-
BESCHREIBUNG
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen
von gewickelten Kernen, die im wesentlichen aus amorphen Bändern bestehen, sowie
aus amorphen Bändern bestehenae, gewickelte Kerne.
-
Gewickelte Kerne aus Bändern aus amorphen Legierungen, die durch
rasches Abschrecken hergestellt werden, sind in zunehmendem Maße für eine Vielzahl
von Anwendungszwecken eingesetzt worden, unter anderem für Schutzdrosseln, Filter,
sättigbare Drosselspulen usw.
-
Amorphe gewickelte Kerne werden im allgemeinen mit Wärme behandelt
und in nicht-magnetische Gehäuse eingeschlossen, die üblicherweise aus Kusntstoff
bestehen. Alternativ dazu können sie mit Harzen imprägniert werden. Da sie jedoch
aus Bändern bestehen, haben sie die Tendenz zur Auf lösung, und es besteht die Gefahr,
daß die Bandenden sich von den Wickelkernkörpern trennen, wenn die Bandenden nicht
an den Kernkörpern befestigt sind. Dementsprechend empfehlen sich Maßnahmen,die
das Auftreten derartiger Probleme verhindern, bis die gewickelten Kerne in Behältern
oder Gehäusen eingeschlossen oder mit Harzen imprägniert sind.
-
Die US-PS 4,115,682 beschreibt ein Verfahren zum Schweißen von mindestens
zwei glasartigen Metallkörpern durch Einklemmen von überlappenden Bereichen der
Körper zwischen Elektroden und Anlegen einer Klemmkraft auf die überlappenden Bereiche,
Versorgen der Elektroden mit einem elektrischen Strom mit raschem Abfall, um die
Metallkörperbereiche zu schmelzen, durch die der Strom fließt, und Abführen der
Wärme aus den Körpern durch die Elektroden, um die Körper mit einer Geschwindigkeit
von mindestens 1050cis zu kühlen, und zwar unter Verwendung von hoch-leitenden Elektroden.
-
Dank der schnellen Abführung von Wärme, die durch das Schweißen erzeugt
wird, werden die Schweißstellen im
wesentlichen glasartig gehalten.
Bei diesem Verfahren wird jedoch eine Klemmkraft auf die gewickelten Bänder ausgeübt,
so daß innere Spannungen in den Schweißstellen bleiben. Dies verschlechtert die
magnetischen Eigenschaften der gewickelten Kerne. Insbesondere nimmt die Koerzitivkraft
der gewickelten Kerne aufgrund der darin verbleibenden inneren Spannungen zu. Je
größer die Koerzitivkraft der gewickelten Kerne ist, desto höher sind die Verluste,
wenn sie benutzt werden. Wenn drei oder mehr Bandschichten zu verschweißen sind,
funktioniert dieses Verfahren außerdem nicht gut, und zwar wegen des großen Kontaktwiderstandes
zwischen den Bändern, die zwischen den beiden Elektroden eingeklemmt sind. Dieses
Verfahren erweist sich somit nicht als effektiv, um gewickelte Kerne aus vielen
Wicklungen zu schweißen.
-
Man hat bereits an die Verwendung eines Laserstrahls gedacht, um
laminatförmige Bogen oder Schichten amorpher Legierungen zu schweißen, welche Magnetkopf-Kernchips
bilden.
-
Das Schweißen wird auf der Peripherie der laminatförmigen Schichten
oder Bogen durchgeführt. Dies kann geeignet sein, um die laminatförmigen Schichten
zu integralen Körpern, wie Magnetkernchips zu schweißen. Das Verfahren ist jedoch
nicht notwendigerweise geeignet zum Schweißen von amorphen gewickelten Kernen, die
möglichst kleine Schweißflächen haben sollen. Außerdem brauchen gewickelte Kerne
nicht von den äußersten Bändern bis zu den innersten Bändern geschweißt zu werden.
Dementsprechend läßt sich feststellen, daß das Laserschweißverfahren in unnötiger
Weise eine zu starke Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften verursacht.
-
Außerdem ist das Laserschweißverfahren im allgemeinen teuer und sollte
sorgfältig durchgeführt werden, um gefährliche Unfälle zu vermeiden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schweißen von amorphen gewickelten Kernen anzugeben, das in wirtschaftlicher
Weise durchführbar ist, ohne die
magnetischen Eigenschaften der
Materialien zu beeinträchtigen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, gewickelte
amorphe Kerne anzugeben, die gute magnetische Eigenschaften haben und die unanfällig
gegen mechanische Belastungen sind.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Schweißen von gewickelten
Kernen angegeben, die aus einem amorphen Band bestehen, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfaßt: Kontaktieren der Oberfläche des äußeren Endbereiches des Bandes
mit einem Paar von Elektroden und Lieferung eines elektrischen Impulses für das
Paar von Elektroden, um momentan den oberen äußeren Endbereich und die darunter
liegende Bandschicht zu schmelzen, um sie miteinander zu verschweißen.
