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Ultraschall-Lötkolben Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Lötkolben
mit einer Lötspitze aus gut wärmeleitfähigem Material, einem in deren Nähe angeordneten
Heizelement und einem im Abstand von ihr angeordneten Magnetostriktionsschwinger,
wobei Mittel vorgesehen sind, um die Wärmeübertragung von der Lötspitze zu dem Magnetostriktionsschwinger
zu vermindern. Lötkolben dieser Art erweisen sich beim Verzinnen von Metallen, wie
etwa Aluminium und seine Legierungen sowie Magnesium, also Metallen, die nur sehr
schwer oder gar nicht unter Verwendung der üblichen Lötkolben verzinnt werden können,
als vorteilhaft. Die an der Spitze erforderliche Hitze stellt jedoch insofern ein
Problem dar, als das Metall des Magnetostriktionsschwingerpaketes die magnetostriktiven
Eigenschaften verliert, wenn es über seinen Curiepunkt hinaus erhitzt wird, der
für Nickel, das gebräuchlichste magnetostriktive Metall, noch unterhalb der für
die meisten Lötungen erforderlichen Temperatur liegt; das Metall des Magnetostriktionsschwingerpa,hetes
muß aber mit der Spitze durch ein Metall verbunden werden, das die Ultraschallwellen
überträgt.
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Wenn man den Wellenweg nur länger macht, wird zwar die Wärmeübertragung
verringert, aber gleichzeitig nimmt die Leistung zu, die erforderlich ist, um mit
den bisher bekannten Anordnungen eine kräftige Wirkung der Wellen zu erzeugen; demgegenüber
vergrößert eine Verkürzung des Wellenweges die Erwärmung des Magnetostriktionsschwingerkernpaketes
und zieht die Gefahr nach sich, daß seine Energieabgabe verringert wird oder ganz
aufhört.
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Bei den Lötkolben mit Magnetostriktionsschwingern ist es, wenn sie
ihre Aufgabe erfüllen sollen, erforderlich, die Temperatur an der Berührungsstelle
des Magnetostriktionsschwingers mit dem die Schwingungen auf die Lötkolbenspitze
übertragenden Teil unter dem Curiepunkt zu halten.
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Als Mittel zur Herabsetzung der Wärmeübertragung von der Lötspitze
zu dem XIagnetostriktionsschwinger ist es beispielsweise bekannt, Kühlflügel an
dem Lötkopf anzuordnen, der sich durchgehend von der Lötspitze zu dem Magnetostriktionsschwinger
erstreckt.
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Da, der Lötkopf, der bei bekannten Ausführungen mit der Lötspitze
einteilig ausgeführt ist, naturgemäß aus einem Metall mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten
hergestellt sein muß, ergeben sich zur Verminderung der Temperatur an der Berührungsstelle
Zwischen dem Lötkopf und dem Magnetostriktionsschwinger erhebliche Probleme.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Lötkolben
zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragung von dem Heizelement zu dem Magnetostriktionsschwinger
wirksam herabgedrückt wird, so daß die Anordnung kurz ausgeführt werden kann und
an der Lötspitze eine im Verhältnis zur aufgebrachten Leistung erhebliche Wellenenergie
erhalten wird. Hierbei soll insbesondere ein verhältnismäßig billiger und handlicher
Ultraschall-Lötkolben geschaffen werden, der aus normalem Werkstoff hergestellt
und so aufgebaut ist, daß die Lötspitze und der Heizteil verhältnismäßig leicht
ausgewechselt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der
Lötspitze und dem -.%Zagnetostriktionsschwinger ein die Wärme schlecht und die Schwingungen
gut leitendes Zwischenstück aus z. B. nichtrostendem Stahl, Monelmetall oder Invarstahl
angeordnet ist, so daß die Temperatur an der Berührungsstelle mit dem Magnetostriktionsschwinger
unterhalb seines Curiepunktes liegt.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden,
auf die Zeichnung Bezug nehmenden Beschreibung hervor, in der zwei Ausführungsformen
der Erfindung erläutert werden. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen,
daß die Zeichnung lediglich zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung dienen und
nicht die Grenzen der Erfindung festlegen soll. Es zeigt Fig. 1 einen Mittellängsschnitt
durch eine Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2
der Fig f,
Fig.3 einen Längsmittelschnitt durch eine andere Ausführungsform
und Fig. -1 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3. Der magnetostriktive Schwinger
10 besteht aus einem Kernpaket 11, das aus Blechlamellen 12 (Fig. 2) aufgebaut ist
und bei dem sich die Wicklungen 13 auf den Schenkeln 14 des Paketes befinden. Das
Paket 11 ist durch ein Zwischenstück 16 mit der Lötspitze 15 verbunden. Das Zwischenstück
besteht aus einem Anscblußstück 17 und einem "Zwischenstückzylinder 18. Das Anschlußstück
17 ist mit seiner Basis an ein Ende des Paketes 11 und mit seinem anderen Ende an
ein Ende des Zwischenstückzylinders 18 angelötet. Das Anschlußstück 17 wird vorteilhafterweise
mit einem sich verjüngenden Flansch 19 ausgeführt. wobei das äußere Ende des Flansches
19 genau mit dem Ende des Zylinders 18, an dem es durch Hartlötung befestigt ist,
zusammenpaßt. Die Innenfläche 20 des Flansches kann im allgemeinen konisch und axialsymmetrisch
sein. während die Außenfläche 21 in gleicher Weise schräg nach außen laufen kann.
