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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Preßschweißverbindungen,
mit zwei mit niedergespanntem elektrischem Strom versorgten Elektroden.
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Beim Preßschweißen werden zwei Teile derart vereinigt, daß die Verbindungsflächen
durch niedergespannten elektrischen Strom erhitzt und dann durch Druck verbunden
werden. Bei der Punktschweißung erfolgt der Stromdurchgang über Elektroden, die
auch zum Pressen der örtlich erhitzten Teile benutzt werden. Eine Nahtschweißung
kann als fortlaufende Punktschweißung angesehen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Preßschweißvorrichtung,
die insbesondere zur Herstellung von Verbundprofilen Verwendung finden soll, derart
auszugestalten, daß der Verschleiß der Elektroden so gering wie möglich gehalten
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unmittelbar
an die Preß- bzw. Schweißstelle ein Kühlmittel geführt ist, welches an der Schweißstelle
eine Phasenumwandlung vom flüssigen in den gasförmigen Zustand erfährt.
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Ein derartiges Kühlmittel, das beispielsweise Wasser oder vorzugsweise
flüssiger Stickstoff sein kann, wird im flüssigen Zustand bis an die Anpreßstelle
herangeführt, um dann infolge der großen Wärmeentwicklung verdampfen zu können.
Durch die Verdampfung wird der Umgebung und insbesondere den Elektroden Wärme entzogen,
so daß die Elektroden gekühlt werden. Durch die Ausbildung der Zuführungselemente
des Kühlmittels und die Menge des Kühlmittels kann die Kühlwirkung gesteuert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in den als Anrollelektroden
ausgebildeten Elektroden, die insbesondere aus Elektrolydkupfer bestehen, speichenförmige
Kanäle für das Kühlmittel ausgebildet, wobei diese Kanäle in der Um-
fangsfläche
der Anrollelektrode münden. Dabei können eine oder mehrere Mündungsöffnungen in
der Umfangsfläche jeder Anrollelektrode ausgebildet sein. Das Kühlmittel wird dabei
im flüssigen Zustand bis an den Bereich zugeführt, der der größten Wärmeentwicklung
ausgesetzt ist. Nach Austreten aus der Elektrode kann das Kühlmittel schlagartig
verdampfen, und die dazu erforderliche Wärmeenergie wird der Elektrode entzogen.
Wenn die Kanäle speichenförmig in der Anrollelektrode ausgebildet sind, kann vorgesehen
werden,daß jeweils nur durch den Kanal Kühlmittel zugeführt wird, der im Anpreßbereich
der Elektrode mündet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind vom Ende jedes
Kanals in der Anrollelektrode zwei Austrittskanäle zu den Stirnflächen der Elektrode
hin geführt. Dadurch wird ein unmittelbarer Kontakt des Kühlmittels mit den zu verbindenden
Teilen verhindert.
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Die Zuleitung zu den Kanälen in den Anrollelektroden kann entweder
durch die Drehachse der Elektrode geführt sein oder es kann eine Zuleitung zu den
Kanälen in der Anrollelektrode koaxial zu der Drehachse auf der freien Stirnseite
der Elektrode angeordnet sein. Vorzugsweise sind acht gleichmäßig verteilte Kanäle
in jeder Anrollelektrode vorgesehen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist in geringem Abstand zur Umfangsfläche
der Elektrode eine zylindrische Abschirmwand angeordnet, die vorzugsweise mit den
Enden bis in die Nähe des Kontaktbereiches der Elektrode mit dem Werkstück geführt
ist. Dadurch wird erreicht, daß das nicht an der Schweißstelle austretende Kühlmittel
an einem schnellen Entweichen gehindert wird, so daß der ganzen Anrollelektrode
von dem Kühlmittel Wärme entzogen wird.