-
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale
und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 eine
schematische Darstellung eines amorphen gewickelten Kernes, der mit einem Paar von
Elektroden geschweißt wird; und in Figur 2 ein schematische Datailansicht zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schweißen eines amorphen gewickelten Kernes.
-
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren läßt sich bei jedem amorphen
gewickelten Kern anwenden. Der amorphe gewickelte Kern wird im allgemeinen dadurch
hergestellt, daß man ein amorphes Band in toroidförmiger Gestalt aufwickelt.
-
Das Band kann aus jeder amorphen Legierung bestehen, einschließlich
der Verbindungen CoFeSiB, FeNiSiB, FeSiB, NiSiB, FeNiPC, CoZr usw. Die Dicke der
jeweiligen Bändern kann variieren, in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken der
amorphen gewickelten Kerne, aber im allgemeinen liegt die Dicke bei etwa 10 bis
50 pm, vorzugsweise bei etwa 15 bis 35 #m. Eine Dicke von etwa 18 bis 30 vm ist
besonders geeignet für das Schweißverfahren gemäß der Erfindung.
-
Die Bandoberfläche ist mit einer sehr dünnen Oxidschicht der Legierung
überzogen, und die Oberflächenrauhigkeit ist relativ groß. Dementsprechend besteht
kein Erfordernis, das Band mit Isolierbeschichtungen zu versehen.
-
Nachstehend wird das Schweißverfahren eines amorphen gewickelten
Kernes unter Bezugsnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch
das Schweißen eines amorphen gewickelten Kernes gemäß der Erfindung. Ein amorpher
gewickelter Kern 1 besteht aus einem Band 2, dessen äußeres Ende mit dem Bezugszeichen
3 bezeichnet ist. Ein Paar von Elektroden 4, die an einen geeigneten, nicht dargestellten
Impulsgenerator über Drähte 5 angeschlossen sind, sind auf der äußersten Bandschicht
in der Nähe des Endes 3 angeordnet. Da das amorphe Band Elastizität besitzt, brauchen
die Schweißflecken nicht genau am Bandende 3 zu sitzen. Auch wenn die Schweißf lecken
vom Bandende 3 um einige Millimeter getrennt sind, gibt es kein Problem. In einigen
Fällen ist ein Abstand von mehr als einem Zentimeter zulässig, vorausgesetzt, daß
das Band ausreichend elastisch ist. Wenn daher hier angegeben ist, daß die Elektroden
in Kontakt mit der Oberfläche des äußeren Endbereiches 3 des Bandes 2 gebracht werden,
so bedeutet der Begriff äußerer Endbereich" einen Bandbereich in der Nähe des Endes
3, wo das Schweißen in wirksamer Weise das Bandende davon abhalten kann, sich von
dem gewickelten Kernkörper zu lösen oder zu trennen.
-
Wie aus Figur 2 ersichtlich, hat jede Elektrode 1 ein stumpfes Ende
6. Die Krümmung der Elektrodenspitze bzw. des Elektrodenendes 6 kann variieren,
und zwar in Abhängigkeit davon, wie dick die zu schweißenden Bänder sind. Wenn die
Elektrodenspitze zu scharf ist, kann ein an der Kontaktstelle erzeugter Funke die
obere Bandschicht und möglicherweise die darunterliegenden Schichten wegschmelzen,
was gravierende Beschädigungen des gewickelten Kernes hervorruft. Wenn andererseits
die Elektrodenspitze zu stumpf ist, wird die Kontaktfläche der Elektrode mit der
Bandfläche zu
groß, um eine gute Schweißung zu liefern, welche die
magnetischen Eigenschaften des gewickelten Kernes nicht beeinträchtigt. Außerdem
kann die Elektrodenspitze flach sein, solange die Spitzenflächen klein genug ist,
um das Schweißen der minimalen Fläche zu gewährleisten, und solange sie in der Lage
ist, die geschweißten Bänder sicher zusammenzuhalten.
