DE3724293A1 - Punktschweissvorrichtung zum kontaktschweissen mittels widerstandserwaermung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Punktschweißvorrichtung zum Kon­ taktschweißen mittels Widerstandserwärmung, wobei ein die Schweißelektrode tragender Elektrodenschlitten beweglich an einem feststehenden Vorrichtungsträger gelagert, linienförmig bewegbar und gegenüber dem Vorrichtungsträger voll isoliert ist, insbesondere zum Widerstandspunktschweißen von Miniatur­ kontakten auf einen Träger mittels eines Kurzzeit-Energieim­ pulses.

Derartige Widerstandsschweißvorrichtungen werden hauptsächlich zum Schweißen oder Hartlöten von Miniaturkontakten auf Kontakt­ trägern verwendet. Das Grundmaterial der Miniaturkontakte besteht in der Regel aus Silber, plattiert mit einem Schweißzu­ satzwerkstoff oder einem Hartlot unter Ausbildung eines soge­ nannten Schweißbuckels, auch als Schweißwarze bekannt. Die Kon­ takte werden von Bändern auf ca. 1,4 bis 2 mm abgelängt, sind ca. 0,8 mm breit und maximal 0,15 mm hoch. Um eine hohe Taktzahl zu erreichen, sind die Schweißvorrichtungen weitest­ gehend automatisiert und umfassen die Materialzuführung für Kontakt- und Trägermaterial, die Ablängeinrichtung für das Kontaktband, den Anschluß an einen Kurzzeit-Schweißtakter, eine feststehende und eine in einen beweglichen Elektrodenschlitten fest eingespannte Elektrode. Da in der Schweißvorrichtung wäh­ rend des Verbindungsvorganges durch die Elektroden eine Kraft auf Kontakt- und Kontaktträger ausgeübt wird, entsteht eine Widerstandspreßschweißung, die in charakteristischer Weise den im Moment der Erwärmung teigigen Schweißbuckel zusammendrückt. Um hierbei eine qualitativ hochwertige Verbindung zu erreichen, müssen mehrere wesentliche Erfordernisse an die Apparatur ge­ stellt werden. So muß die durch die bewegliche Elektrode auf­ gebrachte Schweiß- oder Andruckkraft genau bemessen werden. Zudem soll vermieden werden, daß beim Andrücken der Elektrode gegen das Werkstück ein Drehmoment entsteht, welches zu einer ungleichmäßigen Plazierung der Elektrodenspitze auf dem Kontakt führt und somit den wirksamen Querschnitt für den zu übertragenden Schweißstrom verringert, zu ungleichmäßigen Er­ wärmungen führt und schlimmstenfalls sogar einen Versatz zwi­ schen Kontakt und Kontaktträger bewirkt. Aus diesen Gründen werden an die Aufhängung und Führung des beweglichen Elektrodenschlittens höchste Ansprüche an Maßtoleranzen gestellt.

Eine derartige Schweißvorrichtung ist aus der Patentschrift DE 29 32 753 bekannt. Diese Patentschrift befaßt sich im we­ sentlichen mit der Materialzuführung zum Schweißautomaten. Bezüglich einer Isolierung zwischen der beweglichen Elektrode und dem tragenden Rahmen wird jedoch keine Aussage gemacht. In der Praxis verwendete Schweißvorrichtungen dieser Art bewerk­ stelligen die Längsführung des beweglichen Elektrodenschlit­ tens mittels Säulenführungen, wobei der tragende Rahmen zu­ gleich als Säulenführungsgestell dient und der bewegliche Elektrodenschlitten eingeklebte Isolierbuchsen aufweist, die auf den Säulen laufen. Eine Ausführung dieser Art führt durch die Verwendung von Isolierbuchsen, die in Bohrungen einge­ steckt und eingeklebt werden müssen, zu einem schweren und trägen Elektrodenschlitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufhängung des beweglichen Elektrodenschlittens in Kombination mit der elek­ trischen Isolierung zwischen Elektrodenschlitten und Vorrich­ tungsträger so zu gestalten, daß der Elektrodenschlitten neben seiner linienförmigen Hubbewegung, die durch ein Lager bewerk­ stelligt wird, möglichst keine Drehbewegungen, gleichbedeutend mit Verkantungen der Elektrode, ausführen kann und außerdem die Masse des beweglichen Elektrodenschlittens wesentlich reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Isolierung zwischen dem Vorrichtungsträger und dem Elektrodenschlitten aus einer plasmagespritzten Keramik­ schicht besteht.

