DE4127794A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung des energieverbrauchs und minimierung der martensitbildung waehrend der verbindung eines metallenen anschlussstueckes mit einer metalloberflaeche durch zapfenloeten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden eines Anschlußstückes aus Metall durch Zapfenlöten mit einer metallenen Oberfläche bei der Energie gespart wird. Die zum Löten erforderliche Wärme wird in einem elektrischen Schweißbogen erzeugt und die für das Lötverfahren notwendige Energie wird sorgfältig überwacht und kontrolliert. Außerdem werden nur minimale strukturelle Änderungen, das heißt Martensitbildungen an der Lötstelle in zum Beispiel einer Eisenbahnschiene oder einer Pipeline hervorgerufen.

Zur Herstellung der obengenannten Lötverbindungen sind Verfahren bekannt, wie sie in den schwedischen Patenten Nr. 1 29 849 und Nr. 84 04 050-0 beschrieben werden.

Nachteilig bei den vorbekannten Verfahren ist, daß beispielsweise beim Löten der Eisenbahnschienen an der Lötstelle eine große Wärmefreisetzung erfolgt, welche eine entsprechend starke Martensitbildung verursacht, die hinsichtlich einer Bruchrißbildung nachteilig ist.

Außerdem ist von Nachteil, daß bei den bekannten Verfahren ein hoher Energieverbrauch erfolgt, der unter anderem darauf beruht, daß Lötzapfen mit einem Abstoppdraht, das heißt mit einem Schmelzdraht, verwendet werden. Dieser Draht besteht aus Kupfer und unterstützt das Lötverfahren, in dem er nach einer gewissen Zeit schmilzt und so eine Unterbrechung der Stromzufuhr verursacht. Weiterhin sind in den bekannten Ausrüstungen viele Kontakte mit einem hohen Energieverbrauch. Alle diese Gegenstände führen in jeder Stromversorgungseinheit zu einer Verminderung der Lötfähigkeit.

Bei den vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen ist weiterhin von Nachteil, daß am Beginn des Verfahrens der Lötzapfen vom Werkstück in einer Entfernung von ungefähr 2 mm angeordnet sein soll. Die Entfernung muß bisher manuell präzise justiert und visuell kontrolliert werden. Dies muß bei jedem Lötvorgang erfolgen, um keine Lötfehler oder eine hohe Martensitbildung zu verursachen.

Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Lötvorrichtungen ist, daß der von den Stromquellen bereitgestellte Strom nicht konstant ist. Gewöhnlich wird der Strom von einer Anzahl Batterien bereitgestellt. Der zum Löten benötigte Strom ist nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit von den Batterien, Kabeln, dem Schmelzdraht, Kontaktübergängen in der Lötpistole und von der Länge des Schweißbogens. Diese Veränderlichen verursachen ein unvollkommenes Löten und große strukturelle Änderungen im Arbeitsmaterial. Außerdem nimmt der Abstand zwischen dem Lötzapfen in der Lötpistole und dem Werkstück zu, während der Lötzapfen abschmilzt, was den Strom zusätzlich beeinflußt.

Ein weiterer Nachteil ist, daß das Werkstück gewöhnlich unzulänglich geerdet ist und demgemäß der Lötvorgang unsachgemäß abläuft und das Arbeitsmaterial verzehrt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei denen die vorstehend genannten Nachteile behoben sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Martensitbildung oder strukturelle Änderungen während des Lötens im Material zu minimieren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Stromstärke verwendet, die 30 bis 40% niedriger als die bisher verwendete Stromstärke ist. Dies führt zu einer geringeren Zunahme der Temperatur im Werkstück und folglich zu einer geringeren Martensitbildung.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung den Energieverbrauch beim Zapfenlötverfahren erheblich zu reduzieren und einen gleichmäßigen und sicheren Ablauf während des gesamten Verfahrens zu erhalten. Mit jeder Stromversorgungseinheit sind dadurch eine größere Anzahl von Lötvorgängen ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung wird eine automatische Justierung des Anhubbereiches der Lötpistole zum Startzeitpunkt ermöglicht und dieser Anhubbereich während der Anfangszeitpunkte bei verschiedenen Lötvorgängen durch einen Mechanismus konstant gehalten, welcher den mittels einer Skala vorgegebenen Anhubbereich automatisch konstant hält.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung den Abstand, das heißt die Schweißbogenlänge, zwischen dem Lötzapfen in der Lötpistole und dem Werkstück während des Lötverfahrens konstant zu halten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ebenso möglich die Erdung zu überprüfen, in dem ein niedriger Strom ohne Einleiten des Lötverfahrens und Zerstörung des Lötzapfens durch diesen hindurchgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Kosten für den Lötprozeß vermindert werden, da kein Lötzapfen mit einem Schmelzdraht verwendet wird und daher eine geringere Anzahl von Lötvorgängen fehlgehen. Dies wird durch Messung und Regulierung des Stroms erreicht. Während des Zapfenlötverfahrens nimmt die Länge des Schweißbogens zu, da der Lötzapfen niederschmilzt. Dies führt zu einer Reduzierung des Stroms. Demgegenüber ist gemäß der Erfindung eine kontinuierliche Justierung der Länge des Schweißbogens auf einen konstanten Wert während des gesamten Lötverfahrens möglich.

