DE102017104896B4

DE102017104896B4 - Kontaktschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102017104896B4
Application number: DE102017104896.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schneider
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2026-02-05
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: WO2018162685A1; DE102017104896A1

Abstract

Kontaktschweißvorrichtung (10) zum gleichzeitigen Verschweißen von zumindest drei Bauteilen (5.1, 5.2, 5.3) miteinander mittels eines Stromimpulses aufweisend:
eine erste Elektrode (1) mit einer ersten Kontaktfläche (1.1) zur Anlage an das erste Bauteil (5.1) und eine zweite Elektrode (2) mit einer zweiten Kontaktfläche (2.1) zur Anlage an das zweite Bauteil (5.3),
wobei die erste Elektrode (1) von der zweiten Elektrode (2) separiert ist und die erste Elektrode (1) zur Anode oder Kathode ausbildbar ist und die zweite Elektrode (2) zur Anode oder Kathode ausbildbar ist,
wobei ein Kurzschlussleiter (3) mit zwei dritten Kontaktflächen (3.1) zur Anlage an zumindest das dritte Bauteil (5.2) vorgesehen ist,
wobei eine Bewegungsrichtung R13 vorgesehen ist, in der die erste Elektrode (1) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist, und wobei eine Bewegungsrichtung R23 vorgesehen ist, in der die zweite Elektrode (2) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist,
wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R13 ein Abstand a1 zwischen der ersten Kontaktfläche (1.1) und dem Kurzschlussleiter (3) verringerbar ist, und wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R23 ein Abstand a2 zwischen der zweiten Kontaktfläche (2.1) und dem Kurzschlussleiter (3) verringerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kurzschlussleiter (3) eine Zylindermittelachse (3.5) aufweist und die erste Kontaktfläche (1.1) in Bezug auf die Zylindermittelachse (3.5) ringförmig ausgebildet ist und/oder die zweite Kontaktfläche (2.1) in Bezug auf die Zylindermittelachse (3.5) ringförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktschweißvorrichtung zum gleichzeitigen Verschweißen von zumindest drei Bauteilen miteinander mittels eines Stromimpulses aufweisend eine erste Elektrode mit einer ersten Kontaktfläche zur Anlage an ein erstes Bauteil und eine zweite Elektrode mit einer zweiten Kontaktfläche zur Anlage an ein zweites Bauteil, wobei die erste Elektrode von der zweiten Elektrode separiert ist und die erste Elektrode zur Anode oder Kathode ausbildbar ist und die zweite Elektrode zur Anode oder Kathode ausbildbar ist, wobei ein Kurzschlussleiter mit zwei dritten Kontaktflächen zur Anlage an zumindest das dritte Bauteil vorgesehen ist, wobei eine Bewegungsrichtung R13 vorgesehen ist, in die die erste Elektrode relativ zum Kurzschlussleiter bewegbar ist, und wobei eine Bewegungsrichtung R23 vorgesehen ist, in die die zweite Elektrode relativ zum Kurzschlussleiter bewegbar ist, wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R13 ein Abstand a1 zwischen der ersten Kontaktfläche und dem Kurzschlussleiter verringerbar ist, und wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R23 ein Abstand a2 zwischen der zweiten Kontaktfläche und dem Kurzschlussleiter verringerbar ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Abgasvorrichtung aufweisend einen Gehäusemantel, einen ersten Gehäusedeckel und einen zweiten Gehäusedeckel, wobei der Gehäusemantel stoffschlüssig mit dem ersten Gehäusedeckel über eine erste Schweißnaht verbunden ist und wobei der Gehäusemantel stoffschlüssig mit dem zweiten Gehäusedeckel über eine zweite Schweißnaht verbunden ist.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verschweißen von drei Bauteilen zu einem Werkstück mittels einer Kontaktschweißvorrichtung.
Aus der US 6 791 051 B2 ist eine Kontaktschweißvorrichtung bekannt. Diese weist zwei Elektroden auf, zwischen denen zwei Bauteile verschweißt werden. Die zwei Elektroden sind relativ zueinander bewegbar, um vor dem Schweißvorgang eine Umformung zu generieren. Vor dem Schweißvorgang werden die Elektroden axial ineinander gefahren und dadurch die Bauteile radial verpresst, wobei sie schließlich an der Kontaktfläche der zweiten Elektrode radial anliegen.
Ferner ist bereits eine Kontaktschweißvorrichtung aus der US 7 476 824 B2 bekannt. Diese besteht aus zwei Elektroden, wobei eine der Elektroden in eine axiale Richtung relativ zu der zweiten bewegbar ist. Dabei weisen die beiden Elektroden mehrere Segmente bzw. Abschnitte auf, zwischen denen jeweils zwei Bauteile axial verpresst und verschweißt werden.
Die DE 10 2006 005 920 A1 zeigt Widerstandsschweißvorrichtungen mit zwei Elektroden, die relativ zueinander bewegbar sind. Die relativen Begegungsrichtungen sind dabei parallel entgegengesetzt oder in einem Winkel von 90° zueinander.
In der US 2004 / 0 258 583 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen eines Gehäusedeckels und eines Gehäusemantels einer Abgasanlage mittels des Widerstandsschweißverfahrens offenbart. Zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäusemantel liegt in dem Bereich, in dem beide aneinander schließen, ein Winkel von 10° bis 45°.
