DE4417397C2 - Befestigungselement und Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung zum Befestigen eines solchen Elementes auf vorgelochtem Blechmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement und eine Vor­ richtung für eine Schweißvorrichtung zum Befestigen eines sol­ chen Elements auf vorgelochtem Blechmaterial mittels Lichtbo­ genschweißen.

Bisher wurden Befestigungs- und Halteelemente mit durchgehen­ dem Innengewinde beispielsweise in Form von Muttern auf Bleche vorwiegend mit Hilfe der Widerstandsschweißtechnik als Buckelschweißen aufgeschweißt. Hierzu sind hohe Stromstärken und hohe Anpreßkräfte erforderlich. Ferner müssen beide Seiten des Bleches zugänglich sein.

Beim Lichtbogen-Bolzenschweißen sind dagegen nur geringe An­ preßkräfte aufzubringen, und das Schweißen selbst kann von einer Seite des Bleches aus durchgeführt werden; allerdings müssen bisher Bolzen mit Innengewinde und einem Sackloch ein­ gesetzt werden, so daß deren Schweißfläche keine Bohrung auf­ weist.

In US 36 41 305 ist ein Befestigungselement in Form eines Hohlkörpers zum Aufschweißen auf vorgelochtes Blechmaterial mittels einer Lichtbogen-Bolzenschweißpistole beschrieben. Hierbei ist ein Ende des Hohlkörpers in seinem äußeren Rand­ bereich mit einem spitzen Winkel zur Hohlkörper-Außenfläche konisch angefast. Durch diese Anfasung ist eine gute Ver­ schweißbarkeit und eine feste Verbindung zwischen dem Hohl­ körper und dem Grundmaterial erreichbar. Eine Zentrierung des Hohlkörpers erfolgt jedoch durch einen sogenannten Lichtbo­ genschutz, durch welchen das Loch von geschmolzenem Material freigehalten wird.

Ferner ist aus DE-AS 15 65 003 ein Verfahren zum Anschweißen eines rohrförmigen metallischen Werkstückes bekannt, bei dem mittels eines elektrischen Lichtbogens, welcher dem Einfluß eines Magnetfeldes ausgesetzt ist, das rohrförmige Werkstück an ein plattenförmiges Gegenwerkstück geschweißt wird. Hier­ bei werden zum Stumpfverschweißen der beiden Werkstücke in bekannter Weise Werkstücke und Gegenwerkstück als Elektroden in einem von einer Gleichstromquelle gespeisten, zeitabhängig gesteuerten Stromkreis eingeschaltet und zeitgesteuert auf­ einander zu bewegt. Während dieses Vorgangs ist der Lichtbo­ gen einem äußeren Magnetfeld und einem inneren der konzentri­ schen Blaswirkung entgegenwirkenden Magnetfeld ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungse­ lement in Form eines kreiszylinderförmigen Hohlkörpers mit Innengewinde so auszubilden, daß es auf vorgelochte Bleche genau bezüglich eines Loches zentriert, mit hoher Festigkeit aufschweißbar ist, und eine Vorrichtung für eine Schweißvor­ richtung zum Befestigen solcher Elemente mittels Lichtbogen­ schweißen zu schaffen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Befestigungs­ element in Form eines kreiszylinderförmigen Hohlkörpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst.

Ferner ist gemäß der Erfindung dies bei einer Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung zum Befestigen eines Elements in Form eines kreiszylindrischen Hohlkörpers auf vorgelochtes Blech­ material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 durch die Merk­ male in dessen kennzeichnenden Teil erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ende des Befe­ stigungselements in Form eines Hohlkörpers mit durchgehendem Innengewinde, wie einer Innengewindebuchse oder einer Schweiß­ mutter, im äußeren Randbereich unter einem spitzen Winkel zur Hohlkörper-Außenfläche konisch angefast. Solche Befestigungse­ lemente können daher mit Hilfe der an ihnen ausgebildeten ko­ nischen Anfasung zuverlässig bezüglich Löcher in vorgelochtem Blechmaterial zentriert werden und mit hoher Festigkeit in der Verbindung zwischen Hohlkörperbolzen und Grundmaterial mittels Lichtbogenschweißen aufgeschweißt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Schweißvorrich­ tung ist zwischen Bolzenhalter und Pinole der Schweißvorrich­ tung ein auf einer Seite verschlossenes Kunststoffrohr festge­ klemmt und dadurch verschiebbar gehaltert. In der Seitenwan­ dung des Kunststoffrohres sind Einlaßöffnungen ausgebildet, wodurch eine Gaszuführung zur Schweißstelle ohne ein seitli­ ches Ansaugen von Luft sichergestellt ist.

