DE102016108939A1

DE102016108939A1 - Schutzgasmundstück, Fügevorrichtung und Fügeverfahren

Info

Publication number: DE102016108939A1
Application number: DE102016108939.7A
Authority: DE
Inventors: Hubert Ivo; Nicolas NAB; Martin Häßler
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16
Also published as: EP3266551A1; US20170326675A1

Abstract

Schutzgasmundstück (30) für eine Fügevorrichtung (10), mit einem Grundkörper (32), der eine axiale Öffnung (34) aufweist und einen um die Öffnung (34) herum angeordneten Mund (36), der auf ein Werkstück (14) aufsetzbar ist, an dem ein Fügeprozess auszuführen ist, wobei die Öffnung (34) benachbart zu dem Mund (36) einen Spülraum (38) definiert, in den hinein Schutzgas (44) einführbar ist und der bei Durchführung eines Fügeprozesses durch ein die Öffnung (34) abdeckendes Werkstück (14) axial begrenzbar ist.
Dabei wird das Schutzgas (44) so in den Spülraum (38) eingeführt, dass eine Hauptströmungsrichtung (48) des Schutzgases (44) in einer radialen Mitte des Spülraumes (38) im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzgasmundstück für eine Fügevorrichtung, mit einem Grundkörper, der eine axiale Öffnung und einen um die Öffnung herum angeordneten Mund aufweist, der auf ein Werkstück aufsetzbar ist, an dem ein Fügeprozess auszuführen ist, wobei die Öffnung benachbart zu dem Mund einen Spülraum definiert, in den hinein Schutzgas einführbar ist und der bei Durchführung eines Fügeprozesses durch das die Öffnung abdeckende Werkstück axial begrenzbar ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtung mit einer Fügeelement-Halteeinrichtung und mit einem Schutzgasmundstück der oben bezeichneten Art, das die Fügeelement-Halteeinrichtung umgibt.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Durchführen eines Fügeprozesses unter Verwendung von Schutzgas, insbesondere mittels eines Schutzgasmundstückes der oben beschriebenen Art.
Schutzgasmundstücke werden häufig bei Fügeprozessen in Form des sogenannten Bolzenschweißens verwendet. Dieses Schweißverfahren dient dazu, bolzenförmige oder sonstige Teile auf Werkstücke zu schweißen. Hierbei ist das bevorzugte Verfahren das sogenannte Lichtbogenbolzenschweißen, bei dem zwischen einem Fügeelement und einem Werkstück ein Lichtbogen gezogen wird, der gegenüberliegende Fügeflächen anschmilzt. Schließlich wird das Fügeelement mit dem Werkstück verbunden, um auf diese Weise den Lichtbogen kurzzuschließen und den Schweißstrom zu unterbrechen, was zu einem Erkalten der Gesamtschmelze und damit zu einer Verbindung zwischen Fügeelement und Werkstück führt.
Zur Verbesserung dieses Fügeprozesses ist es bekannt, während des Fügeprozesses um das Fügeelement und den Lichtbogen herum ein Schutzgasmundstück anzuordnen, in das Schutzgas eingeführt wird, um innerhalb des Mundstückes vorhandenes Umgebungsgas (z. B. Luft) zu verdrängen.
Zu diesem Zweck wird im Stand der Technik häufig das Schutzgas entweder über sehr lange Zeiträume zugeführt, bevor der eigentliche Fügeprozess initiiert werden kann. Dies verlängert die Taktzeiten. Andererseits ist es auch bekannt, das Schutzgas mit relativ hohen Strömungsraten zuzuführen, was neben Kostennachteilen auch nachteilige Schweißergebnisse mit sich bringen kann.
Aus dem Dokument DE 20 2004 001 667 U1 ist ein Schutzgasmundstück zum Lichtbogenbolzenschweißen bekannt, wobei das Mundstück einen Körper mit einem Hohlraum aufweist, der mindestens zwei Öffnungen besitzt. Durch eine erste Öffnung kann eine Bewegungsvorrichtung, insbesondere eine Schweißvorrichtung greifen. An einer zweiten Öffnung kann ein Fügeelement auf ein Werkstück aufgesetzt werden. Die zweite Öffnung kann dabei im Wesentlichen geschlossen sein, wenn das Fügeelement auf dem Werkstück aufsitzt. Ferner ist eine Gaszuführung zum Zuführen von Schutzgas in den Hohlraum vorgesehen, sowie eine Gasabführung zum Abführen von dem Hohlraum zugeführten Schutzgas. Die Gasabführung während eines Schweißvorganges soll dabei im Wesentlichen der ersten Öffnung entsprechen.
Hierdurch kann die Konstruktion des Mundstückes vereinfacht werden. Zudem kann mit geringen Schutzgasmengen gearbeitet werden und es können geringe Produktionskosten erreicht werden. Dabei wird der physikalische Effekt genutzt, dass sich das gegenüber der Luft in der Regel schwerere Schutzgas am untersten Teil des Schutzgasmundstückes benachbart zu dem Werkstück sammelt, wobei das im Mundstück befindliche Umgebungsgas nach oben gedrückt wird, wo es einfach durch die erste Öffnung abziehen kann.
