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Verfahren zur gleichmEßigen Schweißung von Kettengliedern unter Berücksichtigung
aes Anlegedruckes bei federkraftgesteuerten Kettenschweißinaschinen.
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Das Verfahren befaßt sich mit einer Methode, welche gleichmäßige Schweißabläufe
bei der Herstellung von Kettengliedern gewährleistet und zwar gleichmäßig im Sinne
der Erwärmung der SchweiRzone unter Berleksichtigung des Anlegedruckes. Es sind
Verfahren bekannt, welche auf mechanischem Wege eine hohe Gleichmäßigkeit der Abläufe
bei Widerstandsstumpfschweißungen gewährleisten. Dazu gehören bei der Kettenherstellung
insbesondere enge Fertigungstoleranzen, exakte Einhaltung der Druck-Weg-Diagramme
während der Schweißung, sowie weitgehend gleichbleibende elektrische Arbeiten.
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Außer den mechano-elektrischen Kenngrößen kann mit Hilfe optischer
Verfahren und elektronisch arbeitender Verfahren die Konstanz der aufgebrachten
elektrischen Arbeit und der während des Schweißprozesses entstehenden Temperatur
überwacht werden. So ist z.B in der DAS Nr. 1 232 363 ein solches Verfahren beschrieben.
Bei diesem wird ein vorgegebener Temperaturablauf mit den Temperatur-Ist-Werten
verglichen und die Energie in der Weise nachgeregelt, daß sich die Ist-Temperatur
weitgehend der Soll-Temperatur n§-hert, wobei die Soll-Temperatur durch eine Spannung
repräsentiert wird, welche mit Hilfe regelbarer Widerstände durch eine sich bewegende
Mechanik stets einen Wert einnimmt, von welchem angenommen wird, daß der so dargestellte
Temperaturablauf ideal sein.
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Gleichgültig jedoch,-ob man davon ausgeht, mit Hilfe einer "Nachlaursteuerung"
einen idealen Temperatur ablauf zu haben oder ob man mit Hilfe sehr gleichmässiger
Leistungsapplikationen versucht, die Schweißbedingungen möglichst gleichmäßig zu
halten, immer wird die völlig gleichmäßige Herstellung des Kettengliedes durch Einflüsse
beeinträchtigt, welche jedes der beiden genannten Verfahren nicht auszuschalten
gestattet.
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Bei dem Temperaturmeßverfahren wird der praktische Eetrieb insbesondere
dadurch erschwert, daß die photoelektrischen Meßelemente niemals in einem Bereich
von
ca. + 200 bis ca. 1 200°C eine lineare Aufzeichnung der Temperatur
gestatten. Wollte man eine der Temperatur proportionale Spannung als Regelgröße
heranziehen, so wären mindestens zwei oder drei Temperaturfühler erforderlich, deren
Arbeitsbereiche sich überlappen.
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Hierbei wäre allerdings noch nicht sichergestellt, daß die Temperaturfühler
(Photozellen) immer ein Gebiet des Kettengliedes betrachten, welches eine Temperatur
besitzt, die für den endgültigen Schweißverlauf repräsentativ ist. So kommt es z.B.
vor, daß während der Schweißung ein Kettenglied auf der Innenseite der Naht wesentlich
wärmer ist als beispielsweise an der Seite oder oben. Die Änderung der Schweißtemperatur
nach einer vorgegebenen Kurve stellt daher nicht den Idealfall dar, um eine absolut
gleichmäßige Schweißung zu gewährleisten. Die andere Möglichkeit, nämlich eine sehr
exakt bemessene elektrische Arbeit aufzubringen, in der Hoffnung, hierdurch völlig
identische Temperaturabläufe zu erzwingen, erweist sich ebenfalls als nur bedingt
durchführbar. Zwar sind Verfahren beschrieben worden, (P 16 90 558.1/21 h), mit
deren Hilfe die Verteilung des einem Kettenglied zugeführten Stromes in Schweiß-
und Rückenstrom gemessen werden kann, wobei auch die Möglichkeit angegeben wurde,
dafür zu sorgen, daß jedes Kettenglied wElzend des Schweißprozesses auf ein Temperaturniveau
gehoben wird, welches als optimal betrachtet werden kann. Das zuletzt genannte Verfahren
nimmt auf den Einfluß des Anlegedruckes jedoch keine Rücksicht, so daß in Abahängigkeit
vom Anlebedruck sehr unterschiedliche Erwärmungen während des Schweißprozesses auftreten.
