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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Hartlöten von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. In derartigen Vorrichtungen werden Werkstücke mittels eines Induktors aufgeheizt bis die Hartlotverbindung zwischen den zu verbindenden Werkstücken besteht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kompakte und für kleine und/oder für enge Arbeitsräume geeignete Vorrichtung zum induktiven Hartlöten aufzuzeigen. Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zum induktiven Hartlöten nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht Hartlötverbindungen von zwei oder mehr Teilen bzw. Werkstücken, die in engen geometrischen Anwendungen elektrisch leitend sind. Von Bedeutung ist, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Statoren von Elektromotoren herstellbar sind, wobei die Anschlusselemente (sog. Hairpins) des Stators hartgelötet werden. Dabei kann eine enge Schleife bzw. Schleifenspule als Induktor nicht verwendet werden, da ein derartig eng ausgestalteter Induktor nicht entfernt werden kann, nachdem die Verbindungen und/oder Leitungen dauerhaft verbunden, d.h. miteinander verlötet, wurden. Die erfindungsgemäße Konstruktion sieht vor, dass eine solche als Induktor ausgebildete Spule mit geschlossener Schleife durch In-Eingriff-Bringen einer offenendigen Induktionsspule, vorzugsweise mit internen wassergekühlten Leitungen, in einer linearen Bewegung über die „zu lötende Verbindung“ in ein Anschlag oder Aufnahmeelement (Empfänger) auf der „gegenüberliegenden Seite“ hergestellt wird. Das Anschlag-oder Aufnahmeelement (Empfänger) ist Teil eines elektrisch nicht leitenden Trägerelements, das sich in einer dem dieses kontaktierenden und/oder einrückenden offenendigen Induktorelement gegenüberliegenden Position befindet.
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In vorteilhafter Weise besteht das das Anschlag- oder Aufnahmeelement (Empfänger) tragende Trägerelement aus einem wassergekühlten Kupferblock, der austauschbare Verschleißplatten und eine federbelastete Bewegung bietet, um eine solide elektrische Verbindung sicherzustellen, die hergestellt wird, wenn die offene Induktionsspule vollständig in ihre Lötstelle eingreift.
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Die hergestellte geschlossene elektrische Verbindung fungiert quasi dann als „Single Turn“ -Spule (geschlossene einwindige bzw. eine Schleife aufweisende Spule) und umgibt die zu lötenden Teile. Ein Induktor mit geschlossener Schleife kann entweder eine oder mehrere Verbindungen löten, die dann innerhalb jeder Induktorschleife angeordnet sind.
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Die erforderliche Hartlotlegierung kann entweder durch Folie vorverlegt werden, als Draht zugeführt werden oder die „zu verlötenden“ Verbinder werden mit einer Legierung vorbeschichtet. Das Vorbeschichten kann vorzugsweise durch vorheriges Eintauchen (Dippen) der hartzulötenden Teile erfolgen. Alternativ kann die Vorbeschichtung durch Aufsprühen, insbesondere durch thermisches Aufsprühen, auf die hartzulötenden Teile erfolgen.
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Nachdem das Hartlöten abgeschlossen ist, zieht sich die wenigstens eine Induktionsspule mit offenem Ende auf ihrem Objektträger zurück, um entweder das Werkstück in seine nächste Position zu verbringen oder die wenigstens eine Spule und den wenigstens einen gegenüberliegenden Empfänger (das wenigstens eine gegenüberliegende Anschlag- oder Aufnahmeelement) auf die nächste Position zu verbringen.
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Die Formgestaltung des Werkstücks kann rund oder gerade sein. Beiden ist gemeinsam, dass die geometrische Formgebung der permanent bzw. dauerhaft hergestellten Lötstellen eine normal geschlossene Induktionsspule nach dem Verbinden bzw. Hartverlöten der Verbindungen gefangen halten bzw. einfangen würde, so dass eine normal geschlossene Induktionsspule nicht mehr bzw. nicht zerstörungsfrei entfernt werden kann.
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In vorteilhafter Weise können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Hartlöten als „Hartlöt-Station“ ausgestaltet werden. Vorzugsweise sind es so viele Stationen wie vom Prozess benötigt werden. Die gleichzeitige Verwendung mehrerer Stationen führt zu kürzeren Zyklus- bzw. Taktzeiten zum Fertigstellen eines Werkstücks bzw. der Lötverbindung.
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Vorzugsweise wird zum Hartlöten der Werkstücke eine hochfrequente Frequenz bzw. Hochfrequenz verwendet.
