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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1, bei dem ein eine kegelartige Stirnfläche aufweisender Bolzen im
Rahmen eines sogenannten Hubzündungsverfahrens
mit einem Träger
verschweißt
wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Verschweißen eines
Bolzens mit einem Träger.
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Für das Verschweißen von
Bolzen mit Trägern
sind unterschiedliche Verfahren und Vorgehensweisen bekannt. Beispielsweise
werden in der EN ISO 14555 die Verfahren Bolzenschweißen, Kurzzeitbolzenschweißen und
Kondensator-Entladungsschweißen
beschrieben. Darüber
hinaus ist für
rohrförmige
Bauteile mit einer im wesentlichen ringförmigen Stirnfläche das
sogenannte MBL-Schweißen (Schweißen mit
bewegtem Lichtbogen) bekannt, bei dem der Lichtbogen während des
Schweißvorgangs durch
ein Magnetfeld in Rotation versetzt und damit dazu veranlasst wird,
die ringförmige
Stirnfläche
des anzuschweißenden
Werkstücks
gleichmäßig zu überstreifen.
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Die
oben genannten Verfahren zum Verschweißen von Bolzen mit Trägern beinhalten
jeweils besondere Vor- und Nachteile, welche die Nutzung dieser
Verfahren auf jeweils einzelne Anwendungsbereiche beschränken und
nachfolgen kurz zusammengefaßt
werden sollen.
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Das
normale Bolzenschweißen
für Hubzündungsbolzen
wird mit Schweißzeiten
im Bereich von 100 bis 3.000 ms eingesetzt, wobei hierbei Bolzen mit
einer Dicke von 3 bis 25 mm verschweißt werden können. Die kegelartig ausgestaltete
Bolzenspitze weist in diesem Fall gemäß der EN ISO 13918 eine Neigung
von 22,5° ± 5° auf.
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Bei
diesem konventionellen Hubzündungsschweißen werden
Ströme
im Bereich zwischen 200 und 3.000 A eingesetzt, wobei die dabei
erzielbaren Stromdichten allerdings lediglich einen Lichtbogen mit
einem begrenzten Querschnitt ausbilden können. Um bei diesem Verfahren
ein gleichmäßiges Anschmelzen
der Querschnittsfläche
des Bolzens sicherzustellen, ist demzufolge die verhältnismäßig hohe
Neigung der Oberfläche
der Bolzenspitze erforderlich, durch die sichergestellt wird, dass
der Lichtbogen im Zentrum des Bolzens zündet. Auf dieser Schmelze oder
am Rand davon allerdings bewegt sich dann der Lichtbogen ungestört bzw.
unkontrolliert weiter, wobei durch dessen Energieeintrag weiter
außen
liegende Bolzenbereiche ebenfalls angeschmolzen werden. Geschmolzenes
Material sammelt sich dann im Zentrum des Bolzens an, was zu Tropfenübergängen mit
oder ohne Kurzschluß führen kann.
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Bolzen
und Grundmaterial werden bei diesem Verfahren mechanisch gefügt, wodurch
mehr Schmelzmaterial anfällt,
als für
eine Verbindung eigentlich benötigt
würde.
Dieses überflüssige Material wird
deshalb bis zu seiner Erstarrung über Keramikringe fixiert, die
dann anschließend
in einem separaten Arbeitsschritt entfernt werden müssen.
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Beim
Kurzzeitbolzenschweißen
unter Schutzgas liegen im Vergleich zu dem zuvor diskutierten Verfahren
Schweißzeiten
von weniger als 100 ms vor. Mit diesem Verfahren können Bolzen
von 8 bis 12 mm Dicke verschweißt
werden, wobei die Bolzenspitze nunmehr eine Neigung von 7° ± 1° aufweist.
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Aufgrund
der geringeren Bolzenneigung muß zwar
im Vergleich zum konventionellen Hubzündungsschweißen weniger
Bolzenmaterial abgeschmolzen werden, auch hier besteht allerdings
die Gefahr, dass sich der Lichtbogen unkontrolliert an der Schmelze
entlang bewegt und sich das flüssige
Material wiederum im Zentrum des Bolzens ansammelt, was zu unkontrollierten
Tropfen und Übergängen sowie
eventuellen Kurzschlußbildungen
führen
kann. Problematisch ist ferner, dass dieses Verfahren besonders
anfällig
für die
sog. Blaswirkung ist, die zu einer einseitigen Verdrängung des
Lichtbogens in Richtung des Bolzenrands und dementsprechend zu unzureichenden
Schweißergebnissen
führen
kann.
