DE3212455A1

DE3212455A1 - Kaltpressschweissvorrichtung

Info

Publication number: DE3212455A1
Application number: DE19823212455
Authority: DE
Inventors: Toshio Yokosuka Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS57165192A; US4619396A; DE3212455C2; JPS5952032B2; GB2098751A; GB2098751B

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Kawasaki, Japan *

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

- 2. Apr» 1982

Kaltpreßschweißvorrichtung

- 2. April 1332

Die Erfindung betrifft eine Kaltpreßschweißvorrichtung.

Die Bedingungen für das Kaltpreßschweißen werden

entsprechend der auf den Preßschweißteil eines . Werkstücks ausgeübten Preßschweißbelastung, d.h. der Verformungsgröße dieses Teils bestimmt.

Fig. 1 veranschaulicht eine Last/Verdrängungs-Kurve, welche die Beziehung zwischen einer auf ein dem Preßschweißen zu unterwerfenden Werkstück ausgeübten Preßschweißlast oder -belastung L(X) und der Verdrängung (displacement) X des Preßschweißteils des Werkstücks darstellt. Beim bisherigen Verfahren wird eine Fließbelastung LO an einem Fließpunkt (Streckgrenze) 4 des Werkstoffs eines Werkstücks einer bestimmten Größe berechnet. Der Ausdruck "Fließpunkt" bezieht sich auf die Werkstoffestigkeit; dieser Fließpunkt (Streckgrenze) liegt am Übergang zwischen einem anfänglichen linearen elastischen Verformungsteil 2 und einem nicht-linearen plastischen Verformungsteil 3 der Last/Verdrängungskurve. Sodann wird eine optimale Belastung LA ermittelt, die in einer vorbestimmten Beziehung zur Fließlast (yield load) LO steht. Unter gleichbleibenden Bedingungen wird somit das Kaltpreßschweißen unter Heranziehung dieser optimalen Belastung LA als Preßschweiß-Stopbedingung durchgeführt. In der Praxis ändert sich jedoch die Last/Verdrängungskurve aufgrund von Dickenabweichungen der dem Preßschweißen zu unterwerfenden Werkstücke oder ungleichmäßiger Wärmebehandlung von einem Werkstück zum anderen. Aus diesem Grund wird die anfänglieh eingestellte optimale Last LA häufig unzweckmäßig. In einigen Fällen wird der Bearbeitungs- bzw. Verformungsgrad zu groß, so daß die Festigkeit der gesamten preßgeschweißten Werkstücke beeinträchtigt

wird. Andererseits kann auch der Verformungsgrad (working rate) zu gering sein, worunter die Festigkeit der Preßschweißverbindung leidet.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Kaltpreßschweißvörrichtung, bei welcher zur Gewährleistung eines einwandfreien Kaltpreßschweißvorgangs die jeweils optimale Last oder Belastung für jedes der Kaltpreßschweißung zu unterwerfende Werkstücke berechnet wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Kaltpreßschweißvorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Kaltpreßschweißvorrichtungs-Hauptteil oder -Mechanismus mit zwei Gesenken bzw. Stempeln, zwischen denen Kaltpreßschweiß-Werkstücke verpreßbar sind, sowie einem Antriebsmechanismus für die Stempel, durch einen Preßschweiß-Lastdetektor, der am Hauptteil montiert ist, durch einen am Hauptteil montierten Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektor zur Feststellung einer Verdrängungsgröße der Werkstücke an Preßschweißteilen derselben und durch eine Rechenoperations-Steuerschaltung, die mit dem Vorrichtungs-Hauptteil. elektrisch verbunden ist, die Ausgangssignale vom Lastdetektor und vom Verschiebungsdetektor für jedes Werkstück abnimmt, um einen Änderungspunkt auf einer Last /Verdrängungskurve zu berechnen, eine optimale Last oder Belastung für die zweckmäßige Durchführung des Kaltpreßschweißens auf der Grundlage einer Preßschweißlast oder -belastung am Änderungs— punkt berechnet und dem Vorrichtungs-Hauptteil ein elektrisches Signal zur Beendigung des Kaltpreßschweis sens liefert, wenn eine tatsächliche Preßschweißlast die optimale Last erreicht.

