DE202015005805U1

DE202015005805U1 - Vorrichtung zur niederohmigen Verschweißung von Blechen mit hoher Taktzahl

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Publication number: DE202015005805U1
Application number: DE202015005805.1U
Authority: DE
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2025-08-18

Abstract

Vorrichtung zur niederohmigen Verschweißung von Blechen mit hoher Taktzahl mit den folgenden Merkmalen: a) einem u-förmig geformten Grundkörper (1) in dessen beiden, horizontal gelagerten, Schenkeln ein unteres Hubantriebselement (2) und ein oberes Hubantriebselement (7), die sich gegenüberstehen, angeordnet sind, wobei dem unteren Hubantriebselement (2) eine untere Elektroden-Halteeinrichtung (3) und dem oberen Hubantriebselement (7) eine obere Elektroden-Halteeinrichtung (6) in der Richtung der Wirkungskraft folgen, b) einer von der unteren Elektroden-Halteeinrichtung (3) gehaltene untere Schweißelektrode (11) und einer von der oberen Elektroden-Halteeinrichtung (6) gehaltene obere Schweißelektrode (5), wobei die untere Schweißelektrode (11) einen, jeweils zentral angeordneten, spitz zulaufenden, unteren Prägekopf (10) und die obere Schweißelektrode (5) einen oberen Prägekopf (8) trägt, c) einer, die zu verschweißenden Fügepartner (9) in den Zwischenraum zwischen die beiden Prägeköpfe (10, 8) befördernden, Fügepartner-Zufuhreinrichtung (4), d) einer, einen, den Fügepartnern (9) angepassten den Schweißstrom liefernden Stromquelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur niederohmigen Verschweißung von Blechen mit hoher Taktzahl.
Zum Stand der Technik ist aus der Patentliteratur aus der Deutschen Offenlegungsschrift 19 02 569 ein Verfahren zum Widerstandsschweißen und -löten bzw. Lichtbogenschweißen von beschichteten Blechen und Maschinen dazu, bekannt. Nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird hier ausgegangen von einem Verfahren zum Widerstands-Schweißen bzw. zum elektrischen Widerstandslöten von Blechen und metallischen Körpern. Dieses Verfahren ist, nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass spitze Fortsätze (z. B. durch Körnung, Prägen, Fräsung und dergl.) in Richtung zum Dekorblech, das z. B., beidseits voll beschichtet ist, am anzuschweißenden Blech ausgebildet sind, die durch einen Vorwärmstrom, der zunächst durch das anzuschweißende (obere) Blech geleitet ist, so stark erwärmt sind, dass hierdurch die innere Beschichtung des Dekorblechs schmilzt (oder zerstört wird), die spitzen Fortsätze metallischen Kontakt mit dem Dekorblech erhalten und durch automatische Steuerung oder sonstige Schaltungen und Regulierungen ein Schweißstrom mit optimalen Schweißdaten, die eine Verletzung der Dekorschicht ausschließen, über die Berührungsstelle, die Bleche verschweißend, in das Dekorblech geleitet wird.
Weiter ist aus der neueren DE 20 2004 020 166 U1 eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißteil bekannt. In dieser Druckschrift wird von einem Stand der Technik ausgegangen, bei dem Impuls-Schweißverfahren mit Presskrafteinwirkung auf die zu verschweißenden Bauteile bekannt ist. In diesem Zusammenhang wird zum Beispiel an konventionelle Kondensatorentladungs-Schweißverfahren nebst zugehörigen Schweißvorrichtungen gedacht. Bei solchen Impuls-Schweißverfahren werden die zusammen gepressten Werkstücke von einem Impulsstrom durchflossen, wobei sie am Kontaktbereich in einen teigigen Zustand übergehen und sich miteinander verbinden. Um eine ausreichend hohe Stromkonzentration zu erreichen, heißt es dort weiter, werden die Kontaktstelen der Werkstücke möglichst klein gehalten, wobei zum Beispiel ein Punkt- oder Linienkontakt besteht. Bei Blechen werden zu diesem Zweck an einen oder beiden Blechen in einer Bauteilvorbereitung Buckel angebracht oder angeformt. Dies erfordert einen zusätzlichen Aufwand. Weiter wird bezüglich des Standes der Technik auf die DE 40 38 016 A1 und die DE 19 44 614 A1 eingegangen. In der DE 20 2004 020 166 