DE2361646A1

DE2361646A1 - Verfahren und vorrichtung zum nahtschweissen

Info

Publication number: DE2361646A1
Application number: DE2361646A
Authority: DE
Inventors: Robert H Blair
Original assignee: Resistance Welder Corp
Current assignee: Resistance Welder Corp
Priority date: 1972-12-11
Filing date: 1973-12-11
Publication date: 1974-06-20
Also published as: DE2361646B2; US3823300A; GB1442649A; CA993961A; DE2361646C3; AU6339673A; AU468301B2; JPS49135846A

Description

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Resistance Welder Corporation Bay City, Michigan / USA

Verfahren und Vorrichtung zum Nahtschweißen

Die Erfindung betrifft allgemein die Widerstandsnahtschweißung/ bei der Schweißelektroden einphasiger Wechselstrom derart zugeführt wird, daß sich eine Folge von abwechselnden Schweiß- und Kühlstufen synchron mit der Frequenz des Wechselstroms ergibt.

Bei den bekannten Nahtschweißvorrichtungen dieser Art erstrecken sich die Erhitzungszeit- bzw. die Schweißimpulse über eine oder mehrere volle Perioden des Netzfrequenzwechselstroms, gefolgt von einer Abkühlzeit bzw. einer Zwischenimpulszeit mit einer Dauer von ebenfalls einer oder mehreren vollen Stromperioden. Bei derartigen Vorrichtungen muß der verwendete.Strom eine bestimmte minimale Forderung hinsichtlich des Momentanwertes erfüllen, da unter einem bestimmten Wert bei Blechmaterial gegebener Dicke keine Schweißung erreicht wird. Eine zweite Forderung bei den bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß das Verhältnis von Spitzenstrom zu Mittelwertstrom beträchtlich größer als Eins sein muß, und eine dritte Forderung besteht darin, daß die Spitzenwerte des Stroms

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eine geeignete Frequenz haben sollten, um die geforderte Anzahl von Schweißungen pro Längeneinheit des durchlaufenden Materials zu erreichen.

Die Anwendung von Erhitzungszeit- und Kühlzeitperioden, die eine oder mehrere vollständige Stromperioden umfassen, erhöht selbstverständlich das Verhältnis von Spitzenwertstrom zu Mittelwertstrom. Die Schweißgeschwindigkeit muß außerdem notwendigerweise von der Frequenz der Schweißimpulse gesteuert werden, die notwendig sind, um die erforderliche Anzahl von Schweißungen pro Längeneinheit zu erzeugen, und bei solchen Vorrichtungen können Geschwindigkeiten nicht überschritten werden, die üblicherweise als normale Geschwindigkeiten für verschiedene Materialdicken angewandt werden. Bei großen Produktionsstraßen, wie z.B. bei der Herstellung von Fahrzeugen, Gerätegehäusen und Wärmeaustauscherteilen, ist es für die Nahtschweißvorrichtung wichtig, ihre Funktion so schnell wie möglich zu erfüllen, so daß die Produktionsgeschwindigkeiten so schnell wie möglich sein können.

Es wurden auch bestimmte Änderungen wie z.B. in der US-PS 2 092 093 vorgeschlagen, wonach der Schweißstrom symmetrisch am Mittelpunkt der Halbperiode zugeführt wird, um dünne Teile wie übliche Zinndosen zu schweißen. Weitere Schweißvorrichtungen sind aus den US-PS 2 175 920, 2 243 832, 2 429 186, 2 394 004, 3 569 659, 2 415 708 und 2 413 083 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum frequenzsynchronisierten, schnellen Widerstandsnahtschweißen zu schaffen.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, bei dem ein Elektrodenmechanismus und das zu schweißende Material mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Form der zurück-

