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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von Blechen mittels Schweißelektroden,
insbesondere zum Punktschweißen
von Aluminiumblechen, wobei neben einem dem Aufbau der Elektrodenkraft
und der Einleitung der Elektroden-Schließbewegung dienenden primären Bewegungseinleitungselement
ein weiteres, der Elektrode unmittelbar zugeordnetes sekundäres Bewegungseinleitungselement
vorhanden ist.
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Eine solche Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von
Blechen ist durch die
DE
32 41 897 A1 bekannt geworden. Darin wird ein Widerstands-Punktschweißverfahren
beschrieben, bei dem eine Schweißmaschine zum Einsatz kommt,
die einen Elektrodenhalter mit einem festen unteren Arm und einem
beweglichen oberen Arm umfaßt,
wobei über
eine im einzelnen nicht gezeigte mechanische oder hydraulische Vorrichtung
eine den beweglichen Arm beaufschlagende Kraft ausgeübt wird.
Darüber hinaus
ist ein Federelement vorhanden, welches zwischen der mechanischen
bzw. hydraulischen Vorrichtung und der eigentlichen Elektrode geschaltet
ist.
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Ziel dieser Vorrichtung ist es, den
Elektrodenweg indirekt durch Ausnutzung der Tatsache zu erfassen,
daß die
mechanische Kraft, die auf die Elektrode ausgeübt wird, eine Änderung
erfährt, wenn
die zu verbindenden Werkstoffe in den Schmelzzustand übergehen
und die Elektroden einzusinken beginnen.
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Die durch die Feder ausgeübte Kraft
ist eine Funktion der Federsteifigkeit und der statischen Durchfederung.
Jede Änderung
der statischen Durchfederung (erzeugt durch den Schmelzbeginn) erzeugt
eine Änderung
der Kraft, der die Elektrode ausgesetzt ist. Ein auf diese Kraftänderung
hinweisendes Signal kann dann elektronisch verarbeitet und zur Steuerung
oder Überwachung
des Schweißprozesses
ausgenutzt werden.
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Eine weitere gattungsbildende Vorrichtung geht
aus dem Gebrauchsmuster
DE
89 10 447 U1 hervor. Darin wird eine Abstützvorrichtung
für Schweißelektroden
beschrieben, die an einem Elektrodenhalter angebracht ist, der zum
selbsttätigen Nachsetzen
der Schweißelektrode über ein
elastisches Zwischenglied mit einem Träger verbunden ist. Das elastische
Zwischenglied ist als in Achsrichtung des Trägers in seiner Länge verstellbarer
Druckluftzylinder ausgebildet, dessen gegeneinander verstellbare
Bauteile einerseits an dem Träger
und anderseits an dem Elektrodenhalter befestigt sind.
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Ausgehend von dem Grundgedanken,
einer Schweißelektrode
primäre
und sekundäre
Bewegungseinleitungselemente zuzuordnen, liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend
weiterzubilden, daß bei äußerst kompakter
Bauweise der Vorrichtung die Einflußnahmemöglichkeiten auf den eigentlichen Schweißprozeß erweitert
werden können.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 zu sehen. Die Verwendung eines den piezoelektrischen
Effekt in seiner Umkehrwirkung (angelegte Spannung regt piezoelektrisches
Element zu Schwingungen oder Dicken- bzw. Längenänderungen an) nutzender Aktuators, dessen
unmittelbare Zuordnung zur Elektrode und Aufnahme in den Elektrodenhalter
eröffnet
vielseitige Möglichkeiten
der Einflußnahme
auf den Schweißprozeß. In den
Unteransprüchen
sind diesbezüglich vorteilhafte
Weiterbildungen aufgezeigt.
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Durch die
DE 37 11 771 C2 ist bereits
ein Verfahren und eine Einrichtung für die Prozeßregelung beim Punktschweißen bekannt
geworden, wobei während
des Schweißens
Prozeßgrößen erkannt,
gespeichert und einer Steuereinrichtung zur Verarbeitung zugeführt und
mit den Werten einer vorgegebenen optimierten Schweißung verglichen
werden, damit die Steuereinrichtung in den ablaufenden Schweißprozeß regelnd
eingreifen kann. Dabei ist der beweglichen Schweißelektrode
ein Bewegungssignalaufnehmer zugeordnet und an dieser angebracht.
Hierbei kann auch ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer
Verwendung finden. Dieser wird allerdings ausschließlich zur
Aufnahme und Weitergabe von Meßwerten
genutzt, so daß allein von
daher aus dieser Vorveröffentlichung
für die
Erfindung keine Anregungen abgeleitet werden konnten.
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Eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung
ist allerdings aus der
DE
33 04 811 C2 bekannt geworden, aus der aber kein Bezug
zu Schweißvorrichtungen
ableitbar ist.
