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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Widerstands-Schweiß/Hartlötvorgänge und insbesondere
auf eine verbesserte Widerstands-Schweißausführung, die einen kontaktlosen Temperatursensor
zum Vorsehen einer verbesserten Verbindung zwischen den verschweißten Materialien und
den Hartlötmaterialien
benutzt.
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Die Überwachung
und Steuerung von Widerstands-Punktschweißeinrichtungen ist auf dem
Fachgebiet gut bekannt. Neuere Ausführungen aus dem Stand der Technik
haben sich auf die Versetzung der Elektroden während des Schweißens gerichtet,
um einen verbesserten Schweißvorgang
zu erzielen. Das US-Patent No. 5,789,719 zum Beispiel ist gerichtet
auf die Fixierung der Elektroden gegen eine Verschiebung nach außen, wenn
sich die metallischen Werkstücke
während
der Zuführung
des Schweißstromes
ausdehnen, sowie auf das Zulassen einer Verschiebung der Elektroden
nach innen nach dem Aufweichen des metallischen Lots bzw. Nuggets.
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Jedoch
sind die Widerstands-Schweißanordnungen
nach dem Stand der Technik immer noch nicht zufriedenstellend. Das
bedeutet, die Qualität der
Widerstandsschweißung
ist empfindlich und deshalb abhängig
von einer Vielzahl von Faktoren, zum Beispiel von der Temperatur
der Elektroden während des
Einsatzes. Diese Temperatur kann zum Beispiel zu Beginn variieren,
wenn die ersten Schweißungen eine
längere
Zeit brauchen können,
um eine befriedigende Schweißung
zustande zu bringen. Ferner werden eine Elektrodenerosion oder eine
Elektrodenabnutzung unzureichende Ergebnisse erzeugen, weil sich
der Stromübergang
von den Elektroden auf das Material verschlechtert, was Widerstandsveränderungen
erzeugt. Weiterhin können
Veränderungen
in der Schweißung
erzeugt werden durch Unterschiede in der Materialqualität, hinsichtlich
der Materialoberfläche
(finish) oder der Grenzflächenbeschichtung auf
den Materialien. Es können
eine oder alle dieser Veränderungen
zu jedem gegebenen Moment während
eines Widerstands-Hartlötverfahrens
auftreten, und der Bediener der Schweißeinrichtung muß die beschriebenen
Veränderungen
kompensieren, indem er die Steuerparameter für die Schweißung (Zeit,
prozentualer Strom, Anzahl Zyklen) entsprechend anpaßt, um befriedigende
Ergebnisse zu erzielen. Diese intensive und möglichst akkurate menschliche
Mitwirkung bei dem Widerstands-Hartlötverfahren kann zu unerwünschten
und unbefriedigenden Ergebnissen führen.
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Ein
Versuch zur Verbesserung des Widerstands-Schweißvorgangs wird beschrieben
im US-Patent No. 5,672,943. Jedoch richtet sich dieses US-Patent
insbesondere hinsichtlich seines Verbesserungsgedankens auf die
Kräfte,
die während
des Vorgangs auf die Elektroden ausgeübt werden, um den Schweißprozess
zu verbessern.
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Es
ist schwierig, die fertiggestellten Produkte hinsichtlich der Qualität ihrer
Hartlötung
ohne aufwendige Ultraschalltechniken und/oder andere Maßnahmen
zu beurteilen, und es ist deshalb wünschenswert, ein System zum Überwachen
und Steuern eines Widerstands-Schweißvorgangs bereitzustellen,
das sowohl die Qualität
der damit erzeugten Produkte verbessert und dabei gleichzeitig die
intensive und genaue erforderliche gegenseitige Abstimmung zwischen
dem System und dem Bediener des Systems zu reduzieren. Die hier
beschriebene vorliegende Erfindung erreicht die zuvor genannten
sowie die nachfolgend aufgeführten
Ziele.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Allgemein
gesprochen wird gemäß der Erfindung
ein System zum Überwachen
und Steuern eines Hartlötvorgangs
an einem Werkstück
angegeben. In der bevorzugten Ausführung weist das System eine
Schweißeinrichtung
mit im Abstand davon angeordneten Elektroden auf. Der Elektrodendruck wird
benutzt, um das Werkstück
zusammen zu drücken.
