DE4137574C2 - Schweißzange zum Verbinden von Werkstücken nach dem Widerstandspunktschweißverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißzange zum Verbinden von Werkstücken nach dem Widerstandspunktschweißver­ fahren mit den weiteren Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine gattungsgemäße Schweißzange ist beispielsweise im deutschen Gebrauchsmuster 89 10 906 U1 beschrieben.

Das Widerstandspunktschweißen ist ein Verfahren, bei dem Werkstücke, beispielsweise Bleche, die mittels Elektrodenkraft zusammengehalten werden, in einem oder mehreren Punkten unter Ausnutzung des elektrischen Widerstandes im Bereich des Stromüberganges und der sich dabei ergebenden Wärmeentwicklung zusammengefügt werden. Die Erwärmung im Bereich der Stromkonzentration erfolgt durch einen Kurzzeitimpuls von niedrig gespann­ tem Strom hoher Stärke, um eine geschmolzene Linse des Schweißmetalls zu bilden. Wenn der Stromfluß aufhört, wird die Elektrodenkraft kurzzeitig beibehalten, wäh­ rend sich die Schweiße rasch abkühlt und erstarrt.

Problematisch ist dabei die Beherrschung, d. h. Steue­ rung bzw. Regelung des Schweißprozesses, um hinsicht­ lich der geforderten Eigenschaften optimale Schweiß­ punkte zu erzielen. Der Grund hierfür liegt darin, daß es eine ganze Reihe von Variablen gibt, die, wiederum abhängig von verschiedenen Randbedingungen, Einfluß auf den Schweißprozeß nehmen und kontrolliert werden müs­ sen. Dies sind beispielsweise Spannung, Strom, Wärme­ verluste, Elektrodenkraft usw.

Regelmäßig werden Schweißzangen verwendet, die mit an­ nähernd konstanter Zangenkraft während der gesamten Elektrodenstandzeit arbeiten. Da wiederum in den mei­ sten Einsatzfällen Elektrodenkappen zum Einsatz kommen, deren am Schweißprozeß teilnehmendes Ende gerundet und/oder konisch geformt ist, nimmt mit zunehmendem Verschleiß die Elektrodenarbeitsfläche (A) zu und somit bei konstanter Zangenkraft (F) die Flächenpressung (p) ab (p = F/A).

Durch die thermische Ausdehnung der Schweißlinse ent­ steht ein konstanter innerer Prozeßdruck. Eine abneh­ mende Flächenpressung bedeutet daher eine ungünstige Beeinflussung der Linsenbildung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schweißzange in der Weise weiterzubilden, daß einer abnehmenden Flächenpressung wirksam entgegengewirkt werden kann.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Schweiß­ zange gemäß der weiteren Merkmale nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 gestaltet ist.

Somit kann ohne konstruktiven Mehraufwand und lediglich durch geschickte Anordnung bzw. Zuordnung von Anlenk­ punkten der Zangenschenkel bzw. des Zangenantriebes (Hydraulikzylinder) bei wachsendem Elektroden­ verschleiß eine den die Flächenpressung reduzierenden Effekt kompensierende zunehmende Zangenkraft herbeige­ führt werden.

Weitere Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor, die Weiterbildungen der Erfindung beanspruchen.

Zwar beschreibt die deutsche Patentschrift 22 53 732 C3 eine Vorrichtung zum Verstellen des Ausgangsgliedes eines Bewegungsgetriebes abhängig von der Betätigung eines Eingangsgliedes über einen in einem Halter ange­ ordneten einarmigen Hebel, an dem das Ausgangsglied an­ gelenkt ist, wobei mittels einer Hebelübersetzung wäh­ rend des Hubes von einer einfachen Bewegung auf eine Kraftverstärkung umgeschaltet werden kann, sobald die Betätigungskraft einen bestimmten Wert überschreitet. Die vorgeschlagene Vorrichtung soll unter anderem bei Widerstandsschweißgeräten zur Anwendung kommen, um ins­ besondere größere Leerhübe bis zum eigentlichen Wirk­ samwerden der Schweißelektrode zu überbrücken. Auch das Problem der Elektrodenabnutzung ist am Rande erwähnt. Für die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißzan­ ge hingegen sind aus diesem Stand der Technik keinerlei Anregungen ableitbar.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt in jeweils schematisierter Form in

