DE3741602C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Hoch­ frequenzwiderstandspunktschweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Vergangenheit wurde Widerstandspunktschweißen üblicher­ weise bei der normalen 60 Hertz Netzfrequenz durchgeführt. Bei solchen Frequenzen waren die in der Vergangenheit benutzten Transformatoren ziemlich groß und schwer. Solche Schweißtrans­ formatoren wiegen oftmals 100 Pfund oder mehr per Stück.

Die Größe und das Gewicht solcher Ausrüstungsgegenstände ver­ ringert in hohem Maße ihren Nutzen und verhindert dadurch, daß sie nahe dem Schweißbereich aufgestellt werden. Da­ durch, daß Transformatoren in einer wesentlichen Entfernung von dem Schweißbereich aufgestellt wurden, wurden in der Ver­ gangenheit besonders lange Leitungen zwischen dem Schweißtrafo und den Schweißelektroden benutzt.

Weiterhin wiesen Schweißsysteme der Vergangenheit im allge­ meinen einen einzelnen Transformator auf, der Strom an zwei Schweißelektroden lieferte, die so angeordnet waren, daß sie Strom an das Werkstück führten, wobei durch die Elektroden eine Schweißkraft ausgeübt wurde, um die zu verschweißenden Werkstücke bei einer gewünschten Temperatur zu verschweißen.

Bei einer solchen Vorrichtung waren zwei Leitungen einer Art nötig, um den Schweißstrom zwischen dem Transformatorausgang und den Schweißelektroden zu transportieren. Weil Widerstands­ schweißen hohe Ströme erfordert (von 5000 bis 50 000 oder mehr Ampere), müssen die Leitungen zum Transport des Schweiß­ stromes einen großen Querschnitt aufweisen und aus einem guten elektrischen Leiter, wie Kupfer, hergestellt sein. Diese Anforderung macht die Widerstandsschweißapparate schwer, schwierig zu bewegen und teuer. Oft wird Wasserkühlung für diese Leitungen benötigt, was die Kosten und die Komplexität weiter erhöht.

Diese Leitungen sind auch hilfreich bei der Bereitstellung einer stabilen Rahmenkonstruktion, um Kraft auf die Schweiß­ elektroden auszuüben, während sie zueinander ausgerichtet sind, was ein wichtiger Gesichtspunkt beim Widerstandsschweißen ist.

Weil die Schweißelektroden in Beziehung zueinander bewegbar sein müssen, um die erforderliche Schweißkraft aufzubringen, muß mindestens einer der Leiter durch eine Art von flexiblem oder gleitendem Gelenk flexibel sein, um solche Bewegungen zu ermöglichen. Wenn eine Schweißung in einem Bereich er­ forderlich ist, der eine gewisse Entfernung von der Kante des Werkstückes aufweist, müssen die Leiter lang genug sein, um hinüber zu dem Schweißbereich zu reichen. Wenn das zu schwei­ ßende Werkstück sich bewegt, wie auf einem Automobilmontage­ band, ist der Leiter zwischen dem Transformator und den Schweiß­ spitzen ein langes flexibles Kabel.

Die Leiter, die in herkömmlichen Widerstandspunktschweiß­ systemen den Schweißtransformator mit den Elektroden verbin­ den, sind eine wesentliche Ursache für eine Wirkungsgradver­ schlechterung, besonders, wenn sie wegen eines großen Werkstückes lang sein müssen, wobei flexible Kabel benutzt werden. Es ist nicht ungewöhnlich, daß mehr als dreiviertel der totalen Energie des Schweißtransformators in den Leitungen wegen der Widerstands- und der Leitungswirkung in Wärme verwandelt werden. In einigen Anwendungen kann die Spannung, die der Schweißtransformator abgibt, zu 95% ver­ ringert werden, bevor sie die Schweißstelle erreicht. Eine der­ artige Vorrichtung ist aus der US-PS 44 96 821 bekannt.

Auch wurden in der Vergangenheit zuweilen speziell geformte Leiter und/oder Elektroden benötigt, wenn die Schweißstelle von einigen Hindernissen umgeben war. Diese besonders geform­ ten Teile mußten leitend und stabil sein, so daß sie in der Vergangenheit gewöhnlich aus Metall waren, was ihre Kosten und ihr Gewicht erhöhte.

