DE4432550C1

DE4432550C1 - Hollow bolt for stroke-ignition welding process

Info

Publication number: DE4432550C1
Application number: DE19944432550
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl In Musikowski
Original assignee: HBS BOLZENSCHWEISSSYSTEME GmbH
Current assignee: HBS BOLZENSCHWEISSSYSTEME GmbH
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2014-09-14

Abstract

The hollow bolt for attachment to a workpiece (14) in alignment with an existing bore (15), by stroke-ignition welding, is claimed. Its face surface (13), which is to be joined by welding, incorporates a region (16) shaped as a truncated cone whose smallest diameter is less than and whose largest diameter is at least equal to the bore diameter.

Description

Verbindungs- und Befestigungselemente, vor allem rohr förmige Hohlkörper wie Buchsen, Schweißmuttern, Gewindehülsen oder dergleichen, müssen häufig koaxial zu Durchgangsbohrun gen an ein Werkstück angeschweißt werden. Zur Erzeugung einer umlaufenden ringförmigen Schweißnaht werden diese Teile zweckmäßig mittels Hubzündungs-Bolzenschweißverfahren unter Anwendung eines magnetisch bewegten elektrischen Lichtbogens angeschweißt.Fasteners and fasteners, especially pipes shaped hollow bodies such as bushings, weld nuts, threaded sleeves or the like, often need to be coaxial with through holes welded to a workpiece. To generate a these parts are encircling annular weld expediently by means of drawn arc stud welding under Use of a magnetically moving electric arc welded on.

In DE 42 22 664 C2 ist ein hohler Schweißbolzen für der artige Anwendungsfälle beschrieben, der an seiner anzuschwei ßenden Stirnfläche einen in Axialrichtung vorstehenden ring förmigen Ansatz und innerhalb desselben und konzentrisch dazu eine in das Material des Bolzens einspringende Ringnut auf weist. Durch diese Gestaltung soll verhindert werden, daß die Durchgangsbohrung des Schweißbolzens beim Schweißvorgang durch Metallspritzer verunreinigt wird, was insbesondere im Falle eines Innengewindes die Brauchbarkeit erheblich beein trächtigt.DE 42 22 664 C2 is a hollow welding stud for the like use cases described, which is to be welded on ß end face an axially projecting ring shaped approach and within it and concentric to it an annular groove jumping into the material of the bolt points. This design is intended to prevent the Through hole of the welding stud during the welding process is contaminated by metal splashes, which is particularly in the In the case of an internal thread, the usability is significantly affected is pregnant.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Schutz gegen ins In nere gelangende Metallspritzer bei dem bekannten Schweißbol zen unzulänglich ist. Da der ringförmige Ansatz über das Ende der Innenbohrung hinausragt, können die von der Schweißstelle wegspritzenden Metalltröpfchen ungehindert diagonal in das untere Ende und die dort gegebenenfalls vorhandenen Gewinde gänge gelangen.However, it has been shown that protection against the In More metal splashes from the well-known welding bolt zen is inadequate. Because the annular approach over the end the inner hole protrudes from the weld metal droplets splashing freely into the diagonally lower end and any threads there passages.

Beim Hubzündungs-Bolzenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen lassen sich ferner mit dem bekannten Bolzen keine befriedigenden Ergebnisse hinsichtlich der Qualität der ring förmigen Schweißnaht erzielen. Bedingt durch die Gestaltung des Stirnbereichs treten nämlich die magnetischen Feldlinien im wesentlichen axial aus der Stirnfläche aus und durchsetzen den Lichtbogen im Schweißspalt hauptsächlich in axialer Rich tung, so daß die für eine Lichtbogenrotation sorgende radiale Magnetfeldkomponente schwach ist. Daraus resultiert eine schlechte Lichtbogenbewegung und eine entsprechend unzurei chende Nahtqualität.With drawn arc stud welding with magnetically moved Arcs can also be no with the known bolt satisfactory results regarding the quality of the ring achieve a shaped weld. Due to the design the magnetic field lines occur in the front area essentially axially from and through the end face the arc in the welding gap mainly in the axial direction tion, so that the radial causing an arc rotation Magnetic field component is weak. This results in one bad arc movement and a correspondingly insufficient appropriate seam quality.

