DE3048488C2 - - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Widerstands
schweißen, insbesondere Punktschweißen der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Eine solche Vorrich
tung ist aus der DE-OS 20 35 080 bekannt.
In der Praxis des Widerstandschweißens, insbesondere des
Punktschweißens, soll eine hohe und gleichmäßige Qualität
der Schweißverbindungen auch während besonderer Änderungen
von den Schweißprozeß und die Qualität der Schweißverbindun
gen beeinflussenden Bedingungen sichergestellt werden. Die
heutige Praxis gibt sich weitgehend mit einer festen Ein
stellung des Transformators und der Phasenregelung für die
Leistung am Anfang des Schweißprozesses zufrieden, was wäh
rend des Schweißens ungefähr einen gleichen Schweißstrom
ergeben soll. Diese Möglichkeit versagt bei der Netzspan
nungsschwankung, Verschleiß der Schweißelektroden, Ände
rungen in der Oberflächenbeschaffenheit des Blechs und ande
ren den Schweißstrom beeinflussenden Änderungen. Unter die
sen Umständen kann sich eine Situation ergeben, in der der
Schweißstrom so abnimmt, daß eine Schweißstelle niedriger
Qualität oder überhaupt keine Schweißstelle entsteht.
Weiterhin sind den Spannungsabfall im Speisenetz kompensie
rende Einrichtungen bekannt. Allerdings beseitigt deren
Anwendung die durch andere Einflüsse verursachten Abfälle
des Schweißstroms nicht.
Weiter sind auch Einrichtungen zur Einregelung eines kon
stanten Wertes für den Schweißstrom bzw. andere Größen wie
z. .B. der Spannung an der Schweißstelle oder der an der
Schweißstelle zugeführten Leistung bekannt. Der Nachteil
solcher Lösungen ist, daß sie sich Änderungen in den Bedin
gungen der Schweißverbindungsbildung nicht anpassen, die von
den jeweils zu verschweißenden Bauteilen, der Geometrie der
Schweißverbindung, der Oberflächen- und der Elektroden
beschaffenheit beeinflußt werden und eine Verstellung bei
Änderung der zu schweißenden Dicken, des Materials, der
Anzahl der Schweißlagen, der Oberflächenbehandlung usw.
erfordern.
Es sind auch Einrichtungen bekannt, die eine der energeti
schen Parameter der Schweißstelle - den Strom, die Spannung,
die Leistungsaufnahme, usw. mit den vorher eingestellten
Grenzwerten vergleichen und die Bedingungen für die nächste
Schweißstelle bei außerhalb des Bereichs festgelegter Gren
zen liegenden Meßwerten während der Schweißstellenfertigung
gemäß einem Folgeplan korrigieren. Der Nachteil dabei ist,
daß der Regelungseingriff nicht die Schweißstelle beein
flußt, an der die Änderung festgestellt wurde, sondern die
nächste, für welche die Bedingungen sich inzwischen geändert
haben können. Außerdem ist die Einstellung dieser Systeme
sehr kompliziert. Die Optimalwerte der Einstellung werden
für jeden technologischen Fall gesondert und empirisch fest
gelegt.
Weiterhin ist aus dem Artikel von Slee, K. V., Moore G. R.
"A new approach quality assurance in resistance welding", in
Welding Metal Fabr. 41, 1973, Nr. 6, Seiten 204-209, eine
Einrichtung bekannt, die mit einem steilen Schweißstrom
anstieg angehalten wird, wenn die Geschwindigkeit der durch
ihre Zeitableitung angegebenen Wärmeexpansion der Schweiß
naht einen vorher eingestellten Wert erreicht, und die wei
tere Schweißung bei dem erreichten Stromwert erfolgt. Der
Nachteil dieses sonst vollkommenen Verfahrens ist, daß es
die Messung einer mechanischen Größe - der Wärmeexpansion
der Schweißstelle erfordert. Dies verursacht bei einigen
Schweißmaschinen Probleme. Darüber hinaus ist ein Sensor,
als Umwandler der mechanischen Größe (der Wärmeexpansion) in
ein elektrisches Signal erforderlich.
