WO2016005283A1 - MEHRSTUFIGES WIDERSTANDSSCHWEIßEN VON SANDWICHBLECHEN - Google Patents

MEHRSTUFIGES WIDERSTANDSSCHWEIßEN VON SANDWICHBLECHEN Download PDF

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WO2016005283A1
WO2016005283A1 PCT/EP2015/065205 EP2015065205W WO2016005283A1 WO 2016005283 A1 WO2016005283 A1 WO 2016005283A1 EP 2015065205 W EP2015065205 W EP 2015065205W WO 2016005283 A1 WO2016005283 A1 WO 2016005283A1
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welding
electrode
welded
sandwich
contacting
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PCT/EP2015/065205
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Azeddine Chergui
Andreas Niesen
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
Thyssenkrupp Ag
Thyssenkrupp System Engineering Gmbh
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    • B23K11/10—Spot welding; Stitch welding
    • B23K11/11—Spot welding
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    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/42—Plastics

Definitions

  • the invention relates to a method for resistance welding of a sandwich panel to at least one further metallic component, wherein the sandwich panel has two metallic cover layers and a thermoplastic layer arranged between the metallic cover layers, in which at least a first region of the sandwich panel to be welded is heated in such a way that the thermoplastic Plastic layer is softened and displaced by squeezing the outer layers of the welding area, the outer layers are welded to the other component by an electrical current flow in a first circuit via a first and second welding electrode, the first welding electrode is disposed on the side of the sandwich sheet and the second welding electrode with the metallic component has electrical contact.
  • the invention relates to a device for resistance welding of sandwich metal sheets with a further metal component having at least a first and at least one second welding electrode for producing the welded joint in a first region to be welded of the sandwich sheet, means for providing a first circuit which at least over the welding current lead first and the second welding electrode and means for displacing the plastic layer of the sandwich sheet from the first to be welded portion of the sandwich sheet.
  • sandwich panels which have a thermoplastic layer between two metallic thin cover layers, in order to further increase the weight saving potentials in motor vehicle construction using sandwich panels.
  • Sandwich panels are produced, for example, strip-shaped by laminating a metallic strip with a continuous, thermoplastic layer of plastic and another metal strip and singulated into sheets. Sandwich panels can provide a variety of exclusive properties that open up new weight-saving potential. So wise Sandwich panels due to the plastic layer on a significantly lower weight than solid sheets and at the same time provide high strength values. In addition, the sandwich panels are sound-absorbing and offer high rigidity.
  • a disadvantage of sandwich panels is that they have an electrically insulating plastic layer, which in resistance welding process problems in terms of litigation as well as the formation of a flawless
  • Sandwich panels for welding for example, for resistance welding with other metal components, sandwich panels are therefore often glued or mechanically joined together.
  • Sandwich sheet a welded joint can be produced. It is proposed to carry out the heating of the joining regions by means of temperature-controllable electrodes or pressing elements.
  • the welding electrodes or pressing elements are provided for this purpose, for example, with heating elements.
  • the structure of the welding electrodes is thus relatively complicated. In addition, the speed of heating the
  • thermoplastic polymer layer can be further increased, so that shorter cycle times can be achieved. From US Patent US 4,650,951 is also a method for
  • Welding electrodes are used, which are heated and so heat and displace the plastic layer lying between the cover layers before the actual
  • Sandwich plate to connect with another metal component by resistance welding The method is divided into two steps, on the one hand into a preheating step, in which the area to be welded is heated via a preheating current and the thermoplastic material is displaced from the region of the sandwich sheet to be welded. On the other hand, after preheating by applying a welding current, the sandwich sheet is welded to the metallic member.
  • a preheating step in which the area to be welded is heated via a preheating current and the thermoplastic material is displaced from the region of the sandwich sheet to be welded.
  • the sandwich sheet is welded to the metallic member.
  • German patent application DE 10 2013 112 436 AI also relates to a method for resistance welding, in which first the welded area of the sandwich sheet is heated, the plastic is displaced from the area to be welded and then welding the previously adhesively welded cover sheets of the sandwich sheet with the metallic Component takes place.
  • Heating of the area to be welded takes place from the side of the metallic component, wherein a current bridge to be attached to the component is used
  • welding metallic component and a current bridge to the component comprises, the second welding electrode opposite the first welding electrode on the of
  • Sandwich panel facing away from the component is arranged, by a current flow in the second circuit at least the contact region of the second
  • Welding electrode is heated with the component, wherein the current bridge is formed as at least one contacting electrode, which is arranged on the side of the sandwich sheet and via which an electrical connection to be welded to the metallic component from the side of the sandwich sheet forth, wherein the contacting electrode, the metallic Component contacted directly from the side of the sandwich sheet or contacting the component via the already existing in the sandwich sheet welded joints over which the sandwich sheet is materially connected to the metallic component, contacted.
  • Heating current can be heated in a simple manner by heating the metallic component, the thermoplastic resin layer such that the plastic layer can be easily displaced by the first welding electrode.
  • a second circuit does not necessarily have another
  • the second circuit also means current-carrying areas which are present outside the first circuit and are used in the phase of heating the area of the metallic component to be welded.
  • a current bridge according to the invention is a
  • a contacting electrode initially does not have to be so heat-resistant that it does can also create a welded joint.
  • Contacting electrode be designed to be heat resistant, then, for example, as a welding electrode to form part of another welding device, so that the contacting electrode can be used not only as a current bridge, but also for welding.
  • the apparatus required for the provision of the current bridge is reduced with high flexibility. In particular, no additional power bridges are needed.
  • a contacting electrode allows easy positioning of the welding electrode in the vicinity of the weld joint to be provided, so that the current can be introduced into the metallic component in the vicinity of the welding position.
  • the contacting electrode may also support the metallic component directly from the side of the first welding electrode, i. from the side of the sandwich panel to provide an electrical connection.
  • the contacting electrode contacts the component via welded joints already present in the sandwich sheet, by way of which the sandwich sheet is materially bonded to the metallic component. In this way, directly present current bridges from the side of the sandwich panel, which are present, for example, in the vicinity of the connection currently to be welded from the sandwich panel to the metallic component, can be used to shorten the current path of the second circuit for contact of the second welding electrode with the metallic component ,
  • the contacting electrode is assigned a second contacting electrode, which is arranged opposite the first contacting electrode and contacts the metallic component in a second region to be welded during welding of the sandwich plate to the metallic component, the first and the two contacting electrodes
  • Contacting electrode are electrically connected and current from the first
  • the current flow of the second circuit can be used for heating the contacting of the second welding electrode with the metallic component.
  • thermoplastic plastic displaced the plastic layer, both can
  • Electrode pairs are used to perform both the displacement process and the welding process. As already stated, an additional current bridge in this case is also no longer necessary.
  • the first and second welding electrodes are in a positionable
  • the first or the second positionable device can follow the other device and thus a short path with respect to the heating current when using already created connection points between cover plate and metallic component
  • both devices have their own power or
  • the heating device can also be used for welding and have as contact electrodes two welding electrodes.
  • the heating phase circuit is provided in a second region of the sandwich sheet to be welded during the welding operation of the heating device by the first circuit of the first welding device, wherein the first welding electrode and the first contacting electrode are at least during the heating phase of the second to be welded Area are electrically connected to each other. Both devices can each other the circuits or the electrical connections, which for
  • the first welding device just initiate the heating phase provided that the second heating device has already completed the welding phase and provides an electrical connection between the cover plates of the sandwich sheet and the metallic component to be welded.
  • the method after the heating of the first region to be welded and the displacement of the
  • thermoplastic material from the first region to be welded the position of the heating device on a third region of the weld to be welded
  • Sandwich panel changed and carried out the heating phase in the third area to be welded using the first circuit of the first welding device once the first welding device has welded between the cover plates of the sandwich sheet in the first welded portion of the sandwich sheet and the metallic component.
  • connection points between a sandwich sheet and a metallic component can be ensured.
  • the electrical connection between the first welding electrode of the first welding device and the first contacting electrode preferably takes place
  • Heating device via a movable and controllable connection device, in particular via a robot or a gantry system.