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Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung wird nachstehend
anhand von Ausführungsbeispielen
weiter erläutert.
Dabei zeigt
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1 eine
schematisierte Darstellung einer Schweißmaschine mit erfindungsgemäßer Beaufschlagung
der Elektrode,
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2 eine
vergrößerte Detaildarstellung
einer Elektrodenhalterung,
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3 eine
weitere Ausführungsform
einer Elektrodenhalterung in teilgeschnittener Darstellung,
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4 eine
Elektrodenhalterung mit quergerichtetem Piezo-Aktuator,
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5 eine
Elektrodenkappe mit aufgerauhter Kontaktfläche und
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6 eine
Elektrodenkappe mit halbkugelförmig
erhabener Kontaktfläche.
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Die in 1 gezeigte
Schweißmaschine 1 weist
zunächst
den üblichen
Aufbau auf. So umfaßt sie
unter anderem einen festen unteren Elektrodenarm 2 und
einen ihm zugeordneten beweglichen oberen Elektrodenarm 3. Über diese
Elektrodenarme 2, 3 wird der Schweißstrom von
einer Sekundärwicklung 4 eines
Transformators 5 angelegt, dessen Primärwicklung 6 über die
Leitungen 7, 8 mit Wechselstrom (60 Hz) gespeist
wird.
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Zwischen den Elektrodenarmen 2, 3 befinden
sich die miteinander zu verschweißenden (Schweißlinse 9)
Bleche 10, 11. Die sie in diesem Bereich kontaktierenden
Elektroden 14, 15 sind jeweils von einem Elektrodenhalter 16, 17 aufgenommen, d.h.
in ihm eingefaßt,
wobei jeder Elektrodenhalter 16, 17 wiederum am
unteren bzw. oberen Elektrodenarm 2, 3 befestigt
ist.
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Für
eine opitmale Schweißprozeßregelung werden
in bekannter Weise sowohl mechanische als auch elektrische Stellgrößen verwendet.
Die mechanischen Stellgrößen sind
hierbei Elektrodenkraft, -geschwindigkeit, -beschleunigung und Elektrodenweg, während die
elektrischen Stellgrößen im wesentlichen
der Spannungsabfall zwischen den Elektroden, der Schweißstrom,
Impulsdauer und der zeitliche Verlauf von Übergangs- und Werkstoff-Widerstandsänderung
während
des Schweißvorganges
sind.
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Die Elektrodenkraft F wird von einem
hydraulisch bzw. pneumatisch wirkenden Kraft- bzw. Bewegungseinleitungselement 18 über den
oberen beweglichen Elektrodenarm 3 und den von ihm aufgenommenen
Elektrodenhalter 17 auf die Elektrode 15 gebracht.
Dieser ist, wie in 2 näher gezeigt
ist, ein sekundäres
Bewegungseinleitungselement in Gestalt eines piezokeramischen Aktuators 19 zugeordnet,
der ebenfalls vom Elektrodenhalter 17 aufgenommen wird
und über
Leitungen 20, 21 mit einer schweißmaschinenseitigen
Steuereinheit 24 verbunden ist.
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Wie aus 2 im Detail näher hervorgeht, ist der piezokeramische
Aktuator 19 als Elongator wirkend ausgeführt, wobei
als Scheiben ausgebildete und einen der Stromzuführung dienenden Elektrodenschaft 23 umgebende
piezokeramische Elemente 25 vorgesehen sind, die, eine
Aktuator-Säule
bildend, übereinandergeschichtet
sind und jeweils unter Zwischenschaltung eines der elektrischen
und thermischen Isolation dienenden, druck- und temperaturfesten
Zwischenstückes 32 einenends
an einer oberen Stirnfläche 26 der
Elektrode 15 anliegen, während das gegenüberliegende
Ende der Säule
von einer Spannschraube 27 gebildet wird, welche in ein Gewinde 28 eingesetzt
ist, das wiederum in eine Bohrung 29 im Elektrodenhalter 17 eingearbeitet
ist, wobei diese Bohrung 29 im wesentlichen der Aufnahme
und Lagefixierung von piezokeramischem Aktuator 19 und
Elektrode 15 dient.
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Der Elektrodenschaft 23 ist
in schweißstromübertragender
und eine mehr oder weniger geringfügige Axialbewegung zulassender
Weise über
Spannschraube 27 und Elektrodenhalter 17 an den
oberen beweglichen Elektrodenarm 3 angeschlossen.
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Die Elektrode 15 ist in
bekannter Weise dergestalt geformt, daß sie zur Elektrodenkappe 30 hin konisch
verjüngt
ist. Ist die elektrodenhalterseitige Bohrung 29 ebenfalls
entsprechend geformt (Konus 33), so wird dadurch neben
der gegenüberliegenden Spannschraube 28 ein
weiterer Anschlag gebildet, um die Axialbeweglichkeit von Aktuator-Säule und Elektrode 15 entsprechend
begrenzen zu können. Ein
gewisses Bewegungsspiel ist erforderlich, um der Aktuatorsäule die
notwendige Längenänderung
zu ermöglichen.
