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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Lampe mit einer Molybdänfolie, die als Bestandteil einer gasdichten Stromdurchführung durch ein Lampengefäß ausgebildet ist, und mit einem als Elektrode ausgebildeten Wolframstift oder einen als Stromzuführung ausgebildeten Molybdänstift, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Molybdänfolie verschweißt ist.
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I. Stand der Technik
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Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
EP 1 604 772 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt ein Verfahren zum Verschweißen einer Metallfolie mit einem Metallstift, die zur Verwendung als Stromzuführungen in Lampen vorgesehen sind, mittels einer Laserpunktschweißung. Die Metallfolie ist eine Molybdänfolie, die als Bestandteil einer gasdichten Stromdurchführung durch ein Lampengefäß ausgebildet ist, und der Metallstift ist ein Molybdän- oder Wolframstift, der als Stromzuführungsdraht oder als Lampenelektrode oder als Ende eines Glühfadens ausgebildet ist.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung des gattungsgemäßen Verfahrens für die Verschweißung von im Lampenbau verwendeten Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Verschweißen von Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift, die für den Lampenbau vorgesehen sind, wobei zur Ausführung der Schweißung die Molybdänfolie und der Molybdän- oder Wolframstift einander überlappend angeordnet werden, so dass der Molybdän- oder Wolframstift über eine quer zum Molybdän- oder Wolframstift verlaufende Kante der Molybdänfolie hinausragt, und die Molybdänfolie an den Molybdän- oder Wolframstift angedrückt wird und die Molybdänfolie in dem an dem Molybdän- oder Wolframstift anliegenden Überlappungsbereich, auf ihrer von dem Molybdän- oder Wolframstift abgewandten Seite, punktuell erhitzt und geschmolzen wird, so dass nach dem Erkalten der Schmelze die Molybdänfolie und der Molybdän- oder Wolframstift miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß werden mit Hilfe des Lasers mindestens zwei Schweißpunkte erzeugt, so dass der Abstand zwischen benachbarten Schweißpunkten im Bereich von 150 μm bis 500 μm liegt und der Abstand der im Überlappungsbereich und quer zum Molybdän- oder Wolframstift verlaufenden Kante der Molybdänfolie zu dem nächstgelegenen Schweißpunkt im Bereich von 100 μm bis 600 μm liegt. Dadurch ist gewährleistet, dass durch die Schweißung und die anschließende Einbettung des Überlappungsbereiches von Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift im Quarzglas eines Lampengefäßes nur geringe mechanische Spannungen, so genannte Druckspannungen, im den Überlappungsbereich umgebenden Quarzglas des Lampengefäßes entstehen, die keine nennenswerte Auswirkung auf die gasdichte Einbettung der Molybdänfolie im Quarzglas des Lampengefäßes haben.
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Die vorgenannten Druckspannungen entstehen in dem die Molybdänfolie und den Molybdän- oder Wolframstift umgebenden Quarzglas der Lampengefäßabdichtung sowohl während der Herstellung der Lampengefäßabdichtung als auch während des Lampenbetriebs durch die unterschiedlich schnelle Abkühlung der vorgenannten Metallteile und des sie umgebenden Quarzglases und durch die stark unterschiedlichen Werte für die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Molybdän und Wolfram einerseits und von Quarzglas andererseits. Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den gewählten Abständen zwischen den einzelnen Schweißpunkten und dem Abstand der Molybdänfolienkante zum nächstgelegenen Schweißpunkt ist gewährleistet, dass Druckspannungen nicht zur Zerstörung der Schweißverbindung zwischen Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift führen und dass die erfindungsgemäße Schweißverbindung ihrerseits keine mechanischen Spannungen in dem Quarzglas des Lampengefäßes verursacht.
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Insbesondere werden durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren die auftretenden Druckspannungen, wie weiter unten anhand der Darstellung in 3 beschrieben ist, möglichst gering gehalten, so dass keine Risse in der Lampengefäßabdichtung auftreten und kein Bersten des Lampengefäßes verursacht wird.
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Aus der Darstellung in 2 kann man erkennen, dass die zum Ablösen des Molybdän- oder Wolframstifts von der Molybdänfolie erforderliche Abscherkraft mit der Anzahl der Schweißpunkte zwischen Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift zunimmt. In 2 ist die Abscherkraft auf der vertikalen Achse in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Anzahl der gesetzten Schweißpunkte (horizontale Achse) dargestellt. Bei Verwendung von vier Schweißpunkten ist die erforderliche Abscherkraft gegenüber nur einem Schweißpunkt nahezu doppelt so groß.