Schließlich ist der bekannte Schweißbolzen infolge der komplizierten Geometrie seines Stirnbereichs in der Herstel lung als Massenartikel aufwendig und teuer. Wegen der gefor derten Ringnut ist diese Geometrie auch nur dann realisier bar, wenn der Hohlbolzen ausreichende Wandstärke hat.Finally, the well-known welding stud as a result of complicated geometry of his forehead area in the manufacture development as a mass article, complex and expensive. Because of the gefor This is the only way to achieve this geometry bar if the hollow bolt has sufficient wall thickness.

Aus US 3,508,028 ist es bekannt, beim Anschweißen eines Hohlbolzens an ein Werkstück mit Bohrung die Innen fläche von Bolzen und Bohrung durch eine eingefügte Schutzhülse abzuschirmen, wodurch der Schweißvorgang kompliziert wird.It is known from US 3,508,028 when welding of a hollow bolt on a workpiece with a bore inside area of bolt and bore through an inserted Shield the protective sleeve, thereby reducing the welding process gets complicated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohl bolzen zur Verwendung beim Hubzündungs-Bolzenschweißen anzu geben, der ein saubereres und genaueres Anschweißen mit einer hoher Schweißnahtqualität gestattet.The invention has for its object a hollow bolts for use in drawn arc stud welding give a cleaner and more precise welding with a high weld quality allowed.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An spruch 1 gekennzeichnet.The achievement of this task is in the An saying 1 marked.

Die im wesentlichen kegelstumpfartige Gestalt mindestens eines Teils der Hohlbolzen-Stirnfläche mit den im Anspruch 1 angegebenen Durchmesserverhältnissen bewirkt zunächst eine sehr genaue automatische Positionierung und Zentrierung des Schweißbolzens gegenüber der in dem Werkstück vorhandenen Bohrung, was insbesondere bei der Arbeit mit Handschweißpi stolen günstig ist.The essentially frustoconical shape at least a part of the hollow bolt end face with the in claim 1 specified diameter ratios initially causes a very precise automatic positioning and centering of the Welding stud compared to that present in the workpiece Bore, which is particularly true when working with hand welding pi stolen is cheap.

Ferner hat die Kegelstumpfform zur Folge, daß nach der Hubzündung des Lichtbogens und dem Zuschalten des Magnetfel des die aus der Stirnfläche austretenden Magnetfeldlinien ei ne wesentliche Radialkomponente aufweisen, die für eine wirk same Lichtbogenrotation sorgt.Furthermore, the truncated cone shape has the consequence that after the Draw arc ignition and switching on the magnetic field of the magnetic field lines emerging from the end face ne essential radial component, which for an effective same arc rotation.

Da der kleinste Durchmesser des kegelstumpfförmigen Be reichs der Stirnfläche kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung, tritt der Bolzen beim Schweißvorgang in die Bohrung ein, und die Schweißung findet zwischen der Oberkante der Bohrung und dem dieser am nächsten stehenden, etwas wei ter hinten gelegenen Bereich der Kegelstumpffläche statt. Dadurch wird der Innenraum die über die Schweißnaht hinaus ragende Spitze des Hohlbolzens gegen Metallspritzer wirksam ge schützt. Dies ist dann besonders wichtig, wenn es sich um ei nen Hohlbolzen mit Innengewinde gemäß Anspruch 7 handelt. Since the smallest diameter of the frustoconical Be of the face is smaller than the diameter of the Workpiece hole, the stud enters the welding process Drill a hole and the weld takes place between the top edge the hole and the one closest to it, somewhat white rear area of the truncated cone surface. This means that the interior extends beyond the weld seam protruding tip of the hollow pin effective against metal splashes protects. This is particularly important when it comes to egg NEN hollow bolt with internal thread according to claim 7.

Die in Anspruch 1 angegebene Gestaltung des Stirnberei ches ist ferner unaufwendig und eignet sich für die Massen fertigung.The design of the forehead region specified in claim 1 ches is also inexpensive and suitable for the masses production.

Der in Anspruch 2 angegebene Winkelbereich für den im wesentlichen kegelstumpfförmigen Stirnflächenbereich hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Kleinere Kegelwinkel be günstigen zwar die zentrierende Wirkung bei der Bolzenposi tionierung, führen jedoch zu einem tieferen Eintauchen des Schweißteils in die Werkstückbohrung, wodurch die Kurzschluß neigung während der Hubzündung des Lichtbogens zunimmt. Bei größeren Kegelwinkeln wird dagegen die Zentrierung erschwert, und der Schutz des Bolzeninnenraums gegen Spritzer nimmt ab.The angular range specified in claim 2 for the in has a substantial frustoconical end face area proven to be particularly useful. Smaller cone angles favorable the centering effect at the bolt posi tion, however, lead to a deeper immersion of the Welded part in the workpiece hole, causing the short circuit incline increases during the drawn arc ignition. At larger cone angles, on the other hand, make centering more difficult, and the protection of the bolt interior against splashes decreases.

