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Die Erfindung betrifft eine elektrische Lampe mit einem gasdicht
verschlossenen Lampengefäß, das eine Wand aus keramischem Material hat, wobei
zumindest ein Stromzuführleiter mit einem in dem Lampengefäß angeordneten elektrischen
Element verbunden ist, welcher Stromzuführleiter aus dem Lampengefäß über einen
Durchführkanal in der Wand nach außen tritt und einen ersten Teil mit einem
verhältnismäßig hohen und einen zweiten Teil mit einem verhältnismäßig niedrigen
Schmelzpunkt umfaßt, welche Teile mit einander zugewandten Enden eine Schweißverbindung
bilden.
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Solch eine elektrische Lampe, eine Hochdruck-Entladungslampe, ist aus
US 3.363.133 bekannt. Unter einer Wand aus keramischem Material wird in der
vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen eine Wand aus beugendem Material
verstanden, wie einkristallines Metalloxid, beispielsweise Saphir, polykristallines
Metalloxid, beispielsweise durchscheinendes gasdichtes Aluminiumoxid (DGA),
Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Yttriumoxid (YOX), oder polykristallines nichtoxidisches
Material wie Aluminiumnitrid (AlN). Bei der bekannten Lampe ist die Wand des
Lampengefäßes aus DGA hergestellt. Das Lampengefäß bildet ein Entladungsgefäß, das
einen mit einer Metallhalogenide enthaltenden Füllung versehenen Entladungsraum
umschließt. Das Entladungsgefäß umfaßt einen röhrenförmigen Teil und
scheibenförmige Endteile, die den röhrenförmigen Teil zu beiden Seiten abschließen. Ein
Stromzuführleiter tritt an jedem der Enden aus dem Entladungsgefäß über einen Durchführkanal
nach außen. Die Stromzuführleiter haben einen aus Wolfram hergestellten ersten Teil,
mit einem Schmelzpunkt von 3680 K, an den ein aus Niobium hergestellter zweiter
Teil, mit einem Schmelzpunkt von 2770 K, geschweißt ist. Sich in den Entladungsraum
erstreckende Endabschnitte des ersten Teils dienen als Elektrodenpaar und bilden somit
das elektrische Element.
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Ein praktisches Verfahren zum Realisieren einer Schweißverbindung
zwischen den Teilen arbeitet mit Hilfe von Widerstandsschweißen (Stumpfschweißen). Die
Teile werden dabei jeweils mit einem Pol einer Stromquelle verbunden und mit ihren
Enden aneinander gedrückt. Die Wärmeentwicklung in der Kontaktfläche zwischen den
beiden Teilen läßt den Teil mit niedrigerem Schmelzpunkt schmelzen, wobei eine
Schweißverbindung mit dem anderen Teil gebildet wird.
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Das Lampengefäß einer Lampe mit einem keramischen Lampengefäß wird
vor dem Anbringen und gasdichten Befestigen der Stromzuführleiter mittels
(Vor-)Sintern geformt. Im allgemeinen wird der Stromzuführleiter mit genauer Passung durch den
Durchführkanal geführt, woraufhin eine schmelzkeramische Verbindung zwischen dem
Durchführkanal und dem Stromzuführleiter angebracht wird, um so die geforderte
gasdichte Abdichtung des Entladungsgefäßes zu verwirklichen.
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Wenn die Teile des Stromzuführleiters miteinander verschweißt werden,
tritt um die Grenze zwischen den Teilen herum häufig eine Verdickung auf, die
verhindert, daß der Stromzuführleiter in den Durchführkanal paßt oder durch den Kanal
geführt wird. Dies führt zu einem verhältnismäßig hohen Ausschuß an Stromzuführleitern,
was sich nachteilig auf den Preis auswirkt. Mechanische Entfernung des verdickten
Abschnitts, wie mittels Schleifen, bringt aufwendige zusätzliche Bearbeitung mit sich.
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Der Verdickung kann entgegengetreten werden, indem der Schweißstrom
begrenzt oder früher abgeschaltet wird. Der Ausschußanteil ist dann jedoch auch noch
hoch, weil in vielen Fällen keine zuverlässige Schweißung erhalten wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu
verschaffen, mit der eine elektrische Lampe der eingangs erwähnten Art mit weniger Ausschuß
hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Lampe nach Anspruch 1
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die elektrische Lampe hierzu dadurch
gekennzeichnet, daß das Ende des ersten Teils Torpedoform hat und in einer Spitze endet, die
eventuell abgeflacht ist, welche Spitze bei einem Abstand zum Übergang von 0,9 L einen
weiteren Umfang O1 hat, der höchstens gleich der Hälfte des Umfangs O ist.
