DK157124B - Fremgangsmaade til forbindelse af et forbindelsesstykke af metal til en metalflade ved lodning - Google Patents

Description

DK 157124 B

Den foreliggende opfindelse angâr en fremgangsmàde til for-bindelse af et forbindelsesstykke af métal til en métal flade ved lodning, hvor npdvendig varme frembringes af en elektrisk lysbue. Fremgangsmâden angâr i hovedsagen to anvendelsesomrâder, hvor det 5 ene omfatter elektriske kontaktforbindelser, som f.eks. elektrisk forbindelse af skinneender og rprender, og hvor det andet omfatter andre métalgenstande for fastholdelse, som f.eks. klemmer og stangformige organer, som f.eks. boite.

En fremgangsmàde, ved hvilken man hidtil tilvejebringer de 10 ovennævnte forbindelser, er ved hjælp af sâkaldt stiftlodning, som er beskrevet i bl.a. svensk patentskrift nr. 129.849. Ved frem-gangsmàden anvendes en elektrode, hvis spids bestâr af en bestemt mængde slaglod samt en pâ denne spids anbragt kapsel ligeledes af slaglod, som indeholder et flussmiddel. I de tilfælde, hvor en 15 elektrisk kontaktforbindelse eller en mindre metalgenstand, typisk klemmer, skal fastloddes, anvendes desuden et med hul forsynet forbindelsesstykke.

Lodningen foregâr sâledes, at elektroden efter rengpring af loddestedet sluttes til pluspol og arbejdsstykket, f.eks. en skinne, 20 til minuspol, forbindelsesstykket i form af eksempelvis en kabelsko placérés mod loddestedet, en elektrode indfpres i dens hul og presses direkte mod skinnen med en veldefineret kraft, som fâs fra en mekanisk fjeder. Nâr strdmmen sluttes, opstâr der kortslutning mellem elektrode og skinne. Str0mmen aktiverer en elektromagnet, som 25 er dimensioneret sâledes, at den overvinder kraften fra den meka-niske fjeder og Ipfter elektroden ca. 2 mm op, hvorved der dannes en lysbue mellem elektrode og arbejdsstykke, og det pâ elektroden anbragte lod og flussmidlet begynder at smelte ned i kabelskoens hul. Ved kapillarvirkning suges loddet ind mellem kabelsko og skinne 30 og forbinder disse. Loddet overfpres til skinnen pâ samme mâde som tilsatsmaterialet ved den almindelig kendte lysbuesvejsning. En speciel anordning afbryder strpmkredsen, nâr præcis sâ meget strpm har passeret, som behpves for at nedsmelte ait lod pâ elektroden.

Nâr strpmmen afbrydes, ophprer ogsâ kraften fra elektromagneten. Den 35 tidligere nævnte fjedermekanisme presser sâ den resterende de! af elektroden tilbage mod arbejdsstykket ned i det afsmeltede lod, hvorved elektroden bliver fastloddet til arbejdsstykket. Hele loddeforlpbet tager en til 1,5 sek. Nâr lodningen er klar, slâs den resterende del af elektroden bort mekanisk. Smeltetemperaturen af

DK 157124 B

2 loddet i elektroden er væsentligt 1 avéré end smeltetemperaturen i -f.eks. stâl. Energitilfprslen kan derfor afpasses sâledes, at loddet, men ikke stâlet i et arbejdsstykke smelter.

I de tilfælde, hvor en metalbolt eller -stift skal fastloddes, 5 anvendes samme fremgangsmâde, men uden forbindelsesstykke. Elektroden loddes da fast til underlaget og danner selv boit eller stift.

En ulempe ved fremgangsmâden ved anvendelse pâ en jernbane-skinne er dog, at varmepâvirkningen er sà kraftig, at en struktur-forandring (martensitdannelse) kan finde sted lokalt under lodde-10 stedet i skinnen. En anden ulempe ved fremgangsmâden er det relativt store forbrug af splvslaglod pr. loddested ved lodning af elektriske kontaktforbindelser. Den geometriske udformning af fugen medfprer, at hoveddelen af loddet udgpr udfyldningsmateriale. Kun en mindre del tjener som forbindelsesmateriale mellem kabelsko og skinne.

