DE9001181U1

DE9001181U1 - Schweißvorrichtung zum Schweißen von Bauteilen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen

Info

Publication number: DE9001181U1
Application number: DE9001181U
Authority: DE
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-01-24
Anticipated expiration: 2000-02-03

Description

G 90 01 181.3 KUKA. Schweißanlagen. Akte 772-724 er/st 11.12.1990

BESCHREIBUNG

L gchweißvorrichtung zum Schweißer; von Bauteilen mit

&Ggr;, magnetisch bewegtem Lichtbogen

&igr;?..■' Erfincang betrifft eine cch^elßvörrichtung zum Schweißen von Bauteilen mit iaagnetis'; bewegtem Lichtbogen mit dea nerkmalen im Kennzeichen teil des Hauptanspruches.

Eine solche Schweißvorrichtung ist aus der EP 3 590, EP 40 673, EP 288 911 und der Literaturstelle DE-Z DVS-Bericht, Band 70 "Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen und seine industrielle Anwendung", K. Wild in "aiit.erschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Hierbei handelt es sich um Vorrichtungen zum Preßschweißen, bei denen der Lichtbogen im Spalt zwischen zwei Bauteilen durch Magnetkräfte angetrieben umläuft und die Ränder der vorzugsweise hohlen Bauteile erwärmt. Sobald eine ausreichende Plastizität erreicht ist, werden die Bauteile aufeinander zubewegt und gestaucht. Mit diesem Schweißverfahren lassen sich qualitativ hochwertige und homogene Schweißverbindungen auf schnelle Weise herstellen. Die EP 40 673 zeigt hierbei eine Schweißvorrichtung mit zwei oder mehr Polschuhen, die gegenüber dem Werkstück einzeln zustellbar gelagert sind. Hierbei ergeben sich zwischen den Polschuhen Spalte. Die Polschuhe selbst sind massiv gestaltet.

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Aus der US-PS 4 219 722 ist ebenfalls eine Schweißvorrichtung bekannt, die mit einem bewegten Lichtbogen arbeitet. Soweit Polschuhe vorhanden sind, sind diesrf massiv ausgebildet. Stellenweise besitzen die WerVstückhalterungen Schlitze.

Es ist. Aiaiigabe der vorliegenden Erfindung, die S~hweißergebnisse noch weiterzuverbessern und zu vergleichmä ßigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen Im Kennzeichenteil des Hauptanspruches. Mit der Erfindung wurde erkannt, daß der Lichtbogen bei Schweißvorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht an allen Stellen der Naht gleich schnell läuft. Dies hat seine Ursache in lokalen Verstärkungen und Schwächungen des Magnetfeldes, das den Lichtbogen antreibt. Die lokalen Feldunterschiede sind bedingt durch die Überlagerung des von den Spulen erzeugten Magnetfeldes mit dem Magnetfeld

(Fcrtsetzung auf Seite 3 der ursprünglichen Beschreibung)

des Lichtbogens. Mit den erfindungsgemaßen Ausnehmungen wird diese Beeinflussung verringert und das resultierende Magnetfeld, das den !lichtbogen rotieren läßt, vergleichmäßigt. Die vorzugsweise leeren oder mit einem wenig permeablen Material gefüllten Ausnehmungen schwächen das Lichtbogenfeld in seiner Höhe und Wirkung ab.

Die Erfindung läßt sich für alle Arten von Schweißverfahren ä$ ne£if «»car» Hoi Honon oi r* T.i r^H+·Honor» T-r\4- i &ogr;&tgr;*+- . &Pgr;&ogr;&tgr;" Hc*\rr»T"»iirr+^o

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Anwendungsbereich sind Schweißvorrichtungen zum Preßschweißen, bei denen nach der Plastizierung ihrer Ränder die Bauteile zusammengestaucht und dadurch miteinander verbunden werden. Möglich sind aber auch Schweißvorrichtungen zum Schmelzschweißen mit einem sich zwischen dem Werkstück und einer nichtabschmelzenden Hilfselektrode bewegenden Lichtbogen zur Schaffung der sogenannten Bördelnahtverbindungen.

