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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung der Elektroden von Maschinen
zur elektrischen Widerstandsschweißung Die Erfindung betrifft ein Verfahren nebst
Vorrichtung zur Durchführung zur Kühlung der Elektroden von Maschinen zur elektrischen
Widerstandsschweißung0 Die Erfindung ist auf alle Arten von Maschinen zur elektrischen
Widerstandsschweißung anwendbare In Betracht kommen beispielsweise Punkt-, Rohr-,
Rollennaht-, Stumpf- und Buckelschweißmaschinen sowie auch sonstige Sonderschweißmaschinen,
die auf dem Prinzip der elektrischen Widerstandsschweißung beruhen, Zur Erhöhung
der Lebensdauer der Elektroden ist deren Kühlung unerläßlich. Um die Standzeit der
Elektroden zu vergrößern, verwendet man Werkstoffe spezieller Legierung und speziellen
Aufbaues. Die guten Eigenschaften der bekannten Elektrodenwerkstoffe beruhen im
wesentlichen darauf, daß durch Einlagerung von einkristallinen Eisenkristallen,
sogenannten Flhisken, ein
Gitteraufbau gebildet wird, in dem die
Kupfer- und andere weiche Nichteisenkristalle gegeneinander verspannt sind, wodurch
eine hohe Festigkeit erreicht wird. Durch die hohe lokale Erhitzung beim Schweißen
wird der Werkstoff an der Elektrodenspitze in eine Knetlegierung verwandelt. Der
erforderliche Schweißdruck schiebt den erweichten Werkstoff ständig zur Seite. Dieser
Prozeß läuft umso schneller ab, je schlechter die Kühlung der Elektroden ist.
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Die bekannten Schweißmaschinen sind mit einer Wasserkühlung ausgerüstet.
Die Wirksamkeit der Wasserkühlung ist begrenzt.
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Bei der Wasserkühlung besteht außerdem die Gefahr, daß sich in der
Kühlbohrung der Elektroden wärmeisolierende Dampfpolster bilden. Es können sich
auch im Wasser enthaltene whsHK #gelöste oder feste Stoffe in der Kühlbohrung ablagern
und eine Verminderung der Wärmeabfuhr verursachen, Schon eine Ablagerungsschicht
in der Größenordnung von Hundertsteln eines Millimeters führen zu einer merklichen
Beeinträchtigung der Kühlungsintensität. Ein weiterer Nachteil der bekannten Wasserkühlung
besteht darin, daß bei einer Undichtigkeit nur eines Elektrodenhalters das Wasser
heraus spritzt. Schließlich ist die Wasserkühlung relativ kostspielig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Kühlung der Elektroden von Maschinen zur elektrischen
Widerstands
schweißung und eine Durchführungsvorrichtung zu entwickeln, durch die eine intensivere
Kühlung der Elektroden ermöglicht wird und die oben genannten Nachteile der Wasserkühlung
im wesentlichen beseitigt werden, Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kühlung der Elektroden durch Verdampfung
eines Kältemittels erfolgt. Der Innenraum des Verdampfers kann die Aufnahmeöffnung
für die Elektrode ganz oder teilweise umgeben, Eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide
Elektroden des Schweißstromkreises in gutem wärmeleitendem Kontakt mit den Wänden
eines hohlen Verdampfers steht/stehen, dessen Innenraum mit einer ersten Öffnung
für die Zuführung eines flüssigen Kältemittels und mit einer zweiten Offnung zur
Abführung des verdampften Kältemittels versehen ist. Gemaß der Erfindung kann der
Elektrodenhalter selbst als Verdampfer ausgebildet sein, Nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer einen
langgestreckten Teil aufweist, der in den inneren Hohlraum der Elektrode, insbesondere
in deren Kühlbohrung paßt. Der innere Hohlraum
der Elektrode, insbesondere
deren Kühlbohrung, kann auch unmittelbar einen Teil des Verdampferhohiraumes bilden.
