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Technisches Gebiet
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Das technische Gebiet dieser Erfindung betrifft allgemein das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion von Werkstückträgerstücken aus Metall, und insbesondere die Vorabplatzierung eines Reaktionsmaterials an der Stoßfläche von mindestens einem der Werkstückträgerstücke aus Metall.
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Aus der
DE 10 2008 044 691 A1 geht beispielsweise ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Durchführen eines Fügevorgangs durch eine metallurgische Reaktion hervor.
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Aus dem Schriftstück mit dem Titel „Schweißpraxis aktuell: CMT-Technologie; Cold Metal Transfer - ein neuer Metall-Schutzgas-Schweißprozess" (BRUCKNER, Jürgen; EGERLAND, Stephan u.w.;. Kising: WEKA MEDIA GmbH & Co. KG, März 2013. S. 9 bis 11; S. 17 bis 20M; S. 77 bis 80 - ISBN 978-3-8111-6879-4) geht hervor, dass sich durch die Verwendung eines „schwingenden“ Drahts im Rahmen des Lichtbogenschweißens eine gezielte Tropfenablösung realisieren lässt.
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Ferner geht aus der Dissertation von Pierre Echtermeyer mit dem Titel „Plattieren und Panzern von Korrosions- und Verschleißschutzschichten mittels geregeltem Kurzlichtbogenschweißprozess“ (Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger Verlag GmbH, 2013. S. 34-37, 55-59, 55-57, 62-63, 126-127 - ISBN 978-3-86948-296-5) ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 hervor.
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Hintergrund
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Das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion ist ein Prozess, bei dem ein Reaktionsmaterial erwärmt und zwischen zwei Werkstückträgerstücken aus Metall komprimiert wird, um das Ausbilden einer metallurgischen Fügestelle zwischen den Trägerstücken zu ermöglichen. Das Reaktionsmaterial ist speziell so gestaltet, dass es eine Liquidus-Temperatur unter der niedrigsten Solidus-Temperatur der zwei Werkstückträgerstücke aus Metall, die zusammengefügt werden, aufweist, und dass es mit den einander gegenüberliegenden Stoßflächen der Werkstückträgerstücke reagiert, wenn es zwischen diesen Flächen angeordnet und über seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wird. Nachdem es über mindestens seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wurde (und falls gewünscht vorerwärmt wurde), wird eine Kompressionskraft auf die Werkstückträgerstücke aufgebracht, welche das Reaktionsmaterial einschließlich beliebiger Reaktionsnebenprodukte entlang der Stoßschnittstelle der Werkstückträgerstücke zusammendrückt und seitlich verteilt. Zu diesem Zeitpunkt verbinden sich die Stoßflächen miteinander, um eine monolithische metallurgische Fügestelle mit niedrigem Widerstandswert herzustellen, die hauptsächlich aus den Werkstück-Grundmaterialien besteht, da die aufgebrachte Kompression das Reaktionsmaterial im Wesentlichen aus der Fügestelle austreibt.
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Das Reaktionsvermögen des Reaktionsmaterials ermöglicht eine Vereinigung, ohne dass die Werkstückträgerstücke aus Metall schmelzen müssen. Tatsächlich bildet das Reaktionsmaterial beim Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion eine bewegliche flüssige Phase aus, wenn es über seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wird, wobei das Schmelzen der einander zugewandten Werkstückträgerstücke typischerweise vermieden wird. Diese flüssige Phase bricht Oberflächenfilme und Materialien - etwa Oxidfilme - auf, die auf den Stoßflächen der Werkstücke aus Metall vorhanden sind, um gereinigte Abschnitte der Stoßflächen freizulegen, und sie kann auch eine Hautschicht jeder Stoßfläche lokal auflösen, um sie temporär für eine Vereinigung besser zugänglich zu machen.
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Die auf die Werkstückträgerstücke aus Metall aufgebrachte Kompressionskraft bringt - zusätzlich zum Austreiben des Reaktionsmaterials und beliebiger Reaktionsnebenprodukte - die gereinigten Abschnitte von einander gegenüberliegenden Stoßflächen unter Druck in direkten Kontakt. Es ergibt sich schließlich eine monolithische metallurgische Fügestelle zwischen den sich kontaktierenden vereinigten Abschnitten der einander gegenüberliegenden Stoßflächen. Beliebige übrig gebliebene Restmengen des Reaktionsmaterials, die an der Stoßschnittstelle immer noch vorhanden sind, erstarren einfach wieder, ohne die Eigenschaften der Fügestelle wesentlich zu beeinträchtigen.
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Die Wärmezufuhr, die zum Zusammenfügen der Werkstückträgerstücke aus Metall durch ein Zusammenfügen mit einer metallurgischen Reaktion benötigt wird, ist im Vergleich mit anderen Fügetechniken, unter anderem etwa MIG-Schweißen, TIG-Schweißen, Laserschweißen und Widerstands-Punktschweißen, relativ niedrig. Anders als diese und andere Schweißprozesse, die darauf abzielen, genügend Wärme zu erzeugen, um ein Schmelzen der Grundmaterialien einzuleiten, kann das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion eine monolithische Fügestelle zwischen den Werkstückträgerstücken aus Metall direkt erreichen, ohne dass eine derartige Wärme erzeugt werden muss. Wie vorstehend erörtert wurde, führt das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion nur genügend Wärme zu, um das Schmelzen des Reaktionsmaterials einzuleiten, welches wiederum mit den Stoßflächen der Werkstückträgerstücke reagiert, um eine Vereinigung bei einer Temperatur einzuleiten, die unter der Temperatur liegt, bei welcher eines der Werkstückträgerstücke zu schmelzen beginnen wird. Die Verwendung des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion ist folglich eine attraktive Option, wenn wärmeempfindliche Materialien nahe bei den Werkstückträgerstücken aus Metall angeordnet werden, die zusammengefügt werden sollen, speziell wenn dies mit einer resistiven Erwärmung ausgeführt wird, die aus gekühlten Elektroden abgeleitet wird.
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Das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion verfügt zwar über die Fähigkeit, eine monolithische metallurgische Qualitätsfügestelle mit minimaler Wärmezufuhr auszubilden, jedoch wirft seine Verwendung in einer Fertigungsumgebung einige praktische Probleme auf. Beispielsweise verlassen sich aktuelle herkömmliche Praktiken typischerweise auf das manuelle Einbringen des Reaktionsmaterials zwischen die einander gegenüberliegenden Stoßflächen der Werkstückträgerstücke. Dieses Einbringen erfordert für gewöhnlich eine Person, um ein Band oder eine Folie des Reaktionsmaterials mit einem Handwerkzeug, etwa einer Zange oder einer Pinzette, zu manipulieren, direkt bevor das eingebrachte Reaktionsmaterial erwärmt und komprimiert wird. Diese manuellen Techniken haben zwar funktioniert und sie können in einigen Fällen in der Tat nützlich sein, jedoch gibt es Fälle, bei denen eine schnellere, flexiblere und leichtere Technik zum Steuern der Platzierung von Reaktionsmaterial gewünscht sein kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Durchführen eines Fügevorgangs durch eine metallurgische Reaktion vorgeschlagen.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein verfahren vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 6 auszeichnet.