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Vorzugsweise ist die Abschirmwand mit Ringflächen verbunden, die
bis in die Nähe der Stirnseiten der Elektrode geführt sind, so daß die Elektrode
großflächig von dem Kühlmittel
bestrichen wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Elektrode
Kanäle mit Zuleitung und Ableitung ausgebildet, wobei der Verbindungsbereich der
Zu- und Ableitung im Randbereich der Elektrode liegt.
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Vorzugsweise ist das Volumen, d.h. der Querschnitt der Ableitung größer
als das bzw. der der Zuleitung, damit das Kühlmittel zu der Wärmeaufnahme ausreichend
expandieren kann.
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Wenn die Elektroden als Punktelektroden zur Durchführung von punktschweißverbindungen
ausgebildet sind, ist vorzugsweise in jeder Elektrode ein Kanal für das Kühlmittel
vorgesehen, wobei der Kanal koaxial im Anpreßbereich der Elektrode mündet.
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Zur Vergrößerung des gekühlten Bereichs der Elektrode können zwei
divergierende oder rechtwinklig zu dem Kanal verlaufende Mündungsöffnungen von dem
Kanal ausgehen.
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Wenn ein Kontakt des Kühlmittels mit den zu verbindenden Teilen völlig
ausgeschlossen werden soll, können gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
U-förmige Kanäle in den Elektroden ausgebildet sein, so daß das infolge der auftretenden
Hitze im Anpreßbereich verdampfte Kühlmittel gezielt durch einen Rückführungskanal
und eine Rückführungsleitung abgezogen werden kann. Vorzugsweise ist der Querschnitt
des Rückführungskanals größer, so daß das Kühlmittel ausreichend expandieren kann.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1A und 1B verschiedene Ausführungsformen
von Anbis 6A und 6B rollelektroden in Draufsicht und im Querschnitt,
Fig.
7 bis 9 verschiedene Ausführungsformen von Punktelektroden mit integrierten Kühlkanälen,
Fig. lOA und eine Ausführungsform einer Anrollelektrode lOB mit geschlossenem Kühlmittelkreislauf
und Fig. 11 Punktelektroden mit geschlossenem Kühlmittelkreislauf.
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Fig. 1A zeigt in Draufsicht zwei durch Preßschweißung miteinander
zu verbindende Teile 10 und 12. An dem Teil 10 anliegend ist eine Anrollelektrode
14 eines kontinuierlich arbeitenden Preßschweißgerätes angeordnet. Anliegend an
dem Teil 12 ist eine Anrollelektrode 16 angedeutet. Die Anrollelektrode 14 besteht
aus einer kreisrunden Scheibe, beispielsweise aus Elektrolytkupfer. Wie aus Fig.
1B zu ersehen ist, ist die Anrollelektrode 14 über ein Isolierelement 18 mit einer
Antriebseinheit 20 verbunden. In der Antriebseinheit 20 und dem Isolierelement 18
ist ein Kanal 22 ausgebildet, der an eine nicht gezeigte Kühlmittelquelle, beispielsweise
einen Vorratsbehälter mit flüssigem Stickstoff, angeschlossen ist. An den Kanal
22 schließt sich eine koaxial in der Anrollelektrode 14 ausgebildete Sacklochbohrung
24 an. In diese Sacklochbohrung 24 münden in der Anrollelektrode 14 speichenförmig
angeordnete Kanäle 26, welche in der Umfangsfläche 28 der Anrollelektrode 14 münden.