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Aus der Darstellung in 3 wird deutlich, dass die im Überlappungsbereich verursachten Druckspannungen mit dem Abstand der Schweißpunkte zur quer zum Molybdän- oder Wolframstift und im Überlappungsbereich angeordneten Molybdänfolienkante zunimmt.
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Als optimal haben sich die oben genannten Wertebereiche für den Abstand benachbarter Schweißpunkte und den Abstand der quer zum Molybdän- oder Wolframstift und im Überlappungsbereich angeordneten Molybdänfolienkante zu dem nächstgelegenen Schweißpunkt erwiesen.
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Für einen Molybdän- oder Wolframstift mit einem Durchmesser im Bereich von 260 μm bis 400 μm und eine Molybdänfolie mit einer Dicke im Bereich von 15 μm bis 150 μm ist daher die Verwendung von drei Schweißpunkten besonders vorteilhaft.
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Bei der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Molybdänfolie handelt es sich um die im Lampenbau üblicherweise verwendete Art von Molybdänfolie, die für gasdichte Stromdurchführungen durch abgedichtete Lampengefäße aus Quarzglas eingesetzt wird. Die Molybdänfolie besteht daher hauptsächlich aus Molybdän, das heißt der Gewichtsanteil von Molybdän in der Folie ist größer als 50 Prozent und vorzugsweise sogar sehr viel größer als 50 Prozent. Die Molybdänfolie kann die üblichen Dotierstoffe, wie beispielsweise Yttriumoxid, Zeroxid oder Lanthanoxid enthalten. Außerdem kann die Oberfläche der Molybdänfolie mit Resten eines Sandstrahlmittels beschichtet sein. Insbesondere können auf der Oberfläche der Molybdänfolie beispielsweise Partikel von Korund (Aluminiumoxid), Quarzsand (Siliziumdioxid) oder Titandioxid haften, mit denen die Molybdänfolie sandgestrahlt wurde. Der in dieser Patentanmeldung verwendete Begriff Molybdänfolie umfasst alle diese Typen von Folien.
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Bei dem diesem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Wolframstift handelt es sich um den im Lampenbau üblicherweise verwendeten Typ von Wolframstift, der für Elektroden von Hochdruckentladungslampe eingesetzt wird. Der Wolframstift besteht hauptsächlich aus Wolfram, das heißt der Gewichtsanteil von Wolfram im Stift beträgt mehr als 50 Prozent und vorzugsweise sogar mehr als 90 Prozent. Der Wolframstift kann aber die üblichen Zusätze, wie beispielsweise Aluminium, Silizium, Kalium oder Thoriumoxid enthalten, die für einen Drahtziehprozess oder zum Herabsetzen der Elektronenaustrittsarbeit üblicherweise verwendet werden. Der in dieser Patentanmeldung verwendete Begriff Wolframstift umfasst alle diese Typen von Stiften.
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Bei dem diesem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Molybdänstift handelt es sich um den im Lampenbau üblicherweise verwendeten Typ von Molybdänstift, der für Stromzuführungen von Hochdruckentladungslampe und Halogenglühlampen eingesetzt wird. Der Molybdänstift besteht hauptsächlich aus Molybdän, das heißt der Gewichtsanteil von Molybdän im Stift beträgt mehr als 50 Prozent und vorzugsweise sogar mehr als 90 Prozent. Der Molybdänstift kann aber die üblichen Zusätze enthalten, wie beispielsweise Kalium, das für einen Drahtziehprozess vorteilhaft ist, oder beispielsweise Lanthanoxid zur Verbesserung der Schweißbarkeit. Der in dieser Patentanmeldung verwendete Begriff Molybdänstift umfasst alle diese Typen von Stiften.
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Vorteilhafterweise liegt der Durchmesser der Schweißpunkte im Bereich von 50 μm bis 100 μm. Dadurch wird einerseits eine Überlappung benachbarter Schweißpunkte vermieden und andererseits eine ausreichend große Fläche für die Schweißverbindung gewährleistet.