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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Last/Verdrängungskurve für das Kaltpreßschweißen,

Fig. 2A und 2B eine Aufsicht auf ein Kaltpreßschweiß-Werkstück bzw. einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 2A,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kaltpreßschweißvorrichtung gemäß der Er

findung ,

Fig.- 4 ein Blockschaltbild der Kaltpreßschweißvorrichtung gemäß der Erfindung und 20

Fig. 5 eine graphische Darstellung der sekundären

Differenzierungskurve der Last/Verdrängungskurve gemäß Fig. 1

Fig. 2A und 2B veranschaulichen mit der zu beschreibenden Ausführungsform der Erfindung zu verarbeitende Kaltpreßschweiß-Werkstücke 6a und 6b, in deren Mittelbereichen jeweils kreisförmige Vertiefungen bzw. Eindrückungen ausgebildet sind. Wenn diese Werkstücke 6a und 6b miteinander zugewandten Vertiefungen aufeinandergelegt bzw. zusammengesetzt werden, wird zwischen ihnen ein Aufnahmeraum 8 zur Aufnahme eines Halbleiterelements 7 oder dergleichen festgelegt. Wenn umlaufende Kaltpreßschweißteile bzw. Flansche 9

³^ durch Kaltpreßschweißen miteinander verbunden werden, kann das Halbleiterelement 7 ohne Ausübung einer

7-

thermischen Belastung auf dieses in einer (durch die Werkstücke gebildeten) Kapsel 5 eingekapselt werden. Ein Hauptteil oder Mechanismus 10 einer Vorrichtung zur Durchführung dieses kaltpreßschweißvorgangs weist gemäß Fig. 3 zwei Gesenke bzw. Stempel 12a und 12b auf, die ihrerseits mit Ring flächen 11a bzw. 11b
versehen sind, welche dem umlaufenden Schweißteil 9 zugewandt sind. Der Stempel 12b ist auf einem

Sockel 13 des Hauptteils 10 der Kaltpreßschweißvorrichtung befestigt. Der Stempel 12a ist mittels
eines Antriebsmechanismus 14 (d.h. eines nicht dargestellten Hydraulikkreises) des Hauptteils 10 in

Richtung des Pfeils A lotrecht bewegbar. An diesem Antriebsmechanismus 14 ist ein in Fig. 4 dargestellter Weg- bzw. Verschiebungsdetektor 15, z.B. ein Differentialtransformator, montiert, welcher die Größe der
Verschiebung des Stempels 12a während des Kaltpreßschweißvörgangs, d.h. die Größe der Verdrängung der Werkstücke 6a und 6b an den Schweißteilen 9 feststellt. Am Antriebsmechanismus 14 oder am Sockel 13 ist ein Lastdetektor 16, etwa eine Lastmeßzelle zur Erfassung der Preßschweißbelastung montiert. Der Verschiebungs-

detektor 15 und der Lastdetektor 16 sind über Verstärker 17 bzw. 18 elektrisch mit einem Multiplexer 19 verbunden, welcher die Verbindungen zu den Verstärkern 17 und 18 in kurzen Zeitabständen abwechselnd umschaltet. Der Multiplexer 19 ist mit einem Analog/

3® Digital- bzw. A/D-Waridler 20 verbunden, der seinerseits an eine Rechenoperations-Steuerschaltung 21 angeschlossen ist, die aus einem Mikrorechner bestehen kann und Daten zu speichern, andere Teile anzusteuern sowie arithmetische bzw. Eechenoperationen durchzuführen vermag. Diese Steuerschaltung 21 ist mit einer

Antriebssteuerschaltung 22 zur Steuerung des Antriebsmechanismus 14 verbunden.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der beschriebenen Kaltpreßschweißvorrichtung erläutert. Wenn der Antriebsmechaniqrr.s 14 zur Einleitung des Kaltpreßschweißens der Werkstücke 6a und 6b betätigt wird, drücken die Ringflächen lla und 11b der.