Die in Anspruch 3 angegebene konkave Gestaltung des im wesentlichen kegelstumpfförmigen Stirnflächenbereichs gestat tet ein tieferes Eintauchen des Bolzens in die Werkstückboh rung mit entsprechend wirksamerem Schutz gegen Metallspritzer ohne Erhöhung der beschriebenen Gefahr von Kurzschlüssen bei der Lichtbogen-Hubzündung. Der gleiche Vorteil ergibt sich bei den Gestaltungen nach Anspruch 4 und 5.The concave design specified in claim 3 of the essential frustoconical end face region deeper immersion of the bolt in the workpiece bore tion with more effective protection against metal splashes without increasing the described risk of short circuits the electric arc ignition. The same advantage arises in the designs according to claims 4 and 5.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist in sofern von Vorteil, als sich eine für die obigen Zwecke ge eignete kegelstumpfförmige Stirnfläche mit ausreichenden Ab messungen auch dann verwirklichen läßt, wenn es sich um einen verhältnismäßig dünnwandigen Hohlbolzen handelt.The development of the invention according to claim 6 is in if advantageous, as a ge for the above purposes suitable frustoconical face with sufficient ab measurements can be realized even if it is a relatively thin-walled hollow bolt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zei genPreferred embodiments of the invention explained below with reference to the drawing. In it gene

Fig. 1 bis 4 Hohlbolzen mit unterschiedlichen Formge bungen des anzuschweißenden Bolzenendes, und Fig. 1 to 4 hollow bolts with different Formge exercises of the bolt end to be welded, and

Fig. 4a bis 4c aufeinanderfolgende Phasen beim Hubzün dungs-Schweißverfahren. FIGS. 4a to 4c show successive phases during Hubzün manure welding.

Gemäß Fig. 1 besteht der Hohlbolzen aus einem rohrförmigen Hauptteil 10, dessen Bohrung 11 mit einem (nicht näher dargestellten) Innengewinde versehen ist und an dessen anzuschweißendem (in der Zeichnung unteren) Ende ein radial nach außen weisender Ringflansch 12 angeformt ist. Bei dem Hohlbolzen nach Fig. 1 hat die Stirnfläche 13 des Ring flansches 12 eine durchgehende Kegelstumpfform mit einem Ke gelwinkel α zwischen 90° und 130°.Referring to FIG. 1, the hollow pin of a tubular main body 10, the bore 11 is provided internal threads (not shown) with one and a formed radially outwardly facing annular flange 12 at its anzuschweißendem (in the drawing lower) end. The hollow pin shown in FIG. 1, the end face 13 has the annular flange 12 of a continuous truncated cone shape with a Ke gelwinkel α between 90 ° and 130 °.

Der kleinste Durchmesser, den die Stirnfläche 13 an der Stelle hat, an der sie an der Durchgangsbohrung endet, ist kleiner als der Durchmesser der in dem Werkstück 14 vorhande nen Bohrung 15. Bei dem Bolzen nach Fig. 1 ist der größte Durchmesser, den die Stirnfläche 13 am Außenrand des Ring flansches 12 aufweist, größer als der Durchmesser der Werk stückbohrung 15.The smallest diameter that the end face 13 has at the point at which it ends at the through hole is smaller than the diameter of the hole 15 present in the workpiece 14 . In the bolt of FIG. 1, the largest diameter, which the end face 13 on the outer edge of the ring flange 12 , is larger than the diameter of the workpiece bore 15th