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Eine mögliche Erklärung des verhältnismäßig geringen Ausschusses bei
erfindungsgemäßen Lampen ist die folgende. Wenn die Enden der Teile beim
Widerstandsschweißen
gegeneinander gedrückt werden, haben diese Enden anfangs eine
verhältnismäßig kleine Kontaktfläche miteinander gemeinsam. Da das sich verjüngende
Ende des ersten Teils in einem Querschnitt mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser
endet, ist außerdem der elektrische Widerstand am Ort der zu bildenden Schweißung
verhältnismäßig hoch. Somit kann ein verhältnismäßig kleiner Schweißstrom zum
Schmelzen von Material des zweiten Teils genügen. Solange nur wenig Material
geschmolzen ist, berühren die Teile sich noch in einer kleinen Kontaktfläche, und der
Schweißstrom durchquert einen Querschnitt von verhältnismäßig kleinem Durchmesser,
so daß die Wärmeentwicklung verhältnismäßig groß bleibt. In dem Maße, in dem das
geschmolzene Material des zweiten Teils weiter über das Ende des ersten Teils fließt,
nehmen die Kontaktfläche und die Oberfläche des kleinsten Querschnitts der
Kombination der Teile zu. Die Wärmeentwicklung nimmt somit ab. Dies macht es
verhältnismäßig einfach, zu vermeiden, daß das geschmolzene Material über das sich verjüngende
Ende hinaus fließt und damit einen verdickten Abschnitt bildet. Dadurch wird Ausschuß
verhindert. Da das sich verjüngende Ende des ersten Teils nach Fertigstellung der
Schweißverbindung zumindest teilweise in das Ende des zweiten Teils eingebettet ist,
haben die Teile eine verhältnismäßig große, gekrümmte Kontaktfläche, die für eine
stabile Verbindung zwischen den Teilen sorgt. Dies ist günstig, weil der
Stromzuführleiter bei weiteren Schritten im Fertigungsprozeß mechanisch belastet werden kann.
Mechanische Belastung kann beispielsweise beim Transport und bei der Montage der
Stromzuführleiter auftreten. Der Stromzuführleiter kann auch mechanischen Belastungen
unterliegen, wenn zur Positionierung darin ein Grat angebracht wird.
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Nach Abnahme der Wärmeentwicklung vergeht einige Zeit, bevor das
Material des zweiten Teil so weit abgekühlt ist, daß es erstarrt. Während dieser Zeit
fließt das Material weiter über das Ende des ersten Teils. Wenn die Länge L des sich
verjüngenden Endes kleiner ist als ein Zehntel des Umfangs O, ist der Schweißprozeß
nicht gut kontrollierbar, da es schwierig ist, den Schweißstrom so einzustellen, daß
einerseits das Material des zweiten Teils rechtzeitig erstarrt und andererseits das Ende des
ersten Teils genügend in Material des zweiten Teils eingebettet ist, um eine stabile
Verbindung zwischen den Teilen zu erhalten.
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Auch wenn der zweite Teil mit einem sich verjüngenden Ende versehen
ist, ist der Schweißprozeß nicht gut kontrollierbar, sofern das sich verjüngende Ende
des ersten Teils eine Länge L hat, die kleiner als ein Zehntel des Umfangs O ist oder
sich am ersten Teil kein sich verjüngendes Ende befindet. In diesem Fall hat das
Material des zweiten Teils auch nicht genügend Zeit, um nach Abnahme der
Wärmeentwicklung zu erstarren, oder eine Abnahme der Wärmeentwicklung erfolgt zu spät.
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Es sei bemerkt, daß Lampen mit Lampengefäßen aus Quarzglas aus der
Literatur bekannt sind, mit Stromzuführleitern, die aus miteinander verschweißten
Teilen zusammengesetzt sind. Eine gasdichte Abdichtung des Lampengefäßes erfolgt in
solchen Lampen dadurch, daß das Quarzglas um die Stromzuführleiter in erweichtem
Zustand zusammengequetscht wird, wobei sich die Form des Quarzglases an die der
Stromzuführleiter anpaßt.
