DE4403503C2 - Buckelschweißverfahren und -vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Buckelschweißverfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Ein solches Ver­ fahren ist aus dem Taschenbuch "DVS-Merkblätter Widerstands­ schweißtechnik", 2. Auflage, Band 68, Teil III, Seiten 52 bis 58, "Buckelschweißverfahren von unlegiertem Stahl" bekannt.

Das sogenannte Buckelschweißen gehört zu den Widerstands­ schweißverfahren, bei denen die miteinander zu verbinden­ den, elektrisch leitenden Werkstücke bereits vor dem Schließen des Schweißstromkreises gegeneinandergedrückt werden. Der Anpreßdruck bleibt auch während des eigent­ lichen Schweißvorganges und danach solange bestehen, bis die gebildete Schmelze erstarrt ist und somit die bei­ den Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden sind.

Beim Buckelschweißen werden die Berührungsstellen der beiden Werkstücke durch wenigstens einen, im Regelfall aber mehrere Buckel definiert, die über die Oberfläche des einen Werkstückes vorspringend an diesem ausgebildet sind und vermittels derer dieses Werkstück die Oberfläche des anderen Werkstücks berührt, während ansonsten kein weiterer Kontakt zwischen den Werkstücken vorhanden ist. Die elektrischen Übergangswiderstände an diesen Berüh­ rungsstellen liegen zwar im Milliohm-Bereich, doch ist dies im Vergleich zu dem restlichen extrem niederohmig gehaltenen Schweißstromkreis ausreichend "hochohmig", um beim Schließen des Stromkreises einen erheblichen Anteil der zur Verfügung gestellte elektrische Energie an den durch die Buckel definierten Berührungspunkten in Form von Wärme freizusetzen. Durch diese Wärme werden die Buckel und die von ihnen berührten Oberflächenbereiche des an­ deren Werkstückes zumindest teilweise zum Schmelzen ge­ bracht. Aufgrund des erwähnten Anpreßdruckes nähern sich die beiden Werkstücke so lange aneinander an, bis sie sich flächig berühren, wobei an den Stellen, an denen vorher die Buckel waren, nunmehr linsenförmige, mit Schmelze ausgefüllte Volumenbereiche ausgebildet sind, die sich mit einer gewissen Eindringtiefe in jedes der beiden Werkstücke hinein erstrecken. Durch die Wärmeleit­ fähigkeit der Werkstücke wird die in diesen Volumenbe­ reichen enthaltene Wärme rasch abgeführt, so daß die Schmelze schnell erstarrt und die Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden sind.

Um sicherzustellen, daß ein hoher ohm'scher Widerstand, an dem eine Wärmeerzeugung stattfindet, ausschließlich zwischen den beiden Werkstücken vorhanden ist, müssen die beiden Elektroden, über die der Schweißstrom den Werkstücken zu- bzw. abgeführt wird, einen sehr guten, d. h. einen extrem kleinen Übergangswiderstand aufweisen­ den Kontakt zum zugehörigen Werkstück besitzen. Sind die Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und dem jeweiligen Werkstück zu groß, so erzeugt der Schweißstrom an diesen Kontaktstellen sehr viel Wärme, die an den ei­ gentlichen Schweißstellen fehlt und im ungünstigsten Fall dazu führen kann, daß es zu einer Verschweißung der Elek­ troden mit dem entsprechenden Werkstück kommt. Um dies zu vermeiden, verwendet man nach dem Stand der Technik einer­ seits Elektroden, die aus einem Material, z. B. Kupfer, be­ stehen, das relativ weich ist und nur eine geringe Neigung zeigt, mit dem Metall der Werkstücke, z. B. Edelstahl, eine Schweißverbindung einzugehen. Zum anderen werden die Elek­ troden mit hohem Druck gegen die Werkstücke gepreßt. Die hierfür benötigte Anpreßanordnung wird nach dem Stand der Technik gleichzeitig auch dazu verwendet, die beiden Werk­ stücke aneinander anzudrücken. Es bildet also eine der beiden Elektroden ein Widerlager, an dem das eine Werk­ stück abgestützt wird. Das zweite Werkstück wird dann in der richtigen Lage an das erste angelegt und die zweite Elektrode auf der dem ersten Werkstück gegenüberliegenden Seite mit einem möglichst großen Druck so gegen das zweite Werkstück gepreßt, daß die gesamte Anordnung während des Schweißvorganges und dem nachfolgenden kurzen Abkühlungs­ zeitraum zusammengehalten wird.

