DE3926931A1 - Verfahren zum schweissen bei konstanter temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Schmelzverschweißen bei konstanter Temperatur mit vorbestimmten Minimalzeiten der Temperaturerhöhung.

Moderne Reparatur- und Herstellungsverfahren erfordern häufig ein Schweißen. Im Gegensatz zu anderen Verbindungsverfahren führt das Schweißen zu Verbindungen, die zumindest fast so fest sind wie die Ausgangsmaterialien. Primitive Schweißverfahren schlossen den Einsatz eines Kohlewärmofens, einen Amboß und einen Hammer ein. Verschweißungen, die unter Verwendung einer solchen Ausrüstung hergestellt wurden, konnten in Abhängigkeit von der Fertigkeit des Handwerkers gut oder schlecht sein, auf jeden Fall waren sie unterschiedlich.

Die zunehmende Betonung der Zuverlässigkeit führte zu automati­ schen Schweißanordnungen und komplizierten elektrischen Schweiß­ geräten, wie sie in der US-PS 43 59 622 beschrieben sind. Diese Schweißeinrichtung schließt eine komplexe Steuerung und verschie­ dene Arten von Temperatursensoren ein, um elektrische Leistung dem Werkstück zuzuführen und dafür zu sorgen, daß die Temperatur des Werkstückes im geschweißten Bereich dem Temperaturprofil eines vorher geschweißten Stückes folgt, bei dem Tests eine aus­ reichende Festigkeit gezeigt haben.

Es mag aus vielen Gründen erwünscht sein, noch zuverlässigere Schweißstellen zu erhalten. So haben z. B. Automobilhersteller wirtschaftliche Gründe (wie Gewährleistungskosten), Schweißstellen herzustellen, die in hohem Maße gleichbleibend sind und daher gut­ definierte Festigkeitseigenschaften von einer Schweißstelle zur nächsten haben und die weiter ein Gefüge aufweisen, das die Kor­ rosion nicht begünstigt und aufgrund der Ausbreitung von Mikro­ rissen, die der Spannungsrißkorrosion zuzuschreiben sind, nicht zum Versagen führen.

Während der Bildung einer Schweißstelle tritt zwischen den Mate­ rialien der beiden zu verbindenden Stücke ein kompliziertes Schmelzen auf. Sollen z. B. separate Stücke aus Silber und Kupfer verschweißt werden, dann diffundieren Silberatome in das Kupfer und Kupferatome diffundieren in das Silber, während die Schweiß­ stelle gebildet wird. Die statistische Theorie, die z. B. in dem Buch "Diffusion In Solids" von P. G. Shewmon, McGraw Hill Book Company, New York, 1963 beschrieben ist, kann die Bewegung eines Atomes von seiner ursprünglichen Position in einer bestimmten Zeit t bei einer bestimmten Temperatur T beschreiben. Die ent­ sprechende Gleichung lautet:

x = (6Dt) ^½ (1)

worin x der Abstand von der Ausgangsposition, D ein Diffusions­ koeffizient bei der Temperatur T und t die Zeit ist. Den Diffu­ sionskoeffizienten D erhält man wiederum durch die folgenden Be­ ziehung:

D = D _o exp(-Q/kT) (2)

worin D _o ein pre-exponentieller Diffusionsfaktor, Q eine Aktivie­ rungsenergie der Diffusion, T die Temperatur in Grad Kelvin und k die Boltzmann-Konstante (1,99 cal/mol K) ist.

Die Parameter D _o und Q sind für bestimmte Materialien definiert. Diese Werte sind experimentell gemessen worden und die entspre­ chenden Daten sind in der veröffentlichten Literatur verfügbar, z. B. im "Handbook of Chemistry and Physics", CRC Press, Cleveland, Ohio, 1974. Aus den Gleichungen und Konstanten ergibt sich, daß sich für eine bestimmte Zeitdauer der Schweißung (Schweißzeit) ein Atom bei höheren Schweißtemperaturen weiter aus seiner ur­ sprünglichen Position wegbewegt. Ist die Schweißtemperatur kon­ stant, dann bewegt sich ein Atom weiter aus seiner ursprünglichen Position weg, wenn es eine längere Zeit zur Bewegung hat, d. h. bei längeren Schweißdauern.