Im folgenden wird die Erfindung und vorteilhafte Ausführungsbeispiele davon anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen allgemeinen Ablauf während eines Lötvorgangs mit dem Strom als Funktion der Zeit;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zapfenlötens von einem Schienenstoß auf Stahl;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm eines Kontrollsystems für Zapfenlötung, und

Fig. 4 eine Lötpistole.

In Fig. 1 ist ein Diagramm des Lötverfahrens mit dem Strom als Funktion der Zeit dargestellt. Es sind zwei Kurven abgebildet. Die erste Kurve stellt das gegenwärtig benutzte vorbekannte Verfahren dar. Aus dieser Kurve ist ablesbar, daß das Verfahren unregelmäßig und unkontrolliert abläuft. Dies liegt teilweise darin begründet, daß das gesamte Verfahren durch einen Schmelzdraht kontrolliert wird, der allmählich abschmilzt.

Die untere Kurve stellt das Verfahren gemäß der Erfindung dar. Es ist offensichtlich, daß das Verfahren gleichmäßiger abläuft. Dies ist darin begründet, daß im voraus ein Energiebetrag in das Verfahren eingebracht wird und daß das Verfahren nicht auf die unregelmäßige Charakteristik des abschmelzenden Schmelzdrahtes angewiesen ist.

In Fig. 2 ist schematisch der Ablauf des Verfahrens dargestellt. Eine Lötpistole 2 ist mit einem positiven Pol verbunden. Ein Werkstück, zum Beispiel eine Schiene oder ein Rohr, ist mit dem negativen Pol verbunden. Ein Anschlußstück, ein Kabelhalter ist gegen die Lötstelle gedrückt. Ein Lötzapfen 3 ist in der Lötpistole eingedrückt und wird in eine Öffnung des Kabelhalters eingeführt und gegen das Gleis 4 mit einer bestimmten Kraft gedrückt. Diese Kraft ist durch eine mechanische Feder 33 in der Lötpistole gegeben. Wird der Stromkreis mittels eines Schalters 1 in der Lötpistole durch ein Relais geschlossen, erfolgt eine Kurzschließung zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Gleis. Der Lötzapfen 3 stellt die Elektrode in dem Verfahren dar. Zur gleichen Zeit wird ein Elektromagnet 16 aktiviert, der so dimensioniert ist, daß er die von der mechanischen Feder 33 aufgebrachte Kraft kompensiert und den Lötzapfen 3 vom Gleis bis zu einer eingestellten Stellung, zum Beispiel 2 mm, abhebt. Der Schweißbogen 5 wird zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Werkstück 4 gebildet. Lötblei und Flußmittel sind auf dem Lötzapfen 3 fixiert und schmelzen in einer Öffnung des Kabelhalters ab.