Ferner ist durch das Kunststoffrohr und eine rohrförmige Ver­ längerung ein das freie Ende des Bolzenhalters umgebender Ab­ lenkmagnet verschiebbar geführt, so daß dadurch der Ablenk­ magnet bezüglich des zu verschweißenden Hohlkörpers genau po­ sitionierbar und auf die Länge des Befestigungselements ab­ stimmbar ist. Da im Inneren des Ablenkmagneten eine Spule un­ tergebracht ist, deren Wicklungsebene senkrecht zur Achse der Schweißvorrichtung verläuft, zwingt beim Ziehen eines Lichtbo­ gens eine radiale Magnetfeld-Komponente den Lichtbogen zu einem Umlaufen entlang der kreisförmigen Kante eines Loches im Lochblech.

Bei Verwenden von ferromagnetischen Werkstoffen wird über einen äußeren Pol des Ablenkmagneten das Magnetfeld in das Blechmaterial eingeleitet, während bei Verwenden von unmagne­ tischen Werkstoffen durch den äußeren Pol des Ablenkmagneten das Magnetfeld in Lichtbogennähe geführt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen, unmaßstäblichen Darstellung stark vergrößert ein Befestigungselement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 ebenfalls in einer schematischen, unmaßstäblichen Dar­ stellung im Schnitt das vordere Ende einer Bolzen­ schweißvorrichtung, in welcher eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform einer Zusatzvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens untergebracht ist.

In Fig. 1 ist stark vergrößert in einer schematisierten, unmaß­ stäblichen Darstellung ein Befestigungselement gemäß der Er­ findung in Form eines kreiszylinderförmigen Hohlkörpers 1 mit einem durchgehenden Innengewinde 1d dargestellt. An einem in Fig. 1 unteren Ende 1a ist unter einem spitzen Winkel α zur Au­ ßenwandung 1b des Hohlkörpers 1 eine Anfasung 1c ausgebil­ det. Der spitze Winkel α kann im Bereich von 20° bis 60° lie­ gen; wie umfangreiche Versuche der Anmelderin gezeigt haben, liegt er jedoch vorzugsweise im Bereich zwischen 20° und 30°.

In Fig. 2 ist in einer schematischen unmaßstäblichen Darstel­ lung im Schnitt das untere Ende einer Bolzenschweißvorrichtung 10 wiedergegeben, an welcher eine Vorrichtung zum Befestigen eines Befestigungselements nach Fig. 1 vorgesehen ist. Mit der Schweißvorrichtung 10 kann beispielsweise ein kreiszylinder­ förmiger Hohlkörper 1 in Form einer Mutter mit durchgehendem Innengewinde 1d und einer Anfasung 1c aus schweißbarem ferri­ tischem Stahl auf mit gebohrten oder gestanzten Löchern 3a versehenes Blechmaterial 3 in Form von Stahlblech aufge­ schweißt werden.

Die aufzuschweißende Mutter 1 wird in einen Bolzenhalter 2 der Schweißvorrichtung 10 eingesetzt. Bei Aufsetzen der auf ein Loch 3a des Blechmaterials 3 ausgerichteten Schweißvorrich­ tung 10 wird die Mutter 1 durch die an einem Ende ausgebildete Anfasung 1c in dem Loch 3a des Blechmateri­ als 3 zentriert.