Nachteilig ist dabei, daß die gesamte Vorrichtung groß und schwer ausgebildet werden muß, damit die erforderlichen hohen Andruckkräfte aufgebracht, übertragen und widerlager­ mäßig abgestützt werden können. Auch wird mit sehr niedri­ gen Schweißspannungen im Bereich von einigen Volt ge­ arbeitet, was einen entsprechend hohen Schweißstrom er­ fordert. Um diesen Strom möglichst niederohmig zu den Elektroden führen zu können, müssen die Zuleitungen von der Schweißstromquelle sehr kurz und mit großen Querschnit­ ten ausgebildet sein, was ebenfalls zu einer großen Bau­ form und einem hohen Gewicht der bekannten Buckelschweißvor­ richtungen führt.

Aus der US-Patentschrift 3,162,748 ist es bekannt, die beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke über einen nicht vom Schweißstrom durchflossenen Stempel gegeneinander zu drücken. Dort erfolgt die Stromzufuhr zu einem der beiden Werkstücke, das aus einem Blechstück, insbesondere einer aus­ gestanzten Ziffer zum Anschweißen an einem Zifferblatt, be­ steht, über das Blechmaterial, aus dem es ausgestanzt wurde. Der sich an dieser Stanzlinie anstellende undefinierte Über­ gangswiderstand führt dazu, daß sich auch an der eigentlichen Schweißstelle keine definierten, reproduzierbaren Verhält­ nisse einstellen.

Aus DE 38 33 287 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Widerstandsschweißen bekannt. Abgesehen davon, daß sich diese Druckschrift nicht mit den speziellen Problemen beim Buckelschweißen befaßt, wird auch dort der Schweißstrom über diejenigen Elemente zugeführt, die den Anpreßdruck zwischen den beiden Werkstücken bestimmen, so daß sich bei einer An­ wendung dieses Standes der Technik auf das Buckelschweißen die oben erläuterten Schwierigkeiten ergeben würden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die zu seiner Durchführung erforderliche Vorrichtung kleiner und leichter als bisher ausgebildet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im An­ spruch 1 zusammengefaßten Merkmale vor.

Diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die extrem hohen Anpreßkräfte beim Stand der Technik vor allem deswegen aufgewendet werden, weil sich beim Wegschmelzen der Buckel eine Relativbewegung zwischen den beiden Werkstücken ergibt, mit der sich diese zwar aneinander annähern sich aber gleichzeitig von der zugehörigen Elektrode weg bewegen. Damit es hierbei nicht zu einer zu starken Vergrößerung des Übergangswiderstan­ des zwischen den Elektroden und den Werkstücken kommt, muß nach dem Stand der Technik dafür gesorgt werden, daß trotz des unvermeidbaren Druckverlustes ein ausreichend hoher Anpreßdruck insbesondere für jedes der Elektroden- Werkstück-Paare aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten: Der Druckverlust muß dadurch vorkompensiert werden, daß der vor dem Schmelzen der Buckel ausgeübte Anfangsdruck erheblich höher gewählt wird, als der zur Aufrechterhaltung der erforderlichen niedrigen Übergangswiderstände erforder­ liche Druck während des eigentlichen Schweißvorganges.