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Beim
Kondensatorentladungsschweißen werden
wiederum nochmals deutlich kürzere Schweißzeiten
von weniger als 10 ms verwendet, wobei dieses Verfahren allerdings
lediglich für
Bolzen mit einer Dicke im Bereich von 3 bis 10 mm eingesetzt werden
kann. Die Bolzen weisen hierbei an ihrem Stirnbereich eine Neigung
von 3 ± 1° sowie eine sog.
Zündspitze
auf.
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Das
Kondensatorentladungsschweißen
beruht darauf, dass der Lichtbogen durch eine teilweise Verdampfung
der Zündspitze
gezündet
und hierbei ausreichend ionisiertes Material geliefert wird, um
einen Lichtbogen über
die gesamte Flanschfläche
zu erzeugen. Dies kann allerdings ausschließlich durch extrem hohe Ströme von bis
zu 10.000 A und damit verbundene extrem hohe Stromdichten erreicht
werden, wobei nur wenig Material vor dem Fügeprozess angeschmolzen wird.
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Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass im Vorfeld die Schweißenergie
gespeichert werden muß,
weshalb nur recht kurze Schweißzeiten
umsetzbar sind. Das bekannte Verfahren bietet zwar gewisse Vorteile
beim Verschweißen
von Bolzen auf dünnen
Flächen,
bei einem dicken Trägermaterial
ist die Wärmeableitung
im Grundmaterial allerdings derart hoch, dass der Träger vor
dem Fügeprozess
nicht mehr ausreichend angeschmolzen werden kann. Desweiteren ist
dieses Verfahren gegen äußere Einflüsse wie
z.B. Oberflächenverschmutzungen
des Grundmaterials sehr empfindlich, weshalb größere Bolzen auch mit größeren Schweißströmen nicht
geschweißt
werden können.
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Das
ebenfalls erwähnte
Schweißen
mit bewegtem Lichtbogen (MBL-Schweißen) beruht darauf, dass der
Lichtbogen während
des Schweißvorganges
einem Quermagnetfeld ausgesetzt wird, welches den Lichtbogen seitlich
ablenkt und hierdurch in eine kreisförmige Bewegung versetzt. Dementsprechend wurde
dieses Verfahren bislang überwiegend
zum Verschweißen
ringförmiger
Werkstücke
eingesetzt, was beispielsweise in den beiden Veröffentlichungen
DE 101 43 220 C1 und
DE 102 21 387 C1 der
Anmelderin beschrieben ist.
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Zwar
ist aus den beiden Offenlegungsschriften
DE 34 38 043 A1 und
DE 36 31 598 A1 bereits
der Gedanke bekannt, auch bei Bolzen aus Vollmaterial ein Quermagnetfeld
im Bereich der Schweißstelle
zu erzeugen, dies erfolgt allerdings dazu, die magnetische Blaswirkung
des Lichtbogens zu verringern. Darüber hinaus hat sich gezeigt,
dass bei den bislang verwendeten Bolzen aus Vollmaterial die Wirkung des
magnetischen Querfelds nur unzureichend ist, da aufgrund der starken
Neigung der Bolzenspitze das durch den Lichtbogen abgeschmolzene
Material wiederum dazu neigt, sich an der Spitze des Bolzens anzusammeln
und einen Kurzschluß zwischen
dem Bolzen und dem Träger
zu erzeugen.
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Ein
allgemeines Problem der bekannten Schweißverfahren, die auch ein Verschweißen dickerer
Bolzen aus Vollmaterial ermöglichen,
besteht also darin, dass die Bolzen eine kegelartige Stirnfläche mit
einer verhältnismäßig starken
Neigung aufweisen müssen,
um ein möglichst
gleichmäßiges Anschmelzen
durch den Lichtbogen sicherzustellen. Hieraus ergibt sich jedoch
das Problem, dass auch relativ viel Material abgeschmolzen werden
muß, um
eine flächige
Verbindung zwischen dem Bolzen und dem Träger zu erzielen, was wiederum
in langen Schweißzeiten,
einem hohen Energieaufwand und dementsprechend auch in einer hohen
thermischen Belastung für
den Träger
resultiert. Weitere Schwierigkeiten bestehen ferner darin, dass
aufgrund der großen
Menge des abzuschmelzenden Bolzenmaterials dieses seitlich von der
Schweißstelle
austreten kann, wodurch die Qualität der Schweißung beeinträchtigt wird.
