DE4417397C3 - Befestigungselement und Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung zum Befestigen eines solchen Elementes auf vorgelochtem Blechmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Schweißvor­ richtung zum Aufschweißen eines Befestigungselements in Form eines Hohlkörpers mit Innengewinde, von dem ein Ende konisch angefast ist, auf vorgelochtes Blechmaterial mittels Lichtbogenschweißen mit Hubzündung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs.

Ein solches Befestigungselement ist aus US 2,202,405 be­ kannt.

Bisher wurden Befestigungs- und Halteelemente mit durchgehendem Innengewinde beispielsweise in Form von Muttern auf Bleche vorwiegend mit Hilfe der Widerstands­ schweißtechnik als Buckelschweißen aufgeschweißt. Hierzu sind hohe Stromstärken und hohe Anpreßkräfte er­ forderlich. Ferner müssen beide Seiten des Bleches zugäng­ lich sein.

Beim Lichtbogen-Bolzenschweißen sind dagegen nur ge­ ringe Anpreßkräfte aufzubringen, und das Schweißen selbst kann von einer Seite des Bleches aus durchgeführt werden; allerdings müssen bisher Bolzen mit Innengewinde und ei­ nem Sackloch eingesetzt werden, so daß deren Schweißflä­ che keine Bohrung aufweist.

In US 36 41 305 ist ein Befestigungselement in Form ei­ nes Hohlkörpers zum Aufschweißen auf vorgelochtes Blechmaterial mittels einer Lichtbogen-Bolzenschweißpi­ stole beschrieben. Hierbei ist ein Ende des Hohlkörpers in seinem äußeren Randbereich mit einem spitzen Winkel zur Hohlkörper-Außenfläche konisch angefast. Durch diese An­ fasung ist eine gute Verschweißbarkeit und eine feste Ver­ bindung zwischen dem Hohlkörper und dem Grundmaterial erreichbar. Eine Zentrierung des Hohlkörpers erfolgt jedoch durch einen sogenannten Lichtbogenschutz, durch welchen das Loch von geschmolzenem Material freigehalten wird.

Ferner ist aus DE-AS 15 65 003 ein Verfahren zum An­ schweißen eines rohrförmigen metallischen Werkstückes bekannt, bei dem mittels eines elektrischen Lichtbogens, welcher dem Einfluß eines Magnetfeldes ausgesetzt ist, das rohrförmige Werkstück an ein plattenförmiges Gegenwerk­ stück geschweißt wird. Hierbei werden zum Stumpfver­ schweißen der beiden Werkstücke in bekannter Weise Werk­ stücke und Gegenwerkstück als Elektroden in einem von ei­ ner Gleichstromquelle gespeisten, zeitabhängig gesteuerten Stromkreis eingeschaltet und zeitgesteuert aufeinander zu bewegt. Während dieses Vorgangs ist der Lichtbogen einem äußeren Magnetfeld und einem inneren der konzentrischen Blaswirkung entgegenwirkenden Magnetfeld ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung zu schaffen, mit welcher ein Be­ festigungselement in Form eines kreiszylinderförmigen, an einem Ende angefasten Hohlkörpers mit Innengewinde genau zentriert bezüglich eines Lochs von vorgelochtem Blechmateri­ al mittels Lichtbogenschweißen mit Hubzündung mit hoher Fes­ tigkeit aufgeschweißt werden kann.

Gemäß der Erfindung ist dies mit einer Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung ist zwischen Bolzenhalter und Pinole der Schweißvorrichtung ein auf einer Seite verschlossenes Kunststoffrohr festgeklemmt und dadurch verschiebbar ge­ haltert. In der Seitenwandung des Kunststoffrohres sind Ein­ laßöffnungen ausgebildet, wodurch eine Gaszuführung zur Schweißstelle ohne ein seitliches Ansaugen von Luft sicher­ gestellt ist.