Falls genau die Energiemenge, die zum Abschmelzen des gesamten auf dem Lötzapfen 3 aufgebrachten Lötbleies eine Energiekontrolle 6 durchlaufen hat, wird durch diese die Energiezufuhr unterbrochen. Gleichzeitig wird der verbleibende Teil des Lötzapfens 3 in das geschmolzene Material gepreßt, wobei die Kraft mittels der mechanischen Feder 33 aufgebracht wird und justierbar ist. Die Energiekontrolle 6 mißt und berechnet die Energie gemäß der Gleichung E = I²·t. Daraus ergibt sich, daß genau die Energiemenge zugeführt wird, die zum Abschmelzen des Lötbleies notwendig ist. Die Energiekontrolle 6 weist außerdem eine manuelle Kontrolle zur Justierung der verschiedenen Energiemengen auf, die von der Größe der Lötzapfen 3 und/oder den verschiedenen Anteilen von Lötsilber in dem Lötblei abhängig sind. Der Anhubbereich des Lötzapfens 3 wird mittels eines Maßstabs 34 an der Lötpistole 2 justiert. Die Entfernung zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Werkstück 4 ist bei verschiedenen Lötvorgängen unterschiedlich und hängt von der Form der Kabelhalter ab. Mittels dieses Mechanismus in der Lötpistole wird der voreingestellte Anhubbereich des Lötzapfens 3 während verschiedener Lötvorgänge exakt beibehalten. Die Entfernung zwischen dem Lötblei auf dem Lötzapfen 3 in der Lötpistole und dem Arbeitsstück 4 ist während des Lötvorgangs konstant, da beim Abschmelzen des Lötbleies der Lötzapfen 3 automatisch vorwärtsbewegt wird.

Fig. 3 zeigt ein Schaltdiagramm eines Steuerungskontrollsystems, wobei die Energiekontrolle 6 die verschiedenen Einheiten aufteilt und mit einer Lötpistole 2 und einer Stromquelle 7 verbunden ist. Die Lötpistole 2 ist mit einem abzuschmelzenden Lötblei auf dem Lötzapfen 3 dargestellt. Wird ein Schaltkreisunterbrecher 1 an der Lötpistole 2 geschlossen, wird der Strom kurzgeschlossen. Von der Stromquelle 7 wird der Energiekontrolle 6 Strom zugeführt und dort der Energieverbrauch gemäß I²·t gemessen. Mittels Komparatoren 8, 9 und 10 wird die Energie einer Referenzquelle 11, einer voreingestellten Maximalzeit 12 und einer voreingestellten Minimal zeit 13 gegenüber gestellt. Mittels einer Eingangsstufe 14 wird das Lötverfahren gestartet. Der Stromkreis ist durch eine Ausgangsstufe 15 in Richtung der Lötpistole 2 schließbar. Die Referenzquelle 11 wird manuell auf einen Wert gesetzt. Dieser Wert ist hinsichtlich der Größe des Lötzapfens 3 und dem Anteil von Lötsilber im Lötblei ausgewählt. Der Strom wird durch die Ausgangsstufe 15 unterbrochen, wenn der Referenzwert 11 erreicht ist und die Minimalzeit 13 verstrichen ist oder wenn die Maximalzeit 12 überschritten ist.

Vor Beginn des Lötverfahrens ist es möglich, die Erdung des Werkstücks 4 zu kontrollieren. Dies geschieht dadurch, daß ein schwacher Strom durch eine Kontrolleinrichtung fließt und eine Messung ohne Beginn des Lötverfahrens vorgenommen wird. Um die Entfernung, das heißt die Länge des Schweißbogens zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Werkstück 4 während des Lötverfahrens konstant zu halten, kontrolliert eine Kontrolleinrichtung 31 das Verfahren gemäß der Gleichung I = k/a, wobei I dem Strom entspricht, k eine empirisch bestimmte Konstante ist und a die Schweißbogenlänge beziehungsweise die Entfernung zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Werkstück 4 ist. Während des Abschmelzens des Lötbleies strebt die Länge a sich zu vergrößern. Durch Regelung des Stroms I wird allerdings während des gesamten Lötverfahrens der Abstand konstant gehalten.

In Fig. 4 ist eine Lötpistole dargestellt. Ein Lötzapfenträger 21 ist mit einem Elektromagnet 16 verbunden, welcher den Lötzapfen 3 vom Werkstück 4 vor Beginn des Lötvorgangs abhebt. Der Abhubbereich ist manuell mittels einer Einrichtung 17 justierbar. Ein Kontrollmechanismus 18 kontrolliert den Abhubbereich präzise während jedes Lötvorgangs und hält ihn auf dem eingestellten Wert. Die Entfernung zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Arbeitsstück 4 wird während der ganzen Zeit des Abschmelzens des Lötbleies konstant gehalten.