Die DD 234 248 A1 offenbart eine Mehrfach-Doppelpunktschweißmaschine zum Verschweißen von Blechkonstruktionen. Während des Schweißvorgangs werden zwei Elektrodenkollektive abgesenkt, wobei der Stromkreis zunächst vom ersten Elektrodenkollektiv über die zu bearbeitenden Schweißteile hin zu Unterelektroden mit Strombrücken und weiter über die Schweißteile zum zweiten Elektrodenkollektiv geleitet wird.
DE 43 09 906 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gehäuses mit Wellenlagerung mit einem zylindrischen Gehäusemantel, zwei senkrecht zur Gehäuseachse angeordneten Lagerschilden mit darin befestigten zylindrischen Lagerbuchsen und einer konzentrisch zur Gehäuseachse ausgerichteten, durch die Lagerbuchsen nach außen vorstehenden Welle.
JP S61 - 60 279 A lehrt eine Herstellung eines Druckbehälters, wobei ein zylindrisches Gehäuseteil auf eine Vorrichtung aufgesetzt wird, und Deckelteile zusammen mit zwei Elektroden an den beiden Öffnungsteilen des Gehäuses gleichzeitig widerstandsgeschweißt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktschweißvorrichtung derart auszubilden und anzuordnen, dass ein effizientes Verschweißen mehrerer Bauteile ermöglicht wird. Sie ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme oder Nachteile zu überwinden, die mit dem Stand der Technik assoziiert sind.
Gelöst wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Kontaktschweißvorrichtung sowie durch ein Verfahren zum Verschweißen von drei Bauteilen gemäß den Hauptansprüchen. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
Der Kurzschlussleiter der erfindungsgemäßen Kontaktschweißvorrichtung weist eine Zylindermittelachse auf und die erste Kontaktfläche ist in Bezug auf die Zylindermittelachse ringförmig ausgebildet und/oder die zweite Kontaktfläche ist in Bezug auf die Zylindermittelachse ringförmig ausgebildet. Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Elektroden oder auch nur eine der Elektroden wie beispielsweise die zweite Elektrode aktiv bewegbar gelagert, sodass eine Anlagekraft zwischen den drei zu verbindenden Bauteilen generierbar ist. Diese Anlagekraft kann durch das Gewicht der Elektrode oder durch einen separaten Antrieb erreicht werden. Diesbezüglich ist es auch von großem Vorteil, wenn der Kurzschlussleiter nur passiv bewegbar gelagert ist, sodass eine Setzbewegung beim Schweißvorgang möglich ist. Hierdurch wird erreicht, dass drei Bauteile gleichzeitig miteinander verschweißt werden können, während nur die beiden Elektroden unmittelbar mit Spannung beaufschlagt werden und der Kurzschlussleiter nur mittelbar. Der Kurzschlussleiter sorgt für eine elektrische Kopplung bzw. Verbindung zwischen den Elektroden mit sehr geringem elektrischen Widerstand und ermöglicht einen optimalen Stromfluss. Durch den Kurzschlussleiter wird das mittlere zweite Bauteil überbrückt, denn die wesentlichen Teile des zweiten Bauteils werden vor dem hohen Strom während des Kontaktschweißens geschützt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Bauteil Schaden nimmt. Dies ist von Vorteil, gerade wenn das Bauteil einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweist. Zudem wird ein optimaler Schweißvorgang mit maximaler Leistung für beide Schweißzonen bzw. Schweißnähte gewährleistet, weil die Verluste über den Kurzschlussleiter gering sind. Dabei sind die einzelnen Elektroden und der Kurzschlussleiter unabhängig voneinander einteilig oder mehrteilig.
Die erste Schweißnaht und die zweite Schweißnaht sind in einer Abgasvorrichtung mittels einer erfindungsgemäßen Kontaktschweißvorrichtung hergestellt. Optional weist der Gehäusemantel endseitig in einem Bereich e1 der ersten Schweißnaht und in einem Bereich e2 der zweiten Schweißnaht eine in radialer Richtung verlaufende Verformung V1, V2 auf. Die Verformung V1, V2 weist dabei radial in Bezug auf die Zylindermittelachse nach außen oder nach innen. Von Vorteil ist es auch, wenn eine Kontaktschweißvorrichtung wie beschrieben zur Herstellung der ersten und der zweiten Schweißnaht zur Anwendung kommt. Der radialen Verformung des Randes liegt eine Relativbewegung zwischen den zu verbindenden, teilweise keilförmigen Bauteilen in der Schweißzone zugrunde. Diese Relativbewegung hat sowohl eine axiale als auch eine radiale Komponente. Letztere führt zu der genannten radialen Verformung. Insgesamt führt diese Relativbewegung zusammen mit der Anlagekraft zu einer optimalen Materialverbindung während des Schweißprozesses.