Bei nahezu jedem üblichen Verschweißen sind Atome verschiedener Arten vorhanden. Dies trifft auch zu, wenn die zu verbindenden Stücke nominell aus dem gleichen Material bestehen. Die Materia­ lien sind niemals absolut rein, sondern sie enthalten üblicher­ weise beträchtliche Verunreinigungen. So z. B. ist Silber, das als "Münzsilber" erhältlich ist, zu 90% rein, wobei der Hauptan­ teil des Restes Kupfer ist und bei Reinheiten von 99,5% und 99,9% sind die Verunreinigungen Kohlenstoff, Nickel, Schwefel, Sauer­ stoff und Chlor. Es ist bekannt, daß Eisen häufig Kohlenstoff und geringe Mengen vieler anderer Elemente enthält, wie Chrom, Mangan, Nickel, Silizium und Titan. Während des Verschweißens verschiedener Materialien oder selbst beim Verschweißen ähnlicher Materialien können verschiedene Verbindungen oder verschiedene Festphasen der gleichen Verbindung innerhalb des erhitzten Berei­ ches gebildet werden. Der Einfachheit halber werden diese alle als Phasen bezeichnet. Im allgemeinen sind solche festen Phasen Bereiche des Festkörpers, die eine andere chemische Zusammenset­ zung oder Gefügestruktur haben als das Hauptmaterial. Die Festig­ keit einer geschweißten Verbindung kann von der Zahl der einge­ schlossenen Phasen abhängen, die sich von der Haupt- oder erwünsch­ ten Phase unterscheiden ebenso wie von der Größe der vorhandenen Phasen.

Es gibt eine Reihe von Theorien, die sich mit der Kristallisa­ tionskernbildung und dem Wachstum neuer Phasen befaßt. Genaue Ausdrücke für die Keimbildung und die Wachstumsraten sind kom­ plex und hängen von einer Anzahl verschiedener Variablen ab. Die Abhängigkeit der Keimbildung einer neuen Phase von der Temperatur und der Zeit kann allgemein durch die folgende Gleichung ausge­ drückt werden:

I α exp (-G/kT) (3)

worin I die Kernbildungsgeschwindigkeit, G eine Aktivierungsener­ gie, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Glei­ chung (3) macht deutlich, daß die Kernbildungsgeschwindigkeit einer neuen Phase exponentiell mit der Temperatur zunimmt.

Nachdem sich während der anfänglichen Stadien Kerne einer neuen Phase gebildet haben, wird die Wachstumsrate bei einer bestimmten Temperatur ausgedrückt durch:

Y α (t) ^³/₂ (4)

worin Y eine Wachstumsrate und t die Zeit ist. Gleichung (4) de­ monstriert, daß Kerne einer neuen Phase zumindest während der an­ fänglichen Stadien mit einer Rate wachsen, die proportional t ^³/₂ ist. Bei längeren Schweißdauern befinden sich daher größere Teil­ chen in der Schweißzone, verglichen mit den bei kürzeren Schweiß­ zeiten gebildeten Teilchen. Die Größe der verschiedenen Phasen in der Schweißzone kann die Eigenschaften der Schweißstelle stark beeinflussen. Es ist natürlich erwünscht, daß die Schweißung kei­ ne anderen Phasen aufweist als die erwünschte Phase des Hauptma­ terials oder daß, wenn solche Phasen auftreten, deren Größe klein ist.