Bei der Variante nach Fig. 2 besteht die Stirnfläche 13 des Hohlbolzens aus einem kegelstumpfförmigen Bereich 16 mit einem Kegelwinkel, der wiederum zwischen 90° und 130° liegt und einem an diesen nach außen anschließenden ebenen Flächenbereich 17. Der kleinste Durchmesser des kegelstumpf förmigen Bereichs 16 ist kleiner als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15. Der größte Durchmesser, der am Über gangsbereich zwischen dem kegelstumpfförmigen Bereich 16 und dem ebenen Flächenbereich 17 liegt, hat dagegen einen Wert, der im wesentlichen gleich groß oder nur geringfügig größer ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15.In the variant according to FIG. 2, the end face 13 of the hollow bolt consists of a frustoconical region 16 with a cone angle, which in turn lies between 90 ° and 130 °, and a flat surface region 17 adjoining it to the outside. The smallest diameter of the frustoconical region 16 is smaller than the diameter of the workpiece bore 15 . The largest diameter, which lies at the transition area between the frustoconical area 16 and the flat surface area 17 , has a value that is essentially the same size or only slightly larger than the diameter of the workpiece bore 15th

Bei der weiteren Ausgestaltung nach Fig. 3 ist die Stirnfläche 13 konkav gekrümmt; im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird auch diese Gestaltung als "im wesentlichen kegelstumpfförmig" bezeichnet. Der Winkel, den diese konkave Fläche mit der Bolzenachse 18 bildet, ändert sich von im we sentlichen 0° an der Stelle des kleinsten Durchmessers (der wiederum kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15), auf im wesentlichen 90° an der Stelle des größten Durch messers (der größer ist als der Durchmesser der Werkstückboh rung 15) am Außenrand des Ringflansches 12. . In the further embodiment of Figure 3, the end face is curved in a concave 13; in the context of the present description, this design is also referred to as "essentially frustoconical". The angle that this concave surface forms with the pin axis 18 changes from essentially 0 ° at the location of the smallest diameter (which in turn is smaller than the diameter of the workpiece bore 15 ) to substantially 90 ° at the location of the largest By knife (which is larger than the diameter of the workpiece bore 15 ) on the outer edge of the ring flange 12 .

In der weiteren in Fig. 4a bis 4c dargestellten Varian te besteht die Stirnfläche 13 aus drei Bereichen, nämlich ei nem kegelstumpfförmigen mittleren Bereich 16, einem diesen nach außen fortsetzenden ebenen Flächenbereich 17 und einem an das innere Ende des kegelstumpfförmigen Flächenbereichs 16 anschließenden zylindrischen Flächenbereich 19. Der größte Durchmesser des kegelstumpfförmigen Bereichs 16 an der Über gangsstelle zu dem ebenen Flächenbereich 17 ist gleich groß wie oder etwas größer als der Durchmesser der Werkstückboh rung 15, während der Durchmesser des zylindrischen Flächenbe reichs 19 kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückboh rung 15.In the further variants shown in FIGS. 4a to 4c, the end face 13 consists of three areas, namely a conical middle area 16 , a flat area 17 continuing outward and a cylindrical area 19 adjoining the inner end of the conical area 16 . The largest diameter of the frustoconical region 16 at the transition point to the flat surface area 17 is the same size or slightly larger than the diameter of the workpiece bore 15 , while the diameter of the cylindrical surface area 19 is less than the diameter of the workpiece bore 15 .

Fig. 4a zeigt die erste Phase des Hubzündungs-Bolzen schweißvorgangs, in der der Schweißbolzen derart in die Boh rung 15 des Werkstücks 14 abgesenkt worden ist, daß der ebene Flächenbereich des Ringflansches 12 auf der Oberfläche des Werkstücks 14 aufliegt. Der kegelstumpfförmige Bereich 16 hat beim Absenken des Bolzens diesen automatisch bezüglich der Werkstückbohrung 15 zentriert. Fig. 4a shows the first phase of the drawn-arc stud welding process, in which the welding stud has been lowered into the drilling 15 of the workpiece 14 such that the flat surface area of the ring flange 12 rests on the surface of the workpiece 14 . When the bolt is lowered, the frustoconical region 16 automatically centered it with respect to the workpiece bore 15 .

