DE4140603A1

DE4140603A1 - Loet- beziehungsweise schweissvorrichtung mit automatiischer zufuehrung von zusatzwerkstoff

Info

Publication number: DE4140603A1
Application number: DE19914140603
Authority: DE
Inventors: Wilfried Reschnar; Klaus-D Dipl Ing Frederking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2011-12-11
Also published as: DE4140603B4

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Löt- beziehungsweise Schweißvor richtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Lötvorrichtung dieser Gattung (DE-A1 34 04 945) ist die den Löt- be ziehungsweise Schweißvorgang beeinflussende, geregelte Größe die Zeit, die zwischen dem Aufsetzen des Lotdrahtes auf die Lötstelle und dem Abschmelzen einer vorgegebenen Drahtlänge vergeht. Diese Zeit wird vorzugsweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lötungen mit einer Sollzeit in einem Komparator verglichen, dessen Ausgangs signal die Leistung der Heizquelle steuert. Dadurch ist gewähr leistet, daß die Lötzeit auch dann noch innerhalb eines vorgegebenen Sollwertes bleibt, wenn sich Lötparameter ändern oder Störeinflüsse auftreten, weil in solchen Fallen die Leistung der Heizquelle ent sprechend nachgestellt wird. Das ist von besonderer Bedeutung in automatischen Fertigungsanlagen, deren einzelne Bearbeitungssta tionen taktgebunden miteinander verkettet sind. Das Konstanthalten der Heizleistung über jeweils einen Lötvorgang hinweg hat jedoch zur Folge, daß am Beginn des Lötvorganges durch das Aufheizen der zu verbindenden Bauteile das Abschmelzen des Lotdrahtes u. U. merklich verzögert einsetzt. Zudem kann es vorkommen, daß die Bauteile un nötig stark erwärmt werden, wenn ihre Lötparameter von denen der vorher verlöteten Bauteile entsprechend abweichen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß jeder Löt- be ziehungsweise Schweißvorgang exakt auf die jeweils vorliegenden Lötparameter der zu verbindenden Bauteile selbsttätig abgestimmt ist, so daß bauteilspezifische Toleranzen, beispielsweise von Spalten, Geometrien, Werkstoffen und Beschichtungen keinen Einfluß auf das Ergebnis der Verbindung haben. Ferner stellt sich am Beginn eines jeden Löt- beziehungsweise Schweißvorgangs selbsttätig eine erhöhte Leistung-der Heizquelle ein, so daß die Bauteile schnell auf Arbeitstemperatur erwärmt und dadurch die Prozeßzeiten erheblich reduziert werden. Nach dem Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs stellt sich wiederum selbsttätig eine verringerte Heizleistung ein, wobei der Sollwert der Abschmelzgeschwindigkeit so wählbar ist, daß die Temperatur an der Löt- beziehungsweise Schweißstelle knapp über der Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffs liegt. Dadurch läßt sich außer der Prozeßdauer auch der Energieverbrauch der Vorrichtung verringern beziehungsweise optimieren. Die Prozeßsicherheit kann durch Erfassen und Auswerten weniger Meßgrößen wie Abschmelzge schwindigkeit und Wärmezufuhr, gewährleistet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch mög lich.

Die Abschmelzgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs kann sicher durch einen Tachogenerator erfaßt sein, der vom Zusatzwerkstoff bei dessen Vorschubbewegung angetrieben ist.

Damit sich am Ende eines Löt- beziehungsweise Schweißvorgangs der Zusatzwerkstoff problemlos zurückziehen läßt wird vorgeschlagen, daß dann die Leistung der Heizquelle kurzzeitig über den der ge regelten Abschmelzgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs entsprechen den Wert erhöht ist.

Die Prozeßzeit kann weiter verkürzt werden, wenn die Heizquelle be reits vor dem Auftreffen des zugeführten Zusatzwerkstoffs auf die Löt- beziehungsweise Schweißstelle zum Vorheizen der zu verbindenden Bauteile aktiviert ist.

Der Prozeßablauf läßt sich exakt steuern, wenn als Heizquelle ein Laser vorgesehen ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 vereinfacht eine Vorrichtung zum Weichlöten mit einem Laser als Heizquelle,

Fig. 2 ein Blockschaubild des Regelkreises und

Fig. 3 ein Funktionsschaubild der Vorrichtung nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die dargestellte Lötvorrichtung hat als Heizquelle einen Laser 10, dessen Leistung von einer anhand der Fig. 2 beschriebenen Regelein richtung 12 gesteuert ist. Vom Laser 10 führt ein Lichtwellenleiter 14 über eine insgesamt mit der Bezugszahl 16 bezeichnete Bear beitungsoptik zu einer Lötstelle 18, an der Kontaktstifte 20 mit Anschlußdrähten 22 in gesteuerter Folge miteinander verbunden wer den. An die Bearbeitungsoptik 16 sind zum Beobachten und Festhalten des Lötprozesses ein Leistungssensor 24 und über eine Kamera 26 ein Bildschirm 28 eines den gesamten Lötprozeß steuernden Rechners an geschlossen.