Um das seitliche Austreten des Materials zumindest teilweise zu
unterbinden, werden dementsprechend Keramikringe oder -hülsen eingesetzt, die
nach der Beendigung des Schweißvorgangs
in einem separaten Arbeitsschritt wieder entfernt werden müssen. Problematisch
ist schließlich
auch, dass die in den oben beschriebenen Verfahren zum Einsatz kommenden
Bolzen nur sehr aufwendig und damit kostenintensiv herzustellen
sind und darüber
hinaus auch keine Möglichkeit
besteht, den Schweißkopf
automatisiert mit Bolzen zu bestücken.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
eine Möglichkeit anzugeben,
einen Bolzen mit einer kegelartigen Stirnfläche mit einem Träger zu verschweißen, wobei die
bei den bislang bekannten Verfahren bestehenden Nachteile vermieden
werden sollen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch ein System gemäß Anspruch
13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Kerngedanke
der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile des Kurzzeitbolzenschweißens mit den
Vorteilen des Kondensatorentladungsschweißens und des MBL-Schweißens zu
verbinden, was zu einem Verfahren führt, das hervorragende Schweißergebnisse
liefert und gleichzeitig außerordentlich
wirtschaftlich ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend ein
Verfahren zum Verschweißen
eines eine kegelartige Stirnfläche aufweisenden
Bolzens mit einem Träger
vorgeschlagen, bei dem zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen
dem Bolzen und dem Träger
der Bolzen zunächst
im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Trägers angesetzt und anschließend um
ein bestimmtes Abhubmaß von
der Trägeroberfläche abgezogen
wird, wobei zumindest nach der Zündung
des Lichtbogens dieser einem Quermagnetfeld ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß weist
die Stirnfläche des
Bolzens eine Neigung von 4° ± 2,5° auf und
das Abhubmaß beträgt 1 bis
2,5 mm.
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Dieser
Aspekt betrifft ferner ein System zum Verschweißen eines Bolzens mit einem
Träger,
wobei das System aus einer Schweißvorrichtung sowie einem eine
kegelartige Stirnfläche
aufweisenden Bolzen besteht. Die Schweißvorrichtung weist Mittel zum
Anlegen eines Schweißstroms,
eine Bolzenhalterung, welche dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung eines
Lichtbogens zwischen dem Bolzen und dem Träger den Bolzen zunächst im
wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Trägers anzusetzen und anschließend um
ein bestimmtes Abhubmaß von
der Trägeroberfläche abzuziehen,
sowie eine Magnetspule zur Erzeugung eines auf den Lichtbogen einwirkenden
Quermagnetfelds auf, wobei die Stirnfläche des Bolzens eine Neigung
von 4° ± 2,5° aufweist und
das Abhubmaß 1
bis 2,5 mm beträgt.
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Erfindungsgemäß wird also
ebenso wie beim MBL-Schweißen
ein Quermagnetfeld eingesetzt, welches eine Ablenkung des Lichtbogens
nach dessen Zündung
bewirkt. Die Funktion des Quermagnetfelds wird nunmehr allerdings
aufgrund der Tatsache, dass der Bolzen lediglich eine Neigung im
Bereich von 4° ± 2,5° aufweist
und das Abhubmaß im
Bereich zwischen 1 und 2,5 mm liegt, optimiert. Wie nämlich später noch
ausführlicher
erläutert
wird, kann durch diese besondere Kombination der Verfahrensparameter
erreicht werden, dass der Lichtbogen die Stirnfläche des Bolzens im Rahmen einer
spiralförmigen Bewegung
gleichmäßig überstreicht
und dementsprechend über
die gesamt Kontaktfläche
hinweg eine gleichmäßige Schweißverbindung
zwischen dem Bolzen und dem Träger
entsteht. Gleichzeitig sind die Parameter allerdings auch derart
gewählt, dass
das Ansammeln größerer Tropfenmengen
an Schmelzmaterial, welches zu einem möglichen Kurzschluß zwischen
dem Bolzen und der Trägeroberfläche führen könnte, vermieden
wird. Diese für
die Erzeugung einer gleichmäßigen Schweißverbindung unerläßliche Eigenschaft
ergibt sich daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gleichmäßiges Abschmelzen
der Bolzenstirnfläche
sichergestellt ist und dementsprechend auch ausschließlich das
für die
Verbindung beider Flächen
erforderliche Schweißmaterial
abgeschmolzen wird. Dies wiederum bedeutet, dass das notwendige
Schmelzmaterial zum Erzielen einer qualitativ hochwertigen Schweißverbindung
und dementsprechend auch der erforderliche Energieaufwand minimiert
wird. Infolge hiervon ergibt sich der weitere Vorteil, dass nunmehr
erstmalig auch die Möglichkeit
besteht, dickere Bolzen aus Vollmaterial auf verhältnismäßig dünne Träger aufzuschweißen, da
für die
Träger
die thermische Belastung im Vergleich zu bislang bekannten Verfahren deutlich
niedriger ist.
