DE4039527C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Herstel
lung bewickelter elektrischer Bauelemente durch Kontaktieren dün
ner isolierter Drähte an Anschlußelementen mittels Laserschweißen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Laser
schweißung indirekt durch Bestrahlung eines auf den Draht aufge
legten Plättchens vorgenommen wird, ist aus der DE-OS 33 07 773
bekannt.
Bei elektrischen Komponenten, wie z. B. bei Relais, Spulen, Über
tragern und anderen Bauelementen, werden im Rahmen einer fort
schreitenden Miniaturisierung die verwendeten Induktionsspulen
immer kleiner. Dies bedeutet, daß die dabei eingesetzen Wickel
drähte einen immer geringeren Durchmesser haben, wodurch das
Kontaktieren der Spulenanschlüsse schwieriger wird. Beispiels
weise können die lackisolierten Spulenanschlüsse einen Durch
messer im Bereich von 30 bis 100 µm (0,03-0,1 mm) aufweisen.
Bisher werden lackisolierte Wickeldrähte üblicherweise durch
Widerstands-, Ultraschall- oder Laserschweißen an Spulenanschlüs
se kontaktiert. Die Erweichung von Draht und Anschluß beim
Schweißvorgang ist dabei eine Funktion der Temperatur, die durch
Energiezufuhr, Wärmekapazität und Wärmeableitung bedingt ist.
Die verschiedenen Schweißverfahren unterscheiden sich vor allem
in der Energiezufuhr zu Draht und Anschluß. Wärmekapazität und
Wärmeableitung von Draht und Anschluß sind dagegen in erster
Näherung unabhängig vom Schweißverfahren und beim Wickeldraht
jeweils kleiner als beim Anschluß.
Beim Widerstandsschweißen, bei dem beide Elektroden den Wickel
draht kontaktieren, erfolgt die Wärmeerzeugung im Wickeldraht
und nicht im Anschluß auf den die Wärme durch Wärmeleitung über
tragen wird. Die zeitlich frühere Erwärmung des Wickeldrahts im
Vergleich zum Anschluß ist deshalb durch frühere Energiezufuhr
zum Wickeldraht, niedrigere Wärmekapazität und geringere Wärme
ableitung bedingt. Die frühere Erwärmung und damit frühere Erwei
chung des Wickeldrahts und der Anpreßdruck der Elektroden führen
dann zu starker Verformung des Wickeldrahts bei geringer Verfor
mung des Anschlusses. Außerdem müssen beim Widerstandsschweißen
die Elektroden bei miniaturisierten Bauelementen, wie bei den
SMD-Spulen, so kleine Abmessungen aufweisen, daß ihre Standzeit
für die automatisierte Fertigung zu klein ist. Ferner stört die
Verschmutzung der Elektroden durch vom Wickeldraht stammende
Lackreste.
Beim Ultraschallschweißen erzeugt der Sonotrodendruck nicht nur
den Schweißdruck, sondern er bedingt gleichzeitig die Reibung,
die die Wärme erzeugt. Durch die geringere Wärmekapazität und
die geringere Wärmeableitung erweicht der Draht früher als der
Anschluß. Die auf den erweichten Draht einwirkende Ultraschall
schwingung verformt den Wickeldraht noch stärker als das Wider
standsschweißen. Beim Ultraschallschweißen von lackisolierten
Drähten unter 0,4 mm Durchmesser wird zur mechanischen Verstär
kung der Schweißstelle ein zusätzliches Deckplättchen aufge
schweißt (Sandwichtechnik) oder die Schweißstelle mit Kleber ab
gedeckt (vgl. EP-PS 02 00 014). Die mechanische Verstärkung der
Schweißstelle ist erforderlich, da der Draht beim Schweißen
stark verformt wird und seine mechanische Stabilität dadurch
abnimmt. Die elektrische Zuverlässigkeit der Wickelkontaktierung
wird durch die Verformung ebenfalls verringert.
Beim Laserschweißen ist aus der DE-OS 33 07 773 bekannt, daß
Kupferfeinstlackdraht sich nicht unmittelbar auf das Anschlußele
ment schweißen läßt. Bei direkter Bestrahlung des Wickeldrahts
durch den Laserstrahl müßte der Draht auch die Energie aufneh
men, die für das Anschmelzen des Anschlusses erforderlich ist.
