DE19540009A1 - Welding bolts or similar items to workpiece - Google Patents
Welding bolts or similar items to workpieceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschweißen von Schweißbolzen oder dergleichen Bauteilen an ein Werkstück mittels des Kondensatorentladungsschweißverfahrens, wobei der Schweißbolzen mit seiner Zündspitze voraus einem Schweißkopf automatisch oder von Hand zugeführt und von diesem druckmittelbetätigt an das Werkstück herangeführt wird, wobei bei konstanter Zuführungsgeschwindigkeit, bei Berührung der Zündspitze des Bolzens mit der Werkstückoberfläche und Betätigung der Entladung, der Schweißstrom zu fließen beginnt, die Zündspitze schmilzt und verdampft örtlich, ein Lichtbogen zwischen Bolzen und Werkstückoberfläche wird gebildet und der Bolzen über die entstandene Schmelze mit dem Blech kontaktiert.The invention relates to a method for welding of welding studs or similar components Workpiece using the capacitor discharge welding process, the welding stud with its ignition tip ahead of a welding head automatically or from Hand fed and actuated by this pressure medium the workpiece is brought in, with constant Feed speed when touching the ignition tip of the bolt with the workpiece surface and Actuation of the discharge, the welding current to flow begins, the ignition tip melts and evaporates locally, an arc between the bolt and the workpiece surface formed and the bolt on the resulting melt with the Contacted sheet metal.
Beim Schweißen von Schweißbolzen oder anderen Schweißelementen mit beispielsweise einem Blech auf der Grundlage des genannten Schweißverfahrens mit Spitzenzündung wird eine Kondensatorbatterie auf eine bestimmte Spannung aufgeladen. Aus der Ladespannung und der Kapazität ergibt sich die gespeicherte Energie. Der Schweißbolzen wird mit einer der Federwirkung entsprechenden Geschwindigkeit in Richtung des Werkstückes bewegt. Bei Berührung der Zündspitze des Schweißbolzens mit der Werkstückoberfläche und Zuschaltung der gespeicherten Energie beginnt der Schweißstrom zu fließen.When welding welding studs or other welding elements with, for example, a sheet based the mentioned welding process with tip ignition becomes a capacitor bank to a certain voltage charged. From the charging voltage and the capacity the stored energy. The welding stud comes with a speed corresponding to the spring action Direction of the workpiece. When touching the ignition tip of the welding stud with the workpiece surface and The welding current begins when the stored energy is switched on to flow.
Die Zündspitze verdampft teilweise aufgrund der hohen Energiebeaufschlagung, und es bildet sich ein Lichtbogen zwischen Bolzen und Werkstückoberfläche. Da sich der Bolzen in Bewegung befindet, ergibt sich aus der ursprünglichen Zündspitzenlänge und der Bolzengeschwindigkeit die Zeit bis zum Kontaktieren des Bolzens mit der schmelzflüssigen Phase auf dem Blech. Diese Zeit entspricht der Lichtbogenbrenndauer.The ignition tip evaporates partly due to the high Energy is applied and an arc is formed between stud and workpiece surface. Since the Bolt in motion results from the original Ignition tip length and the bolt speed Time to contact the bolt with the molten one Phase on the sheet. This time corresponds to the arc burning time.
Infolge von Fertigungstoleranzen der Zündspitzen derartiger Schweißbolzen ist das Schweißergebnis, die Schweißverbindung, oft unterschiedlich. Durch verschiedene Spitzenlängen verändert sich auch jeweils die Lichtbogenbrenndauer, was zu nicht qualitätsgerechten Schweißungen führt. Due to manufacturing tolerances of the ignition tips of such Weld stud is the weld result that Welded joint, often different. Through different The tip lengths also change in each case Arc burn time, resulting in non-quality Welds.
So wurde mit der DE 42 36 526 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem unter Beachtung der Längenabweichungen der Zündspitzen ein möglichst qualitatives Schweißergebnis erzielt werden soll.A method was proposed with DE 42 36 526 A1, with taking into account the length deviations of the ignition tips a qualitative welding result as possible should be achieved.
Es wird ein Verfahren vorgestellt, daß zum Zwecke der genauen Einstellung der Lichtbogenbrenndauer und der Eintauchgeschwindigkeit die Länge der Zündspitze vor Beginn des Schweißvorganges gemessen wird, das gemessene Längenmaß in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dieses Signal in einen Prozessor eingelesen wird, mittels dessen das Signal in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Lichtbogenbrenndauer in ein konstantes Zuführgeschwindigkeitsmaß umgerechnet wird, daß dem ermittelten Zuführgeschwindigkeitsmaß entsprechende elektrische Signale vom Prozessor an ein Stellglied übermittelt werden, mittels dessen die Zuführgeschwindigkeit des Schweißkopfes dem ermittelten Geschwindigkeits-Sollwert angepaßt wird.A method is presented that for the purpose of precise adjustment of the arc burning time and the immersion speed the length of the ignition tip before the start of the welding process is measured, the measured length dimension is converted into an electrical signal, this Signal is read into a processor by means of which the signal as a function of a predefined arc duration to a constant feed rate measure is converted that the determined feed rate corresponding electrical signals from the processor are transmitted to an actuator by means of whose the feed speed of the welding head determined speed setpoint is adjusted.