Aus der DE-AS 20 35 080 ist ein Widerstands-Schweißverfahren
bekannt, bei dem der Schweißstrom durch ein Werkstück mit
tels Elektroden hindurchgeführt, die Änderungsgeschwindig
keit des Schweißwiderstandes oder eine Funktion davon über
wacht und der Schweißstromfluß für eine zusätzliche Zeit
aufrechterhalten wird, nachdem der Schweißwiderstand sein
Maximum erreicht hat. Dieses Schweißverfahren arbeitet nicht
mit steilem Stromanstieg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angegebe
nen Mängel der bekannten Verfahren und Einrichtungen zu
beheben.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Wider
standsschweißen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Eine besondere bevorzugte Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung ist im Patentanspruch 2 angegeben.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin,
daß solche zufälligen und äußeren Störeinflüsse ausgeglichen
werden, wie z. B. ein Parallelschluß des Stromes von einer
naheliegenden Schweißnaht oder durch einen Zufallskontakt
der zu verschweißenden Bauteile, die sonst zu einer Abnahme
des durch die Schweißstelle fließenden Stromes und dadurch
zur Bildung minderwertiger Verbindungen führen würden.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet,
den Schweißstrom an verschiedene Dicken der zu schweißenden
Bleche und an unterschiedliche Anzahlen der Schweißanlagen,
die sich bei einer Konstruktion während des Schweißvorgangs
ändern, anzupassen. Die Arbeit des Technikers bei der Ein
stellung der Schweißbedingungen wird erleichtert. Nach be
stimmter Voreinstellung paßt die erfindungsgemäße Anordnung
den Schweißstrom den sich ändernden Bedingungen selbst an.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Korrektur des
Schweißstroms bereits bei Beginn des Schweißprozesses an
fängt, in dem die solche Korrekturen erfordernde Änderung
der Bedingungen ermittelt wurde.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert keinen besonderen
Sensor oder Umwandler und ist nicht nur bei stationären
Schweißeinrichtungen, sondern auch bei Schweißzangen anwend
bar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine automati
sche Steuerung des Widerstandspunktschweißprozesses.
Ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigt
Fig. 1 den typischen Widerstandsverlauf eines
Schweißpunktes und die Durchmesser
vergrößerung der Schweißlinse bei sta
biler Einstellung des Schweißstroms;
Fig. 2 den Widerstandsverlauf des Schweißpunktes
und die Dauermesservergrößerung der
Schweißlinse bei steigendem und steilem
Schweißstromverlauf;
Fig. 3 das Prinzip der erfindungsgemäßen Vor
richtung und die Gewinnung des Signals
für das Anhalten des Schweißstromanstiegs
aus dem Widerstandsverlauf des Schweiß
punktes bzw. seiner Ableitung und
Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
In Fig. 1 ist der typische Widerstandsverlauf R des Schweiß
punktes bei konstanter Einstellung des Schweißstroms als
Kurve 1 dargestellt. Die Kurve 2 in Fig. 1 zeigt, wie sich
zugleich der Schweißlinsendurchmesser D vergrößert. Es ist
ersichtlich, daß etwa zu dem Zeitpunkt tmax, in dem der
Schweißpunktwiderstand R sein lokales Maximum Rmax erreicht,
die Ausbildung der Schweißlinse anfängt, deren Durchmesser D
sich dann in der Schweißfolge in der Zeit t vergrößert.
Falls der Schweißstrom I während der Schweißungsteil anzu
steigen vermag, wie dies als Kurve 3 in Fig. 2 gezeigt ist,
wird der als Kurve 4 gezeigte Widerstandsverlauf R wieder
nach einiger Zeit sein Maximum Rmax erreichen. Dieses Maxi
mum entspricht ungefähr dem Beginn der Schweißlinsenbildung,
aber der Durchmesser D der Schweißlinse 5 vergrößert sich
entsprechend der Kurve 5 mit ansteigendem Wert des Schweiß
stroms I rasch. Die Steilheit der die Vergrößerung des
Durchmessers D wiedergebenden Kurve ist wesentlich höher als
bei konstanter Einstellung des Schweißstroms I, nur mit der
Zeit erfolgt eine energetische Sättigung des Schweißpunktes
und aufgeschlossenes Metall spritzt aus dem Schweißpunkt.
