-
Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken und eine Verbindungsvorrichtung. Werkstücke, wie beispielsweise Teile von elektrischen Einrichtungen, werden bei der Produktion meist als Fügeteile miteinander verbunden. Ein Verbinden erfolgt beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben an Fügestellen. Es wird dabei eine formschlüssige Verbindung der Werkstücke erzielt.
-
Üblicherweise werden bei Produktionsabläufen verschiedene Montage- oder Fertigungsstationen vorgesehen, an denen beispielsweise Schweißköpfe zum Schweißen, Nieteinrichtungen zum Nieten oder Lötstationen zum lötenden Verbinden der Bauteile vorgehalten werden.
-
Beim konventionellen Widerstandsschweißen werden elektrisch leitfähige Werkstücke durch einen elektrischen Strom bis zum Schmelzen erhitzt, so dass eine gemeinsame Schmelze erfolgt und nach dem Erstarren eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken vorliegt. Bekannte Widerstandsschweißköpfe sind hinsichtlich ihrer Ausgestaltung auf hohe Temperaturen und starke elektrische Ströme ausgestaltet. Meist erfordert das Schweißen zudem, dass die beiden Elektroden des Widerstandsschweißkopfes während des Schweißvorgangs gleichzeitig eine Schweißkraft auf die Fügestelle ausüben.
-
Häufig sind auch Lötverbindungen, beispielsweise bei der Produktion von elektromechanischen leitfähigen Bauteilen, notwendig. In der Vergangenheit wurde beispielsweise nach einem Schweißvorgang das Halbfertigteil zu einer Lötstation transportiert, um dort beispielsweise mit weiteren Werkstücken verlötet zu werden. Insbesondere beim Widerstandslöten erzeugt ein elektrischer Strom im Bereich einer Lötstelle Wärme in einem Lot, welches schmilzt und die beiden Werkstückoberflächen benetzt. Nach den Abkühlen liegt eine Verbindung der Werkstücke vor.
-
Insbesondere bei der Produktion mittelgroßer elektromechanischer Bauteile werden aufgrund der notwendigen verschiedenen Füge- oder Verbindungsverfahren komplizierte automatisierte Montagesysteme mit einer Vielzahl von Fügestationen benötigt. Wünschenswert wäre eine Vereinfachung des Fertigungsaufwands von Bauteilen oder Werkstücken, die mehrere Fügestellen mit unterschiedlichen Verbindungstypen umfassen.
-
Demnach ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und/oder eine verbesserte Einrichtung zum Verbinden von Werkstücken zu schaffen.
-
Demgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken vorgeschlagen, welches umfasst:
- – Bereitstellen eines Widerstandslötkopfes mit mindestens zwei, insbesondere koaxial angeordneten, Elektroden;
- – Positionieren von zwei Werkstücken zwischen den Elektroden des Widerstandslötkopfs;
- – Zuführen eines bandförmigen Lötmittels zwischen die zwei Werkstücke zu einer Lötstelle;
- – Verlöten der zwei Werkstücke miteinander, wobei zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom durch die zwei Werkstücke und das Lötmittel so lange erzeugt wird, bis das erhitzte Lötmittel zwischen den zwei Werkstücken von dem restlichen bandförmigen Lötmittel abreißt.
-
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Widerstandsschweißkopf als Widerstandslötkopf verwendet. Insofern umfassen weitere Ausführungsformen die Schritte:
- – Bereitstellen eines Widerstandsschweißkopfes mit mindestens zwei, insbesondere koaxial angeordneten, Elektroden;
- – Positionieren von zwei Werkstücken zwischen den Elektroden des Widerstandsschweißkopfs;
- – Zuführen eines bandförmigen Lötmittels zwischen die zwei Werkstücke zu einer Lötstelle;
- – Verlöten der zwei Werkstücke miteinander, wobei zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom durch die zwei Werkstücke und das Lötmittel so lange erzeugt wird, bis das erhitzte Lötmittel zwischen den zwei Werkstücken von dem restlichen bandförmigen Lötmittel abreißt.