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Aus der Literatur ist ein Verfahren zum Stumpfschweißen von Stäben
bekannt, wobei einer der Stäbe mit einem mittels Schneiden "zugespitzten" Ende
versehen wird. Beim Schneiden wird jedoch das Ende zusammengeqetscht, so daß das
Ende senkrecht zu der Richtung, in der das Ende zusammengedrückt wurde, einen
größeren Durchmesser annimmt, so daß es aus dem ersten Teil hervorsteht.
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Eine günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen
Lampe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des ersten Teils Torpedoform hat und in
einer Spitze endet, die eventuell abgeflacht ist, welches Ende bei einem Abstand zum
Übergang von 0,9 L einen weiteren Umfang O1 hat, der höchstens gleich der Hälfte des
Umfangs O ist. Es zeigte sich bei der Herstellung einer elektrischen Lampe gemäß
dieser Ausführungsform, daß ein Stromzuführleiter mit einem sehr gleichmäßig
verlaufenden Umfang erhalten wird, auch am Ort der Schweißverbindung. Dies ist besonders
günstig für ein gutes Fließen der Schmelzkeramik im Raum zwischen dem
Stromzuführleiter und dem Durchführkanal. Die Maßnahme trägt somit zur Realisierung einer guten
und zuverlässigen, gasdichten Abdichtung bei.
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Der erste Teil mit seinem torpedoförmigen Ende wird vorzugsweise
dadurch erhalten, daß er von einem Draht abgerissen wird. Alternativ kann der erste Teil
durch Schneiden oder Sägen erhalten werden, woraufhin in einer anschließenden
Zusatzbehandlung, wie TIG-Schweißen, ein torpedoförmiges Ende gebildet wird. Der zweite
Teil kann beispielsweise durch Schneiden, Sägen oder Reißen erhalten werden. Der
Stromzuführleiter kann beispielsweise einen ersten Teil aus Wolfram oder Molybdän
und einen zweiten Teil aus Niobium oder Tantal umfassen.
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Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe wird das
elektrische Element von einem Glühkörper gebildet. Das Lampengefäß kann
beispielsweise mit einem Edelgas und einem Halogenid, beispielsweise Methylbromid gefüllt
sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist die
Lampe eine Hochdruck-Entladungslampe, bei der das Lampengefäß ein Entladungsgefaß
bildet, das einen eine ionisierbare Füllung enthaltenden Entladungsraum umschließt,
wobei das elektrische Element von einer Elektrode gebildet wird. Die erfindungsgemäße
Maßnahme ist besonders günstig für Hochdruck-Entladungslampen. Eine genaue
Passung des Stromzuführleiters ist bei diesen Lampen wichtig, insbesondere bei Halogen-
Metalldampflampen, um zu vermeiden, daß Bestandteile der Füllung sich in dem von
dem Stromzuführleiter in dem Durchführkanal freigelassenen Raum anhäufen. Anhäufen
von Füllungsbestandteilen im Raum innerhalb des Durchführkanals kann zu
Abweichungen bei den Lampeneigenschaften führen. Es kann auch zu Angreifen der
Schmelzkeramik führen.
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Vorzugsweise wird der Stromzuführleiter der erfindungsgemäßen
elektrischen Lampe unter Verwendung eines ersten Teils hergestellt, der in ein weiteres
Ende übergeht, das mit dem Ende des ersten Teils identisch ist, das in das Ende des
zweiten Teils eingebettet ist. Dies hat bei der Lampenfertigung den Vorteil, daß es zur
Vermeidung von Ausschuß nicht notwendig ist, daß die ersten Teile dem
Fertigungsprozeß in einer vorgegebenen Richtung zugeführt werden müssen. Dies hat beim
Befestigen des elektrische Elements am weiteren Ende den zusätzlichen Vorteil, daß eine
verhältnismäßig geringe Stromstärke beim Widerstandsschweißen genügen kann, um das
elektrische Element am Stromzuführleiter zu befestigen. Das elektrische Element kann
somit einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben, ohne beim Schweißprozeß zu
schmelzen. Ein weiterer Vorteil ist, daß beim Schweißen verhältnismäßig wenig
Material aus dem Schweißfleck verdampft. Die Verdampfung von Material beim Schweißen ist
nachteilig, weil es im allgemeinen an der Elektrode kondensiert. Beim Betrieb der
Lampe kann das an der Elektrode kondensierte Material wiederum verdampfen und sich
anschließend auf der Wand des Entladungsgefäßes ablagern, was zu einer geringeren
Lichtausbeute führt.
