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Die
Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung zum Kondensatorentladungsschweißen
mit den Merkmalen im Oberbegriff im Hauptanspruchs.
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Aus
der Praxis sind stationäre Schweißeinrichtungen
zum Kondensatorentladungsschweißen bekannt. In einer Schweißstromquelle
wird die für den Schweißprozess benötige
Leistung erzeugt und in einem Kondensator gespeichert. Der Kondensator ist über
einen Transformator an eine stationäre Schweißzange
angeschlossen, die eine stationäre Elektrode und eine bewegliche
Elektrode mit einem Vorschubantrieb aufweist. Bei der Entladung
des Kondensators wird ein Stromimpuls mit hoher Spannung im Bereich
von mehreren Kilovolt und einer geringen Stromstärke an
den Transformator geleitet. Im Transformator wird der Impuls auf
eine sehr geringe Spannung von 10 V oder kleiner gewandelt, wobei eine
hohe Stromstärke entsteht. Die hierfür verwendeten
Impulstransformatoren sind groß und schwer. Sie weisen
ein Gewicht von über 200 kg auf. Für einen mobilen
Einsatz, z. B. an Robotern, sind solche Schweißeinrichtungen
nicht geeignet.
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Die
DE 20 2006 015 894
U1 offenbart eine mobile Punktschweißzange zum
elektrischen Impulsschweißen mit einer Impulsleistung einer
Kondensatorbatterie von ca. 8 kJ bei ca. 560 V und einer Impulsdauer
von 10 bis 20 ms.
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Aus
der
DE 10 2007
022 263 A1 ist eine mobile Punktschweißzange zum
elektrischen Impulsschweißen mit einer Impulsdauer zwischen
10 und 50 ms bekannt. Der Schweißtrafo weist im Netzbetrieb
einen Leistungsbereich von 120 bis 189 kVA auf, wobei die Spannungsamplitude über
eine Kondensator-Ladespannung bis maximal 500 V einstellbar ist.
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Die
DE 881 090 B befasst
sich mit einem Trafo zum Kondensatorentladungsschweißen,
dessen Sekundärwicklung die Primärwicklung nahezu
allseitig umschließt.
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Die
WO 08/131880 A1 und
US 5,276,296 A zeigen
andere Schweißzangen bzw. Werkzeughalter.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schweißeinrichtung
zum Kondensatorentladungsschweißen aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
Sekundärspannung am Impulstransformator kann zwischen 30
V und 100 V liegen, vorzugsweise zwischen 40 V und 60 V. Hierdurch
kann der zu verwendende Schweißtransformator kleiner und
leichter bauen, z. B. ca. 35 kg, wodurch er in eine mobile Schweißzange
integriert werden kann. Das Gewicht der gesamten Schweißzange
kann auf 125 kg oder weniger reduziert werden.
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Die
leichte Schweißzange ist zur mobilen Handhabung mit einem
Manipulator, z. B. einem Lastenausgleich oder einem Roboter besonders
geeignet. Durch das niedrige Zangengewicht können Manipulatoren,
insbesondere Roboter, mit geringer Tragfähigkeit von ca.
150 kg eingesetzt werden, welche kostengünstig und wendig
sind und wenig Bauraum beanspruchen. Die Schweißzange kann
dank des kleinen Impulstransformators kompakt bauen. Dies bietet
in Verbindung mit einem kleinen und schlanken Roboter ein breites
Feld von Einsatzmöglichkeiten, auch an komplizierten und
schwer zugänglichen Werkstücken mit z. B. innen
liegenden Schweißstellen.
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Die
Zangenarme können dank der Trafoauslegung eine große
Zangenausladung von 500 mm oder mehr aufweisen, wodurch auch Schweißpunkte an
schwer zugänglichen Stellen erreichbar sind.
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Die
Trafoauslegung ist für den mobilen Zangeneinsatz, insbesondere
an mehrachsigen Schweißrobotern günstig. Die Dauer
des Schweißimpulses kann sehr gering sein und unter 10
bis 15 ms, z. B. bei ca. 4 bis 5 ms, liegen. Für eine mobile Schweißzange
ist dies günstig, wobei die Vorteile des Kondensatorentladungsschweißens
auch bei mobilen, insbesondere robotergeführten Schweißzangen zum
Tragen kommen. Die kurze Bearbeitungsdauer mit hoher Energiedichte
in der Schweißzone hat vorteilhafte Auswirkungen auf die
Güte der Schweißstelle. Durch die kurze Einwirkung
des Schweißimpulses kann eine ungewollte Erwärmung
des Werkstücks und des Schweißwerkzeugs vermieden
werden und eine Kühlung der Schweißelektroden
und Zangenarme kann entfallen.