15 Fremgangsmâden blev udviklet i en tid, hvor prisen pâ splv var betydeligt 1 avéré end i dag, hvorfor der ikke blev lagt nogen stprre vægt pâ 1oddeforbruget. Den kraftige forpgelse af splvprisen i de senere âr pâvirker nu direkte fremgangsmâdens konkurrenceevne.

Yderligere en ulempe ved fremgangsmâden er, at loddet kommer i 20 direkte kontakt med lysbuen. Visse legeringsstoffer med lavt koge-punkt fordampes under loddeforl0bet, specielt zink. Fordampningen er sâ kraftig, at loddets sammensætning ændres, hvilket medfprer en sænkning af styrken.

En yderligere ulempe ved fremgangsmâden er, at messing fra den 25 bageste del af elektroden kan nedsmeltes og legere sig med det tidligere afsmeltede splvslaglod, hvilket virker forspr0dende pâ forbindelsen. Loddetiden bestemmes nemlig af en til elektroden sluttet smeltetrâd af kobber, der ved en given str0m har en define-ret brydetid. Strpmmen fâs fra en strpmkilde, sædvanligvis i form af 30 batterier. Nàr batterierne efterhânden aflades, dvs. batterispæn- dingen falder, aftager ogsâ loddestrpmmen, hvorved brydetiden for smeltetrâden vokser. Den herved forlængede loddetid har sâledes en negativ indvirkning pâ lodderesultatet.

En anden fremgangsmâde til at tilvejebringe en elektrisk kon-35 taktforbindelse er ved en speciel type af termitsvejsning, som er beskrevet f.eks. i tysk patentskrift nr. 2.830.721. Ved denne fremgangsmâde anvendes en grafitdigel indeholdende et reaktionskammer og et stpbekammer, hvor de to kamre er forbundet med hinanden gennem en stpbekanal. St0bekammeret har en âbning, i hvilken kablet, som skal 3

DK 157124 B

fastsvejses, placérés. Endvidere anvendes en métal!isk plade, der pà undersiden er forsynet med et lodlager. Svejsningen gennemfpres pâ en sâdan mâde, at den med !od forsynede métalliske plade fprst placeres pâ svejsestedet. Derefter placeres grafitdigelen med den 5 elektriske leder ovenpâ denne. Stpbekanalen mellem reaktionskammeret og stpbekammeret dækkes derefter med en métalskive, og en bestemt mængde aluminotermisk pulver fyldes i reaktionskammeret. Efter start af reaktionen reagerer pulverblandingen pâ kendt mâde termokemisk, og det varme flydende métal samles i underdelen af reaktionskamme-10 ret, smelter metalskiven ned og Ipber ned i stpbehulrummet. Oversi-den af den under âbningen i stpbehulrummet placerede med lod forsynede métalliske plade smeltes herved op, og den i stpbehulrummet placerede elektriske leder bli ver pâ denne mâde sammensvejset med denne plade. Samtidig opvarmes loddet under pladen og smeltes, 15 hvorved den metalliske plade pâ sin side bliver fastloddet til underlaget.

En ulempe ved fremgangsmâden er, at den indgâende termitpul-verblanding ligesom ogsâ stpbeformen er hygroskopisk, hvilket gpr metoden fplsom for fugtigt vejrlig. Den hurtige opvarmning af 20 pulveret under reaktionen medfprer, at det optagne vand overgâr til vanddamp. Smeltet métal kan af det opstâede tryk kastes op af reaktionskammeret pâ en eksplosionsagtig mâde, hvilket er til fare for operatpren. Yderligere en ulempe er, at for at opnâ et vellykket svejseresultat skal temperaturen af det termokemisk frembragte 25 smeltede métal ligge mellem 2040°C (smeltepunktet for aluminiumoxid) og 2500°C (fordampningspunktet for aluminium). Dette lader sig gpre, nâr svejsningens volumen er stort, typisk helsvejsning af skinner.

