DE10000246A1

DE10000246A1 - Widerstandschweißen mit einem elektrochemischen Kondensator als Stromversorgungsquelle

Info

Publication number: DE10000246A1
Application number: DE10000246A
Authority: DE
Inventors: Daniel Laser; Naftali Klein; Chaim Yarnitzky
Original assignee: State of Israel
Current assignee: Rafael Armament Development Authority Ltd
Priority date: 1999-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2000-12-28
Also published as: IL127932A; US6303894B1

Abstract

Vorrichtung zum Widerstandsimpulsschweißen, die tragbar und bequem zu bedienen ist, mit einem Handteil, einem an die Spitze des Handteils montierten Elektrodenpaar, das in der Lage ist, Schweißstromimpulse einem zu schweißenden Werkstück zuzuführen, einem elektrochemischen Kondensator, der eine Energieversorgung mit einem hohen Strom und einer niedrigen Spannung vorsieht, einer Triggervorrichtung, die zwischen dem elektronischen Kondensator und den Elektroden angeordnet ist, um über diese Elektroden die in dem elektrochemischen Kondensator gespeicherte Energie in Abhängigkeit von dem Erfassen eines Schwellendrucks zwischen den Elektroden, der die Kraft angibt, mit der die Elektroden gegen das Werkstück gedrückt werden, zu entladen.

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen und insbesondere ein leichtes, tragbares Punktschweißgerät.

Beim Punktschweißen wird ein Druck auf die Elektroden verwendet, um zwei Stücke zueinander zu zwingen. Eine Wärme, die durch den Widerstand der Werkstücke beim einem Durchfließen von Elektrizität erzeugt wird, schmilzt entweder das Material an der Nahtstelle oder erweicht es zumindest in einem plastischen Zustand, in dem es haftet. Wenn der Stromfluß endet, wird die Elektrodenkraft bzw. der Druck der Elektro den für einen Bruchteil einer Sekunde weiter aufrecht erhalten, während die Schweiß naht schnell abkühlt und sich verfestigt.

Es gibt zwei Arten von Schweißgeräten: Geräte, die die Energie direkt zuführen, sogenannte Direktenergiegeräte, und solche, die die Energie vorher speichern, soge nannte Speicherenergiegeräte. Der Speicherenergiebetrieb wird normalerweise bevor zugt, da er wirksamer ist und ein besser beherrschbares Verfahren darstellt, als der Direktenergiebetrieb, und er verursacht weniger zusätzliche Erhitzung, Oxidation und Deformation der Werkstücke.

Im Prinzip entnimmt das Speicherenergie-Schweißgerät über einen Zeitraum Energie aus der Versorgungsleitung und speichert sie in einer Hochspannungs-Konden satorbank. Die gespeicherte Energie wird über einen Impulsumformer entladen, welcher den Hochspannungsimpuls in den erforderlichen Hochstromimpuls (bei niedriger Span nung) umwandelt, welcher durch gut leitende Kabel dem Schweißkopf zugeführt wird und das Werkstück durchläuft. Ein drittes Kabel führt von der Versorgung zu dem Schweißkopf und stellt sicher, daß der Auslöseschalter für die Entladung nur schließt nachdem die zwei Elektroden zusammen gegen das Werkstück gedrückt worden sind.

Herkömmliche Energieversorgungen für Speicherenergiegeräte weisen eine Spit zenausgangsspannung von 6 bis 10 Volt auf und liefern während eines Impulses (oder zweier Impulsen), welcher eine Zeitdauer von mehreren Millisekunden aufweisen kann, bis zu einigen 100 Joule. Das typische Gewicht von Versorgungen liegt im Bereich von 15 und 30 kg. Sogar tragbare, batteriebetriebene Energieversorgungen für Schwach leistungs-Schweißen haben typischerweise ein Gewicht von ungefähr 10 kg.