Das Schutzgas wird über einen Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und einer Gasbuchse in den Hohlraum eingeleitet. Die Einleitung soll so erfolgen, dass eine laminare Strömung im Inneren des Mundstücks erhalten wird, derart, dass der Schweißbereich kontinuierlich mit Gas umströmt wird.
Ferner offenbart das Dokument DE 20 2007 007 226 U1 ein Schutzgasmundstück, bei dem der Mund des Grundkörpers mit einer elastischen, faltenbalgartig ausgebildeten Dichtungstülle ausgestattet ist, die dazu beiträgt, dass Schutzgas nur nach oben, in Richtung der ersten Öffnung entweichen kann.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Schutzgasmundstück, eine verbesserte Fügevorrichtung sowie ein verbessertes Fügeverfahren anzugeben.
Die obige Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Schutzgasmundstück der oben bezeichneten Art, wobei das Schutzgas so in den Spülraum eingeführt wird, dass eine Hauptströmungsrichtung des Schutzgases in einer radialen Mitte des Spülraumes im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Fügevorrichtung mit einer Fügeelement-Halteeinrichtung und mit einem erfindungsgemäßen Schutzgasmundstück, das die Fügeelement-Halteeinrichtung umgibt.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Durchführen eines Fügeprozesses unter Verwendung von Schutzgas, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Schutzgasmundstückes, mit den Schritten, (i) ein Schutzgasmundstück auf ein Werkstück axial aufzusetzen, wobei innerhalb des Schutzgasmundstückes ein Fügeelement axial versetzbar in Bezug auf das Schutzgasmundstück angeordnet ist, (ii) das Fügeelement von dem Werkstück anzuheben, so dass zwischen dem Fügeelement und dem Werkstück ein Zwischenraum freigegeben wird, und mit dem weiteren Schritt (iii), Schutzgas in das Schutzgasmundstück zuzuführen.
Mit dem erfindungsgemäßen Schutzgasmundstück sowie der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und dem zugeordneten Fügeverfahren ist es möglich, Fügeprozesse mit kurzen Taktzeiten durchzuführen. Erfindungsgemäß wird darauf abgestellt, dass die Zuführung von Schutzgas in das Mundstück so erfolgt, dass darin enthaltenes Umgebungsgas (z. B. Luft) möglichst schnell und effizient verdrängt wird. Diesem Lösungsansatz wird dabei der im Stand der Technik häufig angestrebte Gedanke nachgeordnet, dass das Schutzgas innerhalb des Mundstückes laminar strömen muss.
Für kurze Taktzeiten ist es bevorzugt, wenn die Verdrängung des Umgebungsgases möglichst effizient und schnell erfolgt, und zwar insbesondere in einer radialen Mitte des Spülraumes, also dort, wo später der Lichtbogen brennt, wenn der Fügeprozess als Lichtbogenbolzenschweißprozess realisiert wird. Mit anderen Worten wird das Umgebungsgas effizient gerade dort verdrängt, wo es den meisten ”Schaden” anrichten könnte. Das Umgebungsgas wird durch Schutzgas verdrängt, dessen Anwesenheit den Lichtbogenschweißprozess nicht nachteilig beeinflusst.
Das Zuführen von Schutzgas in den Spülraum des Schutzgasmundstückes erfolgt vorzugsweise asymmetrisch, um auf diese Weise eine Hauptströmungsrichtung einzurichten, die in einer radialen Mitte des Spülraumes im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist. Durch diese radiale Ausrichtung der Hauptströmung des Schutzgases, die in der radialen Mitte des Spülraumes im Wesentlichen unidirektional ist, kann die radiale Mitte des Spülraumes effizient und vor allen Dingen schnell von Umgebungsgas befreit werden.
Die Hauptströmungsrichtung des Schutzgases wird vorzugsweise erzeugt, indem Strömungen von Schutzgas aus einer Mehrzahl von Kanälen so miteinander kombiniert werden, dass die Hauptströmungsrichtung eingerichtet wird.
Der Fügeprozess kann ein Schweißprozess sein, kann jedoch auch ein Lötprozess sein, ein Klebeprozess oder eine andere Art von Fügeprozess. Ein Fügeelement wird bei dem Fügeprozess vorzugsweise mit seiner Fügefläche mit einer Oberfläche des Werkstückes verbunden.
Der Spülraum des Grundkörpers ist vorzugsweise so ausgebildet, dass Schutzgas ausschließlich in einer Richtung axial von dem Werkstück weg entweichen kann. Mit anderen Worten sind an dem Schutzgasmundstück im Bereich des Spülraumes in Umfangsrichtung vorzugsweise keine Austrittsöffnungen vorgesehen. Eine axiale Abdichtung des Spülraumes erfolgt im Wesentlichen durch das Aufsetzen des Mundes des Schutzgasmundstückes auf das Werkstück.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von besonderer Bedeutung, dass vor dem eigentlichen Fügeprozess, und vorzugsweise nach einem ersten Aufsetzen des Fügeelementes auf das Werkstück zur Nullpositionsbestimmung, ein Spülschritt durchgeführt wird, bei dem das Fügeelement von dem Werkstück abgehoben wird, derart, dass zwischen dem Fügeelement und dem Werkstück ein Zwischenraum freigegeben wird.