Ved aftagende svejsevolumen bliver svejsningens overfla-de/volumen-forhold stprre, hvilket medfprer, at varmetabene pr.

30 volumenenhed af svejsning bliver stprre. Temperaturgradienten i smelten bliver sâledes stprre med det résultat, at chancen vokser for, at de nævnte grænsetemperaturer under- henholdsvis overskrides.

Den foreliggende opfindelse angâr en fremgangsmâde og en an-ordning til udpvelse af fremgangsmâden, hvor de nævnte ulemper er 35 elimineret, men som samtidig beholder fordelene ved stiftlodnings-processen, nemlig et hurtigt loddeforlpb og en god elektrisk led-ningsevne i forbindelsen. Opfindelsen er i hovedsagen ejendommelig ved, at den varme, som udvikles af lysbuen, og som anvendes til lodningen, ledes gennem i det mindste en de! af det anvendte

DK 157124 B

4 forbindelsesstykke og bringes til at smelte et mellem forbindelses-stykket og métal fladen anbragt lod, idet denne del af forbindelses-stykket under opsmeltningen forhindrer lysbuen i at fâ direkte kontakt med métaloverfladen og loddet og derved forhindre ugunstig 5 varmepâvirkning pâ métalfladen, og at der, efter at strommen til lysbuen er afbrudt, tilf0res en mekanisk kraft til den varmeledende del af forbindelsesstykket, sà at dette trykkes mod métal fladen, hvorved en del af det underliggende lod presses ud ogsâ under tilbageværende fugedannende flader pâ forbindelsesstykket.

10 Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et tværsnit i en ikke loddet elektrisk kon-taktforbindelse, 15 fig. 2 samme kontaktforbindelse set ovenfra, fig. 3 et tværsnit i en elektrisk kontaktforbindelse med en elektrode i position for pâbegyndelse af loddepro-cessen, fig. 4 et tværsnit i en fastloddet kontaktforbindelse, 20 fig. 5 et tværsnit i en ikke loddet klemme, fig. 6a-p forskellige detaljer af udformningen af en i kontakt forbindelsen indgâende métalplade, fig. 7a-d forskellige udfprelser af elektriske kontaktforbin-delser og 25 fig. 8a-b en udfprelsesform ifplge opfindelsen bestemt til fastlodning af stangformige organer, f.eks. boite.

Kontaktforbindelsen i fig. 1 bestâr af et kabel 1 af f.eks. kobber, en kabelsko 2 med et opkravet hul 3 ligeledes af f.eks.

30 kobber, aluminium eller stâl, en fortrinsvis rund plade af et relativt h0jt smel tende métal 4 samt et lag 5 af et lavt smel tende hârdlod, f.eks. s0lvslaglod. Fig. 2 viser samme forbindelse set ovenfra.

Lodningens gennemf0relse beskrives i det fdlgende med henvis- 35 ning til fig. 3. Beskrivelsen angâr dels fastlodning af elektriske kontaktforbindelser, dels fastlodning af mindre métalgenstande, ty-pisk klemmer. Ligesom ved den tidligere beskrevne stiftlodning si i -bes loddestedet pâ arbejdsstykket (f.eks. en skinne) f0rst rent, 5

DK 157124 B

elektroden 6 sluttes til pluspol, og arbejdsstykket 7 til minuspol pâ strpmkilden, kontaktforbindelsen 8 placérés mod loddestedet, hvorefter elektroden indfpres i dens hul. Elektroden 6 star dog ikke som tidligere i direkte kontakt med underlaget, men med metalpladen 5 4. Nâr strpmirien sluttes, og elektroden Ipftes op, dannes en lysbue mellem denne og metalpladen. Lysbuen opvarmer da pladen, hvorved det pâ den modsatte side anbragte splvslaglod 5 smelter pâ grund af varmeledning. Efter at strpmmen er afbrudt, presser elektroden metalpladen mod underlaget, hvorved en del af det underliggende smel-10 tede lod presses ud under kabelskoen. Jo tykkere métalplade der an-vendes, desto 1 avéré vil den maksimalt opnâede temperatur i splvslagloddet være. Over en vis tykkelse smelter loddet ikke. Ved at vælge en passende tykkelse af pladen kan man sâledes opnâ en maksimal temperatur i loddet, som ligger mellem loddets 15 arbejdstemperatur og skinnens austenitiseringstemperatur pâ ca.