Das in der DE 40 32 572 C2 beschriebene Verfahren basiert auch auf der Erkenntnis, daß fehlerhafte Ausbildungen der Zündspitze zu nicht qualitätsgerechten Verschweißungen von Schweißbolzen und Werkstücken führen. So wird hier ein Verfahren zur Qualitätsbeurteilung von Lichtbogenbolzenschweißungen mit Spitzenzündung beschrieben, welches zur Beurteilung der Güte der Bolzenschweißung die ParameterThe method described in DE 40 32 572 C2 is also based on the knowledge that faulty training the ignition tip for welds that do not meet the quality requirements of welding studs and workpieces. So here is a procedure for quality assessment of Described arc stud welding with tip ignition, which is used to assess the quality of the stud welding the parameters
- Dauer des Abbrennens der Zündspitze
- Lichtbogenbrenndauer und
- Höhe der Spannungsspitzen beim Zünden des Lichtbogens- Duration of the ignition tip burning
- arc burn time and
- Height of the voltage peaks when the arc is ignited
erfaßt. detected.
Die Überwachung dieser drei Parameter geschieht mit einer elektrischen Schaltungsanordnung. Mittels eines Prozessors werden die Fehlschweißungen erfaßt und aussortiert.These three parameters are monitored with one electrical circuitry. Using a processor the incorrect welds are recorded and sorted out.
Auch mit den bekannten Verfahren und Methoden wird nicht ausgeschlossen, daß es beim Bolzenschweißen mit Zündspitze zu einer Abweichung zwischen der Zeit des Schweißstromflusses mit der Lichtbogenbrenndauer kommt und somit Schweißfehler auftreten, die eine qualitätsgerechte Verbindung ausschließen.Even with the known methods and methods will not excluded that it is when stud welding with ignition tip to a deviation between the time of the welding current flow comes with the arc burn time and thus Welding defects occur that are a quality Exclude connection.
Die Qualität der Schweißverbindung wird maßgeblich durch die Zündphase beeinflußt, also durch den Zündstrom und die Zündzeit. Sind beide zu gering, so erfolgt ein vorzeitiges örtliches Verdampfen der Spitze des aufzuschweißenden Bolzens, was die Aufschmelzung der Bindungsflächen durch den entstehenden Lichtbogen negativ beeinflußt.The quality of the welded connection is largely determined by affects the ignition phase, i.e. by the ignition current and the ignition time. If both are too low, then a premature local evaporation of the tip of the bolt to be welded, which is the melting of the Binding surfaces negative due to the resulting arc influenced.
Dies wird auch nicht durch die bekannten Bolzen mit standardisierten Zündspitzen ausgeschlossen, da diese unabhängig vom Werkstoff, seinem Widerstand und dem Schweißverhalten dimensioniert sind.This is also not standardized by the well-known bolts Ignition peaks excluded, since these are independent of the material, its resistance and the welding behavior are dimensioned.
Dies stellt die örtlich konzentrierten Aufschmelzungen mit teilweiser Tröpfchenbildung dar, was auch zum Auswurf der Schmelze aus der Verbindungszone und zur teilweisen Entladung außerhalb des Schweißspaltes führt. Dies bedingt wiederum fehlerhafte Schweißverbindungen.This represents the locally concentrated melts with partial droplet formation, which also leads to expectoration of the melt from the connection zone and to the partial Discharge leads outside the welding gap. This requires again faulty welded connections.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Anschweißen von Schweißbolzen oder dergleichen Bauteilen an ein Werkstück mittels des Kondensatorentladungsschweißverfahrens mit Spitzenzündung zu entwickeln, bei dem die Zündzeit und der Zündstrom von der gespeicherten Energie, vom Werkstoff und von der Zündspitzengeometrie des Schweißbolzens, demzufolge von der Energie der Kondensatorbatterie und dem Widerstand der Zündspitze abgeleitet wird, wobei die Zündspitzengeometrie das Schweißergebnis positiv beeinflussen soll.The object of the invention is to provide a method for Welding welding studs or similar components to a workpiece using the capacitor discharge welding process to develop with tip ignition, in which the ignition time and the ignition current from the stored Energy, the material and the ignition tip geometry of the Welding stud, consequently from the energy of the capacitor bank and the resistance of the ignition tip is derived, the ignition tip geometry the welding result positive should influence.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch herausgestellten erfinderischen Merkmale gelöst.According to the invention, the object is defined in the claim highlighted inventive features solved.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren vorgestellt, welches den Fügeprozeß beim Bolzenschweißen mit Spitzenzündung dahingehend gestaltet, daß die TeilprozesseThe solution according to the invention becomes a method presented, which the joining process at Stud welding with tip ignition designed in such a way that the subprocesses