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Zur Durchführung der Schweißverbindung wird vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein Faser-Laser, verwendet, dessen mittlere Leistung im Bereich von 100 W bis 400 W liegt, um zum Einen ausreichend Energie zum Schmelzen des Molybdänmaterials der Molybdänfolie bereitzustellen und zum Anderen zu verhindern, dass durch die Laserbestrahlung Löcher in der Molybdänfolie erzeugt werden. Der Laser wird vorteilhafterweise gepulst betrieben, um die in dem Schweißbereich eingekoppelte Energie bzw. Wärme mittels der Pulsdauer, gut steuern zu können. Die Pulsdauer der einzelnen Laserimpulse liegt vorzugsweise im Bereich von 20 μs bis 1000 μs. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls ist vorzugsweise so zu wählen, das die Molybdänfolie nur im Bereich des Molybdän- oder Wolframstiftes aufgeschmolzen wird. In der Regel liegt der Laserfokusdurchmesser hierfür im Bereich von 25 μm bis 100 μm. Der Durchmesser der Schweißpunkte ist damit nur geringfügig größer als der Fokusdurchmesser des Laserstrahls. Die Leistung des Lasers wird vorzugsweise derart eingestellt, dass das Material der Molybdänfolie punktuell über ihre gesamte Dicke geschmolzen wird und durch den Wärmeeintrag zusätzlich auch das Material des Molybdän- oder Wolframstifts an der Grenzfläche zur Molybdänfolie im Bereich dieser Punkte geschmolzen wird, so dass sich im Fall eines Wolframstifts eine Molybdän-Wolfram-Schmelze ausbildet. Dadurch wird nach dem Erkalten dieser an der Grenzfläche liegenden Molybdän-Wolfram-Schmelze eine gute Verbindung zwischen dem Wolframstift und der Molybdänfolie hergestellt.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren auf Molybdänfolien mit einer Dicke im Bereich von 15 μm bis 150 μm und für Molybdän- oder Wolframstifte mit einem Durchmesser im Bereich von 260 μm bis 400 μm anwendbar.
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III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine Draufsicht auf die vom Wolframstift abgewandte Oberseite der Molybdänfolie und den damit verschweißten Wolframstift sowie einen Längsschnitt durch die Molybdänfolie und den Wolframstift in einer Ebene senkrecht zur Molybdänfolie jeweils in schematischer Darstellung
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2 Eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der zum Ablösen des Molybdän- oder Wolframstifts von der Molybdänfolie erforderlichen Scherkraft von der Anzahl der erzeugten Schweißpunkte zwischen Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift
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3 Eine grafische Darstellung der im Überlappungsbereich von Molybdänfolie und Molybdän- oder Wolframstift verursachten Druckspannungen in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Schweißpunkten und der quer zum Molybdän- oder Wolframstift verlaufenden, im Überlappungsbereich angeordneten Molybdänfolienkante
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Die in 1 schematisch dargestellte Molybdänfolie 1 weist ein im wesentlichen rechteckiges Format mit einer Länge von 6,5 mm und einer Breite von 2 mm auf. Ihre Oberfläche ist linsenartig oder kissenartig gewölbt und in ihrer Mitte besitzt sie eine maximale Dicke von 25 μm. Zu den Folienrändern hin nimmt die Dicke der Molybdänfolie 1 kontinuierlich ab. Die vorgenannten Werte für die Abmessungen der Molybdänfolie 1 gelten für Molybdänfolien, die zur Lampengefäßabdichtung bei Entladungsgefäßen von Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit quecksilberfreier Füllung mit einer Nennleistung im Bereich von 25 W bis 35 W verwendet werden. Bei Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit quecksilberhaltiger Füllung mit einer Nennleistung im Bereich von 25 W bis 35 W werden Molybdänfolien mit einer Länge von 7,5 mm und sonst gleichen Abmessungen wie oben genannt verwendet. Die Molybdänfolie 1 ist überlappend mit einem Wolframstift 2 angeordnet, der einen Durchmesser von 300 μm besitzt. Der Wolframstift 2 ist mittig auf der Unterseite 11 der Molybdänfolie 1 angeordnet, so dass er in der Mitte zwischen den langen Seitenkanten der Molybdänfolie 1 verläuft. Die Molybdänfolie 1 ist im Überlappungsbereich 110 von Molybdänfolie 1 und Wolframstift 2 durch drei Schweißpunkte S1, S2, S3 mit dem Wolframstift 2 verbunden. Der Abstand SD zwischen den Mittelpunkten der drei Schweißpunkte S1, S2, S3 beträgt jeweils 300 μm. Der Abstand L1 der im Überlappungsbereich 110 angeordneten, quer zum Wolframstift 2 verlaufenden Kante 13 der Molybdänfolie 1 zum Mittelpunkt des nächstgelegenen Schweißpunkts S1 beträgt 350 μm. Der Abstand L2 bzw. L3 dieser Kante 13 zu den Mittelpunkten der beiden anderen Schweißpunkte S2 bzw. S3 beträgt 650 μm bzw. 950 μm. Die Schweißpunkte S1, S2, S3 besitzen jeweils einen Durchmesser im Bereich von 50 μm bis 100 μm. Der Durchmesser ist abhängig vom Fokus des Laserstrahls bzw. der Optik, die den Laserstrahl zum Erzeugen der Schweißpunkte führt und bündelt. Die Schweißpunkte S1, S2, S3 befinden sich auf der von dem Wolframstift 2 abgewandten Seite 12 der Molybdänfolie 1. In der Darstellung der 1 ist die vorgenannte Seite 12 die Oberseite 12 der Molybdänfolie 1. Der Überlappungsbereich 110 erstreckt sich in Längsrichtung, das heißt in Richtung des Wolframstifts 2, über eine Länge von 1,3 mm.