800°C, hvorved fastlodning af pladen til skinnen sker uden, at nogen skadelig strukturforandring kan opstâ i denne. Splvslagloddet 5 hidrprer sâledes ikke fra elektroden, men er pâ forhând placeret under den i kabelskoen værende plade pâ en sâdan mâde, at det ikke 20 kommer i kontakt med lysbuen. Loddets kemiske sammensætning ændres derfor ikke, og dets styrke forbliver intakt.

Fig. 4 viser, hvorledes metalpladen 4 adskiller det fra elektroden afsmeltede materiale 9 fra det under metalpladen anbragte splvslaglod 5. Nogen indlegering af messing i loddet med pâf0lgende 25 forspr0dning sker sâledes ikke. Af figuren fremgâr det ogsâ, at kablet 1 stâr i direkte kontakt med det afsmeltede materiale 9, der af kapillarkraften suges ind mellem de enkelte kabeltrâde, hvor det derefter st0rkner. De gode elektriske egenskaber, som har udmærket tidligere forbindelsestyper, er sâledes fortsat tilstede. Samtidig 30 kan den totalt n0dvendige mængde s0lvslaglod formindskes, da det afsmeltede materiale 9's opgave nu i hovedsagen er at danne udfyld-ningsmateriale i det ovenfor metalpladen beliggende hul i kabelskoen. Elektroden behpver derfor ikke længere at indeholde sà meget lod som tidligere, og eventuelt kan loddet helt udelades, og elektroden 35 kun bestâ af f.eks. messing med en kapsel af splvslaglod indehol-dende et flussmiddel.

Fastlodning af mindre métalgenstande, typisk klemmer, kan ske pâ samme mâde som ovenfor. Fig. 5 viser et tværsnit i en ikke loddet klemme.

DK 157124 B

6 'y

Der stilles visse krav til materialet i métalpladen 4. Den indgâr sammen med underlaget (fortrinsvis af stâl) og kabelskoen (fortrinsvis af kobber) i loddeforbindelsen, hvorfor dens flader skal være kompatible med stâl og kobber i loddehenseende. Endvidere 5 b0r den være sa korrosionsbestandig, at der ikke opstâr oxidbelægninger ved opbevaring og transport fpr lodning. For at undgâ lokal gennemsmeltning bpr den hâve god varmeledningsevne og h0jt smeltepunkt. Et materiale, som har vist sig at opfylde kravene, er rent nikkel.

10 Métalpladen 4, der i sin enkleste form er plan, ensartet tyk og fortrinsvis rund, er forsynet med splvslaglod 5, som fortrinsvis er loddet til pladens underside, fig. 6a. Pladens egenskaber kan for-bedres ved specielle udformninger. Det er tidligere beskrevet, hvor-ledes elektroden presses tilbage mod underlaget, efter at str0mmen 15 er afbrudt ved afsluttet lodning. Under 1oddeforl0bet antager pladen en sâ h0j temperatur, at dens styrke formindskes betydeligt. Hvis pladen gives en hvælvet form som i fig. 6b, vil den ved lodningens afslutning deformeres og trykkes ned mod underlaget af den tilbageværende elektrode. Det underliggende smeltede lod presses sâ 20 ud under den omgivende kabelsko eller klemmen. Dette er en fordel, eftersom kapillarkraften under kabelskoen (klemmen) undertiden er nedsat pâ grund af ujævnheder i underlagets overflade. Med den beskrevne udformning opnâs ogsâ en balancering af den af lysbuen frembragte varmefront, sâ at varmen fordeles jævnere ned mod 25 underlaget. Samme egenskab fâs af en udformning ifplge fig. 6c.