Somit existiert kein wirklich tragbares Widerstandsschweißsystem in dem Sinn, daß das gesamte Schweißsystem durch den Benutzer bequem getragen und bedient wer den kann, und auch nicht mit der Energieversorgung durch Hochleistungs-Schweißkabel bei dem Direktenergiebetrieb verbunden ist.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUFGABEN DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst die Probleme bzw. Defizite von Energiever sorgungen des Standes der Technik durch die Anwendung eines elektrochemischen Kondensators als Quelle für Hochstromimpulse, die für das Widerstandsschweiß verfahren erforderlich sind. Sie beruht auf den Eigenschaften von elektrochemischen Kondensatoren, insbesondere ihrer großen elektrischen Kapazität, welche sie in die Lage versetzen, Energie bei niedrigen Spannungen zu speichern, und ihrer Fähigkeit, diese Energie ausreichend schnell zur Verfügung zu stellen, so daß sie eine ausreichende Hitze zum Punktschweißen zweier Metallplatten herstellen können.

Die Erfindung beruht auf den Eigenschaften eines elektrochemischen Kondensa tors, welcher durch seine große Kapazität und Energiedichte gekennzeichnet ist, um als eine Energiequelle für das Widerstandsschweißen zu dienen. Der Kondensator beruht auf den "quasi-Kapazität"-Phänomenen der RuO₂-Elektrode in einer Lösung aus 4 M H₂SO₄, welche von Conway et al. in "The Role and Utilization of Pseudocapacitance for Energy Storage by Supercapacitors", im "Journal of Power Sources", Ausgabe 66, 1997, S. 1-14, beschrieben worden sind, auf die hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen voll inhaltlich Bezug genommen wird.

Somit ist die für das Schweißverfahren benötigte Energie in einer sehr kompakten elektrischen Speichervorrichtung gespeichert, welche dicht an dem Schweißkopf ange ordnet und befestigt ist, wo ihre Energie direkt in der geeigneten Form aus hohem Strom und niedriger Spannung entnommen werden kann, um die Schweißarbeit durch zuführen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leichte, kompakte Energieversorgung für Impulse mit einer niedrigen Spannung und einem hohen Strom für die Elektroden zu schaffen, die einen elektrochemischen Kondensator verwendet.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beispielhaft aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Schweißeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht der Schweißeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 die elektrische Schaltung des Schweißsystems gemäß der Aus führungsform der Erfindung, wenn es durch eine Batterie gela den wird; und

Fig. 4(a) und Fig. 4(b) jeweils die Stromkurven und Spannungsimpulse, welche wäh rend einer Schweißung gemäß der Ausführungsform der vor liegenden Erfindung unter Verwendung eines Kondensator (12 V; 1,5 F) erhalten werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß den Figuren, bei denen entsprechende Teile in den verschiedenen An sichten jeweils durch identische Teile dargestellt sind, und insbesondere gemäß Fig. 1 und 2, wird die negative Elektrode 1 eines Thyristors 6 durch eine Aluminiumklammer 2 gehalten und gegen einen freigelegten Bereich der negativen Elektroden 3 eines ge packten elektrochemischen Kondensators 24 gedrückt. Ein Kupferblock 4 ist an dem Ende der Klammer 2 befestigt, welcher als mechanischer und elektrischer Sockel für die ersten Zuführelektrode 5 des Handteils oder des Schweißkopfes 14 dient.

Die Elektrode 5 des Handteils 14 ist über die Klammer 2 mit der positiven Seite des Thyristors 6 elektrisch kurzgeschlossen, während die andere Zuführelektrode 7 des Handgerätes 14 durch einen zweiten Kupfersockel 8 gehalten wird und mit der positiven Elektrode 9 des Kondensators 24 durch eine zweite Aluminiumklammer 10 kurzge schlossen ist.