Beim Lötvorgang wird der Lötstelle 18 ein Zusatzwerkstoff in Form eines Lotdrahtes 30 automatisch zugeführt. Dafür ist eine Ein richtung 32 vorgesehen, die einen Träger 34 hat, der auf einem orts festen Gestell 36 zwischen der dargestellten Lötposition und einer durch einen Anschlag 38 vorgegebenen Rückzugsposition gesteuert hin- und herbewegbar ist. Die Bewegung des Trägers 34 kann bei spielsweise durch einen hydraulischen oder pneumatischen Kraftan trieb 40 erfolgen, der vom Rechner über ein Magnetventil 41 ge steuert ist. Der Träger 34 konnte jedoch auch Gestell fest angeordnet und statt dessen ein Träger für die Lötstelle 18 zwischen einer Lötposition und einer Rückzugsposition beweglich angeordnet sein.

Auf dem Träger 34 ist ein Schlitten 42 in Richtung des Pfeiles 44 verschiebbar gelagert, den zwei sich am Träger 34 axial abstützende Federn 46, 48 in der dargestellten Mittellage halten. An den Stirn seiten des Schlittens 42 sind zwei Führungsrohre 50, 52 für den Lot draht 30 befestigt, deren Achsen in einer Fluchtlinie und zur Löt stelle 18 gerichtet sind. Im Schlitten 42 selbst ist der Lotdraht 30 durch eine Bohrung 54 hindurchgeführt. Ferner ist am Schlitten 42 eine Konsole 56 befestigt, auf der eine Spule 58 für einen Lotdraht wickel drehbar gelagert ist.

Der Lotdraht 30 ist im Schlitten 42 zwischen zwei Reibrädern 60, 62 hindurchgeführt, die durch in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel reibungsschlüssig an den Lotdraht 30 angedrückt sind. Das Reibrad 60 ist von einem Elektromotor 64 angetrieben, der wie das Magnetventil 41 vom Rechnerprogramm gesteuert ist. Ferner ist am Schlitten 42 der bewegliche Teil eines am Träger 34 befestigten Meßwertaufnehmers 66 befestigt, der auf Relativbewegungen des Schlittens 42 gegenüber dem Träger 34 anspricht und beim Auftreten einer solchen Bewegung die Stromzufuhr zum Elektromotor 64 unter bricht.

Die zu verlötenden Bauteile 20, 22 können paarweise vorbereitet auf nicht dargestellten Werkstückträgers sitzen, die programmgesteuert angetrieben sind und nach einem beendeten Lötvorgang das nächst folgende Bauteil an die Lötstelle 18 heranführen. Dabei wird der Lotdraht 30 über den am Träger 34 angreifenden Kraftantrieb 40 vorübergehend von der Lötstelle 18 entfernt, so daß der Bauteil wechsel unbehindert erfolgen kann. Wenn danach der Träger 34 seine in Fig. 1 dargestellte Lötposition wieder erreicht hat, wird der Elektromotor 64 aktiviert, der über die Reibräder 60, 62 den Lot draht 30 bis zur Anlage an die Lötstelle 18 verschiebt. Wenn der Anlagedruck des Lotdrahtes 30 einen vorgegebenen Wert erreicht, weicht der Schlitten 34 nach hinten aus, bis vom Meßwertaufnehmer 66 ein den Antriebsmotor 64 stillsetzendes Signal an den Rechner ge langt.

Durch die vom Laser 10 erzeugte Heizenergie wird die Lötstelle 18 auf Löttemperatur erhitzt und der Lotdraht 30 zum Abschmelzen ge bracht. Dabei wird der Schlitten 42 durch Federkraft wieder in die Mittelstellung zurückgeführt, in welcher der Antriebsmotor 64 erneut eingeschaltet wird und den Lotdraht 30 bis zur vorgegebenen Kraft an die Lötstelle 18 andrückt beziehungsweise an dieser angedrückt hält. Der Lötvorgang ist beendet, wenn beispielsweise eine bestimmte Länge des Lotdrahtes 30 abgeschmolzen ist, und-oder wenn eine vorgegebene, auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte Zeitspanne vergangen ist.

