DE3741507A1 - Vorrichtung und verfahren zum widerstandsschweissen mit einer induktiv gekoppelten energiequelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißen und im besonderen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Widerstands­ schweißen unter Benutzung einer induktiv gekoppelten Energie­ quelle, um den zu schweißenden Werkstoff durch darin indu­ zierten Strom und/oder magnetische Hysterese zu erhitzen.

Das Widerstandsschweißverfahren wird gewöhnlich benutzt, um Punkt- oder Nahtschweißungen durchzuführen, um Blechteile zu verbinden. In dem Widerstandsschweißverfahren der Vergangen­ heit wurden Elektroden benutzt, die gewöhnlich aus Kupfer ge­ fertigt waren, um große Strommengen an eine Schweißverbin­ dung heranzuführen, um das Metall bis zu dem Punkt zu er­ hitzen, an dem es sich erweicht und unter Druck zusammenge­ schweißt werden kann. Der Druck, um die Teile zusammenzu­ schweißen, wurde durch die gleichen Schweißelektroden ausge­ übt, welche in der Vergangenheit den Strom an die zu ver­ schweißenden Werkstoffe herangeführt hatten.

Das Nahtschweißen wurde in der Vergangenheit ähnlich wie das Punktschweißen durchgeführt. Beim Nahtschweißen hatten die Elektroden jedoch gewöhnlich die Form von Rädern, welche entlang den zu verschweißenden Teilen gerollt wurden, während der Schweißvorgang durchgeführt wurde. Herkömmliche Punkt- und Nahtschweißvorgänge oder Vorrichtungen zum kontinuier­ lichen Schweißen sind in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellt.

Die Energiequelle für den Strom, um das Metall zu erhitzen, war in der Vergangenheit allgemein ein Transformator mit ei­ ner niedrigen Sekundärspannung oder eine Gleichstromquelle. Die Transformatoren, die für das Widerstandsschweißverfahren benutzt wurden, erzeugten im allgemeinen Spannungen zwischen 2 und 20 Volt bei Stromstärken zwischen 5000 und 50000 Ampere.

Infolge der verwendeten Ströme waren die Transformatoren zum Widerstandsschweißen in der Vergangenheit im allgemeinen groß und schwer und relativ teuer durch die Menge von Eisen und Kupfer, die benötigt wurde, um sie herzustellen. Ein Widerstandsschweißtransformator der Vergangenheit wog ge­ wöhnlich mehrere 100 Pfund, obwohl kleinere Transformatoren, die nur 50 Pfund wogen, hergestellt wurden, um in einigen spezialisierten Anwendungsgebieten eingesetzt zu werden. Die meisten Widerstandsschweißtransformatoren erfordern Wasser­ kühlung.

Ein weiteres Problem, das mit dem Widerstandsschweißen zu­ sammenhängt, besteht darin, den Strom von dem Transformator (oder der Gleichstromversorgung) zu den Schweißelektroden zu transportieren. Wegen der Größe und des Gewichtes der nor­ malen Transformatoren der Vergangenheit, war es oft unmög­ lich, den Transformator nahe bei den Schweißelektroden auf­ zustellen. Große Kabel wurden benötigt, um mit den Schweiß­ strömen fertig zu werden und die Energieverluste minimal zu halten. Oft sind diese Kabel wassergekühlt. Die Kabel verur­ sachen zusätzliche Kosten und Komplexität für ein Schweiß­ system und sind gewöhnlich der am wenigsten zuverlässige Teil des Systems.

Gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der Erfindung wur­ den die größten, teuersten und am wenigsten zuverlässigen Teile des herkömmlichen Schweißsystems, nämlich der Trans­ formator und die Verkabelung durch eine andere Vorrichtung und ein anderes Verfahren ersetzt, um den Strom dem Metall zuzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet eine Spule, die um einen flußkonzentrierenden Kern gewickelt und mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Die Spule, der Kern und die elektrische Energiequelle können auf beiden Seiten von einem Werkstück sein, das durch den Schweißvorgang verbun­ den werden soll, oder nur an einer Seite davon. Der fluß­ konzentrierende Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann linear sein und sich senkrecht zu den Teilen erstrec­ ken, die verbunden werden sollen, oder der Kern kann in einem Winkel zu den Teilen stehen, die verbunden werden sollen. Ferner kann in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung der flußkonzentrierende Kern U-förmig oder napfförmig mit einem sich zentral von diesem forterstrec­ kenden Pfosten geformt sein.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu verbindende Metall nahe dem flußkonzentrierenden Kern durch darin induzierten Strom, der durch den durch die Spule fließenden Strom verursacht wird und durch magnetische Hystereseverluste erhitzt. Die erhitzten Teile, die ver­ bunden werden sollen, werden dann durch darauf ausgeübten Druck zusammengeschweißt.