Der Zwischenraum ist vorzugsweise ein Teil des Spülraumes, und zwar jener Raum, der im späteren Fügeprozess im Wesentlichen von dem Lichtbogen eingenommen wird.
Das Zuführen von Schutzgas in diesem Spülschritt erfolgt also vorzugsweise vor dem Erzeugen des Lichtbogens, so dass der Zwischenraum als Teil des Spülraumes effizient und ohne Strömungsschatten von Umgebungsgas befreit werden kann, das auf diese Weise effizient verdrängt wird.
Bei dem Spülschritt vor dem eigentlichen Fügeprozess erfolgt das Zuführen von Schutzgas in das Schutzgasmundstück vorzugsweise asymmetrisch, derart, dass das zugeführte Schutzgas in dem Zwischenraum in einer Hauptströmungsrichtung strömt, die im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist, um das Umgebungsgas aus dem Zwischenraum zu verdrängen.
Je nach Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt sich wenigstens einer der folgenden Vorteile: eine bessere Schutzgasabdeckung, bessere Schweißergebnisse, Taktzeiteinsparungen, da geringere Strömungszeiten erforderlich sind. Der Schutzgasverbrauch kann bei gleichbleibender Schweißqualität reduziert werden. Durch neue konstruktive Möglichkeiten lassen sich signifikante Verbesserungen bei der Zugänglichkeit erzielen. Der Wartungsaufwand kann reduziert werden.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Gemäß einer bevorzugte Ausführungsform des Schutzgasmundstückes weist der Grundkörper eine Mehrzahl von Schutzgaszuführkanälen auf, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Generell könnten die Schutzgaszuführkanäle auch außen an dem Schutzgasmundstück geführt werden. Bevorzugt sind diese jedoch in den Grundkörper integriert und über den Umfang verteilt, so dass das Mundstück mit geringen Störkonturen ausgebildet werden kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass Fügeprozess an unzugänglicheren Stellen eines Werkstückes durchgeführt werden können.
Die Ausrichtung der Schutzgaszuführkanäle kann beispielsweise unter einem Winkel von 20° bis 75° in Bezug auf eine Längsachse erfolgen, insbesondere in einem Bereich von 25° bis 60°. Die Schutzgaszuführkanäle sind vorzugsweise jeweils in Radialebenen angeordnet, also vorzugsweise nicht windschief ausgerichtet. Mit anderen Worten hat die Ausrichtung der Schutzgaszuführkanäle vorzugsweise keine tangentiale Komponente bzw. eine Ausrichtung in tangentialer Richtung, die kleiner ist als 10°.
Vorzugsweise münden die Schutzgaszuführkanäle direkt oberhalb des Spülraumes, und zwar vorzugsweise oberhalb jener Position, die eine Fügefläche eines Fügeelementes als höchste Position innerhalb der Öffnung einnehmen kann.
Die Querschnitte der Schutzgaszuführkanäle sind vorzugsweise jeweils gleich groß.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verteilung einer Schutzgaszufuhr über den Umfang ungleichmäßig, derart, dass in einem Umfangsabschnitt, der sich über mehr als 90° erstreckt, keine Schutzgaszufuhr erfolgt.
Vorzugsweise ist hierbei die Verteilung der Schutzgaszuführkanäle über den Umfang auf diese Art und Weise ungleichmäßig.
Der Umfangsabschnitt, innerhalb dessen keine Schutzgaszufuhr erfolgt bzw. kein Schutzgaszuführkanal angeordnet ist, ist vorzugsweise größer als 120°, insbesondere größer als 135°, insbesondere größer als 150°, vorzugsweise größer als 170° und ist vorzugsweise kleiner 270°, insbesondere kleiner 250°, vorzugsweise kleiner 225°, insbesondere kleiner 190°. Vorzugsweise ist der Umfangsabschnitt, innerhalb dessen keine Schutzgaszufuhr erfolgt, etwa 180°.
Bevorzugt ist es ferner, wenn die Schutzgaszufuhr über den Umgang so erfolgt, dass wenigstens zwei Schutzgaszuführausrichtungen bzw. zwei Schutzgaszuführkanäle diametral gegenüberliegen und folglich Schutzgas diametral in den Spülraum einblasen und sich in der radialen Mitte des Spülraumes treffen.
In diesem mittleren Bereich des Spülraumes trifft dann ein weiterer Zuführström oder eine Mehrzahl von weiteren Zuführströmen von einer Seite auf die Mitte und nimmt dabei die diametral aufeinander zu strömenden Schutzgasströmungen in einer Hauptströmungsrichtung mit, die folglich in einer radialen Mitte des Spülraumes im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist.
Hierdurch kann erreicht werden, dass der zentrale Teil des Spülraumes schnell und effizient von Umgebungsgas befreit werden kann, da das Schutzgas diesen Bereich effizient spülen kann.