-
Das Verfahren sieht vor, einen als Widerstandsschweißkopf konzipierten Schweißkopf zum Löten einzusetzen. Insbesondere ein Widerstandsschweißkopf mit koaxial angeordneten Elektroden, die beispielsweise von oben und unten die zwei zu verbindenden Werkstücke einfassen, kann durch eine geeignete Ansteuerung und eine geeignete Einspeisung von elektrischem Strom das zwischen den Werkstücken vorliegende Lötmittel schmelzen. Dadurch wird eine besonders hohe Einsatzflexibilität der Ressource Widerstandsschweißkopf ermöglicht. Es ist insofern nicht notwendig, halbfertige Werkstücke zwischen Stationen mit Widerstandsschweißköpfen und Stationen mit Lötköpfen zu transportieren. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Systemflexibilität in maschinellen oder automatisierten Montagesystemen.
-
Die Dauer des Lötvorgangs bzw. die Einspeisedauer des elektrischen Stroms ergibt sich in Abhängigkeit von dem Schmelzen des bandförmigen Lötmittels. Beispielsweise wird ein Lotband zwischen den beiden Werkstücken zunächst eingeklemmt, wobei der eingeklemmte Abschnitt im Lötstellenbereich schmilzt und von dem restlichen bandförmigen Lotband abreißt. Durch eine Überwachung dieses Abreißens kann die Lötdauer geregelt werden. Konventionellerweise wird eine fixe Lötzeit voreingestellt.
-
Bei Varianten des vorgestellten Verfahrens wird die Lötzeit in Abhängigkeit von einer mechanischen Abreißbewegung des eingesetzten Lotbandes geregelt. Beispielsweise kann das zur Lötstelle geführte Lotband zwischen die Werkstücke durch eine Kraftausübung der Elektroden zueinander eingeklemmt werden und der bandförmige Anteil einer Kraft ausgesetzt werden. In Abhängigkeit von der Zugkraft ergibt sich eine schnellere oder langsamere Trennung des erhitzten Lötmittels und des bandförmig vorliegenden. Man kann insofern eine genaue Programmierung der Lötzeit vornehmen.
-
Bei Ausführungsformen des Verfahrens bilden die Werkstücke im gefügten Zustand gepresste Kontakte. Die Lötzeitregelung in Abhängigkeit von dem Abreißen oder Durchtrennen des zugeführten Lotbandes ermöglicht eine effiziente Steuerung des Wärmehaushalts bzw. Wärmeeintrags beim Lötvorgang. Man erzielt eine besonders hohe Güte und Zuverlässigkeit der Lötverbindung.
-
Das Verfahren umfasst beispielsweise mindestens einen der folgenden Schritte:
- – koaxiales Bewegen der Elektroden relativ zueinander zum Klemmen des bandförmigen Lötmittels an der Lötstelle zwischen den beiden Werkstücken; oder
- – Spannen des bandförmigen Lötmittels von der Lötstelle weg, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu einer Bewegungsrichtung der Elektroden.
-
Das Verlöten kann insbesondere nach einem Widerstandslötverfahren erfolgen. Beim Widerstandslöten erfolgt ein stoffschlüssiges Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase des Lotes durch Schmelzen entsteht. Beim Widerstandslöten werden die Fügeteile, also die Werkstücke, durch die oberen und unteren Elektroden des Widerstandsschweißkopfes zusammengepresst. Der induzierte Strom führt zu einem Schmelzen des Lotes an der Kontaktstelle zwischen den Werkstücken. Dabei werden Temperaturen beispielsweise zwischen 450 und 900°C erreicht.