Werden beispielsweise zwei Stücke aus Silber, von denen jedes 0,5% Nickelverunreinigungen enthält, verschweißt, dann kann eine unerwünschte Phase auftreten, die aus Ag₃Ni besteht und in etwa Kugelform wächst. Das gebildete Ag₃Ni enthält 25% Nickel anstatt von 0,5%, was den Nickelgehalt des Hauptmaterials vermindert. Die Menge des Nickels im Hauptmaterial der verschweißten Stücke hängt daher von der Anzahl der Kernbildungsstellen und der Zeit­ dauer und der Wachstumsgeschwindigkeit der gebildeten festen Pha­ sen ab. Andere Phasen können langgestreckte Formen oder eine kri­ stalline Struktur aufweisen. In Abhängigkeit von der Größe und den physikalischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem Bereich, in dem sich Phasen gebildet haben und dem Hauptmaterial, kann der Schweißbereich mehr oder weniger spröde sein, eine ande­ re Festigkeit und selbst andere Eigenschaften in verschiedenen Richtungen (Anisotropie) aufweisen.

Es ist daher eine Schweißtechnik erwünscht, die zu einer verbes­ serten Beständigkeit von Schweißung zu Schweißung führt.

Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Stücken mit­ einander gemäß der vorliegenden Erfindung schließt die Stufen des Überwachens und Regelns mindestens einer Temperatur nahe dem zu schweißenden Bereich und das Zuführen von Energie zu den zwei zu verschweißenden Stücken mit einer Zeitrate der Energiezufüh­ rung ein, die ausreicht, die Temperatur der Materialien nahe dem zu verschweißenden Bereich so zu erhöhen, daß die Temperaturan­ stiegsrate ein vorbestimmtes Minimum übersteigt. Hat die Tempera­ tur aufgrund von Energiezuführung einen vorbestimmten Wert er­ reicht, dann wird der Temperaturmonitor zur Rückkopplungsregelung der Energiezuführung benutzt, um die vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten. Bei einer bestimmten Anwendung hat die Temperaturanstiegsrate einen Wert, der größer ist als 70% der vorbestimmten Temperatur, dividiert durch 20% der vorbestimmten Zeit. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Stücke "abgeschreckt", so daß die Abfallrate der Tem­ peratur nach dem Ende des vorbestimmten Zeitintervalls eine vor­ bestimmte Minimalrate der Temperaturverringerung übersteigt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine teilweise perspektivische oder isometri­ sche Ansicht und teilweise Blockdiagramm-förmige Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Temperatur/Zeit-Diagramm, das verschiedene Schweißprofile darstellt und

Fig. 3 u. 4 typtische Schweißprofile, wie sie bei der Aus­ führung der vorliegenden Erfindung auftreten.

Das besondere Problem, auf das die Erfindung gerichtet ist, er­ wuchs aus der Notwendigkeit, die Zuverlässigkeit von Platten mit Anordnungen von Solarzellen zu verbessern, die für den Einsatz in tieferen Erdbahnen vorgesehen sind, in denen die Platten einer großen Zahl von Heiz- und Kühlzyklen unterworfen sind. Solche Platten können, wenn sie aus Solarzellen mit metallisierten Tei­ len, die mit Verbindungsstreifen verlötet sind, aufgrund der Lot­ verbindungen nicht den erwünschten Grad der Zuverlässigkeit auf­ weisen. In Fig. 1 ist eine Anzahl einzelner Solarzellen 10 a, 10 b, 10 c, . . . 10 f in Blockform dargestellt, die im Abstand von­ einander gezeigt sind, um deren separate Natur klarer zu veran­ schaulichen, die jedoch zusammenhängend oder dicht beieinander angeordnet sein können, um die Oberflächenabdeckung zu maximieren und dadurch die Länge der Verbindungen zu minimieren. Jede einzel­ ne Solarzelle 10 schließt eine Bodenmetallisierung 12 ein. Somit hat die Solarzelle 10 a eine Bodenmetallisierung 12 a, die Solar­ zelle 10 c eine Bodenmetallisierung 12 c usw. Die Bodenmetallisie­ rungen 12 der Solarzellen sind in der fertigen Anordnung durch ein Verschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden. Die Bodenmetallisierungen schließen einen relativ breiten Abschnitt benachbart einer langen Kante ein und Streifen erstrecken sich über den Boden der Solarzelle, die große Ab­ schnitte nicht-metallisiert lassen, um das Eindringen von Licht­ photonen zu gestatten.