Sonstige Vorteile des Kontaktschweißens einer Abgasvorrichtung wie beschrieben, insbesondere gegenüber anderen Schweißverfahren, sind die sehr kurzen Taktzeiten von 2 bis 3 Sekunden bei einer Schweißzeit von unter 30 Millisekunden. Weiterhin werden nur kleine Kontaktflächen benötigt, wodurch Material eingespart werden kann. Für das Schweißen wird kein zusätzliches Material, insbesondere kein zusätzliches Füllmaterial bzw. Gas benötigt. Weiterhin können durch das Kontaktschweißen relativ dünne Materialien miteinander verschweißt werden, wodurch insbesondere in Bezug auf die Abgasvorrichtung Material und Gewicht eingespart werden kann. Weiterhin ist höchste Bauteilsauberkeit gewährleistet, was vorteilhaft auch gerade in Bezug auf Wartungsintervalle ist. Außerdem ist der Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs in den Bauteilen relativ gering und somit ist die thermische Verformung der Bauteile minimiert. Das Kontaktschweißverfahren benötigt einen relativ geringen Gesamtenergiebedarf. Beim Kontaktschweißen wird im Materialgefüge eine Grobkornbildung weitestgehend vermieden, was gerade beim Verschweißen von ferritischen Materialien vorteilhaft für die Haltbarkeit ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Positionieren eines ersten Bauteils an der ersten Elektrode; b) Positionieren eines dritten Bauteils an dem ersten Bauteil; c) Positionieren eines Kurzschlussleiters an dem dritten Bauteil; d) Positionieren eines zweiten Bauteils an dem dritten Bauteil; e) Positionieren einer zweiten Elektrode an dem zweiten Bauteil; f) Anlegen einer Kraft F zwischen der ersten Elektrode und dem Kurzschlussleiter und einer Kraft F zwischen der zweiten Elektrode und dem Kurzschlussleiter, wobei zu diesem Zweck die erste Elektrode und der Kurzschlussleiter relativ zueinander aktiv bewegt werden können und/oder die zweite Elektrode und der Kurzschlussleiter relativ zueinander aktiv bewegt werden können, wobei eine Bewegungsrichtung R13 vorgesehen ist, in die die erste Elektrode relativ zum Kurzschlussleiter bewegbar ist, und eine Bewegungsrichtung R23 vorgesehen ist, in die die zweite Elektrode relativ zum Kurzschlussleiter bewegbar ist, wobei die Bewegungsrichtung R13 zumindest teilweise entgegen der Bewegungsrichtung R23 gerichtet ist; g) Anlegen einer Spannung und Erzeugung eines Stromimpulses zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode und der Kurzschlussleiter relativ zueinander nachgeführt werden und wobei die zweite Elektrode und der Kurzschlussleiter relativ zueinander nachgeführt werden, um die mit dem Stromimpuls und der Kraft einhergehende Verformung der Bauteile zu kompensieren bzw. die Setzbewegung zu gewährleisten; h) Entnahme des Werkstücks; wobei die Schritte a) bis e) alternativ in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden.
Das Verfahren besitzt die bereits diskutierten Vorteile. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist der einfache Aufbau der Schweißanordnung mitsamt den zu verschweißenden Bauteilen, weil ein Aufeinanderstellen dieser Elemente möglich ist. Dazu kann die erste Elektrode fixiert sein und das erste Bauteil wird aufgelegt. Anschließend wird das zweite Bauteil aufgelegt und dann der Kurzschlussleiter an das zweite Bauteil angelegt, wobei er nur gegen Verrutschen/Umfallen gesichert sein muss. Dann wird das dritte Bauteil auf das zweite Bauteil aufgelegt und anschließend die zweite Elektrode aufgesetzt. Allein durch die Schwerkraft wird somit ein stabiler Aufbau gewährleistet. Ein Vorteil ist dabei, dass für den Schweißprozess eine erhöhte Kraft F nur auf eine Elektrode bzw. die zweite Elektrode ausgeübt werden muss, wobei der Kurzschlussleiter nur geführt werden muss und die andere Elektrode, also die erste Elektrode fixiert ist. Wenn die oberste Elektrode schwer genug ist, ist die Gewichtskraft derselben ausreichend. Somit muss nur eine der Elektroden aktiv bewegt werden und der Kurzschlussleiter muss nur nachführbar gelagert sein. Die Kraft F ist parallel zu den Bewegungsrichtungen R13, R23 ausgerichtet.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Bewegungsrichtung R13 parallel zur Bewegungsrichtung R23 ausgerichtet ist oder wenn die Bewegungsrichtungen R13, R23 einen Winkel > 0° einschließen. Sind die Bewegungsrichtungen R13, R23 parallel, sind sie entweder entgegen- oder gleichgerichtet. Die Bewegungsrichtungen R13, R23 ergeben sich aus der Geometrie der Bauteile und der Geometrie der Kontaktschweißvorrichtung.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Kontaktfläche zumindest eine 1a_Zone mit einem 1a_Normalenvektor und wenn jede dritte Kontaktfläche eine 3a_Zone mit einem 3a_Normalenvektor aufweist und wenn die zweite Kontaktfläche zumindest eine 2a_Zone mit einem 2a_Normalenvektor aufweist, wobei der Winkel α zwischen dem 1a_Normalenvektor und dem 3a_Normalenvektor zwischen 130° und 170° beträgt oder zwischen 145° und 155° beträgt oder 150° beträgt, und/oder wenn der Winkel β zwischen dem 2a_Normalenvektor und dem 3a_Normalenvektor und/oder dem 3b_Normalenvektor zwischen 130° und 170° beträgt oder zwischen 145° und 155° beträgt oder 150° beträgt. Vorteilhafterweise ist Winkel α gleich Winkel β, wobei am vorteilhaftesten in Bezug auf die voranstehende Bedingung eine Toleranz von 5° zugelassen wird. Es können aber auch beide Winkel α, β unabhängig voneinander ausgebildet sein.