Ferner ist durch das Kunststoffrohr und eine rohrförmige Verlängerung ein das freie Ende des Bolzenhalters umge­ bender Ablenkmagnet verschiebbar geführt, so daß dadurch der Ablenkmagnet bezüglich des zu verschweißenden Hohl­ körpers genau positionierbar und auf die Länge des Befesti­ gungselements abstimmbar ist. Da im Inneren des Ablenk­ magneten eine Spule untergebracht ist, deren Wicklungs­ ebene senkrecht zur Achse der Schweißvorrichtung verläuft, zwingt beim Ziehen eines Lichtbogens eine radiale Magnet­ feld-Komponente den Lichtbogen zu einem Umlaufen ent­ lang der kreisförmigen Kante eines Loches im Lochblech.

Bei Verwenden von ferromagnetischen Werkstoffen wird über einen äußeren Pol des Ablenkmagneten das Magnet­ feld in das Blechmaterial eingeleitet, während bei Verwen­ den von unmagnetischen Werkstoffen durch den äußeren Pol des Ablenkmagneten das Magnetfeld in Lichtbogennähe geführt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anlie­ gende Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen, unmaßstäblichen Darstel­ lung stark vergrößert ein Befestigungselement, und

Fig. 2 ebenfalls in einer schematischen, unmaßstäblichen Darstellung im Schnitt das vordere Ende einer Bolzen­ schweißvorrichtung, in welcher eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform einer Zusatzvorrichtung untergebracht ist.

In Fig. 1 ist stark vergrößert in einer schematisierten, un­ maßstäblichen Darstellung ein Befestigungselement in Form eines kreiszylinderförmigen Hohl­ körpers 1 mit einem durchgehenden Innengewinde 1d dar­ gestellt. An einem in Fig. 1 unteren Ende 1a ist unter einem spitzen Winkel α zur Außenwandung 1b des Hohlkörpers 1 eine Anfasung 1c ausgebildet. Der spitze Winkel α kann im Bereich von 20° bis 60° liegen.

In Fig. 2 ist in einer schematischen unmaßstäblichen Dar­ stellung im Schnitt das untere Ende einer Bolzenschweiß­ vorrichtung 10 wiedergegeben, an welcher eine Vorrichtung zum Befestigen eines Befestigungselements nach Fig. 1 vorgesehen ist. Mit der Schweißvorrichtung 10 kann bei­ spielsweise ein kreiszylinderförmiger Hohlkörper 1 in Form einer Mutter mit durchgehendem Innengewinde 1d und ei­ ner Anfasung 1c aus schweißbarem ferritischem Stahl auf mit gebohrten oder gestanzten Löchern 3a versehenes Blechmaterial 3 in Form von Stahlblech aufgeschweißt wer­ den.

Die aufzuschweißende Mutter 1 wird in einen Bolzenhal­ ter 2 der Schweißvorrichtung 10 eingesetzt. Bei Aufsetzen der auf ein Loch 3a des Blechmaterials 3 ausgerichteten Schweißvorrichtung 10 wird die Mutter 1 durch die an ei­ nem Ende ausgebildete Anfasung 1c in dem Loch 3a des Blechmaterials 3 zentriert.

Um eine einwandfreie und korrekte Gaszuführung zu der Schweißstelle zwischen dem äußeren Rand des Loches 3a und der Anfasung 1c der Mutter 1 zu erreichen, ohne daß Luft von der Seite angesaugt wird, wird Schutzgas über Bohrungen 5b mit Nippel in ein Kunststoffrohr 5 eingeleitet. Das in Fig. 2 obere Ende des Kunststoffrohrs 5 ist durch ein Abschlußteil 5a abgeschlossen. Mittels dieses Abschlußteils 5a ist das Kunststoffrohr 5 zwischen einem Bolzenhalter 2 und einer Pinole 4 der Schweißvorrichtung 10 fest ein­ klemmbar und somit bei einer Schweißbewegung zusam­ men mit der Pinole 4, dem Bolzenhalter 2 und der in dem Bolzenhalter eingesetzten Mutter 1 parallel zur Längsachse A der Schweißvorrichtung in Fig. 2 nach oben und nach un­ ten in Richtung auf das Blechmaterial 3 verschiebbar. Durch die zwischen dem Bolzenhalter 2 und dem Kunststoffrohr 5 dargestellten, nach unten weisenden zwei Pfeile ist die Strö­ mungsrichtung des Schutzgases angedeutet.