Die Verdrängung erfolgt dabei in radialer Richtung unidirektional hin zu jenem Umfangsabschnitt, innerhalb dessen keine Schutzgaszufuhr erfolgt, so dass das Umgebungsgas in diesem Bereich effizient und ohne Vermischung mit zuströmendem Schutzgas axial nach oben entweichen kann, d. h. von dem Werkstück weg.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn in dem Grundkörper genau drei Schutzgaszuführkanäle ausgebildet sind, von denen sich zwei diametral gegenüberliegen.
Hierbei ist es bevorzugt, wenn der dritte Schutzgaszuführkanal senkrecht zu einer Verbindungslinie der anderen zwei Schutzgaszuführkanäle ausgerichtet ist.
Bei dieser Ausführungsform ist jener Umfangsabschnitt, innerhalb dessen kein Schutzgaszuführkanal angeordnet ist, etwa 180° (bzw. genau 180° minus dem Anteil der diametral gegenüberliegenden Schutzgaszuführkanäle, also beispielsweise kleiner 178°).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine eigene Erfindung darstellt, ist dem Schutzgasmundstück in einem axialen Bereich, der der axialen Öffnung gegenüberliegt, ein Ringraum zugeordnet, in den hinein Schutzgas zuführbar ist, wobei der Ringraum mit jedem Schutzgaszuführkanal einer Mehrzahl von Schutzgaszuführkanälen innerhalb des Grundkörpers verbunden ist.
Hierdurch kann erreicht werden, dass das Schutzgas an einer zentralen Stelle an dem Schutzgasmundstück zuführbar ist. An dem Mundstück ergibt sich im Bereich der axialen Öffnung, die dem Werkstück zugewandt ist, folglich ein besonders kompakter Aufbau. Zudem ist die Zugänglichkeit und die Wartung im Bereich des Mundstückes vereinfacht.
Insbesondere bei einem Lichtbogenbolzenschweißprozess können während dieses Prozesses Schweißspritzer auftreten, die zu Verunreinigungen im Bereich des Mundstückes führen. Bei vereinfachter Zugänglichkeit kann hierdurch folglich die Wartbarkeit der Fügevorrichtung insgesamt verbessert werden.
Bei diesem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Ringraum über eine Strömungswiderstandsanordnung mit wenigstens einem der Schutzgaszuführkanäle verbunden ist.
Eine Strömungswiderstandsanordnung stellt im Bereich des Einganges des wenigstens einen Schutzgaszuführkanals einen erhöhten Strömungswiderstand dar. Beispielsweise kann eine solche Strömungswiderstandsanordnung gebildet sein durch ein Sinterelement oder durch ein Metallgitter oder -netz, oder einen offenporigen Metallschaum oder dergleichen.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn sämtliche Schutzgaszuführkanäle über eine Strömungswiderstandsanordnung mit dem Ringraum verbunden sind.
Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einer zentralen Zuführung dennoch die Strömungsrate in den Schutzgaszuführkanälen vereinheitlich wird. Denn über die Strömungswiderstandsanordnung wird ein Staudruck erzeugt, der dafür sorgt, dass das Schutzgas gleichmäßig in alle Schutzgaszuführkanäle abströmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt des Schutzgasmundstückes im Wesentlichen elliptisch ausgebildet. Auch hierdurch kann eine bessere Zugänglichkeit an schwer zugänglichen Stellen des Werkstückes erreicht werden.
Die Hauptströmungsrichtung des Schutzgases im Bereich des Spülraumes erfolgt dabei vorzugsweise entlang der Hauptachse (der längeren Achse) einer solchen Ellipsenform.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zudem vorteilhaft, wenn nach dem vorbereitenden Spülprozess der eigentliche Fügeprozess, optional unter Verwendung von Schutzgas durchgeführt wird, wobei zunächst das Fügeelement nach dem Spülprozess auf das Werkstück aufgesetzt wird und ein elektrischer Strom eingeschaltet wird, der durch das Fügeelement und das Werkstück fließt, wobei anschließend das Fügeelement von dem Werkstück abgehoben wird, so dass ein Lichtbogen zwischen dem Fügeelement und dem Werkstück erzeugt wird, der Fügeflächen des Fügeelementes und des Werkstückes aufschmilzt, und wobei schließlich das Fügeelement auf das Werkstück abgesenkt wird und der elektrische Strom abgeschaltet wird, so dass das Fügeelement an dem Werkstück stoffschlüssig befestigt wird.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, dass der Schritt, bei dem der Lichtbogen erzeugt wird, zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, bei dem der Spülraum und insbesondere der Zwischenraum zwischen dem Fügeelement und dem Werkstück bereits weitgehend oder vollständig von Umgebungsgas befreit worden ist, das von dem in Hauptströmungsrichtung strömenden Schutzgas verdrängt worden ist.
Der Fügeprozess kann dann erfolgen, während weiterhin Schutzgas zugeführt wird. Die Schutzgaszufuhr kann während des Fügeprozesses auf die gleiche Art und Weise erfolgen wie bei dem vorangegangenen Spülprozess. Die Zufuhr von Schutzgas während des Fügeprozesses kann jedoch auch so erfolgen, dass Schutzgas dann mit einer geringeren Strömungsrate als während des Spülprozesses zugeführt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Fügeelement bei der Zuführung des Schutzgases zum Verdrängen von Umgebungsgas während des Spülschrittes in einem Abstand von dem Werkstück gehalten wird, der größer ist als 1 mm.