Werden über die Elektroden oder den Kurzschlussleiter axiale Kräfte auf die zu verschweißenden Bauteile übertragen, so generieren diese aufgrund der Winkel α und β jeweils eine radiale Kraftkomponente. Die radiale Richtung bezieht sich dabei auf die Mittelachse der Kurzschlusselektrode. Für die folgende Diskussion wird angenommen, dass die Bewegungsrichtungen R13, R23 parallel zu der Zylindermittelachse verlaufen, dies ist aber keinesfalls zwingend. Mittels der Winkel α bzw. β lässt sich die radiale Kraftkomponente steuern, wodurch ein optimaler Kontakt zwischen beiden Bauteilen erzielt werden kann. Zudem wird eine Optimierung des Kontaktes erreicht, da die radiale Komponente der Kraft das Bauteil verformt und dabei die Auflagekraft desselben auf der entsprechenden Kontaktfläche der Kurzschlusselektrode vergrößert. Ist der entsprechende Winkel dagegen kleiner als der beanspruchte Bereich, dann wird die radiale Kraft kleiner und der Schweißvorgang ist weniger effektiv. Die Anzahl der Zonen ist beliebig. Bei großer Anzahl von Zonen nähert sich die Form der Kreisform.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die erste Kontaktfläche eine zweite 1b_Zone mit einem 1b_Normalenvektor aufweist und wenn die zweite Kontaktfläche eine zweite 2b_Zone mit einem 2b_Normalenvektor aufweist, wobei der 1b_Normalenvektor in Richtung der Bewegungsrichtung R13 zeigt und/oder der 2b_Normalenvektor in Richtung der Bewegungsrichtung R23 zeigt. Durch das Ausbilden verschiedenster Zonen ist es möglich, den Kontakt zwischen den entsprechenden Bauteilen und der Kontaktfläche weiter zu optimieren, insbesondere dann, wenn die Geometrie der einzelnen Elektroden und/oder des Kurzschlussleiters den Bauteilen angepasst ist. Die hier beschriebene Zonenvariante eignet sich in besonderem Maße für das Verschweißen der Abgasvorrichtung.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Kurzschlussleiter als Zylinder mit einer Zylindermittelachse ausgebildet ist, wobei der Zylinder in Umfangsrichtung U in ein erstes Zylindersegment und zumindest in ein zweites Zylindersegment teilbar ist, wobei die Zylindersegmente jeweils zwei Verbindungsflächen aufweisen, an denen die Zylindersegmente kontaktierbar sind. Vorteilhafterweise ist die erste Kontaktfläche ringförmig ausgebildet und/oder die zweite Kontaktfläche ist ringförmig ausgebildet. Ferner ist vorteilhaft, wenn die Bewegungsrichtung R13 und/oder die Bewegungsrichtung R23 parallel zur Zylindermittelachse sind. Da der Zylinder aus teilbaren Zylindersegmenten besteht, ist es möglich, sie um ein Bauteil zu legen und damit in dem geschlossenen Zylinder ein Bauteil aufzunehmen. Da die Zylindersegmente kontaktierbar sind, kann der gesamte Zylinder von Strom durchflossen werden, damit ist der Widerstand der Kurzschlusselektrode minimiert, auch im Übergang zwischen beiden Segmenten.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Kurzschlussleiter eine 3a_Zone und eine 3b_Zone aufweist, wobei die 3a_Zone und die 3b_Zone gleichzeitig an ein einzelnes Bauteil anlegbar sind. Die 3a_Zone ist parallel oder auch nur koaxial zur 3b_Zone. Auf der 3b_Zone steht ein 3b_Normalenvektor, welcher in diesem Fall parallel zum 3a_Normalenvektor ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der 3b_Normalenvektor unabhängig vom 3a_Normalenvektor ist und beide Vektoren dann in unterschiedliche Richtungen zeigen. Das Verhältnis beider Vektoren kann über den Umfang auch variieren.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die 3a_Zone und die 3b_Zone mit Bezug zur Zylindermittelachse mit einem Abstand a3 zueinander an unterschiedlichen Enden des Kurzschlussleiters vorgesehen sind. Dadurch ist gewährleistet, dass der Kurzschlussleiter über seine gesamte Länge zum Kurzschluss beiträgt. Damit einher gehen ein weitreichender Schutz des Bauteils und ein platzsparender Aufbau der Kontaktschweißvorrichtung.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn sich der elektrische Widerstand der einzelnen Elektroden und des Kurzschlussleiters maximal um Faktor 1,3 bis 2 unterscheidet. Dabei kann der Faktor aber auch 1 bis 10 oder etwa 2 bis 8, aber auch 3 bis 5 betragen. Vorteilhaft kann auch sein, wenn die erste Elektrode baugleich mit der zweiten Elektrode ist oder wenn zumindest eine der Elektroden und der Kurzschlussleiter aus dem gleichen Material sind. Vorzugsweise sind beide Elektroden aus dem gleichen Material. Dies ist entscheidend, da das Material die Größe des elektrischen Widerstands bestimmt.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Gehäusedeckel einen ersten Durchzug und/oder der zweite Gehäusedeckel einen zweiten Durchzug aufweist. Der Durchzug erlaubt insbesondere das Führen eines Abgasrohrs durch die Abgasvorrichtung. Damit einher geht eine ringförmige Ausgestaltung der jeweiligen Elektroden.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn im Verfahrensschritt c) zumindest zwei Zylindersegmente des Kurzschlussleiters an dem dritten Bauteil positioniert werden, wobei die Zylindersegmente und das dritte Bauteil miteinander kontaktiert werden. Wenn das zweite Bauteil dabei auf dem ersten Bauteil aufsteht, ist ein einfacher, sequentieller Aufbau der einzelnen Segmente um das Bauteil herum möglich.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn im Verfahrensschritt f) ein Optimieren des Kontakts zwischen dem Kurzschlussleiter und dem dritten Bauteil erfolgt durch Anwenden einer Normalkraft FN mit einer radialen Komponente RF zwischen der ersten Elektrode und dem Kurzschlussleiter sowie zwischen der zweiten Elektrode und dem Kurzschlussleiter. Die Normalkraft FN verläuft parallel zu einem 1a_Normalenvektor bzw. einem 2a_Normalenvektor und resultiert aus der Kraft F.