Es wird ein Strom durch das Werkstück angelegt, um mit der Zeit
und mit entsprechendem Druck eine ausreichende Aufheizung zu erzeugen,
um ein Hartlötmaterial
in dem Werkstück
zu schmelzen. Die Wärme
wird erzeugt mittels des Widerstandes, den das Werkstück dem elektrischen
Stromfluß entgegen setzt.
Das System enthält
weiterhin eine Steuerung zum Steuern des Hartlötvorgangs, wobei die Steuerung
die Dauer der Zeit steuert, während
der Strom durch das Werkstück
fließt.
Gemäß der Erfindung
ist weiterhin ein nicht-kontaktierender bzw. kontaktloser Sensor
vorgesehen, wie zum Beispiel ein Infrarot-Sensor, der mit der Steuerung
gekoppelt ist und die Temperatur der Nahtstelle oder des Hartlötmaterials
mißt.
Auf diese Weise veranlaßt
bei einer vorbestimmten, von dem Sensor gemes senen Temperatur die
Steuerung, daß die
Stromzuführung
zu dem Werkstück
beendet wird.
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Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
System zum Überwachen
und Steuern eines Widerstands-Schweißvorgangs anzugeben.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Erzeugnis anzugeben, das mittels eines Widerstands-Schweiß/Hartlötvorgangs
gebildet wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Überwachen
und Steuern eines Widerstands-Schweißvorgangs anzugeben, der nur
eine minimale menschliche Einbeziehung erfordert.
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Es
liegt eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
System zum Sicherstellen eines gleichmäßigeren und genauer verteilten
Hartlötmaterials
in einem geschweißten
bzw. hartgelöteten
Produkt anzugeben.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die optimalen
Arbeitsparameter für das
Hartlötmaterial
vorzusehen, und zwar ohne Rücksicht
auf die Zeitdauer, seit der die Widerstandsschweißeinrichtung
bereits in Betrieb ist, sowie ohne Rücksicht auf die Korrosion,
die Abnutzung oder Oxidation auf den Elektroden oder auf den hartzulötenden Materialien.
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Eine
wiederum weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die
Herstellung von mit Widerstandsschweißung erzeugten Produkten aufgrund
des verbesserten automatischen Verfahrens zu optimieren, wie es
durch Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung steht.
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Noch
weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden zum einen Teil
auf der Hand liegen und zum anderen Teil deutlich werden aus der
Beschreibung, wie zum Beispiel die Vermeidung einer Materialausglühung bzw.-
temperung oder Aufweichung durch einen Hartlötvorgang.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Allgemein
gesprochen sind Systeme bekannt, die eine Basis für Schweiß/Hartlötvorgänge gemäß der vorliegenden
Erfindung bilden. Im folgenden sollte die Bezugnahme auf ein Schweiß- oder Hartlötmaterial,
eine entsprechende Einrichtung oder einen solchen Vorgang verstanden
werden als ein "Schweiß/Hartlöt"-Material, eine entsprechende
Einrichtung oder einen solchen Vorgang. Das System enthält einen
Temperatursensor, wie zum Beispiel einen Infrarotsensor, eine Schweißeinrichtung
sowie eine Steuerung zum Steuern sowohl der Schweiß/Hartlötvorgänge als
auch für
die Schnittstellensteuerung bzw. Verbindung mit dem Sensor, wobei
die Einzelheiten davon nachfolgend erörtert werden.
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Bei
der Schweißeinrichtung
kann es sich um irgendeine der vielen derzeit bekannten Schweißeinrichtungen
handeln, da die vorliegende Erfindung in einfacher Weise daran anpaßbar und
darin integrierbar ist. Deshalb werden der Einfachheit halber die Einzelheiten
einer Schweißeinrichtung
hier weggelassen, obwohl die grundsätzlichen Vorgänge davon zur
Erleichterung für
den Leser nun erörtert
werden.
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Eine
Schweißeinrichtung
eignet sich insbesondere für
das Schweißen
und besonders für
einen Hartlötvorgang.
Eine Schweißeinrichtung
kann einen festen Rahmen mit (nicht gezeigten) Flanschen aufweisen,
die sich entlang einer Seite davon erstrecken. Der Rahmen kann geeignete
Befestigungsvorrichtungen für
den sicheren Halt der Einrichtung an einem größeren Gehäuse oder Ständer enthalten. Ein größeres Gehäuse oder
eine Plattform (nicht gezeigt) wird die Schweißeinrichtung sicher abstützen.