Weiter waren beim herkömmlichen Widerstandsschweißen die Leiter zwischen dem Schweißtransformator und den Elektroden eine wesentliche Quelle von Wartungsproblemen. Der problem­ reichste Bereich der Leitungen war der Punkt, wo sie flexibel sind, um eine Bewegung der Schweißelektroden zu ermöglichen. Bewegliche Gelenke, die an diesen Stellen große Ströme auf­ nehmen, verursachen Maschinenstillstände, da die beweglichen Teile verschleißen und ermüden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energiesparende, leichte Punktschweißvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt getrennte Schweiß­ geräte, die räumlich spiegelbildlich so angeordnet sind, daß sie sich an gegenüberliegenden Seiten des punktzuschweißenden Werkstückes befinden. Dabei ist der Transformator von mindestens einem dieser Schweißgeräte zusammen mit den Elektroden auf die zu verschweißenden Werkstücke zu beweglich. Jedes Schweißgerät enthält einen Schweiß­ transformator, der in einer bevorzugten Ausgestaltung einen einstückigen, U-förmigen Transformatorsekundärkreis mit inte­ grierten Elektrodenteilen, einen endlosen Transformatorkern, der zentral den U-förmigen Transformatorsekundärkreis umgibt, und eine um den Kern gewickelte Transformatorprimärspule ent­ halten kann. Die Vorrichtung ist eingerichtet, um elektrische Hochfrequenzwiderstandsschweißsignale durch jede Primärwicklung zu leiten, die phasenbezogen eingestellt sind, so daß sie einander während des Schweißvorgangs unterstützen, und die Vorrichtung ist eingerichtet, um Schweißdruck zwischen den Enden des U-förmigen Transformatorsekundärkreises auszuüben, um gleich­ zeitig zwei Widerstandsschweißungen zu bewirken.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Widerstandspunktschweißvorrichtung, welche in ei­ ner bevorzugten Ausgestaltung einstückige U-förmige Transfor­ matorsekundärteile mit integrierten Elektrodenteilen enthal­ ten kann, werden elektrische, in Phase liegende Widerstandspunktschweiß­ signale zugeführt, so daß ein Druck-Zugschweißen zwischen den Elektrodenteilen des Sekundärkreises des Transformators be­ wirkt und Schweißdruck zwischen den Transformatorsekundär­ teilen ausgeübt wird.

Anders als in herkömmlichen Widerstandsschweißgeräten bewe­ gen sich in der bevorzugten Ausgestaltung die Transformatoren zusammen mit den Schweißelektroden, um das Einsetzen von zu schweißenden Werkstücken dazwischen zu ermöglichen. Normaler­ weise ist das stabile Verbinden und das Bewegen des Schweiß­ transformators mit den Schweißelektroden unmöglich, weil die Natur des Widerstandsschweißverfahrens ein schnelles Bewegen der Schweißelektroden zunächst auseinander, dann aufeinander zu erfordert, während das geschweißte Metall sich ausdehnt und dann teilweise schmilzt, um die Schweißverbindung zu bil­ den. Wenn die Schweißlinse gebildet wird, müssen die Schweiß­ elektroden sich schnell bewegen können, da das Metall seine Größe verändert, um einen gleichmäßigen Schweißdruck im Schweißbereich aufrechtzuerhalten.

Jedoch ist mit dem leichten Gewicht der erfindungsgemäßen Hochfrequenztransformatoren diese schnelle Bewegung möglich, ohne daß man auf flexible stromführende Teile zwischen dem Transformator und den Schweißelektroden zurückgreifen muß.

Da in dieser Erfindung die Schweißtransformatoren und Elek­ troden eine integrierte Einheit sein können, ändert sich die Natur einer integrierten Transformatorschweißpistole wesentlich. Anders als bei herkömmlichen integrierten Trans­ formatorwiderstandsschweißpistolen leitet der Körper der Pistole keine Elektrizität. Daher ist es möglich, den mecha­ nischen Körper der Schweißpistole aus Kunststoff oder einem anderen leichtgewichtigen aber stabilen Material herzustellen. Da elektrische Leitfähigkeit bei der Werkstoffauswahl keine Rolle spielt, ist eine größere Wahlfreiheit bei den Werk­ stoffen möglich.

Mit den kleinen Transformatoren und der Möglichkeit einer sehr kleinen und leichten Schweißpistole sind Schweißanwen­ dungen, die Tragfähigkeit und/oder die Fähigkeit in einge­ schränkten Bereichen zu arbeiten erfordern, möglich.

Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltskizze der Doppeltransformator-Hochfre­ quenzwiderstandspunktschweißvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Ausgestaltung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine Teilansicht einer weiteren Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Punktschweißvorrichtung,

Fig. 4 eine Ansicht des Teiles der Vorrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist,

Fig. 5 ist eine Draufsicht der in Fig. 4 gezeigten Vor­ richtung.

Die Doppeltransformator-Hochfrequenzwiderstandspunktschweiß­ vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 beinhaltet Schweißvorrichtungen 10 und 12 an gegenüberliegenden Seiten der zu punktschweißenden Werkstücke 14 und 16.