Stempel 12a bzw. 12b gegen die Schweißteile 9 der Werkstücke 6a und 6b an.Vom Verschiebungsdetektor 15 und vom Lastdetektor 16 werden hierbei Signale SA bzw. SB abgegeben, welche durch den Multiplexer 2g 19 in äußerst kurzen Zeitabständen abwechselnd dem A/D-Wandler 20 zugeführt werden. Vom A/D-Wandler 20 abgegebene Digitalsignale SA und SB werden der Rechenoperations-Steuerschaltung 21 zugeführt und in dieser sequentiell gespeichert. Im Verlauf des Kaltpreßschweißvorgangs ändern sich die Preßschweißlast L(X) und die Verdrängung X des Kaltpreßschweißteils entsprechend der Last/Verdrängungskurye 1 gemäß Figur 1. Auf der Grundlage der in der Rechenoperations-Steuerschaltung 21 gespeicherten Digitalsignale SA und SB fuhrt diese Steuerschaltung 21 eine zweifache Differenzierung durch, um dabei eine sekundäre Differenzierungskurve L''(X) gemäß Fig. 5 abzuleiten. Hierbei wird der Nulldurchgangspunkt 23 der sekundären Differenzierungskurve L" (X) auf der Grundlage der Tatsache erfaßt, daß der anfängliche Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungskurve 1 mit dem FließpunktJ(Streckgrenze) koinzidiert. Es ist bekannt, daß die Fließlast LO am Punkt 23 auf der Kurve gemäß Fig. 5, d.h. am Punkt 4 der Kurve gemäß Fig. 1, in einem vorbestimmten Verhältnis zur optimalen Belastung oder Last LA für das einwandfreie Kaltpreßschweißen der Werkstücke 6a und 6b steht, vorausgesetzt, daß die Werkstücke 6a

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und 6b jeweils aus demselben Werkstoff bestehen.

Auf der Grundlage dieser Tatsache wird die Fließlast

LO mit einem Koeffizienten «fc multipliziert, der nach ο

Maßgabe der Werkstoffeigenschaften der Werkstücke 6a und 6b vorgegeben wird. Auf diese Weise wird die optimale Last oder Belastung LA berechnet. Danach vergleicht die Rechenoperations-Steuerschaltung 21 die tatsächliche Preßschweißlast L(X) entsprechend dem Signal SB mit der optimalen Last LA. Wenn die Preßschweißlast L (.X) die optimale Last LA erreicht, gibt die Rechenoperations-Steuerschaltung 21 ein Antriebsstopsignal SC zur Antriebssteuerschaltung

.. p. 22 ab, um die Betätigung des Antriebsmechanismus 7 zu beenden; der Kaltpreßschweißvorgang ist hierauf abgeschlossen. Der Kaltpreßschweißvorgang wird für die einzelnen, paarweise zusammengesetzten Werkstücke 6a und 6b jeweils auf diese Weise durchgeführt. Da

2Q hierbei der dem Werkstoff der Werkstücke 6a und 6b eigene Wendepunkt (point of inflection) als Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungskurve l für die Berechnung der optimalen Last oder Belastung LA herangezogen wird, kann die richtige, optimale Last LA ermittelt werden. Da weiterhin die optimale Last LA durch Multiplizieren der Fließlast LO mit einem vorbestimmten Koeffizienten erhalten wird, läßt sich diese optimale Last LA durch entsprechende Änderung des Koeffizienten einfach neu einstellen, wenn sich der Werkstoff der Werkstücke 6a und 6b ändert.

Bei der erfindungsgemäßen Kaltpreßschweißvorrichtung empfängt die Rechenoperations-Steuerschaltung die vom Verschiebungsdetektor und vom Lastdetektor am Hauptteil der Kaltpreßschweißvorrichtung abgegebenen Signale, und sie berechnet einen Änderungspunkt auf einer Last/ Verdrängungskurve. Auf der Grundlage der Preßschweiß-

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last am Änderungspunkt berechnet die Rechenoperations-Steuerschaltung dann die für die Eigenschaften des Werkstoffs der zu verschweißenden Werkstücke optimale Last bzw. Belastung. Wenn die tatsächliche Last oder Belastung diese optimale«Last erreicht, bewirkt die Rechenoperations-Steuerschaltung die Beendigung des Kaltpreßschweißvorgangs. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit der Kaltpreßschweißvorgang Q mit einer jeweils optimalen Last oder Belastung für jeden einzelnen Werkstücksatz in Übereinstimmung mit den Werkstoffeigenschaften dieser Werkstücke durchgeführt werden. Auch bei einer Änderung der Härte oder Dicke der Werkstücke darf der Verformungsgrad (working rate) nicht zu groß werden, weil sonst die Festigkeit der Werkstücke insgesamt herabgesetzt werden würde, aber auch nicht zu niedrig sein, weil dies zu einer zu geringen Festigkeit der Kaltpreßschweißverbindung führen würde. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden dagegen die Güte des Erzeugnisses und das Fertigungsausbringen verbessert.