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gelegten Strecke kontinuierlich relativ bewegt werden, während sie in einem Druckschweißzustand gehalten werden., und daß dem Elektrodenmechanismus Wechselstromimpulse nur während eines Bruchteils des Anteils mit kleinerer als der maximalen · Amplitude der aufeinanderfolgenden Stromhalbperioden zugeführt werden. Zwischen den Stromzuführungsabschnitten wird der Strom im wesentlichen unterbrochen, um die Abkühlung zu ermöglichen. Die relative Nahtschweißbewegung des Elektrodenmechanismus und des zu schweißenden Materials wird mit der Dauer der'Schweißung und der Kühlperioden koordiniert, um schneller eine Linie gleichmäßiger Schweißpunkte zu bilden. Mit diesem Verfahren kann man auch bei normalen Schweißgeschwindigkeiten relativ dicke Materialien schweißen.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ermöglicht es z.B. um 400 % schneller als mit den bekannten Verfahren zu schweißen. Dadurch können große Einsparungen beim Nahtschweißen von Material unterschiedlicher Dicke erreicht wer den' und dadurch eifrält man eine weitaus wirtschaftlichere Herstellung von Konstruktionen und Vorrichtungen aller Art.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es nicht nur, schneller zu schweißen, sondern auch aufgrund der niedrigen Gesamtwärme in der Schweißstelle eine verbesserte Schweißqualität zu erreichen. Außerdem wird ein niedrigerer Gesamteffektivschweißstrom benötigt und man erreicht daher eine längere Elektrodenlebensdauer. Außerdem kann das Verfahren sowohl zum Schweißen mit hoher Geschwindigkeit als auch mit niedriger Geschwindigkeit angewandt werden.

Durch die Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Nahtschweißen geschaffen, die eine Schaltungsanordnung mit einem Schalttransformator aufweist, der gesättigt ist/ wenn die Schaltungsanordnung in dem Zustand für den Betrieb mit hoher Geschwindigkeit ist, wodurch ein Überstromschutz geschaffen wird/ wenn die Vorrichtung zusammen mit üblichen Schutzgeräten verwendet wird.

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Aufgrund der Erfindung können Schweißnähte mit gleichbleibend hoher Qualität erzeugt werden, wobei die Schweißpunkte gleichmäßig optimale Größe haben und verspratzte Schweißstellen und Schweißstellen geringer Festigkeit infolge übermäßiger Wärmezufuhr vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung, die zum Schweißen mit normaler ebenso wie mit hoher Geschwindigkeit verwendet werden kann,

Figur 2 ein Diagramm, aus dem der zeitliche Verlauf der Stromzuführungsabschnitte hervorgeht, wenn die Vorrichtung mit hohen Geschwindigkeiten schweißt, und

Figur 3 ein ähnliches Diagramm, aus dem der zeitliche Verlauf der Stromzuführungsabschnitte hervorgeht, wenn die Vorrichtung mit üblicher Schweißgeschwindigkeit arbeitet.

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Fig. 1 zeigt zwei übliche scheibenförmige Schweißelektroden IO und 11 zum Schweißen zweier überlappter Metallbleche 12 und 13. Die Elektroden 10 und 11 haben den üblichen Aufbau und arbeiten in üblicher Weise. Die Elektrode 10 wird z.B. in der Drehrichtung a von einem geeigneten Hydraulikmotor 14 oder einem anderen Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit angetrieben und die Elektrode 11 wird mit der gleichen Geschwindigkeit von einem Getriebe (nicht gezeigt) ebenfalls von dem Motor 14 angetrieben.