Vorzugsweise ist dieser Abstand größer als 2 mm, insbesondere größer als 3 mm.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Längsschnittansicht einer Fügevorrichtung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzgasmundstückes;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der 1;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 1;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 1;
5 die Fügevorrichtung der 1 bei einem Spülschritt vor Durchführung eines Fügeprozesses;
6 ein Zeitablaufdiagramm von Abstand zwischen Werkstück und Fügeelement sowie von elektrischem Fügestrom über der Zeit;
7 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzgasmundstückes; und
8 eine schematische Querschnittsansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzgasmundstückes.
In den 1 bis 4 ist in schematischer Form eine Fügevorrichtung dargestellt und generell mit 10 bezeichnet.
Die Fügevorrichtung 10 dient zum Fügen eines Fügeelementes 12, das vorliegend als Bolzen mit einem Schaft und einem vergrößerten Flansch ausgebildet ist, auf ein Werkstück 14, genauer auf dessen Werkstückoberfläche 16.
Die Fügevorrichtung 10 ist insbesondere als Lichtbogenbolzenschweißvorrichtung ausgebildet, kann jedoch auch als Löt- oder als Klebevorrichtung oder dergleichen ausgebildet sein.
Die Fügevorrichtung 10 weist eine Halteeinrichtung 20 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Fügeelement 12, das auf das Werkstück 14 zu fügen ist, zu halten. Über die Halteeinrichtung 20 wird gegebenenfalls auch ein elektrischer Fügestrom 1 zugeführt, der zum Bolzenschweißen verwendet wird.
Ein üblicher Bolzenschweißprozess sieht dabei so aus, dass das Fügeelement 12 zunächst auf die Oberfläche 16 des Werkstückes 14 aufgesetzt wird. Anschließend wird ein verringerter elektrischer Strom I in Form eines Pilotstromes eingeschaltet. Anschließend wird das Fügeelement 12 von der Werkstückoberfläche 16 abgehoben, so dass ein Lichtbogen gezogen wird. Anschließend wird der elektrische Strom I auf einen Schweißstrom erhöht, der größer sein kann als 1000 Ampère. Hierdurch schmelzen die einander gegenüberliegenden Flächen des Fügeelementes 12 und des Werkstückes 14 an. Anschließend wird das Fügeelement 12 auf das Werkstück 14 abgesenkt, und zwar vorzugsweise bis unterhalb der Werkstückoberfläche 16, so dass der elektrische Strom kurzgeschlossen und abgeschaltet wird. Anschließend erstarrt die Gesamtschmelze, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Fügeelement 12 und Werkstück 14 erreicht wird.
Zur Durchführung dieses Fügeprozesses, der allgemein bekannt ist, ist die Halteeinrichtung 20 entlang einer Längsachse axial bewegbar, wie es in 1 bei 22 gezeigt ist, um das Fügeelement 12 in Bezug auf das Werkstück 14 axial anzuheben und abzusenken.
Die Halteeinrichtung 20 ist zu diesem Zweck mit einem Gehäuseabschnitt 24 gekoppelt, der Teil eines automatisierten bzw. mittels eines Roboters geführten Fügekopfes sein kann, der jedoch auch Teil einer mobilen oder tragbaren Fügevorrichtung sein kann. Der Gehäuseabschnitt 24 kann beispielsweise einen Axialantrieb beinhalten, kann ferner einen Führungselementaufnehmer beinhalten, über den Führungselemente 12 automatisiert zugeführt werden. Ein Ladestift, der in Bezug auf den Gehäuseabschnitt 24 und in Bezug auf die Halteeinrichtung 20 axial beweglich gelagert ist, kann ein Fügeelement in die Halteeinrichtung 20 laden.
All diese Elemente sind im Stand der Technik bekannt. Zudem ist es auch bekannt, dass Fügeelemente von vorne in die Halteeinrichtung 20 zugeführt werden.
Die Fügevorrichtung 10 beinhaltet ferner ein Schutzgasmundstück 30, das an dem Gehäuseabschnitt 24 gelagert ist, derart, dass die Halteeinrichtung 20 Relativbewegungen zu dem Mundstück 30 durchführen kann.
Das Mundstück 30 weist einen Grundkörper 32 auf, der eine axiale Öffnung 34 aufweist, innerhalb der die Halteeinrichtung 20 mit einem darin gehaltenen Fügeelement 12 aufgenommen sein kann. Die axiale Öffnung 34 kann auch im Wesentlichen als Durchgangsöffnung 34 ausgebildet sein, so dass der Gehäuseabschnitt 24 sich in die axiale Öffnung 34 von dem entgegengesetzten axialen Ende erstreckt.
An dem in Fügerichtung nach vorne weisenden Abschnitt des Grundkörpers 32 weist dieser einen Mund 36 auf, der auf die Werkstückoberfläche 16 aufsetzbar ist, derart, dass die axiale Öffnung 34 axial durch das Werkstück 14 abgedeckt bzw. begrenzbar ist und gemeinsam mit dem Grundkörper 32 bzw. dessen axialer Öffnung 34 einen Spülraum 38 definiert.