Gemäß der Erfindung werden nun die beiden Elektroden un­ abhängig von der Kraft gegen das jeweilige Werkstück ge­ preßt, die zum Andrücken der beiden Werkstücke aneinander aufgebracht wird. Dadurch bleibt der Anpreßdruck jeder der beiden Elektroden gegen das zugehörige Werkstück von der beim Wegschmelzen der Buckel auftretenden Relativbe­ wegung unberührt, so daß die oben erwähnte Vorkompensation nicht erforderlich ist. Der Anpreßdruck der Elektroden muß lediglich so groß gewählt werden, daß die Übergangswider­ stände wesentlich kleiner sind, als der Übergangswiderstand zwischen den beiden Werkstücken. Letzterer kann dadurch stark vergrößert werden, daß der Anpreßdruck, mit dem die bei­ den Werkstücke gegeneinander gepreßt werden, erheblich kleiner als beim Stand der Technik gewählt wird. Dies bietet in Verbindung mit den konstant bleibenden Anpreß­ drücken der Elektroden gegen die Werkstücke den weiteren Vorteil, daß mit einer wesentlich höheren Schweißspannung als beim Stand der Technik und somit mit einem entspre­ chend niedrigeren Schweißstrom gearbeitet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen der Schweißstromquelle und den Elektroden vergleichsweise lange, einen kleinen Quer­ schnitt aufweisende Zuleitungen zu verwenden. Alle diese Maß­ nahmen führen zu einer deutlich verringerten Bauform und zu einem erheblich kleineren Gewicht der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Buckelschweißvor­ richtung. Außerdem kann bei höherer Spannung mit kürzeren Schweißzeiten gearbeitet werden. Dies führt zu geringeren Wärmeverlusten, so daß die Schweißenergie reduziert werden kann. Außerdem kommt es zu einer geringeren Durchwärmung der Werkstücke, so daß die Gefahr einer Verfärbung auf den der Schweißstelle gegenüberliegenden Seiten vermindert ist.

Besonders vorteilhaft ist es, den Schweißstrom dadurch zur Verfügung zu stellen, daß beim Schließen des Schweiß­ stromkreises eine Kondensatorbatterie unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Transformators entladen wird. Eine solche Kondensatorbatterie ist ohne weiteres in der Lage, den Schweißstrom, der beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren zwar niedriger ist, als beim Stand der Technik, aber doch noch so hoch, daß er bei einer unmittelbaren Entnahme aus dem Netz zu erheblichen Kosten führt, in äußerst günstiger Weise zur Verfügung zu stellen, da sie bei niedriger Netzbelastung über einen längeren Zeitraum aufgeladen und beim Schweißvorgang dann sehr schnell entladen werden kann.

Diese und andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens sowie eine zu seiner Durchführung bevorzugte Vorrichtung sind in den Unteransprüchen nieder­ gelegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur in stark schematisierter Weise eine Seitenansicht einer zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Buckelschweißverfahrens ausgebildeten Vorrichtung.

In der Figur ist ein Werkstück 1 als ebenes Blech wieder­ gegeben, das in dem Bereich, in dem es mit dem L-förmig abgewinkelten Werkstück 2 durch Buckelschweißen verbunden werden soll, auf einem unbeweglichen, massiven Gegenlager 3 aufliegt.

Das winkelförmige Werkstück 2 ist so angeordnet, daß sich sein einer Schenkel 4 in etwa parallel zum ebenen Werkstück 1 und in einem geringen Abstand von diesem erstreckt.

Dieser Abstand wird dadurch erzielt, daß der Schenkel 4 auf seiner dem Werkstück 1 zugewandten Oberfläche mehrere, beispielsweise durch einen Prägevorgang ausgebildete und zum Werkstück 1 hin vorspringende Buckel aufweist, von denen in der Zeichnung zwei Buckel 5, 6 zu sehen sind.

Auf der den Buckeln 5, 6 gegenüberliegenden Seite des Schenkels 4 befindet sich ein in der Figur nach unten beweglicher Anpreßstempel 7, mit dessen Hilfe das Werk­ stück 2 in Richtung des Pfeiles K mit einer definierten Kraft gegen das Werkstück 1 gedrückt werden kann.