Um eine einwandfreie und korrekte Gaszuführung zu der Schweiß­ stelle zwischen dem äußeren Rand des Loches 3a und der Anfa­ sung 1c der Mutter 1 zu erreichen, ohne daß Luft von der Seite angesaugt wird, wird Schutzgas über Bohrungen 5b mit Nippel in ein Kunststoffrohr 5 eingeleitet. Das in Fig. 2 obere Ende des Kunststoffrohrs 5 ist durch ein Abschlußteil 5a abge­ schlossen. Mittels dieses Abschlußteils 5a ist das Kunststoff­ rohr 5 zwischen einem Bolzenhalter 2 und einer Pinole 4 der Schweißvorrichtung 10 fest einklemmbar und somit bei einer Schweißbewegung zusammen mit der Pinole 4, dem Bolzenhalter 2 und der in dem Bolzenhalter eingesetzten Mutter 1 parallel zur Längsachse A der Schweißvorrichtung in Fig. 2 nach oben und nach unten in Richtung auf das Blechmaterial 3 verschiebbar. Durch die zwischen dem Bolzenhalter 2 und dem Kunststoffrohr 5 dargestellten, nach unten weisenden zwei Pfeile ist die Strö­ mungsrichtung des Schutzgases angedeutet.

Eine rohrförmige, in Fig. 2 nach oben ins Innere der Schweiß­ vorrichtung 10 weisende Verlängerung 6c eines Ablenkmagneten 6 ist in dem Kunststoffrohr 5 in axialer Richtung so verschieb­ bar gehaltert, daß dadurch der Ablenkmagnet 6 bezüglich der mit dem Randbereich des Loches 3a zu verschweißenden Mutter 1 zentriert ist. An dem in Fig. 2 nach unten weisenden Ende des Ablenkmagneten 6 sind als Pole 6a und 6b ausgebildete Enden vorgesehen. Hierbei sind die Pole 6a und 6b so ausgebildet, daß beim Ziehen eines Lichtbogens eine radiale Magnetfeld-Kom­ ponente den Lichtbogen zu einem kreisförmigen Umlauf entlang der kreisförmigen Kante des Loches 3a im Blechmaterial 3 zwingt.

Wenn es sich sowohl bei der zu verschweißenden Mutter 1 als auch bei dem Blechmaterial um ferromagnetische Werkstoffe han­ delt, wird über den auf das Blechmaterial 3 aufgesetzten Pol 6b das Magnetfeld in das Blechmaterial 3 eingeleitet, wie aus der Darstellung in Fig. 2 zu ersehen ist. In diesem Fall sit­ zen, wie in Fig. 2 dargestellt, Abstützungen 9 auf dem oberen Ende der Verlängerung 6c des Ablenkmagneten 6 auf, so daß die Schweißvorrichtung 10 über den Pol 6b auf dem Blechmaterial 3 abgestützt ist.

Bei unmagnetischen Werkstoffen wird der Pol 6b parallel zur Oberfläche des Blechmaterials 3 geführt. Der Ablenkmagnet 6 liegt dann im Unterschied zu der Darstellung in Fig. 2 auf dem Blechmaterial 3 auf und dient dadurch gleichzeitig dem Abstüt­ zen der Bolzenschweißvorrichtung 10 über die beiden seitlichen Abstützungen 9, welche mit der Schweißvorrichtung 10 fest, aber einstellbar verbunden sind.

Bei einer in dem Ablenkmagneten 6 untergebrachten Spule 7 ver­ läuft deren Wicklungsebene senkrecht zur Achse A der Schweiß­ vorrichtung 10.

Vor dem Durchführen eines Schweißvorgangs wird das Schutzgas über die Bohrungen 5b dem Kunststoffrohr 5 zugeführt, strömt in Richtung der zwischen dem Kunststoffrohr 5 und dem Bolzen­ halter 2 eingezeichneten Pfeilen nach unten und über Schlitze sowie Bohrungen in dem Bolzenhalter 2 nach unten und verdrängt die Luft im Inneren der aufzuschweißenden Mutter 1 sowie im äußeren Randbereich des Loches 3a. Zweckmäßigerweise sind auch in der Auflagefläche des Pols 6b kleine in Fig. 2 nicht näher dargestellte Schlitze ausgebildet, damit über diese Schlitze die Luft entweichen kann und damit auch dieser Bereich gespült wird.

Nach diesem vorbereitenden Einleiten des Schutzgases wird nun­ mehr die Spule 7 des Ablenkmagneten 6 eingeschaltet, wodurch sich das ablenkende Magnetfeld aufbaut. Anschließend wird der eigentliche Schweißvorgang ausgelöst, der dann in einer für das Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzündung typischen Weise abläuft. Die Mutter 1 wird unter Strom abgehoben, wodurch ein Lichtbogen gezündet wird, der durch das von der Spule 7 er­ zeugte Magnetfeld, insbesondere durch die radial verlaufende Magnetfeld-Komponente so abgelenkt wird, daß der Lichtbogen zu einem kreisförmigen Umlauf entlang der kreisförmigen Kante des Lochs 3a im Blechmaterial 3 gezwungen wird. Hierbei schmilzt die Kante des Lochs 3a und der an der Mutter 1 durch die Anfa­ sung 1c ausgebildeten Konus an. Nach kurzer Zeit, im allgemei­ nen in der Größenordnung von etwa 100 ms, sind die beiden Schweißzonen zusammengeführt und verschweißen sofort nach Ab­ schalten des Stroms.

