DE3641545C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßkopf für eine Widerstands­ schweißeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kraftmeßkopf wird beim Widerstandsschweißen zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Elektrodenkraft einge­ setzt. Die Elektrodenkraft wird hierbei von einem unter mechani­ scher Vorspannung stehenden elektrischen Kraftaufnehmer im Inne­ ren des Meßkopfes gemessen. Die Schweißelektrode ist zentral auf der einen Seite und die Polplatte auf der anderen Seite des Meßkopfes angeordnet. Zwischen ihnen befindet sich der Käfig, der für den Schweißstrom eine leitende Verbindung zwischen Schweißelektrode und Polplatte herstellt. Die Schweißelektrode und der elektrische Kraftaufnehmer sind hierbei kraftflußmäßig in Reihe geschaltet. Durch den Käufig, der einen Kraftnebenschluß zum elektrischen Kraftaufnehmer darstellt, wird die für den elektrischen Kraftaufnehmer benötigte Vorspannkraft aufgebracht.

Bekannt ist, die Elektrodenkraft über ein mechanisches Druckmeß­ system (Bourdon-Rohr) zu bestimmen (GB-PS 7 17 356 von 8. 4. 1953). Der Nachteil dieses von seinem Aufbau her wenig robusten Meß­ systems ist, daß es den großen mechanischen Belastungen beim Schweißen nicht gewachsen ist. Beim Aufsetzen der Elektroden vor dem Schweißen können Beschleunigungen bis über 100 g auftreten, beim Schweißen bis zu 10 g. Diese Beschleunigungen können die Funktion des komplizierten mechanischen Systems beeinträchtigen oder das Meßsystem sogar zerstören. Ein weiterer Nachteil des mechanischen Systems ist, daß kein Meßsignal erzeugt wird, das für eine Weiterverarbeitung, etwa zu Steuer- und Regelzwecken, nutzbar ist.

Weiterhin ist bekannt, den zweitlichen Verlauf der Elektroden­ kraft durch einen mit einem piezoelektrischen Kraftaufnehmer ausgestatteten Meßkopf zu messen (Informationsschrift "Der Schlatter-Meßkopf" der Firma Schlatter, Prosp. Nr. 30.87 D, Schlieren/Schweiz, Mai 1972). Der Kraftaufnehmer ist dabei in­ nerhalb des Meßkopfes mechanisch vorgespannt. Dadurch wird ein definierter Bezugswert für das Ausgangssignal bei der Kraftmes­ sung während des Schweißvorgangs vorgegeben. Die Vorspannkraft wird hierbei im wesentlichen durch die Biegekraft einer Platte aufgebracht.

Dieser Meßkopf - bestehend aus Schweißelektrode, piezoelektri­ schem Kraftaufnehmer und den piezoelektrischen Kraftaufnehmer umschließendem Käfig - wird vom Schweißstrom mit Stromstärken von etwa 5 bis über 100 kA durchflossen. Es kommt innerhalb des Meßkopfes zur Erwärmung infolge der elektrischen Übergangswider­ stände in den Trennfugen zwischen den einzelnen Teilen des Meß­ kopfes und infolge des elektrischen Widerstands der stromführen­ den Teile. Die Erwärmung führt insbesondere bei großen Strom­ stärken über 50 kA zu einer Ausdehnung des Käfigs und damit zu einem Abfall der Vorspannkraft am piezoelektrischen Kraftaufneh­ mer. Infolgedessen treten Meßfehler auf, die sich durch einen Abfall des Kraftsignals während des Schweißvorgangs bemerkbar machen, auch wenn die Elektrodenkraft unverändert bleibt. Ein Messen des Abfalls der Vorspannkraft nach Beendigung des Schweißvorgangs und nach Wegnahme der Elektrodenkraft ermöglicht nur eine unvollkommene nachträgliche Nullpunktkorrektur des während des Schweißvorgangs gemessenen Kraftsignals. Um den Schweißvorgang mittels der Schweißprozeßgrößen gezielt optimie­ ren zu können, muß der zeitabhängige Verlauf sowohl des Schweiß­ stroms als auch der Elektrodenkraft während des Schweißvorgangs sehr genau gemessen werden können.

Bekannt ist weiterhin, diesen Meßfehler durch ein sogenanntes "weiches Gehäuse" zu verringern (Zeitschrift "Schweißen und Schneiden", Jahrgang 35, 1983, Heft 1, Seiten 28 bis 32). Bei dem "weichen Gehäuse" wird die Federsteifigkeit des Käfigs kon­ struktiv durch Verwenden mehrerer hintereinander geschalteter und miteinander verschraubter Kreisringscheiben unterschiedli­ chen Durchmessers herabgesetzt. Dadurch wird bei gleicher Vor­ spannkraft der nachteilige Einfluß der Erwärmung auf die Vor­ spannkraft vermindert.