-
Wie oben bereits erwähnt, soll die Schweißfläche so klein wie möglich
sein, solange die Schweißung stark genug ist, um die geschweißten Bänder zusammenzuhalten.
Die tatsächliche Schweißfläche wird bestimmt oder vorgegeben, indem man die Dicke
des amorphen Bandes berücksichtigt. Wenn das Band eine Dicke von ungefähr 10 bis
50 vm besitzt, kann die Schweißfläche ungefähr 0,01 bis 0,5 mm2 betragen.
-
Die Elektroden 4 sollten nicht stark gegen die Bandoberfläche gedrückt
werden, um eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften aufgrund von inneren
Spannungen zu vermeiden, die nach dem Schweißen bleiben können. In der Tat ist es
so, daß die Elektroden in dem Maße gegen die Bandoberfläche gedrückt werden, daß
die oberste Bandschicht in vollen Kontakt mit der darunter liegenden Bandschicht
gebracht wird, ohne eine wesentliche Verformung zu erleiden.
-
Infolgedessen bleibt keine signifikante oder wesentliche innere Spannung
in den geschweiPten Bändern.
-
Wie aus Figur 2 ersichtlich, sind die Elektroden 4 an einen Impulsgenerator,
der aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Kondensatoren 7 besteht, und eine
Gleichstromversorgung 8 angeschlossen, und ein Schalter 9 ist in einem der Drähte
5 vorgesehen. Während beide Elektroden 4 mit der äußersten Bandschicht 10 mit kleinem
Druck in der Nähe ihres Endes in Kontakt stehen, wird der Schalter 9 geschlossen,
so daß die in den Kondensatoren 7 gesammelte elektrische Energie freigegeben wird.
Der elektrische Strom fließt als Impuls durch die beiden Elektroden 4 und die zwischen
ihnen liegende Bandschicht. Aufgrund des hohen
Kontaktwiderstandes
zwischen der jeweiligen Elektrode 4 und der Bandoberfläche wird momentan Wärme an
den Kontaktstellen erzeugt, die das Bandmaterial schmilzt. Da das Band 10 sehr dünn
ist, ist die momentane Erhitzung mit kleiner Energie ausreichend, um die äußerste
Bandschicht 10 und die darunter liegende Schicht 11 zu schmelzen. Eine Reihe der
darunter liegenden Schichten kann geschmolzen werden, wenn eine relativ große Energiemenge
aus den Kondensatoren 7 freigegeben wird. Solange die Schweißflächen ausreichend
klein sind, ist dies zulässig. Es darf jedoch darauf hingewiesen werden, daß es
wesentlich ist, die äußerste Schicht 10 und die direkt darunter liegende Schicht
11 zu schmelzen.
-
Dies kann in einfacher Weise erreicht werden, indem man beide Elektroden
auf derselben Seite des Bandes anordnet.
-
Ein Schweißvorgang kann ausreichend sein, um die äußerste Bandschicht
fest an der darunter liegenden Schicht zu befestigen. Es können jedoch auch eine
Reihe von Schweißvorgängen durchgeführt werden, um zu gewährleisten, daß sich die
äußerste Bandschicht nicht abschält, auch wenn ein oder mehrere Paare von Schweißungen
beschädigt oder zerstört werden.
-
Da die Elastizität des amorphen Bandes dazu dient, die Gesamtform
des gewickelten Kernes aufrecht zu erhalten, dessen äußerste Bandschicht geschweißt
wird, braucht das innere Ende des Bandes nicht geschweißt zu werden. Wenn jedoch
die Gefahr besteht, daß sich das innere Ende des Bandes von der benachbarten bzw.
angrenzenden Bandschicht trennt oder löst, sollte es auch mit dem oben beschriebenen
Verfahren angeschweißt werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf
Ausführungsbeispiele erläutert.
-
Beispiel 1 Ein Band aus einer amorphen Legierung mit 10 mm Breite
und 20 vm durchschnittlicher Dicke aus einer Legierung auf Co-Basis wurde toroidförmig
aufgewickelt. Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:
Co
: 70,5 Atom-% Fe : 4,5 Atom-% Si : 10 Atom-% B : 15 Atom-% Das morphe Band hatte
einen spezifischen Widerstand von 120 pQcm.