Dabei schmilzt oder verdampft aber der Draht, bevor der Anschluß
erweicht, so daß keine brauchbare Wickelkontaktierung resul
tiert. Um dies zu vermeiden, wird die Laserenergie nicht direkt
der Fügezone zugeführt, sondern der Oberfläche eines den Draht
und den Anschluß abdeckenden Plättchens (Sandwichtechnik). Beim
Laserschweißen mit Sandwichtechnik erweicht erst das Deckmate
rial, dann der Wickeldraht und schließlich der zu kontaktierende
Teil des Anschlusses. Das Deckmaterial wird aufgeschmolzen,
fließt über den Draht zum Anschlußkontakt löst den Draht voll
auf und bildet eine Schweißbrücke zwischen Draht und Anschluß.
Für die Kontaktierung ist, analog zu einer Lötverbindung, die
Grenzfläche zwischen Schmelze und nicht aufgeschmolzenem Draht
entscheidend. Da sich der Draht - unerwünschterweise - voll
auflöst, hat die Grenzfläche ungefähr die Größe des Drahtquer
schnitts. An dieser Grenzfläche besteht die Gefahr der Versprö
dung und der Erhöhung des elektrischen Widerstands infolge von
Sauerstoffanreicherung, Porenbildung, unzureichender Rekristal
lisation usw. Die relativ kleine Grenzfläche ergibt eine gerin
gere mechanische und elektrische Stabilität der Laserschweiß
verbindung im Vergleich zu einer Lötverbindung, bei der der
Draht mit unverändertem Querschnitt ins Lot eingebettet wird.
Eine Darstellung der Laserstrahl-Schweiß
verfahren mit der zugehörigen Problematik
ist auch in der Zeitschrift Feinwerk
technik und Meßtechnik 92 (1984) 7,
Seiten 363 bis 366 gegeben.
Zur Problematik des Laserschweißens gehört auch, daß der Lack
von lötbaren Kupferlackdrähten (z. B. auf Polyurethan-Basis) die
Schweißung nicht erschwert oder sogar begünstigt, indem er wie
ein Flußmittel wirkt, daß der Lack von schwer verzinnbaren Kup
ferlackdrähten (z. B. auf Polyamid-Basis), die für die SMD-Spu
len erforderlich sind, dagegen zu schlechten Schweißergebnissen
führt. Schließlich übt die Laserstrahlung, im Gegensatz zum Wi
derstands- und Ultraschallschweißen, keinen mechanischen Druck
auf die Schweißpartner aus. Die Schweißpartner müssen sich aber
berühren, da ein Spalt zwischen den Schweißpartnern die
Schweißergebnisse verschlechtert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ver
bessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das
insbesondere zu einer hochtemperaturfesten Kontaktierung mit
verbesserter mechanischer und elektrischer Stabilität durch
verringerte Drahtverformung führt, sowie zu verkleinerten
Abmessungen von ohne Sandwichtechnik durch unmittelbare Verbin
dung von Draht und Anschlußelementen hergestellten Bauelementen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren der
eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß nur das An
schlußelement durch direkte Laserbestrahlung an der zur Ver
schweißung vorgesehenen Stelle zu einer Schweißlinse aufgeschmol
zen wird, in die, sobald die Schweißlinse soweit abgekühlt ist,
daß der Draht anschließend nur oberflächlich anschmilzt, der
Draht eingebettet wird.