Die Erfindung beruht darauf, daß es mittels der Energiekontrolle 6 möglich ist, den genauen Energiebetrag I²·t zu messen, welcher zum Abschmelzen des Lötbleies notwendig ist. Das Verfahren wird unterbrochen, falls die benötigte Energiemenge zugeführt ist. Außerdem, falls der Lötvorgang nicht innerhalb einer bestimmten Zeit ausgeführt worden ist, wird das Verfahren automatisch durch die Energiekontrolle 6 unterbrochen.

Die Lötstelle wird gemäß der Erfindung niemals mit zuviel Energie während des Lötverfahrens versorgt und die Entfernung zwischen dem Lötzapfen 3 und dem Arbeitsstück 4 bleibt während des Verfahrens konstant.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt Abweichungen innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche bestimmten Schutzbereiches.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reduzierung eines Energieverbrauchs und Minimierung einer Martensitbildung beim Zusammenfügen eines Anschlußstückes aus Metall mit einer metallenen Oberfläche durch Zapfenlöten, dadurch charakterisiert, daß die für ein Abschmelzen eines bestimmten Lötbleies gegenüber einer bestimmten Arbeitsstückoberfläche benötigte Energie exakt gemessen und kontrolliert wird, und daß ein gleichmäßiger und sicherer Ablauf des Lötprozesses durch Kontrolle des Stroms erzielt wird, daß die einfließende Energie unterbrochen wird, falls der zum Abschmelzen eines bestimmten abzuschmelzenden Lötbleies erforderliche Energiebetrag erreicht ist, daß weiterhin die Länge des Schweißbogens, das heißt die Entfernung zwischen dem abzuschmelzenden Lötblei und dem Arbeitsstück während des Lötvorgangs konstant ist, in dem mittels einer Kontrolleinrichtung das abgeschmolzene Lötblei während des Abschmelzens vorwärts bewegt wird, und daß der Lötvorgang nach einer vorbestimmten Zeit automatisch unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anhubbereich zwischen dem noch abzuschmelzenden Lötblei und dem Werkstück automatisch mittels einer in einer Lötpistole fixierten, mechanischen Einrichtung voreingestellt und reguliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der korrekten Erdung des Werkstückes ein schwacher Strom durch eine Kontrolleinrichtung ohne Starten des Lötvorgangs geführt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von einer Stromquelle (7) durch eine Energiekontrolle (6) fließt, in welcher der für den Lötvorgang genau benötigte Energiebetrag gemäß der Gleichung I²·t meßbar ist und durch Vergleich mittels Komparatoren (8, 9, 10) und einer Referenzquelle (11) kontrollierbar ist, wobei der Strom darauffolgend mittels einer Eingangsstufe (14) in eine Lötpistole (2) einführbar ist und mit Hilfe eines Lötzapfens (3) das Abschmelzen eines abzuschmelzenden Lötbleies hervorruft, das zum Unterbrechen des Stroms, falls der zum Schmelzen des Lötbleies korrekte Energiebetrag zugeführt ist oder eine bestimmte Zeit abgelaufen ist, ein Schaltkreisunterbrecher (1) angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen dem Arbeitsstück (4) und dem Lötzapfen (3) während des Lötvorgangs durch Regulation des Stromes I mittels einer Kontrolleinrichtung (31) gemäß der Gleichung I = k/a konstant einstellbar ist, wobei k eine Konstante und a die Länge des Schweißbogens, das heißt die Entfernung zwischen dem Lötzapfen (3) und dem Arbeitsstück (4) ist, und wobei eine Kontrolleinrichtung (35) zur automatischen Bewegung des Lötzapfens (3) in Richtung des Werkstücks (4) während des Abschmelzens des Lötbleies angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anhublift zwischen dem Lötzapfen (3) der Lötpistole (2) und dem Werkstück (4) automatisch durch Drücken der Lötpistole (2) mit dem Lötzapfen (3) gegen das Werkstück (4) einstellbar ist und ein automatischer Mechanismus zur Bestimmung und zum Einhalten dieser Höhe für den Anhublift ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung (30) umfaßt, durch die ohne Einleiten des Lötvorgangs ein schwacher Strom fließt und mittels derer eine automatische Kontrolle der Erdung des Werkstücks (4) durchführbar ist.