Die Anordnung ist zu einem Zeitpunkt gezeigt, in dem noch kein Schweißstrom geflossen ist, so daß die Buckel 5, 6 die beiden Werkstücke 1, 2 gegen die Kraft K so auf Abstand halten, daß sich diese nur in den "Punkten" berühren, in denen die Buckel 5, 6 auf der ihnen zugewandten Oberfläche des Werkstückes 1 aufliegen.

An dem in der Figur vertikalen Schenkel 8 des gewinkelten Werkstückes 2 ist eine Klemmvorrichtung 10 angebracht, die mit einer hohen Anpreßkraft Elektroden 11 gegen das gewin­ kelte Werkstück 2 anpreßt, die über ein Stromzuführkabel mit dem einen Anschluß einer nicht gezeigten Schweißstromquelle verbunden sind.

Die Anpreßkraft, mit der die Elektroden 11 gegen das Werk­ stück 2 gedrückt werden, erfolgt in Richtung des Pfeiles P₁ und ist von der Kraft K, mit der die beiden Werkstücke 1, 2 gegeneinandergedrückt werden, völlig unabhängig.

Eine zweite Klemmvorrichtung 14 preßt gegen das Werkstück 1 zwei Elektroden 15, die über ein Stromzuführkabel 16 und einen nicht gezeigten Schalter mit dem anderen Anschluß der Schweißstromquelle verbunden sind. Auch der in Rich­ tung des Pfeiles P₂ erfolgende Anpreßdruck der beiden Elektroden 15 gegen das Werkstück 1 ist unabhängig von der Kraft K und dem Druck P₁.

Wird nun durch Betätigen des erwähnten Schalters der Schweißstromkreis geschlossen, so fließt der Schweißstrom über die Buckel 5, 6 von dem einen Werkstück auf das an­ dere und wegen des vergleichsweise hohen Übergangswider­ standes an den Stellen, an denen die Buckel 5, 6 die Ober­ fläche des Werkstückes 1 berühren, kommt es dort zu einer starken Erhitzung, und die Buckel 5, 6 sowie die ihnen un­ mittelbar gegenüberliegenden Oberflächenbereiche des Werk­ stückes 1 werden zumindest teilweise zum Schmelzen gebracht. Dies hat zur Folge, daß sich das Werkstück 1 unter der Wir­ kung der Kraft K in Richtung des Werkstückes 1 bewegt, wobei noch nicht aufgeschmolzene Teile der Buckel 5, 6 in das unter ihnen gebildete Schweißbad eintauchen. Im Idealfall wird der Schweißstrom dann abgeschaltet, wenn die beiden Werkstücke 1, 2 beginnen, sich flächig zu berühren.

Da die metallischen Werkstücke 1, 2 auch gute Wärmeleiter sind, erkalten und erstarren die gebildeten Schmelzen sehr rasch und es kommt zu einer festen und dauerhaften "Mehrpunkt"-Schweißverbindung zwischen den beiden Werk­ stücken.

Wesentlich ist, daß wegen der völligen Entkoppelung der Kräfte, mit denen einerseits die beiden Werkstücke 1, 2 gegeneinander und andererseits die Elektroden 11 gegen das Werkstück 2 bzw. die Elektroden 15 gegen das Werk­ stück 1 gedrückt werden, die Elektrodenanpreßdrücke von der Bewegung völlig unberührt bleiben, die das Werk­ stück 2 beim Aufschmelzen der Buckel 5, 6 zum Werkstück 1 hin ausführt.

Da diese Elektroden-Anpreßdrücke während des gesamten Schweißvorganges in definierter Weise aufrechterhalten werden, können sie wesentlich niedriger als beim Stand der Technik gewählt werden, ohne daß die Gefahr eines unbeabsichtigten Festschweißens der Elektroden 11 oder 15 am Werkstück 2 bzw. 1 besteht.