-
Vorzugsweise wird eine Position oder ein Abstand der zwei Elektroden zueinander während der Dauer des elektrischen Stroms konstant gehalten. Im Gegensatz zu einem Schweißverfahren, das eine andauernde Kraftausübung erfordert, werden beim Löten die Elektroden des Widerstandsschweißkopfes bezüglich der beiden Werkstücke vorzugsweise konstant gehalten.
-
In Varianten des Verfahrens ist der Widerstandsschweißkopf derart ausgestaltet, dass mit Hilfe eines elektrischen Stroms zwei weitere Werkstücke an einer Schweißstelle bis zum Aufschmelzen erhitzt werden. Insofern ist auch ein Widerstandsschweißen ermöglicht.
-
Das Verfahren umfasst in Varianten ferner:
- – Positionieren von zwei weiteren Werkstücken zwischen den Elektroden; und
- – Verschweißen der zwei weiteren Werkstücke mit Hilfe des Widerstandsschweißkopfes an der Schweißstelle miteinander.
-
Vorzugsweise wird beim Schweißen der Schweißkopf derart bewegt, dass die zwei Elektroden relativ zu der Schweißstelle bewegt werden und eine konstante Kraft auf die Schweißstelle ausgeübt wird. Durch die konstante Kraft ergibt sich ein Verschmelzen oder Verschweißen der beiden Werkstückmaterialien einfacher miteinander.
-
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise beim Löten eine erste Kraft mit Hilfe der Elektroden auf die Lötstelle ausgeübt und beim Schweißen eine zweite Kraft mit Hilfe der Elektroden, welche von der ersten Kraft unterschiedlich ist, auf die Schweißstelle ausgeübt.
-
Insofern werden die Elektroden in Abhängigkeit von dem Verbindungsverfahren Schweißen oder Löten unterschiedlich bewegt.
-
Es wird ferner eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden von Werkstücken miteinander vorgeschlagen. Die Verbindungsvorrichtung umfasst:
- – einen Widerstandslötkopf mit mindestens zwei, insbesondere koaxial angeordneten Elektroden;
- – eine Zuführeinrichtung zum Bereitstellen und Zuführen eines bandförmigen Lötmittels zwischen zwei Werkstücke zu einer Lötstelle; und
- – eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Widerstandslötkopfes derart, dass zwei zwischen den Elektroden positionierte Werkstücke miteinander verlötet werden. Dabei fließt zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom durch die zwei Werkstücke und das Lötmittel.
-
Die Verbindungsvorrichtung umfasst in einer alternativen Ausführungsform:
- – einen Widerstandsschweißkopf mit mindestens zwei, insbesondere koaxial angeordneten Elektroden, wobei der Widerstandsschweißkopf ausgestaltet ist, mit Hilfe eines elektrischen Stroms die Werkstück an einer Schweißstelle bis zum Aufschmelzen zu erhitzen;
- – eine Zuführeinrichtung zum Bereitstellen und Zuführen eines bandförmigen Lötmittels zwischen zwei Werkstücke zu einer Lötstelle; und
- – eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Widerstandsschweißkopfes derart, dass zwei zwischen den Elektroden positionierte Werkstücke miteinander verlötet werden. Dabei fließt zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom durch die zwei Werkstücke und das Lötmittel, ohne dass die Werkstücke aufschmelzen.
-
Die Verbindungsvorrichtung und insbesondere die Steuereinrichtung ist dabei derart eingerichtet, dass ein wie vorgeschriebenes Verfahren zum Verbinden von Werkstücken durchgeführt wird.
-
Die Verbindungsvorrichtung kombiniert durch Einsatz des Widerstandsschweißkopfes eine Lötstation mit einer Schweißstation, beispielsweise in einer Produktionslinie für elektromechanische Bauelemente. Die Verwendung des als Widerstandsschweißkopf ausgestalteten Schweißkopfes zum Widerstandslöten spart somit eine Ressource in automatisierten Montagesystemen ein. Die Einstellung bzw. Regelung der Lötzeit durch den Lötbandvorschub, welcher mit einer Rückwärtsbewegung das nicht geschmolzene Lotband von dem geschmolzenen Lotband im Lötstellenbereich abtrennt, kann leicht, beispielsweise durch einen mechanischen Schalter, der die Stromzufuhr unterbricht, realisiert werden.
