DE2022716A1

DE2022716A1 - Photoelektrisches Steuersystem

Info

Publication number: DE2022716A1
Application number: DE19702022716
Authority: DE
Inventors: Basinger Charles Buckner
Original assignee: Aeroquip AG
Current assignee: Aeroquip AG
Priority date: 1969-05-14
Filing date: 1970-05-09
Publication date: 1970-11-19
Also published as: GB1305291A; US3590201A; FR2047686A5; DE2022716B2

Description

PATEN TAN WÄITE

dr.ing. H. NEGENDANK · dipping.Ή. HAUCK - dipl-phys W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN ' - ZUSTELI/TTNGSANSCHRIFT: HAMBURG 3B ■ NEUER WAIl 41

TEL. 36 74 88 UND 36 4116

TELEGR. NEGEDAPATENT. IUHBlTBG MÜNCHEN 15 · MOZARTSTB, 23

TEL·.5380086

TEtBGR. NEGEDAPATENT MÜNCHEN

HAMBURG,

& Mai 1970

JLEEQQUIP JL* G.
Zug/Schweiz

Fhotöelektrisches Steuersystem.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Temperaturfüllvorrichtung, und insbesondere auf ein phptoelektrisches System in der Form einer optischen Temperaturfühlvorrichtung und einer Steuerschaltung, das bei einem Hartlötvorgang zur Steuerung der Parameter in Abhängigkeit von der an der Lötstelle erreichten Temperatur dient.

Bei einigen bekannten Hartlötverfahren wirddie Beendigung des Lötens in der Regel durch Veränderung der Dauer oder der Wärmezufuhr zu dem Werkstück und/oder durch Veränderung der Stromzufuhr in Abhängigkeit von bestimmten Eigenschaften des Werkstücks wie beispielsweise dessen Größe, Formgebung, Dichte und so weiter gesteuert. Bei dieser Arbeitsweise ist erforderlich,

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vor Arbeitsbeginn die Lötzeit und die benötigte Stromstärke abzuschätzen, um für jedes bearbeitete Werkstück eine einwandfreie Löt ung zu erhalten j wobei sich die Temperatur an der Lötstelle nicht unmittelbar steuern läßt. Außerdem muß die Lötstelle anschließend genau untersucht werden, um zu gewährleisten, daß die miteinander verbundenen Elemente eine einwandfreie Verbindung eingegangen sind. Auf bestimmten hoch spezialisierten Gebieten, in denen es auf sehr zuverlässige Lötverbindungen ankommt, ist es erforderlich, die Lötverbindungen durch Röntgenstrahlung zu überprüfen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges und verbessertes System und ein Verfahren zum Fühlen der Temperatur einer bestimmten Umgebung und zur Überwachung der Temperatur bei einer Wärmebehandlung zu schaffen. Das System soll die kontinuierliche Überwachung der Temperatur bei einer Wärmebehandlung, sowie die Steuerung der Beendigung eines Lötvorganges ermöglichen. Ein Lötvorgang soll vermittels des Systems kontinuierlich überwacht werden können, um die für den Lötvorgang kennzeichnenden Temperaturen zu bestimmen und den Vorgang in Abhängigkeit von der abgefühlten Temperatur zu steuern. Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbessrten_s auf die Temperatur ansprechbaren Systems zur Steuerung.einer Wärmebehandlung, insbesondere eines Lötvorgangs _s das preiswert herstellbar, sowie einfach und zuverlässig in seiner Arbeitsweise ist«,

Entsprechend der Erfindung wird die Lichtstrahlung_a die von dem Punkt abgegeben wird, an dem die Wärmebehandlung stattfindet,

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zur Steuerung der Wärmebehandlung verwendet. Bei einem Lötvorgang wird die dabei abgegebene und von der Temperatur abhängige Lichtstrahlung in ein elektrisches Signal umgesetzt. Das vorgeschlagene photoelektrische System zur Steuerung des Arbeitsganges einer Kartlöteinrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Fühlen der Temperatur eines Werkstücks an der Kartlotsteile und eine zur Beendigung der Wärmezufuhr zu der Lötstelle dienende Vorrichtung, wenn die Lötstelle nach Erreichen der Metallfließtemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat.

Vermittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systems wird die Temperatur an der Lötestelle selbst abgefühlt und dazu verwendet, die Dauer des Lötvorgangs in Abhängigkeit von der an der Lötstelle abgefühlten Temperatur zu steuern. Es wurde gefunden, daß eine einwandfreie und qualitativ hochwertige Lötung erhalten wird, wenn die Metalle eine vorbestimmte Temperatur erreichen, nachdem das Zerfliessen des Lotmaterials begonnen hat. * Weiterhin ist bekannt, daß die Temperatur an oder in der Nähe der Lötstelle auf einen bestimmten Wert ansteigt und dann von dem Punkt, an dem das Zerfliessen des Metalls einsetzt, infolge der Ableitung der Wärmeenergie in das zerfliessende Metall wieder abnimmt. Daraufhin steigt die Temperatur erneut auf den zur Hartlötung erforderlichen .Wert an, der sich für ein bestimmtes Werkstück vorhersagen läßt.

Wenn daher die die Lötung ausführende Person in der Lage ist,

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die Temperatur an der Lötstelle zu ermitteln, kann die Lotung an dem Punkt beendet werden, an dem das Werkstück die vorbestimmte Löttemperatur erreicht hat. Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systems weist ein Lichtrohr auf, dessen eines Ende an der Lötstelle, und dessen anderes Ende an einer Photozelle angeordnet ist, und das dazu dient, die von dem erhitzten gelöteten Werkstück abgegebene Lichtstrahlung der Photozelle zuzuführen. Die Photozelle wandelt das durch das Lichtrohr übertragene Licht in ein elektrisches Signal um, dessen Größe sich als direkte Funktion der Veränderung der Löttemperatur verändert. Dieses Signal wird dann zur Beendigung des Lötvorganges verwendet, wenn die Temperatur den vorbestimmten gewünschten Wert erreicht hat.

Wenngleich die Erfindung insbesondere in Verbindung mit einem LötVorgang beschrieben wird, läßt sie sich auch ganz allgemein auf jede Art von Wärmebehandlung oder auf andere Vorgänge anwenden, bei denen die Temperatur eines Gegenstandes oder eines Werkstückes auf einen vorbestimmten Wert angehoben wird, und der Vorgang in Abhängigkeit von der Temperatur ablaufen soll. Das erfindungsgemäße System kann auch zur Erzeugung eines Überwachungssignals für die Wärmebehandlung oder den Lötvorgang verwendet werden, wenn eine kontinuierliche Anzeigevorrichtung vorhanden ist, durch welche die augenblickliche Temperatur und der vorangegangene Verlauf der Temperatur des Werkstückes angezeigt werden.

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Weitere Merkmale, sowie die Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur und zeigt eine typische Kennlinie für das Hartlöten dünner rohrförmigen Werkstücke.

Fig. 2 ist eine zweite graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur für einen typischen LotVorgang an einem Werkstück mit dicken Wänden.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäße Merkmale aufweisenden Lötkopf, und zeigt insbesondere die Lage des Lichtrohrs in bezug auf das Werkstück. ;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht des in Fig. 3 dargestellten Lötkopfes.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System verwendeten bevorzugten elektrischen Schaltung. .

Fig. β ist eine Schnittansicht und zeigt schematisch die Lage des Lichtrohrs in bezug auf eine Lötstelle, sowie ein zur Eichung des erfindungsgemäßen Systems dienendes Thermoelement.

In Fig. 1 ist der typische zeitliche Temperaturverlauf eines _{; v} LotVorgangs für dünnwandige Werkstücke dargestellt* Die Kurve zeigt die Kennlinie der Temperatur, welche an der Stelle A zu

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einem Knickpunkt ansteigt, welcher dem Schmelzpunkt der Legierung entspricht. Dieser Punkt verändert seine Lage in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Werkstoff und stellt die Temperatur dar, bei welcher das ZerfHessen des Werkstoffes beginnt. Die Temperatur des untersuchten Prüfstückes nimmt etwas ab, da die Wärme an das umgebende Metall abgegeben wird, wenn das Lot zu zerfliessen beginnt. Die Temperatur erreicht einen Talpunkt B, von dem sie dann wieder auf eine vorbestimmte Endtemperatur des Lötvorganges ansteigt, die der Linie C entspricht und bei der der Arbeitsgang beendet wird. Die Endtemperatur des Arbeitsganges wird so gewählt, daß sie einem Punkt entspricht, bei dem eine optimale Lötung erhalten wird.