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Als Aniegedruck bezeichnet man jenen Druck, den die Stauchelemente
der Schweißmaschine auf das Kettenglied ausüben, während der Zeit vom Einlegen des
Kettengliedes in die Schweißposition bis zur Erreichung einer gewissen Temperatur,
bei welcher der Stauchdruck einzusetzen beginnt. Zwar ist der hier als Anlegedruck
bezeichnete Druck nicht identisch mit jenem, mit welchem die beiden Kettengliedenden
gegeneinander drücken, da auch die RUckfederkraft des KettRngliedes den Druck bestimmt,
der sici zwischei1 den zu verschweißenden aneinanderliegenden Kettengliedenden ergibt.
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Anders als bei Kettenschweißmaschinen, welche einen bestimmten Anlegedruck
schon vor dem Einschalten des Schweißstromes besitzen, verhalten sich erfahrungsgemäß
alle Kettenschweißmaschinen, die federkraftgesteuert sind. Es hat sich herausgestellt,
daß hydraulisch gesteuerte Kettenschweißmaschinen gleichmäßigere Kettenglieder zu
schweißen vermdgen als federkraftgesteuerte Maschinen. Man unterscheidet daher heute
im wesentlichen die Typen der hydraulisch gesteuerten und die Typen der federkraftgesteuerten
Schweißmaschinen. Bei den federkraftgesteuerten Schweißmaschinen sind der Anlegedruck
und der Stauchdruck von Beginn des einlegens eines Kettengliedes in die Maschine
konstant. Bei hydraulisch gesteuerten Schweißmaschinen kann man zwar einen von der
Gliedform unter Rückfederkraft des Kettengliedes abhängigen Anlegedruck erkennen,
der endgültige Stauchdruck jedoch wird nachträglich angelegt und zwar erst zu einem
Zeitpunkt, da angenommen werden kann, daß die Schweißzone genügend plastisch ist,
um eine Stauchung zuzulassen.
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Zum Stand der Technik sei noch gesagt, daß die für die Durchführung
der Schweißung wichtigen Schweißzeiten bei federkraftgesteuerten Schweißmaschinen
die sogenannte 1. und 2. Schweißzeit darstellen, wohingegen während der 3. Schweißzeit,
der sogenannten Haltezeit dem Kettenglied nur noch unwesentlich mehr an elektrischer
Arbeit zugeführt wird und zwar so lange, bis die Kraft der Stauchfeder ausreicht,
das inzwischen plastisch gewordene Material zusammenzudrücken. Der Vorgang bei solchen
federgesteuerten Kettenschweißmaschinen ist also auch physikalisch grundsätzlich
anders als der Vorgang bei hydraulisch gesteuerten Schweißmaschinen, bei welchen
der Stauchdruck erst in der 2. Hälfte der sogenannten 2. Schweißzeit ansetzt.
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Nun ist für die Temperaturentfaltung der Schweißzone insbesondere
der Anlegedruck von großer Bedeutung, d.h.
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jener Druck, mit welchem die beiden Kettengliedenden gegeneinander
gepreßt werden, bevor der Schweißstrom zu fließen beginnt. So zeigt sich z.B., daß
bei hohem Anlegedruck die sich entwickelnde Temperatur bei gleicher aufgebrachter
elektrischer Energie in der Schweißzeit 1 und 2 niedriger ist als beispielsweise
bei niedrigem Anlegedruck. Dieses Phänomen hat zur Folge, daß immer dann, wenn der
Anlegedruck niedrig ist, frühzeitig ein Maximum der Temperatur erreicht wird und
zu einem Abschalten der weiteren Stromzufuhr führen müßte.