Bei den vorerwähnten Vorrichtungen zum Preßschweißen können je nach Ausgestaltung die Ausnehmungen im Polschuh und/oder einem Leitblech angeordnet sein. Ein Leitblech kann vorhanden sein, muß es aber nicht. Die Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes können an externen oder in den Bauteilen befindlichen Polschuhen angeordnet sein, wobei der der Form des Bauteils angepaßte Pol aus einem einzelnen geschlossenen oder mehreren getrennten Polschuhen bestehen kann. Eine Schweißvorrichtung mit in den Bauteilen liegenden Spulen und Polschuhen kann noch durch ein außenseitig die Schweißstelle umgebendes Leitblech ergänzt werden. Als weitere Variante kommen auch integrierte Spulen in Frage, die an magnetisierbaren Bauteilen direkt oder an der Spannvorrichtungen angeordnet sind, wodurch zwar die Polschuhe in Wegfall geraten, dafür aber ein magnetisierbares Leitblech an der Schweißstelle vorhanden ist.

Mit einem Leitblech läßt sich in den verschiedenen Ausführungsformen der Schweißvorrichtung die wirksame Feldstärke an der Schweißstelle generell oder örtlich gezielt verändern, um den Lichtbogenlauf bewußt zu beeinflussen und zu steuern. Hierfür gibt es je nach Form oder Material des Bauteils, Schweißlage, Spulenanordnung etc. unterschiedliche Beweggründe. Man will beispielsweise den Lichtbogen an bestimmten Stellen der Schweißnaht hoarh 1 onn &idigr; non nHor hromaon . um eiar· Snhworlcraft ^ _ f _ —.. —. _

entgegenzuwirken, um ein Ablaufen des Schmelzbades zu verhindern oder um eckige Bauteilkonturen vor Abbrand zu schützen. Die Ausnehmungen verbessern die Wirkung dieser gezielten Beeinflussung, indem sie das zugrundeliegende Magnetfeld homogenisieren und dadurch eine gleichmäßigere Basis für die Einwirkungen des Leitblechs bieten.

Um ihre Funktion mit ausreichender Wirkung erfüllen zu können, sind die Ausnehmungen quer oder zumindest schräg zu den Feldlinien des ursprünglichen magnetischen Lichtbogenfeldes angeordnet. Im ursprünglichen Zustand, ohne die Ausnehmungen, erzeugt der mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Lichtbogen ein im wesentlichen kreisförmig das Bauteil umgebendes Magnetfeld. Die Ausnehmungen verändern den Verlauf der Feldlinien und drängen sie nach außen. Zur Optimierung empfiehlt es sich bei im wesentlichen rotationssymmetrischen Bauteilen, die Ausnehmungen radial zur Bauteilachse auszurichten.

Die Ausnehmungen können auf unterschiedliche Weise, beispielsweise als Löcher, in den Polschuhen bzw. dem Leitblech ausgebildet sein. Sie besitzen vorzugsweise eine längliche Querschnittsform. Es empfiehlt sich besonders, die Ausnehmungen als Schlitze zu gestalten, die von den bauteilnahen Rändern der Polschuhe oder des Leitbleches ausgehen. Die Schlitze können gerade sein oder eine andere, beispielsweise gebogene Form haben. Sie können an ihrer zu den Bauteilen gewandten Seite offen oder mit einem

ferroinagnetischen Material geschlossen sein. Letzteres hat den Vorteil einer noch größeren Homogenisierung des Magnetfeldes zum Lichtbogenantrieb.

Die Verteilung, Breite und Länge der Ausnehmungen kann variieren und wird durch Versuche optimiert. Die Gestaltung der Ausnehmungen orientiert sich an unterschiedlichen Randbedingungen, beispielsweise an Bauteilformen, an einer iint-Drophiorfl ir>hon 7^a^>T <inrl &Pgr;&agr; a +■ &agr; &Lgr; +·11 &eegr; rc flor &Oacgr;&ggr;> 1 aohiiho

etc..Vorzugsweise sind die Ausnehmungen wenige Millimeter breit und möglichst lang, wobei sie sich bei Polschuhen bis in den Bereich der Spulen erstrecken können.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere für eine übliche Bauweise mit externen Spulen und zwei Polschuhen für kreisrunde Rohre angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1: eine Schweißvorrichtung mit externen Spulen in Stirnansicht quer zum Bauteil,

Fig. 2: eine Seitenansicht der Schweißvorrichtung entsprechend Pfeil II von Fig. 1 und

Fig. 3: eine Variante zu Fig. 2 mit integrierten Spulen und einem Leitblech.