- Zünden
- Schweißen
- Binden- Ignite
- welding
- Tie
den werkstoffabhängigen Parametern der zu verschweißenden Teile angepaßt sind, wobei die Widerstände im Schweißbereich durch geometrische Gestaltung der Bolzenspitze, insbesondere durch den Zündspitzendurchmesser, der Zündspitzenlänge, der Kontaktoberfläche sowie der Neigung der Bolzenstirnfläche und durch den spezifischen Widerstand des Bolzenwerkstoffes bestimmt wird, wobei die Verfahrensweise darauf ausgerichtet ist, daß die Ausbildung des Zündspitzendurchmessers als Funktion des Energieeintrages, der werkstoffabhängigen und geometrischen Kenngrößen sowie einer notwendigen Verdampfungsrate von a 10% wirkt und der erforderliche Zündstrom IZ zum maximalen Schweißstrom IS, vorzugsweise in dem Bereich IZ = (0,7 . . . 1,1) × Is max liegend, bestimmt wird.are adapted to the material-dependent parameters of the parts to be welded, the resistances in the welding area being determined by the geometrical design of the stud tip, in particular by the tip diameter, the tip length, the contact surface and the inclination of the stud face and by the specific resistance of the stud material, the procedure being based on this is oriented so that the formation of the ignition tip diameter acts as a function of the energy input, the material-dependent and geometric parameters and a necessary evaporation rate of a 10% and the required ignition current I Z to the maximum welding current I S , preferably in the range I Z = (0.7 1.1) × I s max lying, is determined.
Für das Verfahren ist weiterhin charakteristisch, daß die Zündphase entscheidend für die Einleitung der Schweißphase und des Lichtbogenverhaltens ist. It is also characteristic of the process that the Ignition phase decisive for the initiation of the welding phase and the arc behavior.
Das bedeutet wiederum, daß die Zündphase - von der thermischen Aktivierung der Zündspitze bis zu ihrer teilweisen Verdampfung - von der elektrischen Leitfähigkeit des Bolzenwerkstoffes und der Geometrie der Zündspitze und somit vom Widerstand abhängig ist.This in turn means that the ignition phase - from the thermal Activation of the ignition tip up to its partial Evaporation - from the electrical conductivity of the stud material and the geometry of the ignition tip and thus from Resistance is dependent.
Der Widerstand der Zündspitze ist dabei bekannterweise eine Funktion vonThe resistance of the ignition tip is known to be one Function of
und Teil des Zündwiderstandes, ausgedrückt inand part of the ignition resistance, expressed in
RZ = RST + RÜ.R Z = R ST + R Ü .
Während des thermischen Aktivierungsvorganges ist folglich der Gesamtwiderstand - im System Zündspitze und Kontakt mit dem Blech - eine Funktion von Stoff- und Übergangswiderstand an der Kontaktfläche von Spitze und Werkstücke.Consequently, during the thermal activation process the total resistance - in the ignition tip system and contact with sheet metal - a function of material and transition resistance at the contact surface of the tip and workpieces.
Während des Schweißprozesses ist die geometrische Gestaltung des gesamten Kontaktspaltes der zu schweißenden Teile, charakterisiert durch die Zündspitzenlänge 1 und des Neigungswinkels α der Bolzenstirnfläche, von besonderer Bedeutung, wobei die Neigungshöhe h der Bolzenstirnfläche eine Funktion des Flanschdurchmessers und des Neigungswinkel α ist. Die Neigungshöhe h und die Zündspitzenlänge l bestimmen somit die Öffnungsweite h′ des Kontaktspaltes. Die Zündspitzenlänge besitzt ein Längenmaß, das unter Beachtung des Zündspitzendurchmessers, im Bereich von 0,5 mm-0,85 mm liegt und der Neigungswinkel α ein Winkelmaß von ca. 3 Grad aufweist. During the welding process, the geometric design of the entire contact gap of the parts to be welded, characterized by the ignition tip length 1 and the angle of inclination α of the stud face, is of particular importance, the inclination height h of the stud face being a function of the flange diameter and the inclination angle α. The inclination height h and the ignition tip length l thus determine the opening width h 'of the contact gap. The ignition tip length has a length dimension which, taking into account the ignition tip diameter, is in the range of 0.5 mm-0.85 mm and the angle of inclination α has an angle measurement of approximately 3 degrees.
Das wesentliche erfinderische Verfahrensmerkmal - der Bestimmung der Zündspitzengeometrie - sichert die Energiebilanz, die durch die Beziehung:The essential inventive feature of the process - the determination of the ignition tip geometry - ensures the energy balance through the relationship:
Eelektrisch = QErwärmung und Verdampfung E electrical = Q heating and evaporation
charakterisiert ist.is characterized.