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Ein Verfahren zur Vorabplatzierung eines Reaktionsmaterials auf einer Stoßfläche eines Werkstückträgerstückes, das mit Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion zusammengefügt werden soll, wird offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht verwendet wird, um das Reaktionsmaterial von einem abschmelzenden Elektrodenstab, der aus dem Reaktionsmaterial besteht, auf der Stoßfläche des Werkstückträgerstücks abzulegen und daran anzuheften. Durch das Verwenden des Lichtbogenschwei-ßens mit einem schwingenden Draht kann eine gesteuerte Menge des Reaktionsmaterials auf konsistente Weise an einer speziellen Stelle abgelegt werden. Das Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht erlaubt außerdem das Steuern der Größe und der Gestalt des abgelegten Reaktionsmaterials, was bedeutet, dass das Reaktionsmaterial so abgelegt werden kann, dass es ein Seitenverhältnis, welches die Höhe des abgelegten Materials mit dem Basisdurchmesser vergleicht, von 0,5 oder mehr aufweist. Es wurde gezeigt, dass bei bestimmten Umständen Ablagerungen des Reaktionsmaterials, welche diese Beziehung erfüllen, zu metallurgischen Fügestellen zwischen den Werkstückträgerstücken führen, die eine höhere Qualität aufweisen als flachere Ablagerungen.
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Da das Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht das Reaktionsmaterial darüber hinaus an der Stoßfläche des Werkstückträgerstücks anheftet, muss das Reaktionsmaterial nicht direkt vor dem Beginn des tatsächlichen Fügeprozesses durch eine metallurgische Reaktion abgelegt werden. Wenn es gewünscht wird, kann das Reaktionsmaterial in der Tat lange bevor das entsprechende Werkstückträgerstück dem Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion unterzogen werden soll, abgelegt werden, und es kann sogar zusammen mit dem Werkstückträgerstück an einer entfernten Stelle abgelegt und für lange Zeiträume gespeichert werden. Diese Flexibilität des Prozesses erlaubt sogar, dass das Ablegen des Reaktionsmaterials an dedizierten Geräten ausgeführt wird, die von den Geräten zum Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion vollständig unabhängig sind. Wenn die Verwendung von dedizierten und unabhängigen Geräten zur Verfügung steht, können die Halterungen der Geräte und zugehörige Verarbeitungsmechanik (beispielsweise Prozessbedienelemente, Kühlung usw.) speziell auf die Vorabplatzierung des Reaktionsmaterials zugeschnitten werden, was für die Zuverlässigkeit und Effizienz des Prozesses förderlich ist.
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Die Vorabplatzierung des Reaktionsmaterials unter Verwendung von Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht kann verwendet werden, um eine Vielfalt von Kombinationen von Werkstückträgerstücken aus Metall für ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion vorzubereiten. Bei einer Ausführungsform, für die ein spezielles Beispiel nachstehend beschrieben wird, kann jedes der zwei Werkstückträgerstücke aus Metall eine Zunge eines Phasendrahtes des Stators eines Elektromotors sein, die aus Kupfer besteht. Das Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht kann selbstverständlich mit anderen Werkstückträgerstücken aus Metall verwendet werden. Zum Beispiel kann jedes der Werkstückträgerstücke aus Metall aus einer Kupferlegierung bestehen, die einen Gewichtsanteil von 96 % oder mehr an Cu zusammen mit einem Gewichtsanteil von 0 - 4 % von einem oder mehreren Legierungsbestandteilen wie etwa Cd, Cr, Zr, Mg, Fe, P, Be, Co, S, Te und Pb aufweisen. Als weiteres Beispiel kann jedes der Werkstückträgerstücke aus Metall aus einem Metall oder einer Legierung, das bzw. die nicht auf Kupfer basiert, bestehen, etwa aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Der Fachmann wird die verschiedenen Arten von Reaktionsmaterialien kennen und verstehen, die mit den vielen verschiedenen Kombinationen von Werkstückträgerstücken aus Metall verwendet werden können, welche einer Vorabplatzierung von Reaktionsmaterial mithilfe des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht förderlich sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators eines Elektromotors, wobei der Stator viele Sätze von einander gegenüberstehenden Phasendrahtzungen aus Kupfer enthält;
- 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der Sätze der Phasendrahtzungen, die in 1 dargestellt sind;
- 3 ist eine Querschnittsveranschaulichung eines Elektrodenstabs aus Reaktionsmaterial, der während des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht in einen Anfangskontakt mit einer Stoßfläche eines Werkstückträgerstücks aus Metall gebracht wurde;
- 4 ist eine Querschnittsveranschaulichung eines Elektrodenstabs aus Reaktionsmaterial, der während des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht von der Stoßfläche des Trägerstücks zurückgezogen wurde, nachdem ein Anfangskontakt mit dieser Fläche hergestellt wurde, um einen Lichtbogen zu entzünden;
- 5 ist eine Querschnittsveranschaulichung eines geschmolzenen Tropfens aus Reaktionsmaterial, der sich während des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht an der Spitze des Elektrodenstabs aus Reaktionsmaterial aufgrund der Wärme, die durch den Lichtbogen erzeugt wird, ausgebildet hat;
- 6 ist eine Querschnittsveranschaulichung des geschmolzenen Tropfens aus Reaktionsmaterial in 5, der während des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht mit der Stoßfläche des Trägerstücks in Kontakt gebracht wird;
- 7 ist eine Querschnittsveranschaulichung einer Reaktionsmaterialablagerung, nachdem der Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial einen geschmolzenen Tropfen aus Reaktionsmaterial zurückgelassen hat, der später erstarrt ist; und
- 8 ist eine schematische Veranschaulichung eines Prozesses zum Ausführen des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion von zwei Werkstückträgerstücken aus Metall.
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Genaue Beschreibung
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Bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens zum Vorabplatzieren eines Reaktionsmaterials zur schließlichen Teilnahme am Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion werden in 1-8 gezeigt und nachstehend beschrieben. Obwohl die hier beschriebenen Ausführungsformen eine spezielle kupferbasierte Legierung aus Reaktionsmaterial auf einem Werkstückträgerstück aus Kupfer ablegen, um das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion von zwei Werkstücken aus Kupferträgerstücken zu ermöglichen, versteht es sich, dass diese spezielle Beschreibung nur eine mögliche Implementierung repräsentiert. Das Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht kann tatsächlich verwendet werden, um verschiedene Arten von Reaktionsmaterialrezepturen auf dem Werkstückträgerstück aus Kupfer oder auf anderen Werkstückträgerstücken aus Metall für diesen Zweck abzulegen, obwohl es hier nicht ausdrücklich beschrieben ist.