Eine rohrförmige, in Fig. 2 nach oben ins Innere der Schweißvorrichtung 10 weisende Verlängerung 6c eines Ablenkmagneten 6 ist in dem Kunststoffrohr 5 in axialer Richtung so verschiebbar gehaltert, daß dadurch der Ab­ lenkmagnet 6 bezüglich der mit dem Randbereich des Lo­ ches 3a zu verschweißenden Mutter 1 zentriert ist. An dem in Fig. 2 nach unten weisenden Ende des Ablenkmagneten 6 sind als Pole 6a und 6b ausgebildete Enden vorgesehen. Hierbei sind die Pole 6a und 6b so ausgebildet, daß beim Ziehen eines Lichtbogens eine radiale Magnetfeld-Kompo­ nente den Lichtbogen zu einem kreisförmigen Umlauf ent­ lang der kreisförmigen Kante des Loches 3a im Blechmate­ rial 3 zwingt.

Wenn es sich sowohl bei der zu verschweißenden Mutter 1 als auch bei dem Blechmaterial um ferromagnetische Werkstoffe handelt, wird über den auf das Blechmaterial 3 aufgesetzten Pol 6b das Magnetfeld in das Blechmaterial 3 eingeleitet, wie aus der Darstellung in Fig. 2 zu ersehen ist. In diesem Fall sitzen, wie in Fig. 2 dargestellt, Abstützungen 9 auf dem oberen Ende der Verlängerung 6c des Ablenkma­ gneten 6 auf, so daß die Schweißvorrichtung 10 über den Pol 6b auf dem Blechmaterial 3 abgestützt ist.

Bei unmagnetischen Werkstoffen wird der Pol 6b parallel zur Oberfläche des Blechmaterials 3 geführt. Der Ablenk­ magnet 6 liegt dann im Unterschied zu der Darstellung in Fig. 2 auf dem Blechmaterial 3 auf und dient dadurch gleichzeitig dem Abstützen der Bolzenschweißvorrichtung 10 über die beiden seitlichen Abstützungen 9, welche mit der Schweißvorrichtung 10 fest, aber einstellbar verbunden sind.

Bei einer in dem Ablenkmagneten 6 untergebrachten Spule 7 verläuft deren Wicklungsebene senkrecht zur Achse A der Schweißvorrichtung 10.

Vor dem Durchführen eines Schweißvorgangs wird das Schutzgas über die Bohrungen 5b dem Kunststoffrohr 5 zu­ geführt, strömt in Richtung der zwischen dem Kunststoff­ rohr 5 und dem Bolzenhalter 2 eingezeichneten Pfeilen nach unten und über Schlitze sowie Bohrungen in dem Bolzen­ halter 2 nach unten und verdrängt die Luft im Inneren der aufzuschweißenden Mutter 1 sowie im äußeren Randbereich des Loches 3a. Zweckmäßigerweise sind auch in der Aufla­ gefläche des Pols 6b kleine in Fig. 2 nicht näher dargestellte Schlitze ausgebildet, damit über diese Schlitze die Luft ent­ weichen kann und damit auch dieser Bereich gespült wird.

Nach diesem vorbereitenden Einleiten des Schutzgases wird nunmehr die Spule 7 des Ablenkmagneten 6 einge­ schaltet, wodurch sich das ablenkende Magnetfeld aufbaut. Anschließend wird der eigentliche Schweißvorgang ausge­ löst, der dann in einer für das Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Hubzündung typischen Weise abläuft. Die Mutter 1 wird unter Strom abgehoben, wodurch ein Lichtbogen gezündet wird, der durch das von der Spule 7 erzeugte Magnetfeld, insbesondere durch die radial verlaufende Magnetfeld- Komponente so abgelenkt wird, daß der Lichtbogen zu ei­ nem kreisförmigen Umlauf entlang der kreisförmigen Kante des Lochs 3a im Blechmaterial 3 gezwungen wird. Hierbei schmilzt die Kante des Lochs 3a und der an der Mutter 1 durch die Anfasung 1c ausgebildeten Konus an. Nach kurzer Zeit, im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 100 ms, sind die beiden Schweißzonen zusammengeführt und verschweißen sofort nach Abschalten des Stroms.