-
Das Anschweißen des Bandendbereiches an die darunter liegende Bandschicht
wurde durchgeführt unter Verwendung von zwei Elektroden mit stumpfer Spitze, die
aus reinem Cu bestanden. Die Elektroden wurden mit der Bandoberfläche in Kontakt
gebracht. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden betrug ungefähr 3 mm. Die in
den Kondensatoren 7 angesammelte Gesamtenergie variierte von 0,05 bis 175 Joule,
wie es in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben ist. Bei jedem Energiewert wurden
100 Schweißpunkte mit 50 Schweißoperationen unter gleichen Bedingungen hergestellt.
Jeder Schweißpunkt wurde im Hinblick auf die Schweißfestigkeit in einer Richtung
im wesentlichen senkrecht zur Schweißrichtung gemessen, d.h. im wesentlichen in
Längsrichtung des gewickelten Bandes. Die Schweißrate wurde erhalten durch Zählen
der Schweißpunkte, deren Schweißfestigkeit höher als 20 g war, und durch Berechnen
ihres Prozentsatzes auf der Basis der Gesamtschweißpunkte. Die Resultate sind in
Tabelle 1 zusammengestellt.
-
Tabelle 1 Serie Gesamtenergie (Joule) Schweißrate (%) 1 0,05 0 2
0,10 26 3 0,50 77 4 1,0 95 5 5,0 100 6 10,0 100 7 50,0 87
Fortsetzung
Tabelle 1 Serie Gesamtenergie (Joule) Schweißrate (%) 8 100 52 9 125 20 10 150 23
11 175 19 Diese experimentellen Resultate zeigen, daß gute Schweißungen erhalten
werden können mit Gesamtenergiewerten von 0,5 bis 100 Joule, insbesondere bei 1,0
bis 50,0 Joule. Es wurde beobachtet, daß eine zu hohe Energie zu einer geringen
Schweißrate führt, da das Bandmaterial an den Schweißpunkten weggeschmolzen wurde.
-
Da dabei der spezifische Widerstand der amorphen Legierung des Bandes
120 pQcm betrug und der Abstand zwischen den beiden Elektroden 3 mm ausmachte, ist
einsichtig, daß 90 % der elektrischen Ladung Q innerhalb von 10## 5 Sekunden freigegeben
wurde.
-
Beispiel 2 Die geschweißten gewickelten Kerne der Serien 3 bis 7 gemäß
Beispiel 1 wurden im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften gemessen und es
wurde ein Vergleich mit einem gewickelten Kern aus demselben Band der amorphen Legierung
durchgeführt, wobei das äußere Ende des Bandes am Kern mit einem nicht-magnetischen
Draht befestigt war anstatt einer Schweißung, um eine Kontrolle vorzunehmen. Die
Messungen wurden bei 10 Proben für jede der Serien 3 bis 7 und für die Kontrollserie
durchgeführt. Die Resultate sind in Tabelle 2 angegeben, wobei die Zahlenwerte die
Durchschnittsergebnisse angegeben.
-
Tabelle 2 Magnetische Eigenschaften Serie Koerzitiv- Rechtwinkligkeit
Kernverlust kraft (mole) (z) ~ (2KG/20KHz) (mW/cm3) 3 9.0 93 22 4 8,5 93 23 5 8,5
93 22 6 8,5 93 20 7 7,5 92 22 Kontrolle 8,0 93 22 Dieser Vergleich zeigt deutlich,
daß die Schweißungen gemäß der Erfindung die magnetischen Eigenschaften der amorphen
gewickelten Kerne überhaupt nicht verschlechtern.
-
Wie oben erwähnt, werden mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren
gute Schweißungen mit minimalen Schweißflächen erzeugt. Da die Schweißfläche sich
nur auf der Oberfläche des amorphen gewickelten Kernes befindet und auch sehr klein
ist, kühlt sich der Schweißfleck rasch ab. Da außerdem das Schweißen auf der Außenoberfläche
des Bandendbereiches durchgeführt wird, ohne den gewickelten Kern sowohl von seiner
O.uPenoberiläche als auch seiner Innenoberfläche einzuklemmen, gibt es keine inneren
Spannungen, die in den geschweißten gewickelten Kernen bleiben. Dementsprechend
nehmen die magnetischen Eigenschaften der amorphen gewickelten Kerne überhaupt nicht
durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren ab. Da außerdem das Schweißen von einer
Seite der Kerne, von außen oder von innen durchgeführt wird, ist es extrem leicht
und einfach, die Herstellung der geschweißten amorphen gewickelten Kerne weniger
kostspielig durchzuführen. Mit einem Impulsgenerator vom Kondensatortyp können optimale
Impulsbedingungen in einfacher Weise vorgegeben 4 werden, indem man die Spannung
variiert, die an die Kondensatoren angelegt wird.