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Wie
bereits oben erläutert
wurde, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
darin, dass durch die Funktion des Quermagnetfelds sichergestellt
wird, dass der Lichtbogen die Stirnfläche des Bolzens gleichmäßig überstreicht.
Da dementsprechend nunmehr auch ermöglicht wird, Werkstücke mit
größeren Stirnflächen auf
einen Träger
aufzuschweißen,
wird gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Gegenstand der Ansprüche 4 und
16 ist, vorgeschlagen, den Bolzen derart auszugestalten, dass er
am Rand seiner Stirnfläche zusätzlich einen
nach außen
gerichteten Flansch aufweist. Dieser Flansch bewirkt zunächst eine
nochmalige Vergrößerung der
Oberfläche
der Stirnfläche
des Bolzens, was allerdings – wie
bereits erwähnt – aufgrund
der vorteilhaften Wirkung des Quermagnetfelds auf den Lichtbogen
nicht weiter problematisch ist.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen
Flansches besteht allerdings darin, dass dieser Flansch nunmehr
erstmalig die Möglichkeit
eröffnet, ohne
größeren Aufwand
die Bolzen automatisiert dem Schweißkopf einer Schweißvorrichtung
zuzuführen.
Der Flansch ermöglicht
hierbei eine einfachere Handhabung der Bolzen und insbesondere auch die
erforderliche Ausrichtung dieser während der Zuführung. Im
Vergleich zu den bisherigen Schweißverfahren, bei denen speziell
ausgebildete Bolzen zum Einsatz kommen, bringt das erfindungsgemäße Verfahren
somit auch wirtschaftliche Vorteile mit sich, da für einen
Nutzer der Schweißvorrichtung
die Handhabung des Systems deutlich vereinfacht wird. Insbesondere
können
nunmehr sehr einfache Rüttler
und Zuführungsvorrichtungen
zum automatisieren Zuführen
der Bolzen eingesetzt werden.
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Ein
weiterer Vorteil im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
schließlich
auch darin, dass die zum Einsatz kommenden Bolzen einfacher und
kostengünstiger, insbesondere
im Rahmen eines Preßvorganges
hergestellt werden können.
Demgegenüber
mußten
die bei den herkömmlichen
Verfahren eingesetzten Bolzen in teilweise sehr aufwendigen Verfahren
hergestellt werden, was in deutlich höheren Herstellungskosten resultierte.
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Durch
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses
im Hinblick auf seine Qualität
und Effektivität
weiter optimiert werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein,
während
des Schweißvorgangs
ein Schutzgas zu der Schweißstelle
zu befördern.
Gemäß einem
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass eine zur
Erzeugung des Quermagnetfelds verwendete Spule gleichzeitig auch
zur Ummantelung der Schweißstelle
und zur Zuführung
des Schutzgases genutzt wird.
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Insgesamt
gesehen wird somit ein sehr effektives Verfahren zum Verschweißen eines
Bolzens mit einem Träger
angegeben, welches sowohl im Hinblick auf die Durchführbarkeit
des Verfahrens als auch auf die Qualität der erzielten Schweißverbindung
deutliche Vorteile mit sich bringt. Zu erwähnen ist ferner, dass das erfindungsgemäße Verfahren
mit allen denkbaren Materialien durchgeführt werden kann.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 schematisch
die Anordnung eines Schweißkopfes
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Verschweißen
eines Bolzens mit einem Träger;
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2 die
Ausgestaltung eines bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz
kommenden Bolzens und
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3a-3e die
einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Bolzenschweißverfahrens.