Fig. 2 zeigt den typischen zeitlichen Verlauf der Löttemperatur beim Löten dickwandiger Werkstücke. Es läßt sich ersehen, daß die Temperatur mit der Wärmezufuhr bis zu einem Spitzenwert D ansteigt, welcher-dem Schmelzpunkt der Legierung entspricht. Dann fällt die Temperatur auf einen Talpunkt E ab, wobei die Legierung während dieser Zeitspanne bei der kontinuierlichen Wärmezufuhr zerfließt. Durch das Zerfliessen der Legierung verringert sich die Temperatur an der Fühlstelle, weil die Wärme in der vorstehend beschriebenen Weise abgeleitet wird. Von dem Talpunkt E aus steigt die Temperatur jedoch wieder auf die Endtemperatur des Ärbeitsganges P an, welche entsprechend der verwendeten¹ Legierung und 'den Werkstücken ausgewälalt ist. ^:" ■■■■^;"-^: ■■■'-■"■■-

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Aus dem in Fig. 2 dargestellten Arbeitsgang ist ersichtlich, •daß der Schmelzpunkt D der Legierung höher ist als die Endtemperatur und daher getrennt ermittelt und gegenüber dieser unterschieden werden muß, um zu gewährleisten, daß der Arbeitsvorgang nicht-bei der Schmelztemperatur der Legierung, sondern bei der Endtemperatur S des Lötvorganges beendet wird. Dement- sprechend wird bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen System der Punkt D getrennt ermittelt und der LotVorgang in demZeitpunkt beendet, wenn die Temperatur des Punktes G abgefühlt wird.

In den Figuren 3 - 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisenden Einrichtung, einer zur Herleitung d^s Steuersignals dienenden Schaltung und eines zum Eichen der Einrichtung dienenden Systems dargestellt. Ins- ' besondere dieFiguren 3 und 4 zeigen eine Loteinrichtung Io, die einen Anschlußabschnitt 12, einen Verbindungsabschnitt.14 und einen Kopf- und Fühlabschnitt 16 aufweist. Der Kopfabschnitt Ib des Lötwerkzeuges weist ein Paar zueinander beweglich angeordneter Backen 2o, 22 auf, die zur Aufnahme des Werkstückes geöffnet und dann geschlossen werden können, um die Heizwicklungen in die Nähe des zu lötenden Werkstückes 24 zu bringen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Werkstück aus einem ersten Abschnitt 26 und einem zweiten Abschnitt 28, wob ei die zueinander ausgerichteten Enden der beiden Abschnitte ■■■ von einer Manschette 3o umgeben sind. Die Manschette 3 ο weist zwei Wulstabschnitte 32, 34 auf, die in einem inneren Abschnitt

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des Hohlraums zur Aufnahme des Lots dienen.

Die beweglichen Backen, insbesondere ein innerer Abschnitt jeder Backe bildet eine Ausnehmung 38, welche das Werkstück umgibt, und eine (nicht dargestellte) Heizwicklung ist so ausgebildet, daß sie koaxial zu der zylindrischen Ausnehmung 38 angeordnet werden kann. Der Heizwicklung wird elektrische Energie von einer (nicht dargestellten) Stromquelle zugeführt, die mit mehreren Leitern 42 verbunden ist, welche am Anschlußabschnitt 12 in die Einrichtung eintreten. Die zugeführte Energie wird von einem (nicht dargestellten) äußeren Bedienpult aus gesteuert. Sobald die Wicklung Wärme "erzeugt, wird das Werkstück 24 allmählich entsprechend einer der beiden in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Kennlinien erwärmt, wobei der Temperaturverlauf von der Dicke des für das Werkstück 24 verwendeten Materials abhängt. Wenn das Werkstück auf eine bestimmte Temperatur erhitzt worden ist, sendet es eine Lichtstrahlung aus, deren Helligkeit und Farbe eine Funktion der von dem Werkstück erreichten Temperatur sind.

Die Temperatur wird vermittels einer Lichtrohranordnung 48 abgefühlt, die aus einer Faseroptik oder einem Lichtrohr '5o besteht, dessen eines Ende 52 sich unmittelbar neben dem Werkstück 24 befindet, und dessen anderes Ende 54 bis zu einem Wandler 56 geführt ist. Das zur Verwendung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgewählte Lichtrohr 5o ist im Handel unter der Bezeichnung "Image Conduit" (Bildrohr)

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erhältlich und besteht allgemein aus einem Stab von sechseckigem.■'. Querschnitt mit einer Kantenlänge von etwa 3,17 mn*·- De^r für das Lichtrohr verwendete Werkstoff ist im allgemeinen nicht biegsam, läßt sich jedoch nach Erhitzung und dadurch bedingter Erweichung des Rohrs durch vorsichtiges Biegen in jede gewünschte Form bringen. Es hat sich gezeigt, daß das dem erhitzten Metall zugewandte Ende des hier beschriebenen Rohrs auch nach vielen Arbeitsgängeη praktisch unverändert ist. ■

Der Wandler 5ß besteht allgemein aus einer Kadmiumsulfid-Photozelle, die unmittelbar an dem Lötwerkzeug angeordnet ist. Selbst^· verständlich lassen sich auch andere Photozellenausführungen-verwenden. Der Abschnitt des Lichtrohrs 5o, der zur übertragung des Lichtes; von dem erhitzten Werkstück zu der Photozelle verwendet wird, ist durch eine Abschirmung 6ο abgedeckt, welche den mittleren Abschnitt des Lichtrohrs 5o und den Wandler 56 allgemein umgibt.