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Das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion kann verwendet werden, um eine monolithische metallurgische Fügestelle zwischen zwei Werkstückträgerstücken aus Kupfer herzustellen, speziell wenn sich eines oder beide Trägerstücke nahe bei wärmeempfindlichen Materialien befinden. Beispielsweise kann, wie in 1-2 gezeigt ist, ein Stator 10 eines Elektromotors mehrere Sätze 12 von einander gegenüberstehenden Phasendrahtzungen 14 enthalten. Die einander gegenüberstehenden Phasendrahtzungen 14 in jedem Satz 12 müssen typischerweise auf eine Weise zusammengefügt werden, welche eine mechanische Stabilität und eine gute elektrische Kommunikation zwischen den Zungen 14 sicherstellt. Eine vergrößerte Ansicht eines der Phasendrahtzungensätze 12 ist in 2 gezeigt. Dort werden eine erste Phasendrahtzunge 14a und eine zweite Phasendrahtzunge 14b von einem ersten Polymerringträger 16 bzw. von einem zweiten Polymerringträger 18 bereitgestellt. Die erste Phasendrahtzunge 14a kommuniziert auf elektrische Weise mit einer Vielzahl von Kupferdrähten 20 einer Statorwicklung, die sich zwischen Stahlkernblechen erstrecken, die an dem Innenumfang des Stators 10 angeordnet sind, und die zweite Phasendrahtzunge 14b ist das hervorstehende Ende eines elektrischen Kupferleiters, wobei der sich benachbart erstreckende Abschnitt des elektrischen Leiters in den zweiten Polymerringträger 18 eingebettet und versteckt ist. Die erste und zweite Phasendrahtzunge14a, 14b bestehen vorzugsweise jeweils aus hochreinem Kupfer (d.h. mehr als 99,9 % Gewichtsanteil Cu). Die Verwendung des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion, um die einander gegenüberstehenden Kupferzungen 14a, 14b zu vereinigen, macht dann Sinn, wenn der Decklack, der zum Isolieren der Kupferdrähte 20 verwendet wird, und das Polymermaterial des ersten und zweiten Polymerringträgers 16, 18 für eine thermische Verschlechterung anfällig sind.
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Bevor die Phasendrahtzungen 14a, 14b zusammengefügt werden, wird ein Reaktionsmaterial auf einer oder beiden Zungen 14a, 14b durch Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht abgelegt, wie in 3-7 dargestellt ist. Zu Beginn ist, wie in 3 am besten gezeigt ist, das Reaktionsmaterial anfänglich als abschmelzender Elektrodenstab 22 verpackt, der ein vorderes Elektrodenende 24 aufweist. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial steht aus einer Führungsdüse 26 hervor und ist entlang seiner Längsachse A hin- und her beweglich. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial ist durch ein Elektrodenkabel außerdem mit einer (nicht gezeigten) Schweißstromversorgung verbunden. Zur Vervollständigung des Lichtbogenschweißkreises wird analog eine Kupferphasendrahtzunge 14 mit einer Stoßfläche 28, auf der das Reaktionsmaterial abgelegt werden wird, durch ein Arbeitskabel mit der Schweißstromversorgung verbunden. Die Schweißstromversorgung kann so aufgebaut sein, dass sie einen Gleichstrom (DC) oder einen Wechselstrom (AC) mit ausreichender Stärke durch den Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial, dem entweder eine negative Polarität oder eine positive Polarität zugeordnet sein kann, hindurch liefert, sodass ein Lichtbogen zwischen dem Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial und der Kupferphasendrahtzunge 14 entzündet werden kann, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
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Die Zusammensetzung des Reaktionsmaterials, das in den Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial eingebaut ist, kann eine auf Kupfer basierende Reaktionsmateriallegierung sein, etwa ein Hartlötgemisch aus Cu-Ag-P, das auf einer Gewichtsanteilsbasis 70% - 95% Kupfer, 2% - 20% Silber und 3% - 8% Phosphor enthält. Ein derartiges Hartlötgemisch weist typischerweise eine Solidus-Temperatur im Bereich von etwa 640° C - 650° C und eine Liquidus-Temperatur im Bereich von etwa 640° C - 820° C auf. Bei einer speziellen Ausführungsform enthält das Hartlötgemisch aus Cu-Ag-P auf einer Gewichtsanteilsbasis 80 % Kupfer, 15 % Silber und 5 % Phosphor, was eine Solidus-Temperatur von etwa 644° C und eine Liquidus -Temperatur von etwa 805° C für das Hartlötgemisch bereitstellt. Das Hartlötgemisch aus Cu-Ag-P ist selbstschmelzig, was bedeutet, dass es beim Schmelzen Oxide von den Oberflächen der einander gegenüberstehenden Phasendrahtzungen entfernt und die Schweißregion von einer atmosphärischen Verschmutzung - besonders erwähnenswert von der Ausbildung von Oxidbestandteilen in dem abgelegten Reaktionsmaterial - aufgrund der hohen Affinität, die Phosphor für Sauerstoff aufweist, abschirmt.
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Immer noch mit Bezug auf 3 umfasst die frühe Phase des Lichtbogenschwei-ßens mit einem schwingenden Draht das Hervorschieben des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial entlang seiner Längsachse A, um das Elektrodenende 24 an einer Ablagestelle 30 in Kontakt mit der Stoßfläche 28 der Kupferphasendrahtzunge 14 zu bringen. Die Längsachse A des Stabs 22 aus Reaktionsmaterial kann senkrecht zu der Stoßfläche 28 oder wie gezeigt unter einem Winkel geneigt orientiert sein, um einen Zugriff auf die Stoßfläche 28 zu ermöglichen. Nachdem das Elektrodenende 24 des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial Kontakt mit der Stoßfläche 28 hergestellt hat, wird die Schweißstromversorgung eingeschaltet und es wird ein Strom mit einem Anfangspegel, beispielsweise etwa 100 A bis etwa 200 A, wenn der Elektrodenstab 22 einen Durchmesser von etwa 1,0 mm aufweist, angelegt und durch den Elektrodenstab 22 hindurch geleitet. Ein spezieller Pegel des angelegten Stroms, der bei diesen Umständen in vielen Fällen verwendet werden kann, beträgt 105 A.