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Um
eine gute Verbindung im Rahmen einer Bolzenschweißung erzielen
zu können,
müssen mehrere
Bedingungen erfüllt
sein. So wird zunächst eine
möglichst
geringe Schweißzeit
angestrebt, um einen Materialverzug oder Materialveränderungen
im Schmelzbad zu vermeiden. Gleichzeitig sollte ein minimales Schmelzvolumen
für die
Verbindung herangezogen werden, um einerseits die thermische Belastung
und andererseits den Aufwand zum Abschmelzen des Materials zu reduzieren.
Zum Erzielen einer gleichmäßigen Verbindungsfläche ist
ferner eine gleichmäßige thermische
Aktivierung des Bolzens und der Grundfläche des Trägers erforderlich, wobei dann
der Fügeprozess
in einer flüssigen
Phase mit ausreichendem Fügedruck
erfolgen sollte. Weitere Bedingungen für eine gute Bolzenschweißung sind,
dass störende
Einflüsse
wie ungleichmäßige Anschmelzung
durch Blaswirkung, Tropfen, Kurzschluß mit Verspritzen von flüssigem Schmelzmaterial
aus dem Fügebereich
oder Oberflächenverschmutzungen
des Grundmaterials vermieden werden. Der Ausschluß dieser
störenden
Einflüsse
setzt den bislang verwendeten Verfahren technische Grenzen bzw.
erfordert einen deutlich höheren
Aufwand bei der Anwendung des Verfahrens.
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Nachfolgend
soll nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert
werden, bei dem die oben genannten Voraussetzungen für eine gute
Bolzenschweißung
erfüllt
sind und welches gleichzeitig auch sehr wirtschaftlich ist.
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1 zeigt
hierzu zunächst
im Querschnitt die Anordnung eines allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehenen
Schweißkopfes,
der zum Verschweißen
eines Bolzens 1 mit einem Träger 5 bzw. allgemein
einem Grundwerkstoff vorgesehen ist.
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Das
Verschweißen
des Bolzens 1 – dessen nähere Ausgestaltung
später
noch ausführlicher
erläutert
wird – mit
dem Träger 5 soll
im Rahmen einer sog. Hubzündung
erfolgen, bei der der Bolzen 1 zunächst im wesentlichen senkrecht
zu der Oberfläche des
Trägers 5 angesetzt
und anschließend
um ein bestimmtes Abhubmaß von
der Trägeroberfläche abgezogen
wird. Aufgrund des – durch
nicht näher
dargestellt Mittel zum Anlegen eines Schweißstromes hervorgerufenen – hohen
Potentialunterschieds zwischen dem Bolzen 1 und dem Träger 5 wird
hierbei ein Lichtbogen gezündet,
durch den die Stirnfläche des
Bolzens 1 sowie der gegenüberliegende Bereich des Trägers 5 angeschmolzen
wird.
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Um
die vorbeschriebene Hubzündung
durchführen
zu können,
weist der Schweißkopf 20 demzufolge
einen entsprechenden Bolzenhalter 2 auf, der den Bolzen 1 während des
Schweißvorgangs
hält und
die erforderlichen Hub- und Absenkbewegungen durchführt. Nach
Beendigung der Schweißung
wird der auf den Träger 3 aufgeschweißte Bolzen 1 abgestoßen, was
mit Hilfe eines sich im Zentrum des Bolzenhalters 2 befindlichen
Stößels 3 erzielt
wird.
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Eine
weitere Komponente des Schweißkopfes 20 ist
ein Innenrohr 4, welches den Bolzenhalter 2 mit
dem Bolzen 1 umgibt und während des Schweißvorgangs
die Schweißstelle
ummantelt. Dieses Innenrohr 4 ist mit einer nicht weiter
dargestellten Zuführungsleitung
für ein
Schutzgas verbunden und dient dementsprechend dazu, während des Schweißvorganges
ein für
das Material geeignetes Schutzgas zu der Schweißstelle zu befördern und
in diesem Bereich zu halten, um die Porenbildung zu vermeiden bzw.
zu verringern.