U1 wird die Aufgabe genannt, in Anbetracht des oben beschriebenen Standes der Technik eine verbesserte Schweißtechnik aufzuzeigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Anspruch 1 herzu ausgegangen von einer Schweißvorrichtung zum Impulsschweißen von Werkstücken (3, 4) mit einer Schweißstromquelle (10), mindestens zwei Elektroden (12, 13) und einer Elektrodenanpressvorrichtung (11). Diese Schweißvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode (12) einen in Zustellrichtung (15) über die Elektrodenstirnwand vorstehenden Stempel (14) zur Verformung eines beaufschlagten Werkstücks (3) an der Schweißstelle (7) aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die sichere Verschweißung von Blechen bei hoher Taktzahl ermöglicht wird. Hierbei soll der Übergangswiderstand an der Schweißstelle möglichst niedrig, das heißt niederohmig, sein. Die Standzeit der Werkzeuge und die gesamte Prozess-Sicherheit sollen hierbei hohen Anforderungen genügen.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen im Einzelnen:
1: einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
2: eine Schnittdarstellung aus dem Bereich der Prägeköpfe
3 zwei Schnitt-Darstellungen aus dem Bereich des Schweißvorgangs
4: eine unmittelbare Schnittdarstellung der Schweißverbindung
Die 1: zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Der zangenförmig gestaltete Grundkörper 1 der Schweißvorrichtung weist im Wesentlichen ein unteres Hubantriebselement 2 und ein oberes Hubantriebselement 7 auf zwischen denen mittels einer Fügepartner-Zufuhreinrichtung 4 zwei Fügepartner 9 für einen zu erfolgenden Schweißvorgang exakt positioniert zugeführt werden. Die hier gezeigten zu verschweißenden beiden Fügepartner 9 bestehen beispielhaft aus einem, im Schnitt gezeigten, länglichen Blechstreifen der mit einem anderen, u-förmig gebogenen, den länglichen Blechstreifen umklammernden, weiteren Blechstreifen verschweißt werden soll. Unmittelbar an diesem Schweißvorgang beteiligt sind zwei, hier als Druckspitze zu erkennende, Prägeköpfe, nämlich der untere Prägekopf 10 und der obere Prägekopf 8. Diese beiden Prägeköpfe 10 und 8 sind direkt verbunden mit der entsprechenden unteren Schweißelektrode 11 und der oberen Schweißelektrode 5. Die beiden Schweißelektroden 11 und 5 sind wiederum jeweils gehalten von der entsprechenden unteren Elektroden-Halteeinrichtung 3 und der oberen Elektroden-Halteeinrichtung 6. Hierbei weisen sowohl die untere Elektroden-Halteeinrichtung 3 als auch die obere Elektroden-Halteeinrichtung 6 jeweils eine eigene, unabhängig voneinander wirkende Kraft-Messeinrichtung auf. Betätigt werden die beiden Elektroden-Halteeinrichtungen von dem unteren Hubantriebselement 2 und dem oberen Hubantriebselement 7.
Die 2: zeigt eine Schnittdarstellung aus dem Bereich der Prägeköpfe. Ausgehend von der aus der 1 bekannten oberen Schweißelektrode 5 und der oberen Elektroden-Halteeinrichtung 6 mit ihrer Kraft-Messeinrichtung ist hier beispielhaft neben dem oberen Prägekopf 8 der Schaft 16 des oberen Prägekopfs 8 mit seinem Vorspannelement 15 zu erkennen. Über dem Schaft 16 des oberen Prägekopfs sind zwei kraftmäßig hintereinander geschaltete Stellelemente 12 dargestellt mit deren Hilfe die Vorspannung des Vorspannelements 15, zum Beispiel als Federvorspannung, eingestellt werden kann. Als Stellelemente 12 können zum Beispiel Piezoelektrische-Elemente Verwendung finden. Zur Messung dieser Vorspannung dient ein Kraft-Messsensor 13. Mittels eines weiteren Kraft-Messsensors 14 kann der Elektrodendruck gemessen werden der von dem oberen Hubantriebselement 7 auf die obere Schweißelektrode 6 ausgeübt wird. Im unteren Teil der 2 ist mit 17 der entsprechende Schaft des unteren Prägestempels bezeichnet. Auch die übrigen, nicht gezeigten, Bauteile wie die Stellelemente 12, der Kraft-Messsensor 13, das Vorspannelement 15 und der Kraft-Messsensor 14 für den Elektrodendruck entsprechen der im oberen Teile der 2 beschriebenen Anordnung.