Um die geforderten hohen Festigkeiten bei der Verbin­ dung zwischen der Mutter 1 und dem äußeren Randbereich des Loches 3a zu erreichen, müssen in Abhängigkeit von der Werkstoffwahl entsprechende, geeignete Schutzgase einge­ setzt werden. Ebenso wird das Umlauf und Anschmelzver­ halten des Lichtbogens wesentlich durch das Schutzgas be­ stimmt.

Gute Ergebnisse werden mit Mischgasen erzielt. Hierbei hat sich bei Muttern aus ferritischem Material und bei Blechmaterial aus unlegiertem Stahl ein Mischgas aus Ar­ gon und CO₂ mit einem 18%-igen Anteil an Kohlendioxid (CO₂) gut bewährt. Bei Blechmaterial aus hochlegiertem Stahl ist der CO₂-Anteil entsprechend zu verringern.

Bei Gasgemischen mit einem Anteil an Helium erhöht sich die Umlaufgeschwindigkeit und gleichzeitig wird das Anschmelzverhalten verstärkt. Da jedoch reines Argon ei­ nen langsamen Umlauf zur Folge hat und gleichzeitig zu un­ günstigem Anschmelzverhalten führt, werden zum Auf­ schweißen einer Mutter aus Aluminium auf gelochtes Alu­ miniumblech als Schutzgas ein Argon-Helium-Gemisch oder auch reines Helium verwendet.

Claims (1)

1. Vorrichtung für eine Schweißvorrichtung, um ein Befesti­ gungselement in Form eines Hohlkörpers mit Innengewinde, von dem ein Ende konisch angefast ist, auf vorgelochtes Blechmaterial mittels Lichtbogenschweißen mit Hub­ zündung aufzuschweißen, welche Schweißvorrichtung einen Bolzenhalter zum Halten des Hohlkörperele­ ments und eine den unteren Teil des Bolzenhalters um­ schließende Elektromagnetspule mit einem den Schweißbereich umgebenden Pol zum Erzeugen einer auf den Lichtbogen wirkenden, etwa radial verlaufen­ den Magnetfeldkomponente aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
   zwischen Bolzenhalter (2) und Pinole (4) der Schweiß­ vorrichtung (10) ein auf seiten der Schweißvorrichtung abgeschlossenes Kunststoffrohr (5) fest eingeklemmt und verschiebbar gehaltert ist, in dessen Seitenwan­ dung Einlaßöffnungen (5b) zum gezielten Zuführen und Einleiten von Schutzgas ausgebildet sind;
   durch das Kunststoffrohr (5) und eine rohrförmige, sich in Richtung zur Schweißvorrichtung (10) erstreckende Verlängerung (6c) der das freie Ende des Bolzenhalters (2) umgebende Ablenkmagnet (6) verschiebbar und zentriert geführt ist, wobei die in dessen Inneren unter­ gebrachte Spule (7) eine senkrecht zur Achse (A) der Schweißvorrichtung (10) verlaufende Wicklungsebene aufweist,
   und ein weiterer, von der Schweißvorrichtung (10) in Richtung zum Blechmaterial (3) vorstehender, äußerer Pol (6b) entsprechend ausgebildet ist, so daß durch die radiale Magnetfeld-Komponente beim Ziehen eines Lichtbogens dieser zu einem Umlauf entlang der kreis­ förmigen Kante eines Loches (3a) im Blechmaterial (3) und der konischen Anfasung (1c) des Befestigungsele­ ments (1) gezwungen wird.