Der Druck kann auf die Teile, die verbunden werden sollen, durch die Spule, durch den magnetischen Kern und/oder durch getrennte, sich drehende Räder ausgeübt werden, wie es je­ weils gewünscht wird. Weiter können die so erzeugten Schwei­ ßungen Punktschweißungen oder kontinuierliche Nahtschweißun­ gen sein.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Wider­ standsschweißvorrichtung herkömmlicher Art.

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer her­ kömmlichen kontinuierlichen oder Nahtwiderstands­ schweißvorrichtung.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Widerstands­ schweißvorrichtung unter Benutzung einer induktiv gekoppelten Energiequelle, die gemäß der Erfindung ausgeführt wurde, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Aus­ führen einer kontinuierlichen Widerstandsschweißung, die erfindungsgemäß gefertigt wurde und eine induk­ tiv gekoppelte Energiequelle verwendet, um ein konti­ nuierliches Schweißen gemäß dem Verfahren der Erfin­ dung auszuführen.

Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer abgewandelten Widerstandsschweißvorrichtung mit einer induktiv gekoppelten Energiequelle, die erfindungsgemäß ausgeführt wurde.

Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausgestaltung der Widerstandsschweiß­ vorrichtung gemäß der Erfindung unter Benutzung einer induktiv gekoppelten Energiequelle.

In Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde der Stand der Technik, welcher die Elektroden 10 und 12, die mit dem Transformator 14 durch die Kabel 16 und 18, wie in Fig. 1 gezeigt, zum wirksamen Punktschweißen gemäß dem Verfahren nach dem Stand der Technik und die Räderelek­ troden 20 und 22, in Fig. 2 gezeigt, ähnlich mit dem schwe­ ren Transformator 24 durch die Kabel 26 und 28 verbunden, umfaßt, sowohl zum Punkt- als auch zum kontinuierlichen oder Naht­ schweißen der ferromagnetischen Platten 30 und 32 bzw. der Platten 34 und 36 ersetzt durch die Widerstandsschweißvor­ richtung in Fig. 3 bis 6 unter Benutzung einer wirksam ge­ koppelten Wechselstromquelle eines Transformators, um ent­ weder Punkt- oder kontinuierliches Nahtschweißen gemäß der Erfindung zu bewirken.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind getrennte Spulen 38 und 40 um lineare flußkonzentrierende Kerne 42 und 44 gewickelt. Die flußkonzentrierenden Kerne 42 und 44 sind in Fig. 3 gezeigt. Sie erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten der ferro­ magnetischen Bleche 46 und 48, die punktgeschweißt werden sollen.

Die Spulen 38 und 40 sind an elektrische Wechselstromquellen 50 und 52 angeschlossen, wie in Fig. 3 gezeigt. Beide Spulen 38 und 40 können erfindungsgemäße wahlweise an die gleiche elektrische Wechselstromquelle angeschlossen werden.

Die optimale Spannungsgröße und die Frequenz der elektrischen Wechselstromquellen 50 und 52 ändern sich mit den verschie­ denen Werkstoffarten und der Dicke, und die optimale Span­ nung und Frequenz kann sich verändern, wenn das geschweißte Metall sich erhitzt und seine Charakteristik ändert. Um jedoch die Größe der flußkonzentrierenden Kerne 42 und 44 klein zu halten, sollte eine möglichst hohe Frequenz be­ nutzt werden. Z. B. ist eine Frequenz von 10000 Hertz bei elektromagnetischen Kernen wünschenswert, die linear sind und einen Durchmesser von etwa 3/8 Zoll aufweisen, um Stahl­ bleche punktzuschweißen, die etwa ein 1/8 Zoll dick sind.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, in dem der Wechselstrom durch die Spulen 38 und 40 phasengleich hin­ durchgeleitet wird, so daß die durch die zwei Spulen er­ zeugten Magnetfelder einander verstärken, induziert das wechselnde Magnetfeld, welches senkrecht durch die Bleche 46 und 48 hindurchtritt, einen Strom in dem Metall in Kreisrichtung um den stärksten Teil des Magnetfeldes. Die Wirkung ist in gewisser Weise analog zu einem Transfor­ mator mit der Ausnahme, daß statt einer Spule, welche ei­ nen Strom in einer anderen Spule induziert, ein Strom in den zu verschweißenden Metallteilen induziert wird.