Die 3 zeigt zwei Schnitt-Darstellungen aus dem Bereich des Schweißvorgangs. In der linken 3a sind als Beispiel für zu verschweißende Bleche als ein erster Fügepartner ein Blech aus Metallstrukturmaterial 19 und als weiterer zweiter Fügepartner ein, dieses Blech 19 als eine u-förmig umklammernde Metalleinfassung 18, dargestellt. Diese Darstellung entspricht, lediglich seitenverkehrt, den in der 1 gezeigten Verhältnissen. In der rechten 3b sind die in der 3a gezeigten Fügepartner im Schnitt nach der mechanischen Einwirkung durch die Prägeköpfe gezeigt. Das hier beispielhaft gezeigte Blech aus Metallstrukturmaterial 19 ist dadurch gekennzeichnet, dass, wie sein Name schon sagt, es im Wesentlichen aus einer gitterähnlichen Metallstruktur mit dazwischenliegenden Hohlräumen besteht. Ein solches Blech setzt einer Druckbelastung mittels eines spitzen Prägekopfs naturgemäß weniger Widerstand entgegen als ein entsprechendes Blech aus einem normalen Metall. Dies ist in der 3b dadurch zu erkennen, dass das Metallstrukturmaterial 19 durch die Krafteinwirkung der Schäfte 17 und 16 der beiden Prägeköpfe 10 und 8 in der Mitte stark deformiert ist, während die Metalleinfassung 18 eher ein normales Deformierungs-Verhalten zeigt. Die untere Schweißelektrode 11 und die obere Schweißelektrode 5 sind in dieser Darstellung noch stromlos.
Die 4: zeigt eine unmittelbare Schnittdarstellung der Schweißverbindung. Diese Darstellung unterscheidet sich von der 3b dadurch, dass nach dem Fluss eines Schweißstroms sich an den mechanischen Verbindungsflächen des Metallstrukturmaterials 19 und der Metalleinfassung 18 eine innige Schweißverbindung 20 gebildet hat.
Die Steuerung und Reglung des beschriebenen Schweißprozesses erfolgt einmal mittels der Stellelemente 12 die die Vorspannung bestimmen mit der der jeweilige Prägekopf auf den entsprechenden Fügepartner einwirkt, wobei die Messung der Vorspannung mittels des entsprechenden Kraft-Messsensors 13 erfolgt. Weiter wird der Druck der Schweißelektroden auf die Fügepartner mittels der entsprechenden Hubantriebselemente ausgeübt und mittels der entsprechenden Kraft-Messsensoren 14 gemessen. Die Steuerung und die Art des Schweißstroms richten sich nach der Art und Ausgestaltung der jeweiligen Fügepartner, wobei die Taktzahl der Zufuhreinrichtung der Fügepartner die Taktzahl der Schweißvorrichtung bestimmt. Hierbei wird eine Taktzahl von mindestens 1200 Schweißvorgängen pro Stunde erreicht. Die Höhe des Schweißstroms wird niedrig gehalten, wobei darauf geachtet wird, dass die Schweiß-Elektroden nicht mit Material der Fügepartner beschichtet sind um ein Anheften der Fügepartner an die Schweißelektroden zu vermeiden. Somit lässt sich eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Taktzahl erreichen. Der Druck eines Prägekopfs kann während des Bearbeitungsprozesses durch ein Stellelement unabhängig von der Schweißelektrode und dem Elektrodendruck auf den Fügepartner eingestellt werden. Der jeweilige Prägekopf erzeugt in dem Fügepartner eine Zündspitze an der entlang die spätere Schweißnaht verläuft. Auf diese Weise wird eine gute Leitfähigkeit der Verschweißung erreicht. Ein Prägekopf kann aus Keramik oder einem anderen harten schlecht leitendem Material sein. Prägespitzen verhindern ein Verschieben der Fügepartner beim Schweißen, was bei der erreichbaren hohen Taktzahl wichtig ist. Ein Prägekopf kann unabhängig von der Elektrode nach dem Prägevorgang, je nach der Art der Materialpaarung, den Druck auf den Fügepartner erhöhen oder verringern oder sich aus der Schweißzone ganz herausziehen.