In den Spülraum 38 kann Schutzgas zugeführt werden. Das Schutzgas soll Umgebungsgas, wie Luft, aus dem Spülraum 38 verdrängen, um den oben beschriebenen Bolzenschweißprozess zu verbessern.
Bei dem oben beschriebenen Fügeprozess wird die Fügevorrichtung 10 zunächst so bewegt, dass das Mundstück 30 mit dem Mund 36 auf das Werkstück 14 aufgesetzt wird. Anschließend wird in einem ersten Schritt die Halteeinrichtung 20 relativ zu dem Mundstück 30 bewegt, um das Fügeelement 12 auf die Werkstückoberfläche 16 aufzusetzen und damit eine Art Nullpunktbestimmung durchzuführen. Das Mundstück 30 dient folglich auch als eine Art Stützfuß.
Generell kann Schutzgas in den Spülraum 38 auf verschiedene Art und Weise zugeführt werden. Vorliegend sind in dem Grundkörper 32 eine Mehrzahl von Zuführkanälen 40a, 40b, 40c ausgebildet, wie es insbesondere in 2 und 3 zu erkennen ist. Die Zuführkanäle 40a, 40b, 40c erstrecken sich von dem dem Werkstück 14 abgewandten axialen Ende des Grundkörpers 32 unter einem Zuführwinkel 42 schräg in Richtung hin zu dem Spülraum 38. Der Zuführwinkel, der in 1 bei 42 gezeigt ist, kann in einem Bereich von 5° bis 90° liegen. Die Zuführkanäle 40 können als geradlinige Bohrungen ausgebildet sei, wie es in 1 dargestellt ist, was aus Kostengründen bevorzugt ist. Sie können jedoch auch aus mehreren winkelig zueinander gebildeten Kanalabschnitten gebildet sein.
In den 1, 2 und 4 ist dargestellt, dass über die Zuführkanäle 40a, 40b, 40c Schutzgaszuführströme 44a, 44b, 44c in den Spülraum 38 eingeführt werden, und zwar derart, dass eine Hauptströmungsrichtung des Schutzgases in einer radialen Mitte des Spülraumes 38 im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist.
Das überschüssige Schutzgas aus dem Spülraum 38 wird, genauso wie das verdrängte Umgebungsgas, axial nach oben von dem Werkstück 14 weg abgeführt, wie es in 1 schematisch bei 46 angedeutet ist. Die Abfuhr des Schutzgases und des Umgebungsgases kann ähnlich ausgeführt sein, wie es in dem Dokument DE 20 2004 001 667 U1 beschrieben ist, auf dessen Offenbarung daher vorliegend ergänzend Bezug genommen wird.
In 2 und in 4 ist die radial ausgerichtete Hauptströmungsrichtung 48 gezeigt. Diese ergibt sich dadurch, dass die Schutzgaszuführkanäle über den Umfang ungleichmäßig verteilt sind, derart, dass in einem Umfangsabschnitt γ, der sich über mehr als 90° erstreckt, kein Schutzgaszuführkanal 40 angeordnet ist.
Der Winkel γ ist vorliegend vorzugsweise kleiner gleich etwa 180°. In 2 ist dargestellt, dass der Winkel γ 180° beträgt bzw. etwas weniger als 180°. Denn die Zuführkanäle 40b, 40c sind diametral gegenüberliegend angeordnet, und zwar auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Hauptströmungsrichtung 48. Die Schutzgaszuführkanäle 40 sind sämtlich innerhalb eines Umfangsabschnittes β angeordnet, für den gilt: 360° – γ = β.
Ein dritter Zuführkanal 40a ist in Umfangsrichtung zwischen den zwei Zuführkanälen 40b, 40c angeordnet, und zwar beabstandet von beiden über einen Winkel α, der gemäß 2 vorzugsweise 90° beträgt.
Die Hauptströmungsrichtung 48 für das Schutzgas im Inneren des Spülraumes bzw. in der Mitte des Spülraumes ergibt sich nun dadurch, dass das Schutzgas mit den Strömen 44b, 44c, die unmittelbar aufeinander zu gerichtet sind, dann mittels des dritten Schutzgaszuführstroms 44a in radialer Richtung unidirektional weggedrückt wird und dann vorzugsweise überwiegend innerhalb des Umfangsabschnittes γ nach oben abgeführt wird, auch teilweise auf einer diametral gegenüberliegenden Seite, was in 1 jedoch nicht dargestellt ist.
Das Schutzgasmundstück 30 weist ferner eine Schutzgasverteilereinrichtung 50 auf, die an einem axial oberen Ende 52 des Grundkörpers 32 angeordnet ist. Die Schutzgasverteilereinrichtung 50 definiert einen Ringraum 54, in den über einen einzelnen Einspeiseanschluss 56 Schutzgas 44 zugeführt werden kann.
Die Schutzgaszuführkanäle 40a, 40b, 40c münden jeweils entweder direkt in den Ringraum 54.
