DE3212455C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltpreßschweißvorrichtung, mit einem Kaltpreßschweißvorrichtungs-Hauptteil, der zwei Gesenke bzw. Stempel aufweist, zwischen denen Kaltpreßschweiß-Werkstücke verpreßbar sind, und mit einem Antriebsmechanismus für die Stempel.

Eine Vorrichtung der genannten Art ist bekannt (J. Ruge, Handbuch der Schweißtechnik (1974) Seiten 322 bis 326).

Die Bedingungen für das Kaltpreßschweißen werden ent­ sprechend der auf den Preßschweißteil eines Werkstückes ausgeübten Preßschweißbelastung, d. h. der Verformungs­ größe dieses Teiles bestimmt.

Fig. 1 veranschaulicht eine Last/Verdrängungs-Kurve, welche die Beziehung zwischen einer auf ein dem Preß­ schweißen zu unterwerfenden Werkstück ausgeübten Preß­ schweißlast oder -belastung L(X) und der Verdrängung X des Preßschweißteiles des Werkstückes darstellt. Beim bisherigen Verfahren wird eine Fließbelastung LO an einem Fließpunkt (Streckgrenze) 4 des Werkstoffes eines Werkstückes einer bestimmten Größe berechnet. Der Ausdruck "Fließpunkt" bezieht sich auf die Werkstoff­ festigkeit; dieser Fließpunkt (Streckgrenze) liegt am Übergang zwischen einem anfänglichen linearen elasti­ schen Verformungsteil 2 und einem nicht linearen plastischen Verformungsteil 3 der Last/Verdrängungs­ kurve. Sodann wird eine optimale Belastung LA ermittelt, die in einer vorbestimmten Beziehung zur Fließlast LO steht. Unter gleichbleibenden Bedingungen wird somit das Kaltpreßschweißen unter Heranziehung dieser opti­ malen Belastung LA als Preßschweiß-Stopbedingung durch­ geführt. In der Praxis ändert sich jedoch die Last/Ver­ drängungskurve aufgrund von Dickenabweichungen der dem Preßschweißen zu unterwerfenden Werkstücke oder un­ gleichmäßiger Wärmebehandlung von einem Werkstück zum anderen. Aus diesem Grund wird die anfänglich einge­ stellte optimale Last LA häufig unzweckmäßig. In einigen Fällen wird der Bearbeitungs- bzw. Verformungsgrad zu groß, so daß die Festigkeit der gesamten preßgeschweiß­ ten Werkstücke beeinträchtigt wird. Andererseits kann auch der Verformungsgrad zu gering sein, worunter die Festigkeit der Preßschweißverbindung leidet.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Kaltpreßschweißvorrichtung, bei welcher zur Gewährlei­ stung eines einwandfreien Kaltpreßschweißvorganges die jeweils optimale Last oder Belastung für jedes der Kaltpreßschweißung zu unterwerfende Werkstück berech­ net wird. Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend von einer Kaltpreßschweißvorrichtung der einleitend ge­ nannten Art durch einen Preßschweiß-Lastdetektor zum Feststellen der an die Stempel angelegten Last, einen Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektor zur Fest­ stellung der Verdrängung oder Verschiebung der Preß­ schweiß-Werkstücke, wobei die Ausgangssignale des Preßschweiß-Lastdetektors und des Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektors eine Last/Verdrängungskurve der Kaltpreßschweiß-Werkstücke bestimmen, und eine arithmetische Operationsschaltung, die elektrisch an­ geschlossen ist, um die Ausgangssignale des Preßschweiß-Lastdetektors und des Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektors zu empfangen und die wirksam ist, um eine sekundäre Differenzierung der Last/Verdrängungskurve durchzuführen und dadurch einen Wendepunkt auf dieser Kurve festzustellen, eine optimale Last zum Durchführen des Kaltpreßschweißens auf der Basis der Preßschweißlast an dem Wendepunkt zu berechen, und um ein elektrisches Signal zur Beendigung des Kaltpreßschweißens zu liefern, wenn die Preßschweißlast die berechnete optimale Preß­ schweißlast erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die arithmetische Operationsschaltung eine Multi­ pliziereinrichtung zum Empfangen der Preßschweiß­ last an dem Wendepunkt der Last/Verdrängungskurve und zum Multiplizieren dieser Preßschweißlast auf.

Bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, für alle die verpressenden Werkstücke die jeweils optimale Preßschweißlast auf einfache Weise zu ermitteln, so daß jeder Preßschweißvorgang unter optimalen Bedingungen durchgeführt wird. Dies ist bei­ spielsweise von großer Bedeutung, wenn Halbleiter­ elemente eingekapselt werden, in welchem Fall das Kapselmaterial am Rand kalt verpreßt wird. Dieser Ver­ packungsvorgang stellt gewissermaßen eine Massenferti­ gung dar, bei welcher es nicht ausgeschlossen werden kann, daß aufeinanderfolgende Kapselmaterialwerkstücke geringfügig unterschiedliche Abmessung haben. Außerdem kann der Zustand des Werkstückmaterials sich ändern durch unterschiedliche Wärmebehandlung des Ausgangs­ materials für die Kapseln. Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung werden irgendwelche vorhandenen Unterschie­ de berücksichtigt, indem für jedes tatsächlich kalt zu verpressende Werkstück die optimale Preßschweißlast ermittelt wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Last/Ver­ drängungskurve für das Kaltpreßschweißen,

Fig. 2A und 2B eine Aufsicht auf ein Kaltpreßschweiß- Werkstück bzw. einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 2A,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kaltpreßschweißvorrichtung gemäß der Er­ findung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Kaltpreßschweiß­ vorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der sekundären Differenzierungskurve der Last/Verdrängungs­ kurve gemäß Fig. 1.