Jede einzelne Solarzelle 10 schließt auch einen oberen Metalli­ sierungskontakt 14 ein, der im wesentlichen die obere Oberfläche bedeckt. Die Solarzelle 10 a weist daher auf ihrer oberen Ober­ fläche eine Metallisierung 14 a, die Solarzelle 10 b eine Metalli­ sierung 14 b usw. auf.

Die obere Metallisierung jeder Solarzelle 10 ist mit dem breiten Abschnitt des Bodens der Metallisierung 12 der nächst benachbar­ ten Solarzelle auf einer Seite mittels eines leitenden Verbin­ dungsstreifens 16 verbunden. Somit ist die obere Metallisierung 14 b der Solarzelle 10 b durch den Streifen 16 b mit der Bodenme­ tallisierung 12 c der Solarzelle 10 c verbunden und die obere Metallisierung 14 c der Solarzelle 10 c ist durch den Streifen 16 c mit der Bodenmetallisierung 12 d der Solarzelle 10 d verbunden. Jeder leitende Streifen 16 ist an jede der dazugehörigen Metalli­ sierungen der Solarzellen geschweißt, um die Kontakte unter Bil­ dung einer Reihenschaltung miteinander zu verbinden.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, erfolgt das Verschweißen mittels einer Vorrichtung, die eine erste Schweißelektrode 20 und eine zweite Schweißelektrode 22 einschließt. Wie in der älteren Pa­ tentanmeldung P 39 23 433.9 ausgeführt, kann eine dritte Hilfs­ elektrode 24 benutzt werden, um die Zuverlässigkeit der erhalte­ nen Verschweißungen zu verbessern. Die Schweißelektroden 20 und 22 sind der hohen Leitfähigkeit wegen vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und zur Verminderung des Abriebs an der Spitze mit Molybdän versehen, das eine hohe Schmelztemperatur hat. Die Elek­ troden 20, 22 und 24 werden durch eine nicht dargestellte Halte­ rung wechselseitig im Abstand voneinander gehalten, wobei der Halter mit Bezug auf die oberen Oberflächen der Solarzellen nach oben und unten bewegt werden kann, wie durch den Doppelpfeil 26 angedeutet. Die Elektroden 20, 22 und 24 sind elektrisch vonein­ ander isoliert, wenn sie sich nicht in Kontakt mit einem leiten­ den Streifen 16 befinden. Die Elektroden 20, 22 und 24 sind durch Leiter geeigneter Größe mit einer als Block 30 veranschaulichten Schalteinrichtung verbunden. Die Schalteinrichtung 30 empfängt Steuersignale über einen Satz 32 von Leitern sowie elektrische Leistung über einen Satz 34 von Leitern, um Spannung oder Strom auf die Elektrodenpaare 20 und 22 zum Schweißen und auch auf Elektrodenpaare anzuwenden, die die Elektrode 24 einschließen und die sich alle unter dem Einfluß einer Regelschaltung befinden, die als Block 38 veranschaulicht ist.

Ein IR-empfindlicher Temperaturmonitor, der als Block 44 veran­ schaulicht ist, empfängt IR-Signale von dem zu schweißenden Be­ reich mittels eines Lichtfaserkabels 46 und erzeugt Signale, die repräsentativ für die Temperatur sind und dem Regelblock 38 zuge­ führt werden. Eine Tastatur 48 gibt Instruktionen an den Regel­ block 38.

Beim Betrieb wird der Satz von Elektroden 20, 22 und 24 relativ zur Solarzellenanordnung bewegt, indem man entweder die Solarzel­ lenanordnung unter dem Satz von Elektroden oder den Satz von Elektroden längs der Anordnung bewegt. Wie in Fig. 1 gezeigt, hat jeder leitende Streifen 16 eine Öffnung 18 längs einer Kante. Die Größe der Öffnung ist sehr viel geringer auf der Oberfläche der Solarzelle, und die Öffnungen sind so angeordnet, daß minde­ stens eine Öffnung 18 über jeder Metallisierung 14 der Solarzelle 10 liegt. Die geschweißten Bereiche 19 a und 19 b, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, verbinden einen Streifen 16 mit dem oberen Metal­ lisierungskontakt 14 a oder 14 b der Solarzellen 10 a oder 10 b. In der in Fig. 1 gezeigten Position befinden sich die Elektroden 20, 22 und 24 oberhalb der Solarzelle 10 c, bereit ein Verschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.