Ein Nachteil dieser Ausführung ist, daß der Gehäuseaufbau sehr kompliziert ist und die Fertigung der Einzelteile und der Zusam­ menbau der Meßeinrichtung einen hohen Herstellungsaufwand bedeu­ tet. Durch die zahlreichen Teilfugen zwischen den einzelnen Kreisringscheiben sind viele elektrische Übergangswiderstände vorhanden, die bei großen Schweißströmen zu einer erheblichen zusätzlichen Erwärmung des Gehäuses führen. Außerdem setzen die elektrischen Übergangswiderstände den maximal an der Schweiß­ elektrode zur Verfügung stehenden Schweißstrom herab, so daß der Kennwert der Schweißeinrichtung "maximal schweißbare Blechdicke" bei gleicher elektrischer Leistung verringert wird. Ein weiterer Nachteil ist, daß sich die vielen Teilfugen nicht sicher gegen einen Kühlmittelaustritt abdichten lassen, so daß aus diesem Grund auf eine Wasserkühlung verzichtet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftmeßkopf so zu gestalten und in seinem Aufbau zu vereinfachen, daß er unem­ pfindlich gegen große mechanische Belastungen ist und daß die durch den Stromfluß während des Schweißvorgangs auftretende Joulesche Wärme vermindert wird und sie außerdem keinen den Kraftmeßvorgang beeinträchtigenden Abfall der Vorspannkraft am elektrischen Kraftaufnehmer bewirkt und darüber hinaus ein wei­ terverarbeitbares Meßsignal zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kraftmeßkopf durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einem bestimmten für den Schweißstrom erforderli­ chen Querschnitt der Plattenfeder deren Federsteifigkeit gegen­ über einer Vollkörperausführung durch Schlitze und/oder Hohl­ räume auf einfache Weise herabgesetzt werden kann. Es wird in der Regel eine flache Federkennlinie (Federkraft über Verfor­ mungsweg) des Käfigs angestrebt. Durch die Anzahl und die Ge­ staltung der Schlitze und/oder Hohlräume in der Plattenfeder kann die Federkennlinie des Käfigs sehr einfach auf die Feder­ kennlinie beliebiger elektrischer Kraftaufnehmer abgestimmt werden. Die Wärmeausdehnung des Käfigs infolge der Jouleschen Wärme beim Schweißvorgang führt deshalb nur zu einem sehr gerin­ gen Abfall der Vorspannkraft am elektrischen Kraftaufnehmer, so daß der Meßfehler sehr klein wird. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Hohlräume in der Platten­ feder parallel zur Oberfläche der Plattenfeder angeordnet sind und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung um die Mittelachse des Käfigs umlaufende Ringnuten sind. Diese lassen sich mit einfachen Fertigungsmitteln vom Außendurchmesser des Käfigs in die Plattenfeder einarbeiten. Die Ringnuten können am Außen­ durchmesser durch Kreisring-Segmentbleche verschlossen und mit­ tels Lötung stoffschlüssig mit den Nutwänden verbunden werden. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Hohlräume durch übereinandergeschichtete Blechlamellen her­ zustellen, deren jeweiliger Abstand voneinander die Breite der Hohlräume festlegt.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens können sich diese Blechlamellen teilflächig oder ganzflächig berühren. Bei sehr dünnen Blechlamellen hat die Plattenfeder einen Aufbau wie ein sogenanntes "Stromband" zur Stromzuführung bei Widerstands­ schweißeinrichtungen.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, die Schlitze und Hohlräume derart zu gestalten und so zueinander anzuordnen, daß Kanäle für Kühlmittel geschaf­ fen werden, die ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen. Hierdurch wird ein sehr gutes Kühlvermögen der Plat­ tenfeder gewährleistet, so daß einerseits weniger Joulesche Stromwärme entsteht, weil der temperaturabhängige spezifische elektrische Widerstand des Käfigwerkstoffs kaum größer wird und andererseits die entstehende Joulesche Wärme schnell durch ein Kühlmittel abgeführt werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, den Käfig aus einem Stück zu fertigen. Durch Vermeiden von Trennfugen treten keine elektrischen Übergangswiderstände im Käfig auf, so daß beim Stromfluß weniger Wärme im Käfig ent­ steht.

Die Erfindung wird anhand von 4 Figuren, die verschiedene Aus­ führungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Kraftmeßkopf im Längsschnitt entsprechend der Linie AB in Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kraftmeßkopf aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Käfig entsprechend der Linie CD in Fig. 2,

Fig. 3a bis 3c Varianten zu Fig. 3 und

Fig. 4 einen Schnitt durch den Käfig entsprechend der Linie AB in Fig. 3b.