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Die
letzte wesentliche Komponente des Schweißkopfes 20 ist schließlich eine
von Gleichstrom durchflossene ringförmige Spule 6, welche
das innere Schutzgasrohr 4 umgibt und zur Erzeugung eines
Magnetfelds 8 vorgesehen ist. Die Feldlinien dieses Magnetfelds 8 sind
in 1 ebenfalls dargestellt, wobei der Darstellung
entnommen werden kann, dass das Magnetfeld 8 derart ausgestaltet
ist, dass im Bereich der Schweißstelle
im wesentlichen eine Querkomponente erzielt wird. Wie später noch
näher erläutert wird,
wird mithilfe des Magnetfelds 8 dann der Lichtbogen während des
Schweißvorganges
abgelenkt, um in erfindungsgemäßer Weise
die Stirnfläche
des Bolzens 1 gleichmäßig zu überstreifen.
Die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Magnetfelds 8 wird
insbesondere auch noch durch einen die Spule 6 umgebenden äußeren Feldkonzentrator 7 erzielt,
der den geeigneten Verlauf der Feldlinien des Magnetfelds 8 sicherstellt.
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Bevor
das erfindungsgemäße Verfahren
detailliert beschrieben wird, soll zunächst noch auf die besondere
Ausgestaltung des Bolzens 1 näher eingegangen werden. Entsprechend
der Darstellung in 2 weist dieser zunächst ebenso
wie die bislang verwendeten Bolzen eine im wesentlichen kegelartige
Stirnfläche 1a auf.
Im Vergleich zu den bekannten Bolzen unterscheidet sich allerdings
der erfindungsgemäß verwendete
Bolzen 1 durch zwei Merkmale, nämlich zum einen durch die Verwendung
eines Außenflansches 1b sowie
zum anderen durch die sehr geringe Bolzenneigung.
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Für das erfindungsgemäße Schweißverfahren
ist zunächst
die geringe Neigung der Stirnfläche 1a des
Bolzens 1 von Bedeutung. Entsprechend der Darstellung in 2 nimmt
die Oberfläche
im Vergleich zu einer senkrecht zur Längsachse I des Bolzens 1 angeordneten
Ebene II einen Winkel α ein,
der erfindungsgemäß 4° ± 2,5° beträgt, also
im Bereich zwischen 1,5° und
6,5° liegt.
Wie später
noch anhand der 3a bis 3e erläutert wird,
können
durch diese besonders niedrige Bolzenneigung gleichzeitig mehrere
Vorteile erzielt werden, welche einerseits zu einem sehr wirtschaftlichen
Schweißverfahren
führen und
andererseits eine hohe Güte
der Schweißverbindung
sicherstellen.
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Das
zweite besondere Merkmal des erfindungsgemäßen Bolzens 1 ist
wie gesagt ein am Außenrand
der Stirnfläche 1a befindlicher
Flansch 1b. Dieser trägt
zwar nicht unmittelbar zur Verbesserung der Schweißverbindung
bei, er bringt allerdings den Vorteil mit sich, dass hierdurch der
Bolzen 1 leichter gehandhabt werden kann. Insbesondere
ermöglicht dieser
Außenflansch 1b eine
automatisierte Handhabung durch Zuführungsvorrichtungen, welche
ein automatisches Bestücken
des Schweißkopfes 20 mit den
Bolzen 1 ermöglichen.
Der Flansch 1b wird hierbei dazu verwendet, den Bolzen 1 lagerichtig
zu orientieren und dem Schweißkopf 20 zuzuführen. Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung
kann dementsprechend durch eine automatische Zuführungsvorrichtung erweitert
werden, welche den Schweißkopf 20 automatisch
mit neuen Bolzen 1 bestückt.
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Anzumerken
ist ferner, dass die besondere Gestalt des Bolzens 1, der
insbesondere einen Durchmesser von 6 – 20 mm aufweisen kann, auch dazu
beiträgt,
dass dieser in einfacher und effektiver Weise, beispielsweise im
Rahmen eines Preßvorganges
hergestellt werden kann. Derartige Herstellungsverfahren sind deutlich
günstiger
als die Spezialverfahren, mit denen die speziell ausgestalteten Schweißbolzen
bislang hergestellt werden mußten.
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Mit
dem erfindungsgemäß ausgestalteten Schweißkopf 20 sowie
dem Bolzen 1 kann nunmehr also eine Schweißung durchgeführt werden,
wie sie in den 3a-3e dargestellt
ist. Die fünf
Darstellungen zeigen dabei die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens,
wobei insbesondere auch die Position des Lichtbogens bzw. dessen
Bewegung dargestellt ist.