Ein optimierter Kontakt zwischen Bauteil und Elektrode führt zu einer geringen Wärmeentwicklung im Bauteil und damit einem geringen Energie- bzw. Spannungsverlust am Kontakt. Die Kraft F wird optimiert durch eine radiale Komponente RF einer Kraft FN parallel zu den jeweiligen Normalenvektoren 1a, 2a der jeweiligen Zone 1a, 2a.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

1 einen Querschnitt der Kontaktschweißvorrichtung;
2a einen Detailausschnitt aus 1;
2b einen weiteren Detailausschnitt aus 1;
3 eine Prinzipskizze eines zylinderförmigen Kurzschlussleiters;
4a eine Abgasvorrichtung vor dem Kontaktschweißvorgang;
4b eine Abgasvorrichtung nach dem Kontaktschweißvorgang;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform.

Eine Kontaktschweißvorrichtung 10 nach 1 umfasst eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und einen Kurzschlussleiter 3. Mithilfe der Kontaktschweißvorrichtung 1 wird eine Abgasvorrichtung 5, umfassend einen ersten Gehäusedeckel 5.1, einen Gehäusemantel 5.2 und einen zweiten Gehäusedeckel 5.3, geschweißt.
Der erste Gehäusedeckel 5.1 weist einen Durchzug 5.6 und eine ringförmige Abkantung 5.1a, wie beispielsweise in 4a gezeigt, auf. Die Abkantung 5.1a teilt den ersten Gehäusedeckel 5.1 in zwei Bereiche auf. Der innere Bereich liegt zwischen dem Durchzug 5.6 und der Abkantung 5.1a. Der innere Bereich ist flach und ringförmig. Die Abkantung 5.1a ist kegelringförmig. Der Gehäusemantel 5.2 ist zylindrischer Form. Der zweite Gehäusedeckel 5.3 weist ebenfalls einen Durchzug 5.7 und eine ringförmige Abkantung 5.3a auf.
Der Gehäusemantel 5.2 steht auf der Abkantung 5.1a des Gehäusedeckels 5.1 auf. Der Innendurchmesser der Abkantung 5.1a ist kleiner als der Innendurchmesser des Gehäusemantels 5.2.
Der zweite Gehäusedeckel 5.3 liegt in entsprechender Weise mit der Abkantung 5.3a auf dem Gehäusemantel 5.2 auf. Der Durchmesser der Abkantung 5.3a ist ebenfalls kleiner als der Innendurchmesser des Gehäusemantels 5.2. Der erste Gehäusedeckel 5.1 ist von gleicher Form wie der zweite Gehäusedeckel 5.3. Die Blechstärke des ersten Gehäusedeckels 5.1, des zweiten Gehäusedeckels 5.3 und des Gehäusemantels 5.2 ist gleich.
Die erste Elektrode 1 gemäß 1 ist ringförmig und weist einen zentralen Durchzug 1.6 auf, der koaxial zu dem Durchzug 5.6 liegt. Die erste Elektrode 1 hat ferner eine erste Kontaktfläche 1.1, die dem Gehäusedeckel 5.1 nach ausgebildet ist. Die erste Kontaktfläche 1.1 weist eine 1a_Zone 1.2 sowie eine 1b_Zone 1.4 auf. Beide Zonen 1.2, 1.4 sind gegeneinander abgewinkelt. Die Abwinklung entspricht der Abkantung 5.1a, erneut wie in 4a gezeigt. Die erste Kontaktfläche 1.1 ist somit kongruent zu einer Oberfläche des ersten Gehäusedeckels 5.1. Über die erste Kontaktfläche 1.1 sind die erste Elektrode 1 und der Gehäusedeckel 5.1 zur Anlage gebracht.
Auch die zweite Elektrode 2 gemäß 1 ist ringförmig und weist einen zentralen Durchzug 2.6 auf, der koaxial zu einem Durchzug 5.7 angeordnet ist. Weiterhin weist die zweite Elektrode 2 eine zweite Kontaktfläche 2.1 auf. Die zweite Kontaktfläche 2.1 weist eine 2a_Zone 2.2 sowie eine 2b_Zone 2.4 auf. Beide Zonen 2.2, 2.4 sind gegeneinander abgewinkelt. Die Abwinklung entspricht der Abkantung 5.3a, erneut wie in 4a gezeigt. Die zweite Kontaktfläche 2.1 ist kongruent zu einer Oberfläche des zweiten Gehäusedeckels 5.3. An der zweiten Kontaktfläche 2.1 sind die zweite Elektrode 2 und das zweite Bauteil 5.3 zur Anlage gebracht.
Der Kurzschlussleiter 3 nimmt den Gehäusemantel 5.2 auf. Der Kurzschlussleiter 3 weist zwei dritte Kontaktflächen 3.1 auf, die wiederum in eine kreisringförmige 3a_Zone 3.2 und eine kreisringförmige 3b_Zone 3.4 aufgeteilt sind. Beide Zonen 3.2, 3.4 haben einen Abstand a3 zueinander. Die dritten Kontaktflächen 3.1 und damit die jeweilige 3a_Zone 3.2 und die jeweilige 3b_Zone 3.4 sind an den Gehäusemantel 5.2 zur Anlage gebracht. Weiterhin weist der Kurzschlussleiter 3 eine Zylindermittelachse 3.5 auf. Koaxial zu dieser Zylindermittelachse 3.5 liegen der Durchzug 1.6 und der Durchzug 2.6.