Die geometrische Gestaltung von Zündspitzendurchmesser, Zündspitzenlänge und die Ausbildung der Bolzenstirnflächen sichern nicht nur einen optimalen Zünd- und Schweißprozeß, sondern beeinflussen auch positiv den Bindungsprozeß und garantieren eine qualitätsgerechte Schweißverbindung.The geometrical design of the ignition tip diameter, Ignition tip length and the formation of the pin end faces not only ensure an optimal ignition and welding process, but also have a positive influence on the attachment process and guarantee a quality welded joint.
Mit dem folgenden Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden, in der dazugehörigen Zeichnung zeigen inWith the following embodiment, the invention is intended are explained in more detail in the accompanying drawing show in
Fig. 1: ein Schaubild einer Verlaufskurve des Gesamtprozesses, bezogen auf die Strom- und Spannungsänderung, Fig. 1: a diagram showing a trajectory of the overall process, based on the current and voltage change,
Fig. 2: eine graphische Darstellung der Verlängerung des Zündprozesses anhand der Widerstandsänderung, Fig. 2 is a graphical representation of the extension of the ignition process by means of the resistance change,
Fig. 3: ein Diagramm der Spitzengeometrie für einen hochlegierten Werkstoff, FIG. 3 shows a diagram of the tip geometry for a high-alloy material,
Fig. 4: ein Verlaufsdiagramm der Schweißzeitänderung bei variabler Zündspitzenlänge, Fig. 4 shows a waveform diagram of welding time, change in variable Zündspitzenlänge,
Fig. 5: die geometrische Ausbildung der Bolzenspitze. Fig. 5: the geometric design of the bolt tip.
Mit dem Verfahren zum Anschweißen von Schweißbolzen wird unmittelbar auf die einzelnen Teilprozesse, den Zündprozeß, den Schweißprozeß und den Bindungsprozeß derart Einfluß genommen, daß diese in Abhängigkeit vom zu schweißenden Werkstoff gestaltet werden.With the process of welding studs directly to the individual sub-processes, the ignition process, influenced the welding process and the binding process in such a way that this depends on what is to be welded Material.
Der Zündprozeß umfaßt den Zeitraum der thermischen Aktivierung der Zündspitze und eines Teiles der Schweißfläche bis zu ihrer Verdampfung, wobei die Zündspitzenlänge den Abstand der zu verbindenden Flächen unmittelbar vor der Zündung des Lichtbogens fixiert.The ignition process covers the period of thermal activation the ignition tip and part of the welding surface until they evaporate, the length of the ignition tip the distance of the surfaces to be connected immediately before the ignition of the arc is fixed.
Die thermische Aktivierung im Zündprozeß erfolgt über die Widerstandserwärmung, d. h. durch den Kurzschlußstrom bei der Entladung der Kondensatorbatterie der Schweißmaschine, während die thermische Aktivierung im Schweißprozeß über den Lichtbogen erfolgt, der nach der örtlichen Verdampfung der Zündspitze entsteht und die Oberflächen - die Stirnfläche des Schweißbolzens und die gegenüberliegende Oberfläche des Werkstückes - örtlich aufschmilzt und somit thermisch aktiviert.The thermal activation in the ignition process takes place via the Resistance heating, d. H. by the short-circuit current at discharge of the capacitor bank of the welding machine, while the thermal activation in the welding process over the arc occurs after the local evaporation the ignition tip arises and the surfaces - the end face of the welding stud and the opposite surface of the workpiece - locally melts and thus thermally activated.
Im Bindungsprozeß sind die beiden thermisch aktivierten Oberflächen soweit durch die Absenkung des Anschweißbolzens genähert, daß der Lichtbogen erlischt und die angeschmolzenen Flächen über die Federwirkung der Schweißpistole aneinander gepreßt werden. Die Schmelze kristallisiert und die Verbindung ist hergestellt.The two thermally activated surfaces are in the bonding process as far as approximated by the lowering of the weld stud, that the arc goes out and the melted ones Surfaces against each other via the spring action of the welding gun be pressed. The melt crystallizes and the Connection is established.
Die Qualität dieser Verbindung wird dabei entscheidend durch die Zündphase/Zündprozeß beeinflußt, da diese die Grundlage eines effektiven Schweißvorganges und für die Stabilität des Lichtbogenverhaltens ist.The quality of this connection becomes crucial influenced by the ignition phase / ignition process, since this the The basis of an effective welding process and for Arc stability is stable.
Das Verfahren ist darauf ausgerichtet, die Zündphase zu verlängern, um die erforderliche thermische Aktivierung zu erreichen, die eine Erwärmung und ausreichende Verdampfung der Zündspitze sichert.The process is geared towards the ignition phase extend to the required thermal activation to achieve a warming and sufficient evaporation the ignition tip secures.