  • Connections between the first and second welding electrodes can then be selected independently of the position of the respective welding electrode, for example in the presence of a plurality of welding electrode pairs, between the nearest welding electrodes. But it is also a purely electronic, switchable connection between the welding electrodes conceivable.
  • Independent positioning makes it possible, for example, to produce a wide variety of welding spots in cycles immediately following one another and in as much as possible Short time to connect a sandwich panel with a metallic component with multiple welds.
  • the current in the first and / or in the second circuit is controlled at least as a function of a resistance measurement between the first and second and / or the first and second contacting electrodes.
  • the resistance measurement between the welding and / or contacting electrodes, which are arranged opposite one another, makes it possible to measure the different phases of the welding process, heating phase, adhesion phase and welding phase and the like
  • the above-described object is achieved by a generic device in that means are provided for providing at least one second circuit, wherein the second circuit at least the second in contact with the component
  • Welding electrode at least partially comprises the metallic component and a current bridge to the component, wherein the contact region of the second welding electrode to the component is formed so that it can be heated by current flow in the second circuit and wherein the current bridge is formed as a Maisticianselektrode, which on the Side of the sandwich sheet is arranged and via which an electrical connection to be welded to the metallic component from the side of the sandwich sheet forth can be provided, wherein the contacting electrode can be positioned in the immediate vicinity of the welded first portion of the metallic component or already existing welded joints between the sandwich sheet and the metallic component can use.
  • the provision of a second circuit allows the metal component to be welded into a heating phase and a second
  • Welding apparatus for welding sandwich panels with a metallic component in a first area to be welded can be dispensed with additional power bridges. By using the contacting electrode short current paths can be ensured that the
  • Contacting electrode can be positioned in the immediate vicinity of the first region of the metallic component to be welded and in particular can use already existing welded joints between the sandwich panel and the metallic component.
  • the means for displacing the plastic from the area to be welded of the sandwich panel can be acted upon by a force, for example, so that softened plastic, i. heated thermoplastic material, the plastic can be displaced from the area to be welded and the outer layers of the sandwich sheet on the metallic
  • Component can be pressed. If the first welding electrode and the first contacting electrode used for this purpose, for example, directly with these means also a welding of the sandwich sheet with the metallic component in the same stroke.
  • the first contacting electrode is assigned a second contacting electrode which is opposite to the first contacting electrode
  • Contacting electrode is arranged and can contact the metallic component in a second welded portion of the sandwich sheet during welding, wherein the first and the second contacting electrode form a part of the second circuit when welding in a second welded portion of the sandwich sheet, wherein means are provided for at least temporarily electrically connecting the first welding electrode and the first contacting electrode at least during heating of the first portion to be welded of the sandwich sheet, not only a short current path through the second circuit for heating a first portion of the sandwich sheet to be welded may be provided but the first and second contacting electrodes are also used for producing a welded joint in a second region of the sandwich sheet to be welded.
  • the first and / or the second contacting electrode are formed in this case as welding electrodes.
  • a further embodiment is advantageous, according to which the first and second
  • Form heating device which are each positionable in different welding areas of the sandwich sheet.
  • the contacting electrodes of the heating device are designed as welding electrodes.
  • Welding points are produced in a sandwich panel and the sandwich panel are connected to the metallic component.
  • Both devices preferably also have their own current or voltage source whose connection to the electrodes can preferably be interrupted when the current path for the respective other device is provided, so that parts of the circuit of the welding device also serve to electrically connect the welding electrodes of the heating device both devices independently of each other for welding
  • robots or gantry systems are provided for positioning the welding and / or heating device. These can ensure a particularly accurate positioning of the welding or contacting electrodes at the intended welding points. Is according to a further embodiment of the device as a means for temporary electrical connection between the first welding electrode and the first
  • At least one controllable connection device preferably at least one robot or at least one portal system provided on the one hand in a particularly simple manner, the electrical connection between the first welding electrode and the first contacting electrode can be provided and on the other hand, a connection with others,
  • the sandwich sheet side welding and contacting electrodes are particularly flexible.
  • a measurement of the resistances between the first welding electrode and the second welding electrode allows an improved process control during welding, for example, by determining whether the current flow takes place via the first contacting electrode or directly between the first and the second welding electrode through the component to be welded, because in this case a particularly low
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device for carrying out the
  • FIG. 2 shows the embodiment of FIG. 1 at the time of welding the
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a device with two movable
  • Fig. 1 shows first a device 1 for resistance welding of
  • an AC voltage source 7 and power lines 8 are shown schematically, which form the first circuit which connects the welding electrode 4 with the welding electrode 5.
  • Ii flows.
  • the first welding electrode 4 is provided as a means for displacing the plastic from the plastic layer 2a of the sandwich sheet. This can
  • Contacting electrode 10 is at a welded joint between the
  • Sandwich plate 2 and the metallic component 3 is positioned so that the
  • Contacting electrode 10 is electrically connected to the metallic component 3. If there is no connection point between the sandwich panel 2 and the metallic component 3, the contacting electrode 10 can also be positioned directly on the metallic component 3, as indicated in FIG. 1. As shown in FIG. 1, between the two welding electrodes 4 and 5, an ohmic resistance Ri is given, which is much larger than the resistance which exists between the contacting electrode 10 and the second welding electrode 5. In addition, the electrical resistance which occurs between the first contacting electrode 10 and the welding electrode 5 is significantly lower than the resistance in the current path from the first welding electrode 4 via the upper cover sheet 2b of the sandwich panel 2, the welded joint S to the second
  • the first circuit in which the current flows l t therefore has an increased resistance and the current l t is therefore significantly smaller than the current I 2 .
  • the contacting electrode 10 is electrically connected to the first welding electrode 4, so that via the contacting electrode 10, the heating current flows into the area 6 of the metallic component 3 to be heated and here heats the metallic component.
  • the heating current can be selectively controlled by the use of the contacting electrode 10.
  • Heating process softens the plastic layer 2a, which is arranged between the two cover layers 2b of the sandwich panel 2.
  • the intended contacting electrode 10 contacts the metallic component 3 from the side of the sandwich panel, namely either in a region in which a connection between the sandwich panel and the metallic component 3 already exists or directly the metallic component itself
  • Welding area should therefore be able to weld through the
  • Contact electrode 10 are chosen to be lower than, for example, at
  • the electrical resistance for the heating current is also correspondingly low.
  • the process control for example, due the resistance measurements can be improved by selecting a small distance between the contacting electrode and the region 6 to be welded.
  • Fig. 2 shows the embodiment of FIG. 1 at a later time, namely at the time after the displacement of the plastic layer 2a of the sandwich sheet 2 by the welding electrode 4. Because the resistance Ri is smaller when contacting the cover sheets 2b with the metallic component As the resistance resulting from the electrical connection via the contacting electrode 10, a welding current can be set between the welding electrodes 4 and 5, that is, the first welding electrode and the second welding electrode.
  • Welding current then generates the welded connection between the sandwich panel 2 and the metallic component 3 in the region 6 to be welded.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment in which the device for resistance welding initially has a second contacting electrode 11, which is assigned to the first contacting electrode 10.
  • Welding electrodes are formed and form during welding in a second region to be welded part of the second circuit, which is provided here by an additional current source 7 'and associated power lines 8'.
  • additional current source 7 'and associated power lines 8' In the device very schematically illustrated, the first and second form
  • Contacting electrode 10, 11 a heating device and the first and second welding electrode 4, 5, a welding device, which can be positioned in different welding areas of the sandwich sheet 2, for example in the area to be welded 6 and 6 '.
  • a welding device which can be positioned in different welding areas of the sandwich sheet 2, for example in the area to be welded 6 and 6 '.
  • robots or gantry systems 12 and 12 ' may be provided for positioning the devices.
  • the gantry systems and the robots 12, 12 ' are merely indicated in FIG. Equally indicated is an electrical connection between the first welding electrode 4 and the first
  • the electrical connection 13 is equipped with a controllable breaker 13 'in order to close or open the connection between the two electrodes only temporarily.
  • the connection 13 can also be provided by a connecting device 14, which is preferably designed as a robot or gantry system, which is likewise only indicated.
  • the electrodes 10, 11 are positioned, for example, on an already existing connection between the sandwich sheet 2 and the metallic component 3, for example in the region 6 'to be welded.