Pladen kan ogsâ udformes sâledes, at den kompenserer for tempera-turforskelle i loddestedet, hvilket kan opstâ, hvis de i forbindel-sen indgâende metalmasser er usymmetrisk anbragt i forhold tri loddestedets centrum, f.eks. kabelsko med kabel. Fig. 6d-e viser 30 tværsnit i sâdanne udformninger.

Fig. 6f-h viser yderligere nogle udfprelsesformer med samme formâl set ovenfra i elektrodens længderetning. For at forhindre at lysbuens angrebspunkt (katodepletten) findes pâ samme sted pâ pladen under hele 1oddeforl0bet, hvilket kan f0re til lokal opsmeltning af 35 denne samt fordampning af visse bestanddele i det underliggende lod, kan pladen gives en ringformet forhpjning pâ oversiden, fig. 6i, k, hvilket medfprer, at katodepletten vil forskyde sig langs denne ring under lodningen, hvorved der opnâs en jævnere varmefordeling. Pladens perifere dele udformes hensigtsmæssigt sâledes, at 7

DK 157124 B

1odstr0mningen lettes, og kapillarkraften bliver sà jævn som muligt, fig. 6m. Pladen 4 med splvslaglod 5 kan ogsâ være forsynet med en kapsel 10 af f.eks. splvslaglod, som indeholder et flussmiddel 11, fig. 6n. De ovennævnte detailændringer kan med fordel kombineres, sa 5 at den pnskede varme- og lodfordeling opnâs, eksempelvis i henhold til fig. 6p.

Fig. 7a-d viser nogle alternative udformninger af forbindel-sesstykket. I det foregâende er det beskrevet, hvorledes det af-smeltede elektrodemateriale 9 kommer i direkte kontakt med de 10 enkelte kabeltrâde 1 og pâ denne mâde sikrer en god elektrisk kontakt. Forbindelsesstykket kan ogsâ være udformet sâledes, at det under métalpladen 4 anbragte splvslaglod 5 kommer i direkte kontakt med kabeltrâdene 1, fig. 7a.

Opfindelsen skal endvidere ikke anses for begrænset kun til 15 udfprelsesformer for forbindelsen, hvor et hpjt smeltende métal, typisk nikkel, danner angrebspunkt for lysbuen. De beskrevne fordele kan ogsâ opnâs, nâr kabelskoen udformes sâledes, at en del af denne danner angrebspunkt for lysbuen. Fig. 7b og c er eksempler pâ sàdanne udformninger.

20 Kabelskoen 2 kan ogsâ være forsynet med en bestemt mængde métal eller métal!egering 12, som smelter i loddepjeblikket og derefter afgiver den optagne smeltevarme ved stprkningen, fig. 7d. Ved at vælge et métal eller en métal 1egering med et smeltepunkt, som ligger under stàlets austenitiseringstemperatur, f.eks. 700°C, garanteres, 25 at martensitdannelse ikke forekommer i et underlag af stâl.

Ved fastlodning af boite og stifter til et underlag, hvor elektroden danner bolten eller stiften, anbringes den h0jt smeltende métalplade 4 med det lavt smeltende lod 5 med fordel pâ en beskyt-telsesring af keramik 13, der normalt anvendes ved stiftlodningen, 30 fig. 8a. Fig. 8b viser elektroden 6's (boltens) stilling umiddelbart f0r lodningens start. Den med lod forsynede métal plade kan ogsâ lægges l0st pâ underlaget f0r lodningen.