Experimentell wurde festgestellt, daß das Maximum Rmax des
Widerstandsverlaufs R des Schweißpunktes desto früher ent
steht und die Vergrößerung der Schweißlinse desto früher
anfängt, je schneller der Schweißstrom I ansteigt.
Weiterhin wurde festgestellt, daß das Maximum Rmax bei Än
derung der äußeren Bedingungen wie z. B. einer Vergrößerung
der Dicke oder der Anzahl der zu verschweißenden Bleche oder
z. B. eine durch Verschleiß verursachte Vergrößerung des
Elektrodendurchmessers später erreicht wird, d. h. bei höhe
ren Werten für den Schweißstrom I. Wenn aus den betreffenden
Werten I 1, die der Erreichung von Rmax, in den Zeiten tmax
entsprechen, der Quotient I/De gebildet wird, erhält man
dadurch die Intensität des Schweißprozesses, über die be
kannt ist, daß sie eine Konstante des Schweißprozesses für
eine Werkstoffart darstellt, wobei De der Elektrodendurch
messer ist. Dieser Quotient ist für verschiedene Dicken und
verschiedene Anzahl der zu schweißenden Bleche und für ver
schiedene Elektrodendurchmesser bei sonst konstanten Bedin
gungen konstant. Es ergibt sich daraus, daß der Zeitpunkt
tmax, bei dem das Maximum des Widerstands des Schweißpunktes
Rmax entsteht, die Konstante des Schweißprozesses darstellt,
was bedeutet, daß der den energetischen Anforderungen der
gerade zu schweißenden Verbindung entsprechende Wert des
Schweißstroms I 1 erreicht ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet auf dieser
Grundlage. Dabei steigt der Schweißstrom I gemäß der Kurve 6
in Fig. 3 steil an. Gleichzeitig werden der Verlauf des
Schweißnahtwiderstands R und dessen Ableitung dR/dt, die in
Fig. 3 als Kurven 7 bzw. 8 gezeigt sind, ermittelt. Zum
Zeitpunkt tmax, zu dem der Schweißnahtwiderstand R das lo
kale Maximum Rmax erreicht, geht seine Ableitung dR/dt durch
den Nullpunkt hindurch. Dieser Zustand wird ermittelt, und
aufgrund des so erhaltenen Signals wird der weitere Anstieg
des Schweißstroms I bei dem Wert I 1 angehalten. Die
Schweißung wird dann mit konstantem Wert für den Schweiß
strom gemäß der Kurve 9 in Fig. 3 beendet. Aus technischen
Gründen der Konstruktion des elektronischen Teils ist es
günstig, einen Wert 10 für eine genügende Annäherung der
Ableitung dR/dt an den Wert Null zu ermitteln, so daß das
Signal zum Anhalten des Anstiegs des Schweißstroms I um ein
Zeitintervall Δ t früher abgegeben wird, bevor das Maximum
Rmax des Widerstands R erreicht wird. Das Zeitintervall Δ t
kann gleich oder kleiner sein als eine Halbperiode der
Netzfrequenz von 50 Hz, d. h., im Falle der gebräuchlichen
Schweißanlagen 0,01 s betragen.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Dort ist eine Steuereinheit 11 für den Wider
standsverlauf des Schweißpunktes über ein Differenzierglied 12 und
einen Komparator 13 mit einem Eingang 19 für eine Steuer
größe an einem Signaleingang 20 einer Triggerschaltung 14
angeschlossen. Der Ausgang der Triggerschaltung 14 ist mit
einem Anhalteeingang 23 eines Sägezahngenerators 15 verbun
den, der über eine elektronische Steuerung 16 für die
Schweißparameter, die einen Einstelleingang 25 aufweist, an
einen Schweißgenerator 17 geschaltet ist. Dabei ist ein
Ausgang 26 der elektronischen Steuerung 16 für die Schweiß
parameter, der den Befehl zum Auslösen des Sägezahnverlaufs
führt, mit einem Nulleinstellungseingang 22 der Trigger
schaltung 14, mit einem Anlaßeingang 24 des Sägezahngenera
tors 15 und über eine Verzögerungsschaltung 18, die einen
Eingang 27 für die Einstellung der Verzögerung aufweist, mit
einem Taktgebereingang 21 der Triggerschaltung 14 verbunden.