Fig. 1 eine Schweißzange mit zwischengeschaltetem Kniehebel,

Fig. 2 eine Schweißzange mit bei Elektrodenverschleiß günstige rein Hebelarmverhältnis für einen krafteinleitenden Zylinder und

Fig. 3 eine der Wirkungsweise nach Fig. 2 entspre­ chende Schweißzange mit modifizierter Anord­ nung des krafterzeugenden Zylinders.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Schweißzange 1, im wesentlichen bestehend aus zwei im Anlenkpunkt A miteinander verbundenen und gegeneinander verschwenkbaren Zangenschenkeln 2, 3 mit jeweils endseitig angesetzten Elektrodenhaltern 4, die die gegeneinander orientierten Elektroden 5 aufnehmen. Sind dies, wie meist üblich, Elektrodenkappen des Typs E nach ISO 5821, so läuft deren vorderes Ende konisch zu, während die Spitze gerundet ist.

Als Zangenantrieb dient ein Hydraulikzylinder 6, an dessen kolbenstangenseitigem Ende an einem Vorbau 7 im Anlenkpunkt B der in etwa Y-förmige Zangenschenkel 2 angelenkt ist, während an der Kolbenstange 8 im Anlenkpunkt C ein V-förmig gekrümmter Zwischenhebel 9 angesetzt ist, an dem über einen mittigen Anlenkpunkt D ein Verbindungshebel 10 angreift und über einen wei­ teren Anlenkpunkt E eine Verbindung mit dem Zangen­ schenkel 2 besteht. Der Anlenkpunkt E ist dabei nahe des Verzweigungspunktes der Y-Form angeordnet. Der Verbindungshebel 10 wiederum ist in einem weiteren An­ lenkpunkt F mit dem den Elektrodenkappen 5 gegenüber­ liegenden Ende des weiteren Zangenschenkels 3 verbun­ den.

Der Verbindungshebel 10 sowie der zwischen den Anlenk­ punkten D und E gelegene Abschnitt des Zwischenhebels 9 bilden einen Kniehebel.

Der Hydraulikzylinder 6 ist als Zug­ zylinder ausgebildet. Bei der Einwärtsbewegung der Kol­ benstange 8 ergibt sich für den Zwischenhebel 9 eine Drehung im Uhrzeigersinn, während der Verbindungshebel 10 eine Bewegung im Gegenuhrzeigersinn ausführt. Eine im Anlenkpunkt D rechtwinklig zur Verbindungslinie 13 der Anlenkpunkte E und F gerichtete Komponente der Zylinderkraft F_z erzeugt in besagten Anlenkpunkten E, F große Längskräfte F_α bzw. -F_α, die in erster Näherung proportional 1/cos α sind, wobei α der jeweils zwischen den Hebeln 9, 10 und der Verbindungslinie 13 gebildete Winkel ist. Gemäß der sich so ergebenden Bewegung und Kraftübertragung erfolgt dann die Schließbewegung der Zangenschenkel 2, 3, wonach der Schweißpunkt gesetzt werden kann.

Bei einem Verschleiß der Elektrodenkappen 5 vergrößert sich entsprechend dem Maße des Verschleißes in der Grundposition der Schweißzange 1 der Abstand der Elek­ trodenkappen 5. Um nun wiederum den Kontakt mit den zu verbindenden Werkstücken herzustellen, ist es erforder­ lich, daß beide Zangenschenkel 2, 3 eine diesen Ver­ schleiß kompensierende größere Schwenkbewegung ausfüh­ ren. Dies hat aber zur Folge, daß auch die Schwenkbewe­ gung von Zwischenhebel 9 und Verbindungshebel 10 im entsprechenden Verhältnis zunimmt, so daß sich letzt­ lich der Anlenkpunkt D der Verbindungslinie 13 nähert, der Winkel α kleiner wird, mithin also aufgrund des Kniehebeleffektes bei gleicher Zylinderkraft F_z eine wesentliche größere Schließkraft auf die Zangenschenkel 2, 3 übertragen wird. Somit läßt sich bei entsprechender Abstimmung des Kniehebels mit der Geometrie der Elek­ trodenkappen 5 bzw. deren Spitzen bezüglich der Flä­ chenpressung eine praktisch vollständige Kompensation des Elektrodenkappenverschleißes erreichen.