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Die
Schweißeinrichtung
kann eine Führungsstange
aufweisen, an der ein erster sowie ein zweiter Arm fest montiert
sind. Die Arme unterstützen dabei
die Ausbalancierung des Drucks, der von einem Paar von gegenüberliegend
montierten Elektroden auf ein Werkstück ausgeübt wird. Die Führungsstange
kann wechselseitig längs
einer Schiene entlang einer Oberfläche von dem Rahmen beweglich sein.
Ein Vorspannelement, zum Beispiel eine Feder, ein hydraulischer
oder pneumatischer Zylinder, kann mit der Führungsstange über eine
Gewindestange gekoppelt sein. Auf diese Weise ist die Führungsstange
in Richtung auf das Werkstück
hin bewegbar.
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Der
zweite Arm enthält
eine Montageklammer mit einem auf der Führungsstange montierten verlängerten
Element. Von dem anderen Ende der Klammer erstreckt sich ein "L-förmiges" Element, das damit
einstückig
ausgebildet sein kann. Ein Ende des Elements enthält einen
konventionellen Elektrodenhalter, der eine konventionelle Elektrode
trägt. Über eine
Stromversorgung wird elektrischer Strom über ein in dem Elektrodenhalter
sowie dem Element angebrachtes elektrisches Material auf die Elektrode geführt. Der
elektrische Strom wird von einer (nicht gezeigten) Stromversorgung
durch eine Stromschiene über
einen (nicht gezeigten) Draht in dem zweiten Arm geleitet. Der Draht
ist vorzugsweise flexibel, um (falls erforderlich) eine Bewegung
des zweiten Arms zu ermöglichen.
Die Elektrode kann als von dem Element abschraubbar ausgestaltet
sein.
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Als
ein Beispiel kann der erste Arm einen inneren Zylinder mit einem
kolbenartigen Stab enthalten, der einen Elektrodenhalter sowie eine
Elektrode trägt.
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Beim
Betrieb bewirkt die Druckerzeugung des Zylinders die Verlängerung
des Stabs nach unten und veranlaßt dadurch die Elektrode, sich
in Richtung auf das Werkstück
hin zu bewegen. Der Zylinder wird ausreichend unter Druck gesetzt,
um einen vorbestimmten Druck (oder Klemmkraft) auf das Werkstück auszuüben. Die
Klemmkraft hält
die Elektroden in ausreichendem Maß sicher in Kontakt mit dem Werkstück. Entsprechend
dem Fachwissen würde die
Kraft unterschiedlich sein, und zwar je nach der Beschaffenheit
des Werkstücks
sowie der Elektroden selbst. Weitere Details für eine geeignete Schweißvorrichtung
lassen sich in der Literatur zum Stand der Technik finden, zum Beispiel
im US-Patent No. 5,789,719. Es muß jedoch dabei im Bewußtsein gehalten
werden, daß die
Schweißvorrichtung
gegenüber
der in dem '719
Patent beschriebenen Form etwas modifiziert worden ist, soweit deren
Einzelheiten nicht im Hinblick auf die vorliegende Erfindung kritisch
sind.
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Wie
von einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet sicher verstanden
wird, besteht eine kritische Zielvorgabe bei jedem Widerstands/Hartlötvorgang
darin, in zutreffender Weise die Beschaffenheit der Elektroden sowie
des Werkstücks
für die
Hartlötung
zu berücksichtigen,
so daß genügend Wärme erzeugt
werden kann, um das Nahtstellenmaterial (Hartlötmaterial) aufzuschmelzen und
die beiden Komponenten miteinander zu verbinden. Im einzelnen kann
das Werkstück
zwei Materialien enthalten, zum Beispiel eine Wolframschicht sowie
eine Kupferschicht, wobei Silber als Hartlötmaterial benutzt wird. Für einen
einwandfreien Hartlötvorgang
muß das Hartlötmaterial
seine richtige Schmelztemperatur über eine zutreffende Zeitdauer
erreichen. Die Zeitdauer, während
der den Elektroden Strom zugeführt wird,
bestimmt die Spitzentemperatur des Hartlötmaterials. Eine zu kurze Zeit
und das Hartlötmaterial wird
nicht richtig fließen,
während übermäßige Hitze dazu
führen
kann, daß das
Hartlötmaterial
in unerwünschte
Bereiche wandert und ebenfalls ein Ausglühen bzw. Tempern des Werkstücks einleiten
könnte.