Bei diesem Aufbau des Anschlußstückes 17 ruft der allmählich kleiner werdende Querschnitt
des Flansches 19 eine Vergrößerung der Wellenenergie pro Einheit der Querschnittsfläche
hervor und überträgt die vergrößerte Energie auf den Zwischenstückzylinder 18. Die
angegebene Umrißform vermeidet das Vorhandensein von Oberflächen, die schädliche
Wellenableitungen oder -reflexionen erzeugen könnten. Der Zwischenstückzylinder
18 ist an seinem Außenende an die Lötspitze 15 hart angelötet; die Spitze hat vorteilhafterweise
die gleiche äußere Umrißform wie der Zylinder an dieser Stelle. Die Heizpatrone
22 ist eine übliche, genormte Patrone, bei der das Heizelement in eine zylindrische
Metallhülle 23 eingekapselt ist, dessen äußeres Wärmeübertragungsende an die Spitze
15 hart angelötet und vorteilhafterweise in sie hineingesetzt ist. Der Mantel 23
weist gegenüber der Innenfläche des Zwischenstückzylinders 18 einen Abstand auf,
um eine direkte Wärmeübertragung auf den Zylinder zu verhindern; der dazwischenliegende
Raum ist entweder ein Luftraum oder mit Isolierwerkstoff 24 ausgefüllt. Die Leitungsdrähte
26 verlaufen in der Mitte von dem anderen Ende der Heizpatrone 22 aus durch eine
Mittelöffnung 27 in dem Anschlußstück 17 und durch einen entsprechenden Durchlaß
durch das Ende des Paketes il in den Raum zwischen den Paketschenkeln, von denen
aus die Drähte zu Anschlüssen geführt werden.
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Die bisher beschriebene Anordnung gibt ein geschlossenes Arbeitsgerät
an, durch das sowohl Ultraschallwellen als auch die nötige Hitze der Lötspitze 15
zugeführt werden. Der Zwischenstückzylinder 18 wird aus einem Werkstoff hergestellt,
der eine gute Leitfähigkeit für Ultraschallwellen besitzt, aber einen niedrigen
Wärmeleitungskoeffizienten aufweist. Für diesen Zweck haben sich nichtrostender
Stahl, Monelmetall und Invarstahl als sehr wirksam erwiesen. Das Anschlußstück 17
sollte aus dem gleichen Metall oder wenigstens aus einem Metall gemacht werden,
dessen akustischer Wellenwiderstand so nahe wie möglich bei dein des Zylinders 18
liegt, um die Wellenreflexionen an der Verbindungsstelle zwischen dein Stück 17
und dein Zylinder 18 herunterzudrücken. Der Zylinder ist hinreichend lang, so daß
seine Temperatur an der @lerbindungsstelle mit dem Stück 17 im Dauerbetrieb noch
unterhalb des Curiepunktes des das Paket 11 bildenden 'Metalls liegt; es hat sich
aber heraus",e#tellt. daß die Länge des Zylinders dann. wenn er aus einem der oben
angegebenen Metalle hergestellt ist, genügend kurz gemacht werden kann, so daß er
den Anforderungen für den praktischen Betrieb gerecht wird, ohne daß in die genannte
Verbindungsstelle eine zu große Wärmemenge eingeleitet wird. Bei Bedarf können in
den oberen und unteren Abschnitten des Zylinders 18 Ventilationsöffnungen 28 vorgesehen
werden, um die Wärme von der Patrone 22 fortzuschaffen.