Ein weiterer Vorteil der Kniehebel-Schweißzange 1 nach Fig. 1 ist, daß bei gleicher Kolbengeschwindigkeit während des Schließvorganges die Zangenschließgeschwin­ digkeit zu Beginn größer und bei Annäherung an den Aufsetzzeitpunkt kleiner wählbar ist, als beim bekann­ ten Stand der Technik. Daraus ergibt sich trotz relativ schneller Schließbewegung ein weiches Aufsetzen der Elektrodenkappen 5 auf die Werkstückoberflächen.

Bei den Schweißzangen 14, 15 gemäß den schematisierten Darstellungen in den Fig. 2 und 3 ergibt sich eine zumindest teilweise Kompensation des Elektrodenkappen­ verschleißes durch eine Erhöhung der für die Zangen­ schenkel-Schließkraft maßgebenden Zylinderkraftkompo­ nenten.

In Fig. 2 sind mit Elektrodenhaltern 4 und Elektro­ denkappen 5 ausgestattete Zangenschenkel 16, 17 im Ge­ lenkpunkt G verschwenkbar miteinander verbunden. Der Zangenschenkel 16 ist im Anlenkpunkt H am zylinder­ seitigen Vorbau 7 und der Zangenschenkel 17 im Anlenk­ punkt I mit der Kolbenstange 8 verbunden. Beim Ausfah­ ren der Kolbenstange 8 des nunmehr als Druckzylinder wirkenden Hydraulikzylinders 6 wird die Zylinderkraft F_z wirksam. Ihre die Zangenschenkel-Schließkraft be­ stimmende Komponente F_β ergibt sich im Anlenkpunkt I aus F_z×sin β. Entsprechend der geometrischen Zuord­ nung wird im Anlenkpunkt H eine ebensolche Kraftkom­ ponente auch in den Zangenschenkel 16 eingeleitet. Auf eine diesbezügliche zeichnerische Darstellung wurde der Einfachheit halber verzichtet.

Wesentlich ist, daß auch hier wiederum bei zunehmendem Verschleiß der Elektrodenkappen 5 ein größerer Kolben­ hub bzw. eine entsprechend größere Schwenkbewegung der Zangenschenkel 16, 17 erforderlich ist, um die Elektro­ denkappen 5 in Kontakt mit den zu verbindenden Werk­ stücken zu bringen. Dies geht einher mit einer eben­ falls größeren Schwenkbewegung des Hydraulikzylinders 6 in Gegenuhrzeigersinn, wie durch Pfeil 18 angedeutet. Wie aus dem in Fig. 2 dargestellten Kräfteschaubild unschwer ableitbar ist, wirkt sich diese zusätzliche Schwenkbewegung des Hydraulikzylinders 6 in einer Ver­ größerung des Winkels β und damit in einer Erhöhung der die Zangenschließkraft bestimmenden Kraftkomponenten F_β bei gleichgebliebener Zylinderkraft F_z aus. Bei starkem Verschleiß der Elektrodenkappen 5 und je nach den gege­ benen Hebelarmverhältnissen (Einleitungsstelle der Druckkraft in die Elektrodenkappen 5, Orte bzw. geome­ trische Zuordnung der Anlenkpunkte G, H, I) und der Federsteifigkeit der Zangenschenkel 16, 17 kann eine Erhöhung der Kraftkomponenten F_β um 25-30% erreicht werden.

Auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die vor­ stehenden Erläuterungen zur Variante nach Fig. 2 unmit­ telbar übertragbar. Es wurde lediglich eine etwas geän­ derte Anordnung des wiederum als Druckzylinder wirken­ den Hydraulikzylinders 6 gewählt. Dieser ist an den Anlenkpunkten K über den gehäuseseitigen Vorbau 7 mit dem ersten Zangenschenkel 19 und im kolbenstangen­ seitigen Anlenkpunkt L mit dem zweiten Zangenschenkel 20 verbunden. Beide Zangenschenkel 19, 20 sind an der Verbindungsstelle M wiederum gelenkig miteinander ver­ bunden.

Wie bereits vorstehend erläutert, wirkt sich auch hier ein Verschleiß der Elektrodenkappen 5 in einer zusätz­ lichen Schwenkbewegung (Pfeil 21) des Hydraulikzylin­ ders 6 aus, wodurch sich eine Vergrößerung des Winkel γ und somit auch eine Zunahme der die Zangenschließkraft bestimmenden Kraftkomponeten F_γ der Zylinderkraft F_z ergibt (F_γ= F_z sin γ).

Durch die nunmehr annähernd konstante Flächenpressung ist zumindest dahingehend für gleiche mechanische Rand­ bedingungen bei der Schweißlinsenbildung gesorgt. Da­ durch können die Zugfestigkeiten der Schweißpunkte in engeren Toleranzbereichen gehalten werden. Ferner ist mit der erfindungsgemäßen Maßnahme eine Reduzierung der Spritzerneigung bei starker Kappenabnutzung ohne Fe­ stigkeitseinbuße verbunden.

Es versteht sich, daß durch entsprechende Anordnung des Hydraulikzylinders 6 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nach dem Vorbild der Anordnungsvarianten gemäß Fig. 2, 3 oder durch Zwischenschaltung eines Kniehebels bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 eine Kombination der Wirkprinzipien und somit eine weitere Optimierung herbeiführbar ist. Anstatt eines Hydraulik­ zylinders wären selbstverständlich auch anderweitige Zangenantriebe einsetzbar, solange die erfindungsgemäße Wirkungsweise beibehalten wird.

Claims (3)

1. Schweißzange zum Verbinden von Werkstücken nach dem Widerstandspunktschweißverfahren mit gegeneinander verschwenkbaren Zangenschenkeln mit endseitig ange­ ordneten, gegeneinander orientierten Elektrodenkap­ pen und mit einem mit den Zangenschenkeln gelenkig verbundenen Zangenantrieb (Hydraulikzylinder), dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Zuordnung von Anlenkpunkten (B bis F; H, I; K, L), welche den Zangenantrieb Hydraulikzylinder (6) unmittelbar oder über zwischengeschaltete Hebelelemente (9, 10) mit den Zangenschenkeln (2, 3; 16, 17; 19, 20) ver­ binden, so gewählt ist, daß eine durch einen Elektrodenkappenverschleiß sich ergebende zusätzli­ che Schwenkbewegung der Zangenschenkel (2, 3; 16, 17; 19, 20) bei gleichbleibender Kraft (Zylinder­ kraft F_z) des Zangenantriebes (Hydraulikzylinder 6) eine Erhöhung der die Zangenschließkraft bestimmen­ den Kraftkomponente (F_α, F_β, F_γ) bewirkt.

2. Schweißzange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zwischengeschalteten Hebelelemente (9, 10) einen Kniehebel bilden.

3. Schweißzange nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß an einem kolbenstangenseitigen Ende eines Hydraulikzylinders (6) an einem Vorbau (7) in einem Anlenkpunkt B ein erster Zangenschenkel (2) ange­ lenkt ist, während an einer Kolbenstange (8) in einem Anlenkpunkt C ein etwa V-förmig gekrümmter Zwischenhebel (9) angesetzt ist, an dem über einen mittigen Anlenkpunkt D ein Verbindungshebel (10) angreift und über einen weiteren Anlenkpunkt E eine Verbindung mit dem ersten Zangenschenkel (2) be­ steht, während der Verbindungshebel (10) in einem weiteren Anlenkpunkt F mit dem den Elektrodenkappen (5) gegenüberliegenden Ende des weiteren Zangen­ schenkels (3) verbunden ist.