Der in dem Metall induzierte Strom wird benutzt, um es bis zu dem Punkt zu erhitzen, an dem es durch Druck zusammenge­ schweißt werden kann.

Der Druck kann durch die Spulen oder durch die flußkonzen­ trierenden Kerne ausgeübt werden, die so konstruiert werden können, daß sie dem Schweißdruck standhalten.

Beim Schweißen von Ferrometallen, wie Eisen oder Stahl, ergibt sich einige zusätzliche Erhitzung bei dem Arbeits­ prozeß wegen der magnetischen Hystereseverluste. Diese zu­ sätzliche Erhitzung wird am größten in den Bereichen sein, in denen das Magnetfeld am dichtesten ist.

Der Wechselstrom, welcher den Spulen zugeführt wird, erzeugt ein Magnetfeld, welches ständig Stärke und Richtung entspre­ chend dem Strom ändert. Die magnetischen Kerne dienen zur Konzentration des erzeugten Magnetflusses und zum Transport desselben zum Zentrum des Bereiches, wo die Verschweißung gewünscht wird. Die Frequenz und Amplitude des den Spulen zugeführten Stromes können wechseln, wenn das Metall sich erhitzt und seine Charakteristik verändert.

Unter Benutzung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung gemäß dem oben erwähnten Verfahren, ist ersichtlich, daß die zu verschweißenden Bleche 46 und 48 ohne einen schweren Schweißtransformator, große Kabel und den Elektroden der Vergangenheit verschweißt werden können.

In der Ausgestaltung der Erfindung wie in Fig. 4 gezeigt, sind die linearen flußkonzentrierenden Kerne 54 und 56 mit den um sie herumgewickelten Spulen 58 und 60 gegen die Be­ wegungsrichtung der zu verschweißenden Platten 62 und 64 ge­ neigt, wie in der Fig. 5 durch den Pfeil 66 gezeigt ist. Auch sind die Spulen 58 und 60 an den Wechselstromquellen 68 angeschlossen, wie in Fig. 4 gezeigt. Wiederum induziert der Fluß des Wechselstroms durch die Spulen 58 und 60 einen Strom und magnetischen Hystereseverlust in den Platten 62 und 64 und erhitzt somit die Platten 62 und 64, wenn sie die flußkonzentrierenden Spulen 54 und 56 in Richtung des Pfeiles 66 passieren.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird der Schweißdruck auf die erhitzten Platten 62 und 64 zwischen den Druckrädern 72 und 74, wie gezeigt, ausgeübt.

Die modifizierte Vorrichtung in Fig. 4 zum wirkungsvollen Schweißen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren be­ wirkt somit eine kontinuierliche oder Nahtschweißung.

Weiterhin können, wie in Fig. 5 gezeigt, die flußkonzen­ trierenden Kerne 76 und 78 U-förmig sein, um den Magnet­ fluß zu konzentrieren, welcher durch den Strom von den Wechselstromquellen 80 und 82 verursacht wird, der durch die Spulen 84 und 86 in getrennte Bereiche 88 und 90 in den Werkstücken 92 und 94 fließt, wodurch zwei beabstan­ dete gleichzeitige Punktschweißungen entsprechend dem er­ findungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden können.

Der flußkonzentrierende Kern 94, wie in Fig. 6 gezeigt, ist allgemein napfförmig mit einem äußeren hohlen zylin­ drischen Teil 96, einer Endwand 98 und einem zentralen Pfosten 100, worum die Spule 102 gewickelt ist. Der Wechsel­ strom von der Wechselstromquelle 104 erzeugt somit einen Magnetfluß aus dem Pfosten 100 zu dem äußeren zylindrischen Teil des flußkonzentrierenden Kerns 95 durch die Metall­ platten 106 und 108, um wiederum die Metallplatten 106 und 108 in den Bereichen zu erhitzen, in denen die Punktschwei­ ßung ausgeführt werden soll.

Der flußkonzentrierende Kern 94 ist besonders vorteilhaft, wo kein Platz auf der gegenüberliegenden Seite des zu ver­ schweißenden Metalles vorhanden ist. Es gibt natürlich ei­ nen gewissen Wirkungsverlust mit einem flußkonzentrierenden Kern 94, weil es schwieriger mit einer einzigen Spule ist, das Magnetfeld konzentriert und senkrecht zum Werkstück zu erhalten. Jedoch sind zwei Spulen mit napfförmigen Kernen 95 auf gegenüberliegenden Seiten der Platten 106 und 108 wirksamer als die vereinfachten linearen Kerne, die in Fig. 3 dargestellt sind.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der spezi­ fische Oberflächenwiderstand des zu verschweißenden Metalles unwichtig, weil der Schweißstrom in Übereinstimmung mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung induziert wird, statt dem Werkstück zugeleitet zu werden. Dies ist von großem Interesse, wenn man Stahl schweißt, der behandelt wurde, um Korrosion zu widerstehen, weil viele der besten Korrosionsschutzüberzüge nicht elektrisch leitend sind. Es ist auch möglich, bereits gemaltes Metall zu schweißen, wenn man diese Methode des Widerstandsschweißens anwendet.