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Wie
bereits zuvor erwähnt
wurde, beruht das erfindungsgemäße Verfahren
zunächst
auf dem Prinzip der sogenannten Hubzündung. Hierbei wird der Bolzen 1 in
einem ersten Schritt mit Hilfe des Bolzenhalters 2 im wesentlichen
senkrecht zu der Oberfläche
des Trägers 5 an
diesen angesetzt und nach Anlegen des Schweißstroms, der je nach Dicke
des Bolzens im Bereich zwischen 400 A und 1.200 A liegt, um ein
vorgegebenes Abhubmaß angehoben,
wie dies in 3a dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird bei einem minimalen Abhubmaß durchgeführt, so dass sich eine Spaltbreite
zwischen der Bolzenstirnfläche
und der Oberfläche
des Trägers 5 ergibt,
die je nach Durchmesser des Bolzens im Bereich zwischen 1 und 2,5
mm liegt.
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Wird
also der Bolzen 1 von der Oberfläche des Trägers 5 abgezogen,
so zündet
entsprechend der Darstellung in 3b ein
Pilotlichtbogen 10, der aufgrund der kegelartigen Ausgestaltung
der Stirnfläche
des Bolzens 1 sich zunächst
im Zentrum des Bolzens 1 befindet. In diesem Stadium entsteht
sowohl an der Spitze des Bolzens 1 als auch am gegenüberliegenden
Bereich des Trägers 5 eine
flüssige Schmelzbadlinse 12 bzw. 12.
Zeitgleich mit dem Abhub des Bolzens 1 wird ferner auch
der Stromfluß durch
die Spule 6 zugeschaltet, um das Quermagnetfeld 8 zu
erzeugen.
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Die
Ansatzbedingungen des Lichtbogens 10 sind am Rand dieser
flüssigen
Schmelze 11, 12 günstiger als im Bereich ohne
flüssige
Schmelze, weshalb sich der Lichtbogen 10 im wesentlichen am Randbereich
dieser Schmelzbadlinse 11, 12 anordnen wird. Aufgrund
des durch die Spule 6 hervorgerufenen Quermagnetfelds wird
allerdings der Lichtbogen 10 seitlich abgelenkt, was zur
Folge hat, dass dieser sich kreisförmig am Rand der Schmelzzone entlangbewegt.
Da allerdings der Lichtbogen 10 permanent thermische Energie
auf den Bolzen 1 bzw. das Trägermaterial 5 überträgt, wird
sich der Durchmesser dieser Schmelzlinse 11, 12 permanent
ausdehnen. Dies führt
letztendlich entsprechend den Darstellungen in den 3c und 3d dazu,
dass der Lichtbogen 10 eine kreisförmige Bewegung durchführt, wobei
allerdings der Durchmesser des Kreises permanent ansteigt. Letztendlich
bedeutet dies, dass der Lichtbogen 10 spiralförmig die
Stirnfläche
des Bolzens 1 bzw. den gegenüberliegenden Bereich der Trägeroberfläche überstreicht,
bis schließlich
nach ca. 80 Umläufen
(wobei die Anzahl der Umläufe
selbstverständlich
auch von der Dicke des Bolzens abhängt) des Lichtbogens 10 gemäß der Darstellung
in 3d der gesamte Fügebereich der Bolzenoberfläche bzw.
des Grundmaterials angeschmolzen wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Schweißvorgang
beendet und entsprechend der Darstellung in 3e der
Fügevorgang
eingeleitet. Der Bolzen 1 wird hierbei auf die gegenüberliegende
Fläche
des Trägers 5 gepresst
und mit diesem verbunden.
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Wesentlich
ist, dass die Vergrößerung der Schmelzbadoberfläche während der
spiralförmigen Bewegung
des Lichtbogens 10 auch zu einer größeren Oberflächenspannung
der Schmelze führt,
was wiederum die Bildung von größeren Tropfen
verhindert, die eventuell zu einem Kurzschluß führen könnten. Gleichzeitig erfolgt
durch den geringen Spalt zwischen der Bolzenstirnfläche und
dem Träger 5 ein thermischer
Ausgleich zwischen Bolzenfläche
und Grundmaterial, durch welchen der Prozess thermisch stabilisiert
wird. Hierdurch ergibt sich auch der Vorteil, dass die zum Abschmelzen
des Bolzen- und Trägermaterials
erforderliche Leistung weiter reduziert wird und dementsprechend
ein niedrigerer Energieaufwand erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass der Lichtbogen in diesem Fall gemeinsam mit
dem Magnetfeld zur Stabilisierung der Schmelzbadoberfläche beiträgt, was
insbesondere in solchen Fällen
eine Rolle spielt, in denen in Zwangslagen, also beispielsweise
gegen eine vertikale Grundfläche bzw.