Die in den Zeichnungen dargestellte Schweißvorrichtung (1) dient zum Preßschweißen von Bauteilen (2) in Form von zwei kreisförmigen Rohren. Beide Rohre sind in einer Spannvorrichtung (9) befestigt und werden fluchtend unter Bildung eines Spaltes '8) an der Schweißstelle (7) auf

Abstand gehalten. An die Bauteile (2) wird eine Spannung zur Zündung eines Lichtbogens (3) im Sp<nlt (8) angelegt. Lw Fig. 1 und 2 werden die Bauteile 2 an der Schweißstelle (7) zwei Pclschuhen (4,5) konzentrisch umgeben, die jeweils eine Spule (iO) zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes tragen. Die Polschuhe (4,5) besitzen gebogene Ränder und umschließen die Bauteile (2) bis auf einen schmalen Trennspalt an der Stoßstelle kreisförmig und mit einem seitlichen Abstand.

Die Spulen (10) erzeugen ein magnetisches Feld, das durch die Feldlinien (11) in Fig. 1 dargestellt ist. Oer Lichtbogen (3) besitzt ein eigenes Magnetfeld, das sich mit dem Spulenfeld überlagert, wodurch auf den Lichtbogen (3) eine Kraft ausgeübt wird, die diesen in Rotation versetzt. Der Lichtbogen (3) läuft im Spalt (8) längs der Bauteilränder in einer geschlossenen Bahn mit hoher Geschwindigkeit um.

In den Polschuhen (4,5) sind Ausnehmungen (13) angeordnet, die sich in Form von geraden Schlitzen (14) "on den Polschuhrändern nach außen erstrecken. Die Schlitze (14) sind dabei radial zur Bauteilachse (17) ausgerichtet. Sie besitzen eine geringere Permeabilität als das umgebende Eisen der Polschuhe (4,5). Die Schlitze (14) können dazu leer oder mit einem geeigneten Material, beispielsweise Messing, gefüllt sein.

Fig. 1 zeigt zwei Varianten für die Schlitzgestaltung. Im Polschuh (4) sind die Schlitze (14) zu den Bauteilen (2) hin offen. In Abwandlung können gemäß der Ausführung des Polschuhs (5) die Schlitze (14) an den Polschuhrändern auch mit ferromagnetischen Einsätzen (18) verschlossen sein. Dies homogenisiert das resultierende Magnetfeld und schützt die Schlitze (14) vor Verschmutzung und unerwünschten Permeabilitätsänderungen. Die verschlossenen Schlitze (14) können breiter als offene Schlitze sein.

Die Breite, Länge und Verteilung der Ausnehmungen (13) kann je nach Zahl und Größe der Polschuhe (4,5) und der Bauteile

(2) variieren. Bei den üblichen zu verarbeitenden Bauteilgrößen sind die Ausnehmungen (13) vorzugsweise 1 bis 3 mm breit. Ihre Breite sollte deutlich kleiner sein als der Abstand zwischen den Polschuhrändern und dem Bauteil.

Die Ausnehmungen (13) sind entsprechend der Polschuhform unterschiedlich lang. Die Polschuhe (4,5) sind in den Endbereichen (15), bedinct durch die gebogene Ausnehmung, weniger dick als im Mittelbereich (16), wobei auch die Ausnehmungen (13) zu den Polschuhenden hin zunehmend kürzer werden.

In der gezeigten Ausführungsform mit zwei Polschuhen (4,5) sind in jedem Polschuh (4,5) sechi Ausnehmungen (13) angeordnet. Sie sind jeweils in den Endbereichen (15) der Polschuhe (4,5) konzentriert. Der Mittelbereich (16) hat keine Ausnehmung und bleibt massiv. Diese Anordnung ist punktsymmetrisch zur Bauteilachse (17).

Alternativ können auch die Ausnehmungen (13) mit gleichen Abständen verteilt angeordnet sein. Desgleichen ist es auch möglich, nur eine zentrale Ausnehmung im Mittelbereich vorzusehen.

Fig. 1 verdeutlicht die Wirkung der Ausnehmungen (13) als eine Momentaufnahme.

Die gestrichelte Linie (19) verdeutlicht ein ursprüngliches Lichtbogenfeld, wie es sich einstellen würde, wenn die Ausnehmungen (13) in den Polschuhen (4,5) nicht vorhanden wären. Dieses ursprüngliche Lichtbogenfeld umgibt die Bauteile (2) im wesentlichen kreisförmig. Der Lichtbogen

(3) läuft in Fig. 1 im Uhrzeigersinn um. In der überlagerung mit dem Spulenfeld ergäben sich durch gleichgerichtete Komponenten der Feldlinien (11) und (19)

im oberen Bereich des Polschuhs (4) und im unteren Bereich des Polschuhes (5) lokale Feldverstärkungen. Demgegenüber wären durch gegengerichtete Richtungskomponenten der Feldlinien (11,19) in den beiden anderen Endbereichen lokale Feldschwächungen festzustellen. Entsprechend der unterschiedlichen Feldstärken würde der Lichtbogen , i) ohne die Ausnehmungen (13) mit örtlich unterschiedliehen Geschwindigkeiten umlaufen.