Bei den in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Ausführungsformen sind jeweils acht speichenförmig
verteilte Kanäle für das Kühlmittel in den Anrollelektroden vorgesehen. Das Kühlmittel
wird in Richtung des Pfeiles 30 durch den Kanal 22 und die Sacklochbohrung 24 in
die Anrollelektrode geführt, in welcher das Kühlmittel in die speichenförmigen Kanäle
26 eintritt. Da während des Preßschweißvorganges die Anrollelektrode 14 stark erwärmt
wird, erfolgt beim Austritt aus der Elektrode eine Phasenumwandlung des Kühlmittels
von dem Zustand flüssig zu gasförmig, wobei der Umgebung der Austrittsöffnung und
insbesondere der Elektrode Wärmeenergie entzogen wird. Die Mündungsöffnungen der
Kanäle 26 sind
deshalb in dem Bereich angeordnet, in welchem 11
@auptwarme entsteht. Durch geeigntete Verschlußorgane innerhalb der Elektrode oder
an derem Umfang ist es möglich, j#f3 Kühlmittel nur aus den Kanälen austreten kann,
die im 3etr en im Anpreßbereich der Elektrode münden. Als Kühlmittel wird bevorzugt
flüssiger Stickstoff verwendet, dessen Siedepunkt bei etwa - 1950 C liegt. Es ist
aber auch möglich, Wasser zur Kühlung der Elektrode heranzuziehen. Die in den Fig.
2A und 2B gezeigte Ausführungsform einer preßschweißvorrichtung entspricht der Vorrichtung
nach den Fig. 1A und 1B mit der Abweichung, daß das Kühlmittel über eine Zuführungsleitung
32 in Richtung des Pfeiles 34 von oben in die Anrollelektrode 36 zugeführt wird.
Dementsprechend weisen das ,An riebselement 20 und das Isolierelement 18 keinen
Kanal zur Führung des Kühlmittels auf. In der Anrollelektrode 36 ist eine Sacklochbohrung
38 in der freien Stirnfläche 40 ausge#i1det, in welche die Zuleitung 32 eingesetzt
ist. Die Verteilung der Kanäle 26 entspricht der des Ausführungsbeisp#eles nacn
Fig. 1A und 1B.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 3A und 3B entspricht der Ausführungsform
nach den Fig. 1A und 1B mit dem Unterscnied, daß an jedem Kanal 26 in der Anrollelektrode
14 bzw. 36 zwei divergierende Mündungsöffnungen 42, 44 ausgesildet sind, die etwa
im Randbereich der Umfangsfläche 46 bzw. 48 der Elektrode 14 bzw. 36 münden. Damit
wird eine bessere Verteilung des Kühlmittels und eine bessere Kühlung des Anpreßbereichs
der Elektroden ermöglicht. Bei der Rustihrungsform nach den Fig. 3A und 3B erfolgt
die Zuleitung des Kühlmittels durch das Antriebselement und das Isolierstück, während
die Zuführung bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4A und 4B durch die freie Stirnseite
der Anrollelektrode erfolgt.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5A und SB bzw. GA und 6B gehen
vom Ende jedes Kanals 26 in der Anrollelektrode 14 bzw. 36 zwei senkrecht verlaufende
Austrittskanäle
50, 52 aus, die in den Stirnflächen der Anrollelektroden
münden. Dadurch wird ein direkter Kontakt des Kühlmittels mit den zu verbindenden
Teilen 10 und 12 verhindert.
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In geringem Abstand zur Umfangsfläche 130 der Anrollelektrode 36 ist
eine zylindrische Abschirmwand 132 angeordnet, die mit ihren Enden 134 und 136 bis
in die Nähe des Kontaktbereichs 138 der Elektrode 36 mit dem Werkstück 10, 12 geführt
ist. An der Abschirmwand 132 sind Ringflächen 140, 142 angeformt, die mit ihrem
inneren Rand 144 bis in die Nähe der Stirnseiten 146, 148 der Elektrode geführt
sind.
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Die Breite der Abschirmwand 132 ist größer als die Stärke der Anrollelektrode
36, so daß Expansionskammern 150, 152 gebildet werden. Das aus den öffnungen 50,
52 innerhalb der Abschirmwand 132 austretende Kühlmittel streicht zwischen den Stirnflächen
146 bzw. 148 und den Innenseiten der Ringflächen 140 bzw. 142 entlang, wodurch die
Wärme der Elektrode abgeleitet wird. Die Abschirmwand ist über Streben 154 an dem
Gehäuse 156 der Anrollelektrode befestigt. Eine derart ausgebildete Abschirmwand
mit oder ohne Ringflächen ist ebenfalls für die Ausführungsformen nach den Fig.