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Eine erfindungsgemäße Lampe ist in der Zeichnung dargestellt und wird
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1A einen Längsschnitt eines Endabschnitts einer elektrischen Lampe,
in der das elektrische Element in dem Lampengefäß von einem Elektrodenpaar gebildet
wird;
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Fig. 1B eine Einzelheit von Fig. 1A;
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Fig. 2A bis 2C die Bildung einer Schweißverbindung zwischen den Teilen
des Stromzuführleiters der Lampe von Fig. 1A.
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Fig. 1A zeigt eine elektrische Lampe, die mit einem Lampengefäß 20 mit
einer Wand 21 aus DGA als keramisches Material versehen ist. In der dargestellten
Ausführungsform ist die Lampe eine Hochdruck-Entladungslampe, deren Lampengefäß
20 ein Entladungsgefäß bildet, das einen mit einer ionisierbaren Füllung versehenen
Entladungsraum 22 gasdicht einschließt. Der Entladungsraum hat hier eine Füllung aus
Quecksilber und einer Mischung von Halogeniden, insbesondere die Metalhalogenide
Natriumiodid, Thalliumiodid und Dysprosiumiodid. Eine erste und eine zweite
Elektrode 30a,b sind im Entladungsraum 22 angeordnet und mit einem ersten und einem
zweiten Stromzuführleiter 31a,b verbunden. Die Stromzuführleiter 31a,b ragen jeweils
durch einen Durchführkanal 23a,b in der Wand nach außen. Die Durchführkanäle 23a,b
sind als Röhren aus keramischem Material ausgeführt, in diesem Fall auch DGA, die an
Enden 24a,b des Entladungsgefäßes 20 gesintert sind. Die Stromzuführleiter 31a,b
umfassen jeweils einen ersten Teil 32a,b mit einem verhältnismäßig hohen
Schmelzpunkt und einen zweiten Teil 33a,b mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt.
In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Teil 32a,b ein Molybdänstab mit
einem Schmelzpunkt von 2890 K und der zweite Teil 33a,b ein Niobiumstab mit einem
Schmelzpunkt von 2770 K. Der erste und der zweite Teil 32a,b, 33a,b haben
Durchmesser von 700 µm bzw. 720 µm. Der Durchführkanal 23a,b hat einen
Innendurchmesser von 760 µm.
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Ein Ende 34a,b des ersten Teils 32a,b bildet eine Schweißverbindung
36a,b mit einem in dieser Richtung weisenden Ende 35a,b des zweiten Teils 33a,b
(siehe auch Fig. 1B). Die Stromzuführleiter 31a,b sind in den Röhren 23a,b mit
Schmelzkeramik 25a,b fixiert, wobei sich die Schmelzkeramik 25a,b von dem von der
Elektrode 30a,b abgewandten Ende 26a,b der Röhre 23a,b bis auf ungefähr 1 mm vor
der Schweißverbindung 36a,b erstreckt.
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Der erste Teil 32a,b geht in ein sich verjüngendes Ende 34a,b mit einer
Länge L von 500 µm über. Das Ende 34a,b hat einen Umfang O von 2200 µm beim
Übergang zum ersten Teil 32a,b. Die Länge L ist daher zumindest ein Zehntel des
Umfangs O. Das Ende 34a,b ist nahezu vollständig in das Ende 35a,b des zweiten Teils
33a,b eingebettet.
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Das sich verjüngende Ende 34a,b hat Torpedoform und eine abgeflachte
Spitze. Bei einem Abstand von 0,9 L zum Übergang zum ersten Teil 32a,b beträgt der
Umfang O1 des torpedoförmigen Endes 817 µm, was weniger als die Hälfte des
Umfangs O ist.
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Zweihundert Stromzuführleiter dieser Konstruktion wurden hergestellt. Sie
waren alle genügend frei von verdickten Abschnitten, um in den Durchführkanal zu
passen. Die Stromzuführleiter wiesen auch einen gleichmäßigen Verlauf des Umfangs
auf.
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Der erste Teil 32a,b des Stromzuführleiters 31a,b geht an einer dem
zweiten Teil 33a,b abgewandten Seite auch in ein sich verjüngendes Ende 37a,b über.