Während verschiedene Ausgestaltungen und Modifikationen der Erfindung im vorgehenden in Einzelheiten berücksichtigt wurden, soll es verstanden sein, daß andere Ausgestaltungen und Modi­ fikationen betrachtet werden. Es ist die Absicht, alle Aus­ gestaltungen und Modifikationen, wie sie in den anhängenden Ansprüchen bezeichnet sind, in den Umfang der Erfindung ein­ zuschließen.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Widerstandsschweißen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie eine Spule (38, 40) und eine mit der Spule verbundene elektrische Wechselstromquelle (50) aufweist, um das elektrisch leitfähige, nahe der Spule befindliche Werkstück (46, 48) durch einen induzierten Strom und/oder Hystereseverlust im Werkstück zu erhitzen und Mittel (42, 44), um Druck auf das erhitzte Werk­ stück auszuüben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen flußkonzentrierenden Kern (42, 44) aufweist, der betriebsfähig mit der Spule (38, 40) ver­ bunden ist, um den magnetischen Fluß in dem Werkstück zu konzentrieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine zweite Spule (40) und einen zweiten flußkonzentrierenden Kern (44) auf der der ersten Spule (38) und dem ersten flußkonzentrierenden Kern (42) gegen­ überliegenden Seite des Werkstücks aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (40) und Kerne (44) auf den gegenüber­ liegenden Seiten des Werkstückes kongruente Erzeugungs­ achsen aufweisen und im wesentlichen senkrecht zum Werk­ stück stehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel, um Druck auf das erhitzte Werkstück (46, 48) auszuüben, mindestens eine der Spule (38, 40) und eines der Kerne (42, 44) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (58, 60) und flußkonzentrierenden Kerne (54, 56) an gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks in einem Winkel zu demselben angeordnet sind und das Mittel, um Druck auf das erhitzte Werkstück (62, 64) aus­ zuüben, einander gegenüberliegende Räder (72, 74) aufweist und die Schweißvorrichtung eine kontinuierliche Schweiß­ vorrichtung ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flußkonzentrierenden Kerne (76, 78) U-förmig sind und die Enden der U-förmigen flußkonzentrierenden Kerne einander auf beiden Seiten des Werkstücks (92, 94) gegenüberstehen, wodurch zwei gleichzeitige Schweißvor­ gänge in dem Werkstück durchgeführt werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flußkonzentrierende Kern (94) zylindrisch ist und eine Endwand (98) und einen Mittelpfosten (100) ent­ hält und worin die Spule (102) um den Mittelpfosten ge­ wickelt ist.

9. Verfahren zum Widerstandsschweißen, gekennzeichnet durch Erhitzen von nahe aneinanderliegenden elektrisch leit­ fähigen Werkstücken mit induzierten Strom- und/oder Hystereseverlusten und Aufbringen von Druck auf die erhitzten Werkstücke, um sie zusammenzuschweißen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke von beiden Seiten erhitzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsschweißen Punktschweißen ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsschweißen kontinuierlich erfolgt und Nahtschweißen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in den Werkstücken durch Zuführen eines elek­ trischen Wechselspannungssignals zu einer Spule in der Nähe des Werkstücks induziert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner das Konzentrieren des Flusses der Spulen mit einem flußkonzentrierenden Kern beinhaltet, der in der Spule angeordnet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner das Verändern der Frequenz des Wechselspannungs­ signals beinhaltet.

16. Verfahren zum Zusammenschweißen ferromagnetischer Teile, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schweißenden Teile durch induzierten Strom und magnetische Hystereseverluste erhitzt werden, die durch Wechselstrom in einer Spule er­ zeugt werden, die um einen flußkonzentrierenden Kern ge­ wickelt ist, der das Magnetfeld in dem Schweißbereich konzentriert und daß Druck auf die erhitzten magnetischen Werkstücke ausgeübt wird, um die Werkstücke zusammenzu­ schweißen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Schweißvorgang ein Punktschweißen ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Schweißvorgang ein Nahtschweißen ist.