  • an electrical connection between the sandwich panel 2 and the metallic component 3 is already given.
  • Via the connection 13 or via the connection robot 14, an electrical connection between the first welding electrode 4 and the first contacting electrode 10 is provided.
  • the current flow from the current source 7 via the connecting line 13 and the first contacting electrode 10 to the welding electrode 5, so that the area to be welded 6 is heated. If the plastic layer between the cover layers of the sandwich panel 2 softens, the cover plates 2a, 2b of the sandwich panel 2 can be brought into contact with the metallic component 3 by the first welding electrode 4, so that the
  • Control welding current of the power source 7 so that the welding current is adjusted and a welding between the sandwich sheet 2 and the metallic component 3 in the area to be welded 6 takes place. While the welding current flows between the first welding electrode 4 and the second welding electrode 5, the first and second contacting electrodes 10, 11 can be moved to the next welding position.
  • the heating phase and the welding phase are preferably included interrupted electrical connection between the contacting electrodes 10, 11 and the current or voltage source 7 '.
  • connection to the current source 7 is preferably interrupted so that the electrical connection between the first contacting electrode 10 and the first welding electrode 4 allows the current to flow to the contacting electrode 11, which is used to heat a new, third one welding region of the metallic component 3 leads. Subsequently, the displacement of the plastic layer by the contacting electrode 10 takes place again, so that in a measurement of the resistance between the contacting electrode 10 and the contacting electrode 11 in a strong drop in resistance of the welding current through the current or
  • the new welding position can already be assumed by the contacting electrodes 10 and 11 during the welding operation in the first region of the metallic component to be welded, a welding method with particularly short cycle times and nevertheless good process control can be provided with the method according to the invention and the devices according to the invention become.
  • the electrodes 10 and 11 are also used for welding purposes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren metallischen Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, bei welchem zumindest ein erster zu schweißender Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird, die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss in einem ersten Stromkreis über eine erste und zweite Schweißelektrode miteinander verschweißt werden, wobei die erste Schweißelektrode auf der Seite des Sandwichblechs angeordnet ist und die zweite Schweißelektrode mit dem metallischen Bauteil elektrisch Kontakt hat. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welchem mit geringem apparativen Aufwand eine weitere Verbesserung in Bezug auf die wirtschaftliche Bereitstellung, d.h. auch eine Verringerung der Zykluszeiten bei der Erzeugung von Fügeverbindungen zwischen Sandwichblechen und metallischen Bauteilen erreicht werden kann wird mit einem Verfahren gemäße Patentanspruch 1 gelöst.

Description

Mehrstufiges Widerstandsschweißen von Sandwichblechen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren metallischen Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, bei welchem zumindest ein erster zu schweißender Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird, die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss in einem ersten Stromkreis über eine erste und zweite Schweißelektrode miteinander verschweißt werden, wobei die erste Schweißelektrode auf der Seite des Sandwichblechs angeordnet ist und die zweite Schweißelektrode mit dem metallischen Bauteil elektrisch Kontakt hat. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen von Sandwichblechen mit einem weiteren metallischen Bauteil mit mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Schweißelektrode zur Erzeugung der Schweißverbindung in einem ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs, Mitteln zur Bereitstellung eines ersten Stromkreises, welche den Schweißstrom zumindest über die erste und die zweite Schweißelektrode führen und Mitteln zur Verdrängung der Kunststoffschicht des Sandwichblechs aus dem ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs.
Die steigende Nachfrage nach Leichtbaukonzepten im Kraftfahrzeugbereich rückt die Verwendung von Sandwichblechen, welche zwischen zwei metallischen dünnen Deckschichten eine thermoplastische Kunststoffschicht aufweisen, in den Vordergrund, um unter Verwendung von Sandwichblechen die Gewichtseinsparungspotentiale im Kraftfahrzeugbau weiter zu vergrößern. Sandwichbleche werden beispielsweise bandförmig durch Kaschieren eines metallischen Bandes mit einer durchgehenden, thermoplastischen Kunststoffschicht und einem weiteren metallischen Band hergestellt und zu Blechen vereinzelt. Sandwichbleche können verschiedene, sich ausschließende Eigenschaften bereitstellen, welche neue Gewichtseinsparpotentiale eröffnen. So weisen Sandwichbleche aufgrund der Kunststoffschicht ein deutlich geringeres Gewicht als Vollbleche auf und stellen gleichzeitig hohe Festigkeitswerte zur Verfügung. Darüber hinaus sind die Sandwichbleche schalldämpfend und bieten eine hohe Steifigkeit.
Nachteilig bei Sandwichblechen ist allerdings, dass diese eine elektrisch isolierende Kunststoffschicht aufweisen, welche bei Widerstandsschweißverfahren Probleme in Bezug auf die Prozessführung wie auch auf die Ausbildung einer einwandfreien
Schweißverbindung verursachen. Aufgrund der mangelnden Eignung der
Sandwichbleche für das Verschweißen, beispielsweise für ein Widerstandsschweißen mit anderen metallischen Bauteilen, werden Sandwichbleche daher häufig verklebt oder mechanisch miteinander gefügt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 109 708 AI ist ein Verfahren zum Fügen eines Sandwichblechs mit einem weiteren metallischen Bauteil bekannt, bei welchem die Zwischenschicht im Verbindungsbereich aufgeschmolzen wird und aus dem Verbindungsbereich verdrängt wird, so dass anschließend durch Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen dem Bauelement und den Deckschichten des
Sandwichblechs eine Schweißverbindung erzeugt werden kann. Es wird vorgeschlagen, die Erwärmung der Fügebereiche durch temperierbare Elektroden oder Presselemente durchzuführen. Die Schweißelektroden oder Presselemente sind hierzu beispielsweise mit Heizelementen versehen. Der Aufbau der Schweißelektroden wird damit relativ kompliziert. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit des Erwärmens der
thermoplastischen Kunststoffschicht noch weiter gesteigert werden, so dass kürzere Zykluszeiten erreicht werden können. Aus der US-Patentschrift US 4,650,951 ist darüber hinaus ein Verfahren zum
Widerstandsschweißen zweier Verbundbleche bekannt, welches zwei
Schweißelektroden verwendet, die beheizt sind und so die zwischen den Deckschichten liegende Kunststoffschicht erwärmen und verdrängen, bevor das eigentliche
Verschweißen beginnt. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 108 563 AI ist darüber hinaus ein Verfahren bekannt, bei welchem zwei Stromkreise verwendet werden, um ein
Sandwichblech mit einem weiteren metallischen Bauteil durch Widerstandsschweißen zu verbinden. Das Verfahren teilt sich dabei in zwei Schritte auf, einerseits in einen Vorwärmschritt, bei welchem über einen Vorwärmstrom der zu schweißende Bereich erwärmt wird und der thermoplastische Kunststoff aus dem zu verschweißenden Bereich des Sandwichblechs verdrängt wird. Andererseits wird nach dem Vorwärmen durch Anlegen eines Schweißstroms das Sandwichblech mit dem metallischen Bauteil verschweißt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es bei dieser Vorgehensweise zu einem Kurzschluss beim Kontakt der Deckbleche bei noch angelegtem Vorwärmstrom kommen kann und dadurch Spritzer im Sandwichblech entstehen, die zu einer
Blasenbildung bzw. Delamination führen können.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2013 112 436 AI betrifft zudem ein Verfahren zum Widerstandsschweißen, bei welchem zunächst der zu schweißende Bereich des Sandwichblechs erwärmt wird, der Kunststoff aus dem zu schweißenden Bereich verdrängt wird und anschließend ein Verschweißen der zuvor haftgeschweißten Deckbleche des Sandwichblechs mit dem metallischen Bauteil stattfindet. Die
Erwärmung des zu schweißenden Bereichs erfolgt von der Seite des metallischen Bauteils, wobei über eine an das Bauteil anzubringende Strombrücke ein
Erwärmungsstrom durch das Bauteil und die am metallischen Bauteil anliegende Schweißelektrode fließt.
Bisher sind die Konzepte zur wirtschaftlichen Bereitstellung von Verbindungen zwischen Sandwichblech und metallischem Bauteil noch verbesserungsfähig.