Die Arbeitsweise der dargestellten Anordnung beruht darauf,
daß das Signal aus der Steuereinheit 11 für den Widerstands
verlauf der Schweißnaht durch das Differenzierglied 12 geführt wird,
an dessen Ausgang der Komparator 13 angeschlossen ist, der
am Eingang 19 die Führungsgröße zugeführt erhält. Der Kompa
rator 13 bestimmt das Erreichen des Maximums des Widerstands
und gibt einen Befehl an die Triggerschaltung 14, die da
raufhin kippt und über ihren mit dem Anhalteeingang 23 des
Sägezahngenerators 15 verbundenen Ausgang das Anwachsen des
Sägezahnverlaufs anhält. Dadurch wird auch der Schweißstrom
anstieg angehalten, der durch die Verbindung des Ausgangs
des Sägezahngenerators 15 über die elektronische Steuerung
16 für die Schweißparameter mit dem Schweißgenerator 17
bestimmt wird. Dabei ist der Ausgang 26 der elektronischen
Steuerung 16 für die Schweißparameter für den Befehl zum
Auslösen des Sägezahnverlaufs mit dem Nulleinstellungsein
gang 22 der Triggerschaltung 14 und dem Anlaßeingang 24 des
Sägezahngenerators 15 verbunden, wobei die Triggerschaltung
14 das Starten des Sägezahnverlaufs und dadurch den Anstieg
des Schweißstroms freigibt. Zugleich ist der Ausgang 16 über
die Verzögerungsschaltung 18 mit dem Taktgebereingang 21 der
Triggerschaltung 14 verbunden. Dadurch ist die Blockierung
während den ersten 2 bis 5 Perioden gesichert.
Claims (2)
1. Vorrichtung mit Widerstandsschweißen, insbesondere Punkt
schweißen mit einer Stromquelle und einer Steuereinrich
tung für den Schweißstrom, die den Schweißstrom ansteigen
läßt und die beim Erreichen eines voreingestellten Wer
tes eines Parameters der Schweißstelle den Schweißstrom
anstieg anhält, so daß die Schweißung mit dem Wert des
Schweißstromes erfolgt, der im Moment des Anhaltens des
Stromanstiegs erreicht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung einen steilen Schweißstrom
anstieg erzeugt und der Schweißstromanstieg angehalten
wird, wenn der Widerstandsverlauf der Schweißstelle ein
relatives Maximum erreicht oder sich diesem Maximum
nähert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (11) über ein Differenzierglied (12)
und einen einen Eingang (19) für eine Führungsgröße auf
weisenden Komparator (13) an einen Signaleingang (20)
einer Triggerschaltung (14) angeschlossen ist, deren
Ausgang mit einem Anhalteeingang (23) eines Sägezahn
generators (15) verbunden ist, der an einen Schweiß
generator (17) über eine elektronische Steuerung (16)
für die Schweißparameter mit einem Einstelleingang (25)
angeschlossen ist, deren Ausgang (26) für den Befehl
zum Auslösen des Sägezahnverlaufs mit einem Nullein
stellungseingang (22) der Triggerschaltung (14), mit
einem Anlaßeingang (24) des Sägezahngenerators (15) und
über eine einen Einstelleingang (27) aufweisende Verzöge
rungsschaltung (18) mit einem Taktgebereingang (21) der
Triggerschaltung (14) verbunden ist.
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