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Der Elektrodenhalter 17 ist
mittels Außengewinde 34 von
einer elektrodenarmseitigen Gewindebohrung 35 aufgenommen
und mittels Kontermutter 36 in seiner Lage fixiert.
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Werden nun während des Schweißprozesses
Steuersignale (elektrische Spannungen entsprechender Größenordnung
und Frequenz) über
die Steuereinheit 24 in den Aktuator 19 eingeleitet,
so bewirkt dies eine Dickenänderung
der einzelnen piezokeramischen Elemente 25, die sich zu
einer Gesamt-Dickenänderung
bzw. -Höhenänderung
der Aktuator-Säule
aufsummiert und damit eine zusätzliche Axialbewegung
der Elektrode 15 mit vorgegebenem Hub und vorgegebener
Frequenz hervorruft. Dies geschieht in Überlagerung zu der vom Bewegungseinleitungselement 18 aufgebrachten
Elektrodenkraft F.
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Somit können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die vorstehend bereits erwähnten
mechanischen Größen (Elektrodenkraft,
-geschwindigkeit, -beschleunigung und -weg) der Schweißprozeßregelung
in gewünschter
Weise beeinflußt
werden.
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Wie in 2 desweiteren
durch gestrichelte Linien angedeutet, können im Bereich des Durchtritts der
Elektrode 15 aus dem Elektrodenhalter 17 an diesem
stegförmige
Fortsätze 37 angebracht
sein, deren Höhe
so an die Elektrodenkappe 30 angepaßt ist, daß sie sich dann, wenn während des
Schweißprozesses
das Metall in den Schmelzzustand übergeht und die Elektrodenklappe 30 in
den Blech-Werkstoff einzusinken beginnt, randseitig am Blech 11 abstützen und
somit die Einsinkbewegung begrenzen. insoweit erfüllen die
Fortsätze 37 die
Funktion von Abstandhaltern. Es ist selbstverständlich, daß durch entsprechende Werkstoffauswahl
der Fortsätze 37 sichergestellt
bleibt, daß der
Stromfluß in
jedem Falle über
die Elektrode 15 in die zu verbindenden Bleche 10, 11 gelangt,
und nicht über
die Fortsätze 37.
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Der die Elektrode 14 aufnehmende
Elektrodenhalter 16 ist ebenfalls wie vorstehend beschrieben
aufgebaut, weist also ebenfalls einen piezokeramischen Aktuator 19 auf.
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Eine gegenüber der Ausführungsform
nach 2 etwas modifizierte
Ausführung
einer Elektrodenhalterung ist in teilgeschnittener Darstellung in 3 gezeigt. Dabei ist ein
schaftförmiger
Elektrodenhalter 61 über
einen oberen Anschlußkegel 62 mit
dem in dieser Darstellung nicht gezeigten oberen beweglichen Elektrodenarm 3 verbunden,
während das
untere Ende 63 des Elektrodenhalters 61 ebenfalls konusförmig ausgebildet
ist und die Elektrode 15 aufnimmt. Ein von einzelnen ringscheibenförmigen und übereinandergeschichtet
angeordneten piezokeramischen Elementen 25 gebildeter Aktuator 64 stützt sich
einenends unter Zwischenschaltung eines der elektrischen und thermischen
Isolation dienenden, druck- und temperaturfesten Zwischenstückes 65 an
einer oberen Anlageschulter 66 des Elektrodenhalters 61 ab,
während
das untere Ende des Aktuators 64 an einer den Elektrodenhalter 61 in
diesem Bereich umgebenden Hülse 67 zur
Anlage kommt, die über
ihren Umfang wiederum mit stegförmigen Fortsätzen 68 ausgestattet
ist, die den bereits in Zusammenhang mit der Ausführungsform
nach 2 erläuterten
Zweck dienen. Mittels einer auf ein elektrodenhalterseitiges Gewinde 69 aufgeschraubten Spannmutter 70 und
sich zwischen dieser und der Hülse 67 abstützenden
Tellerfeder 71 kann der Aktuator 64 mechanisch
vorgespannt werden. Die Hülse 67 ist
vorzugsweise aus einem dem Zwischenstück 65 entsprechendem
Material gefertigt, da auch an dieser Stelle eine elektrische und
thermische Isolation vonnöten
ist.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit
der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergibt sich
beim Verschweißen von
Blechen aus einer Aluminiumlegierung. Solche Bleche sind mit einer
dünnen,
dichten und ausgesprochen harten und überdies elektrisch nicht leitenden
Oxidschicht (Al2O3)
versehen, die sich auf der Aluminiumoberfläche bei deren Kontakt mit Luft
oder wässrigen
Lösungen
bildet und gerade auch zu der bekannten besonderen Korrosionsbeständigkeit
des Aluminiums beiträgt.