Dies wird erreicht, indem der Widerstand der Zündspitze in Abhängigkeit vom Bolzenwerkstoff und von der Zündspitzengeometrie nach der FunktionThis is achieved by the resistance of the ignition tip depending on the stud material and the tip geometry after the function
bestimmt wird.
Dabei bedeuten:
RST: Widerstand der Bolzenspitze
ρΩ: spezifischer Widerstand
l: Länge der Zündspitze
A: Querschnitt der Zündspitzeis determined.
Here mean:
R ST : resistance of the pin tip
ρ Ω : specific resistance
l: length of the ignition tip
A: Cross section of the ignition tip
Der Übergangswiderstand Spitze/Blech ist eine Funktion des Durchmessers der Zündspitze und ihrer Oberflächenbeschaffenheit.The transition resistance tip / sheet is a function of Diameter of the ignition tip and its surface condition.
Aufgrund dieser werkstoff- und geometrieabhängigen Bedingung wird die thermische Aktivierung so beeinflußt, daß sie einerseits die anteilmäßige erforderliche Verdampfung der Zündspitze sichert und andererseits ausreichende Bedingungen für die Einleitung einer stabilen Schweißphase schafft.Because of this material and geometry dependent condition the thermal activation is influenced so that it on the one hand the proportionate required evaporation of the Ignition tip ensures and on the other hand sufficient conditions for the initiation of a stable welding phase.
Damit wird der energetische Anteil in der Zündphase erhöht, wodurch wertmäßig der Zündstrom steigt, ebenfalls wird die Zündzeit erhöht und der Zündstrom Jz so verändert, daß er wertmäßig sich dem Bereich des maximalen Schweißstromes Js max nähert bzw. ihn auch überschreitet. This increases the energetic portion in the ignition phase, which increases the ignition current in terms of value, increases the ignition time and changes the ignition current Jz in such a way that its value approaches or exceeds the range of the maximum welding current J s max .
Dies wird wiederum erreicht, indem der Durchmesser der Zündspitze vergrößert wird und nach der BeziehungThis is again achieved by the diameter of the Ignition tip is enlarged and according to the relationship
festzulegen ist.
Es bedeuten:
Z: mittlerer Zündstrom
tZ: Zündzeit
Ü: Übergangswiderstand im Kontakt
l: Länge der Zündspitze
: mittlere Dichte
Ω: mittlerer spezifischer Widerstand
A: Fläche der Zündspitze
a: Verdampfungsanteil der Zündspitze
die thermophysikalischen Kennwerte der jeweiligen Bolzenwerkstoffe
P: mittlere spezifische Wärmekapazität des festen
Bolzenwerkstoffes
Pf: mittlere spezifische Wärmekapazität des flüssigen
Bolzenwerkstoffes
ΔTS: Differenz zwischen Erwärmungs- bzw. Schmelz-
und Raumtemperatur
ΔTV: Differenz zwischen Verdampfungstemperatur -
Schmelztemperatur
ΔHS: Schmelzenthalpie
ΔHV: Verdampfungsenthalpieis to be determined.
It means:
Z : average ignition current
t Z : ignition time
Ü : contact resistance in contact
l: length of the ignition tip
: medium density
Ω : mean specific resistance
A: area of the ignition tip
a: Evaporation component of the ignition tip
the thermophysical characteristics of the respective stud materials
P : average specific heat capacity of the solid stud material
Pf : average specific heat capacity of the liquid stud material
ΔT S : difference between heating or melting and room temperature
ΔT V : difference between evaporation temperature - melting temperature
ΔH S : enthalpy of fusion
ΔH V : enthalpy of vaporization
Da die werkstoffmäßigen Kennwerte festliegen, wird durch die Veränderung des Durchmessers der Zündspitze - ihrer Vergrößerung - der Zündwiderstand RZ verkleinert, wodurch der energetische Anteil in der Zündphase während des Kurzschlusses erhöht wird.Since the material parameters are fixed, changing the diameter of the ignition tip - its enlargement - reduces the ignition resistance R Z , which increases the energetic portion in the ignition phase during the short circuit.
Dadurch wird der Beziehung RZ = RST + RÜ entsprochen, der Zündstrom JZ steigt und damit die thermische Aktivierung sowie die anteilmäßige Verdampfung.This corresponds to the relationship R Z = R ST + R Ü , the ignition current J Z increases and thus the thermal activation and the proportional evaporation.
Während für den Zündprozeß das Durchmessermaß der Zündspitze von Bedeutung ist, wird der Schweißprozeß von der geometrischen Gestaltung des Kontaktspaltes, von der Zündspitzenlänge l und dem Neigungswinkel α, welche wiederum die gesamte Öffnungsweite der Entladungsstrecke h′ bestimmen, beeinflußt.While for the ignition process the diameter of the ignition tip is important, the welding process of the geometric design of the contact gap, from the ignition tip length l and the angle of inclination α, which again the entire opening width of the discharge path h ′ determine, influenced.