Die Photozelle kann insbesondere vom Typ RCA₉ SQ 2528 sein, der an seiner Eintrittsfläche einen Durchmesser von angenähert 6,35 mm aufweist. Diese Zelle hat einen Dunkelwiderstand von angenähert

10' Ohm, wenn sie nicht durch die Lichtquelle 5o beleuchtet

c -

wird, und dieser Widerstand fällt auf angenähert 10 - Ohm ab_s wenn die Zelle durch das auf der Löttemperatur befindliche Lötstück beleuchtet wird. Die Zuleitungen 62, 64 zu dem Wandler 56 sind entweder zu einem Stecker 68 oder zu einer Steuerschaltung 7o geführt» Die Steuersehaltung To weist allgemein ein Potentio-

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- Io -

meter auf, dem elektrische Energie von einer äußeren Quelle zugeführt wird. Das Potentiometer ist in Reihe mit dem Wandler 56 geschaltet, wie weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 6 näher erläutert ist. Die Zuleitungen des Potentiometers und des Wandlers sind mit dem Stecker 68 verbunden, der außerdem eine Ste.uerleitung führt und dem durch ein äußeres (nicht dargestelltes) Steckglied elektrische Energie zugeführt wird.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Schaltung 7^ zur Herleitung des Ausgangssignals zur Steuerung der Beendigung des Lötvorganges dargestellt. Der Schaltung "Jk wird eine Wechselspannung von angenähert Ho Volt zugeführt, die an eine Halbwellen-Gleichrichter-, Filter- und Spannungsregelersehaltung angelegt wird, die eine Diode 76* einen Widerstand 78, einen Kondensator 82 und eine Zeneröiode 80 aufweist. Die Diode 76 dient zur Gleichrichtung der Halbwelle der Wechselspannung, und der Widerstand 78 bildet zusammen mit dem Kondensator 82 einen Filterkreis zur Glättung des zugeführten pulsierenden Gleichstroms. Die Zenerdiode 80 dient zur Regelung der Spannung, die an den Ausgangskreis angelegt wird₉ welcher aus dem Wandler 56 ₉ einem Potentiometer 86 und einem zur Strombegrenzung dienenden Widerstand 88 besteht«, Das Potentiometer 86 ist in der in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 beschriebenen Steuerschaltung To enthalten» De:-? innerhalb des gestricheltes Kastens 9o befindliche Schaltung^* teil ist an" efem Lötltop'f 1© angeordnet _s während des³ Übrige Teil der Schaltung getrennt von der Löteinrichtung Io angeordnet ist»

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1 21 §

Wie sich anhand der vorstehend beschriebenen Schaltung ersehen läßt, wird der durch das Potentiometer 86 fliessende Strom durch die Impedanz des Wandlers 56 gesteuert. Wenn die Beleuchtungsstärke an dem Wandler 56 höher ist, ergibt sieh eine niedrigere Impedanz, so daß ein höherer Strom durch das Potentiometer 96 fließt.. Somit steigt an dem Potentiometer 86 anliegende Spannung an und liefert an dem verschiebbaren Abgreifer 92 eine höhere Ausgangsspannung in bezug auf den feststehenden Anschluß 9*f. Dieses Signal wird einem Aufzeichnungsgerät 96 zugeführt, das ein Kontaktpaar 98 aufweist, welches zur Steuerung des An- und Abschaltens der Heizwicklung des Lötkopfes dient. Die innerhalb des Aufzeichnungsgerätes 96 befindliche Steuerschaltung kann außerdem ein System zur Zurückweisung des ersten, in Verbindung mit Pig. 2 beschriebenen Impulses aufweisen, damit der Lötvorgang nicht an dem Fließpunkt des Metalls beendet wird. Diese Schaltung kann in bekannter Weise so ausgelegt sein, daß bei jedem Lötvorgang nur für jeden zweiten Impuls der Steuerschaltung, welcher einen vorbestimmten Spitzenwert erreicht, ein Ausgangsimpuls erhalten wird. ■

In Pig. 6 ist ein zum Eichen des erfindungsgemäßen Steuersystems dienendes System dargestellt. Zu diesem Zweck ist unmittelbar unterhalb des Lichtrohrs 5o ein Thermoelement loo angeordnet, so daß die Temperatur des durch eine Wicklung Io2 auf die gewünschte Temperatur erhitzten Werkstückes 2k durch das Thermoelement loo abgefühlt werden kann. Diese Temperatur wird ver-V mittels des Lichtrohrs 5o optisch "abgelesen", und das Licht-

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signal i«iird dem Wandler 56 zugeführt. Auf diese Meise wird die von dem Thermoelement loo angezeigte Temperatur in eine Beziehung gesetzt zu der durch die aus Lichtrohr und Wandler bestehenden Kombination abgefühlten Temperatur.

