist geringer als bei bekannten Spaltpistolen. Hierbei ist nach dem Ansetzen der Pistole an das Werkstück 16 der Kolben 3 um ein für das Schweißelement spezifisches Maß in Richtung Andrucksystem 5 verschoben.
Der Schweißvorgang startet, wenn die elektronische Steuerung 12 vom Schweißgerät das elektrische Signal zum Einschalten des elektromagnetischen Abhubsystems 6 erhält. Der Anker 7 zieht über die Achse 17 den Kolben 3 und den Bolzenhalter 14 mit dem Schweißelement 15 in Richtung der Spindel 8. Die Spindel 8 wird über den Mitnehmer 9 und die Kappe 10 axial im Abhubsystem 6 verstellt und definiert somit den gewünschten Abhubweg. Nach einer vorgegebenen Zeit schaltet die Steuerung 12 das Abhubsystem 6 aus. Gleichzeit schaltet das Schweißgerät den Strompfad der Kondensatoren ein und übermittelt der Steuerung 12 das Signal zum Einschalten des elektromagnetischen Andrucksystems 5. Das Andrucksystem 5 erzeugt nun eine Kraft, die den Anker 7, den damit mittels der Achse verbundenen Kolben 3 und somit den Bolzenhalter 14 und das Schweißelement 15 in Richtung Werkstück 16 beschleunigt. Der Schweißstromkreis schließt sich, wenn die Zündspitze des Schweißelementes 15 die Werkstückoberfläche 16 berührt. Die Zündspitze verdampft und zündet den Entladungslichtbogen.
Bei der elektrischen Steuerung des Bewegungsablaufes werden die bauartbedingten und in der Steuerung 12 hinterlegten Kennwerte des induktivitätsbehafteten Abhubsystems 6 und die des Andrucksystems 5 und die Massenträgheiten der mechanischen Komponenten berücksichtigt. Hierbei werden der Stromfluß durch die beiden Magnetsysteme und somit die jeweils erzeugten Kräfte unabhängig voneinander elektrisch/elektronisch gesteuert, um den Bewegungsablauf optimal an die Schweißaufgabe anzupassen. Somit verfügt die neue Pistole über eine elektrisch/elektronisch steuerbare Kraft/Zeit- und Kraft/Weg-Kennlinie, um den optimalen Bewegungsablauf und Einsatzpunkt der benötigten Kräfte für dieses Schweißverfahren zu bestimmen.
3. Kurzzeit-Hubzündungsschweißen
Der Steuerungs- und Bewegungsablauf entspricht dem Verfahren Spaltschweißen beim Kondensatorentladungsschweißen.
Der Unterschied besteht darin, dass das Schweißgerät den Schweißstrom zum gleichen Zeitpunkt einschaltet, zu dem auch das Steuersignal zum Abheben an die Pistole gegeben wird. Das Abhubsystem 6 wird hierbei so gesteuert, dass ein „weiches" Abheben erfolgt, um ein Abreißen des Lichtbogens zu vermeiden. Die Zeit bis zum Abschalten des Abhubsystems bestimmt die Lichtbogenbrennzeit.
4. Normales Hubzündungsschweißen
Der Steuerungs- und Bewegungsablauf entspricht dem Verfahren Spaltschweißen beim Kondensatorentladungsschweißen.
Der Unterschied besteht darin, dass das Schweißgerät den Schweißstrom zum selben Zeitpunkt einschaltet, zu dem auch das Steuersignal zum Abheben an die Pistole gegeben wird. Das Abhubsystem 6 wird hierbei so gesteuert, dass ein „weiches" Abheben erfolgt, um ein Abreißen des Lichtbogens zu vermeiden. Die Zeit bis zum Abschalten des Abhubsystems bestimmt die Lichtbogenbrennzeit.
Durch ein gleichzeitiges und gegensinniges Ansteuern von Abhubsystem 6 und Andrucksystem 7 kann in Verbindung mit dem Wegmeßsystem 11 eine einstellbare Dämpfung realisiert werden, um die Eintauchgeschwindigkeit des Schweißelementes 15 in das Schmelzebad zu reduzieren und/oder ein Zurückgrellen zu dämpfen oder zu verhindern.
5. Das Wegmeßsystem
Die Funktionen des Wegmeßsystems 11 stehen allen Schweißverfahren zu Verfügung und werden entsprechend dem gewählten Verfahren eingesetzt.
Bei allen Verfahren kann mit dem Wegmeßsystem 11 vor der Auslösung des Schweißvorgangs der Eindrückweg des Kolbens 3 überwacht werden, um fehlerhafte, zu lange oder zu kurze oder nicht richtig eingesetzte Schweißelemente zu erkennen. Gegebenenfalls kann dann die Auslösung des Schweißvorgangs verhindert werden.
Beim Spaltschweißen und allen Hubzündungsverfahren kann mit dem Wegmeßsystem 11 die korrekte Funktion des Abhubsystems 6 überwacht werden. Gegebenenfalls kann dann die Auslösung des Schweißvorgangs verhindert werden.
Beim Hubzündungsschweißen bilden Abhubsystem 6, Wegmeßsystem 11 und Pistolenelektronik 12 einen Regelkreis, mit dem der Abhubweg auf einen vorgegebenen Sollwert ausgeregelt wird. Dadurch entfallen die aufwändigen mechanischen Längenausgleichssysteme herkömmlicher Hubzündungspistolen.
Eine weitere Funktion des Wegmeßsystems 11 ist die Ermittlung eines Weg/Zeit-Diagramms zur vollständigen Überwachung des Bewegungsablaufes während des Schweißvorgangs.