In der in Fig. 4b veranschaulichten eigentlichen Schweißphase ist der Hohlbolzen angehoben und dadurch der Lichtbogen gezündet worden. Wie gezeigt, treten die Magnet feldlinien 21 im wesentlichen senkrecht aus dem kegelstumpf förmigen Flächenbereich 16 aus und weisen daher eine wesent liche Radialkomponente auf. Die Magnetfeldlinien 21 kreuzen den Lichtbogen 20, der sich zuerst an der in Fig. 4b gezeig ten linken Stelle zwischen dem Ringflansch 12 und der Ober fläche des Werkstücks 14 gebildet hat. Die radiale Magnet feldkomponente verläuft senkrecht zum Stromfluß des Lichtbo gens 20 und bewirkt daher, daß dieser ringförmig längs des Randes der Werkstückbohrung 15 bewegt wird.In the actual welding phase illustrated in FIG. 4b, the hollow bolt has been raised and the arc has thereby been ignited. As shown, the magnetic field lines 21 emerge substantially perpendicularly from the frustoconical surface area 16 and therefore have a radial component wesent union. The magnetic field lines 21 cross the arc 20 , which first formed at the left-hand location shown in FIG. 4b between the ring flange 12 and the upper surface of the workpiece 14 . The radial magnetic field component extends perpendicular to the current flow of the Lichtbo gene 20 and therefore causes it to be moved annularly along the edge of the workpiece bore 15 .

Bei dieser Lichtbogenrotation wird das Material des Hohlbolzens an der Lichtbogenstelle aufgeschmolzen. Der gegenüber dieser Schweißstelle innenliegende und nach unten ragende Teil der Stirnfläche, im Beispiel nach Fig. 4a bis 4c der zylindrische Flächenbereich 19, schützt dabei die Boh rung 11 und das dort vorgesehene Innengewinde des Hohlbol zens wirksam gegen das Eintreten von Metallspritzern.With this arc rotation, the material of the hollow bolt is melted at the arc location. The inward and downward facing part of the end face opposite this weld, in the example according to FIGS. 4a to 4c the cylindrical surface area 19 , protects the drilling 11 and the internal thread provided there of the hollow bolt effectively against the occurrence of metal splashes.

Fig. 4c zeigt den endgültigen verschweißten Zustand nach Absenken des Bolzens in die Werkstückbohrung 15. Der im wesentlichen kegelstumpfförmige Flächenbereich 16 bildet da bei mit der Wand der Werkstückbohrung 15 eine Ringfuge, die den in die Werkstückbohrung 15 hineingedrückten Teil 22 des Schweißwulstes aufnimmt. Dadurch wird verhindert, daß dieser nach innen über den Innendurchmesser der Bolzenbohrung 11 vorsteht. Fig. 4c shows the final welded state after lowering of the stud into the workpiece bore 15. The substantially frustoconical surface portion 16 forms since in the wall of the workpiece bore 15 a ring groove, which receives the pushed-in into the workpiece bore 15 part 22 of the weld bead. This prevents it from projecting inward beyond the inside diameter of the pin bore 11 .

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Bolzen-Hauptteil 10 verhältnismäßig dünnwandig. Die zur Er zielung der erläuterten Funktionen erforderliche Größe der Stirnfläche 13 wird dabei durch Ringflansch 12 erreicht. Ist der Hohlbolzen dickwandig, so kann der Ringflansch 12 entfallen.In the exemplary embodiments described above, the bolt main part 10 is relatively thin-walled. The size of the end face 13 required for achieving the functions explained is achieved by the ring flange 12 . If the hollow bolt is thick-walled, the ring flange 12 can be omitted.

Claims

1. Hollow bolt for welding to a workpiece ( 14 ) in alignment with an existing bore ( 15 ) by means of drawn ignition, characterized in that its end face to be welded ( 13 ) has a substantially frustoconical area ( 16 ), the smallest diameter of which is smaller than and whose largest diameter is at least substantially the same size as the diameter of the workpiece bore ( 15 ).

2. Hollow pin according to claim 1, characterized in that the cone angle of the frustoconical surface area ( 16 ) is between 90 ° and 130 °.

3. Hollow pin according to claim 1, characterized in that the substantially frustoconical surface area ( 16 ) is concavely curved.

4. Hollow bolt according to one of claims 1 to 3, characterized in that the end face ( 13 ) has a at the we substantially conical surface area ( 16 ) radially outward adjoining flat surface area ( 17 ).

5. Hollow pin according to one of claims 1 to 4, characterized in that the end face ( 13 ) has an axially adjoining cylindrical surface region ( 19 ) to the substantially frustoconical surface region ( 16 ).

6. Hollow bolt according to one of claims 1 to 5, characterized in that the end face ( 13 ) is formed on an annular flange ( 12 ) which widens the end of the hollow bolt to be welded.

7. Hollow pin according to one of claims 1 to 6, characterized characterized that he was an In has a thread.