Die Geschwindigkeit des Motors 14, der ein Elektromotor sein kann, kann durch die Steuereinrichtung 15 eingestellt werden, die in üblicher Weise ein Ventil in dem Hydrauliksystem für die Zuführung von öl zu dem Motor steuert.Die Elektrode 10 und der Motor 14 sind in üblicher Weise an einem vertikalen Sehlitten befestigt, der an dem Rahmen der Maschine vorgesehen ist, wie bei der. zuvor erwähnten US-PS 2 569 659 und in üblicher Weise verwendet das System einen strömungsmitteldruckbetätigten Zylinder, um die Elektrode 10 vertikal gegen die Elektrode 11 zu drücken, um die Werkstücke 12 und 13 dazwischen zusammenzudrücken und den Schweißdruck aufzubringen. Solch ein System läßt selbstverständlich die geringe vertikale Bewegung der Elektrode 10 zu, die durch die Expansion des Werkstücks hervorgerufen wird und~zu einer Trennbewegung der Elektrode führt_/jin£Ljgegen Ende der Schweißung das Einsinken der Elektroden in das erweichte Werkstück und danach das Abkühlen der Wa^cstüdos wodurch. eine Kontraktion hervorgerufen wird.

In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild sind die Elektroden 10 und 11 an die Sekundäranschlüsse eines Aufwärtstransformators 16 angeschlossen und über die Leitungen Ll und L2 wird ein einphasiger 60 Hz Wechselstrom zugeführt. Die Leitung Ll ist an die Primärwicklung des Transformators über zwei parallele Leitungen 17 und 18 angeschlossen und die Leitung L2 ist an die Primärwicklung 16a des Transfor-

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mators 16 über zwei parallele Leitungen 19 und 20 angeschlossen. Normale Geschwindigkeitsschalter 21 und 22 sind in den Leitungen 17 und 20 vorgesehen und schnelle Schalter 23 und 24 sind in den parallelen Leitungen 18 und 19 vorgesehen.

In die Leitung Ll sind auch zwei Ignitronröhren 25 und 26 geschaltet, die in die Phasenverschiebungs-Erhitzungssteuerung 27 einbezogen sind. Die übliche Ignitronröhre 25 zündet nur, wenn Strom in der positiven Richtung fließt, wie durch die Halbperioden b in Fig. 2 gezeigt ist und die Ignitronröhre 26 kann nur gezündet werden _f wenn der Strora in der negativen Richtung fließt, wie durch' die Halbperioden c des Stromflusses in Fig. 2 gezeigt ist. Die Zündung der Röhren 25 und 26 wird von einer üblichen Phasenverschiebungs-Erhitzungssteuerung 27 gesteuert, die auch Rückstelizeitgeber 28 und 28a und ein Potentiometer 29 aufweist. Solche Steuerungen sind in einigen der zuvor erwähnten Patentschriften beschrieben und sind im Handel erhältlich. Das Potentiometer 29 ist über eine Leitung 30 mit einem Widerstand 31 verbunden, der die Zündzeit bzw. die Zeit der Stromzuführung verzögert, wenn er ein Teil des in Betrieb befindlichen Kreises ist. Eine Leitung 32 ist parallel zur Leitung 30 und ein Schalter 33 ist vorgesehen, um die Anschlüsse, die die Leitungen 30 und 32 anschließen, in Abhängigkeit davon zu schließen oder zu öffnen, ob die Nahtschweißung mit hoher oder mit normaler Geschwindigkeit durchgeführt wird. Eine Leitung 33' überbrückt die Leitung 30.

Ein Drehsteuerknopf 34 ist an einem Schaltpult 35 vorgesehen und zwischen den Positionen H und R verstellbar, um den Kreis in den Zustand für den Betrieb mit hoher oder mit normaler Geschwindigkeit zu bringen. Der Knopf 34 ist, wie die unterbrochenen Linien in Fig. 1 angeben, mit gleichzeitig arbeitenden Steuerschaltern 21, 22, 23, 24 und 33 verbunden. Wenn der Motor 14 mit z.B. nur zwei Geschwindig-

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keiten betrieben werden soll, könnte der Knopf 34 ebenfalls betätigt werden, um den Schalter 51 zu schalten, der den Motor 14 zum Antrieb mit einer normalen Geschwindigkeit veranlassen würde, wenn der Knopf 34 auf R eingestellt wird, oder um einen Schalter 52 zu schalten, wenn der Knopf 34 auf H eingestellt wird. Normalerweise muß der Motor 14 jedoch in einem weiten Bereich von Geschwindigkeiten zum Schweißen eines großen Bereichs von Materialdicken arbeiten.