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Nachdem Kontakt zwischen dem Elektrodenende 24 und der Stoßfläche 28 hergestellt wurde und ein Strom fließt, wird der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial entlang seiner Längsachse A von der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzungen 14 zurückgezogen, wie in 4 gezeigt ist, typischerweise bis auf eine voreingestellte von der Stoßfläche 28 entfernte Distanz. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial kann beispielsweise bis zu einer Distanz von etwa 1 mm bis etwa 2 mm von der Stoßfläche 28 entfernt über eine Zeitspanne von 2 ms bis 5 ms zurückgezogen werden. Das Zurückziehen des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial führt dazu, dass das Elektrodenende 24 des Stabs 22 von der Stoßfläche 28 um einen Spalt G verschoben wird, der anfänglich gleich der voreingestellten Rückzieh-Distanz ist. Die darauffolgende elektrische Potenzialdifferenz zwischen den getrennten Teilen bewirkt, dass ein Lichtbogen 32 über dem Spalt G und zwischen dem Elektrodenende 24 des Stabs 22 und der Stoßfläche 28 der Zunge 14 entzündet wird. Der Lichtbogen 32 erwärmt das resistive Elektrodenende 24 und leitet das Schmelzen des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial an dieser Stelle ein. Ein Schutzgas - das für gewöhnlich aus Argon, Helium, Kohlendioxid oder Gemischen daraus besteht - kann an der Ablagestelle 30 angewendet werden, um für einen stabilen Lichtbogen 32 zu sorgen und um eine Schutzzone 34 zu schaffen, die verhindert, dass Sauerstoff aus der Atmosphäre das schmelzende Reaktionsmaterial kontaminiert.
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Das Schmelzen des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial durch den Lichtbogen 32 bewirkt, dass sich ein Tropfen oder Tröpfchen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial an dem Elektrodenende 24 des Elektrodenstabs 22 ansammelt, wie in 5 dargestellt ist. Dieser Tropfen 36, der durch die Oberflächenspannung festgehalten wird, nimmt an Volumen zu und entfernt sich weiter von der Stoßfläche 28, nachdem der Stab in seine voreingestellte Distanz zurückgezogen worden ist, als Folge dessen, dass der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial verbraucht wird und das vordere Elektrodenende 24 entlang der Längsachse A des Stabs 22 zurückweicht. Folglich nimmt die Größe des Spalts G zu, für gewöhnlich auf zwischen 4 mm und 7 mm, während der Lichtbogen 32 den Elektrodendraht 22 aus Reaktionsmaterial abschmilzt und verbraucht, um den Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial anwachsen zu lassen. Während der Zeitspanne, in welcher der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial anwachsen gelassen wird, kann der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial tatsächlich stationär gehalten werden oder er kann zu der Stoßfläche 28 hin mit einer langsameren Rate vorgeschoben werden als mit der Rate, mit welcher der Elektrodenstab 22 gerade verbraucht wird, um eine gewisse Kontrolle über die Wachstumsrate des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial und über die Rate, mit welcher der Spalt G zunimmt, zu ermöglichen. Während der Zeitspanne, in welcher der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial anwachsen gelassen wird, wird der angelegte Strom vorzugsweise, aber nicht unbedingt, auf dem Anfangspegel gehalten (z.B. auf etwa 100 A bis etwa 200 A für einen Elektrodenmaterialstab mit einem Durchmesser von 1,0 mm).
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In Fällen, wenn der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial während des Anwachsens des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial zu der Stoßfläche 28 hin vorgeschoben wird (sich der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial jedoch tatsächlich von der Stoßfläche 28 entlang der Längsachse A weg bewegt), kann der Elektrodenstab 22 mit einer programmierten Geschwindigkeit über eine festgelegte Zeitspanne hinweg vorgeschoben werden, während der angelegte Strom auf dem Anfangspegel gehalten wird. Bei einer Ausführungsform beispielsweise, bei der der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial einen Durchmesser von etwa 1,0 mm aufweist, wird der Stab 22 mit einer Nenngeschwindigkeit von etwa 4,2 cm/s (100 ipm; ipm = Zoll pro Minute) bis 7,6 cm/s (180 ipm) für eine Zeitspanne von etwa 25 ms bis etwa 75 ms vorgeschoben, während ein angelegter Strom von etwa 100 A bis etwa 200 A beibehalten wird. Einige spezielle Parameter, die tendenziell zu einem stabilen und kontrollierten Wachstum des Tropfens 36 führen, umfassen das Vorschieben des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial mit einer Nenngeschwindigkeit von 5,9 cm/s (140 ipm) über eine Zeitspanne von 40 ms hinweg, während ein angelegter Strom von 105 A beibehalten wird.
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Nachdem sich der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial gebildet und ein Sollvolumen erreicht hat, wird der Elektrodenmaterialstab 22 entlang seiner Längsachse A vorgeschoben, um den Tropfen 36 aus geschmolzenem Material in Kontakt mit der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 zu bringen, wie in 6 gezeigt ist. Die vorschiebende Vorwärtsbewegung des Elektrodenmaterialstabs 22, welche die Größe des Spalts G verringert und diesen schließlich beseitigt, wird mit einer programmierten Geschwindigkeit ausgeführt, die größer als die programmierte Geschwindigkeit ist, mit welcher der Stab 22 während des Anwachsens des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial zu der Stoßfläche 28 hin vorgeschoben wird (wenn dieses zuletzt erwähnte optionale Vorschieben praktiziert wird). Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial kann zu der Stoßfläche 28 hin beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 10,5 cm/s (250 ipm) bis etwa 29,5 cm/s (700 ipm) vorgeschoben werden. Darüber hinaus wird während des Vorschiebens des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial und des Tropfens 36 zu der Stoßfläche 28 hin der angelegte Strom von dem Anfangspegel aus um etwa 50 % bis etwa 75 % auf einen Zwischenpegel reduziert, welcher für den vorstehend beschriebenen beispielhaften Stab mit einem Durchmesser von 1,0 mm, der einen Anfangsstrompegel von etwa 100 A bis etwa 200 A aufweist, etwa 25 A bis etwa 100 A betragen würde. Bei einer speziellen Implementierung wird der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial entlang der Längsachse A zu der Stoßfläche 28 hin mit einer Geschwindigkeit von etwa 25,4 cm/s (600 ipm) vorgeschoben, während ein angelegter Strom von etwa 40 A beibehalten wird, bis der Tropfen 36 aus Reaktionsmaterial in Kontakt mit der Stoßfläche 28 kommt.
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Das letztendliche Zusammenführen des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial und der Phasendrahtzunge 14 als Folge der vorschiebenden Vorwärtsbewegung des Stabs 22 löscht den Lichtbogen 32 aus, wobei an dieser Stelle der von der Schweißstromversorgung angelegte Strom von dem Zwischenpegel aus auf einen Kurzschlusspegel erhöht wird, der etwa 125 % bis etwa 150 % des Anfangspegels beträgt. Das würde beispielsweise bedeuten, dass der angelegte Strom auf der Grundlage der vorstehend erwähnten beispielhaften Werte für den Anfangsstrompegel für einen Stab mit einem Durchmesser von 1,0 mm auf etwa 125 A bis etwa 300 A erhöht würde. Insbesondere wird bei einer bevorzugten Anwendung der angelegte Strom von dem Zwischenpegel aus, der während der vorschiebenden Vorwärtsbewegung des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial verwendet wird, welche den Tropfen 36 aus Reaktionsmaterial in Kontakt mit der Stoßfläche 28 bringt, auf einen Kurzschlusspegel von etwa 200 A erhöht.