Um die geforderten hohen Festigkeiten bei der Verbindung zwi­ schen der Mutter 1 und dem äußeren Randbereich des Loches 3a zu erreichen, müssen in Abhängigkeit von der Werkstoffwahl entsprechende, geeignete Schutzgase eingesetzt werden. Ebenso wird das Umlauf- und Anschmelzverhalten des Lichtbogens we­ sentlich durch das Schutzgas bestimmt.

Gute Ergebnisse werden mit Mischgasen erzielt. Hierbei hat sich bei Muttern aus ferritischem Material und bei Blechmate­ rial aus unlegiertem Stahl ein Mischgas aus Argon und CO₂ mit einem 18%-igen Anteil an Kohlendioxid (CO₂) gut bewährt. Bei Blechmaterial aus hochlegiertem Stahl ist der CO₂-Anteil ent­ sprechend zu verringern.

Bei Gasgemischen mit einem Anteil an Helium erhöht sich die Umlaufgeschwindigkeit und gleichzeitig wird das Anschmelzver­ halten verstärkt. Da jedoch reines Argon einen langsamen Um­ lauf zur Folge hat und gleichzeitig zu ungünstigem Anschmelz­ verhalten führt, werden zum Aufschweißen einer Mutter aus Alu­ minium auf gelochtes Aluminiumblech als Schutzgas ein Argon- Helium-Gemisch oder auch reines Helium verwendet.

Claims (2)

1. Befestigungselement zum Aufschweißen auf vorgelochtes Blechmaterial mittels Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzün­ dung, in Form eines kreiszylinderförmigen Hohlkörpers mit In­ nengewinde, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (1a) des Hohlkörpers (1) im äußeren Randbereich unter einem spitzen Winkel (α) zur Hohlkörper-Außenfläche (1b) konisch angefast ist.

2. Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung, um ein Befestigse­ lement nach Anspruch 1 auf vorgelochtes Blechmaterial mittels Lichtbogenschweißen mit Hubzündung aufzuschweißen, welche Schweißvorrichtung einen Bolzenhalter zum Halten des Hohlkörperelements und eine den unteren Teil des Bolzenhal­ ters umschließende Elektromagnetspule mit einem den Schweiß­ bereich umgebenden Pol zum Erzeugen einer auf den Lichtbogen wirkenden, etwa radial verlaufenden Magnetfeldkomponente auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Bolzenhalter (2) und Pinole (4) der Schweißvorrich­ tung (10) ein auf seiten der Schweißvorrichtung abgeschlosse­ nes Kunststoffrohr (5) fest eingeklemmt und verschiebbar ge­ haltert ist, in dessen Seitenwandung Einlaßöffnungen (5b) zum gezielten Zuführen und Einleiten von Schutzgas ausgebildet sind;
durch das Kunststoffrohr (5) und eine rohrförmige, sich in Richtung zur Schweißvorrichtung (10) erstreckende Verlänge­ rung (6c) der das freie Ende des Bolzenhalters (2) umgebende Ablenkmagnet (6) verschiebbar und zentriert geführt ist, wo­ bei die in dessen Inneren untergebrachte Spule (7) eine senk­ recht zur Achse (A) der Schweißvorrichtung (10) verlaufende Wicklungsebene aufweist,
und ein weiterer, von der Schweißvorrichtung (10) in Richtung zum Blechmaterial (3) vorstehender, äußerer Pol (6b) entspre­ chend ausgebildet ist, so daß durch die radiale Magnetfeld- Komponente beim Ziehen eines Lichtbogens dieser zu einem Um­ lauf entlang der kreisförmigen Kante eines Loches (3a) im Blechmaterial (3) und der konischen Anfasung (1c) des Befe­ stigungselements (1) gezwungen wird.