Insbesondere die Verringerung des apparativen Aufwandes um möglichst flexibel Verbindungen von Sandwichblech und metallischem Bauteil bereitzustellen sowie die Reduzierung von Zykluszeiten stehen im Mittelpunkt der Entwicklung. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welchem mit geringem apparativen Aufwand eine weitere Verbesserung in Bezug auf die wirtschaftliche Bereitstellung, d.h. auch eine Verringerung der Zykluszeiten bei der Erzeugung von Fügeverbindungen zwischen Sandwichblechen und metallischen Bauteilen erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung mit einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass ein zweiter Stromkreis verwendet wird, welcher die zweite Schweißelektrode, das mit dem Sandwichblech zu
schweißende metallische Bauteil und eine Strombrücke zum Bauteil umfasst, die zweite Schweißelektrode gegenüberliegend der ersten Schweißelektrode auf der vom
Sandwichblech abgewandten Seite des Bauteils angeordnet ist, durch einen Stromfluss in dem zweiten Stromkreis zumindest der Kontaktbereich der zweiten
Schweißelektrode mit dem Bauteil erwärmt wird, wobei die Strombrücke als mindestens eine Kontaktierungselektrode ausgebildet ist, welche auf der Seite des Sandwichblechs angeordnet ist und über welche eine elektrische Verbindung zum zu schweißenden metallischen Bauteil von der Seite des Sandwichblechs her bereitgestellt wird, wobei die Kontaktierungselektrode das metallische Bauteil unmittelbar von der Seite des Sandwichblechs aus kontaktiert oder die Kontaktierungselektrode das Bauteil über im Sandwichblech bereits vorhandene Schweißverbindungen, über welche das Sandwichblech mit dem metallischen Bauteil stoffschlüssig verbunden ist, kontaktiert.
Durch die Nutzung des zweiten Stromkreises zur Bereitstellung eines
Erwärmungsstroms kann auf einfache Weise durch Erwärmung des metallischen Bauteils die thermoplastische Kunststoffschicht derart erwärmt werden, dass die Kunststoffschicht auf einfache Weise durch die erste Schweißelektrode verdrängt werden kann. Als zweiter Stromkreis muss nicht notwendigerweise eine weitere
Stromquelle vorhanden sein. Als zweiter Stromkreis werden erfindungsgemäß auch stromführende Bereiche verstanden, die außerhalb des ersten Stromkreises vorhanden sind und in der Phase der Erwärmung des zu schweißenden Bereichs des metallischen Bauteils genutzt werden. Als Strombrücke kommt erfindungsgemäß eine
Kontaktierungselektrode zum Einsatz. Im Unterschied zu einer Schweißelektrode muss eine Kontaktierungselektrode zunächst nicht derart hitzebeständig sein, dass diese auch eine Schweißverbindung erzeugen kann. Andererseits kann die
Kontaktierungselektrode entsprechend hitzebeständig ausgebildet sein, um dann beispielsweise als Schweißelektrode einen Teil einer weiteren Schweißvorrichtung zu bilden, so dass die Kontaktierungselektrode nicht nur als Strombrücke, sondern auch zum Schweißen genutzt werden kann. Hierdurch wird bei hoher Flexibilität der apparative Aufwand für die Bereitstellung der Strombrücke verringert. Insbesondere werden keine zusätzlichen Strombrücken benötigt. Darüber hinaus ermöglicht eine Kontaktierungselektrode eine einfache Positionierung der Schweißelektrode in der Nähe der bereitzustellenden Schweißverbindung, so dass der Stromeintrag in das metallische Bauteil in der Nähe der Schweißposition erfolgen kann. Die
Kontaktierungselektrode kann beispielsweise der ersten und zweiten Schweißelektrode folgen und damit immer jeweils einen geringen Abstand zu diesen aufweisen, so dass der Weg des Stroms im metallischen Bauteil begrenzt ist. Zudem kann die Kontaktierungselektrode das metallische Bauteil auch unmittelbar von der Seite der ersten Schweißelektrode, d.h. von der Seite des Sandwichblechs aus kontaktieren, um eine elektrische Verbindung bereitzustellen. Alternativ kontaktiert die Kontaktierungselektrode das Bauteil über im Sandwichblech bereits vorhandene Schweißverbindungen, über welche das Sandwichblech mit dem metallischen Bauteil stoffschlüssig verbunden ist. Damit können unmittelbar vorhandene Strombrücken von der Seite des Sandwichblechs her, welche beispielsweise in der Nähe der aktuell zu schweißenden Verbindung vom Sandwichblech zum metallischen Bauteil vorhanden sind, genutzt werden, um den Strompfad des zweiten Stromkreises zum Kontakt der zweiten Schweißelektrode mit dem metallischen Bauteil zu verkürzen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kontaktierungselektrode eine zweite Kontaktierungselektrode zugeordnet, welche gegenüberliegend der ersten Kontaktierungselektrode angeordnet ist und beim Schweißen des Sandwichblechs mit dem metallischen Bauteil das metallische Bauteil in einem zweiten zu schweißenden Bereich kontaktiert, wobei die erste und die zweie Kontaktierungselektrode beim
Schweißen des Sandwichblechs in dem zweiten zu schweißenden Bereich Teil des zweiten Stromkreises sind, wobei zumindest während des Vorwärmens des ersten zu schweißenden Bereichs die erste Schweißelektrode und die erste
Kontaktierungselektrode elektrisch verbunden sind und Strom von der ersten
Kontaktierungselektrode zur zweiten Schweißelektrode fließt. Mit der ersten und der zweiten Kontaktierungselektrode können ebenfalls Schweißverbindungen zwischen dem Sandwichblech und dem metallischen Bauteil analog zur ersten und zweiten Schweißelektrode hergestellt werden. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass bei
verbundener erster Schweißelektrode und erster Kontaktierungselektrode auf der Seite des Sandwichblechs entweder über im Sandwichblech bereits vorhandene
Verbindungsbereiche zum metallischen Bauteil oder durch Kontakt der ersten
Kontaktierungselektrode unmittelbar mit dem metallischen Bauteil eine Strombrücke zwischen der ersten Kontaktierungselektrode und dem metallischen Bauteil
bereitgestellt werden, so dass der Stromfluss des zweiten Stromkreises zum Erwärmen der Kontaktierung der zweiten Schweißelektrode mit dem metallischen Bauteil verwendet werden kann.
Werden die Deckschichten des Sandwichblechs gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens durch Kraftbeaufschlagung der ersten und/oder zweiten Schweißelektrode im ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs und/oder durch
Kraftbeaufschlagung der ersten und/oder zweiten Kontaktierungselektrode im zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs zusammengedrückt und der
thermoplastische Kunststoff der Kunststoffschicht verdrängt, können beide
Elektrodenpaare dazu genutzt werden, sowohl den Verdrängungsvorgang als auch den Schweißvorgang auszuführen. Wie bereits ausgeführt, ist eine zusätzliche Strombrücke in diesem Fall ebenfalls nicht mehr notwendig.
Bevorzugt sind die erste und zweite Schweißelektrode in einer positionierbaren
Schweißvorrichtung und die erste und zweite Kontaktierungselektrode in einer positionierbaren Erwärmungsvorrichtung angeordnet, wobei beide Vorrichtungen die Schweiß- und Kontaktierungselektroden an verschiedenen Schweiß- oder
Kontaktpunkten positionieren und der zweite Stromkreis für die Erwärmungsphase beim Schweißvorgang der Schweißvorrichtung durch die Erwärmungsvorrichtung bereitgestellt wird. Hierdurch ist es möglich, dass beim Widerstandsschweißen zunächst eine Schweißverbindung zwischen den Deckblechen und dem metallischen Bauteil bereitgestellt wird, die erste und zweite Kontaktierungselektrode in dieser Position gehalten werden und durch die elektrische Verbindung zwischen Deckblech und metallischem Bauteil den zweiten Stromkreis zum Erwärmen des ersten zu
schweißenden Bereichs des metallischen Bauteils bereitstellen. Einerseits kann die erste bzw. die zweite positionierbare Vorrichtung der anderen Vorrichtung folgen und insofern einen kurzen Weg bezüglich des Erwärmungsstroms bei Nutzung von bereits erzeugten Verbindungsstellen zwischen Deckblech und metallischem Bauteil
gewährleisten. Andererseits können sich Vorteile auch in Bezug auf die benötigte Zykluszeit ergeben. Vorzugsweise weisen beide Vorrichtungen eigene Strom- bzw.