In Fig. 1 ist der Kreis in dem Zustand, in dem mit normaler Schweißgeschwindigkeit geschweißt wird, d.h. typischerweise mit 30 Schweißungen pro Sekunde, Materialien von etwa 1,2 mm bis etwa 4,7 mm Dicke können mit einer derartigen Geschwindigkeit geschweißt werden, z.B. nicht überzogener 10-10 Stahl mit einer Dicke von 0,4 mm (16-gauge ). Wenn der Kreis auf Betrieb mit normaler Geschwindigkeit eingestellt ist, wird der Knopf 34 auf R eingestellt und die Schalter 21, 22 und 33 werden geöffnet und damit wird der Widerstand 31 aus dem Kreis ausgeschaltet. Die Motorsteuereinrichtung 15 wird so eingestellt, daß der Motor 14 mit der sogenannten normalen Geschwindigkeit betrieben wird und die Phasenverschiebungs-Erhitzungssteuereinrichtung 27 ermittelt den mit d bezeichneten Null-Durchgang des Stroms und zündet abwechselnd die Ignitronröhren 25 und 26, um Schweißstromimpulse, die durch die schraffierten Teile e des Schweißtransformator-Sekundärstroms mit dem in Fig. 3 gezeigten Verlauf angegeben sind, zu erzeugen«

In Fig. 3 wird der Primärwicklung 16a des Transformators 16 über die Leitungen Ll, L17 und L2, L2O während einer Erhitzungszeit Strom zugeführt, die sich über im wesentlichen zwei volle Perioden erstreckt. Der automatische Rückstellzeitgeber 28, der über die Röhren 25 und 26 wirkt, wird zum Zeitpunkt der Anfangsstromzuführung erregt, wenn die Phasenverschiebungs-Erhitzungssteuereinrichtung 27 den Beginn einer Periode feststellt und nach zwei vollen

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Perioden ausschaltet. Danach wird der automatische Rückstellzeitgeber 28a sofort erregt und unterbricht den Kreis, um die Zündung der Röhren 25 und 26 während einer Abkühlzeit der Dauer einer vollen Periode zu verhindern, wonach dann der Zeitgeber 28 wieder erregt wird, um die nächste Erhitzungs- bzw. Schweißperiode zeitlich festzulegen.

Aus Fig. 2 geht die Zeit der Stromzuführung hervor, wenn die Zeitgeber 28 und 28a nicht in Benutzung sind und das System in dem Zustand für Betrieb mit hoher Geschwindig-.keit von z.B. 120 Schweißungen pro Sekunde ist und zwei Bleche aus nicht überzogenem 1O-1OStählmit einer Dicke von 0,45 mm mit etwa 12,7 m pro Minute geschweißt werden sollen. Um den Kreis in den in Fig. 1 gezeigten Zustand zu bringen, ist es nur notwendig, den Steuerknopf 34 auf H einzustellen, der die Schalter 21, 22 und 33 öffnet und die Schalter 23 und 24 schließt. Dadurch wird der Widerstand 31 in den Kreis geschaltet und verzögert die Zündung bis zu dem Endteil f einer jeden Halbperiode. Wie im Falle des Schweißens mit normaler Geschwindigkeit ermöglicht das Potentiometer 30 eine gewisse Einstellung der zugeführten Wärmeenergie zur Anpassung an verschiedene Dicken des Materials.