Bei der Energiezufuhr durch direkte Laserbestrahlung wird das
aufgeschmolzene Anschlußmaterial weit über den Schmelzpunkt hin
aus erwärmt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
die in der Schmelze gespeicherte Energie ausreichend ist, um,
indirekt und ohne weitere direkte oder indirekte Laserbestrah
lung, das relativ wenige Drahtmaterial soweit zu erhitzen, wie
es für den Schweißvorgang notwendig ist. Dies eröffnet die Mög
lichkeit, den Draht beim Schweißen dadurch nicht aufzuschmelzen,
daß der nicht erwärmte Draht in die Schmelze des Anschlußmate
rials erst dann eingetaucht wird, wenn die Schmelze durch Wär
meableitung soviel Energie verloren hat, daß die in der Schmelze
verbleibende Energie nur noch ausreicht, den Draht oberflächlich
anzuschmelzen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich im Zuge fortlaufenden, insbesondere still
standslosen Bewickelns von Wickelträgern elektrischer Bauele
mente dadurch, daß der isolierte Wickeldraht in die auf dem je
weiligen Anschlußelement des Wickelträgers erzeugte Schweißlinse
hineingewickelt und dabei durch den Wickelzug in die zur Schweiß
verbindung erstarrende Schmelze gedrückt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand zusätzlicher Ansprüche.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der für das Laserschweißver
fahren nach dem herkömmlichen Stand der Technik erforderlichen Teile;
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zweier Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht mehrerer miteinander durch
Doppelanschlußelemente verbundenen Wickelträger;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung spezieller im erfindungs
gemäßen Verfahren verwendeter Wickelträger - und Anschluß
elementformen.
In Fig. 1 ist die aus dem Stand der Technik bekannte Sandwichtech
nik beim Schweißen mittels eines Laserstrahls 2 dargestellt. Wie
in Fig. 1 angedeutet, ist dabei vorgesehen, daß ein Deckplättchen
4 den Draht 1 auf die vorgesehene Schweißstelle des Anschlußele
ments 3 niederdrückt. Beim bekannten Verfahren kann der Draht 1
auch statt durch ein separates Deckplättchen 4 beispielsweise
durch überlappendes, als Abdeckung dienendes, Material des An
schlußelements der direkten Bestrahlung entzogen werden. Dies
erfordert in jedem Fall zusätzliche Arbeitsgänge und führt zu
größeren Abmessungen des kontaktierten Bauelements.
In Fig. 2 ist ein konvexer Teil 5 der Anschlußoberfläche 6 eines
Anschlußelements 3 dargestellt, während in Fig. 3 eine Schnitt
fläche 8 eines Anschlußelements 3 dargestellt ist. Es ist vor
teilhaft, eine Schweißlinse 7 durch den Laserstrahl 2 entweder
in einem konvexen Teil 5 oder an einer Schnittfläche 8 des je
weiligen Anschlußelementes 3, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, zu
erzeugen, so daß der Schweißdruck beispielsweise durch die vom
Wickelzug auf einen Wickeldraht ausgeübten Kräfte, statt wie
bisher üblich durch Stempel und mechanischen Andruck, erzeugt
wird.
Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren ermöglicht auch die
Schweißung eines schwer verzinnbaren und wärmebeständigen Kup
ferfeinstlackdrahtes. Die Energie, die für das Aufschmelzen bzw.
Verkohlen des Drahtlacks erforderlich ist, wird dem Lack in der
Fügezone nicht aus dem Draht, sondern aus der Schweißlinse zuge
führt. Die für die Qualität der Kontaktierung kritische Entfer
nung der Lackisolierung kann deshalb mit definierter Energiezu
fuhr erfolgen. Hinzu kommt, daß der oben erwähnte Schweißdruck
die Spaltbildung reduziert und den Durchbruch durch die verkohl
ten Reste der schwer verzinnbaren Drahtlackierung, der für eine
elektrisch stabile Schweißverbindung erforderlich ist, begün
stigt. Ein genereller Vorteil des erfindungsgemäßen Schweißver
fahrens besteht auch darin, daß die nur angeschmolzene Draht
oberfläche die kritische Grenzfläche zwischen Draht und Schmelze
vergrößert. Die Energiezufuhr kann im übrigen unproblematisch
beispielsweise durch einen gepulsten Festkörperlaser (Nd-Glas-
oder Nd-YAG-Laser) erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Zuge fortlaufenden Be
wickelns von Wickelträgern elektrischer Bauelemente angewendet
werden, bei dem die Wickelträger in Folge und schrittweise mit
tels einer Transporteinrichtung einer Wickelvorrichtung zuge
führt, bewickelt und weiterbefördert werden und bei dem der Draht
jedes Wickels jeweils an den Anschlußelementen der Wickelträger
festgeschweißt und der Wickeldraht zwischen aufeinanderfolgenden
elektrischen Bauelementen aufgetrennt wird. Ein derartiges Wickel
verfahren ist an sich bereits aus der DE-OS 35 18 651 bekannt.