Annähernd gleiche und günstige Brennbedingungen des Lichtbogens während des Schweißprozesses werden bei Öffnungsweiten von h′ = 0,6-1,0 mm erreicht, wobei diese Bedingung bezüglich der kleinen Werte der Öffnungsweite h′ kleineren Bolzennenndurchmessern und die größeren Werte der Öffnungsweite h′ den Bolzennenndurchmessern z. B. M6, M8 und größer, vorbehalten bleibt. Gleichfalls muß die BedingungAlmost the same and favorable burning conditions of the arc during the welding process with opening widths from h ′ = 0.6-1.0 mm reached, with this condition regarding the small values of the opening width h ′ smaller nominal bolt diameters and the larger values of the opening width h ′ den Nominal bolt diameters z. B. M6, M8 and larger, reserved remains. The condition must also
h′ = l + (rB - rZ) · tgα ≅ konstanth ′ = l + (r B - r Z ) · tgα ≅ constant
erfüllt sein. Die Zündspitzenlängen liegen damit im Bereich von l = 0,4-0,6 mm, vorzugsweise 0,5 mm, und entsprechen der Beziehungbe fulfilled. The ignition tip lengths are therefore in the Range of l = 0.4-0.6 mm, preferably 0.5 mm, and correspond the relationship
l = h′ - (rB - rZ) · tgα.l = h ′ - (r B - r Z ) · tgα.
Dabei bedeuten:
h′: Öffnungsweite der Entladungsstrecke
rB: Radius des Bolzenflansches
rZ: Radius der Zündspitze
α: Neigungswinkel der BolzenstirnflächeHere mean:
h ′: opening width of the discharge path
r B : radius of the bolt flange
r Z : radius of the ignition tip
α: angle of inclination of the face of the bolt
Das Verhältnis von Zündspitzenlänge l zum Zündspitzendurchmesser d reflektiert die Widerstandskonstellation im Zündprozeß und sollte kleiner dem Wert 1 sein, vorzugsweise im Bereich von 0,6-0,8 liegen. The ratio of the tip length l to the tip diameter d reflects the resistance constellation in the ignition process and should be less than 1, preferably in the range of 0.6-0.8.
In der Fig. 1 ist der gesamte Vorgang, von der Zündphase/ Zündprozeß über den Schweißprozeß bis zum Bindungsprozeß mittels einer Verlaufskurve U,I = f(t) dargestellt, wobei ein hochlegierter Schweißbolzen, ein CrNi-Stahl, mit einem Zündspitzendurchmesser von d = 1,1 mm geschweißt wurde und zum Vergleich die Verlaufskurve eines Schweißbolzens mit einem Zündspitzendurchmesser d = 0,9 dargestellt ist.In FIG. 1, the entire operation represented by the ignition phase / ignition process on the welding process up to the bonding process by means of a path curve U, I = f (t), where a high-alloy weld stud, a stainless steel, with a Zündspitzendurchmesser of d = 1.1 mm was welded and the comparison curve of a welding stud with an ignition tip diameter d = 0.9 is shown for comparison.
Die Kurve 1 gibt den Prozeßablauf für den Schweißbolzen mit d = 0,9 mm und die Kurve 2 den Prozeßablauf für den Schweißbolzen mit d = 1,1 mm wieder.Curve 1 shows the process flow for the welding stud with d = 0.9 mm and curve 2 the process flow for the welding stud with d = 1.1 mm.
Die Zündphase für den Schweißbolzen mit einer 0,9 mm dicken Spitze ist im Punkt 3 beendet. Die Zündphase für den Schweißbolzen mit einer 1,1 mm dicken Spitze endet im Punkt 4.The ignition phase for the welding stud with a 0.9 mm thick tip is finished in point 3 . The ignition phase for the welding stud with a 1.1 mm thick tip ends in point 4 .
Beide Schweißbolzen besitzen den gleichen Dichtewert. Um die Zündphase auszudehnen und damit die thermische Aktivierung zu verbessern, d. h. den Zündstrom JZ zu erhöhen, was gleichzeitig eine Vergrößerung der Zündzeit bedeutet, muß der Energiebilanz folgend, der Durchmesser der Zündspitze erhöht werden, z. B. auf 1,1 mm, was den Zündwiderstand insgesamt senkt. Der Zündstrom steigt an und erreicht seinen maximalen Wert im Zeitpunkt 4, d. h. auf die Stromkurve bezogen, entspricht dies dem Wert des Zündstromes in Punkt 4.1, beziehungsweise dem Punkt 3.1 bei dem kleineren Zündspitzendurchmesser. Die Zündzeit ist deutlich länger, was auch aus der Fig. 2 zu ersehen ist.Both welding studs have the same density value. In order to extend the ignition phase and thus improve the thermal activation, ie to increase the ignition current J Z , which at the same time means an increase in the ignition time, the energy balance must be followed, the diameter of the ignition tip must be increased, e.g. B. to 1.1 mm, which lowers the overall ignition resistance. The ignition current rises and reaches its maximum value at time 4 , ie based on the current curve, this corresponds to the value of the ignition current in point 4.1 , or point 3.1 for the smaller ignition tip diameter. The ignition time is significantly longer, which can also be seen from FIG. 2.