Fig. 2A und 2B veranschaulichen mit der zu beschrei­ benden Ausführungsform der Erfindung zu verarbeitende Kaltpreßschweiß-Werkstücke 6 a und 6 b, in deren Mittel­ bereichen jeweils kreisförmige Vertiefungen bzw. Ein­ drückungen ausgebildet sind. Wenn diese Werkstücke 6 a und 6 b mit einander zugewandten Vertiefungen aufein­ andergelegt bzw. zusammengesetzt werden, wird zwischen ihnen ein Aufnahmeraum 8 zur Aufnahme eines Halb­ leiterelements 7 oder dergleichen festgelegt. Wenn umlaufende Kaltpreßschweißteile bzw. Flansche 9 durch Kaltpreßschweißen miteinander verbunden werden, kann das Halbleiterelement 7 ohne Ausübung einer thermischen Belastung auf dieses in einer (durch die Werkstücke gebildeten) Kapsel 5 eingekapselt werden. Ein Hauptteil oder Mechanismus 10 einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Kaltpreßschweißvorgangs weist gemäß Fig. 3 zwei Gesenke bzw. Stempel 12 a und 12 b auf, die ihrerseits mit Ringflächen 11 a bzw. 11 b versehen sind, welche dem umlaufenden Schweißteil 9 zugewandt sind. Der Stempel 12 b ist auf einem Sockel 13 des Hauptteils 10 der Kaltpreßschweißvor­ richtung befestigt. Der Stempel 12 a ist mittels eines Antriebsmechanismus 14 (d. h. eines nicht dar­ gestellten Hydraulikkreises) des Hauptteils 10 in Richtung des Pfeils A lotrecht bewegbar. An diesem Antriebsmechanismus 14 ist ein in Fig. 4 dargestellter Weg- bzw. Verschiebungsdetektor 15, z. B. ein Differen­ tialtransformator, montiert, welcher die Größe der Verschiebung des Stempels 12 a während des Kaltpreß­ schweißvorgangs, d. h. die Größe der Verdrängung der Werkstücke 6 a und 6 b an den Schweißteilen 9 feststellt. Am Antriebsmechanismus 14 oder am Sockel 13 ist ein Last­ detektor 16, etwa eine Lastmeßzelle zur Erfassung der Preßschweißbelastung montiert. Der Verschiebungs­ detektor 15 und der Lastdetektor 16 sind über Ver­ stärker 17 bzw. 18 elektrisch mit einer Datenübertragung 19 verbunden, welche die Verbindungen zu den Ver­ stärkern 17 und 18 in kurzen Zeitabständen abwechselnd umschaltet. Die Datenübertragungseinheit 19 ist mit einem Analog/ Digital- bzw. A/D-Wandler 20 verbunden, der seiner­ seits an eine Rechenoperations-Steuerschaltung 21 angeschlossen ist, die aus einem Mikrorechner bestehen kann und Daten zu speichern, andere Teile anzusteuern sowie arithmetische bzw. Rechenoperationen durchzu­ führen vermag. Diese Steuerschaltung 21 ist mit einer Antriebssteuerschaltung 22 zur Steuerung des An­ triebsmechanismus 14 verbunden.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der beschriebenen Kaltpreßschweißvorrichtung erläutert. Wenn der Antriebsmechanismus 14 zur Einleitung des Kalt­ preßschweißens der Werkstücke 6 a und 6 b betätigt wird, drücken die Ringflächen 11 a und 11 b der Stempel 12 a bzw. 12 b gegen die Schweißteile 9 der Werkstücke 6 a und 6 b an. Vom Verschiebungsdetektor 15 und vom Lastdetektor 16 werden hierbei Signale SA bzw. SB abgegeben, welche durch die Datenübertragungseinheit 19 in äußerst kurzen Zeitabständen abwechselnd dem A/D-Wandler 20 zugeführt werden. Vom A/D-Wandler 20 abgegebene Digitalsignale SA und SB werden der Rechenoperations-Steuerschaltung 21 zugeführt und in dieser sequentiell gespeichert. Im Verlauf des Kaltpreßschweißvorgangs ändern sich die Preßschweiß­ last L(X) und die Verdrängung X des Kaltpreßschweiß­ teils entsprechend der Last/Verdrängungskurve 1 gemäß Fig. 1. Auf der Grundlage der in der Rechen­ operations-Steuerschaltung 21 gespeicherten Digital­ signale SA und SB führt diese Steuerschaltung 21 eine zweifache Differenzierung durch, um dabei eine sekun­ däre Differenzierungskurve L′′(X) gemäß Fig. 5 abzuleiten. Hierbei wird der Nulldurchgangspunkt 23 der sekundären Differenzierungskurve L′′(X) auf der Grundlage der Tatsache erfaßt, daß der an­ fängliche Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungs­ kurve 1 mit dem Fließpunkt (Streckgrenze) zusammenfällt. Es ist bekannt, daß die Fließlast LO am Punkt 23 auf der Kurve gemäß Fig. 5, d. h. am Punkt 4 der Kurve gemäß Fig. 1, in einem vorbestimmten Verhält­ nis zur optimalen Belastung oder Last LA für das einwandfreie Kaltpreßschweißen der Werkstücke 6 a und 6 b steht, vorausgesetzt, daß die Werkstücke 6 a und 6 b jeweils aus demselben Werkstoff bestehen. Auf der Grundlage dieser Tatsache wird die Fließlast LO mit einem Koeffizienten multipliziert, der nach Maßgabe der Werkstoffeigenschaften der Werkstücke 6 a und 6 b vorgegeben wird. Auf diese Weise wird die optimale Last oder Belastung LA berechnet. Danach vergleicht die Rechenoperations-Steuerschaltung 21 die tatsächliche Preßschweißlast L(X) entsprechend dem Signal SB mit der optimalen Last LA. Wenn die Preßschweißlast L(X) die optimale Last LA er­ reicht, gibt die Rechenoperations-Steuerschaltung 21 ein Antriebsstopsignal SC zur Antriebssteuerschaltung 22 ab, um die Betätigung des Antriebsmechanismus 7 zu beenden; der Kaltpreßschweißvorgang ist hierauf abgeschlossen. Der Kaltpreßschweißvorgang wird für die einzelnen, paarweise zusammengesetzten Werkstücke 6 a und 6 b jeweils auf diese Weise durchgeführt. Da hierbei der dem Werkstoff der Werkstücke 6 a und 6 b eigene Wendepunkt als Änderungs­ punkt auf der Last/Verdrängungskurve 1 für die Be­ rechnung der optimalen Last oder Belastung LA heran­ gezogen wird, kann die richtige, optimale Last LA ermittelt werden. Da weiterhin die optimale Last LA durch Multiplizieren der Fließlast LO mit einem vorbestimmten Koeffizienten erhalten wird, läßt sich diese optimale Last LA durch entsprechende Änderung des Koeffizienten einfach neu einstellen, wenn sich der Werkstoff der Werkstücke 6 a und 6 b ändert.