Vorzugsweise ist jedoch zwischen den Enden der Zuführkanäle 40a, 40b, 40c und dem Ringraum 54 eine Strömungswiderstandsanordnung 58 angeordnet, die als Ring ausgebildet sein kann, der in den Ringraum 54 eingelegt wird. Die Strömungswiderstandsanordnung 58 kann beispielsweise aus einer Sintermetallanordnung mit feinen Bohrungen bzw. feinen Poren gebildet sein, kann jedoch auch durch einen feinporigen Metallschaum gebildet sein, durch ein Drahtgeflecht, oder dergleichen.
Durch die Strömungswiderstandsanordnung 58 wird innerhalb des Ringraumes 54 ein Staudruck erzeugt, der dafür sorgt, dass die Schutzgaszuführströme 44a, 44b, 44c im Wesentlichen alle gleich groß sind. Diese Ausgestaltung ist insgesamt bevorzugt.
Die Zufuhr von Schutzgas in den Spülraum 38 kann erfindungsgemäß erfolgen, wenn der Fügeprozess eingeleitet ist, also nachdem das Mundstück auf das Werkstück aufgesetzt wird und das Fügeelement 12 ebenfalls auf die Werkstückoberfläche 16 aufgesetzt ist. In diesem Fall findet das Zuführen von Schutzgas im Wesentlichen dann statt, wenn der Fügeprozess durchgeführt wird, wenn also der Lichtbogen gezogen ist.
In den 5 und 6 ist eine alternative Art und Weise gezeigt, wie der Fügeprozess insgesamt durchgeführt werden kann.
So zeigt 5, dass in einem Spülschritt, der dem eigentlichen Fügeprozess vorgeschaltet ist, das Fügeelement 12 von dem Werkstück 14 um eine Distanz S₁ abgehoben wird. Hierdurch wird erreicht, dass das Schutzgas, das beim Einführen in einer Hauptströmungsrichtung strömt, die in der radialen Mitte des Spülraumes 38 im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist, insbesondere unterhalb des Fügeelementes 12 strömen kann, also in einem Zwischenraum 59 zwischen den einander gegenüberliegenden Fügeflächen des Fügeelementes 12 und des Werkstückes 14. Hierdurch kann gerade in diesem Bereich, in dem später der Lichtbogen entstehen wird, eine wesentliche Verdrängung von Umgebungsgas erfolgen, und zwar ohne Strömungsschatten oder dergleichen.
In 6 ist dies im zeitlichen Ablauf dargestellt.
Bei S ist der Abstand zwischen dem Fügeelement 12 und dem Werkstück 14 dargestellt. Bei I ist der elektrische Strom dargestellt. Das in 6 gezeigte Diagramm 60 zeigt diese Variablen über der Zeit t.
Ausgehend von einem Ausgangszustand, bei dem die Fügevorrichtung 10 hin zu dem Werkstück 14 bewegt wird, verringert sich der Abstand S, bis zu einem Zeitpunkt t₀ das Fügeelement 12 auf dem Werkstück 14 aufgesetzt ist. In diesem Zustand ist das Mundstück 30 in der Regel ebenfalls auf dem Werkstück 14 aufgesetzt.
Anschließend wird zum Zeit t₀ das Fügeelement 12 um den Abstand S₁ von dem Werkstück abgehoben, und es wird Schutzgas zugeführt, so dass eine Verdrängung von Umgebungsluft erfolgen kann, wie es schematisch in 5 gezeigt ist, und zwar entlang einer Hauptströmungsrichtung 48.
Zum Zeitpunkt t₁ wird mit Ende dieses Spülschrittes das Fügeelement 12 wieder auf das Werkstück 14 abgesenkt. Anschließend wird der elektrische Strom I eingeschaltet, und zwar zunächst in Form eines Pilotstromes. Anschließend wird das Fügeelement 12 wiederum von dem Werkstück 14 abgehoben, und zwar um eine Distanz S₂, die gleich dem Wert von S₁ sein kann, jedoch auch größer oder kleiner sein kann. Kurz nach t₁ wird der elektrische Strom I auf einen Schweißstrom erhöht.
Sobald die Fügeflächen angeschmolzen sind, wird das Fügeelement 12 auf das Werkstück 14 abgesenkt, vorzugsweise bis unterhalb des Nullpunktes, so dass zum Zeitpunkt t₂ sich das Fügeelement 12 und das Werkstück 14 berühren und ein elektrischer Kurzschluss erfolgt, aufgrund dessen der elektrische Schweißstrom I abgeschaltet wird.
7 zeigt eine Ausführungsform einer Fügevorrichtung 10 mit einem Mundstück 30, die hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell der Fügevorrichtung 10 und dem Mundstück 30 der 1 bis 5 entspricht.
In 7 ist der Zustand im Spülschritt gezeigt, bei dem zwischen dem Zeitpunkt t₀ und t₁ das Schutzgas zugeführt wird, während zwischen dem Fügeelement 12 und dem Werkstück 14 ein Abstand S₁ eingerichtet ist. Dies führt, wie es durch die simultierte Strömung mit vielen Pfeilen gezeigt ist, zu einer Hauptströmungsrichtung 48, die im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist. Schutzgas entweicht aus dem Spülraum 38 nach oben, und zwar insbesondere bei 46 im Bereich des Umfangsabschnittes γ. Ein kleinerer Teil des Schutzgases (und der Luft) entweicht auch in den anderen Umfangsabschnitten, wie es in 7 bei 46' gezeigt ist.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schutzgasmundstückes 30', das einen Grundkörper 32' aufweist, der im Querschnitt elliptisch ausgebildet ist, mit einer Hauptachse a und einer Nebenachse b. Durch ein elliptisches Mundstück 30 kann die Fügevorrichtung auch bei schwer zugänglichen Werkstücken verwendet werden.