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Die
Primärspannung am Schweißtransformator kann hoch
sein und insbesondere im Bereich von ca. 3.000 V, vorzugsweise 3.000
V bis 3.500 V, liegen. Hierdurch kann die Schweißzange
mit dünnen und flexiblen Leitungen an eine Stromquelle
angeschlossen sein, was zu einer hohen Beweglichkeit der Schweißzange
führt. Die Schweißzange kann über einen
geeigneten Anschluss an einem Manipulator angebracht sein, z. B.
an einen mehrachsigen Roboter oder an einem Gewichtsausgleich zur
manuellen Zangenbedienung. Die dünnen und flexiblen Leitungen
erleichtern die behinderungsarme Handhabung der Schweißzange.
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Für
eine Schweißstromquelle mit der vorgenannten Abgabe- oder
Primärspannung von ca. 3.000 V, vorzugsweise 3.000 V bis
3.500 V ergeben sich ebenfalls technische und wirtschaftliche Vorteile. Auf
eine Zwischenschaltung von weiteren Transformatoren kann verzichtet
werden. Der Hochspannungsbereich ist außerdem günstig
für die Größe und Kapazität
der Kondensatorbatterie.
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Vorteilhaft
für das niedrige Zangengewicht sind weitere Ausgestaltungsmerkmale
von Zangenkomponenten. Das leichte konsolen- und rahmenartige Aluminium-Gestell
kann durch das Trafogehäuse gewichtssparend versteift werden.
Der Impulstransformator und der Massenschwerpunkt können
nahe am Roboteranschluss angeordnet sein. Auch die Ausgestaltung
der Zangenarme trägt zur Gewichtsreduzierung bei. Eine
Beschichtung mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit
als der Armwerkstoff ist hierbei in verschiedener Hinsicht günstig.
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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 einer Manipulationseinrichtung,
einer Schweißzange und einer Stromquelle in einer schematischen
Seitenansicht.
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2:
Eine Schweißzange in perspektivischer Darstellung
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3:
Eine Schweißzange in Seitenansicht
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4:
Eine Schweißzange in Draufsicht
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5:
Eine Schweißzange in Vorderansicht
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6:
Ein Schaltschema einer Schweißeinrichtung in Seitenansicht.
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Die
Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung (1)
zum Kondensatorentladungsschweißen, die zumindest aus einer
mobilen Schweißzange (5) mit einem mitgeführten
Impulstransformator (15) besteht. Die Schweißeinrichtung
(1) kann ferner eine Stromquelle (4) und einen
Manipulator (2) beinhalten. Die Erfindung betrifft insbesondere
die Schweißzange (5) mit dem integrierten Impulstransformator (15)
und dessen Auslegung.
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Die
mobile Schweißzange (5) ist in der dargestellten
und bevorzugten Ausführungsform als X-Zange ausgebildet
und ist bevorzugt zum Punktschweißen und Buckelschweißen
z. B. im Automotiv-Bereich oder Behälterbau geeignet. Sie
weist ein Gestell (7), zwei beweglich gelagerte Zangenarme (9, 10)
mit einem Zangenlager (20), mindestens zwei Elektroden
(13, 14), mindestens einen Antrieb (12) und
ggf. einen Zangenausgleich (11) auf. In die Schweißzange
(5) kann ein Impulstransformator (15) in einem
Gehäuse (16) integriert oder mit der Schweißzange
(5) verbunden sein. Mit dem Antrieb (12) werden
die Zangenarme (9, 10) mit den endseitigen Elektroden
(13, 14) geöffnet und geschlossen. Die
Schweißzange (5) kann modular aus wechselbaren
Teilen aufgebaut sein, wodurch sie an unterschiedliche Prozess-
und Einsatzerfordernisse angepasst werden kann.
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Die
Schweißzange (5) kann einen Anschluss (8)
zur Verbindung mit einem Manipulator (2) aufweisen. Dieser
kann z. B. ein Gewichtsausgleich für eine manuelle Handhabung
und Bedienung der Schweißzange (5) sein. Der Manipulator
(2) kann alternativ mehrere angetriebene rotatorische und/oder
translatorische Achsen in beliebiger Zahl und Achskombination aufweisen.
Er kann wie in der gezeigten Ausführung als Gelenkarmroboter
mit sechs oder mehr Achsen ausgebildet sein. Der Manipulator (2)
kann insbesondere eine mehrachsige Hand (3), z. B. eine
Roboterhand mit zwei oder drei Achsen und mit einem rotierenden
Abtriebsflansch zur Verbindung mit dem Anschluss (8) aufweisen.