Zur Erzielung eines auf die jeweils vorliegenden Lötparameter optimal abgestimmten Abschmelzverhaltens des Zusatzwerkstoffs wird erfindungsgemäß die Abschmelzgeschwindigkeit und somit die pro Zeiteinheit abgeschmolzene Menge des Zusatzwerkstoffes erfaßt und über die Regeleinrichtung 12 geregelt. Zu diesem Zweck ist am Schlitten 42 ein Tachogenerator 70 vorgesehen, dessen Antriebsrad ebenfalls reibungsschlüssig am Lotdraht 30 anliegt. Der Tachogenera tor 70 setzt die Vorschubgeschwindigkeit des Lotdrahtes 30 in ein Spannungssignal x um, welches als ein dem Istwert der Regelgröße "Abschmelzgeschwindigkeit" entsprechendes Signal in einem Komparator 72 mit dem Signal w eines Sollwertgebers 74 verglichen wird. Der Komparator 72 bildet daraus ein Stellsignal y in Form eines Spannungssignals, das ein Stellglied 76 in eine die Leistung des Lasers 10 beeinflussende Stellgröße umsetzt. Der Laser 10 ist wie der Tachogenerator 70 ein Teil der Regelstrecke der Regeleinrichtung 12.

Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung 12 geht im einzelnen aus dem Funktionsschaubild nach Fig. 3 hervor. Auf diesem ist auf der Abszisse die Zeit t des Lötprozesses aufgetragen. Auf der Ordinate sind im unteren Bereich die Abschmelz- beziehungsweise Lotdrahtvor schubgeschwindigkeit v und im oberen Bereich korrespondierend dazu das Spannungssignal y des Komparators 72 aufgetragen.

Zum Zeitpunkt t = 0 sec. Soll der Träger 34 in die in Fig. 1 ge zeigte Lotstellung zurückgeführt sein. Nach 1,5 sec. Wird der Elektromotor 64 aktiviert und der Lotdraht 30 an die Lötstelle 18 angelegt. Weil diese jedoch noch kalt ist oder zumindest noch eine unterhalb der Schmelztemperatur des Lotdrahtes 30 liegende Tempera tur hat, setzt das Abschmelzen des Lotdrahtes 30 nicht unmittelbar ein. Das hat zur Folge, daß das Stellsignal y anfänglich eine hohe Spannungsspitze y₁hat, welche den Laser 10 zur Abgabe einer hohen Heizleistung veranlaßt. Dadurch wird die Lötstelle sehr schnell auf Arbeitstemperatur erhitzt, so daß bereits zum Zeitpunkt t = 1,8 sec. der vorgegebene Sollwert v = 3,8 mm-sec. der Abschmelzgeschwindig keit erreicht ist.

Nach diesem Zeitpunkt erfolgt der Regeleingriff so, daß die Ab schmelzgeschwindigkeit v den vorgegebenen Sollwert etwa kontinuier lich beibehält. Am Ende eines Lotvorgangs, das zum Zeitpunkt t = 2,8 sec. vorgesehen ist, wird programmgesteuert der Elektromotor 64 stillgesetzt und der Kraftantrieb 40 zum Zurückfahren des Trägers 34 aktiviert, gleichzeitig wird, ebenfalls programmgesteuert, das Stellsignal y kurzzeitig erhöht, was sich im Schaubild als zweite Spannungsspitze y₂ darstellt. Durch diese Maßnahme wird bei extern gesteuertem Abschluß des Lötvorgangs ein problemloses Zurückziehen des Zusatzwerkstoffs sichergestellt.

Die Regelcharakteristik der Einrichtung 12 kann mit einfachen Mitteln so gewählt beziehungsweise geändert werden, daß sich für jeden Anwendungsfall ein optimalen Abschmelzverhalten des Zusatz werkstoffs ergibt. Anstelle eines konstanten Sollwertes für die Abschmelzgeschwindigkeit kann selbstverständlich auch ein zeitlicher Sollwertverlauf mit sich ändernden Sollwerten vorgegeben werden.

Ferner kann, wie im Funktionsschaubild durch die gestrichelt ge zeichneten Linienabschnitte y₃ und y₄angedeutet ist, eine Vor heizung der zu verlötenden Bauteile vor dem Aufsetzen des Lotdrahtes 30 auf die Lötstelle 18 programmgesteuert erfolgen.

Claims

1. Löt- beziehungsweise Schweißvorrichtung mit automatischer Zu führung von Zusatzwerkstoff (Lot- beziehungsweise Schweißdraht) und mit einer die Leistung einer Heizquelle steuernden Regeleinrichtung für eine den Löt- beziehungsweise Schweißvorgang beeinflussende Größe, dadurch gekennzeichnet, daß die den Löt- beziehungsweise Schweißvorgang beeinflussende, geregelte Größe die Abschmelzge schwindigkeit und somit die pro Zeiteinheit abgeschmolzene Menge des mit gleichmäßigem Druck zugeführten Zusatzwerkstoffs (30) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende eines Löt- beziehungsweise Schweißvorgangs die Leistung der Heizquelle (10) kurzzeitig über den der geregelten Abschmelzge schwindigkeit des Zusatzwerkstoffs (30) entsprechenden Wert erhöht ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Heizquelle (10) bereits vor dem Auftreffen des zugeführten Zusatzwerkstoffs (30) auf die Löt- beziehungsweise Schweißstelle (18) zum Vorheizen der zu verbindenden Bauteile (20, 22) aktiviert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizquelle (10) ein Laser vorgesehen ist.