Die Schutzgaszufuhr erfolgt wiederum über drei Kanäle 44a, 44b, 44c, wobei die Hauptströmungsrichtung 48 vorzugsweise parallel zu der Hauptachse a eingerichtet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004001667 U1 [0007, 0081]
DE 202007007226 U1 [0010]

Claims

Schutzgasmundstück (30) für eine Fügevorrichtung (10), mit einem Grundkörper (32), der eine axiale Öffnung (34) aufweist und einen um die Öffnung (34) herum angeordneten Mund (36), der auf ein Werkstück (14) aufsetzbar ist, an dem ein Fügeprozess auszuführen ist, wobei die Öffnung (34) benachbart zu dem Mund (36) einen Spülraum (38) definiert, in den hinein Schutzgas (44) einführbar ist und der bei Durchführung eines Fügeprozesses durch ein die Öffnung (34) abdeckendes Werkstück (14) axial begrenzbar ist, dadurch gekennzeichnet, das Schutzgas (44) so in den Spülraum (38) eingeführt wird, dass eine Hauptströmungsrichtung (48) des Schutzgases (44) in einer radialen Mitte des Spülraumes (38) im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist.
Schutzgasmundstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (32) eine Mehrzahl von Schutzgaszuführkanälen (40) aufweist, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Schutzgasmundstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Schutzgaszufuhr (40) über den Umfang ungleichmäßig ist, derart, dass in einem Umfangsabschnitt (γ), der sich über mehr als 90° erstreckt, keine Schutzgaszufuhr (40) angeordnet ist.
Schutzgasmundstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (32) genau drei Schutzgaszuführkanäle (40a, 40b, 40c) ausgebildet sind, von denen sich zwei (40b, 40c) diametral gegenüber liegen.
Schutzgasmundstück nach einem der Ansprüche 2–4 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schutzgasmundstück (30) in einem axialen Bereich (52), der der axialen Öffnung (34) gegenüberliegt, ein Ringraum (54) zugeordnet ist, in den hinein Schutzgas (44) zuführbar ist, wobei der Ringraum (54) mit jedem einer Mehrzahl von Schutzgaszuführkanälen (44) in dem Grundkörper (32) verbunden ist.
Schutzgasmundstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (54) über eine Strömungswiderstandsanordnung (58) mit wenigstens einem der Schutzgaszuführkanäle (44) verbunden ist.
Fügevorrichtung (10) mit einer Fügeelement-Halteeinrichtung (20) und mit einem Schutzgasmundstück (30) nach einem der Ansprüche 1–6, das die Fügeelement-Halteeinrichtung (20) umgibt.
Verfahren zum Durchführen eines Schweißprozesses unter Verwendung von Schutzgas, insbesondere mittels eines Schutzgasmundstückes (30) gemäß einem der Ansprüche 1–6, mit den Schritten: – axiales Aufsetzen eines Schutzgasmundstückes (30) auf ein Werkstück (14), wobei innerhalb des Schutzgasmundstückes (30) ein Fügeelement (12) axial versetzbar in Bezug auf das Schutzgasmundstück (30) angeordnet ist, – Anheben des Fügeelementes (12) von dem Werkstück (14), so dass zwischen dem Fügeelement (12) und dem Werkstück (14) ein Zwischenraum (59) freigegeben wird, und – Zuführen von Schutzgas (44) in den Zwischenraum.
Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt Schutzgas (44) in das Schutzgasmundstück (30) asymmetrisch zuzuführen, derart, dass das zugeführte Schutzgas (44) in dem Zwischenraum (59) in einer Hauptströmungsrichtung (48) strömt, die im Wesentlichen radial und unidirektional ausgerichtet ist, um Umgebungsgas aus dem Zwischenraum (59) zu verdrängen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, mit den weiteren Schritten: – Aufsetzen des Fügeelementes (12) auf das Werkstück (14), nachdem Umgebungsgas aus dem Zwischenraum (59) verdrängt worden ist, und Einschalten eines elektrischen Stromes (I), der durch das Fügeelement (12) und das Werkstück (14) fließt, – Abheben des Fügeelementes (12) von dem Werkstück (14), so dass ein Lichtbogen zwischen dem Fügeelement (12) und dem Werkstück (14) erzeugt wird, der Fügeflächen des Fügeelementes (12) und des Werkstückes (14) schmelzt, und – Absenken des Fügeelementes (12) auf das Werkstück (14) und Abschalten des elektrischen Stromes (I), so dass das Fügeelement (12) an dem Werkstück (14) befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, wobei das Fügeelement (12) bei Zuführung des Schutzgases (44) zum Verdrängen von Umgebungsgas in einem Abstand (S₁) von dem Werkstück (14) gehalten wird, der größer ist als 1 mm.