An einem Schweißvorgang können beide Schweißelektroden mit ihren Prägeköpfen und dem entsprechenden Hubantriebselement beteiligt sein, es kann jedoch auch eine Schweißelektrode mit ihrem Prägekopf quasi statisch bleiben und sich nicht mit ihrem Prägekopf und dem betreffenden Hubantriebselement am Schweißvorgang beteiligen. Dies betrifft natürlich nicht die elektrische Funktion der Schweißelektroden.
Des Weiteren kann in einer, nicht gezeigten, Sonderbauform zusätzliche die Funktion einer Messung des ohmschen Widerstandes vorgesehen sein, bevor der eigentliche Schweißvorgang geschaltet wird. Auf diese Weise kann durch die Berührung der Spitzen der Prägeköpfe mit den Fügpartnern vor dem eigentlichen Schweißvorgang abgeschätzt werden, welchen ohmschen Widerstand später die fertige Schweißverbindung aufweist. Sollte diese Widerstandsmessung nicht dem gewünschten Wert entsprechen, kann mittels einer zusätzlichen Druckerhöhung auf die Fügepartner das Ergebnis der Schweißung vor dem Schweißvorgang noch beeinflusst werden. Referenzwerte für eine entsprechende Abschätzung werden im konkreten Fall mittels entsprechender Messreihen gewonnen. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage wesentlich erhöhen.
Fügepartner sind bevorzugt Materialien wie Strukturmetalle die im Inneren Hohlräume aufweisen (beispielsweise Metallschäume). Es können jedoch selbstverständlich auch andere Materialien als Fügepartner verwendet werden.
Die komplexe Steuerung der beschriebenen Bewegungsabläufe erfordert ein spezielles Steuerungsprogramm
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper der Schweißvorrichtung
2: unteres Hubantriebselement
3: untere Elektroden-Halteeinrichtung mit Kraft-Messeinrichtung
4: Fügepartner-Zufuhreinrichtung
5: obere Schweißelektrode
6: obere Elektroden-Halteeinrichtung mit Kraft-Messeinrichtung
7: oberes Hubantriebselement
8: oberer Prägekopf
9: Fügepartner
10: Unterer Prägekopf
11: untere Schweißelektrode
12: Stellelemente für oberen Prägestempel
13: Kraft-Messsensor für Prägestempel
14: Kraft-Messsensor für Elektrodendruck
15: Vorspannelement (Federelement)
16: Schaft des oberen Prägestempels
17: Schaft des unteren Prägestempels
18: Metalleinfassung (Kontaktblech)
19: Metallstrukturmaterial
20: Schweißverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1902569 [0002]
DE 202004020166 U1 [0003, 0003]
DE 4038016 A1 [0003]
DE 1944614 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur niederohmigen Verschweißung von Blechen mit hoher Taktzahl mit den folgenden Merkmalen: a) einem u-förmig geformten Grundkörper (1) in dessen beiden, horizontal gelagerten, Schenkeln ein unteres Hubantriebselement (2) und ein oberes Hubantriebselement (7), die sich gegenüberstehen, angeordnet sind, wobei dem unteren Hubantriebselement (2) eine untere Elektroden-Halteeinrichtung (3) und dem oberen Hubantriebselement (7) eine obere Elektroden-Halteeinrichtung (6) in der Richtung der Wirkungskraft folgen, b) einer von der unteren Elektroden-Halteeinrichtung (3) gehaltene untere Schweißelektrode (11) und einer von der oberen Elektroden-Halteeinrichtung (6) gehaltene obere Schweißelektrode (5), wobei die untere Schweißelektrode (11) einen, jeweils zentral angeordneten, spitz zulaufenden, unteren Prägekopf (10) und die obere Schweißelektrode (5) einen oberen Prägekopf (8) trägt, c) einer, die zu verschweißenden Fügepartner (9) in den Zwischenraum zwischen die beiden Prägeköpfe (10, 8) befördernden, Fügepartner-Zufuhreinrichtung (4), d) einer, einen, den Fügepartnern (9) angepassten den Schweißstrom liefernden Stromquelle.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Prägeköpfe (10, 8) jeweils ein Vorspannelement (15) aufweisen, dessen Vorspannung mittels mindestens einem Stellelement (12) eingestellt werden kann, wobei die Vorspannung mittels eines Kraft-Messsensors (13) gemessen werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils von einem Hubantriebselement (2, 7) auf die jeweilige Elektroden-Halteeinrichtung (3, 6) ausgeübte Druckkraft mit einem Kraft-Messsensor (14) gemessen werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prägekopf (10, 8) aus Keramik oder einem anderen harten, nicht leitenden Material ist.