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Der Induktor ist mit wenigstens einer Windung ausgestaltet, die zum Ein- und Ausführen eines zu verlötenden Werkstücks geöffnet und verschlossen werden kann, wobei der Induktor wenigstens zweiteilig ausgeführt ist. Die geschlossene Induktorschleife wird durch in Eingriff bringen einer offenendigen Induktionsspule als wenigstens erstem Induktorbauteil - mit einem offenen Ende mit internen wassergekühlten Leitungen - in einer linearen Bewegung über die zu lötende Verbindung mit einem als Schließelement fungierenden wenigstens zweiten Induktorbauteil auf der gegenüberliegenden Seite bewerkstelligt bzw. hergestellt.
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Bedeutungsvoll ist, dass bei der Vorrichtung zur Erzeugung einer induktiven Hartlötverbindung zwischen wenigstens zwei Werkstücken, die Enden der zu verbindenden Werkstücke und ein zur Verbindung der Enden vorhandenes Lotmittel mittels eines Induktors zur Erstellung einer Lötstelle aufgeheizt werden, wobei der Induktor mindestens aus zwei Teilen besteht, welche auseinander verbringbar und/oder miteinander verbindbar ausgestaltet sind, wobei zur Durchführung des Hartlötprozesses die beiden Induktor-Teile unter Ausbildung des elektrischen Kontaktes miteinander verbunden die Lötstelle umschließen und nach Fertigstellung der Lötstelle zur Freigabe der gelöteten Werkstücke auseinander verbringbar sind.
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Des Weiteren ist bei der Vorrichtung wenigstens eines der Induktorbauteile mittels einer Antriebseinrichtung oder eines Motors auseinander- und/oder zusammenfahrbar und/oder positionierbar, wobei die Antriebseinrichtung oder der Motor elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben ist. Die Antriebseinrichtung kann ein Kreuzschlitten zur linearen Bewegung in X- und Y-Richtung sein.
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Wichtig ist, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenigstens eines der Induktorbauteile mittels einer Kühleinrichtung, vorzugsweise einer Wasserkühlung, kühlbar oder temperierbar ist, wobei im Induktorbauteil intern angeordnete Kühlkanäle oder Leitungen angebracht sind.
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Bedeutungsvoll bei der Vorrichtung ist, dass wenigstens ein Induktorbauteil an einem Anschlagelement angeordnet ist, das mittels Federelementen beweglich an einem kühlbaren Kupferblock gelagert ist, wobei die federbelastete Bewegung eine solide elektrische Verbindung der Induktorbauteile beim vollständigen zusammenfahren bzw. miteinander verbinden sicherstellt.
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Zudem ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Lotmittel mittels einer Zuführeinrichtung an die Lötstelle bringbar und/oder auf die Enden der Werkstücke aufbringbar.
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Bedeutungsvoll ist, dass das wenigstens eine Anschlagelement relativ zum Werkstück und/oder zur Lötstelle in Richtung eines Doppelpfeils in und/oder aus und/oder innerhalb eines röhrenförmigen Elements, beispielsweise eines Stators für einen Elektromotor oder Generator, bewegbar und/oder in Richtung eines Doppelpfeils drehbar ist. Zudem sind das erste Induktorbauteil und das zweite Induktorbauteil dem Werkstück und/oder der Lötstelle von gegenüberliegenden Seiten zustellbar und/oder der Induktor ist mit wenigstens einer Windung ausgestaltet.
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Wichtig ist, dass für die Vorrichtung eine Kühleinrichtung zum Abkühlen der Lötstelle vorgesehen ist, welche mindestens eine Sprühdüse aufweist, wobei die mindestens eine Sprühdüse am oder im Anschlagelement angeordnet und zusammen mit diesem verfahrbar ist.
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Weiter von Bedeutung ist, dass das röhrenförmige Element drehbar gelagert ist, wobei es auf einem Drehteller oder Drehtisch angeordnet ist, und/oder die Induktorbauteile auf einem Drehteller oder Drehtisch angeordnet sind, wobei die am röhrenförmigen Element angeordneten Werkstücke und/oder die Induktorbauteile relativ zueinander in Position zum Hartlöten bringbar oder verdrehbar sind und/oder wenigstens zwei, weiter vorzugsweise wenigstens vier, insbesondere weiter vorzugsweise wenigstens sechs, Vorrichtungen kreisförmig um das röhrenförmige Element angeordnet sind, um für jede Lötstelle eine eigene Vorrichtung zum Hartlöten aufzuzeigen, wobei die Zyklus- oder Taktzeit zum Fertigstellen der Lötverbindung und/oder des Werkstücks reduzierbar ist.