Spannungsquellen für das Schweißen und/oder Erwärmen auf. Denkbar ist aber auch, dass nur eine Spannungs- bzw. Stromquelle vorgesehen ist, welche die beiden
Stromkreise versorgt. Optional kann die Erwärmungsvorrichtung auch zum Schweißen verwendet werden und als Kontaktierungselektroden zwei Schweißelektroden aufweisen.
Hierzu wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens der Stromkreis für die Erwärmungsphase in einem zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs beim Schweißvorgang der Erwärmungsvorrichtung durch den ersten Stromkreis der ersten Schweißvorrichtung bereitgestellt, wobei die erste Schweißelektrode und die erste Kontaktierungselektrode zumindest während der Erwärmungsphase des zweiten zu schweißenden Bereichs miteinander elektrisch verbunden sind. Beide Vorrichtungen können gegenseitig die Stromkreise bzw. die elektrischen Verbindungen, welche zur
Durchführung der Erwärmungsphase und der Schweißphase benötigt werden, bereitstellen. Insgesamt können auch die Zykluszeiten verringert werden. So kann beispielsweise die erste Schweißvorrichtung gerade die Erwärmungsphase einleiten sofern die zweite Erwärmungsvorrichtung bereits die Schweißphase komplettiert hat und eine elektrische Verbindung zwischen den Deckblechen des Sandwichblechs und dem zu schweißenden metallischen Bauteil bereitstellt. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Erwärmen des ersten zu schweißenden Bereichs und dem Verdrängen des
thermoplastischen Kunststoffes aus dem ersten zu schweißenden Bereich die Position der Erwärmungsvorrichtung auf einen zu schweißenden dritten Bereich des
Sandwichblechs gewechselt und die Erwärmungsphase in dem dritten zu schweißenden Bereich unter Verwendung des ersten Stromkreises der ersten Schweißvorrichtung durchgeführt, sobald die erste Schweißvorrichtung eine Schweißverbindung zwischen den Deckblechen des Sandwichblechs in dem ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs und dem metallischen Bauteil erzeugt hat. Durch diese unmittelbaren aufeinanderfolgenden Zyklen von Bereitstellung der elektrischen Verbindung, Schweiß- und Erwärmungsphasen kann ein optimaler Ablauf bei der Bereitstellung einer
Mehrzahl von Verbindungspunkten zwischen einem Sandwichblech und einem metallischen Bauteil gewährleistet werden.
Bevorzugt erfolgt die elektrische Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode der ersten Schweißvorrichtung und der ersten Kontaktierungselektrode der
Erwärmungsvorrichtung über eine bewegliche und steuerbare Verbindungsvorrichtung, insbesondere über einen Roboter oder auch ein Portalsystem. Die elektrischen
Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode kann dann unabhängig von der Position der jeweiligen Schweißelektrode, beispielsweise bei Vorhandensein von mehreren Schweißelektrodenpaaren, zwischen den nächstliegenden Schweißelektroden gewählt werden. Es ist aber auch eine rein elektronisch, schaltbare Verbindung zwischen den Schweißelektroden denkbar.
Besonders kurze Zykluszeiten und hohe Positioniergenauigkeiten werden dadurch erreicht, dass die Positionierung der Schweiß- und Erwärmungsvorrichtung unabhängig voneinander, vorzugsweise mit Robotern oder Portalsystemen erfolgt. Eine
unabhängige Positionierung ermöglicht es, unterschiedlichste Schweißpunkte in unmittelbar aufeinander folgenden Zyklen beispielsweise herzustellen und in möglichst kurzer Zeit ein Sandwichblech mit einem metallischen Bauteil mit mehreren Schweißpunkten zu verbinden.
Vorzugsweise wird der Strom in dem ersten und/oder im zweiten Stromkreis zumindest abhängig von einer Widerstandsmessung zwischen der ersten und zweiten und/oder der ersten und zweiten Kontaktierungselektrode gesteuert. Die Widerstandsmessung zwischen den Schweiß- und/oder Kontaktierungselektroden, welche gegenüberliegend angeordnet sind, ermöglicht es, die verschiedenen Phasen des Schweißvorgangs, Erwärmungsphase, Haftphase und Schweißphase zu messen und entsprechende
Schweißströme einzustellen. Dies erfolgt in jeder Schweißvorrichtung vorzugsweise mit einer eigenen Spannungs- bzw. Stromquelle oder mit einer gemeinsamen Spannungsbzw. Stromquelle für beide Stromkreise.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst, dass Mittel zur Bereitstellung mindestens eines zweiten Stromkreises vorgesehen sind, wobei der zweite Stromkreis zumindest die mit dem Bauteil in Kontakt stehende zweite
Schweißelektrode, zumindest teilweise das metallische Bauteil und eine Strombrücke zum Bauteil umfasst, wobei der Kontaktbereich der zweiten Schweißelektrode mit dem Bauteil so ausgebildet ist, dass dieser durch Stromfluss im zweiten Stromkreis erwärmt werden kann und wobei die Strombrücke als eine Kontaktierungselektrode ausgebildet ist, welche auf der Seite des Sandwichblechs angeordnet ist und über welche eine elektrische Verbindung zum zu schweißenden metallischen Bauteil von der Seite des Sandwichblechs her bereitgestellt werden kann, wobei die Kontaktierungselektrode in unmittelbarer Nähe des zu schweißenden ersten Bereichs des metallischen Bauteils positioniert werden kann oder bereits vorhandene Schweißverbindungen zwischen dem Sandwichblech und dem metallischen Bauteil nutzen kann.
Wie bereits zuvor ausgeführt, ermöglicht die Bereitstellung eines zweiten Stromkreises, das Schweißen des metallischen Bauteils in eine Erwärmungsphase und eine
Schweißphase zu unterteilen, wobei der zweite Stromkreis für die Erwärmungsphase genutzt werden kann. Ferner ermöglicht die Verwendung einer
Kontaktierungselektrode die Nutzung beispielsweise von weiteren
Schweißvorrichtungen für das Verschweißen von Sandwichblechen mit einem metallischen Bauteil in einem ersten zu schweißenden Bereich. Es kann auf zusätzliche Strombrücken verzichtet werden. Durch die Verwendung der Kontaktierungselektrode können kurze Strompfade dadurch gewährleistet werden, dass die
Kontaktierungselektrode in unmittelbarer Nähe des zu schweißenden ersten Bereichs des metallischen Bauteils positioniert werden kann und insbesondere bereits vorhandene Schweißverbindungen zwischen dem Sandwichblech und dem metallischen Bauteil nutzen kann.
Um den apparativen Aufwand zum Verdrängen des Kunststoffs aus den zu
schweißenden Bereichen des Sandwichblechs zu verringern, sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur Verdrängung der Kunststoffschicht des Sandwichblechs zumindest die erste Schweißelektrode und zumindest die erste
Kontaktierungselektrode vorgesehen. Die Mittel zum Verdrängen des Kunststoffs aus dem zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs können beispielsweise mit einer Kraft beaufschlagt werden, so dass bei erweichtem Kunststoff, d.h. erwärmten thermoplastischem Kunststoff, der Kunststoff aus dem zu schweißenden Bereich verdrängt werden kann und die Deckschichten des Sandwichblechs auf das metallische
Bauteil gedrückt werden können. Werden die erste Schweißelektrode und die erste Kontaktierungselektrode dazu verwendet, kann beispielsweise unmittelbar mit diesen Mitteln auch ein Schweißen des Sandwichblechs mit dem metallischen Bauteil im gleichen Arbeitshub erfolgen.