Die Schweißvorrichtung 10 umfaßt einen Transformator 18, Mittel 20, um Schweißdruck auf den Sekundärkreisteil 22 des Transformators 10 auszuüben, welcher, wie später zu sehen sein wird, integrierte Schweißelektrodenteile aufweist und eine Quelle 24 für elektrische Hochfrequenzschweißenergie, die mit dem Primärkreis 26 des Transformators 10 verbunden ist.

Ähnlich umfaßt die Schweißvorrichtung 12 einen Transformator 28, Mittel 30, um Schweißdruck auf das Sekundärkreisteil 32 des Schweißtransformators 12 auszuüben, welcher ebenfalls integrierte Schweißelektrodenteile und eine Quelle 34 für elektrische Hochfrequenzschweißenergie aufweist, die mit dem Primärkreis 36 des Transformators 12 verbunden ist.

Eine Synchronisiervorrichtung 38 ist zwischen der Quelle der elektrischen Schweißenergie 24 und der Quelle der elektrischen Schweißenergie 34 vorgesehen, um die elektrischen Signale zu synchronisieren, so daß die Schweißenergie durch die Trans­ formatorsekundärkreise 22 und 32 verstärkt wird, um Druck- Zugschweißen zu bewirken, wie im folgenden betrachtet wird.

Im besonderen sind die Transformatorsekundärteile 22 und 32 gleich und sind aus einem vollen Stück leitfähigen Werkstoffs wie Kupfer hergestellt und für die Benutzung als Schweißelek­ troden geeignet. Die Transformatorensekundärteile 22 und 32 sind somit einstückige Transformatorsekundärteile.

Die Transformatorsekundärteile 22 und 32 können z. B. U-förmig sein, wie am besten in Fig. 2 gezeigt, wobei die U-förmigen Teile etwa 5 cm am offenen Ende voneinander entfernt, 5 cm hoch und 5 cm dick sind. Die Transformatorsekundärteile sind so ausgerichtet, daß sie in einer spiegelbildlichen Be­ ziehung zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke 14 und 16, wie gezeigt, angeordnet sind.

Die Transformatoren 10 und 12 können ferner Kerne 40 und 42 enthalten, wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, die endlose Teile mit allgemein rechtwinkligem Gesamtumriß sind und welche die Mitten- oder Verbindungsteile der U-förmigen Transformatorprimärteile, die damit verbunden sind, umgeben.

Die Transformatorkerne 40 und 42 können tatsächlich ein Teil der tragbaren Druck-Zugwiderstandspunktschweißvorrichtung sein. Somit können die Kerne 40 und 42 benutzt werden, um die Punktschweißvorrichtungen 10 und 12 nahe den Werkstücken 14 und 16 an den Schweißstellen abzustützen.

Während des Betriebes sind die Schweißvorrichtungen 10 und 12 an gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke 14 und 16 ange­ ordnet, wobei die Enden der integrierten Transformatorsekun­ därteile und Elektroden, wie gezeigt, ausgerichtet sind. Synchronisierte elektrische Hochfrequenzwiderstandspunkt­ schweißsignale werden von den Signalquellen 24 und 34 zu­ geführt, und zwar so durch die Synchronisiervorrichtung 38 synchro­ nisiert, daß die durch die Transformatorsekundärkreisteile 22 und 32 fließenden Schweißströme einander verstärken, um zwei gleichzeitige Schweißungen zwischen den Enden der Transformatorsekundärteile 22 und 32 zu bewirken.

Mit solcher Vorrichtung und einem Betrieb der Quellen der elektrischen Schweißenergie bei Hochfrequenz von z. B. zwi­ schen 500 und 5000 Hertz, können die Transformatorkerne 40 und 42 und deswegen die Transformatorsekundärkreisteile 22 und 32 und die Primärwindungen 26 und 36 wie gewünscht klei­ ner ausgeführt werden, so daß sie in tragbaren Schweißvor­ richtungen angeordnet werden können, die nahe an der Schweiß­ stelle auf den Werkstücken 14 und 16 angeordnet werden. Mit solch einer Vorrichtung und solch einem Verfahren kann ein komplettes Schweißsystem unter 50 Pfund wiegen, wobei jeder Schweißtransformator nur 15 Pfund wiegt.

Zusätzlich, wie leicht zu verstehen ist, eliminiert die oben beschriebene Vorrichtung, die in den Fig. 1 bis 5 gezeigt wird, die langen schweren Leitungen und die Energieverluste und Wartungsprobleme solcher Lei­ tungen zwischen den Schweißelektroden und Transformatoren der herkömmlichen Widerstandsschweißvorrichtungen voll­ ständig.