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Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum induktiven Hartlöten von Werkstücken in Grundstellung bzw. ausgefahrener Position in schematischer Darstellung.
- 2 eine Vorrichtung zum induktiven Hartlöten von Werkstücken in Arbeitsposition bzw. eingefahrener Position zum Hartverlöten in schematischer Darstellung.
- 3 die Vorrichtung gemäß 2 in einer seitlichen Ansicht.
- 4 mehrere Vorrichtungen (lineare Anordnung) in einer Seitenansicht nach 1.
- 5 mehrere Vorrichtungen nach 1 zum „Statorlöten“, insbesondere zum Hartverlöten von Anschlußelementen (sog. Hairpins) am Stator eines Elektromotors in Grundstellung.
- 6 mehrere Vorrichtungen nach 5 in Arbeitsposition zum „Statorlöten“.
- 7 die Arbeitsposition des Induktors nach 6 im Detail.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer induktiven Hartlötverbindung zwischen wenigstens zwei Werkstücken 2, 3, wobei Enden 4, 5 der zu verbindenden Werkstücke 2, 3 und ein zur Verbindung der Enden 4, 5 vorhandenes Lotmittel 6 mittels eines Induktors 7 zur Erstellung einer Lötstelle 8 aufgeheizt werden. Der Induktor 7 besteht mindestens aus zwei Teilen 9, 10, welche auseinander verbringbar und/oder miteinander verbindbar ausgestaltet sind. Zur Durchführung des Hartlötprozesses werden die beiden Teile 8, 9 des Induktors 7 unter Ausbildung des elektrischen Kontaktes in Richtung eines Doppelpfeiles 28 miteinander verbunden, so dass die beiden Teile 8, 9 die Lötstelle 8 umschließen. Nach Fertigstellung der Lötstelle 8 sind die beiden Teile 8, 9 zur Freigabe der gelöteten Werkstücke 2, 3 in Richtung des Doppelpfeiles 28 auseinander verbringbar.
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Bei der Vorrichtung 1 ist wenigstens eines der Induktorbauteile 9, 10 mittels einer Antriebseinrichtung oder eines Motors 11 in Richtung des Doppelpfeiles 28 auseinander- und/oder zusammenfahrbar und/oder positionierbar, wobei die Antriebseinrichtung oder der Motor 11 elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben sein kann. Zur Herstellung von Prototypen-Werkstücken ist es alternativ durchaus sinnvoll diese Antriebseinrichtung 11 per Hand mittels einer Bedienungsperson zu betreiben. Alternativ kann vorzugsweise in der Serienfertigung die Antriebseinrichtung 11 ein Kreuzschlitten 29 zur linearen Bewegung in X- und Y-Richtung sein (siehe 4).
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Wenigstens eines der Induktorbauteile 9, 10 ist mittels einer Kühleinrichtung 12, vorzugsweise einer Wasserkühlung, kühlbar oder temperierbar, wobei im Induktorbauteil 9, 10 intern angeordnete Kühlkanäle (nicht näher dargestellt) oder Leitungen 13 angebracht sind.
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Wenigstens das eine Induktorbauteil 10 ist an einem Anschlagelement 14 angeordnet, das mittels Federelementen 15 beweglich an einem kühlbaren Kupferblock 16 gelagert ist, wobei die federbelastete Bewegung eine solide elektrische Verbindung der Induktorbauteile 9, 10 beim vollständigen zusammenfahren bzw. miteinander verbinden sicherstellt.
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Das Lotmittel 6 kann mittels einer Zuführeinrichtung 17 an die Lötstelle 8 gebracht und/oder auf die Enden 4, 5 der Werkstücke 2, 3 aufgebracht werden (siehe 1 und 2).
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Nach 5 und 6 ist das wenigstens eine Anschlagelement 14 relativ zum Werkstück 2, 3 und/oder zur Lötstelle 8 in Richtung eines Doppelpfeils 18 in und/oder aus und/oder innerhalb eines röhrenförmigen Elements 19, beispielsweise eines Stators für einen Elektromotor oder Generator, bewegbar und/oder in Richtung eines Doppelpfeils 20 verdrehbar. Das erste Induktorbauteil 9 und das zweite Induktorbauteil 10 sind dem Werkstück 2, 3 und/oder der Lötstelle 8 von gegenüberliegenden Seiten zustellbar. Wie im Ausführungsbeispiel gezeigt ist der Induktor 7 mit wenigstens einer Windung ausgestaltet.