In diesem Falle ist die Elektrode zweckmäßigerweise mittels eines gut dichtenden
Schraubverschlusses im Elektrodenhalter befestigt. Diese Ausführungsform des Verdampfers
ist besonders geeignet bei Schweißmaschmen, bei denen der Grundkörper der Elektroden,
z.Bv Schweißrollen oder Schweißbacken, in der Maschine verbleiben und nur Verschleißteile,
wie Ringe, Platten und Formteile, ausgewechselt werden.
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Für die Zuführung des Kältemittels ist ein Rohr vorgesehen, das in
den unteren Bereich des Innenraumes des Verdampfers findet, Für die Abführung des
verdampften Kältemittels ist ein Rohr vorgesehen, das in den oberen Bereich des
Innenraumes des Verdampfers mündet.
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Der Druck im Verdampfer liegt je nach verwendetem Kältemittel zwischen
2 bis 6 atüg Da die Siedepunkte der bekannten Kältemittel sehr niedrig liegen, findet
eine intensive Verdampfung des Kältemittels statt, wodurch den Elektroden weit mehr
Wärme entzogen werden kann, als durch die herkömmliche Kühlung durch Wärmeabgabe
an das durchlaufende Kühlwasser, Die Elektroden werden folglich langsamer verbraucht,
was sowohl eine Reduzierung des Aufwandes an Elektroden, als auch eine Reduzierung
der Stillsetzzeiten
für das Auswechseln der Elektroden bedeutet.
Da die Verdampferräume relativ klein sind, können mit einem Kälteaggregat mehrere
Schweißstellen gekühlt werden, was ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage
erhöht, Wenn der Verdampfer mit einem in die Kühlbohrung der Elektrode ragenden
Teil versehen ist, ist es zweckmäßig, die Kühlbohrung zentrisch und mit sehr geringer
Toleranz auszubilden, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Die Wärmeleitfähigkeit
kann durch geeignete Kontaktmittel erhöht werden. Wichtig ist jedoch, daß diese
Mittel die Lösbarkeit der Elektrode vom Elektrodenhalter nicht beeinträchtigen,
damit beim Elektrodenwechsel der Verdampfer nicht zerstört wird.
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Anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele soll die Vorrichtung
näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1a bis Id vier der wichtigsten elektrischen
Widerstandsschweißmethoden, Fig. 2 den oberen und unteren Elektrodenhalter einer
Punktschweißmaschine mit massiven Elektroden, bei denen die Elektrodenhalter gemäß
der Erfindung als Verdampfer ausgebildet sind,
Fig. 3, 4 und 5 je
einen als Verdampfer ausgebildeten Elektrodenhalter, der mit einem langgestreckten
Teil versehen ist, das in die Kühlbohrung der Elektrode eingepaßt ist.
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Fig. 6 einen Verdampfer gemäß der Erfindung, bei dem die Kuhlbohrung
der Elektrode unmittelbar einen Teil des Innenraumes des Verdampfers darstellt.
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Fig. 7 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einer Rollenschweißmaschine0
Figo 8a bis 8d vier verschiedene Ausführungsformen für die Befestigung einer Elektrode
im Elektrodenhalter, wenn der Innenraum der Elektrode gleichzeitig Teil des Verdampferraumes
ist.
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Die Fig, 1a bis 1d zeigen vier der wichtigsten Arten des Widerstandsschweißens,
und zwar Fig, 1a das Punktschweißen, Fig, Ib das Rollennahtschweißen, Figo Ic das
Stumpfschweißen, und Fig. 1d das Buckelschweißen, In den Figuren werden die Elektroden
mit 1 und das Werkstück mit 2 bezeiçhnet Bei dem Verfahren nach Fig. 1b sind die
drehbaren Rollen 1 mit ihren Wellen 3 in Lagern 4 gelagert.