Zum Zeitpunkt 4 wird eine Wärmewirkung erreicht, die mitAt time 4 , a thermal effect is achieved with
bestimmt ist und deren Größe ausreicht, die Zündspitze zu erwärmen, anteilmäßig zu verdampfen und den nachfolgenden Schweißvorgang stabil ablaufen zu lassen.is determined and the size of which is sufficient to ignite the ignition tip heat, evaporate proportionately and the following Let the welding process run stably.
Ein wesentlicher Verfahrensschritt liegt darin begründet, daß bei dem aufzuschweißenden Bolzen, unter Beachtung der entsprechenden werkstofflichen Kennwerten, dieser so gestaltet ist, daß die Widerstandskonstellation bei vorgegebenem Energieeintrag (Impulsenergie) nicht nur die Zündspitze örtlich verdampft, sondern auch der nachfolgende Schweißprozeß durch Minimierung der Restschmelze in stabiler Form abläuft.An essential procedural step lies in that with the bolt to be welded, taking into account the corresponding material characteristics, this designed is that the resistance constellation at a given Energy input (impulse energy) not only that Ignition tip evaporated locally, but also the following one Welding process by minimizing the residual melt in a stable Form expires.
In der Fig. 2 wird verdeutlicht, daß durch Anwendung des erfinderischen Verfahrens, der Festlegung einer bestimmten Zündspitzengeometrie, der Widerstand im Spitzenbereich während der Zündphase verkleinert und die Zündzeit verlängert wird, die sich auch positiv auf die thermische Aktivierung der zu verbindenden Oberflächen und auf eine stabile Lichtbogen-Ausbildung auswirkt.In Fig. 2 it is clarified that by using the inventive method, the definition of a specific ignition tip geometry, the resistance in the tip area during the ignition phase is reduced and the ignition time is extended, which also has a positive effect on the thermal activation of the surfaces to be connected and on a stable arc formation.
Unter gleichen werkstofflichen Bedingungen wird bei Verwendung eines Schweißbolzens mit d = 0,8 mm der Zündprozeß wesentlich früher beendet sein, was der Verlauf der Kurve 5 im Vergleich zur Kurve 6 bei einem Zündspitzendurchmesser von d = 1,1 mm, dokumentiert.Under the same material conditions, when using a welding stud with d = 0.8 mm, the ignition process will be ended much earlier, which is documented by the curve 5 compared to curve 6 with an ignition tip diameter of d = 1.1 mm.
Das in der Fig. 3 dargestellte Schaubild verdeutlicht die Anpassung der Spitzengeometrie, des Durchmessers, beim Schweißbolzen aus einem hochlegierten CrNi-Werkstoff.The diagram shown in FIG. 3 illustrates the adaptation of the tip geometry, the diameter, for the welding stud made of a high-alloy CrNi material.
Während die helleren Wertesäulen 7 Bezug auf bisher übliche Spitzendurchmesser standardisierter Schweißbolzen nehmen, geben die dunkleren Wertesäulen 8 Auskunft zum erforderlichen Maße des Zündspitzendurchmessers bei einem CrNi-Bolzen des Werkstoffes 1.4301, entsprechend vorher beschriebener Verfahrensschritte.While the lighter value columns 7 refer to the previously customary tip diameter of standardized welding studs, the darker value pillars 8 provide information on the required size of the ignition tip diameter for a CrNi stud of material 1.4301, in accordance with the previously described method steps.
Aus der Fig. 4 ist die zeitliche Veränderung der Lichtbogenbrenndauer während des Schweißprozesses ersichtlich, welche in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung der Zündspitze und Bolzenstirnfläche beeinflußt wird.From Fig. 4, the time variation of the arcing time during the welding process can be seen, which is influenced in dependence on the geometrical configuration of the firing tip and pin end face.
Die Schweißphase wird verkürzt und die Verspritzung des geschmolzenen Werkstoffes verringert, wenn die Länge der Zündspitze von 1 = 0,8 mm (Position 11) auf 1 = 0,6 mm (Position 10) bzw. auf 1 = 0,4 mm (Position 9) verändert werden.The welding phase is shortened and the spraying of the molten material is reduced if the length of the ignition tip increases from 1 = 0.8 mm (position 11 ) to 1 = 0.6 mm (position 10 ) or to 1 = 0.4 mm (position 9 ) can be changed.
Die geometrische Ausführung eines aufzuschweißenden Bolzens mit den erfindungsgemäßen Beziehungen ist in der Fig. 5 dargestellt.The geometric design of a bolt to be welded on with the relationships according to the invention is shown in FIG. 5.