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Die Vorrichtung 1 kann eine Kühleinrichtung 21 zum Abkühlen der Lötstelle 8 aufweisen. Die Kühleinrichtung 21 kann aus mindestens einer Sprühdüse 22 bestehen, wobei die mindestens eine Sprühdüse 22 an oder im Anschlagelement 14 angeordnet und zusammen mit diesem oder unabhängig voneinander verfahrbar ist (siehe 1).
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Das röhrenförmige Element 19 kann drehbar gelagert sein, wobei es dazu auf einem Drehteller /Drehtisch 23 angeordnet ist. Die Induktorbauteile 9, 10 können ebenfalls auf wenigstens einem weiteren Drehteller / Drehtisch 24 angeordnet sein. Der wenigstens eine Drehteller / Drehtisch 23, 24 bietet den Vorteil, dass die am röhrenförmigen Element 19 angeordneten Werkstücke 2, 3 und/oder die Induktorbauteile 9, 10 relativ zueinander in Richtung der Doppelpfeile 18, 20, 28, 30, 31, 32 in Position zum Hartlöten bringbar oder verdrehbar sind (siehe 5 und 6). Wie im Ausführungsbeispiel gezeigt sind sechs Vorrichtungen 1 kreisförmig um das röhrenförmige Element 19 angeordnet, um für jede Lötstelle 8 eine eigene Vorrichtung 1 zum Hartlöten aufzuzeigen, so dass die Zyklus- oder Taktzeit zum Fertigstellen der jeweiligen Lötverbindung 8 und/oder des Werkstücks 2, 3 dadurch deutlich reduziert werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ermöglicht Hartlötverbindungen von zwei oder mehr Teilen bzw. Werkstücken, die in engen geometrischen Anwendungen elektrisch leitend sind. Im Ausführungsbeispiel sind mit der Vorrichtung 1 Statoren 19 von Elektromotoren herstellbar, wobei die Anschlusselemente 2, 3 (sog. Hairpins) des Stators 19 hartgelötet werden. Dabei kann eine enge einteilige Schleife bzw. Schleifenspule als Induktor 7 nicht verwendet werden, da ein derartig eng und einteilig ausgestalteter Induktor 7 nicht zerstörungsfrei entfernt werden kann, nachdem die Verbindungen 8 und/oder Leitungen 2, 3 dauerhaft verbunden, d.h. miteinander verlötet, wurden. Die vorliegende Konstruktion sieht vor, dass eine solche als Induktor 7 mehrteilig ausgebildete Spule zum Verbringen in einen Zustand mit geschlossener Schleife 26 durch In-Eingriff-Bringen einer offenendigen Induktionsspule 9, vorzugsweise mit internen wassergekühlten Leitungen 13, in einer linearen Bewegung 28 über die „zu lötende Verbindung“ 8 mit einem als Anschlag ausgeführten zweiten Induktorbauteil 10 auf der „gegenüberliegenden Seite“ hergestellt wird. Das zweite Induktorbauteil 10 ausgeführt als Anschlag-oder Aufnahmeelement (Empfänger) ist Teil eines elektrisch nicht leitenden Träger- oder Anschlagelements 14, das sich in einer dem dieses kontaktierenden und/oder einrückenden offenendigen Induktorelement 9 gegenüberliegenden Position befindet.
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Das den Schließteil 10 (zweites Induktorbauteil) des Induktors 7 aufnehmende Anschlag- oder Trägerelement 14 besteht aus einem wassergekühlten Kupferblock 16, der austauschbare Verschleißplatten 25, 33 und eine mittels Federelementen 15 federbelastete Bewegung bietet, um eine solide elektrische Verbindung sicherzustellen, die hergestellt wird, wenn die offene Induktionsspule 9 vollständig in ihre Lötstelle 8 eingreift.
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Die hergestellte geschlossene elektrische Verbindung fungiert quasi dann als „Single Turn“ -Spule (geschlossene einwindige bzw. eine Schleife aufweisende Spule) und umgibt die zu lötenden Teile 2,3,4,5. Der Induktor 7 mit geschlossener Schleife 26 kann entweder eine oder mehrere Verbindungen 8 löten, die dann innerhalb jeder Induktorschleife 7, 26 angeordnet sind.
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Das Lotmaterial / Lotmittel 6 kann entweder durch Folie vorverlegt werden, als Draht zugeführt werden oder die „zu verlötenden“ Verbinder werden mit einer Legierung vorbeschichtet. Das Vorbeschichten kann vorzugsweise durch vorheriges Eintauchen (Dippen) der hartzulötenden Teile erfolgen. Alternativ kann die Vorbeschichtung durch Aufsprühen, insbesondere durch thermisches Aufsprühen, auf die hartzulötenden Teile erfolgen. Für die Zufuhr des Lotmittels 6 kann eine Zuführeinrichtung 17 vorgesehen sein (siehe 1 und 2).