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Der Aufbau ist für bequemen und leichten Zusammenbau ausgelegt. Er
ist so entworfen, daß die Patrone 22 zuerst an die Spitze 15 hart angelötet und
dann in den Zwischenstückzylinder 18 eingeschoben werden kann, wonach die Spitze
an dem Außenende des Zylinders hart angelötet wird. Durch Erwärmung der Lötverbindung,
Abnehmen der Spitze und ihrer Patrone und durch Einsetzen einer anderen Spitze und
Patrone können die Spitzen ausgewechselt werden.
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Die beschriebene Baugruppe ist in einem Handgriff befestigt und so
angeordnet, daß die Montageverbindungen die Ultraschallwellen wesentlich dämpfen
oder sie auf den Handgriff übertragen. In der erläuterten Form ist der Handgriff
als Pistolengriff ausgeführt, der vorteilhafterweise aus einem synthetischen Harz
geformt ist. In der in den Fig. 1 und 2 abgebildeten Ausführungsform ist der Handgriff
30 als ein Grundteil 31 ausgebildet, der eine Oberwand 32 aufweist, die oberhalb
des Magnetostriktionsschwingers 10 mit einem Abstand angeordnet ist, während Seitenwände
33 mit ähnlichem Abstand vorgesehen und nach Wunsch mit Ventilationsöffnungen 34
versehen sind, wobei die Öffnungen 34 an gegenüberliegenden Seiten in einer Flucht
mit dem Magnetostriktionsschwinger 10 angeordnet sind. Die rückwärtige Endwand 35
des Grundteiles 31 ist mit einer Fassung 36 versehen, in die ein becherförmiger
Endträger 37 eingepaßt ist, der rund um das hintere Ende des Magnetostriktionsschwingers
anliegt. Der Träger 37 wird vorteilhafterweise in Silikongummi oder in ähnlichem
Werkstoff ausgeführt. Darüber hinaus weichen die akustischen Wellenwiderstände des
Paketes 11 und des Werkstoffes des Trägers 37 so weit voneinander ab, daß der Träger
dazu dient, die an der Verbindungsstelle zwischen dem Magnetostriktionsschwinger
und dem Träger erzeugten Wellen in den Magnetostriktionsschwinger 10 zurückzuwerfen,
wodurch vermieden wird, daß an dieser Stelle ein wesentlicher Energieverlust auftritt,
und wodurch die Übertragung einer ausgeprägten Schwingung auf den Handgriff 30 verhindert
wird.
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Die Stirnseite des Magnetostriktionsschwingers 10 wird von einer Stirnendwand
38 des Grundteiles 31 getragen, die mit einer Vertiefung 39 versehen ist, die ihrerseits
einen Ring40 aus vorteilhafterweise Silikonguinmi aufnimmt, wobei der Ring 40 in
eine ringförmige Nut 41 in der Außenfläche des Grundteiles des Koppelstückes 17
neben deren Verbindungsstelle mit dem Paket 11 eingespannt ist. Die Wand 38 weist
gegenüber dein Anschlußstück 17 einen Abstand auf. um die Schwingungsübertragung
auf den Handgriff 30 möglichst klein zu halten. Die Basis des Anschlußstückes 17
ist vorteilhafterweise mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt, um die Anbringung
des kinges 40 zu erleichtern; diese Ausbildung überträgt die Wellen vom Paket 11
her ohne wesentliche Verluste.
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Der Handgriffgrundteil 31 bildet ein Stück mit einem Pistolengriffteil
42; die Leitungsdrähte 26 von der Heizpatrone 22 sind ebenso wie die Leitungsdrähte
43 von den Wicklungen 13 des Paketes nach miten durch eine Öffnung im Innern des
Handgriffes
zu einem Kabel 44 geführt, das durch eine Entlastungshülse
45 hindurchgeht, die in den Boden des Grundteiles 42 mit Pistolengrifform eingesetzt
ist. Der Griffteil 30 ist vorzugsweise in zwei aufeinanderpassende Seitenteile 46
unterteilt und wird leicht um den Magnetostriktionsschwinger 10 herum zusammengebaut
und in seiner gegenseitigen Lage durch Schrauben 47 gehalten.
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In der in den Fig. 3 und 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform
besitzt der Magnetostriktionsschwinger 50 ein Paket 51 von Lamellen 52 und Wicklungen
53, die dem Paket 11 und den Wicklungen 13 im Aufbau ähnlich sind. Bei dieser Anordnung
ist der Handgriff 54 im allgemeinen wie der Handgriff 30 ausgebildet und in ähnlicher
Weise mit einer Fassung 55 für den nachgiebigen becherförmigen Magnetostriktionsschwingerhalter
56 versehen.