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Fig. 2 zeigt ein Ausfüht'ungsbeispiel der Erfindung für eine Punktschweißmaschine
mit massiven Elektroden 1. Die Elektrodenhalter 5 sind mit einem Hohlraum 11 ausgebildet
Am unteren Teil dieser Hohlräume befindet sich ein Kältemittel 6. Das Kältemittel
wird über ein Rohr 7, das in den unteren Teil des Hohlraumes mündet, eingespritzt.
ueber ein Rohr 8, das in den oberen Teil des Hohlraumes mündet, wird das verdampfte
Kältemittel abgesaugt, Hierdurch findet eine intensive Verdampfung weiteren Kältemittels
statt, wodurch die das Kältemittel umgebenden Wände des Elektrodenhalters 5 intensiv
gekühlt werden, die ihrerseits die in der Aufnahmeöffnung 9 eingepaßten Elektroden
kühlen. Um die Kühlung der Elektroden zu intensivieren, erstreckt sich der Verdampfer#lrawn
11 mit seinem Teil 10 um die Elektrodenaufnahmeöffnung herum, Die Fig. 3, 4 und
5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bei ihrer Anwendung für Elektroden,
die mit einer Kühlbohrung 12 versehen sind, Soweit in den Fig* 3 bis 5 - gleiches
gilt für die Fig. 6 bis 8 - gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet werden,
handelt es sich um die entsprechenden Teile wie in Fig. 2. In den Fig, 3 bis 5 erstreckt
sich der Innenraum des Verdampfers als ein gegenüber der Elektrode abgeschlossenes
System in die Kühlbohrung der Elektrode hinein. In den Fig* 5 und 4 ist der als
Verdampfer ausgebildete Elektrodenhalter 5 mit einem langgestreckten
Teil
14 versehen, der in die Kühlbohrung 12 der Elektrode 1 eingepaßt werden kann, Dieser
Teil ist verhältnismäßig dünne wandig und kann an dem vergleichsweise starkwandigen
Elektrodenhalter 5, zçB. durch Löten, befestigt werden, Je geringer der Zwischenraum
zwischen der Innenwand der Kühlbohrung der Elektrode und der Wand des langgestreckten
Teils des Verdampfers ist, um so intensiver ist die Kühlung der Elektrode. Um die
Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden genannten Teilen zu vergrößern, kann der
Toleranzspalt durch ein gut wärmeleitendes Kontaktmittel ausgefüllt werden. In Fig,
5 besteht der Innenraum 11 des Verdampfers aus einem einzigen langgestreckten Rohr
15, das durch den Elektrodenhalter 5 in die Kühlbohrung 12 der Elektrode reicht
und dort in der eben beschriebenen Weise in guter wärmeleitender Verbindung mit
der Elektrode steht, Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung bilden die
inneren Hohlräume der Elektroden, insbesondere deren Kühlbohrungen, unmittelbar
einen Teil des Innenraumes des Verdampfes, Fig, 6 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel
für eine Punktschweißelektrodeç Der Hohlraum 11 im Elektrodenhalter 5 und die Kühlbohrung
12 der Elektrode 1 bilden zusammen den Innenraum des Verdampfers, In diesen Fällen,
in denen die Kühlbohrung selbst einen Teil des Verdampfers bildet, ist darauf zu
achten, daß die Kühlbohrungen weder Schmutz noch
Olrückstände enthalten
und daß sie vollkommen trocken sind.