Ist gemäß einer nächsten Ausgestaltung der ersten Kontaktierungselektrode eine zweite Kontaktierungselektrode zugeordnet, welche gegenüberliegend der ersten
Kontaktierungselektrode angeordnet ist und beim Schweißen das metallische Bauteil in einem zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs kontaktieren kann, wobei die erste und die zweite Kontaktierungselektrode beim Schweißen in einem zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs einen Teil des zweiten Stromkreises bilden, wobei Mittel zum zumindest temporären elektrischen Verbinden der ersten Schweißelektrode und der ersten Kontaktierungselektrode zumindest während des Erwärmens des ersten zu schweißenden Bereichs des Sandwichblechs vorgesehen sind, kann nicht nur ein kurzer Strompfad durch den zweiten Stromkreis zum Erwärmen eines ersten, zu schweißenden Bereichs des Sandwichblechs bereitgestellt werden, sondern die ersten und zweite Kontaktierungselektroden auch zum Erzeugen einer Schweißverbindung in einem zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs genutzt werden. Die erste und/oder die zweite Kontaktierungselektrode sind in diesem Fall als Schweißelektroden ausgebildet.
Vorteilhaft ist eine weitere Ausgestaltung, gemäß welcher die erste und zweite
Schweißelektrode einen Teil einer positionierbaren Schweißvorrichtung und die erste und zweite Kontaktierungselektrode einen Teil einer positionierbaren
Erwärmungsvorrichtung bilden, welche jeweils in verschiedenen Schweißbereichen des Sandwichblechs positionierbar sind. Vorzugsweise sind die Kontaktierungselektroden der Erwärmungsvorrichtung als Schweißelektroden ausgebildet. Hierdurch können beispielsweise mit beiden Vorrichtungen im Wechsel nahezu kontinuierlich
Schweißpunkte in einem Sandwichblech erzeugt werden und das Sandwichblech mit dem metallischen Bauteil verbunden werden. Bevorzugt weisen beide Vorrichtungen auch eine eigene Strom- bzw. Spannungsquelle auf, deren Verbindung zu den Elektroden vorzugsweise bei Bereitstellung des Strompfades für die jeweilig andere Vorrichtung unterbrochen sein kann, so dass Teile des Stromkreises der Schweißvorrichtung zur elektrischen Verbindung der Schweißelektroden der Erwärmungsvorrichtung dienen aber auch beide Vorrichtungen unabhängig voneinander die zum Schweißen
notwendigen Ströme, Erwärmungsstrom, Haftschweißstrom und Schweißstrom bereitstellen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind Roboter oder Portalsysteme zur Positionierung der Schweiß- und/oder Erwärmungsvorrichtung vorgesehen. Diese können eine besonders genaue Positionierung der Schweiß- bzw. Kontaktierungselektroden an den vorgesehenen Schweißpunkten gewährleisten. Ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung als Mittel zur temporären elektrischen Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode und der ersten
Kontaktierungselektrode mindestens eine steuerbare Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise mindestens ein Roboter oder mindestens ein Portalsystem vorgesehen, kann einerseits auf besonders einfache Art und Weise die elektrische Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode und der ersten Kontaktierungselektrode bereitgestellt werden und andererseits auch eine Verbindung mit anderen,
beispielsweise weiteren vorgesehenen, auf der Sandwichblechseite angeordneten Schweiß- und Kontaktierungselektroden erfolgen, so dass die Vorrichtungen inklusive ihrer Schweiß- und Kontaktierungselektroden besonders flexibel einsetzbar sind.
Schließlich sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands zwischen der ersten und zweiten
Schweißelektrode und optional zwischen der ersten und zweiten
Kontaktierungselektrode vorgesehen sowie eine Steuerung, welche den Stromfluss in dem ersten und in dem zweiten Stromkreis zumindest abhängig von einer Messung eines der gemessenen elektrischen Widerstände steuern kann. Hierdurch wird eine besonders gute Prozesskontrolle erreicht, da präzise Erwärmungsströme, Haftschweiß- und Schweißströme über die Steuerung eingestellt werden können. Eine Messung der Widerstände zwischen der ersten Schweißelektrode und der zweiten Schweißelektrode erlaubt eine verbesserte Prozesskontrolle beim Schweißen beispielsweise dadurch, dass festgestellt werden kann, ob der Stromfluss über die erste Kontaktierungselektrode erfolgt oder unmittelbar zwischen der ersten und der zweiten Schweißelektrode durch das zu schweißende Bauteil hindurch, da in diesem Fall ein besonders niedriger
Widerstandswert gemessen wird.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens in schematischer Ansicht zum Zeitpunkt der
Erwärmungsphase des zu schweißenden Bereichs, Fig. 2 das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 zum Zeitpunkt des Verschweißens der
Deckbleche mit dem metallischen Bauteil und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit zwei beweglichen
Schweißvorrichtungen.
Fig. 1 zeigt zunächst eine Vorrichtung 1 zum Widerstandsschweißen von
Sandwichblechen 2 mit einem metallischen Bauteil 3 unter Verwendung mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Schweißelektrode 4, 5 zur Erzeugung der Schweißverbindung in einem ersten zu schweißenden Bereich 6 des Sandwichblechs. Als Mittel zur Bereitstellung des ersten Stromkreises sind eine Wechselspannungsquelle 7 sowie Stromleitungen 8 schematisch dargestellt, welche den ersten Stromkreis bilden, der die Schweißelektrode 4 mit der Schweißelektrode 5 verbindet. Im ersten Stromkreis fließt Strom Ii. Als Mittel zum Verdrängen des Kunststoffs aus der Kunststoffschicht 2a des Sandwichblechs ist die erste Schweißelektrode 4 vorgesehen. Diese kann
beispielsweise mit einer Kraft in Richtung des Sandwichblechs 2 beaufschlagt werden. Ferner sind Mittel zur Bereitstellung eines zweiten Stromkreises, durch welchen der Strom I2 fließt in Form von elektrischen Leitungen 9 und einer als Strombrücke fungierenden ersten Kontaktierungselektrode 10 dargestellt. Die
Kontaktierungselektrode 10 ist an einer Schweißverbindung zwischen dem
Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3 positioniert, so dass die
Kontaktierungselektrode 10 elektrisch mit dem metallischen Bauteil 3 verbunden ist. Sofern keine Verbindungsstelle zwischen dem Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3 vorhanden ist, kann die Kontaktierungselektrode 10 auch unmittelbar auf dem metallischen Bauteil 3 positioniert werden, wie in Fig. 1 angedeutet ist. Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist zwischen den beiden Schweißelektroden 4 und 5 ein ohmscher Widerstand Ri gegeben, welcher sehr viel größer ist als der Widerstand, welcher zwischen der Kontaktierungselektrode 10 und der zweiten Schweißelektrode 5 vorliegt. Zudem ist der elektrische Widerstand, welcher sich zwischen der ersten Kontaktierungselektrode 10 und der Schweißelektrode 5 einstellt, deutlich geringer als der Widerstand im Strompfad von der ersten Schweißelektrode 4 über das obere Deckblech 2b des Sandwichblechs 2, die Schweißverbindung S zur zweiten
Schweißelektrode 5. Der erste Stromkreis, in welchem der Strom lt fließt hat daher einen erhöhten Widerstand und der Strom lt ist daher deutlich kleiner als der Strom I2. Die Kontaktierungselektrode 10 ist mit der ersten Schweißelektrode 4 elektrisch verbunden, so dass über die Kontaktierungselektrode 10 der Erwärmungsstrom in den zu erwärmenden, zu schweißenden Bereich 6 des metallischen Bauteils 3 fließt und hier das metallische Bauteil erwärmt. Der Erwärmungsstrom kann durch die Verwendung der Kontaktierungselektrode 10 gezielt gesteuert werden. Durch den
Erwärmungsprozess erweicht die Kunststoffschicht 2a, welche zwischen den beiden Deckschichten 2b des Sandwichblechs 2 angeordnet ist.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, kontaktiert die vorgesehene Kontaktierungselektrode 10 das metallische Bauteil 3 von der Seite des Sandwichblechs her und zwar entweder in einem Bereich, in welchem bereits eine Verbindung zwischen Sandwichblech und metallischem Bauteil 3 vorhanden ist oder unmittelbar das metallische Bauteil selbst. Der Abstand zwischen der Schweißelektrode 4 und 5, welche einen ersten zu
schweißenden Bereich schweißen sollen, kann daher durch die
Kontaktierungselektrode 10 geringer gewählt werden als beispielsweise bei
herkömmlichen Strombrücken, welche an irgendeiner Stelle des metallischen Bauteils 3 angebracht sind. Durch diese kurzen Entfernungen ist es möglich, den Stromfluss räumlich im metallischen Bauteil zu begrenzen und eine Mehrzahl an parallelen
Schweißverfahren an einem Bauteil mit einer Mehrzahl an Schweißvorrichtungen durchzuführen. Der elektrische Widerstand für den Erwärmungsstrom ist zudem entsprechend gering. Insbesondere kann die Prozesskontrolle, beispielsweise aufgrund der Widerstandsmessungen, durch eine Auswahl eines geringen Abstands zwischen der Kontaktierungselektrode und dem zu schweißenden Bereichs 6 verbessert werden.
Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich zu dem Zeitpunkt nach der Verdrängung der Kunststoffschicht 2a des Sandwichblechs 2 durch die Schweißelektrode 4. Dadurch, dass sich beim Kontaktieren der Deckbleche 2b mit dem metallischen Bauteil der Widerstand Ri kleiner wird als der Widerstand, welcher sich aus der elektrischen Verbindung über die Kontaktierungselektrode 10 ergibt, kann ein Schweißstrom zwischen den Schweißelektroden 4 und 5, also der ersten Schweißelektrode und der zweiten Schweißelektrode eingestellt werden. Der
Schweißstrom erzeugt dann die Schweißverbindung zwischen dem Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3 im zu schweißenden Bereich 6.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Vorrichtung zum Widerstandsschweißen zunächst eine zweite Kontaktierungselektrode 11 aufweist, welche der ersten Kontaktierungselektrode 10 zugeordnet ist. Beide
Kontaktierungselektroden 10, 11 sind in dem Ausführungsbeispiel als
Schweißelektroden ausgebildet und bilden beim Schweißen in einem zweiten zu schweißenden Bereich einen Teil des zweiten Stromkreises, welcher hier durch eine zusätzliche Stromquelle 7' und zugehörige Stromleitungen 8' bereitgestellt ist. In der sehr schematisch dargestellten Vorrichtung bilden die erste und zweite
Kontaktierungselektrode 10, 11 eine Erwärmungsvorrichtung sowie die erste und zweite Schweißelektrode 4, 5 eine Schweißvorrichtung, welche in verschiedenen Schweißbereichen des Sandwichblechs 2, beispielsweise in dem zu verschweißenden Bereich 6 und 6' positionierbar sind. Zur Positionierung der Vorrichtungen können entweder Roboter oder Portalsysteme 12 und 12' vorgesehen sein. Die Portalsysteme und die Roboter 12, 12' sind in Fig. 3 lediglich angedeutet. Genauso angedeutet ist eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode 4 und der ersten
Kontaktierungselektrode 10 über eine flexible elektrische Verbindung 13. Die elektrische Verbindung 13 ist mit einem steuerbaren Unterbrecher 13' ausgestattet, um die Verbindung zwischen beiden Elektroden nur temporär zu schließen bzw. zu öffnen. Die Verbindung 13 kann aber auch durch eine Verbindungsvorrichtung 14, welche vorzugsweise als Roboter oder Portalsystem ausgebildet ist, bereitgestellt werden, welcher ebenfalls nur angedeutet ist. Zu Beginn des Schweißverfahrens werden die Elektroden 10, 11 beispielsweise auf eine bereits vorhandene Verbindung zwischen dem Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3, beispielsweise im zu schweißenden Bereich 6' positioniert. Hier ist bereits eine elektrische Verbindung zwischen dem Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3 gegeben. Über die Verbindung 13 bzw. über den Verbindungsroboter 14 wird eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode 4 und der ersten Kontaktierungselektrode 10 bereitgestellt.
Da beide Vorrichtungen 12, 12' jeweils eine Strom- bzw. Spannungsquelle 7, 7' aufweisen, ist es bevorzugt, dass der zweite Stromkreis in Richtung zweite Stromquelle 7 , unterbrochen ist, um keinen Nebenschluss zur Stromquelle 7' zu erzeugen.
In der in Fig. 3 nicht dargestellten Erwärmungsphase erfolgt der Stromfluss von der Stromquelle 7 über die Verbindungsleitung 13 und die erste Kontaktierungselektrode 10 zur Schweißelektrode 5, so dass der zu schweißende Bereich 6 erwärmt wird. Ist die Kunststoffschicht zwischen den Deckschichten des Sandwichblechs 2 erweicht, können die Deckbleche 2a, 2b des Sandwichblechs 2 mit dem metallischen Bauteil 3 durch die erste Schweißelektrode 4 miteinander in Kontakt gebracht werden, so dass der
Widerstand zwischen der Schweißelektrode 4 und der Schweißelektrode 5 stark abfällt. Zu diesem Zeitpunkt kann dann eine hier nicht dargestellte Steuerung den
Schweißstrom der Stromquelle 7 derart steuern, dass der Schweißstrom eingestellt wird und eine Verschweißung zwischen dem Sandwichblech 2 und dem metallischen Bauteil 3 im zu schweißenden Bereich 6 erfolgt. Während der Schweißstrom zwischen der ersten Schweißelektrode 4 und der zweiten Schweißelektrode 5 fließt, können die erste und zweite Kontaktierungselektrode 10, 11 zur nächsten Schweißposition bewegt werden. Die Erwärmungsphase sowie die Schweißphase erfolgen bevorzugt bei unterbrochener elektrischer Verbindung zwischen den Kontaktierungselektroden 10, 11 und der Strom- bzw. Spannungsquelle 7'.
Nach erfolgter Verschweißung im ersten zu schweißenden Bereich wird vorzugsweise die Verbindung zur Stromquelle 7 unterbrochen, so dass über die bereitgestellte elektrische Verbindung zwischen der ersten Kontaktierungselektrode 10 und der ersten Schweißelektrode 4 der Strom zur Kontaktierungselektrode 11 fließen kann, welcher zur Erwärmung eines neuen, dritten zu schweißenden Bereichs des metallischen Bauteils 3 führt. Anschließend erfolgt wieder das Verdrängen der Kunststoffschicht durch die Kontaktierungselektrode 10, so dass bei einer Messung des Widerstands zwischen der Kontaktierungselektrode 10 und der Kontaktierungselektrode 11 bei einem starken Abfall des Widerstands der Schweißstrom durch die Strom- bzw.
