Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Sandwichmaterials und
Vorrichtung hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines
Sandwichmaterials, das eine Kunststoffkernlage mit zwei metallischen Decklagen umfasst, mit mindestens einem metallischen Material, mit einer ersten Elektrode, die auf die
Oberfläche des metallischen Materials aufgesetzt wird und mit einer gegenüberliegenden zweiten Elektrode, die auf die Oberfläche der auf der abgewandten Seite des metallischen Materials angeordneten Decklage aufgesetzt wird und der zu schweißende Bereich derart erwärmt wird, dass der Kunststoff in dem zu schweißenden Bereich erweicht und durch Zusammenfahren der Elektroden der erweichte Kunststoff aus dem zu schweißenden Bereich verdrängt wird, bis die beiden Decklagen sich kontaktieren, welche anschließend im Kontaktbereich durch einen elektrischen Stromfluss über die erste und zweite Elektrode mit dem metallischen Material verschweißt werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Widerstandspunktschweißen eines Sandwichmaterials mit mindestens einem metallischen Material, umfassend mindestens eine erste Elektrodenhalterung mit einer ersten Elektrode und eine gegenüberliegende zweite Elektrodenhalterung mit einer zweiten Elektrode , die relativ zueinander bewegbar sind, einer Strom-/Spannungs-quelle und stromführende Leitungen.
Sandwichmaterialien, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, vereinen
gegensätzliche Eigenschaften, die durch monolithische Werkstoffe nicht bereitgestellt werden können. So weist beispielsweise ein Sandwichwerkstoff, das aus einer
Kunststoffkernlage mit zwei metallischen Decklagen besteht, insbesondere wenn die Kunststoffkernlage in der Dicke größer als die Dicke der Metalldecklagen vorgesehen ist, vergleichbare Eigenschaften wie ein monolithischer Werkstoff mit verringertem Gewicht auf. Das Widerstandspunktschweißen eines Sandwichmaterials mit mindestens einem weiteren metallischen Material war bisher aufgrund der zwischen den Metalldecklagen angeordneten Kunststoffkernlage, die die beiden Metalldecklagen isolierend voneinander trennt, sehr schwierig und nur mit hohem apparativen Aufwand durchführbar. Gattungsgemäße
Verfahren zum Widerstandspunktschweißen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 201 1 109 708 A1 ist ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen eines Sandwichbauteiles mit einem weiteren Metallbauteil
bekannt, bei welchem eine erste Elektrode auf die Oberfläche des Metallbauteils und zweite Elektrode gegenüberliegend auf die Oberfläche des Sandwichbauteils an die zu
schweißende Stelle aufgesetzt werden und der Kunststoff an der zu schweißenden Stelle erwärmt wird, wobei die Elektroden temperiert werden und durch Zusammenfahren der Elektroden der erweichte Kunststoff aus dem zu schweißenden Bereich verdrängt wird, bis die Decklagen des Sandwichbauteils in elektrischen Kontakt kommen. Durch
Beaufschlagung eines elektrischen Stromes über die beiden Elektroden erfolgt eine
Schweißverbindung zwischen den Decklagen des Sandwichbauteils und dem Metallbauteil. Nachteil hieran ist, dass das Verfahren sehr hohe Prozesszeiten aufweist und die entsprechende Vorrichtung sehr komplex aufgebaut ist.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 108 563 A1 ist ein Verfahren zum
Widerstandspunktschweißen eines Sandwichbauteils mit einem Metallbauteil offenbart, bei dem ein zweiter Stromkreis zwischen zwei Elektroden zum Verschweißen des
Sandwichbauteils mit dem Metallbauteil verwendet wird. Die Erwärmung des Kunststoffes an der zu schweißenden Stelle erfolgt durch einen ersten Stromkreis, der über dieselbe Strom- /Spannungsquelle wie der zweite Stromkreis gespeist wird und zu- bzw. abschaltbar ist. Der Strom zur Erwärmung speist die Elektrode, die an der Oberfläche des Metallbauteils anliegt, und leitet den Strom in das Metallbauteil. Von einer mit dem Metallbauteil in elektrischem Kontakt angeordneten Strombrücke wird der Strom zur Strom-/Spannungsquelle
zurückgeleitet. Der Abstand bzw. die Strecke zwischen der einspeisenden Elektrode und der stromabgreifenden Strombrücke kann zu groß gewählt sein, wodurch sich die eingetragene Wärme auf dieser Distanz negativ im Sandwichmaterial auswirken kann, beispielsweise es zu einer Delamination in diesem Bereich kommen kann. Es besteht daher weiteres
Verbesserungspotenzial.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Widerstandspunktschweißen von Sandwichmaterialien sowie eine entsprechende
Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher ein einfacher Aufbau mit begrenzter Wärmeeinflusszone bereitgestellt werden kann.