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Nachdem das Hartlöten abgeschlossen ist, zieht sich die wenigstens eine Induktionsspule 9 mit offenem Ende auf ihrem Objektträger, beispielsweise ein Kreuzschlitten 29, zurück, um entweder das Werkstück 2, 3 in seine nächste Position zu verbringen oder die wenigstens eine Spule 9 und den wenigstens einen gegenüberliegenden Empfänger 10 (das wenigstens eine gegenüberliegende Anschlag- oder Aufnahmeelement) auf die nächste Position (Arbeitsposition zum Hartlöten) zu verbringen.
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Die Formgestaltung des Werkstücks 2, 3 kann rund oder gerade sein. Beiden ist gemeinsam, dass die geometrische Formgebung der permanent bzw. dauerhaft hergestellten Lötstellen 8 eine normal geschlossene Induktionsspule nach dem Verbinden bzw. Hartverlöten der Verbindungen gefangen halten bzw. einfangen würde, so dass eine normal geschlossene Induktionsspule nicht mehr entfernt bzw. nicht zerstörungsfrei entfernt werden kann.
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Wie in den 4 bis 6 dargestellt können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 zum Hartlöten als „Hartlöt-Station“ ausgestaltet werden. Vorzugsweise sind es so viele Vorrichtungen 1 wie vom Prozess benötigt werden. Die gleichzeitige Verwendung mehrerer Vorrichtungen in oder an einer Station führt zu kürzeren Zyklus- bzw. Taktzeiten zum Fertigstellen eines Werkstücks 2, 3 bzw. der Lötverbindung 8.
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Zum Hartlöten der Werkstücke 2, 3 wird eine hochfrequente Frequenz bzw. Hochfrequenz verwendet.
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Der Induktor 7 ist mit wenigstens einer Windung ausgestaltet, die zum Ein- und Ausführen eines zu verlötenden Werkstücks 2, 3 geöffnet und verschlossen werden kann, wobei der Induktor 7 wenigstens zweiteilig ausgeführt ist. Die geschlossene Induktorschleife 26 wird durch in Eingriff bringen einer offenendigen Induktionsspule als wenigstens erstem Induktorbauteil 9 in einer linearen Bewegung 28 über die zu lötende Verbindung 8 mit einem als Schließelement fungierenden wenigstens zweiten Induktorbauteil 10 auf der gegenüberliegenden Seite bewerkstelligt.
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Beim Induktiven Löten wird der elektromagnetische Induktionseffekt zur Wärmeerzeugung genutzt. Es wird ein im Wechselstromkreis befindlicher Induktor 7 so angebracht, dass er die Bauteile 2, 3 umschließt. Der Induktor 7 kann durch eine geschickte Formgebung gezielt nur die Lötstelle 8 erhitzen. Das sich verändernde elektrische Feld erzeugt in den Bauteilen 2, 3 ein wechselndes Magnetfeld, welches wiederum durch ein elektrisches Wirbelfeld in den Bauteilen 2, 3 die zum Löten notwendige Wärme erzeugt.
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Induktives Löten wird hauptsächlich eingesetzt, wenn eine schlechte Zugänglichkeit herrscht und eine hohe Reproduzierbarkeit gefordert ist. Induktives Löten ist sehr einfach zu automatisieren und dementsprechend attraktiv für die Serienfertigung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum induktiven Hartlöten
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkstück
- 4
- Werkstückende
- 5
- Werkstückende
- 6
- Lotmittel
- 7
- Induktor
- 8
- Lötstelle
- 9
- Induktorbauteil
- 10
- Induktorbauteil, Anschlag-, Schließelement
- 11
- Antriebseinrichtung / Motor
- 12
- Kühleinrichtung
- 13
- Kühlkanal / Leitung
- 14
- Anschlagelement
- 15
- Federelement
- 16
- Kupferblock
- 17
- Zuführeinrichtung
- 18
- Doppelpfeil
- 19
- röhrenförmiges Element / Stator
- 20
- Doppelpfeil
- 21
- Kühleinrichtung
- 22
- Sprühdüse
- 23
- Drehteller / Drehtisch
- 24
- Drehteller / Drehtisch
- 25
- Verschleißplatte
- 26
- Induktorschleife
- 27
- Isolator-Element
- 28
- Doppelpfeil, lineare Bewegung
- 29
- Kreuzschlitten
- 30
- Doppelpfeil
- 31
- Doppelpfeil
- 32
- Doppelpfeil
- 33
- Verschleißplatte