Die Zonen 3.4, 3.2 wie in 1 gezeigt sind jeweils endseitig an dem Kurzschlussleiter 3 vorgesehen. Die Zonen 3.2, 3.4 stehen radial nach innen zum Gehäusemantel 5.2 hervor und verlaufen koaxial zur Zylindermittelachse 3.5. Die 3a_Zone 3.2 ist rechtwinklig zur 1b_Zone 1.4. Die 3b_Zone 3.4 ist rechtwinklig zur 2b_Zone 2.4.
Die erste Elektrode 1 und der Kurzschlussleiter 3 sind relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung R13 bewegbar. Die zweite Elektrode 2 und der Kurzschlussleiter 3 sind relativ zueinander in einer Bewegungsrichtung R23 bewegbar. Zur Erzeugung der Bewegungen reicht es aus, wenn zum Beispiel die zweite Elektrode 2 aktiv bewegt wird und den Kurzschlussleiter 3 mitbewegt, solange die erste Elektrode 1 fixiert ist. Die Bewegungsrichtungen R13 und R23 verlaufen parallel zu der Zylindermittelachse 3.5, wobei sie in einander entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind.
Gemäß 2a bzw. 2b weist jede dritte Kontaktfläche 3.1 des Kurzschlussleiters 3 einen 3a_Normalenvektor 3.3 bzw. einen 3b_Normalenvektor 3.9 auf, der jeweils rechtwinklig zu den Bewegungsrichtungen R13, R23 verläuft. Ferner weist die 2a_Zone 2.2 einen 2a_Normalenvektor 2.3 auf. Nach 1 bis 2b weist jede dritte Kontaktfläche 3.1 eine 3a_Zone 3.2 und eine 3b_Zone 3.4 auf, wobei der jeweiligen Zone 3.2, 3.4 ein 3a_Normalenvektor 3.3 bzw. ein 3b_Normalenvektor 3.9 zugewiesen ist. Auf der 2b_Zone 2.4 steht ein 2b_Normalenvektor 2.5, der parallel und in Richtung der Bewegungsrichtung R23 verläuft. Die 2a_Zone 2.2 bzw. die zweite Elektrode 2 und jede dritte Kontaktfläche 3.1 bzw. der Kurzschlussleiter 3 weisen einen Abstand a2 auf, der beim Schweißvorgang verringert wird.
Der 3b_Normalenvektor 3.9 und der 2a_Normalenvektor 2.3 schließen einen Winkel β ein. Der Winkel β beträgt 135°. Die 2a_Zone 2.2 und die 2b_Zone 2.4 sind gegeneinander im Winkel (270° - β) abgewinkelt.
Eine Kraft F verläuft in Richtung und parallel zu der Bewegungsrichtung R23. Die Kraft F ist ursächlich für Normalkräfte FN, die parallel zu dem 2a_Normalenvektor 2.3 verlaufen. Diese Normalkraft FN hat eine radiale Komponente RF, deren Betrag von dem Winkel β abhängig ist. Je größer der Winkel β ist, desto größer ist auch die radiale Komponente RF.
Gemäß 2b weist die 1a_Zone 1.2 der ersten Kontaktfläche 1.1 einen 1a_Normalenvektor 1.3 auf. Jede dritte Kontaktfläche 3.1, insbesondere die entsprechende 3a_Zone 3.2, weist einen 3a_Normalenvektor 3.3 auf. Die erste Elektrode 1 weist weiterhin die 1b_Zone 1.4 auf, auf der ein 1b_Normalenvektor 1.5 steht, welcher parallel und gleichgerichtet zur Bewegungsrichtung R13 verläuft. Zwischen der 1a_Zone 1.2 bzw. der ersten Elektrode 1 und der jeweiligen dritten Kontaktfläche 3.1 bzw. dem Kurzschlussleiter 3 besteht ein Abstand a1, der ebenfalls beim Schweißvorgang verringert wird.
Der 1a_Normalenvektor 1.3 und der 3a_Normalenvektor 3.3 schließen einen Winkel α ein. Der Winkel α hat 135°. Damit entspricht der Winkel α dem Winkel β. Die 1a_Zone 1.2 und die 1b_Zone 1.4 sind gegeneinander im Winkel (270° - α) abgewinkelt.
Die Kraft F verläuft parallel und in Richtung der Bewegungsrichtung R23. Sie resultiert in die Normalkräfte FN, die parallel zu dem 1a_Normalenvektor 1.3 verlaufen. Diese Normalkraft FN hat eine radiale Komponente RF, deren Betrag von dem Winkel α abhängig ist. Je größer der Winkel α ist, desto größer ist auch die radiale Komponente RF.
Der Kurzschlussleiter 3 ist gemäß 3 ein Ringzylinder. In der gezeigten Ausführungsform weist der Kurzschlussleiter 3 ein erstes Zylindersegment 3.6 und ein zweites Zylindersegment 3.7 auf, die in Umfangsrichtung U gegeneinander an Verbindungsflächen 3.8 kontaktiert sind. Der Kurzschlussleiter 3 hat eine Zylindermittelachse 3.5. Die Verbindungsflächen 3.8 verlaufen in axialer Richtung zur Zylindermittelachse 3.5.