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Die Tatsache, dass die Phasendrahtzunge 14 dem Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial lokal ausgesetzt wird, übt nur wenig oder keine thermische Beschädigung auf die Stoßfläche 28 aus, die die Ablagestelle 30 umgibt. Sie führt auch nicht zu einer signifikanten thermischen Verschlechterung der nahe gelegenen Decklackisolierung und/oder des Polymermaterials der Polymerringträger 16, 18. Tatsächlich ist, wie bereits erwähnt wurde, die Liquidus-Temperatur des Reaktionsmaterials viel niedriger als der Schmelzpunkt der Kupferphasendrahtzunge 14 - die Liquidus-Temperatur der vorstehend erwähnten Reaktionsmateriallegierung 80Cu-15Ag-5P liegt bei etwa 805° C, während der Schmelzpunkt von Kupfer etwa 1084 °C beträgt. Darüber hinaus kann der anfänglich angelegte Strompegel, der den Lichtbogen 32 entzündet, in einem Bereich eingestellt werden, der das Elektrodenende 24 des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial nicht signifikant in einem erheblichen Übermaß über dessen Liquidus-Temperatur hinaus erwärmen wird. Und obwohl es hier nicht gezeigt ist, kann die Phasendrahtzunge 14 optional auch durch externe Mechanismen (beispielsweise eine Wasserkühlung) gekühlt werden, was in Verbindung mit dem Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht leicht praktiziert werden kann, da es hier die Freiheit und Flexibilität gibt, das Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht mit seinen eigenen dedizierten Geräten unabhängig zu praktizieren.
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Nachdem der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial auf der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 platziert und der angelegte Strom auf den Kurzschlusspegel erhöht worden ist, wird der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial erneut zurückgezogen, wie in 7 gezeigt ist. Das Zurückziehen des Elektrodenstabs 22 überträgt den Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial auf die Stoßfläche 28. Man vermutet, dass dieses Ablegen und Übertragen des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial teilweise durch das Erhöhen des angelegten Stroms unterstützt wird, nachdem der Tropfen 36 in Kontakt mit der Stoßfläche 28 gebracht worden ist. D.h., dass das Erhöhen des angelegten Stroms von seinem Zwischenpegel auf seinen Kurzschlusspegel dazu beiträgt, dass der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial abgelegt wird, indem sichergestellt wird, dass jegliche Oberflächenspannung, die bewirken kann, dass der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial auf dem Elektrodenmaterialstab 22 gehalten wird, überwunden wird. Das Zurückziehen des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial von der Stoßfläche 28 weg bei diesem Schritt des Prozesses wird vorzugsweise mit einer programmierten Geschwindigkeit ausgeführt, die größer als die programmierte Geschwindigkeit ist, mit welcher der Stab 22 zu der Stoßfläche 28 hin vorgeschoben wird, um den Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial in Kontakt mit der Stoßfläche 28 zu bringen. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial kann zu diesem Zeitpunkt beispielsweise mit einer Nenngeschwindigkeit von etwa 38,1 cm/s (900 ipm) bis etwa 55 cm/s (1300 ipm) zurückgezogen werden, während der angelegte Strom auf dem Kurzschlusspegel gehalten wird.
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Der durch einen einzigen Zyklus des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht an die Stoßfläche 28 übertragene Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial kann, wie eben beschrieben wurde, in einigen Fällen aus dem Blickwinkel der Größe, Form und Menge ausreichend sein. In anderen Fällen jedoch kann es wünschenswert sein, an der gleichen Ablagestelle 30 einen oder mehrere zusätzliche Zyklen des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht auszuführen. Das Ausführen eines oder mehrerer zusätzlicher Zyklen des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht an der gleichen Ablagestelle 30 ermöglicht, dass verschiedene Aspekte des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial, der an die Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 übertragen wird, gemanagt werden. Das Volumen, die Gestalt und die innere Konsistenz des übertragenen Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial sind nur einige Beispiele für die verschiedenen Aspekte, die mit dem Praktizieren zusätzlicher Zyklen des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht justiert werden können.
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In einer Ausführungsform kann beispielsweise, nachdem der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial von der Stoßfläche 28 weg zurückgezogen wurde und der Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial übertragen wurde, wodurch der erste Zyklus des Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht abgeschlossen wurde, ein zweiter Zyklus des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht ausgeführt werden. Insbesondere kann der von der Schweißstromversorgung gelieferte angelegte Strom auf den Anfangspegel zurückgeführt werden und es kann erneut ein Lichtbogen 32 über dem Spalt G zwischen dem Elektrodenende 24 des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial und der Stoßfläche 28 (welche nun den abgelegten Tropfen aus Reaktionsmaterial enthält) entzündet werden. Das resultierende Erwärmen des Elektrodenstabs 22 aus Reaktionsmaterial bewirkt, dass sich ein weiterer Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial am Elektrodenende 24 des Elektrodenstabs 22 ansammelt. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial wird schließlich wieder entlang seiner Achse A mit dem reduzierten angelegten Zwischenstrompegel vorgeschoben, um den Tropfen 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial, der von dem Elektrodenende 24 der Elektrode 22 gehalten wird, mit dem abgelegten Tropfen aus geschmolzenem Material zu vereinigen, der sich bereits auf der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 befindet. Der Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial kann dann entlang seiner Längsachse A mit dem anliegenden Kurzschlusspegel zurückgezogen werden, um das Übertragen des zweiten Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial zu ermöglichen, was den zweiten Zyklus des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht abschließt.
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Das geschmolzene Reaktionsmaterial, das von dem Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial an die Phasendrahtzunge 14 (durch einen oder mehrere Zyklen des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht) übertragen wird, erstarrt schließlich zu einer Reaktionsmaterialablagerung 38. Die Reaktionsmaterialablagerung 38, die in 7 dargestellt ist, wird an die Stoßfläche 28 der Phasendrahtzungen 14 im Wesentlichen mithilfe einer Lötverbindung angeheftet, da die darunter liegende Stoßfläche 28 der Zunge 14 bei der Ablagerung und Erstarrung des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial nicht geschmolzen ist. Obwohl die Reaktionsmaterialablagerung 38 eine große Vielfalt an Größen und Formen annehmen kann, weist sie vorzugsweise eine Höhe H und einen mittleren Basisdurchmesser D auf, bei denen ein Teilungsverhältnis der Höhe H zum Basisdurchmesser D 0,5 oder größer ist. Der Begriff „Höhe“ bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, die maximale Distanz, um welche die Reaktionsmaterialablagerung 38 über die Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 ansteigt. Der Begriff „Basisdurchmesser“ bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, den Durchmesser der Reaktionsmaterialablagerung 38, der in der Ebene der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzunge 14 gemessen wird. Bei einem speziellen Beispiel ist die Reaktionsmaterialablagerung 38 im Querschnittsprofil allgemein abgerundet und weist eine Höhe H von etwa 0,5 mm bis etwa 1,0 mm und einen Durchmesser D von etwa 1,0 mm bis etwa 2,0 mm auf.