Die Isolierung, die bisher aus eingeklebten Isolierbuchsen be­ stand, ist jetzt in Form einer plasmagespritzten Keramikschicht ausgeführt. Diese bietet sowohl hohe Fertigungstoleranzen, als auch hohe Formstabilität, wobei eine ausreichend gute Isolier­ fähigkeit bei relativ dünnen Schichtdicken erreicht werden kann. Die Unebenheiten dieser Keramikschicht, die nach dem Aufspritzen plangeschliffen wird, betragen weniger als 2 µm. Die beweglichen Teile und die zum Lager gehörenden Rollenumlaufführungen werden durch Befestigungsschrauben unter gleichzeitiger Pressung der Isolierung gehalten. Führt der Elektrodenschlitten nun seine linienförmigen Hubbewegungen aus, so ist durch die Festigkeit der keramischen Isolierschicht ausgeschlossen, daß sich der Elektrodenschlitten mit dem Lager und den Rollenumlaufführungen gegen den Vorrichtungsträger an der Stelle der Isolierung verkantet, was bei Verwendung von anderen Isoliermaterialien, z.B. Kunststoffen, auch wenn diese unter hoher Vorspannung stehen, nicht der Fall ist. Die Schichtdicken von keramischen plasmagespritzten Substanzen sind zur Isolierung dieser Vorrichtungen völlig ausreichend.

Durch den Einsatz einer plasmagespritzten keramischen Isolier­ schicht kann von der bisherigen Längsführung des Elektroden­ schlittens in Form einer Säulenführung auf eine vorteilhaftere Längsführung mittels einer Flachführung übergegangen werden, die von verschiedenen Lagerherstellern angeboten wird. Dies hat zur Folge, daß sich die Masse des Elektrodenschlittens im Verhältnis zu einer Ausführung entsprechend der oben genannten Patentschrift um bis zu 50% verringern läßt. Der daraus resultierende große Vorteil liegt in der damit erzielten größeren Beschleunigungsfähigkeit des Elektrodenschlittens. Diese Beschleunigungsfähigkeit wird in dem Moment gefordert, in dem die mit dem beweglichen Elektrodenschlitten geführte Elektrode auf dem zu verschweißenden Kontakt aufsetzt, ein Hebelarm über eine vorgespannte Andruckfeder die Schweißkraft auf den Elektrodenschlitten und die Elektrode aufbringt und der Schweißstromimpuls ausgelöst wird. Durch die Erwärmung des Schweißbuckels, der eine Höhe von ca. 0,02 mm hat, wird dieser in teigigen Zustand versetzt, und durch die anliegende Schweißkraft zusammengedrückt. Dies erfolgt bei einer Hartlötung analog wie bei einer Schweißung, mit dem Unterschied, daß sich das Hartlot durch seine benetzende Wirkung auf eine größere Fläche verteilt. Da der Vorgang des Kontaktschweißens mit einem Kurzzeit-Energieimpuls im Bereich unter einer Millisekunde liegt, muß die Masse des bewegten Systemes so klein sein, daß unter der konstant bleibenden Kraft der vorgespannten Andruckfeder das bewegliche System in der Lage ist innerhalb einer Zeit von wenigen Zehntel Millisekunden annähernd die Strecke zu überbrücken, die der Höhe des Schweißbuckels, der zusammengedrückt wird, entspricht.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die plasmage­ spritzte Keramikschicht zwischen dem Elektrodenschlitten und dem dazugehörigen Lager befindet. Eine derartige Konstruktion hat bereits auf Säulenführungen mit Isolierbuchsen verzichtet und damit die Masse des Elektrodenschlittens bereits verrin­ gert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß sich die plasmagespritzte Keramikschicht zwischen dem Vorrichtungsträger und dem Lager befindet. Auf diese Weise ist die Plazierung von Befestigungsschrauben, die die Teile zu­ sammenhalten, die durch die Isolierschicht getrennt sind, nicht auf dem beweglichen Teil vorzunehmen, sondern geschieht auf dem feststehenden Vorrichtungsträger. Diese Befestigungsschrauben müssen ihrerseits mit einer Isolierschicht oder mit Isolierringen versehen werden, wodurch sie einen wesentlichen Teil des Gesamtgewichtes eines Elektrodenschlittens ausmachen würden.