Nach der Explosionsdarstellung gemäß 4a ist die Abgasvorrichtung 5 noch nicht verschweißt. Die relative Lage zwischen beiden Gehäusedeckeln 5.1, 5.3 und dem Gehäusemantel 5.2 ist ähnlich zu der in 1 gezeigten. In 4b ist die Abgasvorrichtung 5 nach dem Schweißvorgang dargestellt. In den zwei vergrößerten Ausschnitten ist eine Schweißnaht 5.5 zwischen dem zweiten Gehäusedeckel 5.3 und dem Gehäusemantel 5.2 sowie eine Schweißnaht 5.4 zwischen dem ersten Gehäusedeckel 5.1 und dem Gehäusemantel 5.2 vorgesehen. Nach dem Schweißvorgang zeigt insbesondere der Gehäusemantel 5.2 in einem Bereich e1 der Schweißnaht 5.4 eine Verformung V1 und in einem Bereich e2 der Schweißnaht 5.5 eine Verformung V2. Die Verformungen V1, V2 sind zurückzuführen auf die radiale Kraft RF und weisen in radialer Richtung nach außen. Die Verformungen V1, V2 entstehen während des Schweißvorgangs, wenn die Gehäusedeckel 5.1, 5.3 durch die Elektroden 1, 2 gegen den Rand des Gehäusemantels 5.2 gedrückt werden. Ursächlich hierfür ist ergänzend zur Anlagekraft die Keilwirkung der kegelringförmigen Abkantung 5.1a, 5.3a des Deckelrandes.
Gemäß 5 und 6 sind zwei nicht beanspruchte Kontaktschweißvorrichtungen 10 beschrieben mit abweichender Architektur der Elektroden 1, 2 und des Kurzschlussleiters 3. Dadurch verlaufen nach 5 die Bewegungsrichtung R13 und Bewegungsrichtung R23 parallel und gleichgerichtet. Nach 6 verlaufen die Bewegungsrichtungen R13, R23 in einem rechten Winkel zueinander. Nach Ausführungsbeispiel gemäß 5 weisen die dritten Kontaktflächen 3.1 des Kurzschlussleiters 3 keine Zonen auf. Dahingegen weist der Kurzschlussleiter 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel 6 eine 3a_Zone 3.2 und auch eine 3b_Zone 3.4 auf. Die Bauteile 5.1, 5.2 und 5.3 sind über die Kontaktflächen 3.1, 3.2, 3.3 in beiden 5 und 6 jeweils an Schweißpunkten S miteinander verschweißt.
Bezugszeichenliste

1: erste Elektrode
1.1: erste Kontaktfläche
1.2: 1a_Zone
1.3: 1a_Normalenvektor
1.4: 1b_Zone
1.5: 1b_Normalenvektor
1.6: Durchzug
2: zweite Elektrode
2.1: zweite Kontaktfläche
2.2: 2a_Zone
2.3: 2a_Normalenvektor
2.4: 2b_Zone
2.5: 2b_Normalenvektor
2.6: Durchzug
3: Kurzschlussleiter
3.1: dritte Kontaktfläche
3.2: 3a_Zone
3.3: 3a_Normalenvektor
3.4: 3b_Zone
3.5: Zylindermittelachse
3.6: erstes Zylindersegment
3.7: zweites Zylindersegment
3.8: Verbindungsfläche
3.9: 3b_Normalenvektor
5: Werkstück, Abgasvorrichtung
5.1: erstes Bauteil, erster Gehäusedeckel
5.1a: Abkantung
5.2: drittes Bauteil, Gehäusemantel
5.3: zweites Bauteil, zweiter Gehäusedeckel
5.3a: Abkantung
5.4: erste Schweißnaht
5.5: zweite Schweißnaht
5.6: Durchzug
5.7: Durchzug
10: Kontaktschweißvorrichtung
α: Winkel
β: Winkel
a1: Abstand
a2: Abstand
a3: Abstand
e1: Bereich der ersten Schweißnaht
e2: Bereich der zweiten Schweißnaht
F: Kraft
FN: Normalkraft
R13: Bewegungsrichtung
R23: Bewegungsrichtung
RF: radiale Komponente
S: Schweißpunkt
U: Umfangsrichtung
V1, V2: Verformung

Claims

Kontaktschweißvorrichtung (10) zum gleichzeitigen Verschweißen von zumindest drei Bauteilen (5.1, 5.2, 5.3) miteinander mittels eines Stromimpulses aufweisend: eine erste Elektrode (1) mit einer ersten Kontaktfläche (1.1) zur Anlage an das erste Bauteil (5.1) und eine zweite Elektrode (2) mit einer zweiten Kontaktfläche (2.1) zur Anlage an das zweite Bauteil (5.3), wobei die erste Elektrode (1) von der zweiten Elektrode (2) separiert ist und die erste Elektrode (1) zur Anode oder Kathode ausbildbar ist und die zweite Elektrode (2) zur Anode oder Kathode ausbildbar ist, wobei ein Kurzschlussleiter (3) mit zwei dritten Kontaktflächen (3.1) zur Anlage an zumindest das dritte Bauteil (5.2) vorgesehen ist, wobei eine Bewegungsrichtung R13 vorgesehen ist, in der die erste Elektrode (1) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist, und wobei eine Bewegungsrichtung R23 vorgesehen ist, in der die zweite Elektrode (2) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist, wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R13 ein Abstand a1 zwischen der ersten Kontaktfläche (1.1) und dem Kurzschlussleiter (3) verringerbar ist, und wobei über die Bewegung in Bewegungsrichtung R23 ein Abstand a2 zwischen der zweiten Kontaktfläche (2.1) und dem Kurzschlussleiter (3) verringerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussleiter (3) eine Zylindermittelachse (3.5) aufweist und die erste Kontaktfläche (1.1) in Bezug auf die Zylindermittelachse (3.5) ringförmig ausgebildet ist und/oder die zweite Kontaktfläche (2.1) in Bezug auf die Zylindermittelachse (3.5) ringförmig ausgebildet ist.