-
Insgesamt ergibt sich eine Mehrfachnutzung der Ressource des Widerstandsschweißkopfes und damit eine vereinfachte Herstellung von Gütern, die miteinander zu verbindende oder verfügende Bauelemente umfassen.
-
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrensschritte, Merkmale oder Ausführungsformen des Verfahrens oder der Verbindungsvorrichtung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Dabei zeigen:
-
1–6 schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels für eine Verbindungsvorrichtung zur Erläuterung von Aspekten eines Verfahrens zum Verbinden von Werkstücken.
-
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die Verwendung einer Verbindungsvorrichtung.
-
Die 1–6 zeigen schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels für eine Verbindungseinrichtung in verschiedenen Betriebszuständen, um ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken zu erläutern.
-
Die Verbindungsvorrichtung 1 umfasst dabei einen Lötkopf 2, der mit zwei Elektroden 3, 4 ausgestattet ist. Der Lötkopf 2 bzw. die Elektroden 3, 4 sind dabei entlang ihrer Symmetrieachse 10 beweglich. Die entsprechende Bewegung 12 kann durch Steuersignale CT von einer Steuereinrichtung 5 bestimmt werden. Insbesondere erfolgt eine Bewegung 12 der Elektroden 3, 4 relativ zueinander koaxial. D.h. Kräfte, die beim Bewegen beispielsweise der Elektroden 3, 4 zueinander entstehen, verlaufen entlang der Achse 10. Der Widerstandsschweißkopf 2 ist mit steuerbaren Stromquellen versehen, die hier nicht dargestellt sind.
-
Die Figuren zeigen ferner eine Arbeitsplatte 11, die beispielsweise ein Transport- oder Drehteller sein kann, auf der miteinander zu verfügende Werkstücke 8, 9 positioniert werden können. Die Verbindungsvorrichtung 1 ermöglicht ein Schweißen wie auch ein Löten von Werkstücken miteinander. Es ist daher ferner ein Lötbandvorschub 6 vorgesehen, der ein Lötband 7 bereitstellt und über geeignete Mittel in Richtung zu oder von einer Fügestelle 14 weg von der Steuereinrichtung 5 gesteuert vorschiebt. Das Lötband 7 wird dabei im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 10 bewegt. Dies ist durch den Pfeil 13 angedeutet.
-
Der Lötbandvorschub 6 ermöglicht eine präzise Einstellung und Bewegung des Lötbandes 7. Bei dem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung 1 bzw. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken miteinander werden zunächst, wie in der 1 dargestellt ist, die beiden miteinander zu verlötenden Werkstücke 8, 9 zwischen die beiden Elektroden 3, 4 des Widerstandslötkopfes 2 positioniert. Die Positionierung kann beispielsweise händisch erfolgen oder mit Hilfe von einem Roboter oder anderen Positioniermitteln, die bekannt sind.
-
Die 1 zeigt einen gestrichelten Bereich 14, der einer Lötstelle entspricht. Von der Steuereinrichtung 5 gesteuert liefert der Lötvorschub 6 Lotband 7 zwischen die beiden Werkstücke 8, 9 zur Lötstelle 14. Anschließend werden, wie in der 2 dargestellt ist, die beiden Fügeteile bzw. Werkstücke 8, 9 und das dazwischen liegende Lotband 7 mit Hilfe der beiden verfahrbaren Elektroden 3, 4 eingeklemmt. Insofern erfolgt eine Zustellbewegung mit Hilfe des Lötkopfes 2. Die Steuerung erfolgt beispielsweise durch die Steuereinrichtung 5, welche entsprechend programmiert ist und Steuersignale CT beispielsweise an Aktoren oder Servomotoren liefert.