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Die langgestreckte, verjüngte Lötspitze 57 ist mit ihrer Basis an
eine zylindrische Hülse 58 hart angelötet, die ihrerseits der Heizpatrone angepaßt
ist und deren Ende gegen die Spitze 57 zeigt. Die Hülse 58 ist durch Hartlötung
an einem dünneren metallenen Tragzylinder 60 befestigt, der vorzugsweise aus einem
Metall besteht, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, und der in geeigneter
Weise in dem Handgriff 54 befestigt ist. In der abgebildeten Form trägt der Zylinder
60 einen Isolierring 61, der durch auf dem Handgriff 54 befindliche Tragelemente
in bogenförmigen Stegen 62 gehalten wird, wobei diese Tragelemente so angeordnet
sind, daß zwischen ihnen Öffnungen 63 für die Kühlung vorgesehen sind.
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Eine Vorrichtung zur Regelung der Erwärmung des Lötkolbens kann in
üblicher Weise in dem Zylinder 60 untergebracht werden. In der abgebildeten Ausführungsform
ist ein Thermostat 77 der üblichen Bauart gezeigt, der mit einem Befestigungsvorsprung
78, der an dem Zylinder 60 fest angebracht ist, und mit einem Wärmeübertragungsansatz
79, der an der starken Hülse 58 befestigt ist, versehen ist.
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Der Zylinder 60 und die daran angebrachten Bauteile werden in ihrer
Lage durch Schrauben 64 gehalten, die gleichzeitig ein Verdrehen verhindern, in
Vertiefungen 65 in dem genannten Zylinder eingepaßt sind und den Handgriff 54 erfassen.
Der Handgriff kann mit einer Ventilationsöffnung versehen sein, die mit dem Ende
des Zylinders 60 übereinstimmt und vorzugsweise von einem Schirm 66 abgedeckt ist.
Das vorn liegende Ende des Magnetostriktionsschwingerpaketes 51 ist an das Zwischenstück
67 hart angelötet, wobei deren Basis dem Ende dieses Paketes angepaßt ist und kegelstumpfförmig
zu einem starr an der Spitze 57 befestigten Ende 68 verjüngt ist. In der abgebildeten
Anordnung ist das Ende 68 des als Stange ausgeführten Zwischenstückes in den Betätigungsendteil
der genannten Spitze 57 eingesetzt und hart eingelötet, wobei das als Stange ausgeführte
Zwischenstück 67 und die Spitze 57 zu diesem Zweck aufeinander zu laufen. Diese
Anordnung gestattet die Verwendung einer axial auf das Paket 51 ausgerichteten Zwischenstückstange
67, um dadurch eine wirksame Übertragung von Ultraschallwellen zu gewinnen.
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Der Handgriff 54 ist so geformt, daß er den Mag' netostriktionsschwinger
50 umgibt; er weist einen nach vorn ragenden Abschnitt 69 auf, der sich rund um
das vordere Ende des Paketes 51 mit einem geringen Abstand erstreckt und mit mehreren
Ventilationsöffnungen 70 versehen ist. Andere Ventilationsöffnungen 71 können in
gleicher Weise in dem Handgriff 54, vorzugsweise an den Seiten des Paketes 51, vorgesehen
werden. Die Heizpatronenleitungen 72 und die Leitungen 73 von den Wicklungen 53
gehen nach unten durch den Grundteil hindurch und durch dessen Boden in der bereits
beschriebenen Weise nach außen; die Leitungen 72 gehen durch eine Öffnung in den
Zylinder 60 und durch die Mitte des Paketes 51, wobei eine der Leitungen 72 über
den Thermostaten 77 angeschlossen ist. Der Grundkörper 54 kann in gleicher Weise
in zwei durch Schrauben 64 und 76 zusammengehaltenen Abschnitten 75 hergestellt
werden.
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Bei dieser Anordnung können der Handgriff, der Magnetostriktionsschwinger
und die Spitze bequem hergestellt, angeschlossen und in dem Handgriff befestigt
werden, und es ist möglich, verschiedene Spitzen an dem gleichen Magnetostriktionsschwinger
durch Aufschmelzen der Lötung des Stangenendes 68 und durch neues Anlöten derselben
an eine andere Spitze zu befestigen.
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Der Ausdruck »Ultraschall« ist hier so zu verstehen, daß Wellen von
15 bis 60 kHz, insbesondere zwischen 18 und 25 kHz, verwendet werden. Es können
aber auch Wellen mit Frequenzen, die außerhalb der genannten liegen, verwendet werden.