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung R13 parallel zur Bewegungsrichtung R23 ausgerichtet ist oder dass die Bewegungsrichtung R13 entgegen der Bewegungsrichtung R23 gerichtet ist.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (1.1) zumindest eine 1a_Zone (1.2) mit einem 1a_Normalenvektor (1.3) aufweist und dass jede dritte Kontaktfläche (3.1) eine 3a_Zone (3.2) mit einem 3a_Normalenvektor (3.3) aufweist und dass die zweite Kontaktfläche (2.1) zumindest eine 2a_Zone (2.2) mit einem 2a_Normalenvektor (2.3) aufweist, wobei ein Winkel α zwischen dem 1a_Normalenvektor (1.3) und dem 3a_Normalenvektor (3.3) zwischen 130° und 170° oder zwischen 145° und 155° oder 150° beträgt, und/oder dass ein Winkel β zwischen dem 2a_Normalenvektor (2.3) und dem 3a_Normalenvektor (3.3) zwischen 130° und 170° oder zwischen 145° und 155° oder 150° beträgt.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (1.1) eine 1b_Zone (1.4) mit einem 1b_Normalenvektor (1.5) aufweist und dass die zweite Kontaktfläche (2.1) eine 2b_Zone (2.4) mit einem 2b_Normalenvektor (2.5) aufweist, wobei der 1b_Normalenvektor (1.5) in Richtung der Bewegungsrichtung R13 zeigt und/oder der 2b_Normalenvektor (2.5) in Richtung der Bewegungsrichtung R23 zeigt.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussleiter (3) als Zylinder mit der Zylindermittelachse (3.5) ausgebildet ist, wobei der Zylinder in Umfangsrichtung U in ein erstes Zylindersegment (3.6) und zumindest in ein zweites Zylindersegment (3.7) teilbar ist, wobei die Zylindersegmente (3.6, 3.7) jeweils zwei Verbindungsflächen (3.8) aufweisen, an denen die Zylindersegmente (3.6, 3.7) kontaktierbar sind.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussleiter (3) die 3a_Zone (3.2) und eine 3b_Zone (3.4) aufweist, wobei die 3a_Zone (3.2) und die 3b_Zone (3.4) gleichzeitig an das dritte Bauteil (5.2) anlegbar sind.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die 3a_Zone (3.2) und die 3b_Zone (3.4) mit Bezug zur Zylindermittelachse (3.5) mit einem Abstand a3 zueinander an unterschiedlichen Enden des Kurzschlussleiters (3) vorgesehen sind.
Kontaktschweißvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der elektrische Widerstand der einzelnen Elektroden (1, 2) und des Kurzschlussleiters (3) maximal um Faktor 1,3 bis 2 unterscheidet.
Verfahren zum Verschweißen von drei Bauteilen (5.1, 5.2, 5.3) zu einem Werkstück (5) mittels einer Kontaktschweißvorrichtung (10), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Positionieren eines ersten Bauteils (5.1) an der ersten Elektrode (1); b) Positionieren eines dritten Bauteils (5.2) an dem ersten Bauteil (5.1); c) Positionieren eines Kurzschlussleiters (3) an dem dritten Bauteil (5.2); d) Positionieren eines zweiten Bauteils (5.3) an dem dritten Bauteil (5.2); e) Positionieren einer zweiten Elektrode (2) an dem zweiten Bauteil (5.3); f) Anlegen einer Kraft F zwischen der ersten Elektrode (1) und dem Kurzschlussleiter (3) und einer Kraft F zwischen der zweiten Elektrode (2) und dem Kurzschlussleiter (3), wobei eine Bewegungsrichtung R13 vorgesehen ist, in die die erste Elektrode (1) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist, und eine Bewegungsrichtung R23 vorgesehen ist, in die die zweite Elektrode (2) relativ zum Kurzschlussleiter (3) bewegbar ist, wobei die Bewegungsrichtung R13 entgegen der Bewegungsrichtung R23 gerichtet ist; g) Anlegen einer Spannung und Erzeugung eines Stromimpulses zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2), wobei die erste Elektrode (1) und der Kurzschlussleiter (3) relativ zueinander nachgeführt werden und wobei die zweite Elektrode (2) und der Kurzschlussleiter (3) relativ zueinander nachgeführt werden, um die mit dem Stromimpuls und der Kraft F einhergehende Verformung der Bauteile (5.1, 5.2, 5.3) zu kompensieren; h) Entnahme des Werkstücks (5); wobei die Schritte a) bis e) alternativ in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden.
Verfahren zum Verschweißen von drei Bauteilen (5.1, 5.2, 5.3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c) zumindest zwei Zylindersegmente (3.6, 3.7) des Kurzschlussleiters (3) an dem dritten Bauteil (5.2) positioniert werden, wobei die Zylindersegmente (3.6, 3.7) und das dritte Bauteil (5.2) miteinander kontaktiert werden.