Wie in der vorgenannten älteren Patentanmeldung ausgeführt, wird ein Strom, der sich deutlich unterhalb des Schweißstromes befin­ det, während einer ersten Stufen der Vorschweißprozedur durch die Schweißelektroden 20 und 22 geleitet und die Spannung dazwischen gemessen, was eine Anzeige für den Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden 20 und 22 sowie dem Streifen 16 c gibt. Ist der Widerstand gering, dann erfolgt eine weitere Widerstandsmessung zwischen mindestens einer der Elektroden 20 und 22 sowie der Elek­ trode 24. Da es bereits von der ersten Messung bekannt ist, daß der Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden 20 und 22 sowie dem Streifen 16 c gering ist, wäre ein hoher Widerstandswert ein Anzei­ chen dafür, daß die Grenzfläche zwischen dem Streifen 16 c und der Metallisierung 14 c schmutzig oder korridiert ist und daß ein Rei­ nigen erforderlich ist. Ist ein Reinigen nicht erforderlich oder zeigt ein erneutes Testen nach dem Reinigen an, daß die Kontakt­ widerstände alle gering sind, dann kann das tatsächliche Ver­ schweißen beginnen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine regelbare Stromquelle 36 Energie mit einer Rate liefern, die hoch genug ist, die Temperatur des zu schweißenden Bereiches mit einer Rate zu erhöhen, die größer ist als ein vorbestimmter Wert. Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die regelbare Stromquelle nach Erreichen einer vorbestimmten Temperatur unter Rückkopplung ge­ regelt, indem man die Temperatur des geschweißten Bereiches über­ wacht, um die Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer konstant bei einem vorbestimmten Wert zu halten. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird die Temperatur des gerade geschweißten Bereiches mit einer Rate abgesenkt, die eine vorbestimmte Rate übersteigt.

Fig. 2 veranschaulicht in ausgezogenen Linien ein Schweißprofil 210 gemäß der Erfindung. Dieses Schweißprofil 210 schließt einen Abschnitt 212 ein, der sich von einer Zeit -t 2 bis zu einer Zeit t 0 erstreckt, währenddessen die Temperatur des geschweißten Be­ reiches bis zu einer endgültigen Schweißtemperatur erhöht wird. In Fig. 2 ist die endgültige Schweißtemperatur mit 100% angege­ ben. Nachdem die Temperatur des zu schweißenden Bereiches 100% bei einer Zeit t 0 erreicht hat, wird der Temperaturanstieg been­ det und die Rate der zugeführten Energie geregelt, um die Tempe­ ratur für eine vorbestimmte Zeit konstant zu halten, die in Fig. 2 als t 0 bis t 10 veranschaulicht ist. Nach der Zeit t 10 läßt man die Temperatur der Schweißstelle abnehmen längs einem Temperatur/Zeit-Pfad 216, der eine Neigung hat, die größer ist als eine vor­ bestimmte Minimalneigung. Die Temperaturabnahme findet, wie in Fig. 2 gezeigt, während des Zeitintervalls t 10 bis t 12 statt.

Es kann gezeigt werden, daß die Neuverteilung der Atome während des Zeitintervalls -t 2 bis t 0 oder t 10 bis t 12 nach der folgenden Gleichung stattfindet:

worin α die Rate der Temperaturzunahme (d. h. die Neigung des Pro­ filteiles 212) ist. Die Strecke, um die sich ein Atom von der ur­ sprünglichen Position aus bewegt, ist daher umgekehrt proportional der Rate des Temperaturanstiegs (d. h. eine zehnfache Zunahme bei α führt zu einer Verminderung bei X auf ein Zehntel).