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Solche Vorrichtungen jedoch, welche bei federgesteuerten Zettenschweißmaschinen
ein-- von zur erreichten Temperatur abhängige Abschaltung des Stromes vorsieht,
gibt es bis heute noch nicht, zumal, wie schon eingabe erwähnt arurde, die exakte
Erfassursg, der Temperatur von vielen Faktoren abhängt und zwar nicht zuletzt vor.
der geometr schen Lage der Protozellen in Bezug auf die Schweißzone.
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Um die genannten Nachteile zu vermeiden und auch die federgesteuerten
Kettenschweißmaschinen - die sich heute noch in der Mehrzahl befinden - dahingenend
zu verändern, daß Kettenglieder höherer Qualität geschweißt werden können, wird
erfindungsgemäß eine elektrohische Vorrichtung der derzeitigen elektrischen Steuerung
vorgeschaltet, welche auf elektrischem, schon bekanntem Wece, die Daten des Stauchdruckes
seitens der Spannfeder sowie die Werte der reinen Schweißarbel t, die der Schweißzone
zufließt, erfaßt. Dabei wird mithilfe elektrischer Regelelemente dafür Vorsorge
getroffen, daß beim Vorliegen eines bestimmten Stauchdruckes zu Beginn der Schweißung
jedem Kettenglied ein Strom zugeführt wird, welcher für den gerade vorliegenden
Anlegedruck optimal ist. Die Messung des Anlegedruckes, welcher hier gleichzeitig
auch als Stauchdruck auftritt, wird mithilfe eines Dehnungsmeßtreifens oder einer
Kraftmeßdose durchgeführt.
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Die Regelung des Schweißstromes wird unter elektronischer Veränderung
des Phasenanschnittwinkels gesteuert.
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Ohne die vielfältigen Ausführungsformen einer solchen Steuerung irgendwie
zu begrenzen, sei zur Erläuterung der Erfindung nachlolgend ein einfaches, durchschaubares
Beispiel angeführt: In der Figur I werden mit 1 das zu verschweißende Kettenglied
angegeben, mit 2 die Stauchstähle, mit 3 das Kraithebelsystem, mit 4 die Spannfeder,
mit 5 eine Druckmeßdose. Ferner sind mit 6 die Schweißelektroden und mit 7 ein Hallgenerator
zur Messung des Feldes um die Schweißelektroden angegeben. Mit 8 wird ein Hallgenerator
dargestellt, welcher den Rückenstrom des Kettengliedes mißt. 9 und 10 stellen zwei
sogenannte Hallmultiplikatorenverstärker dar, in welchen, die an den Elektroden
6 stehende Schweißspannung mit dem sich um die Elektroden bzw. den Rücken des Kettengliedes
stehenden Magnetfeld multipliziert wird.