1: Pistolengehäuse
2: Kolbenführung
3: Kolben
4: Druckfeder
5: elektromagnetisches Andrucksystem
6: elektromagnetisches Abhubsystem
7: Anker
8: Spindel
9: Mitnehmer
10: Kappe
11: Wegmeßsystem
12: Elektronik/Steuerung
13: Stößel
14: Bolzenhalter
15: Schweißelement
16: Werkstück
17: Achse

Claims

Vorrichtung zum Bolzenschweißen, umfassend ein Andrucksystem (5) mit einem Kolben (3) zum Anpressen eines in einem Halter (14) gehaltenen Schweißelementes (15) an ein Werkstück (16), dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) so ausgebildet ist, dass es – die Anspresskraft des Schweißelementes (15) an das Werkstück (16) beim Kondensatorentladungsschweißen im Kontaktverfahren erzeugt, – die Kraft zur Beschleunigung und Bewegung des Schweißelementes (15) in Richtung Werkstück (16) beim Kondensatorentladungsschweißen im Spaltverfahren erzeugt, – die Kraft zur Beschleunigung und Bewegung des Schweißelementes (15) in Richtung Werkstück (16) beim Hubzündungsschweißen und Kurzzelt-Hubzündungsschweißen erzeugt, wobei die erzeugte Kraft des elektromagnetischen Andrucksystems (5) elektrisch oder elektronisch einstellbar und veränderbar ist und somit der Kraft/Zeit-Verlauf bzw. der Weg/Zeit-Verlauf dem gewählten Schweißverfahren angepasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elektromagnetisches Abhubsystem (6) für das Schweißelement (15), wobei die erzeugte Kraft des Abhubsystems (6) elektrisch oder elektronisch. einstellbar und veränderbar ist und somit der Kraft/Zeit-Verlauf bzw. der Weg/Zeit-Verlauf dem gewählten Schweißverfahren angepasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abhubsystem (6) und das Andrucksystem (5) durch gezielte Steuerung gegeneinander arbeiten und somit die Kraftwirkung eines Systems durch das entgegengesetzte System beeinflusst wird, wodurch eine einstellbare Dämpfung der axialen Bewegung des Kolbens (3) erreicht wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein eingebautes oder angebautes Wegmeßsystem (11) zur Erfassung und Überwachung von Abhubweg, Eintauchweg, Weg/Zeit-Verläufen und/oder Weg/Geschwindigkeits-Verläufen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegmeßsystem (11) zusammen mit dem Abhubsystem (6) und einer elektrischen oder elektronischen Steuerung (12) einen Regelkreis bildet, der zur Einstellung eines frei wählbaren Wertes für den Abhubweg verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) und/oder das elektromagnetische Abhubsystem (6) als Joch/Anker-System ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichent, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) und/oder das elektromagnetische Abhubsystem (6) aus einer stromdurchflossenen Zylinderspule besteht, die in einem zylinderringförmigen, elektrisch erzeugten Magnetfeld angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) und/oder das elektromagnetische Abhubsystem (6) in einer Einheit zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) und das elektromagnetische Abhubsystem (6) in einer Einheit zusammengefasst sind und die Zylinderspule und/oder das zylinderringförmige Magnetfeld nur einfach vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Andrucksystem (5) und das elektromagnetische Abhubsystem (6) in entgegengesetzter Weise montiert sind und auf einen dementsprechend zweigeteilten Anker wirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichent durch eine auf den Kolben (3) wirkende Feder (4) mit progressiver Weg/Kraft-Kennlinie, die die gewöhnlich nichtlineare Weg/Kraft-Kennlinie des elektromagnetischen Abhubsystems (6) annähernd kompensiert und somit die Schwingungsneigung des Lage-Regelkreises verringert.