In der Ausgestaltung der Erfindung, wie in Fig. 3 bis 5 gezeigt, sind die Schweißtransformatoren 50 und 52 auf ge­ genüberliegenden Seiten der punktzuschweißenden Werkstücke 54 und 56 angeordnet. Die Transformatoren 50 und 52, wie in den Fig. 3 bis 5 gezeigt, sind identisch und beinhalten wiederum Primär- und Sekundärkreise, die durch einen nicht gezeigten Transformatorkern getrennt sind.

Die Transformatoren können wassergekühlt sein. Zu diesem Zweck sind eine Wassereinlaßöffnung 58 und eine Wasseraus­ laßöffnung 60 und eine Wassereinlaß- und -auslaßöffnung 62 und 64 an den Transformatoren 50 bzw. 52 vorgesehen.

Gegenüberliegende, ausgerichtete Schweißelektroden 68, 70, 72 und 74 sind mit den Transformatorsekundärkreisen verbun­ den und sind in gegenüberliegender Beziehung auf gegenüber­ liegenden Seiten der Werkstücke, wie am besten in Fig. 3 gezeigt ist, angeordnet.

Die Elektroden 68, 70, 72 und 74 sind von den Transformator­ sekundärkreisen abnehmbar, mit denen sie verbunden sind.

Somit können die Transformatorsekundärkreise irgendwelche gewickelte Transformatorsekundärkreise sein, die Ausgangs­ öffnungen aufweisen, an die die Elektroden angeschlossen werden können.

Weiter ist für Fachleute ersichtlich, daß die Elektroden versetzt werden können, um den Abstand zwischen den auszu­ führenden Schweißungen zu verändern, oder wahlweise können getrennte Transformatorsekundärkreise mit einem festen ver­ schiedenen Abstand zwischen den daran befestigten Elektroden benutzt werden, um verschiedenen Schweißabstand zu bewirken.

Wie gezeigt, können die Transformatorvorrichtungen 50 und 52 jeweils etwa 0,0018 m³ einnehmen, wobei sie bis zu 30 000 Ampere an die Werkstücke abgeben.

Zusätzlich können, wie oben ausgeführt, die Transformatoren von einer leichtgewichtigen Rahmenvorrichtung abgestützt wer­ den, die tatsächlich aus nichtleitendem Material, wie Kunst­ stoff, bestehen kann, da keine Notwendigkeit besteht, Strom durch die Rahmenteile des Schweißgerätes zu leiten, von dem die Transformatoren 50 und 52 einen Teil darstellen.

Schweißkraft wird direkt auf die Transformatoren von gegen­ überliegenden Richtungen ausgeübt. Wahlweise kann, falls ge­ wünscht, einer der Transformatoren stationär sein und die Schweißkraft auf den anderen Transformator ausgeübt werden.

Die Transformatoren bewegen sich mit den Elektroden, um eine Punktschweißung zu bewirken und da sie leicht sind im Vergleich zu herkömmlichen Schweißtransformatoren, behindern sie nicht die Produktionsrate der Punktschweißvorrichtung, die erfin­ dungsgemäß ausgeführt ist.

Es kann auch, wie angedeutet, eine oder beide der Transformatorvorrichtungen in jeder Ausgestal­ tung bewegt werden, und der Schweißdruck kann durch eine ein­ zelne Vorrichtung, die mit einem einzelnen Transformatorsekun­ därteil verbunden ist, aufgebracht werden, wenn das gewünscht ist. Ebenfalls, wenn es gewünscht wird, kann der Transformator­ sekundärteil anders gestaltet sein als U-förmig und tat­ sächlich, wie vorgeschlagen, eine herkömmliche Transforma­ torwindung sein, mit getrennten Elektrodenteilen, die durch sehr kurze Leiter damit verbunden sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Hochfrequenzwiderstandspunkt­ schweißen mit auf gegenüberliegenden Seiten der zu ver­ schweißenden Werkstücke angeordneten Schweißelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei Transformatoren (18, 28; 50, 52) mit jeweils einem Primärkreis (26, 36) und einem Sekundärkreis vorgesehen sind,
• - die Elektroden (22, 32; 68, 70, 72, 74) mit dem Sekundärkreis jeweils eines Transformators (18, 28; 50, 52) fest verbunden sind und
• - mindestens ein Transformator zum Aufbringen des Schweißdruckes zusammen mit den Elektroden auf die zu ver­ schweißenden Werkstücke (14, 16) zu bewegbar angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schweißelektroden im Transformatorsekundärkreis integriert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Transformatorsekundärkreis ein U-förmiges Teil (22, 32) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schweißelektrode mit den Enden des U-förmigen Teils verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißdruck direkt auf die Schweißelektroden gebracht wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärkreise des Transfor­ mators synchronisiert sind, um phasengleiche Widerstands­ schweißsignale an den Transformatorsekundärkreisen zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der dem Primärkreis der Transformatoren zugeführten Spannung zwischen 500 und 5000 Hertz liegt.