Der Thyristor 6 wird durch das Anlegen einer positiven Spannung, welche an der positiven Elektrode 9 des geladenen Kondensators 24 anliegt, in seinem leitenden Zu stand geschaltet. Diese Spannung wird durch den Mikroschalter 13 über einen Wider stand 11 mit 100 Ω an den Schalteingang (Triggereingang) 12 des Thyristors 6 gelegt. Ein herkömmliches Handteil, wie es beispielsweise von Unitek hergestellt wird, oder ein Schweißkopf 14 enthält einen Mikroschalter 13, der sich lediglich dann schließt, wenn die Spitzen der Schweißelektroden 15 unter einem vorbestimmten Druck gegen einander gedrückt werden, welcher durch ein Einstellen einer Schraube oder einer ähnli chen Vorrichtung 16 eingestellt werden kann.

Somit entlädt sich der Kondensator 24 nur dann durch den Thyristor 6 über das nicht näher dargestellte Werkstück, nachdem ein Druck zwischen den Spitzen 15 ausge übt worden ist und der Herstellung des geeigneten Drucks für das Schweißverfahren.

Gemäß Fig. 3 wird dort eine elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen Sy stems mit einer Ladebatterie 17 (9-12 Volt), einer damit gekoppelte Spannungsregulie rungsdiode 18, einem MOSFET 19, der zwischen der Batterie und dem Kondensator 24 angeordnet ist, einer Ladeflußanzeigelampe 20 und einem Lade-/Entladeschalter 21 dar gestellt.

Der elektrochemische Kondensator 24 (12 V, 1,5 F) wird durch eine Bleisäure batterie (12 V, 4 Ah) aufgeladen, welche typischerweise 2,4 kg wiegt, mit Schultegurten getragen werden kann und mit dem Kondensator durch die Anzeigelampe 20 verbunden ist, die einen Widerstand von ungefähr 1 Ohm aufweist. Die Diode 18 ist zwischen der Batterie 17 und dem Kondensator 24 angeordnet, um sicherzustellen, daß das Ladepo tential nicht 12 V übersteigt.

Um zu Verhindern, daß sich die Batterie 17 während des Schweißens entlädt, wird sie von der Schweißeinheit 14 getrennt, wenn die Thyristorelektroden 1 und 6 leitend werden. Dies wird durch den MOSFET 19 erzielt, welcher seinen Einsatzpunkt dann erreicht, sobald der Mikroschalter 13 in dem Handteil 14 durch ein Gegeneinander drücken der Schweißelektroden geschlossen wird, wodurch der Thyristor 6 eingeschaltet wird.

Fig. 4a und 4b zeigen jeweils den Strom und die Spannung für einen derartigen Kondensator. Es zeigt sich, daß der Strom für eine einzige Schweißung aus einem kur zen Stromimpuls mit einer Spitzenleistung von ungefähr 3000 W für ungefähr 0,5 Milli sekunden besteht, welcher von einem niedrigeren abklingenden Strom gefolgt ist, welcher für die Zeitdauer fließt, die kompatibel mit der Zeitkonstanten des Systems ist, (d. h., welcher mit der für das System kennzeichnenden Zeitkonstanten abklingt) so lange der Schweißschaltkreis geschlossen gehalten wird.

Demgemäß wird ein elektrochemischer Kondensator vorgesehen, der ungefähr 250 Gramm wiegt und in einer herkömmlichen Art und Weise aufgeladen werden kann. Die Energie, welche in ihm gespeichert ist, wird dabei während der Entladung den Werkstücken direkt zugeführt. Dies beseitigt die Notwendigkeit für einen großen und schweren Impulsstromumformer, der gegenwärtig als Energiequelle verwendet wird.

Wegen der engen Befestigung des elektrochemischen Kondensators 24 mit der Klemme des Handteil 14 des Schweißgeräts, wird ebenso die Notwendigkeit für lange Hochleistungs-Schweißkabel beseitigt, welche ansonsten das Handteil mit dem Impuls stromumformer verbindet.

Somit wird ein tragbares und vollständig autonomes Widerstandsschweißsystem vorgesehen, bei welchem all seine Komponenten, einschließlich der Ladebatterien, mit einem Gesamtgewicht von weniger als einem Kilogramm, durch eine Hand des Be nutzers gegriffen werden können.