1 bis 5 geeignet.
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Fig. 7 zeigt zwei Punktelektroden 60 bzw. 62 im Schnitt, zwischen
welchen zwei miteinander zu verbindende Teiile #4 und 66 angeordnet sind. In der
Elektrode 60 ist ein 68 und in der Elektrode 62 ein Kanal 70 ausgebildet. lurch
diese Kanäle 68 und 70 wird in Richtung der Pfeile 72 74 ein Kühlmittel, vorzugsweise
flüssiger Stickstoff, zU-geführt. An den Enden tritt das flüssige Kühlmittel aus
den Elektroden 60 bzw. 62 aus und wird dort infolge der starken Erwärmung der Elektrodenenden
von dem fiÜssige###n den gasförmigen Zustand umgewandelt. Dabei wird den der Elektroden
Wärme entzogen, so daß eine Kühlung der Elektroden erfolgt.
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Bei den in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen weisen Kühlmittelkanäle
80 bzw. 90 jeweils mindestens zwei
Austrittsöffnungen 82, 84 bzw.
92, 94 auf. Di2 Austritt öffnungen 82 und 84 verlaufen schräg zu der Acase des Kanals
80, während die AustrittsöfEnungen 92 und 94 senkrecht zu der Achse des Kanals 90
angeordnet sind. Durch diese .nordnung der Austrittsöffnungen wird der Anpreßbereich
der Elektroden nicht beeinträchtigt.
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Fig. 10 zeigt eine Anrollelektrode 160, die an einer Antriebseinheit
162 angeordnet ist. Durch die Drehachse 164 ist ein Zuführungskanal 166 und ein
in der gezeigten Ausführungsform konzentrischer Rückführungskanal 168 für dai Kühlmittel
angeordnet, das in Richtung des Pfeiles 17 in flüssiger Form zugeführt und in Richtung
des Pfeiles 172 in gasförmiger Form abgeführt wird.
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Innerhalb der Elektrode 160 sind speichenförmig über die Gesamtfläche
verteilt Kanäle 174 mit einer Zuleitung 1,6 und einer Ableitung 178 ausgebildet,
zwischen welchen eiì Verbindungsbereich 180 vorgesehen ist. Jeder Verbindungsbereich
180 ist soweit bis an die Umfangsfläche 182 der Anrollelektrode 160 herangeführt,
wie aus Stabilitätsgründen möglich. In diesem Verbindungsbereich 180 erfolgt im
Normalfall die Umwandlung der Phasen flüssig/gasförmig des Kühlmittels. Damit dabei
eine ausreichende Expansion des Kühlmittels erfolgen kann, weist die Ableitung einen
größeren Querschnitt auf als die Zuleitung. Die Zu- bzw. Abführung des Kühlmittels
ist wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2, 4 und 6 auch von der freien Stirnseite
der Elektrode möglich.
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Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform einer Punktschwei:3'-or richtung
mit zwei Elektroden 112, 114. In der Elektrode 112 ist ein Kanal 116 zur Zuführung
eines Kühlmittels in Richtung des Pfeiles 118 ausgebildet, an welchen sich im Endbereich
der Elektrode 112 ein Bogenstück 120 anschließt, das mit einem Rückführkanal 122
verbunden ist. Das Kühlmittel, das durch den Kanal 116 eingeleitet wird, nimmt im
Bereich des Bogens 120 die im Anpreßbereich der Elektrode 112 vorhandenes Wärme
auf und wird im gasförmigen Zustand
durch den Kanal 122 abgeleitet.
In der Elektrode 114 ist ein entsprechender Zuführungskanal 124 mit Verbindungsbogen
126 und Rückführkanal 128 ausgebildet. Der Querschnitt des Rückführkanals 128 ist
vorzugsweise größer als der des Zuführungskanals 124, so daß das Kühlmittel nach
Erreichen des Bogenstückes 120 ausreichend expandieren kann.