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Es empfiehlt sich daher, daß bei dieser Ausführungsform die Elektroden
verschlossen angeliefert werden und erst beim Einbau in die Maschine die Kühlbohrung
freigelegt wird, Auf diese Weise wird erreicht, daß nur wenig Luftfeuchtigkeit in
das Verdampfersystem gelangte Bei der Ausführungsart nach Fig, 6 muß zunächst bei
einem Elektrodenwechsel das Kältemittel abgesaugt werden und die Anschlüsse zur
Kältemaschine verschlossen werden. Nach erfolgtem Elektrodenwechsel wird dann etwas
Kältemittel eingespritzt und dieses zunächst über eine Entlüfteröffnung 17 mit einem
Ventil 18 ins Freie verdampft, Auf diese Weise wird erreicht, daß die beim Elektrodenwechsel
in den Innenraum des Verdampfers eingedrungene Feuchtigkeit wieder aus dem System
ausgeschieden wird, Die eben beschriebene Ausführungsform, bei der der Innenraum
der Elektrode Teil des Verdampferinnenraumes ist, ist besonders vorteilhaft bei
solchen Schweißmaschinen, bei denen die Elektrode aus einem Grundkörper, z.B. aus
Schweißrollen, Schweißbacken oder anderen Teilen besteht, die in der Maschine bleiben,
und bei denen nur äußere Verschweißteile, wie zaBo Ringe, Platten oder Formteile,
ausgewechselt werden, Besonders bei Schweißwerkzeugen, die zum Buckelschweißen verwendet
werden, sind die Elektroden in einen Grundkörper eingesetzt, welcher beim Elektrodenwechsel
in der Maschine verbleibt. ähnliches
gilt für Elektrodenschäfte,
wie sie beispielsweise für das Punktschweißen mit Kappenelektroden Verwendung finden,
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei einer Elektrode der zuletzt beschriebenen
Art, und zwar bei einer Rollenschweißmaschine*Der auswechselbare Teil der Elektrode
besteht nur aus der Elektrodenrolle 21 Die Welle 22 mit dem flanschartigen Teil
23 ist hohl ausgebildet, und dieser Hohlraum 11 bildet den-VerdampferO Die Welle
ist in den Lagern 25 gelagerte Zwischen der Uberwurfmutter 26 und der Welle befindet
sich ein Schleifring 27 Der Verdampferraum wird durch einen Stopfen 29 begrenzt,
durch den das Einspritzrohr 7 und das Absaugrohr 8 geführt werden. Zwischen dem
Stopfen 29 und der Welle 22 befinden sich Dichtungen DO. Der Gewindebolzen 31 dient
der Sicherung gegen Verdrehung.
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Die Fig. 8a bis 8d zeigen verschiedene Möglichkeiten, Elektrodenschäfte
35 im Elektrodenhalter 5 zu befestigen, wenn der Innenraum des Elektrodenschaftes
gleichzeitig Innenraum des Verdampfers ist. Es sind Schraubverbindungen vorgesehen,
wobei die Dichtung in Fig. 8a durch konische Flächen, in Fig, 8b durch einen Metallring,
in Fig, 8c durch eine Dichtkante und in Fig. 8d durch einen Kegel mit Uberwurfmutter
erzielt wird, Diese Schraubverbindung empfiehlt sich insbesondere bei Elektrodenschäften
mit Kappenelektroden. Die Verschraubung verhindert ein
ungewolltes
Lösen des Elektrodenschaftes und damit ein Offnen des Verdampfsystemsv Für das Einspritzen
und für das Absaugen des Eältemittels sind nicht notwendig in den Verdampferhohlraum
weit hiein ragende Rohre erforderlich. Bei entsprechender Abdichtung können die
Einspritz- und Absaugöffnungen auch unmittelbar an geeigneter Stelle der Elektroden
bzwç Elektrodenschäfte angebracht sein, Diese Ausführungsform ist selbstverständlich
auch bei solchen Verdampfern möglich, die als geschlossene Einheit in die Kühlbohrung
hineinragen (Fig, 3 bis 5).
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über die gezeigten Beispiele hinaus bietet die Gestaltung des Verdampferraumes
eine Vielfalt von Möglichkeiten und kann der Bauart der jeweils vorhandenen Maschine
in zweckmäßigerweise angepaßt sein, Der Verdampfer kann an eine herkömmliche Kältemaschine
angeschlossen werden.
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Der Druck im Verdampfer beträgt je nach verwendetem Kältemittel 2
bis 6 atü, Bei der in Fig. 5 gezeigten Anordnung ist der Elektrodenhalter 5 auf
dem als langes Rohr ausgebildeten Verdampfer in Längsrichtung verschiebbar.