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Der Wolframstift
2 bildet eine der beiden Gasentladungselektroden einer Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe, die eine Nennleistung von 25 W oder 35 W besitzt und für den Einsatz als Lichtquelle in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer vorgesehen ist. Die Molybdänfolie
1 ist gasdicht in einem abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes (nicht abgebildet) der vorgenannten Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe eingebettet und ist als Bestandteil einer gasdichten Stromzuführung bzw. Stromdurchführung der Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe ausgebildet. Eine derartige Hochdruckentladungslampe ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
WO 2008/132123 A2 beschrieben.
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Zur Herstellung der Schweißverbindung zwischen der Molybdänfolie 1 und dem Wolframstift 2 werden die Molybdänfolie 1 und der Wolframstift 2 mittels einer Haltevorrichtung (nicht abgebildet) einander überlappend angeordnet, so dass die Molybdänfolie 1 mit einer ihrer Seiten 11, die gemäß der Darstellung in 1 die Unterseite 11 der Molybdänfolie 1 ist, gegen den Wolframstift 2 gedrückt wird. Der Wolframstift 2 ist dabei bezüglich der Molybdänfolie 1 derart ausgerichtet, dass er mittig zwischen und parallel zu den Längskanten der Molybdänfolie 1 angeordnet ist und über eine der beiden Querkanten 13 der Molybdänfolie 1 hinausragt. Im Überlappungsbereich 110 von Molybdänfolie 1 und Wolframstift 2 liegt die Unterseite 11 der Molybdänfolie 1 dadurch an dem Wolframstift 2 an. Mit Hilfeeines Faser-Lasers, der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1070 nm erzeugt, werden im Überlappungsbereich 110 die drei oben genannten Schweißpunkte S1, S2, S3 erzeugt, indem der Laserstrahl nacheinander auf drei im Überlappungsbereich 110 liegende Punkte auf der vom Wolframstift 2 abgewandten Seite 12, die gemäß der Darstellung in 1 die Oberseite 12 der Molybdänfolie 1 ist, fokussiert wird und mittels eines Laserimpulses erhitzt wird. Pro Schweißpunkt genügt in der Regel ein Laserimpuls. Die Leistung des Laserstrahls und die Impulsdauer des Laserimpulses sind jeweils so auf die Dicke der Molybdänfolie 1 abgestimmt, dass durch den Wärmeeintrag das Material der Molybdänfolie 1 in den vorgenannten Punkten über die gesamte Dicke der Molybdänfolie 1 punktuell erhitzt und geschmolzen wird, und außerdem auch das darunter liegende Material des Wolframstifts 2, das sich an der Grenzfläche zur Molybdänfolie 1 an diesen Punkten befindet, ebenfalls erhitzt und geschmolzen wird. Dadurch bildet sich an diesen Punkten eine Molybdän-Wolfram-Schmelze, die nach ihrem Erkalten an diesen Punkten eine formschlüssige Verbindung zwischen Molybdänfolie 1 und Wolframstift 2 bewirkt. Die drei mittels des Lasers erzeugten Schweißpunkte S1, S2, S3 sind gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel äquidistant entlang einer Geraden angeordnet. Die Oberfläche der Molybdänfolie 1 ist vor dem Laserschweißen mit einem Sandstrahlmittel behandelt worden, so dass Reste des Sandstrahlmittels auf der Oberfläche der Molybdänfolie 1 haften können. Diese Reste behindern das Schweißverfahren nicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise können die Schweißpunkte im Überlappungsbereich auch auf andere Weise, zum Beispiel entlang einer Z-förmig oder mäanderförmig verlaufenden Linie angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem sowohl auf beschichtete als auch auf unbeschichtete Molybdänfolien 1 anwendbar. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Verschweißung einer Molybdänfolie mit einem Molybdänstift verwendet werden. In diesem Fall sind die Schweißparameter an die entsprechenden Daten des Molybdänstifts anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1604772 A1 [0002]
- WO 2008/132123 A2 [0023]