Diese fehlende elektrische Leitfähigkeit
ist allerdings für
den Schweißprozeß hinderlich,
da dadurch zwischen Elektrodenkappe 30 und Blech 11 ein
relativ hoher Übergangswiderstand
entsteht.
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Dies kann nun allerdings dadurch
beseitigt werden, daß durch
entsprechende Ansteuerung der piezokeramischen Aktuatoren
19,
64 ein
Anschwingen der Elektroden
15,
16 auf der Blechoberfläche vor
dem eigentlichen Schweißvorgang
eingeleitet wird, um dadurch eine schlagende Wirkung zu erzielen
und die Al
2O
3-Schutzschicht
zu zerstören.
Hierfür ist
es zweckmäßig, die
Elektrodenoberfläche
besonders verschleißfest
auszubilden, z.B. mittels Titannitrid- oder Titancarbonitrid-Verbindungen
zu beschichten, wie bereits in der
DE 41 10 539 A1 vorgeschlagen wurde.
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An der Kontaktfläche Blech 11/Blech 10 bleiben
die Al2O3-Schutzschichten
erhalten, so daß beim Stromdurchgang
die für
die Verschweißung
(Linsenbildung) notwendige Joule'sche
Wärme erzeugt
werden kann.
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Die vorgenannte schutzschichtzerstörende Wirkung
durch Ansschwingen der Elektrode 15, 16 kann durch
entsprechende Modifikation der Elektrodenkappen-Oberfläche noch
unterstützt
werden. So kann anstatt der ansonsten üblichen polierten eine aufgerauhte
(erodierte) Oberfläche 38 vorgesehen sein,
wie dies in 5 angedeutet
ist. Gleichfalls denkbar wäre
eine halbkugelförmige Überhöhung 39 im
mittleren Bereich der Elektrodenkappe 30, wie dies in 6 gezeigt ist.
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Ein Ausschwingen der Elektrode 31 kann
sowohl in vertikaler Richtung (in Richtung der Elektrodenkraft F)
sinnvoll sein, aber auch eine dazu quergerichtete Anschwingbewegung,
für die
eine Anordnung gemäß 4 erforderlich ist.
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Hier weist ein Elektrodenhalter 40 quergerichtete
Bohrungen 41, 42 auf, die eine der Aufnahme und
Führung
der Elektrode 31 dienende vertikal gerichtete Bohrung 43 im
Elektrodenhalter 40 rechtwinkelig schneiden. Ein in die
quer gerichtete Bohrung 41 eingesetzter Aktuator 44 wirkt
bei Anlegen von Spannung (Zuleitungen 20, 21)
in der bereits in Zusammenhang mit den Erläuterungen zu 2 beschriebenen Weise auf die Elektrode 31 ein
und regt diese zu Querbewegungen an.
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Die Elektrode 31 bildet
gleichzeitig die eine stirnseitige Begrenzung für den Aktuator 44,
während die
anderweitige stirnseitige Begrenzung wiederum von einer Spannschraube 45 gebildet
wird, die in ein Gewinde 46 der Bohrung 41 eingesetzt
ist. Auch hier dienen wieder Zwischenstücke 22 der elektrischen und
thermischen Isolation. Die erforderliche Rückstellkraft wird von gegenüberliegend
in die quergerichtete Bohrung 42 des Elektrodenhalters 40 eingesetzten
und unmittelbar auf die Elektrode 31 wirkenden Tellerfedern 47 aufgebracht.
Diese werden mittels Spannschraube 48 unter eine definierte Druck-Vorspannung
gesetzt, die über
die Elektrode 31 unmittelbar auf den Aktuator 44 wirkt.
Es versteht sich, daß die
Bohrung 43 gegenüber
dem Querschnitt der Elektrode 31 ein gewisses Übermaß aufweist,
das nach wie vor eine den Erfordernissen entsprechende Halterung
und Führung
der Elektrode 31 gewährleistet,
andererseits aber eine über
den Aktuator 44 eingeleitete quergerichetete Schwingbewegung
der Elektrode 31 zuläßt.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei
Schweißmaschinen
beschränkt,
sondern auch z. B. bei von Gelenkarmrobotern geführten Schweißzangen
usw. denkbar.
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Abweichend von der Anwendung piezokeramischer
Elemente gemäß der aufgezeigten
Ausführungsbeispiele
wäre auch
denkbar und im Rahmen der Erfindung liegend, andere, den piezoelektrischen Effekt
in seiner Umkehrung nutzende Werkstoffe, z. B. Quarzkristalle, Turmalin,
Seignettesalz in geeigneter Weise einzusetzen.