Bei der voralohend beschriebenen Ausführungsform wird die optimale Last oder Belastung durch Multiplizieren der Last am Wendepunkt mit einem vorbestimmten Koeffizienten berechnet. .Je nach den Werkstoffeigenschaften der dero Kaltpreßschweißen zu unterwerfenden Werkstücke kann jedoch die optimale Last auch dadurch berechnet werden, daß eine vorbestimmte Last oder Belastung der Last am Wendepunkt hinzu addiert wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird der anfängliche Wendepunkt (point of deflection) auf der Last/Verdrängungskurve zur Berechnung der optimalen Last herangezogen. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann alternativ der beim Überlappungspreßschweißen

auftretende zweite Wendepunkt hierfür benützt werden Ebenso braucht für diesen Zweck nicht unbedingt der Wendepunkt benutzt zu werden. Beispielsweise kann wahlweise ein Punkt, an" dem sich der Gradient (primäre differenzierte Größe) der Last/Verdrängungskurve um eine vorbestimmte Größe ändert,als Bezugspunkt zur Berechnung der optimalen Last benutzt werden. Als Bezugswert für die Berechnung der optimalen Last oder Belastung kann jeder beliebige Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungskurve herangezogen werden. Während bei der beschriebenen Ausführungsform die Rechenoperations-Steuerscha1-tung ein Mikrorechner ist, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt, vielmehr kann diese Steuerschaltung auch (andere) Hardware enthalten. Das Erfindungsprinzip ist auf das Kaltpreßschweißen verschiedener Werkstoffarten anwendbar.,Weiterhin ist die Erfindung keineswegs auf das Kaltpreßschweißen bei Umgebungstemperatur beschränkt, sondern vielmehr auch auf das Preßschweißen bei Temperaturen unterhalb der Rückkristallisationstemperatur der verwendeten Metallwerkstoffe, z.B. auf Temperaturen von 400° C oder darunter, anwendbar.

Claims

- 2, April 1982

Patentansprüche

/. Kaltpreßschweißvorrichtung, gekennzeichnet durch einen KaItpreßschweißvorrichtüngs-Hauptteil oder -Mechanismus (10) mit zwei Gesenken bzw. Stempeln (12a, 12b), zwischen denen Kaltpreßschweiß-Werkstücke (6a, 6b) verpreßbar sind, sowie einem Antriebsmechanismus (14) für die Stempel, durch einen Preßschweiß-Lastdetektor (15) , der am Haupt teil (10) montiert ist, durch einen am Hauptteil (10) montierten Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektor (16) zur Feststellung einer Verdrängungsgröße der Werkstücke (6a, 6b) an Preßschweißteilen (9) derselben und durch eine Rechenoperations-Steuerschaltung (21), die mit dem Vorrichtungs-Hauptteil (10) elektrisch verbunden ist, die Ausgangssignale vom Lastdetektor und vom Verschiebungsdetektor für jedes Werkstück abnimmt, um einen Änderungspunkt auf einer Last/Verdrängungskurve (1) zu berechnen, eine optimale Last oder Belastung (LA) für die zweckmäßige Durchführung des Kaltpreßschweißens auf der Grundlage einer Preßschweißlast oder -belastung am Änderungspunkt (4) berechnet und dem Vorrichtungs-Hauptteil (10) ein elektrisches Signal zur Beendigung des

^O Kaltpreßschweißens liefert, wenn eine tatsächliche Preßschweißlast (L(X)) die optimale Last (LA) erreicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenoperations-Steuerschaltung eine sekundäre Differenzierung auf der

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Grundlage der vom Verschiebungsdetektor und vom Lastdetektor abgegebenen Signale zur Berechnung eines Wendepunkts zwecks Ableitung eines anfänglichen*Änderungspunkts auf der Last/Verdrängungskurve durchführt und eine optimale Last oder Belastung auf der Grundlage einer Preßschweißlast am Fließpunkt bzw. auf der Streckgrenze (at yield) berechnet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Last oder Belastung durch Multiplizieren der Preßschweißlast am Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungskurve mit einem vorbestimmten Koeffizienten berechenbar ist.