Der Einsatz eines Kreuzrollenlagers sorgt für eine vorteil­ hafte Längsführung mit geringen Toleranzen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Isolierung aus Al₂O₃-Keramik besteht. Plasmagespritzte Keramikschichten bestehend aus Al₂O₃ können zuverlässig hergestellt werden, und eine Nachbearbeitung in Form von Planschleifen erzielt die bereits genannte gute Ebenheit dieser Schicht.

Die Schichtdicken der Isolierung können in verschiedenen Stärken aufgetragen werden, wobei es sich als vorteilhaft her­ ausgestellt hat, eine Schichtstärke von 0,3 mm bis 0,5 mm zu verwenden.

Bei der für diese Schweißvorrichtungen geforderten hohen Takt­ zahlen ist es besonders hilfreich, wenn die Rückstellbewegung des Elektrodenschlittens, die durch den gleichen Hebelarm wie die Andruckbewegung erzeugt wird, ohne jegliches Drehmoment ge­ schieht. Dies wird durch den Einsatz einer massearmen Blattfe­ der bewerkstelligt, die am Elektrodenschlitten befestigt ist und am Hebelarm isoliert aufgehängt ist.

Die Feder zum Aufbringen der Schweißkraft ist gegen den He­ belarm isoliert abgestützt und zur Einstellung der Andruck­ kraft kann eine Schraube durch eine Bohrung sowohl von oben als auch von unten her verstellt werden. Zugleich ist eine Verdrehsicherung für eine Federaufnahmebuchse vorgesehen, die gleichzeitig als Anzeige für die eingestellte Anpreßkraft dient.

Um Erwärmungen bei sehr hohen Taktzahlen an den Einspannflächen der Elektrode am Elektrodenschlitten zu vermeiden, ist es bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Punktschweißvorrichtung zweckmäßig, eine Wasserkühlung in Form von zwei parallelen Bohrungen anzubringen. Diese beiden Bohrungen sind bei der Verwendung mehrerer Schweißstromkabel mittig zwischen zwei Kabeln angebracht.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird der für die Erfindung wesentliche Teil einer Punktschweißvorrichtung, der bewegliche Elektrodenschlitten mit der eingespannten Elektrode, den Zuleitungen und der Halterung am Vorrichtungsträger, schematisch dargestellt und erläutert.

Fig. 1 zeigt die teilweise aufgebrochen gezeichnete Frontan­ sicht des Elektrodenschlittens.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht des Elektrodenschlittens mit einem Teil des Vorrichtungsträgers.

In Fig. 1 sind die Versorgungsleitungen für den Schweißstrom und die Wasserkühlung in Form der Befestigungsschuhe 1, der Schweißstromkabel 2 und der Wasserkühlung 3 eingetragen. Die Wasserkühlung 3 ist gestrichelt gezeichnet, da sie nicht für jeden Schweißvorgang nötig ist und eine vorteilhafte Ausge­ staltung der Erfindung darstellt. Die Elektrode 12 ist über die Klemmbacke 16 fest mit dem Elektrodenschlitten 4 verbunden. Den Hebelarm 5, der hier in der Frontansicht zu sehen ist, muß man sich senkrecht zur Zeichenebene nach hinten verlängert vorstel­ len. Auf der einen Seite, maßgebend für die Rückstellbewegung des Elektrodenschlittens, ist der Hebelarm 5 über eine Isolie­ rung 23 und eine Halterung 20 gegen die Blattfeder 6 die meiste Zeit im Anschlag. Dies gilt im wesentlichen für die Rückstell­ bewegung und die Ruhelage, wobei gleichzeitig zwischen dem He­ belarm 5 und dem Isolierring 25, sowie der Federaufnahmebuchse 13 und der Einstellschraube 11 die vorgespannte Andruckfeder 7 die einstellbare Schweißkraft aufbringt. Eine Verdrehsicherung 10 dient zugleich als Einstellungsanzeige für die Schweißkraft. Durch die Bohrung 9 und durch die Bohrung 8 läßt sich diese Andruckkraft von außen mittels einer Schraube 11 einstellen.