Die Elektroden 30a,b sind an dieses weitere, vom zweiten Teil 33a,b abgewandte Ende
37a,b des ersten Teils 32a,b geschweißt. Die Elektroden 30a,b sind als Wolframstäbe
mit einem Durchmesser von 300 µm ausgeführt, die an einem in den Entladungsraum
22 weisenden Endabschnitt jeweils mit einer Wicklung versehen sind. Zur Herstellung
des Stromzuführleiters 31a,b wurde ein erster Teil 32a,b verwendet, dessen weiteres
Ende 37a,b mit dem Ende 34a,b des in das Ende 35a,b des zweiten Teils 33a,b
eingebetteten ersten Teils 32a,b identisch war, bevor die Elektrode 30a,b an dieses weitere
Ende geschweißt wurde.
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Aus Untersuchungen der in der Praxis bei der Lampenfertigung
auftretenden Kräfte wurde geschlossen, daß die Biegestärke der Schweißverbindung zumindest
14,5 mNm betragen muß. Die Biegestärke wurde für sechs der oben beschriebenen
Stromzuführleiter bestimmt. Der zweite Teil wurde bis kurz unterhalb der Schweißung
eingeklemmt, und auf den ersten Teil wurde eine Radialkraft ausgeübt. Gemessen
wurde, bei welchem Moment sich der erste Teil relativ zum zweiten Teil verbog. Es zeigte
sich, daß das erforderliche Moment hierfür ungefähr 15,0 mNm betrug.
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Zum Vergleich wurden Stromzuführleiter hergestellt, deren erster Teil ein
flaches Ende hatte oder ein durch Schneiden erhaltenes Ende. Es zeigte sich, daß ein
wesentlicher Prozentsatz dieser Stromzuführleiter, d.h. 20 bis 50%, nicht in den
Durchführkanal paßten. In vielen Fällen zeigte sich außerdem, daß keine sichere
Schweißverbindung vorhanden war. In diesen Fällen fiel der Stromzuführleiter bereits bei einer
vernachlässigbar kleinen mechanischen Belastung, beispielsweise beim Transport,
wieder auseinander. Die Biegestärke der übrigen Stromzuführleiter betrug nicht mehr als
13,4 mNm.
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Günstige Ergebnisse wurden auch mit Stromzuführleitern erhalten, deren
aus Molybdän hergestellter erster Teil, mit einem Durchmesser D von 700 µm, ein
torpedoförmiges Ende mit einer Länge L von 350 µm hat. Der Umfang O des
torpedoförmigen Endes beim Übergang zum ersten Teil beträgt 2200 µm. Der Umfang O1 des
torpedoförmigen Endes bei einem Abstand 0,9 L vom Übergang zum ersten Teil beträgt
ungefähr 940 µm. Der zweite Teil, aus Niobium, hat einen Durchmesser von 720 µm.
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Fig. 2A zeigt den ersten und den zweiten Teil 32, 33 am Anfang des
Schweißvorganges. Die Teile 32, 33 haben eine verhältnismäßig kleine Kontaktfläche 38
und eine verhältnismäßig kleine Fläche eines kleinsten Querschnitts 39, so daß ein
verhältnismäßig hoher elektrischer Widerstand gebildet wird. Die Kontaktfläche 38 und
der kleinste Querschnitt 39 sind mit einer verhältnismäßig dicken Linie bzw. mit einer
gestrichelten Linie angedeutet. Bei einem gewissen vorgegebenen Schweißstrom wird
eine verhältnismäßig große Wärmemenge entwickelt, die das Material des zweiten Teils
schmelzen läßt.
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Nach einiger Zeit hat sich das Material des zweiten Teils 33 über einen
Abschnitt des sich verjüngenden Endes 34 des ersten Teils 32 ausgebreitet (siehe Fig.
2B). Die Kontaktfläche 38 und die Fläche des kleinsten Querschnitts 39 haben
zugenommen, so daß der elektrische Widerstand und somit die Wärmeentwicklung bei einem
konstanten Schweißstrom abgenommen haben.
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Wie in Fig. 2C gezeigt, ist nach Fertigstellen der Schweißung das sich
verjüngende Ende 34 des ersten Teils 32 in das Ende 35 des dem ersten Teil
zugewandten zweiten Teils 33 eingebettet. Da bei einem vorgegebenen Schweißstrom die
Wärmeentwicklung beim Schweißen abnimmt, ist es einfach zu vermeiden, daß um die
Schweißung herum eine Verdickung gebildet wird. Die Teile 32, 33 haben eine
verhältnismäßig
große, gekrümmte Kontaktfläche 38, die für eine starke Bindung zwischen den
Teilen 32, 33 sorgt.