Spannungsquelle 7' eingestellt werden kann. Gleichzeitig kann die Widerstandsmessung zwischen den Elektroden 4 und 5 sowie 10 und 11 dazu genutzt werden, den
Erwärmungsstrom aber auch einen Haftschweißstrom oder schließlich den
Schweißstrom einzustellen. Da mit der dargestellten Vorrichtung bereits während des Schweißvorgangs im ersten zu schweißenden Bereich des metallischen Bauteils die neue Schweißposition durch die Kontaktierungselektroden 10 und 11 eingenommen werden kann, kann ein Schweißverfahren mit besonders kurzen Zykluszeiten und dennoch guter Prozesskontrolle mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den erfindungsgemäßen Vorrichtungen bereitgestellt werden. In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Elektroden 10 und 11 auch zu Schweißzwecken verwendet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Widerstandsschweißen eines Sandwichblechs mit mindestens einem weiteren metallischen Bauteil, wobei das Sandwichblech zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete thermoplastische Kunststoffschicht aufweist, bei welchem zumindest ein erster zu schweißender Bereich des Sandwichblechs derart erwärmt wird, dass die thermoplastische Kunststoffschicht aufweicht und durch Zusammendrücken der Deckschichten aus dem Schweißbereich verdrängt wird, die Deckschichten mit dem weiteren Bauteil durch einen elektrischen Stromfluss in einem ersten Stromkreis über eine erste und zweite Schweißelektrode miteinander
verschweißt werden, wobei die erste Schweißelektrode auf der Seite des
Sandwichblechs angeordnet ist und die zweite Schweißelektrode mit dem metallischen Bauteil elektrisch Kontakt hat,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
ein zweiter Stromkreis verwendet wird, welcher die zweite Schweißelektrode, das mit dem Sandwichblech zu schweißende metallische Bauteil und eine Strombrücke zum Bauteil umfasst, die zweite Schweißelektrode
gegenüberliegend der ersten Schweißelektrode auf der vom Sandwichblech abgewandten Seite des Bauteils angeordnet ist, durch einen Stromfluss in dem zweiten Stromkreis zumindest der Kontaktbereich der zweiten Schweißelektrode mit dem Bauteil erwärmt wird, wobei die Strombrücke als mindestens eine erste Kontaktierungselektrode ausgebildet ist, welche auf der Seite des
Sandwichblechs angeordnet ist und über welche eine elektrische Verbindung zum zu schweißenden metallischen Bauteil von der Seite des Sandwichblechs her bereitgestellt wird, wobei die Kontaktierungselektrode das metallische Bauteil unmittelbar von der Seite des Sandwichblechs aus kontaktiert oder die
Kontaktierungselektrode das Bauteil über im Sandwichblech bereits vorhandene Schweißverbindungen, über welche das Sandwichblech mit dem mi
Bauteil stoffschlüssig verbunden ist, kontaktiert. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ersten Kontaktierungselektrode eine zweite Kontaktierungselektrode zugeordnet ist, welche gegenüberliegend der ersten Kontaktierungselektrode angeordnet ist und beim Schweißen des Sandwichblechs mit dem metallischen Bauteil das metallische Bauteil in einem zweiten zu schweißenden Bereich kontaktiert, wobei die erste und die zweite Kontaktierungselektrode beim Schweißen des Sandwichblechs in dem zweiten zu schweißenden Bereich Teil des zweiten Stromkreises sind, wobei zumindest während des Vorwärmens des ersten zu schweißenden Bereichs die erste Schweißelektrode und die erste Kontaktierungselektrode elektrisch verbunden sind und Strom von der ersten Kontaktierungselektrode zur zweiten Schweißelektrode fließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschichten des Sandwichblechs durch Kraftbeaufschlagung der ersten und/oder zweiten Schweißelektrode im ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs und/oder durch Kraftbeaufschlagung der ersten und/oder zweiten Kontaktierungselektrode im zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs zusammengedrückt werden und der thermoplastischen Kunststoff verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und zweite Schweißelektrode in einer positionierbaren
Schweißvorrichtung angeordnet sind, die erste und zweite
Kontaktierungselektrode in einer positionierbaren Erwärmungsvorrichtung angeordnet sind, beide Vorrichtungen die Schweiß- und
Kontaktierungselektroden an verschiedenen Schweißpunkten positionieren, wobei der zweite Stromkreis für die Erwärmungsphase beim Schweißvorgang der Schweiß Vorrichtung durch die Erwärmungsvorrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromkreis für die Erwärmungsphase in einem zweiten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs beim Schweißvorgang der Erwärmungsvorrichtung durch den ersten Stromkreis der Schweißvorrichtung bereitgestellt wird, wobei die erste Schweißelektrode und die erste Kontaktierungselektrode zumindest während der Erwärmungsphase des zweiten zu schweißenden Bereichs miteinander elektrisch verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Erwärmen des ersten zu schweißenden Bereichs und dem Verdrängen des thermoplastischen Kunststoffes aus dem ersten zu schweißenden Bereich die Position der Erwärmungsvorrichtung auf einen zu schweißenden dritten Bereich des Sandwichblechs gewechselt wird und die Erwärmungsphase in dem dritten zu schweißenden Bereich unter Verwendung des ersten Stromkreises der Schweißvorrichtung erfolgt, sobald die Schweißvorrichtung eine
Schweißverbindung zwischen den Deckblechen des Sandwichblechs in dem ersten zu schweißenden Bereich des Sandwichblechs und dem metallischen Bauteil erzeugt hat .
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Verbindung zwischen der ersten Schweißelektrode der
Schweißvorrichtung und der ersten Kontaktierungselektrode der
Erwärmungsvorrichtung über eine bewegliche und steuerbare
Verbindungsvorrichtung, insbesondere über einen Roboter erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Positionierung der Vorrichtungen unabhängig voneinander, vorzugsweise mit Robotern oder Portalsystemen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strom in dem ersten und/oder im zweiten Stromkreis zumindest abhängig von einer Widerstandsmessung zwischen der ersten und zweiten
Schweißelektrode und/oder der ersten und zweiten Kontaktierungselektrode gesteuert wird.
10. Vorrichtung (1) zum Widerstandsschweißen von Sandwichblechen (2) mit einem weiteren metallischen Bauteil (3) mit mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Schweißelektrode (4, 5) zur Erzeugung der Schweißverbindung (S) in einem ersten zu schweißenden Bereich (6) des Sandwichblechs (2), Mitteln (8, 8', 9) zur Bereitstellung eines ersten Stromkreises, welche den Schweißstrom zumindest über die erste und die zweite Schweißelektrode (4, 5) führen und Mitteln (4, 5, 10, 11) zur Verdrängung der Kunststoffschicht (2a) des
Sandwichblechs (2) aus dem ersten zu schweißenden Bereich (6) des
Sandwichblechs (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (9, 10) zur Bereitstellung mindestens eines zweiten Stromkreises vorgesehen sind, wobei der zweite Stromkreis zumindest die mit dem Bauteil (3) in Kontakt stehende zweite Schweißelektrode (5), zumindest teilweise das metallische Bauteil (3) und eine Strombrücke (10) zum Bauteil (3) umfasst, wobei der Kontaktbereich (6) der zweiten Schweißelektrode (5) mit dem Bauteil (3) so ausgebildet ist, dass dieser durch Stromfluss im zweiten Stromkreis erwärmt werden kann, wobei die Strombrücke als eine erste
Kontaktierungselektrode (10) ausgebildet ist, welche auf der Seite des
Sandwichblechs (2) angeordnet ist und über welche eine elektrische Verbindung zum zu schweißenden metallischen Bauteil (3) von der Seite des Sandwichblechs (2) her bereitgestellt werden kann, wobei die Kontaktierungselektrode (10) in unmittelbarer Nähe des zu schweißenden ersten Bereichs des metallischen Bauteils (3) positioniert werden kann oder bereits vorhandene
Schweißverbindungen (S) zwischen dem Sandwichblech (2) und dem
metallischen Bauteil (3) nutzen kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Mittel (4, 10) zur Verdrängung der Kunststoffschicht des Sandwichblechs zumindest die erste Schweißelektrode (4) und zumindest die erste
Kontaktierungselektrode (10) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ersten Kontaktierungselektrode (10) eine zweite Kontaktierungselektrode (11) zugeordnet ist, welche gegenüberliegend der ersten
Kontaktierungselektrode (10) angeordnet ist und beim Schweißen das metallische Bauteil (3) in einem zweiten zu schweißenden Bereich (6') des Sandwichblechs (2) kontaktieren kann, wobei die erste und die zweite
Kontaktierungselektrode (10, 11) beim Schweißen in einem zweiten zu schweißenden Bereich (6') des Sandwichblechs (2) einen Teil des zweiten Stromkreises bilden, wobei Mittel (13, 14) zum zumindest temporären elektrischen Verbinden der ersten Schweißelektrode (4) und der ersten
Kontaktierungselektrode (10) zumindest während des Erwärmens des ersten zu schweißenden Bereichs des Sandwichblechs vorgesehen sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und zweite Schweißelektrode (4, 5) einen Teil einer positionierbaren
Schweißvorrichtung (12) und die erste und zweite Kontaktierungselektrode (10, 11) einen Teil einer positionierbaren Erwärmungsvorrichtung (12') bilden, welche jeweils in verschiedenen Schweißbereichen (6,6') des Sandwichblechs (2) positionierbar sind. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
Roboter oder Portalsysteme (12, 12') zur Positionierung der Schweiß- oder Erwärmungsvorrichtung (8, 8') vorgesehen sind. 15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Mittel (13, 13', 14) zur temporären elektrischen Verbindung zwischen erster Schweißelektrode (4) und erster Kontaktierungselektrode (10) mindestens eine steuerbare Verbindungsvorrichtung (14), vorzugsweise ein Roboter oder mindestens ein Portalsystem vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands zwischen der ersten und zweiten Schweißelektrode (4, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten
Kontaktierungselektrode (10, 11) vorgesehen sind sowie eine Steuerung vorgesehen ist, welche den Stromfluss in dem ersten und in dem zweiten
Stromkreis zumindest abhängig von einer Messung eines der gemessenen elektrischen Widerstände steuern kann.
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