Der isolierte Wickeldraht wird in diesem Fall in die auf dem
jeweiligen Anschlußelement erzeugte Schweißlinse hineingewickelt
und dabei durch den Wickelzug in die zur Schweißverbindung er
starrende Schmelze gedrückt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die
Zeitspanne zwischen dem Erzeugen der Schweißlinse und dem Hinein
wickeln des Wickeldrahtes in die erstarrende Schmelze durch die
den Wickelvorgang bestimmenden Parameter (z. B. Wickelbeginn,
Wickellänge, Wickelgeschwindigkeit usw.) in Abhängigkeit insbe
sondere vom Drahtdurchmesser und von der Drahtlackierung so ein
gestellt wird, daß der Wickeldraht nur anschmilzt, aber nicht
aufschmilzt. Durch die Wahl der geometrischen Lage der Schweiß
linsen auf den Anschlußelementen ist zudem eine einfache Varia
tion der Wickeldrahtlänge und damit ein unproblematisches Ein
stellen eines entsprechenden Induktionsnennwertes einer elektri
schen Spule möglich. Dies hilft, die von den Kunden geforderten
Toleranzen zu erfüllen.
Zur Veranschaulichung der Kontaktierung im Zuge fortlaufenden
Wickelns von Wickelträgern sind in Fig. 4 jeweils stirnseitig an
zwei benachbarten Wickelträgern 9 rechteckigen Querschnitts be
festigte, U-förmig ausgebildete Doppelanschlußelemente 10 darge
stellt, die während der Arbeitsgänge Wickeln, Umspritzen usw.
als Systemträger für die Wickelträger 9 dienen. Danach werden
die Doppelanschlußelemente 10 in der Mitte in zu verschiedenen
Wickelträgern 9 gehörende Anschlußelemente auseinandergetrennt.
Auf den zur Oberseite der Wickelträger 9 weisenden aber über
diese herausragenden Schnittflächen der beiden U-Schenkel der
Doppelanschlußelemente 10 ist jeweils eine nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren erzeugte Schweißlinse 11 und 12 angedeutet.
Bei der Herstellung resultiert also letztlich eine bewickelte
Spule, deren Wickeldraht jeweils an den über den Trägerkörper
hinausragenden beiden Anschlußteilen direkt ohne Deckplättchen
oder dergleichen durch Laserbestrahlung festgeschweißt ist.
Verglichen mit dem in der DE-OS 35 18 651 vorgeschlagenen Ver
fahren, das ein (mehrfach beschichtetes) hochwertiges metalli
sches Trägerband mit im Winkel dazu angeformten Armen als zu
sätzlichen Systemträger vorsieht, ist bei der erfindungsgemäßen
Herstellung von oberflächenmontierbaren Spulen ohne Systemträger
eine Einsparung von Anschlußmaterial möglich, die etwa 20% der
Materialkosten des Bauelements entspricht. Beim stillstandslosen
Bewickeln können die Trägerkörper 9 allerdings im Gegensatz zur
DE-OS 35 18 651 nicht durch den Flugkreis des Wickelfingers hin
durch in Wickelposition gebracht werden. Statt dessen befinden
sich die Wickelträger 9 in der Achse senkrecht und mittig zum
Flugkreis und werden auch durch Transport in Richtung dieser
Achse in Wickelposition gebracht, wobei die Wickelträger 9 unbe
wickelt durch die Achse der Vorratsrolle für den Wickeldraht
transportiert werden.
Die Doppelanschlußelemente 10 müssen mit den Wickelträgern 9 vor
dem Wickeln beispielsweise mittels Kleber miteinander verbunden
werden. Bis zum Kleberaushärten müßten erstere deshalb in Klebe
position gehalten werden, was durch spezielle Haltevorrichtungen
geschehen kann. Diese können jedoch das Erscheinungsbild und die
Lötbarkeit der Oberfläche der Anschlußelemente verschlechtern.