Die Bedeutung des in Fig. 2 gezeigten Profils kann verstanden werden, indem man in Betracht zieht, daß bei Benutzung eines ande­ ren Temperaturprofils als des flachen Profilteiles 214 während des Intervalls t 0 bis t 10 Zeiten auftreten würden, während denen die Temperatur die als 100% angegebene Temperatur übersteigen würde. Während solcher Zeiten würde die Kernbildungsrate uner­ wünschter Phasen und die Wachstumsrate solcher Phasen dramatisch zunehmen. Außerdem würde die Diffusionsrate der Atome im zu schweißenden Bereich dramatisch zunehmen. Die Größe des Schmelz- oder Schweißbereiches würde daher weniger gut definiert sein und die Eigenschaften der unterwünschten Phasen wären ausgeprägt.

Wäre dagegen die relativ hohe Rate der Temperaturzunahme, die in Fig. 2 durch den Kurventeil 212 veranschaulicht ist, geringer, z. B. entsprechend der gestrichelten Linie 222 der Fig. 2, dann würde die Schweißstelle weiter verschlechtert werden. Und dies deshalb, weil man normalerweise davon ausgeht, daß die Diffusion der Atome bei Temperaturen oberhalb von etwa 30% der Schmelztem­ peratur (gemessen in Grad Celsius) bedeutsam wird. So lange die Temperatur unterhalb von 30% der Schmelztemperatur gehalten wird, wie in Fig. 2 veranschaulicht, bleiben die Eigenschaften des Schweißbereiches unbeeinflußt. Wenn aber die regelbare Stromquelle Energie nicht mit einer ausreichend hohen Rate zur Verfügung stellen kann, um die Temperatur des Werkstückes rasch zu erhöhen, dann wird die Aufenthaltszeit bei Temperaturen oberhalb von 30% der Schmelztemperatur verlängert. Wäre die Rate des Wärmeverlu­ stes von einem großen Werkstück etwa gleich der Rate der Energie­ zuführung, dann könnte sich die Temperatur der Schmelztemperatur nähern, würde sie aber nie ganz erreichen, was zur Erzeugung sehr großer Mengen unerwünschter Phasen und einer außerordentlich schlechten oder völlig abwesenden Schweißstelle führen würde. Es ist daher erwünscht, sich der Schweißtemperatur so rasch als mög­ lich zu nähern. Während die Faktoren, die bei der Diffusion, der Keimbildung und dem Wachstum von Phasen sehr komplex sind, wurde festgestellt, daß eine befriedigende Rate des Temperaturanstiegs etwa 70% (100%-30% in Fig. 2) in einer Zeit stattfindet, die etwa 20% der Zeit beträgt, während der die hohe Temperatur kon­ stant gehalten wird. Es wird somit in Fig. 2 eine konstante Tem­ peratur während des Zeitintervalls t 0 bis t 10 aufrechterhalten, wie durch den Profilteil 214 veranschaulicht, und der Profilteil 212 erstreckt sich von einer Temperatur von 30% zu einer Tempera­ tur von 100% in etwa ¹/₅ der Zeit t 0 bis t 10, nämlich der Zeit -t 2 bis t 0.

Die gleichen Betrachtungen, die es für ratsam erscheinen lassen, die Zeitrate der Temperaturzunahme bei Schweißbeginn hoch sein zu lassen, lassen es auch als ratsam erscheinen, die Temperatur rasch abfallen zu lassen, nachdem das Schweißen beendet ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beträgt die Zeitrate der Temperaturabnahme des Werkstückes nach Beendigung des Schweißens 70% der Temperatur in 20% der Aufenthaltszeit bei der vollen Tem­ peratur. Im Falle eines großen Werkstückes, das auf eine hohe Temperatur erhitzt worden ist, das aber ein relativ großes Volu­ men, verglichen mit seiner Oberfläche aufweist, kann das Tempera­ turprofil ähnlich dem Profilteil 224 der Fig. 2 verlaufen, selbst wenn die Schweißleistung nach der Zeit t 10 vollständig abgestellt wird. Dies kann durch aktives Entfernen von Wärme, wie durch Abschrecken, korrigiert werden. Nach der in Fig. 1 gezeigten An­ ordnung ist eine Gasquelle, die als Block 50 dargestellt ist, mit einer Leitung 52 verbunden, die einen Strom von Argon auf den ge­ schweißten Bereich bläst. Dies hat zwei Vorteile. Das Argon er­ setzt Luft in der Nähe der Schweißstelle und, da es inert ist, verhindert es die Oxidation der geschweißten Metalle. Darüber hinaus ist der Strom des Argongases kalt und entfernt Wärme, so daß die Temperatur des geschweißten Bereiches rasch abnimmt, wie durch den Profilteil 216 der Fig. 2 gezeigt ist, nachdem man die Schweißleistung entfernt hat. Für kleine Werkstücke, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht sind, vermindert bereits die thermische Leitfähigkeit des Werkstückes selbst zusammen mit seiner relativ großen Oberfläche, verglichen mit dem Volumen, die Temperatur sehr rasch und ergibt zusammen mit dem Argonstrom eine befriedi­ gende Temperaturabnahme.