Mit 12 ist die Zündspitze, mit 13 die Neigungshöhe h, mit 14 die gesamte Öffnungsweite h′ der Entladungsstrecke und der Radius rB des Bolzenflansches mit 15 gekennzeichnet.With 12 the ignition tip, with 13 the inclination height h, with 14 the total opening width h 'of the discharge path and the radius r B of the bolt flange with 15 .
Die Vorteile des erfinderischen Verfahrens liegen darin, daß durch die Verlängerung des Zündprozesses, der Erhöhung der Zündzeit und des Zündstromes, eine ausreichende thermische Aktivierung erreicht wird, der Verdampfungsanteil der Zündspitze mehr als 10% beträgt, was bedeutet, daß die Restschmelze der Zündspitze abnimmt. Vorzugsweise liegt die Verdampfungsrate im Bereich von 20-60%. The advantages of the inventive method are that by prolonging the ignition process, increasing it the ignition time and the ignition current, a sufficient thermal activation is reached, the evaporation rate the ignition peak is more than 10%, which means that the residual melt of the ignition tip decreases. The evaporation rate is preferably in the range of 20-60%.
Dadurch werden die folgenden Prozesse des Schweißens und des Bindens in qualitativ guter Form ablaufen, wobei der Lichtbogen stabil ausgebildet wird, die Schmelze auf den aktivierten Schweißflächen weitestgehend verbleibt und eine hohe Bindungsqualität gesichert wird.This will make the following processes of welding and of binding take place in good quality, the Arc is stable, the melt on the activated welding surfaces remains as far as possible and a high bond quality is ensured.
Claims (1)
- - der Zündstrom IZ und die Verdampfungsrate a im Bereich des Zündstromes IZ = (0,7-1,1). Is max sowie des Verdampfungsanteiles a 10%, vorzugsweise bei (20-50%) liegend, erhöht werden,
- - wobei in der Zündphase eine ausreichende thermische Aktivierung der Kontaktbereiche dergestalt erfolgt, daß der Zündwiderstand RZ - der Summe aus dem Bolzenspitzenwiderstand RST und dem Widerstand der Kontaktfläche von Zündspitze zum Werkstück RÜ - maßgeblich durch den Übergangswiderstand und in seinem Wirkungsbereich nur anteilig verändertem Stoffwiderstand geprägt ist,
- - wobei entsprechend der Energiebilanz während dieses Prozesses, die Wärmemenge Q für die Verdampfung der Zündspitze, der aufzubringenden elektrischen Energie entspricht,
- - der Widerstand der Zündspitze in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung der Zündspitze und dem spezifischen Widerstand des Bolzenwerkstoffes abgeleitet wird und
- - die Ausbildung des Zündspitzendurchmessers als Funktion des Energieeintrages sowie den werkstoffabhängigen und geometrischen Kenngrößen wirkt und der Zündspitzendurchmesser nach der Bedingung bestimmbar ist,
- - wobei die Zündspitzenlänge l entsprechend der Beziehung l = h′ - (rB - d/2) · tg αist und h′ im Längenbereich <1, vorzugsweise, unter Berücksichtigung der Bolzennenndurchmesser, von (0,6-0,8 mm) liegt und
- - das Verhältnis von l zu d 1 ist.
- - The ignition current I Z and the evaporation rate a in the range of the ignition current I Z = (0.7-1.1). I s max and the evaporation fraction a 10%, preferably lying at (20-50%),
- - In the ignition phase there is sufficient thermal activation of the contact areas such that the ignition resistance R Z - the sum of the pin tip resistance R ST and the resistance of the contact surface from the ignition tip to the workpiece R Ü - is significantly changed by the contact resistance and its area of action Material resistance is shaped,
- - According to the energy balance during this process, the heat quantity Q for the evaporation of the ignition tip corresponds to the electrical energy to be applied,
- - The resistance of the ignition tip is derived depending on the geometric design of the ignition tip and the specific resistance of the stud material and
- - The formation of the ignition tip diameter acts as a function of the energy input and the material-dependent and geometric parameters and the ignition tip diameter according to the condition is determinable
- - where the ignition tip length l corresponds to the relationship l = h ′ - (r B - d / 2) · tg αist and h ′ in the length range <1, preferably taking into account the nominal bolt diameter, of (0.6-0.8 mm) lies and
- - The ratio of l to d is 1.
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4032572C1 (en) * | 1990-10-12 | 1992-04-23 | Matuschek Messtechnik Gmbh, 5120 Herzogenrath, De | Measuring quality of arc stud welds - involves measuring period of burning away of standard arc ignition tip connecting stud to capacitor pole |
| DE4236526A1 (en) * | 1992-10-29 | 1994-05-05 | Bettermann Obo Ohg | Method and appts. for welding bolts with an ignition tip to workpieces - with prior measurement of the tip length and adjustment of the bolt feed rate, achieves constant joint quality |
-
1995
- 1995-10-27 DE DE19540009A patent/DE19540009C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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