Der Bewegungsablauf ist wie folgt:

• - der Elektrodenschlitten 4 bewegt sich innerhalb der Zeichen­ ebene nach oben und nach unten. Die Bewegung nach oben kommt der Rückstellbewegung gleich, die Bewegung nach unten dem Ar­ beitshub.
• - Der Hebelarm 5 bzw. die Stelle der Einspannung der Blattfeder 6 in den Hebelarm 5 bewegt sich nicht in der Blattebene, sondern beschreibt einen Kreisbogen, wobei jedoch durch den Einsatz der Blattfeder 6 keinerlei Momente auf den Elektrodenschlitten 4 übertragen werden. Während eines Ar­ beitshubes, in diesem Fall einer Bewegung nach unten, wird der Elektrodenschlitten 4 durch den Hebelarm 5 solange nach unten bewegt, bis die Elektrode 12 mit ihrer Spitze auf das zu verschweißende Werkstück aufsetzt. Anschließend wird die durch die vorgespannte Andruckfeder 7 eingestellte Andruck­ kraft durch einen geringfügigen Überhub des Hebelarmes 5 auf den Elektrodenschlitten 4, die Elektrode 12 und somit auch auf die zu verschweißenden Werkstücke, aufgebracht und der Anschlag zwischen Halterung 20 und Hebelarm 5 kurzzeitig ent­ lastet. Der gleichzeitig eingebrachte Kurzzeit-Energieimpuls sorgt für die nötige Erwärmung des Schweißbuckels, der durch die Andruckkraft unter gleichzeitiger Beschleunigung bzw. Nachfolgebewegung des Elektrodenschlittens 4 mit der Elek­ trode 12, zusammengedrückt wird.

In Fig. 2 ist zusätzlich zum Elektrodenschlitten mit den bereits in Fig. 1 beschriebenen Elementen und Anschlüssen ein Teil des Vorrichtungsträgers 21, sowie die Aufhängung des Elek­ trodenschlittens 4 mittels des Lagers 17 zu sehen. Die Isolie­ rung 15 ist in diesem Fall als eine plasmagespritzte Al₂O₃- Keramikschicht auf gehärtetem metallischen Untergrund ausge­ führt und befindet sich zwischen dem Vorrichtungsträger 21 und dem Lager 17. Das Lager 17 ist ein Kreuzrollenlager mit Rollenumlaufführung 18 mit dem äußerst geringe Toleranzen erzielbar sind. Über eine Andruckschraube 26 und eine Isolierung 15 wird das Lager 17 justiert. Die Befestigung der Rollenumlaufführungen 18 am Vorrichtungsträger 21 geschieht mittels Befestigungsschrauben 22, die auf ringförmigen Isolierungen 14 aufsitzen, um den Elektrodenschlitten 4 auch an dieser Stelle zu isolieren. Die Lage des Kontaktbandes 24 unter der Elektrode ist andeutungsweise eingezeichnet.