Bei der erfindungsgemäßen Kaltpreßschweißvorrichtung empfängt die Rechenoperations-Steuerschaltung die vom Verschiebungsdetektor und vom Lastdetektor am Haupt­ teil der Kaltpreßschweißvorrichtung abgegebenen Signale, und sie berechnet einen Änderungspunkt auf einer Last/ Verdrängungskurve. Auf der Grundlage der Preßschweiß­ last am Änderungspunkt berechnet die Rechenoperations- Steuerschaltung dann die für die Eigenschaften des Werkstoffs der zu verschweißenden Werkstücke optimale Last bzw. Belastung. Wenn die tatsächliche Last oder Belastung diese optimale Last erreicht, bewirkt die Rechenoperations-Steuerschaltung die Beendigung des Kaltpreßschweißvorgangs. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit der Kaltpreßschweißvorgang mit einer jeweils optimalen Last oder Belastung für jeden einzelnen Werkstücksatz in Übereinstimmung mit den Werkstoffeigenschaften dieser Werkstücke durch­ geführt werden. Auch bei einer Änderung der Härte oder Dicke der Werkstücke darf der Verformungsgrad nicht zu groß werden, weil sonst die Festigkeit der Werkstücke insgesamt herabgesetzt werden würde, aber auch nicht zu niedrig sein, weil dies zu einer zu geringen Festigkeit der Kaltpreß­ schweißverbindung führen würde. Mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung werden dagegen die Güte des Erzeugnisses und das Fertigungsausbringen verbessert.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die optimale Last oder Belastung durch Multiplizieren der Last am Wendepunkt mit einem vor­ bestimmten Koeffizienten berechnet. Je nach den Werkstoffeigenschaften der dem Kaltpreßschweißen zu unterwerfenden Werkstücke kann jedoch die optimale Last auch dadurch berechnet werden, daß eine vorbe­ stimmte Last oder Belastung der Last am Wendepunkt hinzuaddiert wird. Bei der beschriebenen Ausführungs­ form wird der anfängliche Wendepunkt auf der Last/Verdrängungskurve zur Berech­ nung der optimalen Last herangezogen. Es kann jedoch auch der beim Überlappungspreßschweißen auftretende zweite Wendepunkt hierfür benützt werden. Ebenso braucht für diesen Zweck nicht unbedingt der Wendepunkt benutzt zu werden. Beispielsweise kann wahlweise ein Punkt, an dem sich der Gradient (primäre differenzierte Größe) der Last/Verdrängungs­ kurve um eine vorbestimmte Größe ändert, als Bezugs­ punkt zur Berechnung der optimalen Last benutzt werden. Als Bezugswert für die Berechnung der opti­ malen Last oder Belastung kann jeder beliebige Änderungspunkt auf der Last/Verdrängungskurve herangezogen werden. Während bei der beschriebenen Ausführungsform die Rechenoperations-Steuerschal­ tung ein Mikrorechner ist, kann diese Steuer­ schaltung auch (andere) Hardware enthalten. Das Er­ findungsprinzip ist auf das Kaltpreßschweißen ver­ schiedener Werkstoffarten anwendbar. Die Erfindung ist nicht nur auf das Kaltpreßschweißen bei Umgebungstemperatur anwendbar, sondern auch auf das Preßschweißen bei Temperaturen unterhalb der Rückkristallisationstemperatur der verwendeten Metallwerkstoffe, z. B. auf Temperaturen von 400°C oder darunter.

Claims (2)

1. Kaltpreßschweißvorrichtung, mit einem Kaltpreßschweiß­ vorrichtungs-Hauptteil (10), der zwei Gesenke bzw. Stempel (12 a, 12 b) aufweist, zwischen denen Kaltpreß­ schweiß-Werkstücke (6 a, 6 b) verpreßbar sind, und mit einem Antriebsmechanismus (14) für die Stempel, gekennzeichnet durch
einen Preßschweiß-Lastdetektor (15) zum Feststellen der an die Stempel (12 a, 12 b) angelegten Last,
einen Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektor (16) zur Feststellung der Verdrängung oder Verschiebung der Preßschweiß-Werkstücke (6 a, 6 b), wobei die Ausgangssigna­ le des Preßschweiß-Lastdetektors und des Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektors eine Last/Verdrängungskurve (1) der Kaltpreßschweiß-Werkstücke bestimmen, und
eine arithmetische Operationsschaltung (21), die elek­ trisch angeschlossen ist, um die Ausgangssignale des Preßschweiß-Lastdetektors (15) und des Verdrängungs- oder Verschiebungsdetektors (16) zu empfangen und die wirksam ist, um sekundäre Differenzierung der Last/ Verdrängungskurve (1) durchzuführen und dadurch einen Wendepunkt auf dieser Kurve festzustellen, eine opti­ male Last (LA) zum Durchführen des Kaltpreßschweißens auf der Basis der Preßschweißlast an dem Wendepunkt zu berechnen, und um ein elektrisches Signal zur Beendi­ gung des Kaltpreßschweißens zu liefern, wenn die Preß­ schweißlast (L(X)) die berechnete optimale Preßschweiß­ last (LA) erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die arithmetische Opera­ tionsschaltung (21) eine Multipliziereinrichtung aufweist zum Empfangen der Preßschweißlast an dem Wendepunkt der Last/Verdrängungskurve (1) und zum Mul­ tiplizieren dieser Preßschweißlast.