Die aufgezeigte Aufgabe für ein gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch gelöst, dass die erste Elektrode und ein Kontaktierungskörper, die benachbart zueinander auf der Oberfläche des metallischen Materials aufgesetzt werden, durch einen elektrischen Stromfluss über die erste Elektrode und den Kontaktierungskörper der Kunststoff in dem zu schweißenden
Bereich erwärmt wird und der Kontaktierungskorper über eine stromrückführende Leitung mit einer stromrückführenden Leitung der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch das Vorsehen der ersten Elektrode und einem Kontaktierungskorper, die benachbart zueinander auf der Oberfläche des metallischen Materials aufgesetzt werden, wobei durch einen elektrischen Stromfluss über die erste Elektrode und den Kontaktierungskorper der Kunststoff in dem zu schweißenden Bereich erwärmt wird, kann die Wärmeeinflusszone während der Erwärmung des Kunststoffes lokal auf den zu schweißenden Bereich begrenzt werden. Um einen elektrischen Stromfluss bereitstellen zu können, ist der Kontaktierungskorper mit einer stromrückführenden Leitung der zweiten Elektrode als Nebenschluss stromleitend verbunden und dadurch wird der Stromkreis geschlossen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Strom bis zur Kontaktierung der beiden Decklagen konstant gehalten, vorzugsweise bei einem niedrig eingestellten Strom. Dies hat den Vorteil, dass der Kunststoff nicht zu schnell erwärmt wird und Spritzer beim ersten Kontakt der Deckbleche, die zu einer unerwünschten Blasenbildung führen können, im Wesentlichen unterdrückt werden. Abhängig von der zu schweißenden Kombination des Sandwichmaterials und metallischen Materials sind die Ströme empirisch zu ermitteln.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach der Kontaktierung der beiden Decklagen der elektrische Stromfluss aufrechterhalten wird und im Wesentlichen über die erste und zweite Elektrode zur Erzeugung eines Schweißpunktes weiterfließt. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Steuerungselemente bzw.
zusätzliche mechanische Apparaturen erforderlich sind.
Die Aufgabe für eine gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch gelöst, dass an der ersten Elektrodenhalterung ein Kontaktierungskorper vorgesehen ist, die benachbart zueinander angeordnet sind und der Kontaktierungskorper über eine stromrückführende Leitung mit einer stromrückführenden Leitung der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann durch die erste Elektrodenhalterung bzw. Elektrode und dem Kontaktierungskorper, die benachbart zueinander angeordnet sind, die
Wärmeeinflusszone während der Erwärmung des Kunststoffes auf den zu schweißenden Bereich begrenzt werden und eine Delamination des Sandwichmaterials in dem den
Schweißbereich umgebenden Bereich wirkungsvoll verhindert werden. Vorzugsweise erstreckt sich der Kontaktierungskörper koaxial zu der ersten Elektrodenhalterung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der
Kontaktierungskörper federnd an der ersten Elektrodenhalterung angeordnet. Im entlasteten Federzustand überragt der Kontaktierungskörper die erste Elektrode, so dass durch
Kraftbeaufschlagung der ersten Elektrodenhalterung gegen das metallische Material der Kontaktierungskörper relativ zu der ersten Elektrodenhalterung bewegt wird, bis die erste Elektrode mit der Oberfläche des metallischen Materials in Kontakt kommt. Die federnde Anordnung bewirkt eine Vorspannkraft, wodurch vorteilhaft sichergestellt werden kann, dass mit steigender Vorspannkraft der Feder, der Kontaktwiderstand zwischen
Kontaktierungskörper und monolithischem Material geringer wird. Dadurch kann eine mögliche Anhaftung des Kontaktierungskörpers an dem monolithischen Material verhindert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zwischen der Elektrodenhalterung und dem Kontaktierungskörper ein nichtleitendes Material, insbesondere eine Hülse, vorzugsweise eine Gleithülse angeordnet ist. Dadurch kann wirkungsvoll ein Kurzschluss zwischen der vorzugsweise stromzuführenden ersten Elektrode und dem stromabführenden Kontaktierungskörper verhindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der
Kontaktierungskörper einen Kontaktierungsbereich auf, der die erste Elektrode ringförmig umgibt. Dies hat den Vorteil, dass der Strom von der ersten Elektrode aus gleichmäßig radial in Richtung Kontaktierungsbereich fließen kann. Alternativ umgibt der Kontaktierungsbereich die erste Elektrode partiell. Diese Ausgestaltung kann beispielsweise dann verwendet werden, wenn die Zugänglichkeit zu den Schweißbereichen beispielsweise bei Bauteilen, die einen schmalen Fügeflansch aufweisen, eingeschränkt ist. Der Ausgestaltung des
Kontaktierungsbereiches sind keine Grenzen gesetzt, sodass diese individuell an die gegebene Anforderung angepasst werden kann.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung als Punktschweißzange ausgebildet, welche einfach und ohne hohen Aufwand an einen konventionellen Schweißroboter installiert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigt
Figur 1 a und 1 b: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu zwei verschiedenen Zeitpunkten des erfindungsgemäßen
Verfahrens in schematischer Schnittansicht,
Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht und
Figur 3: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
In den Figuren 1 a und 1 b sind in einer schematischen Schnittansicht ein erstes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu zwei verschiedenen
Zeitpunkten während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Es ist ein Sandwichmaterial dargestellt, das aus einer Kunststoffkernlage (1 ), vorzugsweise aus einer thermoplastischen Kunststoffkernlage mit zwei metallischen Decklagen (2, 2'), vorzugsweise mit Stahldecklagen, besteht. Vorzugsweise ist die Dicke der
Kunststoffkernlage größer als die Dicke der metallischen Decklagen ausgebildet. Das Sandwichmaterial wird mit einem metallischen Material (3), vorzugsweise mit einem
Stahlmaterial, verschweißt. Dafür sind eine erste Elektrode (4), die mit einer ersten
Elektrodenhalterung (4') verbunden ist und eine gegenüberliegende zweite Elektrode (5), die wiederum mit einer zweiten Elektrodenhalterung (5') verbunden ist, vorgesehen, wobei die erste Elektrode (4) auf die Oberfläche des metallischen Materials (3) und die zweite
Elektrode (5) auf die Oberfläche der dem metallischen Material abgewandten metallischen Decklage (2') aufgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als
Punktschweißzange (10) ausgebildet, die eine C-Form mit zwei Zangenarmen (6) aufweist, an denen die Elektrodenhalterungen (4', 5') angeordnet sind. An der ersten
Elektrodenhalterung (4') ist ein Kontaktierungskorper (12) vorgesehen, welcher benachbart zu der ersten Elektrodenhalterung (4') angeordnet ist, wobei sich der Kontaktierungskorper (12) koaxial zur ersten Elektrodenhalterung (4') erstreckt und der Kontaktierungskorper einen Kontaktierungsbereich (13) aufweist, der die erste Elektrode (4) beispielsweise ringförmig umgibt. Des Weiteren sind eine Strom-/Spannungsquelle (1 1 ) und stromführende Leitungen (7, 8, 9) vorgesehen, wobei die erste Elektrode mit einer stromzuführenden Leitung (7) verbunden ist und die zweite Elektrode (5) mit einer stromrückführenden Leitung (8) verbunden ist, welche den Stromkreis, welcher für den Schweißprozess benötigt wird, bilden. Eine weitere stromrückführende Leitung (9) ist zwischen dem Kontaktierungskorper (12) und
der stromrückführenden Leitung (8) der zweiten Elektrode (5) vorgesehen, welche dazu dient, dass ein Nebenschluss erzeugt wird, um eine Erwärmung des Kunststoffes in dem zu schweißenden Bereich zu bewirken. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, ist ein elektrisch nichtleitendes Material (14), beispielsweise in Form einer Beschichtung oder einer Hülse zwischen der ersten Elektrodenhalterung (4') und dem Kontaktierungskörper (12)
angeordnet.
In Figur 1 a ist die Phase der Erwärmung des Kunststoffes in dem zu schweißenden Bereich dargestellt. Dabei werden die erste Elektrode (4) und der Kontaktierungsbereich (13) des Kontaktierungskörpers (12) auf die Oberfläche des metallischen Materials (3) aufgesetzt. Gegenüberliegend wird die zweite Elektrode (5) auf die Oberfläche der dem metallischen Material abgewandten metallischen Decklage (2') aufgesetzt. Durch Einschalten eines Stromes fließt dieser (durch die Pfeile dargestellt) von der Strom-/Spannungsquelle (1 1 ) durch die stromzuführende Leitung (7) zu der ersten Elektrode (4), die sich im elektrischen Kontakt mit dem metallischen Material (3) befindet. Der Kontaktierungsbereich (13) des Kontaktierungskörpers (12) ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und steht ebenfalls in elektrischem Kontakt mit dem metallischen Material, so dass von der ersten Elektrode (4) aus der Strom gleichmäßig radial in Richtung des Kontaktierungsbereiches (13) fließen kann. Dadurch kann die Wärmeeinflusszone lokal auf den zu schweißenden Bereich begrenzt werden. Durch die stromrückführende Leitung (9), die mit dem Kontaktierungskörper (12) elektrisch verbunden ist, fließt der Strom über einen Nebenschluss weiter, wobei die stromrückführende Leitung (9) mit der stromrückführenden Leitung (8) der zweiten Elektrode (5) elektrisch verbunden ist. Durch die stromrückführende Leitung (8) der zweiten Elektrode (5) fließt der Strom zu der Strom-/Spannungsquelle (1 1 ) zurück. Der vorgenannte elektrische Stromfluss, der im Wesentlichen konstant gehalten wird, bewirkt eine Erwärmung zunächst im metallischen Material (3). Durch Wärmeleitung erreicht die Wärme das metallische Deckblech (2), durch das wiederrum die Wärme in den Kunststoff kern weitergeleitet wird. Durch die eingetragene Wärme erweicht der Kunststoff in dem zu schweißenden Bereich und wird durch Zusammenfahren der Elektrodenhalterungen (4', 5') aus dem zu
schweißenden Bereich verdrängt.