Die Isolierungen des Elektrodenschlittens 4 gegenüber dem gehärteten Vorrichtungsträger 21 geschehen somit statisch und spielfrei durch die Isolierungen 14 und 19, ohne Übertragung eines Momentes durch die Blattfeder 6, die mittels der Isolierung 23 aufgehängt ist, und dem Isolierring 25 zur Abstützung der freistehenden Feder 7, sowie mittels der erfindungswesentlichen plasmagespritzten Keramikschicht 15 auf dem feststehenden Vorrichtungsträger 21. Diese Schicht mit ca. 0,3 bis 0,5 mm Stärke, die meist auf gehärteten Stahl durch Plasmaspritzen aufgebracht wird, weist nach dem Planschleifen eine maximale Unebenheit von 2 µm auf und dient als Montage­ fläche zwischen Vorrichtungsträger 21 und feststehendem Teil des Lagers 17, den Rollenumlaufführungen 18. Durch die Verlagerung der Isolierung 15 zusammen mit der Einspannung in Form der Befestigungsschrauben 22 vom beweglichen Teil, dem Elektrodenschlitten 4, auf den feststehenden Teil der Vorrich­ tung und der Wahl einer vorteilhaften Längsführung ist der Elektrodenschlitten 4 wesentlich leichter geworden und kann somit bei gleichbleibender Andruckkraft mit höheren Beschleunigungswerten die Nachführbewegung während des Zusam­ mendrücken des Schweißbuckels ausführen. Durch die Möglichkeit die Isolierung 15 äußerst Plan zu schleifen und durch die hohe Festigkeit dieser Schicht ist es gewährleistet, daß sich der bewegliche Teil, der Elektrodenschlitten 4 mit einem Teil des Lagers 17 beim Arbeitshub, also während des Aufsetzens der Elektrode auf dem zu verschweißenden Teil unter gleichzeitigem Andrücken mit der eingestellten Anpreßkraft nicht mehr gegen­ über dem Vorrichtungsträger 21 verwindet, als es durch die To­ leranzen des Lagers 17 vorgegeben ist.

Die Bohrungen 8 und 9 und Bohrungen für eine Wasserkühlung ver­ ringern zusätzlich die Masse des Elektrodenschlittens 4.

Claims (11)

1. Punktschweißvorrichtung zum Kontaktschweißen mittels Wider­ standserwärmung, wobei ein die Schweißelektrode (12) tragender Elektrodenschlitten (4) beweglich an einem feststehenden Vorrichtungsträger (21) gelagert, linienförmig bewegbar und gegenüber dem Vorrichtungsträger (21) vollisoliert ist, ins­ besondere zum Widerstandspunktschweißen von Miniaturkontakten auf einen Träger mittels eines Kurzzeit-Energieimpulses, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierung zwischen dem Vorrichtungsträger (21) und dem Elektrodenschlitten (4) aus einer plasmagespritzten Keramik­ schicht besteht.

2. Punktschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Isolierung zwischen dem Vorrichtungsträger (21) und dem Elektrodenschlitten (4) zwischen dem Elektrodenschlit­ ten (4) und dem Lager (17) befindet.

3. Punktschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Isolierung zwischen dem Vorrichtungsträger (21) und dem Elektrodenschlitten (4) zwischen dem Vorrichtungsträ­ ger (21) und dem Lager (17) befindet.

4. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (17) aus mindestens einem Kreuzrollenlager be­ steht.

5. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus Al₂O₃-Keramik besteht.

6. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Isolierung 0,3 bis 0,5 mm beträgt.

7. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückstellbewegung des Elektrodenschlitten (4) durch einen Hebelarm (5) die isolierte Verbindung zwischen Elektrodenschlitten (4) und Hebelarm (5) aus einer Blattfeder (6) besteht.

8. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Anpreßkraft dienende Feder (7) über eine Schraube (11) wahlweise durch eine Bohrung (8) von oben oder durch eine Bohrung (9) von unten her einstellbar ist.

9. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (7) auf einem Isolierring (23) und einer Feder­ aufnahmebuchse (13) lagert und die Verdrehsicherung (10) zu­ gleich eine Anzeige für die eingestellte Anpreßkraft ist.

10. Punktschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenschlitten (4) mit zwei parallen Bohrungen für eine Wasserkühlung (3) versehen ist.

11. Punktschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bohrungen mittig zwischen zwei Schweißstrom­ kabeln (2) angeordnet sind.