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Das Übertragen an die und das Ablegen des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial auf der Stoßfläche 28 der Phasendrahtzungen 14, um schließlich die Reaktionsmaterialablagerung 38 auszubilden, kann ausgeführt werden, wobei dem Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial mit Bezug auf die Zunge 14 entweder eine negative Polarität oder eine positive Polarität zugewiesen ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass die zwei Polaritätszuordnungen, welche beide in der Praxis akzeptabel sind, die Eigenschaften des Tropfens 36 aus geschmolzenem Reaktionsmaterial und der Reaktionsmaterialablagerung 38, die von dem Tropfen 36 herrührt, beeinflussen können. Wenn dem Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial beispielsweise eine positive Polarität zugewiesen wird, wird die Reaktionsmaterialablagerung 38 im allgemeinen kleiner und sie wiegt weniger, als wenn dem Stab 22 eine negative Polarität zugewiesen wird und identisch programmierte angelegte Ströme, Zeitspannen und Stabgeschwindigkeiten verwendet werden. Ein Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial, dem eine positive Polarität zugeordnet ist, erzeugt außerdem im allgemeinen eine Reaktionsmaterialablagerung 38, die eine größere Scherfestigkeit aufweist - welche ein Maß dafür ist, wie viel Kraft erforderlich ist, um die Reaktionsmaterialablagerung 38 von der Stoßfläche 28 abzuscheren - als ein Stab 22, dem eine negative Polarität bei dem gleichen Satz von Prozessparametern zugeordnet ist. Darüber hinaus erzeugt ein Elektrodenstab 22 aus Reaktionsmaterial, dem eine positive Polarität zugeordnet ist, typischerweise Reaktionsmaterialablagerungen 38, die eine geringere relative Schwankung bei der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie auf eine Vielfalt von gereinigten und ungereinigten Stoßflächen 28 abgelegt werden.
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Die Phasendrahtzunge 14 ist nun bereit für ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion. Mit Bezug nun auf 8 wird die Kupferphasendrahtzunge 14, welche die Reaktionsmaterialablagerung 38 auf ihrer Stoßfläche 28 trägt, auf eine weitere Kupferphasendrahtzunge 14 so ausgerichtet, dass sie dieser zugewandt ist. Die Phasendrahtzunge 14, die die Reaktionsmaterialablagerung 38 trägt, wird hier anschließend als „erste Phasendrahtzunge 40“ bezeichnet, und die andere Phasendrahtzunge wird hier anschließend als „zweite Phasendrahtzunge 42“ bezeichnet, um sie in der folgenden Erörterung voneinander zu unterscheiden. Wenn sie für das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion ausgerichtet und gestapelt sind, stehen sich die Stoßfläche 28 der ersten Phasendrahtzunge 40 und eine Stoßfläche 44 der zweiten Phasendrahtzunge 42 gegenüber und die Reaktionsmaterialablagerung 38 erstreckt sich zwischen den Stoßflächen 28, 44 und stellt Kontakt mit diesen hier. Wenn es gewünscht ist, kann auf diese Weise mehr als eine derartige Reaktionsmaterialablagerung 38 zwischen den Phasendrahtzungen 40, 42 angeordnet werden. Die erste und zweite Phasendrahtzunge 40, 42 enthalten darüber hinaus außerdem freiliegende Außenflächen 46, 48 die relativ zu ihren jeweiligen Stoßflächen 28, 44 in entgegengesetzte Richtungen weisen.
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In 8 ist eine Vorrichtung 50 zum Ausführen des Prozesses zum Zusammenfügen der ersten und zweiten Phasendrahtzunge 40, 42 durch eine metallurgische Reaktion schematisch gezeigt, und diese enthält eine erste Elektrode 52, eine zweite Elektrode 54, eine Stromquelle 56 und einen Controller 58. Die erste und zweite Elektrode 52, 54 sind so positioniert, dass sie einen direkten Kontakt oder einen indirekten Kontakt (d.h., einen Kontakt durch ein Zwischenelement) mit den Außenflächen 46, 48 der ersten bzw. zweiten Phasendrahtzunge 40, 42 herstellen und dass sie einen Druck auf jede Außenfläche 46, 48 aufbringen. Die Elektroden 52, 54 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa einer Kupferlegierung aufgebaut, die beispielsweise eine Legierung aus Zirkon und Kupfer (ZrCu-Legierung) umfasst, die etwa 0,10 % Gewichtsanteile bis etwa 0,20 % Gewichtsanteile Zirkon und den Rest Kupfer enthält. Die Stromquelle 56 kommuniziert auf elektrische Weise mit der ersten und zweiten Elektrode 52, 54 und liefert einen Strom, vorzugsweise einen Gleichstrom (DC-Strom) zum Austausch zwischen den Elektroden 52, 54. Die Stromversorgung 56 kann eine Mittelfrequenz-Gleichstromversorgung (MFDC-Stromversorgung) sein, die bei einer Anzahl von Lieferanten käuflich zur Verfügung stehen, welche ARO Welding Technologies (US-Zentrale in Chesterfield Townships, MI) und Bosch Rexroth (US-Zentrale in Charlotte, NC) umfassen. Der Controller 58 ist mit der Stromversorgung 56 gekoppelt und er kann programmiert sein, um deren Stromausgabe nach Bedarf zu steuern.
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Die Vorrichtung 50 liefert die Wärme und die Kompression, die benötigt werden, um die Ausbildung einer monolithischen metallurgischen Fügestelle zwischen den Stoßflächen 28, 44 der ersten und zweiten Kupferphasendrahtzunge 40, 42 zu bewirken. Zum Starten wird die erste Elektrode 52 in Kontakt - vorzugsweise in direkten Kontakt - mit der Außenfläche 46 der ersten Phasendrahtzunge 40 gebracht, und die zweite Elektrode 54 wird in Kontakt - vorzugsweise in direkten Kontakt - mit der Außenfläche 48 der zweiten Phasendrahtzunge 42 gebracht. Wenn die zwei Elektroden 52, 54 mit ihren jeweiligen Außenflächen 46, 48 in Kontakt stehen, sind sie so ausgerichtet, dass sie aufeinander zuweisen, und sie sind so positioniert, dass ein Strom durch die Reaktionsmaterialablagerung 38 fließen wird, wenn dieser zwischen den Schweißseiten der Elektroden ausgetauscht wird. Eine Schweißzange oder eine andere mechanische Vorrichtung, welche die Elektroden 52, 54 trägt, wird betrieben, um die zwei Elektroden 52, 54 zusammenzuklammern oder zusammenzuführen, um einen Druck auf ihre jeweiligen in Eingriff stehenden Außenflächen 46, 48 aufzubringen (eine oder beide Elektroden 52, 54 ist bzw. sind mechanisch bewegbar) und eine Kompressionskraft an den Zungen 40, 42 zu erzeugen. Ein elektrischer Strom, der von der Stromversorgung 56 geliefert wird, wird dann zwischen den Elektroden 52, 54 und durch die Phasendrahtzungen 40, 42 hindurch ausgetauscht. Dieser elektrische Strom geht durch die Reaktionsmaterialablagerung 38 hindurch, die zwischen den Stoßflächen 28, 44 der Werkstückträgerstücke angeordnet ist.