Die er tndungsgemäßen Ausnehmungen (13) beseitigen ieses negative Phänomen nahezu, indem sie durch ihre, die Permeabilität verringernde funktion eine Schwächung des Lichtbogenfeldes in Spalt (8) und den angrenzenden Polschuhbereichen bewirken. Bei radialen Schlitzen (14) ist die Schwächungswirkung praktisch optimal, da diese sich quer zu den Feldlinien (19) des ursprünglichen Lichtbogenfeldes erstrecken. Die Abschwächung des Lichtbogenfeldes wird durch die nach außen gedrängte Feldlinie (12) des Lichtbogenfeldes in Fig. 1 verdeutlicht. Im Endeffekt ergibt sich im Spalt (8) ein sehr homogenes resultierendes Magnetfeld, das den Lichtbogen (3) mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit umlaufen läßt.

Die in Fig. (1) gezeigte Verteilung der Ausnehmungen (13) korrespondiert mit den lokalen Verstärkungen und Schwächungen des resultierenden Magnetfeldes, wie es sich in der vorstehend erläuterten Form bei massiven Polscb.uhen nach dem Stand der Technik (19) einstellen würde. Die Ausnehmungen (13) sind im gezeigten Ausführungsbeispiel vor allem in den Endbereichen (15) der Polschuhe (4,5) angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Variante mit integrierten Spulen (10), die das Magnetfeld durch die Bauteile (2) übertragen. Zur Feldverstärkung int rund um die Schweißstelle (7) ein der Bauteilform angepaßtes, ausgeschnittenes Leitblech (6) angeordnet. Dieses besteht aus einem magnetisierbaren

Material. Das Leitblech (6) ist ähnlich wie die beiden Polschuhe (4,5) in Fig. 1 und 2 angeordnet und besitzt entsprechend ausgebildete Ausnehmungen (13).

Eine weitere, nicht dargestellte Alternative besteht in einer Innenspulenanordnung, Ta diesem Fall befinden sich ein oder mehrere Spulen mit ein jder mehrerer·. Polschuhen in». I Inneren der Bauteile (2). Die innenliegende, S scheibenförmige Folschuhanordnung trägt dann entsprechende, % vorzugsweise radiale Ausnehmungen. I. weiterer Ergänzung £ kann auch bei dieser Ausführungsform ein außenliegendes t| Leitblech Versandung f . den- Letztere- kann zusätzlich oder f 8°t.act der Polschdanordnung die besagten Ausnehmungen ,i asif weisen.

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STÜCKLISTE

1	Schweißvorrichtung
2	Bauteil
3	Lichtbogen
4	Polschuh
5	Polschuh
--	Leitblech
7	Schweißstelle
8	Spalt
9	Spannvorrichtung
10	Spule, Magnetisierungsspule
11	Feldlinie, Spulenfeld
12	Feldlinie, Lichtbogenfeld
13	Ausnehmung
14	Schlitz
15	Endbereich
16	Mittelbereich
17	Bauteilachse
18	Einsatz
19	Feldlinie, ursprüngliches Lichtbogenfeld

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE

1.) Schweißvorrichtung zum Schweißen von Bauteilen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, wobei die Bauteile in einer Spannvorrichtung gehalten und an der Schweißstelle von Polschuhen und/oder von einem Leitblech umgeben sind und die Polschuhe oder die nantoi In enlhof mit- Manont i a< &ogr;&eegr;&igr;&eegr;&pgr;&Bgr;-Sniil on vprRnhpn

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sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (4,5) und/oder das Leitblech (6) mindestens eine Ausnehmung (13) aufweisen, die sich quer oder schräg zu den Feldlinien (12) des magnetischen Lichtbogenfeldes erstreckt.

2.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) radial zur Bauteilachse (17) ausgerichtet sind.

3.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) als anfangsseitig offene oder geschlossene Schlitze (14) ausgebildet sind, die von den bauteilnahen Rändern der Polschuhe (4,5) oder des Leitblechs (6) ausgehen.

.) Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,- dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) gleichmäßig über den Umfang der Polschuhe (4,5) oder des Leitblech» (6) verteilt angeordnet sind.

5.) Schwexßvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzei chnet, daß die Ausnehmungen (13) unterschiedlich lang sind.