-
Das Lotband 7 wird nun durch den Lotbandvorschub 6 von der Lötstelle weggezogen und gespannt. Dies ist in 3 dargestellt. Es wirken somit gegenläufige Kräfte 15, 16 entlang der Achse 10, so dass die Werkstücke 8, 9 und das Lotband 7 im Lötstellenbereich 14 eingeklemmt ist. Durch eine Rückwärtsbewegung des Lötbandvorschubs 6 wird eine Kraft 18 als Zugkraft erstellt.
-
Der elektrische Widerstand des Lots zwischen den beiden Werkstücken 8, 9 ist höher als der der Werkstücke. Die Steuereinrichtung 5 veranlasst nun einen Stromfluss 17 durch die Lötstelle 14. Dadurch erhitzt sich aufgrund des erhöhten elektrischen Widerstandes des Lotmaterials die Lötstelle 14. Das Lotband schmilzt an der Fügestelle bzw. Lötstelle 14 ab und reißt aufgrund der Rückwärtsbewegung 18 des restlichen festen Lotbandes ab. Dies erkennt man in der 4. Es ist ein Teil des flüssigen Lotbandes 19 an der Lötstelle 14 von dem restlichen Lotband 7 abgetrennt.
-
In der 4 ist ein Zwischenraum zwischen dem zurückziehenden Lotband 7 und dem flüssigen Lot 19 als Bezugszeichen 20 dargestellt. Der Lötbandvorschub 6 erkennt, dass die Zugkraft 18 bzw. die Spannung des Lotbandes 7 nachlässt und gibt ein entsprechendes Signal CT an die Steuereinrichtung 5, welche daraufhin einen Stromfluss 17 unterbricht. Es ist auch eine mechanische Regelung denkbar, die beim Zurückspringen des Lotbandes 7 einen Schalter betätigt, welcher den Stromfluss 17 unterbricht. Insofern wird die Lötzeit in Abhängigkeit von dem Schmelzen und der Zugkraft geregelt.
-
Nachdem kein Strom 17 mehr fließt, kühlt das Lot 19 ab und benetzt die Fügestellen zwischen den beiden Werkstücken 8, 9. Die Werkstücke 8, 9 sind beispielsweise Kabel oder Niederspannungsbaugruppen. Es ergibt sich nun eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Werkstücke 8, 9 durch das erstarrte Lot 19 miteinander.
-
In der 5 ist dargestellt, wie die Elektroden 3, 4 insbesondere durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert wieder von den verfügten Werkstücken 8, 9 entlang ihrer Bewegungsachse 10 weggefahren sind. Beim Widerstandslöten ergibt sich ein Temperaturbereich beispielsweise zum Hartlöten zwischen 450 und 900°C. Die beiden Werkstücke 8, 9 werden dabei nicht angeschmolzen, sondern lediglich das Lot als geschmolzener Zusatzwerkstoff stellt die stoffschlüssige mechanische Verbindung her.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt werden weitere Werkstücke in die Achse 10 zwischen den beiden Elektroden 3, 4 gebracht. Durch eine geeignete Ansteuerung des Schweißkopfes 2 erfolgt jedoch ein Verschweißen und kein Löten der weiteren Bauelemente oder Werkstücke miteinander. In der 6 wird dieser Verfahrensaspekt illustriert.