Die manipulatorgeführte Schweißzange (5)
ist bevorzugt über eine flexible Leitung (6) mit
einer Impulsstromquelle (4) verbunden.
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Die
Impulsstromquelle (4) kann in der bevorzugten Ausführungsform
in der von stationären Schweißeinrichtungen bekannten
Art ausgeformt sein und weist einen oder mehrere Kondensatoren (19)
auf. Die Stromquelle liefert bei der Kondensatorentladung einen
Stromimpuls mit bestimmter Spannung und Impulsdauer. Die Abgabespannung
kann hoch sein und z. B. bei ca. 3.000 V liegen. Günstig
ist ein Spannungsbereich von ca. 2.500 v bis 3.500 V, bevorzugt
3.000 V bis 3.500 V.
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Die
Leitungen (6) führen den Stromimpuls zu der oder
den Primärwicklungen des von der Schweißzange
(5) mitbewegten Transformators (15). Während
des Schweißens ist die Spannung auf der Primärseite
des Impulstransformators (15) hoch, beispielsweise im Bereich
von 2.500 V bis 3.500 V, bevorzugt im Bereich von 3.000 V bis 3.500
V. Die Stromstärke auf der Primärseite des Impulstransformators
ist gering. Die z. B. zweiadrige Leitung (6) weist bevorzugt
einen geringen Querschnitt auf, ist flexibel und ermöglicht
eine hohe Beweglichkeit der Schweißzange (5).
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Im
vorderen Bereich der Zangenarme (9, 10) sind Elektroden
(13, 14) austauschbar angebracht, über
die der Schweißstrom als Stromimpuls in die zu verbindenden
Werkstücke (17, 18) eingeleitet werden
kann. Die Elektroden (17, 18) sind über
die ggf. mit einer besonders gut leitenden Beschichtung, z. B. Silber,
versehenen Zangenarme (9, 10) elektrisch leitend
mit der Sekundärwicklung des Impulstransformators (15)
verbunden. Die Beschichtung kann zu einer elektrisch und thermisch
günstigen Stromflusskonzentration im Außenhautbereich
führen und erlaubt eine Optimierung des Polarms, z. B.
seiner Geometrie, seines Werkstoffs oder dgl., nach anderen Kriterien,
z. B. Festigkeit. Auch für eine Gewichtsreduzierung ist
die Beschichtung günstig. Die Sekundärteile können
ebenfalls versilbert sein. Die kurze Anbindung an den Impulstransformator
(15) sorgt für eine Reduzierung der elektrischen
Verluste. Lamellenstrombänder können die Verbindung
zwischen den beweglichen und den festen Teilen herstellen.
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Die
Zangenarme (9, 10) dienen der Strom- und Kraftübertragung
und können sich beim Anpressen der Elektroden (13, 14)
ggf. etwas elastisch verformen, wobei ein federnder Nachsetzeffekt
entstehen kann. Die Zangenarme (9, 10) können
mehrteilig und veränderbar ausgebildet sein, wobei z. B.
wechselbare, klemmbare Polarme mit unterschiedlichen Längen
in Armaufnahmen gesteckt werden können, welche mit dem
Zangenlager (20) und dem Zangenantrieb (12) verbunden
sind. Die Polarme können je nach Prozessanforderungen z.
B. aus Messing oder Kupfer bestehen.
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Die
maximale Sekundärspannung am Impulstransformator (15)
beträgt 30 V bis 100 V, bevorzugt 40 V bis 60 V. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel wird mit 40 V Sekundärspannung
gearbeitet. Der transformierte Stromimpuls wird über die
Elektroden (13, 14) in die Schweißstelle
eingeleitet. Die Impulsenergie für einen Schweißimpuls
kann beispielsweise ca. 6.000 Ws betragen. Die Impulsdauer kann
unter 10 bis 15 ms liegen und z. B. ca. 4 bis 5 ms betragen. Der
verwendete Impulstransformator kann klein und leicht bauen. Er wiegt
z. B. ca. 35 kg. Das Gewicht der Schweißzange (5)
ist bevorzugt geringer als 130 kg, wobei als Manipulator (2)
bevorzugt ein üblicher mehrachsiger Roboter mit mittlerer
Traglast verwendet werden kann.
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Durch
das Anheben der Sekundärspannung gegenüber den
bisher üblich 10 V kann der übertragbare Strom
(bei unverändertem Widerstand) erhöht werden.
Ferner kann die Energiedichte des Impulstransformators (15)
erhöht werden, wodurch sich bei gleichbleibender Impulsenergie
die Masse reduzieren lässt. Auch der Spannungsabfall an
den Übergangsstellen zwischen den einzelnen Sekundärteilen (pro Übergang
ca. 0,5 V) kann prozentual minimieren werden. Der Impulstransformators
(15) kann eine Kühlung aufweisen.