Der in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßkopf 1 besteht aus dem elektri­ schen Kraftaufnehmer 7 und dem diesen umschließenden Käfig 2, der mit seinem zylinderförmigen Teil 3 die Schweißelektrode 9 aufnimmt und an seinem anderen Ende mit der Polplatte 8 verbun­ den ist. Die Polplatte 8 befindet sich auf dem Schweißtisch der Widerstandsschweißeinrichtung. Die Plattenfeder 4, die Teil des Käfigs 2 ist, ist mit Schlitzen 5 versehen. Im zylinderförmigen Teil 3 befinden sich Bohrungen für eine Wasserkühlung.

Die Elektrodenkraft wird von der Elektrode 9 über den zylinder­ förmigen Teil 3 des Käfigs 2 und die elektrisch isolierenden Beilagen 6 auf den elektrischen Kraftaufnehmer 7 übertragen und über eine weitere elektrisch isolierende Beilage 6 von der Pol­ platte 8 und dem Schweißtisch aufgenommen. Der elektrische Kraftaufnehmer 7 wird von dem Ring 14 und der Isolierhülse 10 zentriert.

Die für den elektrischen Kraftaufnehmer 7 erforderliche Vorspan­ nung wird durch die Federkennlinie des Käfigs 2 und die Spalt­ weite zwischen Käfig 2 und Polplatte 8 bei der Montage vorgege­ ben.

Die Übertragung des Schweißstromes erfolgt von der Elektrode 9 über den Käfig 2 auf die Polplatte 8. Die Schlitze 5 der Platten­ feder 4 des Käfigs 2 sind so gestaltet und angeordnet, daß sie dem Stromfluß keinen Widerstand entgegensetzen. Die Abdichtung 15 verhindert ein Eindringen von Staub oder Wasser durch die Schlitze 5 in den Innenraum 16 des Käfigs 2.

In Fig. 2 und 3 ist die Ausführung der radialen Schlitze 5 in der Plattenfeder 4 des Kraftmeßkopfes 7 aus Fig. 1 dargestellt.

In Fig. 3a ist eine Plattenfeder 4 dargestellt, in der die Hohl­ räume 11 als Ringnuten ausgeführt sind.

Die in Fig. 3b gezeigte Ausführung der Plattenfeder 4 besteht aus Blechlamellen 12, die in Umfangsrichtung durch die Schlitze 5 unterbrochen sind. Der Abstand der Blechlamellen 12 voneinan­ der in Dickenrichtung der Plattenfeder 4 legt die Breite der Hohlräume 11 fest.

In Fig. 3c sind die Hohlräume 11 als Kühlkanäle 13 in der Plat­ tenfeder 4 ausgeführt. Die Kühlkanäle 13 können an die Wasser­ kühlung im zylinderförmigen Teil 3 des Kraftmeßkopfes 1 ange­ schlossen sein.

Die in Fig. 4 dargestellte Plattenfeder 4 besteht aus den Blech­ lamellen 12, die am Außenumfang des Käfigs 2 miteinander stoff­ schlüssig, z. B. durch Hartlötung, verbunden sind.

Claims (8)

1. Kraftmeßkopf für eine Widerstandsschweißeinrichtung mit einem unter mechanischer Vorspannung stehenden elektrischen Kraftaufnehmer, einer Schweißelektrode und einem den elek­ trischen Kraftaufnehmer umschließenden Käfig, bestehend aus Polplatte, zylinderförmigen Teilen und einer Plattenfeder, über den die Stromzuführung für die Schweißelektrode er­ folgt und der die Vorspannkraft für den elektrischen Kraft­ aufnehmer im wesentlichen mittels der Federsteifigkeit seiner Plattenfeder aufbringt, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein oder mehrere von der Mitte des Käfigs (2) nach außen führende Schlitze (5) in der Plattenfeder (4) und/oder eine oder mehrere in der Plattenfeder angeordnete Hohlräume (11) sowohl eine auf den elektrischen Kraftauf­ nehmer (7) abgestimmte Federkennlinie des Käfigs (2) fest­ gelegt wird als auch Kühlmöglichkeiten in der Plattenfeder (4) geschaffen werden.

2. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schlitze (5) von der Mitte des Käfigs (2) radial nach außen verlaufen und senkrecht zur Oberfläche der Plattenfeder (4) angeordnet sind.

3. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Hohlräume (11) parallel zur Oberfläche der Plattenfeder (4) angeordnet sind.

4. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (11) um die Mittelachse des Käfigs (2) umlaufende Ringnuten sind.

5. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlräume (11) durch übereinandergeschichtete Blechlamellen (12) gebildet werden, deren jeweiliger Abstand voneinander die Breite der Hohlräume (11) fest­ legt.

6. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Blechlamellen (12) teilflächig oder ganz­ flächig berühren.

7. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schlitze (5) als auch die Hohlräume (11) derart gestaltet und so zueinander angeordnet sind, daß Kanäle (13) für Kühlmittel gebildet werden, die ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen.

8. Kraftmeßkopf nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (2) aus einem Stück gefertigt ist.