35

Claims (13)

1. Fremgangsmâde til forbindelse af et forbindelsesstykke af métal til en metalflade ved lodning, hvor npdvendig varme frembrin- 5 ges af en elektrisk lysbue, kendetegnet ved, at den af • lysbuen udviklede varme ledes gennem i det mindste en del af for-bindelsesstykket og bringes til at smelte et mellem forbindelses-stykket og métal fladen anbragt lod, hvorved denne del af forbindel-sesstykket under opsmeltningen forhindrer lysbuen i at fâ direkte 10 kontakt med métal fladen og loddet og derved forhindre ugunstig varmepâvirkning pâ métal fladen, og at der, efter at strpmmen til lysbuen er afbrudt, tilfpres en mekanisk kraft til den varmeledende del af forbindelsesstykket, sâ at dette trykkes mod métal fladen, hvorhos en del af det underliggende lod presses ud ogsâ under 15 tilbageværende fugedannende flader pâ forbindelsesstykket.

2. Fremgangsmâde ifplge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsesstykket omfatter en kabelsko, klemme eller lignende og en mellem kabelskoen, klemmen eller lignende og lod anbragt métal plade, hvorved denne métalplade forhindrer lysbuen i at fâ 20 direkte kontakt med métal fladen.

3. Fremgangsmâde ifëlge krav 2, hvor lysbuen etableres fra en afsmeltende elektrode, og hvor det afsmeltede elektrodemateriale bringes i kontakt med kabelskoen eller klemmen og métalpladen for sammenlodning af disse, kendetegnet ved, at métal pl aden 25 adskiller det fra elektroden afsmeltede materiale fra loddet, hvorved indlegering af elektrodemateriale i loddet undgâs.

4. Fremgangsmâde ifplge krav 2, hvor métalpladen og loddet delvis omsluttes af kabelskoen, til hvilken der er sluttet et kabel, kendetegnet ved, at varmen fra métal pl aden bringer loddet 30 til at smelte, sâ at smeltet materiale sammenlodder kabeltrâdene til hinandën og til kabelskoen.

5. Fremgangsmâde if0lge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsesstykket omfatter et stangformet organ, eksempelvîs en boit eller en stift, og en mellem det stangformede organ og loddet 35 anbragt métalplade, hvor métalpladen forhindrer, at lysbuen fâr direkte kontakt med métal fladen, og hvor det stangformede organ danner elektrode for lysbuen.

6. Fremgangsmâde ifolge krav 5, kendetegnet ved, at det stangformede organ kun omfatter métal!isk materiale, som f. eks. DK 157124 B messing, hvorhos der mellem det stangformede organ og metalpladen er anbragt yderligere et lod og eventuelt et flussmiddel.

7. Fremgangsmâde ifolge krav 6, kendetegnet ved, at loddet omsluttes af en kapsel af hârdslaglod anbragt ved det stang- 5 formede organs spids, hvorhos kapslen ogsâ omfatter et flussmiddel.

8. Fremgangsmâde ifdlge krav 2 eller 5, kendetegnet ved, at metalpladen omfatter et i forhold til lodmaterialet h0jt smeltende materiale, som f.eks. nikkel, og at loddet omfatter et hârdslaglod, som f.eks. s0lvslaglod.

9. Fremgangsmâde if0lge krav 8, kendetegnet ved, at metalpladen er forsynet med hul for at muligg0re tilforsel af flussmiddel.

10. Fremgangsmâde ifplge krav 8, kendetegnet ved, at metalpladen, under hvilken loddet er anbragt, er forsynet med en 15 central forhojning, hvorved der fâs en koncentration af lodmassen til pladens centrum.

11. Fremgangsmâde if0lge krav 10, kendetegnet ved, at forhpjningen er ringformet, og at lysbuen bringes til at udfpre en roterende bevægelse langs forh0jningen.

12. Fremgangsmâde if0lge krav 9, kendetegnet ved, at métalpladens mod métal fladen liggende perifere dele er udformet til helt plant at ligge an mod métal fl aden, hvorved der fâs en kapil -larvirkning pâ loddematerialet.

13. Fremgangsmâde if0lge krav 1, hvor métal fladen fortrinsvis 25 omfatter stâl, kendetegnet ved, at den varmeledende del i forbindelsesstykket omfatter en del bestâende af et materiale med en smeltetemperatur, som er 1 avéré end stâlets austenitiseringstempe-ratur. 30 35