-
Die beiden zu verfügenden Werkstücke 21, 22, beispielsweise zwei Metallbleche, werden zwischen die Elektroden 3, 4 eingefasst und unter einer Kraftbeaufschlagung 15, 16 gehalten. Die Steuereinrichtung 5 veranlasst einen hohen Stromfluss 23 zwischen den Elektroden 3, 4 durch die beiden zu verschweißenden Teile 22, 21. Der Lotbandvorschub 6 ist dabei so gesteuert, dass kein Lotband 7 in den Zwischenraum zwischen die Werkstücke 21, 22 gelangt. Aufgrund des elektrischen Stromflusses 23 werden die Werkstücke im Bereich der Schweißstelle 24 so erhitzt, dass sie schmelzen. Nach einer programmierbaren Stromflusszeit ergibt sich ein Erstarren der Schmelze an der Schweißstelle 24 und damit eine feste Schweißverbindung. Während des Schweißvorgangs, also des Schweißstromflusses 23, werden die beiden Werkstücke fest zusammengedrückt. Dies unterstützt das Verschmelzen bzw. Verschweißen der beiden Materialien der Werkstücke 21, 22.
-
Insgesamt ergibt sich ein Verbindungsverfahren, welches mit Hilfe der vorgeschlagenen Verbindungsvorrichtung 1 durchgeführt werden kann, bei dem sowohl Schweißen als auch Widerstandslöten mit ein und derselben Fertigungsstation erfolgen kann. Insofern ergibt sich eine Mehrfachnutzung der Ressource Widerstandsschweißkopf und damit eine erhöhte Flexibilität bei der Herstellung von Bauelementen. Das Verfahren bzw. die Verbindungsvorrichtung 1 ermöglicht eine vereinfachte Herstellungs- oder Montagestraße.
-
In der 7 ist die Verwendung einer Verbindungsvorrichtung als kombinierte Löt- und Schweißstation in einer Fertigungsstraße mit einem Fertigungsteller dargestellt. Die 7 zeigt dabei einen Drehteller 25 mit Segmenten 27, 28, 29. An jedem Segment 27, 28, 29 ist ein zu bearbeitendes Bauteil vorgesehen. Beispielsweise ist auf oder in dem Segment 27 eine Kombination von Werkstücken 21, 22 positioniert, die miteinander verschweißt werden sollen. Im Segment 29 ist ein Halbfertigteil mit zu verlötenden Bauelementen 8, 9 vorgesehen.
-
Die Bezugszeichen 1 und 30 bezeichnen Fertigungsstationen, wobei der Drehteller 25 in die Richtung 26 rotiert werden kann. Eine Fertigungsstation ist beispielsweise als Verbindungsvorrichtung 1, wie sie in den vorherigen 1–6 beschrieben wurde, ausgestaltet. Es ist nun möglich, durch Rotation, beispielsweise Positionierung der zu verschweißenden Bauelemente 21, 22 durch eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn zu der Fertigungsstation 1 bzw. Verbindungsvorrichtung 1 zu vollziehen. Je nach Produktionsbedingung ist es jedoch auch möglich, den Fertigungsdrehteller 25 im Uhrzeigersinn zu bewegen, so dass das Segment 29 im Bereich der in der 7 dargestellten Position des Segments 28 stoppt. Dann kann die Verbindungsvorrichtung 1 zum Löten der beiden zu verlötenden Bauelemente 8, 9 eingesetzt werde.
-
Insgesamt ergibt sich durch das Füge- bzw. Verbindungsverfahren sowie die Verbindungsvorrichtung 1 mit dem flexiblen Einsatz des Widerstandsschweißkopfes eine erhöhte Flexibilität von Montagebetrieben und Skaleneffekte bei der Herstellung und Beschaffung der Ressource Widerstandsschweißkopf bzw. Widerstandslötkopf. Durch die kompakte Bauweise insbesondere des Schweißkopfs sowie des Lötbandvorschubs kann ein einfacher mechanisierter und automatisierter Einsatz in einer Fertigungsstraße erfolgen.
-
Die Ausführungsbeispiele wurden anhand eines ursprünglich als Widerstandsschweißkopf ausgestalten Lötkopf erläutert. Selbstverständlich lässt sich die vorgeschlagene Lötzeitregelung auch mit konventionellen Widerstandslötköpfen mit zwei Elektroden durchführen.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