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Da das Reaktionsmaterial thermisch und elektrisch resistiver als die zwei Kupferphasendrahtzungen 40, 42 ist und da die Elektroden 52, 54 selbst in der Lage sind, als Folge dessen, dass sie wassergekühlt sind, Wärme zu extrahieren und abzuführen, erzeugt der hindurchgehende elektrische Strom Wärme, die größtenteils auf die Reaktionsmaterialablagerung 38 begrenzt ist. Diese lokale Wärmeerzeugung kann von dem Controller 58 gemanagt werden, um die Reaktionsmaterialablagerung 38 über ihre Solidus-Temperatur hinaus zu erwärmen - und falls gewünscht sogar über ihre Liquidus-Temperatur hinaus -, während die Temperatur der Reaktionsmaterialablagerung 38 immer noch unter dem Schmelzpunkt der ersten und zweiten Kupferphasendrahtzunge 40, 42 gehalten wird. Als Folge schmilzt die Reaktionsmaterialablagerung 38 teilweise oder vollständig zu einer mobilen flüssigen Phase und die Kupferphasendrahtzungen 40, 42 schmelzen nicht, auch nicht bei ihren Stoßflächen 28, 44 innerhalb der Ablagestelle 30 und um diese herum.
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Nachdem das Reaktionsmaterial geschmolzen ist, reagiert es mit den Stoßfläche 28, 44 der ersten und zweiten Kupferphasendrahtzunge 40, 42 und versetzt sie in einen Zustand, der zur Vereinigung geeignet ist. Wie zuvor erwähnt wurde, ist die Reaktionsmateriallegierung aus Cu-Ag-P hauptsächlich aufgrund ihrer Phosphorkomponente selbstschmelzig, was ihr die Fähigkeit verleiht, beim Schmelzen Oxide von den einander gegenüberliegenden Stoßflächen 28, 44 zu entfernen und den Umgebungsbereich von einer Kontaminierung durch Sauerstoff aus der Atmosphäre abzuschirmen. Der elektrische Strom, der zwischen den Elektroden 52, 54 ausgetauscht wird, kann beendet werden, nachdem die Reaktionsmaterialablagerung 38 in ausreichender Weise geschmolzen ist, während der Druck, der von den Elektroden 52, 54 auf die Phasendrahtzungen 40, 42 ausgeübt wird, fortgesetzt wird. Die von den Elektroden 52, 54 aufgebrachte Kompressionskraft komprimiert wiederum die erste und zweite Phasendrahtzunge 40, 42 und drückt das geschmolzene Reaktionsmaterial entlang einer Stoßschnittstelle der Zungen 40, 42 zusammen mit irgendwelchen Reaktionsprodukten, die möglicherweise erzeugt wurden, an den Seiten heraus. Schließlich stellen die Stoßflächen 28, 44 der ersten und zweiten Phasendrahtzunge 40, 42 Kontakt her und beginnen, sich unter Druck zu vereinigen. Die kontaktierenden, sich vereinigenden Abschnitte der Stoßflächen 28, 44 werden kurz nachdem das geschmolzene Reaktionsmaterial aus der Stoßschnittstelle ausgetrieben wurde, zusammengefügt, um eine monolithische metallurgische Fügestelle zwischen den Phasendrahtzungen 40, 42 herzustellen. Diese Fügestelle besteht hauptsächlich aus Kupfer, das von der ersten und zweiten Phasendrahtzunge 40, 42 selbst stammt, wodurch sie strukturell intakt ist und die Funktionalität der Zungen 40, 42 nur minimal stört.
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Beispiele
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In Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung wurde eine Reihe von Experimenten zur Vorabplatzierung von Reaktionsmaterial durchgeführt. Insbesondere wurden vier Varianten des Vorabplatzierungsprozesses festgelegt und in jeder Variante wurde eine Anzahl von Experimenten durchgeführt. Der Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial, der in allen Experimenten über alle Varianten hinweg verwendet wurde, war ein Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial mit einem Durchmesser von 1,0 mm, bestehend aus 78 % Gewichtsanteilen Cu, 15 % Gewichtsanteilen Ag und 7 % Gewichtsanteilen P. Außerdem wurden Musterabschnitte aus Kupfer in jedem Experiment über alle Varianten hinweg als repräsentative Werkstückträgerstücke aus Metall verwendet. Die Prozedur des Lichtbogenschweißens mit einem schwingenden Draht, die bei jedem Vorabplatzierungsexperiment verwendet wurde, war hinsichtlich des Vorschiebens und Zurückziehens der Elektrodenstäbe aus Cu-Ag-P allgemein gleich, wie nachstehend weiter beschrieben wird. Die Unterschiede, welche die vier Prozessvarianten definieren, betreffen die Polarität der Elektrodenstäbe und die Sauberkeit der Oberfläche der Musterabschnitte aus Kupfer.