Wand oder überkopf
geschweißt
werden muß. Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich daher auch zum maschinellen Einsatz.
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Entsprechend
der obigen Beschreibung ist der Schweißprozess also derart ausgestaltet,
dass ein minimaler Schweißspalt
verwendet wird und der Prozess ohne Tropfenkurzschluß abläuft. Durch
die spiralförmige
Bewegung des Lichtbogens vom Zentrum in den Außenbereich am Rand des Schmelzbades
wird eine große
Fläche
am Bolzen gleichmäßig angeschmolzen,
die das flüssige
Material durch ihre Oberflächenspannung
aufsaugt und so örtliche
Kurzschlüsse
vermeidet. Durch die gesteuerte Bewegung des Lichtbogens auf der
gesamten Bolzenoberfläche kann
ferner das Verfahren mit deutlich geringen Strömen und Stromdichten betrieben
werden, als dies bislang der Fall war. Im Vergleich zum Kurzzeitbolzenschweißen kann
gemäß der vorliegenden
Erfindung beispielsweise ein Bolzen mit einem Durchmesser von 12
mm anstatt mit 1.300 A bereits mit 800 A und trotz allem mit besserer
Schweißqualität verschweißt werden.
Es können
also Schweißströme eingesetzt
werden, die unterhalb der von der DIN ISO 14555 empfohlenen Werte
liegen. Hierdurch sinkt auch der Investitionsaufwand für die zu
verwendenden Stromquellen, was ebenfalls zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens beiträgt.
Im Gegensatz zum Kurzzeitlichtbogenschweißen ist ferner das Verfahren
problemlos für
Bolzen mit einer Dicke von bis zu 20 mm einsetzbar.
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Festgestellt
werden kann damit, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile der
drei oben genannten Verfahren kombiniert.
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Der
wesentliche Vorteil des Kondensatorentladungsschweißens, nämlich lediglich
soviel Schmelze zu erzeugen, wie für die Verbindung zwischen Bolzen
und Träger
benötigt
wird, kommt auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz,
was u.a. ein Resultat der sehr geringen Bolzenneigung ist. Gleichzeitig
wird allerdings ein Anschmelzen des gesamten Bolzenquerschnitts
für eine
optimale Fügeverbindung
bei geringem Spaltmaß erzielt.
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Der
wesentliche Vorteil der Hubzündung
als robustes Verfahren mit ausreichendem Wärmeeintrag in das Grundmaterial
wird ebenfalls genutzt, wobei nunmehr auch der Einfluß der Oberflächenrauhigkeit
oder geringfügiger
Oberflächenverschmutzung
reduziert wird.
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Schließlich wird
insbesondere auch der Vorteil des MBL-Schweißens, nämlich der gesteuerten Bewegung
des Lichtbogens an der Schweißfläche genutzt.
Der neue Prozess wird durch Verwendung des zusätzlichen Magnetfelds völlig unabhängig von Blaswirkung,
indem das Lichtbogenfeld durch das Quermagnetfeld überlagert
wird und damit eine mögliche
Blaswirkung unterdrückt.
Hierdurch ist auch eine vereinfachte Masseklemmung am Bauteil möglich. Insbesondere
sind auch einseitige Masseanmklemmungen auch bei mehreren Schweißungen an
einem Bauteil unproblematisch. Aufgrund der Wirkung des Magnetfelds
sind somit insbesondere auch Schweißungen in Zwangslagen ohne
Schweißbadschutz
möglich.
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Abschließend ist
anzumerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren problemlos für Bolzen aus
unterschiedlichsten Materialien, insbesondere aus Stahl (wobei der
Bolzen dann auch zum Schutz gegen Korrosion eine geeignete schweißfähige Oberflächenbeschichtung
aufweisen kann), Edelstahl oder Aluminium eingesetzt werden kann.
Auch die Ausgestaltung der Bolzen im sich an die Stirnfläche anschließendem Bereich
ist vollkommen unabhängig
von der vorliegenden Erfindung. So können Gewindebolzen, Stifte,
in den Gewindebuchsen oder auch Sonderbolzen verwendet werden.