Sind die beiden Decklagen (2, 2') in elektrischem Kontakt, wird gemäß Figur 1 b die Phase des Schweißens eingeleitet, wobei nach der Kontaktierung der beiden Decklagen (2, 2') der elektrische Stromfluss aufrechterhalten wird und, wobei der Strom über die erste und zweite Elektrode (4, 5) zur Erzeugung eines Schweißpunktes weiterfließt (durch die Pfeile dargestellt).
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht dargestellt. Verschweißt wird ein hutprofilförmig geformtes
Sandwichmaterial mit einem metallischen Material, das beispielsweise als Schließblech im Flanschbereich (17) des Sandwichmaterials widerstandspunktgeschweißt wird. Die Phasen der Erwärmung und des Schweißens erfolgen analog zu der vorbeschriebenen
Vorgehensweise. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist der
Kontaktierungskörper (12) über eine Feder (16) an der ersten Elektrodenhalterung (4') federnd angeordnet, wobei ein Anschlag (15) an der ersten Elektrodenhalterung (4') vorzugsweise verstellbar (siehe Pfeil) angebunden ist, um dadurch die Vorspannkraft des Kontaktierungskorpers (12) individuell einstellen zu können. Mit steigender Vorspannkraft der Feder (16) wird der Kontaktwiderstand zwischen Kontaktierungskörper (12) und
monolithischem Material (3) geringer. Dadurch kann eine mögliche Anhaftung des
Kontaktierungskorpers (12) an dem monolithischen Material (3) verhindert werden. Um einen Kurzschluss zwischen der ersten Elektrodenhalterung (4') und dem Kontaktierungskörper (12) zu vermeiden, ist zwischen diesen ein elektrisch nichtleitendes Material (14), beispielsweise eine Hülse, vorzugsweise eine Gleithülse, die eine Relativbewegung des federnd angeordneten Kontaktierungskorpers (12) ohne Beschädigung ermöglicht, vorgesehen. Der Kontaktierungskörper (12) weist in seinem oberen Bereich einen
beispielsweise einstückig ausgebildeten Vorsprung (12') auf, welcher zur elektrischen Anbindung/Verbindung mit der stromrückführenden Leitung (9), die beispielsweise als Kupferband ausgebildet ist, dient, die wiederum elektrisch mit der stromrückführenden Leitung (8) der zweiten Elektrode (5) verbunden ist. Alternativ und hier nicht dargestellt, kann die stromrückführende Leitung (9) des Kontaktierungskorpers (12) parallel zu der
stromzuführenden Leitung (7) der ersten Elektrode (4) angeordnet sein. Ferner umgibt der Kontaktierungsbereich (13) des Kontaktierungskorpers partiell die erste Elektrode (4). Diese Ausgestaltung kommt vorzugsweise dann zur Anwendung, wenn die Zugänglichkeit zu dem Schweißbereich, wie sie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, eingeschränkt ist.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht dargestellt. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Kontaktierungskörper (12) einen die erste Elektrode (4) partiell umgebenden Kontaktierungsbereich (13) auf, welcher sich auf zwei Teilbereiche verteilt, wodurch sich ein symmetrischer Stromfluss zwischen der ersten Elektrode (4) und den Teilbereichen des Kontaktierungskorpers (12) einstellen kann. Die zwei Teilbereiche haben auch einen
positiven Einfluss auf die Vorrichtung, da sie während der Kraftbeaufschlagung der Elektrodenhalterungen (4', 5') die erfindungsgemäße Vorrichtung symmetrisch belasten.
B ez u g s ze i c h e n l i st e
Kunststoffkernlage
, 2' metallische Decklage
metallisches Material
erste Elektrode
' erste Elektrodenhalterung
zweite Elektrode
' zweite Elektrodenhalterung
Zangenarm
stromzuführende Leitung der ersten Elektrode stromrückführende Leitung der zweiten Elektrode stromrückführende Leitung des Kontaktierungskorpers0 Punktschweißzange
1 Strom-/Spannungsquelle
2 Kontaktierungskörper
2' Vorsprung
3 Kontaktierungsbereich
4 elektrisch nichtleitendes Material
5 Anschlag
6 Feder
7 Flanschbereich