Die Kraft K kann ebenfalls wesentlich kleiner als beim Stand der Technik sein, so daß eine höhere Schweißspannung verwendet werden kann. Dies führt zu einem schnelleren Ab­ lauf des Schweißvorganges und es kann mit höheren Tempera­ turen aber geringeren Wärmemengen gearbeitet werden. Hier­ durch wird die Gefahr einer Verfärbung der Werkstücke, wie sie durch eine lokale Überhitzung an nicht in den Schweiß­ vorgang einbezogenen Stellen entsteht, erheblich vermindert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zu seiner Durchführung geeigneten Vorrichtung lassen sich un­ abhängig von der Form und der Anzahl der miteinander zu verschweißenden Werkstücke und insbesondere auch unab­ hängig von der Anzahl der Buckel erzielen, mit denen das eine Werkstück vom anderen auf Abstand gehalten wird. Im Prinzip genügt es, wenn pro miteinander zu verschweißendem Werkstückpaar ein solcher Buckel vorhanden ist. Dies führt allerdings zu einer Einpunkt-Schweißung, die weniger stabil ist, als eine Mehrpunkt-Schweißung. Daher ist es vorzuziehen, für jedes Werkstückpaar zwei oder mehr Buckel vorzusehen, die in ein und demselben Schweißvorgang gleichzeitig an­ geschmolzen werden, so daß es zu einer Mehrpunkt-Verbindung zwischen den Werkstücken kommt.

Anders als in der Figur gezeigt, müssen die Werkstücke nicht flach sein. So kann das eine Werkstück z. B. ein Chrom-Nickel-Stahltopf sein, an dessen Außenseite ein Handgriff aus dem gleichen Material angeschweißt wird. Auch die gleichzeitige Verschweißung mehrerer Werkstücke ist denkbar.

Claims (6)

1. Buckelschweißverfahren zum Verbinden von zwei Werk­ stücken, die an wenigstens einer, durch einen über die Oberfläche des einen Werkstücks vorstehenden und das andere Werkstück berührenden Buckel definierten Schweißverbindungsstelle aneinandergepreßt, ansonsten aber voneinander im Abstand angeordnet werden, wobei gegen jedes der Werkstücke eine Schweißelektrode an­ gedrückt wird, so daß nach Schließen des Schweißstrom­ kreises an jeder Schweißverbindungsstelle der betref­ fende Buckel sowie der mit ihm in Berührung stehende Oberflächenbereich des anderen Werkstückes zumindest teilweise schmilzt und nach Abschalten des Schweiß­ stromes und Erkalten der Schmelze die beiden Werkstücke miteinander verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der Elektroden (11, 15) an das zu­ gehörige Werkstück (1, 2) an einer von der wenigstens einen Schweißverbindungsstelle verschiedenen Stelle mit einem Druck angepreßt wird, der von dem Druck unabhängig ist, mit dem die beiden Werkstücke (1, 2) gegeneinander gepreßt werden, und daß der Anpreßdruck der Elektroden (11, 15) beim zumindest, partiellen Wegschmelzen des wenigstens einen Buckels (5, 6) unverändert bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Werkstücke (1, 2) einander vermittels mehrerer Buckel (5, 6) berühren, die alle gleich­ zeitig vom Schweißstrom durchflossen und zum Schmelzen gebracht werden, so daß eine Mehrpunkt-Verbindung entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Werkstücke (1, 2) mit einem kleinen Anpreßdruck gegeneinandergepreßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit einer hohen Schweißspannung gearbeitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schweißstrom durch in kurzer Zeit erfolgende, unmittelbare Entladung einer Kondensatorbatterie geliefert wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß drei voneinander unabhängig wirkende Anpreßvorrichtungen (10; 14; 3, 7) vorgesehen sind, von denen die erste (10) zum Andrücken der einen Elektrode (11) an das eine Werkstück (2), die zweite (14) zum Andrücken der anderen Elektrode (15) an das andere Werkstück (1) und die dritte (3, 7) zum Gegen­ einanderpressen der beiden Werkstücke (1, 2) dient.