Das Prinzip beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit besteht darin, Strom nur während eines Bruchteils einer jeden Halbperiode zuzuführen, wie durch die schraffierten Teile f in Fig. 2 angegeben ist. Schweißgeschwindigkeiten von etwa 10,16 m bis 17,78 m pro Minute mit Kohleelektroden und rostfreien Stählen sind bei dem Kreis im Zustand für Betrieb mit hoher Geschwindigkeit bei Blechen in einem Bereich von etwa 1,2 mm Dicke bis herab zu Dicken von etwa 0,24 mm möglich. Während des Betriebs mit hoher Geschwindigkeit wird ein ausreichender Schweißstrom zum Schweißen mit der durch die Bereiche f angegebenen Amplitude zu der Primärwicklung 16a des Transformators 16 über die Leitungen Ll, Ll8 und L2, L19 übertragen. Die Steuereinrichtung 27

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zündet abwechselnd die Ignitrons 25 und 26, jedoch wegen des Widerstands 31 tritt die Stromzufuhr nicht bis idealerweise den letzten 60° der Stromhalbperiode auf. Allgemein kann gesagt werden, daß der Strom während nahezu des letzten Drittels einer jeden Halbperiode innerhalb der letzten 75 bis 40° hiervon zugeführt wird. Wie Fig. 2 zeigt, wird die Erhitzungs- bzw. Schweißzeit im Vergleich zu Fig. 3 erheblich verringert, ebenso wie die Äbkühlzeit. Dies führt dann zu gleichmäßigeren und einwandfreieren Schweißungen, die z.B. aus verbundenen oder getrennten Schweißpunkten, je nach Wunsch, abhängig von der Geschwindigkeit des Motors 14 bestehen können. Die Leitungen 18 und 19 sind an Mittelabgriffe der Primärwicklung 16a des Transformators 16 angeschlossen, so daß der Transformator auf die aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung 16b Strom überträgt, der selbst bei der verringerten Amplitude der Bereiche f eine Schweißung durchführt. Die maximale Amplitude der in Fig. 2 gezeigten Welle ist daher größer als die maximale Amplitude der in Fig. 3 gezeigten Welle= Die maximale Amplitude der Welle in Fig. 3 beträgt etwa 0,6 der maximalen Amplitude der Welle in Fig. 2.

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Claims

Ansprüche

./Verfahren zum Nahtschweißen, bei dem die Schweißperioden mit der Frequenz des zum Schweißen verwendeten Wechselstroms synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenmechanismus und zu schweißendes Metallmaterial mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Form der pro Zeitintervall zurückgelegten Strecke kontinuierlich relativ bewegt werden, während sie im Schweißzustand gehalten werden, daß ein einphasiger Wechselstrom ausreichender Größe zugeführt wird, um die Energie zum Schweißen des Materials zu erzeugendemernur während eines Bruchteils einer jeden aufeinanderfolgenden Halbperiode zu dem Elektrodenmechanismus übertragen wird, daß die Stromübertragung derart zeitlich gesteuert wird, daß sie in einem Teil einer jeden aufeinanderfolgenden Halbperiode auftritt, der kleiner als die maximale Amplitude der Stromwelle ist, wohingegen der Strom zwischen den Stromzuführabschnitten unterbrochen wird, um die Abkühlung zu ermöglichen, und daß die relative Bewegung und die Stromzufuhr derart koordiniert werden, daß eine Linie gleichmäßiger Schweißpunkte erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung etwa ein Drittel der Dauer der Halbperiode beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr in dem Bereich von 75 bis 45° des Endes einer jeden Halbperiode beginnt und am Ende einer jeden Halbperiode mit der Änderung der Polarität endet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschweißte Material eine Dicke von etwa 0,24 mm bis 1,2 mm hat.