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Der
Impulstransformator (15) ist in das konsolenartig umgebende
und als Rahmenkonstruktion mit Stegen und Öffnungen ausgeführte
Gestell (7) aus Leichtmetall integriert, wobei eine günstige,
kurze Sekundäranbindung der Polarme bzw. Zangenarme (9, 10)
an den Impulstransformator (15) besteht. Die integrale
Lage des Impulstransformators (15) ist günstig
für die Gewichtsverteilung der Schweißzange (5),
wobei der Massenschwerpunkt nahe an dem als standardisierte Roboterflanschplatte
ausgebildeten Anschluss (8) liegt. Die Aluminiumkonstruktion
der Konsole kann gewichtsgünstig durch das Gehäuse des
Impulstransformators (15) ausgesteift werden.
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Die
Zangenarme (9, 10) der Schweißzange (5)
können eine große Ausladung oder freie Länge von
300 mm oder mehr, z. B. ca. 500 mm bis 800 mm oder darüber,
aufweisen. Sie sind bevorzugt mit einem Zangenlager (20)
am Gestell (7) gelagert und relativ zueinander beweglich.
Mindestens einer der Zangenarme (9, 10) kann über
einen Zangenausgleich (11) am Gestell (7) abgestützt
sein. Durch die hohe Ausladung der Zangenarme (9, 10)
bzw. den entsprechenden Abstand der Elektroden (13, 14) vom
Zangenlager (20) können auch Schweißstellen mit
einer größeren Entfernung zum Werkstückrand oder
in ungünstiger Lage erreicht werden. Der Impulstransformator
(15) ist in stehender Lage zwischen dem Zangenlager (20)
und dem Anschluss (9) angeordnet.
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Das
Schließen der Zangenarme (9, 10) erfolgt
durch einen Antrieb (12), der bevorzugt hinter oder schräg über
dem Zangenlager (20) angeordnet ist und der eine Schließkraft
auf die Zangenarme (9, 10) aufbringen kann. Der
Antrieb (12) ist bevorzugt so ausgelegt, dass eine mehrstufige,
z. B. zweistufige Zangenschließung mit Vorhub und Arbeitshub
erfolgen kann. Die Zangenarme (9, 10) können
mit einer geringeren Kraft geschlossen und für den Zeitraum
der Schweißung im Bereich der Elektroden (13, 14)
mit hoher Kraft zusammengepresst werden. Die Werkstücke
(17, 18) werden hierbei im Bereich der Schweißstelle
aneinander gepresst. Die maximale Presskraft auf die Werkstücke
(17, 18) im Bereich der Elektroden (13, 14)
kann deutlich höher als beim üblichen Widerstandsschweißen
mit Mittelfrequenz sein, und liegt beispielsweise im Bereich von
5 kN bis 12 kN.
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In
der bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb (12)
als Pneumatikzylinder ausgeführt. Die Ansteuerung erfolgt über
analoge Ventile, alternativ über servopneumatische Ventile.
Der Antrieb (12) kann auch servomotorisch oder in jeder
anderen geeigneten Form ausgebildet sein. Die Kombination Vorhub
und Arbeitshub kann der Taktzeitreduzierung dienen. Die Zangenarme
(9, 10) müssen beim Verfahren von Punkt
zu Punkt nicht vollständig geöffnet werden. Für
den Zangenausgleich (11), der die Zangenmasse beim Schweißen
kompensiert und ein Einschwimmen am Werkstück ermöglicht,
kann ein Standardzylinder verwendet werden.
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Neben
der dargestellten Ausführungsform sind weitere Varianten
möglich. Die Schweißzange (5) kann beispielsweise
als C-Zange ausgebildet sein.
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- 1
- Schweißeinrichtung
- 2
- Manipulationseinrichtung,
Roboter
- 3
- Hand,
Roboterhand
- 4
- Stromquelle,
Impuls-Schweißstromquelle
- 5
- Schweißzange
- 6
- Leitung
- 7
- Gestell
- 8
- Anschluss,
Roboteranschluss
- 9
- Zangenarm
- 10
- Zangenarm
- 11
- Zangenausgleich
- 12
- Antrieb,
Pneumatikzylinder
- 13
- Elektrode
- 14
- Elektrode
- 15
- Transformator,
Impulstransformator
- 16
- Gehäuse
- 17
- Werkstück
- 18
- Werkstück
- 19
- Kondensator
- 20
- Zangenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202006015894
U1 [0003]
- - DE 102007022263 A1 [0004]
- - DE 881090 B [0005]
- - WO 08/131880 A1 [0006]
- - US 5276296 A [0006]