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Demzufolge
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung in dem System der Sensor vorgesehen, bei dem es sich um
einen Infrarotsensor handeln kann. Der Sensor, bei dem es sich um
irgendeinen Typ von nicht-kontaktierendem Sensor zur Hitzefeststellung handeln
kann, ist vorzugsweise auf einer Klemme montiert, die an dem Gehäuse fest
angebracht sein können.
Der Sensor enthält
vorzugsweise eine Quelle mit sichtbarem Licht, um die Positionierung
des Sensors in der korrekten Stellung zu unterstützen. Der Sensor kann ferner
ausgewählt
werden in Abhängigkeit
von den hartzulötenden
Materialien und kann demzufolge entsprechend unterschiedlich sein. Diese
Auswahl wird ebenfalls variieren je nach der gewünschten zu messenden Temperatur
des Hartlötmaterials.
Ein Fachmann auf dem Gebiet würde
auf der Grundlage der vorliegenden Beschreibung unschwer in der
Lage sein, den richtigen Sensor auszuwählen. Zwischen der Steuerung
und dem Sensor wird vorzugsweise eine elektrische Verbindung über eine
Leitung vorgesehen.
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Die
Steuerung steuert, wie oben angegeben, den Schweiß/Hartlötvorgang
in einer Weise, die von Fachleuten auf dem Gebiet gut verstanden
ist. Die Steuerung, die ebenfalls eine Schnittstelle mit dem Sensor
aufweist, überwacht
zusätzlich
die Temperatur an der Schnittstelle der Materialien, die gerade hartverlötet werden.
Die Temperatur wird gemessen von dem Sensor. Wie man verstehen wird,
erzielt die Positionierung des Sensors nahe am Werkstück sowie
seine Ausrichtung auf das Hartlötmaterial
die sehr genaue kontaktlose Messung und Überwachung von dem Hartlötvorgang,
insbesondere von dem Schmelzvorgang des Hartlötmaterials.
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Im
Betrieb kann nun die Temperatur des Hartlötmaterials in genauer Weise
von dem Sensor gemessen und von der Steuerung überwacht werden. Die Steuerung
enthält eine
(nicht gezeigte) Schnittstellen- bzw. Interfaceeinheit, in die die
temperaturmäßigen Einstellpunkte
für die
jeweilige Anwendung eingegeben werden. Die Schnittstelleneinheit gibt
das Signal aus an die (nicht gezeigten) Stromschalter in der Vorrichtung,
um den Stromfluß zu
beendigen. Die Steuerung tastet die Daten von dem Sensor ab, und
wenn sie in der richtigen Schwellenlage liegen, wird sie den Stromfluß von einer
Stromversorgung unterbrechen. Die Steuerung kann ebenfalls die von
dem Sensor gesammelten Daten auf einen (nicht gezeigten) Hauptrechner
schicken. Falls gewünscht,
können
die Daten auf einem Monitor für den
Ausdruck mittels eines Druckers angezeigt werden. Die Steuerung
kann somit genauer die Zeitdauer für den Hartlötvorgang steuern und damit
die Temperatur des Materials an der Nahtstelle. Durch einen solchen
Steuerungsvorgang kann die Steuerung in exakter Weise bestimmen,
wann das Material an der Nahtstelle die richtige Fließtemperatur
der Nahtstellenlegierung erreicht hat und damit, wann die Stromzufuhr
an die Elektroden beendet werden soll. Wenn der Stromfluß endet,
wird die Andruckkraft der Elektroden noch für eine kurze Zeit beibehalten,
um den Eintritt der Verfestigung des Hartlötmaterials zuzulassen. Auf
diese Weise wird die Temperatur des Hartlötmaterials überwacht, und zwar unabhängig von der
Elektrodentemperatur, der Beschaffenheit der Elektrode und/oder
des Materials und/oder der darauf gebildeten Korrosion. Es kann
daher die Temperatur des Hartlötmaterials
sowie die Qualität
der Schweißung
unabhängig
und exakt aufrechterhalten werden.
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Es
sollte ferner das Verständnis
bestehen, daß die
folgenden Ansprüche
dazu gedacht sind, alle die allgemeinen und besonderen Merkmale
der hierin beschriebenen Erfindung und alle Feststellungen bezüglich des
Umfangs der Erfindung, die sprachlich darunterfallen, abzudecken.
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Es
können
zusätzlich
positionierte Temperatursensoren zusätzlich zu dem beschriebenen
einzelnen Sensor benutzt werden, um ein noch genaueres und in seiner
Qualität
verbessertes Produkt mit Widerstandsschweißung zu erzielen.