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In jeder der vier Varianten wurde der Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial mit dem Musterabschnitt aus Kupfer in Kontakt gebracht und ein anfänglicher Strompegel von 105 wurde angelegt und durch den Stab hindurch geleitet. Als nächstes wurde der Elektrodenstab auf eine voreingestellte Distanz zwischen 1 mm und 2 mm über eine Zeitspanne von 2,5 ms hinweg zurückgezogen. Dieses Zurückziehen bewirkte, dass ein Lichtbogen zwischen dem vorderen Elektrodenende des Elektrodenstabs und der Fläche des Musterabschnitts aus Kupfer entzündet wurde, welcher wiederum verursachte, dass das Elektrodenende des Elektrodenstabs geschmolzen ist. Im Anschluss an das Zurückziehen des Elektrodenstabs aus Reaktionsmaterial auf die voreingestellte Distanz wurde der Elektrodenstab zu dem Musterabschnitt aus Kupfer hin mit einer Nenngeschwindigkeit von 5,9 cm/s (140 ipm) über eine Zeitspanne von 40 ms hinweg vorgeschoben, während ein angelegter Strom von 105 A beibehalten wurde. Während dieser Zeitspanne wuchs ein Tropfen aus geschmolzenem Reaktionsmaterial an und wich tatsächlich den Elektrodenstab hinauf zurück und von dem Musterabschnitt aus Kupfer weg, da die Verbrauchsrate des Stabs größer als die Geschwindigkeit war, mit welcher der Stab zu dem Musterabschnitt aus Kupfer hin vorgeschoben wurde. Als nächstes wurde der angelegte Strom auf einen Zwischenstrom von 40 A reduziert und der Elektrodenstab wurde mit einer Geschwindigkeit von 25,4 cm/s (600 ipm) zu dem Musterabschnitt hin vorgeschoben, bis der am Elektrodenende des Stabs gehaltene Tropfen aus geschmolzenem Reaktionsmaterial Kontakt mit dem Musterabschnitt herstellte. An dieser Stelle wurde der angelegte Strom auf einen Kurzschlusspegel von 200 A erhöht. Dann wurde der Elektrodenstab von dem Musterabschnitt aus Kupfer mit einer Geschwindigkeit von 49,9 cm/s (1180 ipm) weg zurückgezogen, während der angelegte Strom von 200 A beibehalten wurde, wodurch geschmolzenes Reaktionsmaterial auf der Fläche des Musterabschnitts aus Kupfer zurückgelassen wurde, das schließlich zu einer Reaktionsmaterialablagerung erstarrte.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, umfassten die Differenzen zwischen den vier experimentellen Prozessvarianten die Polarität des Elektrodenstabs aus Cu-Ag-P und die Sauberkeit der Oberfläche des Musterabschnitts aus Kupfer, auf welcher die Reaktionsmaterialablagerung durchgeführt wurde. Die vier Prozessvarianten verwendeten entweder eine negative oder eine positive Polarität des Elektrodenstabs aus Reaktionsmaterial, um das Reaktionsmaterial auf entweder einer sauberen oder einer oxidierten Oberfläche des Musterabschnitts aus Kupfer abzulegen. Die „saubere“ Oberfläche wurde so weit gereinigt, dass sie eine im wesentlichen reine Kupferkontaktoberfläche war, während die „oxidierte“ Oberfläche eine leicht violette Oxidschicht aufwies, die durch eine vorherige Temperaturbeanspruchung erzeugt wurde. Bei jeder der vier Prozessvarianten wurden mehrere Durchläufe durchgeführt, welche nachstehend in Tabelle 1 beschrieben sind. TABELLE 1
| Prozessvariante | Polarität des Elektrodenstabs | Sauberkeit der Oberfläche |
| 1 | negativ | oxidiert |
| 2 | negativ | sauber |
| 3 | positiv | oxidiert |
| 4 | positiv | sauber |
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Die aus den vier experimentellen Prozessvarianten erhaltenen Daten sind nachstehend in Tabelle 2 tabellarisch aufgelistet. Wie ersichtlich ist, wurden das Gewicht und die Scherfestigkeit der Reaktionsmaterialablagerung für jedes Vorabplatzierungsexperiment mit einem einzigen Zyklus über alle vier Prozessvarianten hinweg gemessen. Die Spalten „Pos. X“ und „Pos. Y“ in Tabelle 2 zeigen nur die Abweichung der Mittellinie der Ablagerung der X-Y-Ebene relativ zu einer festgelegten Zielmittellinie an. Aus den tabellarisch aufgelisteten Daten ist zu erkennen, dass das Gewicht der Reaktionsmaterialablagerung allgemein niedriger war, wenn der Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial eine positive Polarität aufwies, die Scherfestigkeit der kleineren Ablagerungen jedoch allgemein größer war. Außerdem ist zu erkennen, dass die Reaktionsmaterialablagerungen eine geringere relative Schwankung bei der Scherfestigkeit über saubere und oxidierte Oberflächen hinweg zeigten, wenn der Elektrodenstab aus Reaktionsmaterial eine positive Polarität aufwies. Obwohl die Reaktionsmaterialablagerungen, die aus sowohl positiven als auch negativen Stabpolaritäten erhalten wurden, eine gute Scherfestigkeit zeigten, zeigten folglich die Ablagerungen, die aus den Elektrodenmaterialstäben mit positiver Polarität erhalten wurden, allgemein eine bessere Haftfähigkeit auf der Grundlage eines Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und sie waren weniger empfindlich gegenüber der Sauberkeit der Oberflächen. TABELLE 2
| Durchlauf | Polarität des Stabs | Stoßflächenzustand | Energie (Joule) | Ablagerungsgewicht (mg) | Scherfestigkeit (N) | Pos. X (mm) | Pos. Y (mm) |
| 1 | Negativ | Oxidiert | 122,9 | 45 | 304 | 1,10 | -0,69 |
| 2 | Negativ | Oxidiert | 124,3 | 45 | 188 | 0,38 | -0,93 |
| 3 | Negativ | Oxidiert | 121,3 | 42 | 61 | 0,23 | -0,57 |
| 4 | Negativ | Oxidiert | 117,2 | 44 | 135 | 0,23 | -0,67 |
| 5 | Negativ | Oxidiert | 122,1 | 34 | 122 | 1,03 | -0,85 |
| 6 | Negativ | Sauber | 121,1 | 41 | 444 | 0,93 | -0,31 |
| 7 | Negativ | Sauber | 122,1 | 45 | 134 | -0,03 | 0,08 |
| 8 | Negativ | Sauber | 120,3 | 39 | 331 | 0,61 | -0,83 |
| 9 | Negativ | Sauber | 118,2 | 41 | 425 | 1,18 | -0,11 |
| 10 | Positiv | Oxidiert | 124,8 | 34 | 545 | -0,27 | 0,53 |
| 11 | Positiv | Oxidiert | 119,7 | 33 | 452 | -0,06 | 0,79 |
| 12 | Positiv | Oxidiert | 120,9 | 29 | 777 | -0,41 | 0,58 |
| 13 | Positiv | Oxidiert | 126,8 | 31 | 715 | 0,13 | 0,99 |
| 14 | Positiv | Oxidiert | 123,9 | 33 | 602 | -0,11 | 1,22 |
| 15 | Positiv | Sauber | 127,5 | 20 | 1405 | -0,26 | 0,82 |
| 16 | Positiv | Sauber | 124,3 | 33 | 327 | 0,62 | 0,00 |
| 17 | Positiv | Sauber | 127,4 | 30 | 647 | 0,57 | 1,03 |
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Das Verfahren des Vorabplatzierens eines Reaktionsmaterials zur letztendlichen Teilnahme an einem Fügevorgang durch eine metallurgische Reaktion wurde nur im Kontext von Kupferphasendrahtzungen eines Stators eines Elektromotors beschrieben. Andere Typen von Werkstücken aus Kupfer- oder kupferbasierten Trägerstücken - sowie von Werkstückträgerstücken aus Metall, die nicht aus Kupfer bestehen - können selbstverständlich eine ähnliche Vorabplatzierung eines geeigneten Reaktionsmaterials erfahren, wie der Fachmann feststellt. Folglich dient die vorstehende Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und speziellen Beispielen nur zur Beschreibung. Bei jedem der Begriffe, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll seine gewöhnliche und geläufige Bedeutung verwendet werden, sofern dies in der Beschreibung nicht anderweitig spezifisch und eindeutig angegeben wurde.