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Mit 11 wird ein Differenzverstärker dargestellt, welcher eine Subtraktion
der Leistung, welche auf der RUkkenseite des Kettengliedes steht, von der Gesamtleistung,
welche den Elektroden zufließt, durchführt. Die Spannung aus der Kraftmeßdose 5
wird einem Verstärker 12 zugeführt, worauf die aus dem Differenzverstärker 11 und
Verstärker 12 resultierenden Spannungen einem weiteren Differenzverstärker 13 XzagefAhrt
werden. Das Resultat des Differenzverstärkers 13, welches künstlich auf den Wert
Null gebracht wird, stellt das Verhältnis zwischen der reinen, der Schweißzone zugeführten
elektrischen Energie und der Kraft dar, welche als Anlegedruck vom Beginn der Schweißung
an dem Kettenglied zugeführt wird. Da in diesem Fall Anlegedruck und Stauchdruck
bis zur Verformung des Kettengliedes gleich sind, hängt die Temperaturentfaltung
zu Beginn der Zeit 1 und Zeit 2 vorwiegend von der wahren Höhe des Anlegedruckes
ab. Da der Anlegedruck um ein vielfaches höher ist als der Anlegedruck bei hydraulischen
Schweißmaschinen, wird für die gesamte Schweißzeit mit einem Druck gerechnet, den
die Kraftmeßdose 5 mißt. Die in dem Differenzverstärker 13 gewonnene Spannung kann
nun von einem einmal eingestellten Wert Null nach positiv oder negativ abweichen,
auch wenn der Stauchdruck bzw. Anlegedruck konstant bleiben sollte. Die verschiedenen
Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und dem Kettenglied sowie zwischen
den Kettengliedenden bewirken, daß sich sowohl der Rückenstrom als auch der Gesamt
strom und somit der reine Schweißstrom ändern kann. Bei konstant bleibendem Anlegedruck
besteht somit bei sich änderndem Schweißstrom die Erfordernis, in einer gewissen
Zeiteinheit die Größe des fließenden Schweißstromes dahingehend zu verEndern, daß
der Differenzwert aus dem Differenzverstärker 11 multipliziert mit der Schweißzeit
einen Wert ergibt, der gleich einem vorher vorgesehenen empirischen ermittelten
Wert ist. Zur Realisierung dieser Forderung wird erfinduflgsgemäß vorgesehen, daß
die Schweißzeit 1 und Schweißzeit 2 solange aufrecht erhalten bleiben bis in einem
besonderen Integrationsverstärker sich an einer Kapazität eine Spannung bildet,
welche einen vorgewählten Wert erreichen muß, um auf die nächste Schweißzeit um
@schalten.
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Es ist also erfindungsgemäß im Gegensatz zu den bisher üblichen Verfahren
keine feste Schweißzeit 1 und 2 vorgegeben, vielmehr wird aus dem Vergleich der
geleisteten elektrischen Arbeit in der Schweißzone mit dem herrschenden Anlegedruck
eine Kondensatoraufladung erzielt, deren Höhe für die Beendigung der Schweißzeit
1 und 2 maßgebend ist, so daß ein eventueller Mangel an Schweißenergie in gewissem
Umfang durch eine Zugabe an Zeit und umgekehrt bewirkt wird. Bei der beschriebenen
Anordnung fällt der sehr beträchtliche Anteil des Rückenstromes nicht ins Gewicht,
da durch die automatische Subtraktion im Diffrenzverstärker 11 nur die reine Schweißarbeit
gemessen wird.
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Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens werden insbesondere durch
folgenden Sachverhalt begründet: Dadurch, daß im Gegensatz zu feststehenden Zeiten
1 und 2 die Übergangswiderstände mit variablen Schweißzeiten 1 und 2 außer Betracht
gelassen werden können, ergibt sich, daß das Kettenglied schon in-verhältnismäßig
kurzer Zeit die notwendige Schweißwärme erlangt hat. Dadurch aber, daß während der
wichtigen Schweißphasen, nämlich in der Zeit 1 und Zeit 2 gleiche Energiemengen
angeboten werden, wird eine wesentlich größere Gleichmäßigkeit der Kettenglieder
untereinander bewirkt. Außer diesem Vorteil wade jedoch die sogenannte Haltezeit,
also die Schweißzeit 3 wesentlich verkürzt, weil nämlich die Schweißzone des Kettengliedes
schon viel früher als bei den bisher üblichen Methoden in den Zustand der Plastizität
gerät, 80 daß durch die permanent anliegende Federkraft nur eine Sehr geringe elektrische
Arbeit benötigt wird bis das Kettenglied vollkommen gestaucht wird.
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Aus diesem Grund bel&:uft sich der Zeitaufwand für die Herstellung
eines einzelnen Kettengliedes auf 15 - 25 % weniger als bei den bisherigen Verfahren.mit
gleichen Maschinen, das bedeutet also, daß etwa 20 % mehr Kettenglieder, die ihrerseits
völlig gleichmäßig geschweißt wurden, in der Zeiteinheit hergestellt werden können.
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Insbesondere dieser Vorteil kann nicht hoch genug bewertet werden.