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5. Verfahren zum Nahtschweißen, bei dem die Schweißperioden mit der Frequenz des zum Schweißen benutzten Wechselstroms synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenmechanismus und zu schweißendes Metallmaterial, mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Form der pro Zeitintervall zurückgelegten Strecke kontinuierlich relativ bewegt werden, während sie im Schweißzustand gehalten werden, daß ein einphasiger Wechselstrom ausreichender Größe zugeführt wird, um die Energie zum Schweißen des Materials zu erzeugen,wenaernar während eines Bruchteils einer jeden aufeinanderfolgenden Halbperiode zu dem Elektrpdenmechanismus übertragen wird, daß die Stromübertragung derart ist, daß sie in jeder aufeinanderfolgenden Halbperiode nur nach Erreichen der maximalen Amplitude auftritt ,würde die Übertragung während· der gesamten Halbperiode auftrefen, während der Strom zwischen den Stromzufuhrabschnitten unterbrochen wird, um die Abkühlung zu ermöglichen, und daß die relative Bewegung und die Stromzufuhr derart koordiniert werden, daß> eine Linie gleichmäßiger Schweißpunkte erhalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch S₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Strom nur während der letzten 75 bis 40 einer jeden Halbperiode in einer Größe zum Schweißen zugeführt wird.
7ο Verfahren nach Anspruch 5, dadurch, gekennzeichnet, daß der Strom über einen Aufwärtstransformator übertragen wird, der an eine Stromquelle mit Uetzfrequenz angeschlossen ist, die zwischen den Halbperioden von dem Transformator zwangsläufig abgeschaltet wird.
8. Nahtschweißmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche.1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Elektrodenmechanismus, eine Einrichtung, um den Elektrodenmechanismus mit dem zu schweißenden Material in Eingriff zu • bringen und einen Druck darauf auszuüben, eine Einrichtung, lim. den Elektrodenmechanismus und das Material relativ zu-

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einander auf einer Schweißbahn zu bewegen, einer Energiequelle zur Abgabe von Energie in Sinusform und mit Netzfrequenz, einen Kreis zur übertragung von Energie von der Quelle zu dem Elektrodenmechanismus in periodischen Intervallen in Form von Schweißstromimpulsen, gefolgt von Kühlperioden, einen Aufwärtstransformator zur übertragung von Stromimpulsen, die eine ausreichende Hitze zum Schweißen selbst dann erzeugen, wenn der Strom nur während eines Bruchteils einer jeden Halbperiode mit wesentlich geringerer als der maximalen Amplitude der Halbperiode -zugeführt wird, . und eine Einrichtung, um die Stromimpulse während nur eines Bruchteils einer jeden Halbperiode zuzuführen, wenn die Amplitude der gesamten Dauer des Impulses wesentlich geringer als die maximale Amplitude der Stromwelle ist*
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für den Beginn der Stromzufuhr während der letzten 75 bis 4O einer jeden Halbperiode.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung in dem Kreis zum zwangsläufigen Abschalten des Aufwärtstransformators in dem Kreis von der Energiequelle zwischen tibertragungsperioden vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis Elemente zur wahlweisen Umschaltung auf Betrieb mit normaler Geschwindigkeit aufweist, in dem Strom kontinuierlich während voller Perioden zugeführt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung in dem Kreis, die zwischen Stellungen für normale und hohe Geschwindigkeit bewegt werden kann, um den Kreis in den Betriebszustand für normale und hohe Geschwindigkeit zu bringen.
13.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor mit einstellbarer Geschwindigkeit den Eelektroden-

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mechanisfflus antreibt, um das Material auf einer Schweißbahn zu bewegen, und daß die Steuereinrichtung die Geschwindigkeit des Motors zum·Schweißen mit normaler und hoher Geschwindigkeit automatisch ändern kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis wahlweise mit der Primärwicklung des Transformators verbunden werden kann, um eine größere oder kleinere Anzahl von Primärwicklungen zu erfassen, je nach dem, ob Impulse für normale oder hohe Geschwindigkeit zu übertragen sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Widerstandseinrichtung wahlweise in den Kreis eingeschaltet wird, um die Stromzufuhr zu dem Aufwärtstransformator zu verzögern, wenn der Betrieb mit hoher Geschwindigkeit auftreten soll, oder wahlweise aus dem Kreis auszuschalten, wenn der Betrieb mit normaler Geschwindigkeit auftreten soll, und dadurch, daß die Steuereinrichtung dies automatisch durchführt.

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