Die Fig. 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen des Tempera­ turverlaufs während der Zeit bei Schweißungen gemäß der vorlie­ genden Erfindung, die mit der Vorrichtung der Fig. 1 durchge­ führt wurden. In den Fig. 3 und 4 zeigen die Darstellungen eine Anfangstemperatur im Bereich von 600°C an. Dieser Teil der Darstellung repräsentiert eine Anomalie, die den Eigenschaften des IR-Temperaturmonitors 44 der Fig. 1 zuzuschreiben ist. Kurz gesagt weist der Monitor 44 einen "Boden" auf bzw. er ist unter­ halb von etwa 600°C nicht empfindlich. Folglich sind die einzig bedeutungsvollen Temperaturen solche oberhalb von 600°C. Es soll­ te jedoch darauf hingewiesen werden, daß die tatsächliche Tempe­ ratur des Werkstückes von Raumtemperatur an in der in Fig. 2 ge­ zeigten Weise ansteigt. Wird ein Überwachen bei tieferen Tempera­ turen erwünscht, dann sollte eine Reihe von Sensoren benutzt wer­ den, wie in der eingangs genannten US-PS 43 59 622 ausgeführt. Die Anstiegsgeschwindigkeit, die in Fig. 3 angegeben ist, be­ trägt etwa (1025-673)/(28-10,5) = 20,4°C/ms. Die Abweichungen von der konstanten Temperatur im Zeitintervall von etwa 30 bis 160 ms sind der Sammelrate des Sensors und der Nichtlinearität der Span­ nungs-Strom-Charakteristik des Schweißbereiches und der Elektro­ denkontakte zuzuschreiben.

Während des Betriebes wird die Tastatur 48 benutzt, um die erwünsch­ te konstante Schweißtemperatur einzugeben und der Schalter 40, der ein Fußpedal sein kann, wird geschlossen, um das Schweißver­ fahren zu beginnen. Der Regelblock 38 betreibt dann den Schalter 30 und die regelbare Stromquelle 36, um die vorgenannten Wider­ standsmessungen durchzuführen, um die Sauberkeit der Grenzfläche zwischen den verbundenen Stücken zu verifizieren, wobei die Lam­ pen 41 und 43 die Notwendigkeit für ein Reinigen verschiedener Teile der Vorrichtung anzeigen. Befinden sich die Widerstände in­ nerhalb bestimmter Grenzen, dann initiiert der Regelblock 38 die tatsächliche Schweißung durch Zuführen der maximalen Leistung zur Zuführung von Energie bei der höchstmöglichen Rate über die Elek­ troden 20 und 22 zu dem geschweißten Bereich. Während die Tempe­ ratur ansteigt (entsprechend dem Profilteil 212 der Fig. 2), zeigt der Temperaturmonitor 44 eine Temperatur unterhalb des fest­ gelegten erwünschten Temperaturpunktes an. Ist diese erwünschte festgesetzte Temperatur erreicht, dann vermindert der Regelblock 38 die Leistung in einer rückgekoppelten Weise, um den eingestell­ ten Temperaturpunkt für die erwünschte Dauer aufrechtzuerhal­ ten. Am Ende der erwünschten Zeit, entsprechend der Zeit t 10 in Fig. 2, wird die Leistung normalerweise abgeschaltet, um das Abkühlen des Werkstückes zu gestatten. Ist ein aktives Abschrecken erwünscht, dann kann der Regelblock 38 die Strömungsmittel­ strömung erhöhen, wenn die Leistung vermindert ist, z. B. mittels des Leiters 54 der Fig. 1.