Es bietet sich deshalb im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah
rens die vorteilhafte Verwendung eines in Fig. 5 dargestellten
Doppelanschlußelements 15 an, dessen beide U-Schenkel fenster
artige Ausnehmungen 16 aufweisen, die die entsprechend geformten
Stirnseiten 14 der benachbarten Wickelträger 13 aufnehmen, wobei
das Doppelanschlußelement 15 mittels Kleber an den Wickelträgern
13 befestigt und während des Kleberaushärtens von den von einer
Transportvorrichtung gehaltenen Wickelträgern 13 getragen wird.
Etwaige Zusatzhalterungen erübrigen sich damit und insgesamt
ergibt sich ein leichteres Handling bei der Herstellung der
bewickelten Bauelemente.
Claims (8)
1. Verfahren zur automatisierten Herstellung bewickelter elek
trischer Bauelemente durch Kontaktieren dünner isolierter Drähte
an Anschlußelementen mittels Laserschweißen,
dadurch gekennzeichnet,
daß nur das Anschlußelement (3, 10, 15) durch direkte Laserbestrahlung (2)
an der zur Verschweißung vorgesehenen Stelle zu einer Schweiß
linse (7, 11, 12) aufgeschmolzen wird, in die, sobald die Schweißlinse
(7, 11, 12) soweit abgekühlt ist, daß der Draht (1) anschließend nur
oberflächlich anschmilzt, der Draht (1) eingebettet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Verwendung eines schwer
verzinnbaren und wärmebeständigen Kupferfeinstlackdrahtes.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schweißlinse (7, 11, 12) in einem konvexen Teil (5) oder an
einer Schnittfläche (8) des jeweiligen Anschlußelementes (3, 10, 15)
erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zuge fortlaufenden, insbesondere stillstandslosen Bewik
kelns von Wickelträgern (9) elektrischer Bauelemente die Wickel
träger (9) in Folge und schrittweise mittels einer Transport
einrichtung einer Wickelvorrichtung zugeführt, bewickelt und
weiterbefördert werden, daß der Draht jedes Wickels jeweils an
den Doppel-Anschlußelementen (10, 15) der Wickelträger (9, 13) festgeschweißt
und der Wickeldraht zwischen aufeinanderfolgenden elektrischen
Bauelementen aufgetrennt wird, und daß der isolierte Wickeldraht
in die auf dem jeweiligen Anschlußelement (10) erzeugte Schweiß
linse (11, 12) hineingewickelt und dabei durch den Wickelzug in
die zur Schweißverbindung erstarrende Schmelze gedrückt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitspanne zwischen dem Erzeugen der Schweißlinse (11,
12) und dem Hineinwickeln des Wickeldrahtes in die erstarrende
Schmelze durch die den Wickelvorgang bestimmenden Parameter so
eingestellt wird, daß der Wickeldraht nur oberflächlich an
schmilzt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß über die Wahl der geometrischen Lage der Schweißlinsen (11,
12) auf den Doppel-Anschlußelementen (10, 15) eine unterschiedliche Wickel
drahtlänge und ein entsprechender Induktionsnennwert einer elek
trischen Spule eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6,
gekennzeichnet durch die Verwendung von jeweils
stirnseitig an zwei benachbarten Wickelträgern (9, 13) rechteckigen
Querschnitts befestigten, U-förmig ausgebildeten Doppelanschluß
elementen (10, 15) als Systemträger für die Wickelträger (9, 13) wobei
auf den zur Oberseite der Wickelträger (9, 13) weisenden, aber über
diese hinausragenden Schnittflächen der beiden U-Schenkel je
weils eine Schweißlinse (11, 12) erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch die Verwendung eines
Doppelanschlußelements (15), dessen beide U-Schenkel fenster
artige Ausnehmungen (16) aufweisen, die die entsprechend ge
formten Stirnseiten (14) der benachbarten Wickelträger (13)
aufnehmen, wobei das Doppelanschlußelement (15) mittels Kleber
an den Wickelträgern (13) befestigt und während des Kleberaus
härtens von den von einer Transportvorrichtung gehaltenen
Wickelträgern (13) getragen wird.
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