Zwei Ausführungsformen wurden gemäß den folgenden Eigenschaften gebaut:

Das vollständig autonome Schweißsystem einschließlich der Batterien wiegt 900 Gramm, kann in der Hand gehalten werden und kann über 500 Schweißungen mit je weils 20 Joule bei einer Rate von einer Schweißung pro Sekunde vorsehen. Der Kon densator mit 6 V und 15 F wurde durch eine gesteuerte Energieversorgungsquelle mit 20 V und 10 A wieder aufgeladen, welche mit dem Kondensator über einen elektrischen Standardkupferdraht mit einem Durchmesser von 1 mm verbunden wurde, um eine unbegrenzte Anzahl an Schweißungen mit 30 Joule bei einer Rate von einer Schweißung pro 2 Sekunden vorzusehen. Der Kondensator mit 12 V, 1,5 F kann durch einen Widerstand mit 2 Ω bei 20 W durch Li/SO₂-Batterien der Größe 3C mit 3 V, aufgeladen werden, die in Serie geschaltet und daran befestigt sind. Es kann ebenso durch ein elektronisches Ladegerät mit 12 V bei 300 mA wieder aufgeladen werden.

Es ist somit ersichtlich, daß gemäß dieser Eigenschaften die Menge an gespei cherter Energie in den elektrochemischen Kondensator 24 die erforderliche Energie für Hochleistungs-Widerstandsschweißgeräte erreichen kann, und daß ein Schweißen ef fizient und effektiv ausgeführt wird.

Man schätzt, daß während 10 Millisekunden eine Gesamtenergie von 20 bis 30 Joule durch Erhitzen der Werkstücke verloren geht. Nach einigen Sekunden der Rela xation, können von dem Kondensator ohne Wiederaufladen niedrigere zweite und dritte Impulse erzielt werden. Daraus ist ersichtlich, daß lediglich ein Bruchteil der Energie, welche in dem Kondensator gespeichert ist, ausreichend schnell entnommen werden kann, um genutzt werden zu können. Dies erzeugt jedoch genügend Leistung, um zweie Eisen- oder rostfreie Stahlbleche mit einer Dicke von 0,1 mm durch eine Schweißnaht mit einer Zugfestigkeit von ungefähr 3 kg miteinander zu verbinden.

Die Erfindung ist hinsichtlich einer bestimmten Ausführungsform beschrieben worden. Zahlreiche Zusätze und Änderungen innerhalb des Erfindungsgedanken sind dem Fachmann ersichtlich. Demgemäß wird der Umfang der Erfindung lediglich auf die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Vorrichtung zum Widerstandsimpulsschweißen für Werkstücke mit:
einem Handteil;
einem an die Spitze des Handteils montierten Elektrodenpaar, das in der Lage ist, Schweißstromimpulse einem zu schweißenden Werkstück zuzuführen;
ein elektrochemischer Kondensator, der eine Energieversorgung mit einem hohen Strom und niedriger Spannung vorsieht;
eine Triggervorrichtung, die zwischen dem elektrochemischen Kondensator und den Elektroden angeordnet ist, um über diese Elektroden die in dem elektro chemischen Kondensator gespeicherten Energie in Abhängigkeit von dem Er fassen eines Schwellendrucks zwischen den Elektroden, der die Kraft anzeigt, mit der die Elektroden gegen das Werkstück gedrückt werden, zu entladen.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Triggervorrichtung einen Thy ristor aufweist, wobei der Thyristor in Abhängigkeit von der Anzeige der Elek troden, die gegen das Werkstück gedrückt werden, in seinem leitenden Zustand geschaltet wird.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Einstellvorrichtung für den Schwellendruck der Elektroden enthält, um die in dem elektrochemischen Kondensator gespeicherte Spannung zu entladen.

4. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Energieversorgung für ein Wiederaufladen des elektrochemischen Kondensators enthält.

5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Energieversorgung eine Batterie aufweist.

6. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin einen MOSFET enthält, der zwischen der Batterie und den Elektroden angeordnet ist, um zu verhindern, daß sich die Batterie während die Elektroden gegen das Werkstück gepreßt werden entlädt.