Dem Fachmann sind andere Ausführungsformen der Erfindung zugäng­ lich. So kann, wenn erwünscht, das Werkstück während des Schweiß­ verfahrens in eine Flüssigkeit, wie flüssigen Stickstoff, einge­ taucht sein, so daß beim Abschalten der Leistung die Temperatur rascher absinkt. Es kann auch eine analoge oder digitale Regelung vorgesehen sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schweißen zwei schmelzbarer Stücke, umfas­ send die Stufen:
Nebeneinanderlegen der beiden Stücke nahe dem zu schwei­ ßenden Bereich,
Überwachen mindestens einer Temperatur nahe dem zu schweißenden Bereich,
Zuführen von Energie zu den beiden Stücken nahe dem zu schweißenden Bereich, um die Temperatur der beiden Mate­ rialien nahe dem genannten Bereich mit einer Temperatur/Zeit-Rate zu erhöhen, die ein vorbestimmtes Minimum über­ steigt und
nach dem Erreichen einer vorbestimmten Temperatur auf­ grund der Energiezuführung Benutzen der Ergebnisse der Überwachung zum Regeln der Energiezuführung, um die ge­ nannte vorbestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Temperatur/Zeit-Stei­ gerungsrate einen Wert von mehr als 70% der vorbestimmten Temperatur, dividiert durch 20% der vorbestimmten Zeit, hat.

3. Verfahren nach Anspurch 1, worin die beiden Materialien Silber sind, die vorbestimmte Temperatur etwa 1025°C be­ trägt, die vorbestimmte Zeit etwa 150 mS beträg und die genannte Temperatur/Zeit-Rate etwa 350°C in 15 ms aus­ macht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die Stufe des aktiven Abkühlens der beiden Stücke.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die beiden Stücke aus verschiedenen Materialien bestehen.

6. Vorrichtung zum Verschweißen von zwei aneinandergelegten schmelzbaren Stücken, umfassend:
eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung, um die Tempe­ ratur an mindestens einem Abschnitt des Bereiches zu über­ wachen, in dem die Stücke nebeneinanderliegen,
eine regelbare Einrichtung zum Zuführen elektrischer Ener­ gie zu dem genannten Bereich der Stücke mit einer aus­ reichenden Rate, um die Temperatur des aneinandergeleg­ ten Bereiches mit einer Zeitrate zu erhöhen, die größer ist als 70% einer vorbestimmten Temperatur in 20% eines vorbestimmten Zeitintervalls und
eine Regeleinrichtung, die mit der Einrichtung zur Tempe­ raturüberwachung und der regelbaren Einrichtung gekoppelt ist, um die Zuführung elektrischer Energie zu dem genann­ ten Bereich zu begrenzen, um diesen Bereich während des vorbestimmten Zeitintervalls bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten, wobei diese im wesentli­ chen konstante Temperatur etwa gleich der vorbestimmten Temperatur ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter umfassend eine Ein­ richtung zum Abschrecken des Bereiches, um die Temperatur nach Ende des vorbestimmten Zeitintervalls zu vermindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Einrichtung zum Abschrecken eine Einrichtung umfaßt, die ein Strömungs­ mittel in Kontakt mit dem genannten Bereich kommen läßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Einrichtung zum Abschrecken eine Einrichtung zum Richten eines Strömungs­ mittelstromes auf den genannten Bereich umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Einrichtung zum Abschrecken weiter eine Einrichtung zum Regeln des Stro­ mes aus Strömungsmittel umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Einrichtung zum Abschrecken eine Einrichtung zum Regeln der Zeitrate des Strömungsmittelstromes umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Einrichtung zum Regeln der Zeitrate eine Einrichtung zum Verstärken der Strömung am Ende des vorbestimmten Zeitintervalls umfaßt.