Obwohl die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die an sie gestellten Anforderungen gemäß der erfindungsgemäßen Aufgabe voll erfüllt, läßt sie sich innerhalb des Schutzumfanges in vielen Punkten abändern oder weiter ausgestalten.

- Patentansprüche - 13

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Claims

P a ten t an s ρ r ü c h e

1.)Photoelektrisches System zur Steuerung des Arbeitsganges einer Hartlöteinrichtung, durch welche Wärmeenergie einem Werkstück zugeführt und dieses auf die Fließtemperatur des Metalls und auf die Hartlöttemperatur erhitzt wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (48, 7o) zum Fühlen der Temperatur des Werkstückes (24) an der Hartlötstelle und eine zur Beendigung der Wärmezufuhr zu der Lötstelle dienende Vorrichtung (74), die dann betätigbar ist, wenn die Lötstelle nach Erreichen der Metallfließtemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Fühlen der Temperatur dienende Vorrichtung eine Vorrichtung (5ö) zur Ermittlung von in Abhängigkeit von Temperaturänderungen an der Lötstelle erfolgenden Lichtänderungen aufweist..

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ermittlung von Lichtänderungen dienende Vorrichtung aus einer Faseroptik besteht,

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die FühlVorrichtung außerdem eine Wandlervorrichtung (56) aufweist, und die Faseroptik aus einem Lichtrohr (5o)₃ dessen eines Ende (52) an der Lötstelle und dessen anderes Ende (54) an der Wandlervorrichtung angeordnet ist, besteht und dazu dient» Lichtsignale von der Lötstelle zu der Wandlervorrichtung zu übertragen. .'. . ■.-■'-...:■■ '

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5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlervorrichtung dazu dient, das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umzusetzen, und die zur Beendigung der Wärmezufuhr dienende Vorrichtung Mittel (98) zur Beendigung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit'von einer bestimmten Eigenschaft des elektrischen Signals aufweist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einer von Lichtänderungen abhängigen Stromstärkenänderung entspricht, die zur Beendigung der Wärmezufuhr dienende Vorrichtung eine auf Stromstärkenänderungen ansprechbare Einrichtung (96) aufweist, und die Stromstärke in Abhängigkeit von der bei der Hartlötung erreichten Temperatur einen vorbestimmten Wert annehmen kann.

7. Verfahren zur Steuerung des Arbeitsganges einer einem Werkstück Wärmeenergie zuführenden und zur Erwärmung des Werkstückes auf die Fließtemperatur des Metalls und die Hartlöttemperatur dienenden Hartlöteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Werkstückes (24) an der Lötstelle abgefühlt und, die Wärmezufuhr zu der Lötstelle- unterbrochen wird, wenn die Lötstelle nach Erreichen der Fließtemperatur des Metalls eine vorbestimmte Temperatur erreicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß an der Lötstelle durch Temperaturänderungen bedingte Änderungen der Lichtstrahlung ermittelt werden.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Fühl vorrichtung eine ■Wandlervorrichtung und eine Faseroptik aufweist und die letztere aus einem Lichtrohr besteht, dessen eines Ende an der Lötstelle und dessen anderes Ende an der Wandlervorrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtsignale von der Lötstelle zu der Wandlervorrichtung übertragen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsignal" in ein elektrisches Signal umgesetzt und die Wärmezufuhr in Abhängigkeit von einer bestimmten Eigenschaft des elektrischen Signals unterbrochen wird.

11. Verfahren nach Anspruch Io, wobei das elektrische Signal aus einer in Abhängigkeit von Lichtänderungen erfolgenden Stromstärkenänderung besteht , dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Stromstärke als Eingangswerte genommen werden, wobei die Stromstärke in Abhängigkeit von der bei der Hartlötung erreichten Löttemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht und die Beendigung der Wärmezufuhr dann erfolgt, wenn durch das elektrische Signal eine vorbestimmte Löttemperatur an der Lötstelle angezeigt wird.

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