DE69324913T2

DE69324913T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer elektrischen verbindung

Info

Publication number: DE69324913T2
Application number: DE69324913T
Authority: DE
Inventors: Sylvain Briens; Jacques Delalle; Alain Lamome
Original assignee: Raychem NV SA; Raychem SA
Current assignee: Commscope Connectivity Belgium BVBA; Raychem SA
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: EP0634059A1; DE69324913D1; WO1993020596A1; US5579575A; CA2133101A1; JPH07505254A; ATE180109T1; GB9207174D0; EP0634059B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Verbindungen zwischen langgestreckten Körpern, insbesondere von elektrischen Verbindungen und speziell von Verbindungen zwischen elektrischen Drähten und Kabeln.
In vielen Fällen ist es erwünscht, eine Lötverbindung zwischen zwei oder mehr Drähten herzustellen. Dies kann beispielsweise durch Lötverbindungsvorrichtungen erreicht werden, die eine kleine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse aufweisen, die eine Lotmenge enthält. Die Drähte können in die Hülse eingeführt werden, nachdem die Enden abisoliert worden sind, und die Vorrichtung kann dann beispielsweise mit einer Heißluftpistole oder einer Infrarotlampe erwärmt werden, um die Hülse um die Drähte herum rückzustellen und das Lot im Inneren der Hülse zu schmelzen.
Eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Lötverbindung ist in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. WO92/00616 beschrieben. Diese Vorrichtung weist ein metallisches Verbindungselement in Form einer sich verjüngenden wendelförmigen Drahtspule, die in einer dimensionsmäßig wärmerückstellbaren Hülse angeordnet ist, und eine Lotmenge auf. Die Vorrichtung ermöglicht die Herstellung einer vorübergehenden oder anfänglichen elektrischen Verbindung, indem die Vorrichtung auf die Drähte geschraubt wird, und dann, nachdem die Verbindung beispielsweise elektrisch geprüft worden ist, kann die Vorrichtung erwärmt werden, um eine permanente elektrische Verbindung herzustellen.
Mit solchen Vorrichtungen ist es möglich, sehr zuverlässige Lötverbindungen herzustellen, die gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet sind. In vielen Fällen ist jedoch auf seiten des Technikers ein gewisses fachliches Können erforderlich, um sicherzustellen, daß das Lot vollständig geschmolzen wird, aber gleichzeitig ein Überhitzen der Drahtisolierung, der wärmerückstellbaren Hülse oder dergleichen zu verhindern.
Bei dem Versuch, ein Überhitzen zu verhindern, wird eine selbstregelnde Induktionserwärmung angewandt. Beispielsweise beschreibt die veröffentlichte EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 0 371 458 ein Verfahren zum Abschließen eines elektrischen Drahts an einer Verbinderanordnung, bei der ein Verbinderanschluß, der eine Lotfahne aufweist, eine dünne Schicht aus einer selbstregelnden Wärmequelle hat, die daran gebondet ist.
Die selbstregelnde Wärmequelle weist eine Folie auf, die eine erste Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierung, die einen niedrigen ohmschen Widerstand und eine minimale magnetische Permeabilität hat, und eine zweite dünne Schicht aus magnetischem Material, wie etwa eine Nickel-Eisenlegierung hat. Der elektrische Draht wird abgeschlossen, indem ein abisoliertes Ende des Drahts über der Lotfahne angeordnet wird.
Ein magnetisches Wechselfeld wird dann an die selbstregelnde Wärmequelle beispielsweise mit einer Frequenz von 13,56 MHz angelegt, was bewirkt, daß die Lotfahne erwärmt und das Lot geschmolzen wird und daß die Hülse schrumpft. Da die Wärmequelle selbstregelnd ist, kann sie auf eine vorgewählte Höchsttemperatur erwärmt werden, die ausreicht, um das Lot zu schmelzen und die Hülse aufzuschrumpfen.
Die EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs- Nr. 0 420 480 beschreibt ein alternatives Verfahren zum Abschließen eines elektrischen Drahts an einer Verbinderanordnung, wobei ein selbstregelnder Induktionsheizelement- Vorformling, der ein zweiteiliges Metallband aufweist, das eine erste Schicht aus nichtmagnetischem Metall, beispielsweise Kupfer, und eine zweite Schicht aus Metall hoher magnetischer Permeabilität, beispielsweise eine Legierung aus Nickel und Eisen hat, um ein abisoliertes Ende des abzuschließenden Drahts gecrimpt wird.
Eine wärmerückstellbare Hülse, die einen Lotvorformling enthält, wird dann an einem Verbinderanschluß installiert, und das abisolierte Ende des Drahts, auf das das zweiteilige Metallband gecrimpt ist, wird in die Hülse eingeführt. Das zweiteilige Metallband wird dann durch Induktion erwärmt, indem eine Induktionsspule um die Hülse herum angeordnet und ein Hochfrequenz-Wechselstrom von beispielsweise 13,56 MHz an die Spule angelegt wird.
Die Erwärmung des zweiteiligen Metallbands bewirkt das Schmelzen des Lotvorformlings und die Rückstellung der Hülse. Fakultativ kann ein vorläufiger Montageschritt ausgeführt werden, bei dem die wärmerückstellbare Hülse an dem Verbinderanschluß vorinstalliert wird, indem eine begrenzte Wärmemenge auf das Vorderende der Hülse aufgebracht wird, um ein Vorderende dazu zu veranlassen, sich um einen Teil des Anschlusses herum rückzustellen.
Ein weiteres Verfahren der Verwendung von selbstregelnder Induktionserwärmung zur Herstellung einer elektrischen Lötverbindung ist in der veröffentlichten EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 0 405 561 beschrieben. Bei diesem Verfahren weist das selbstregelnde Induktionsheizelement einen Vorformling auf, der innerhalb einer Länge von einem wärmerückstellbarem Schlauch um einen Lotvorformling entweder herumgewickelt oder in Anlage daran gewickelt ist.
Der Heizelement-Vorformling besteht aus einer ersten Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Dicke von beispielsweise 0,05 mm und einer zweiten Schicht aus magnetischem Material wie etwa Nickel-Eisenlegierung mit einer Dicke von beispielsweise 0,01 mm bis 0,015 mm gebildet. Der Vorformling ist als dünne Schicht ausgebildet und hat bevorzugt eine spiralförmige Gestalt, so daß sein Durchmesser leicht verringerbar ist, um es zu ermöglichen, daß die Hülse aus wärmerückstellbarem Schlauch bei Erwärmung auf ihre Rückstelltemperatur ihren Durchmesser verringert.
Die veröffentlichte EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 0 371 455 beschreibt eine andere Vorgehensweise in bezug auf selbstregelnde Induktionserwärmung. Bei dieser Vorgehensweise wird eine wärmerückstellbare Hülse, die einen Lotvorformling enthält, durch ein selbstregelndes Heizelementband, das um die Hülse herum gewickelt ist, erwärmt.
Das Band weist eine erste Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Dicke von beispielsweise 0,05 mm und eine zweite Schicht aus magnetischem Material, wie etwa Nickel-Eisenlegierung mit einer Dicke von beispielsweise 0,01 mm bis 0,015 mm auf. Das Band wird entweder durch Induktion oder durch direktes Anlegen eines Wechselstroms erwärmt, und die in dem Band erzeugte Wärme bringt den Lotvorformling zum Schmelzen und bewirkt, daß sich die Hülse rückstellt.
Diese Vorgehensweise kann manchmal dazu eingesetzt werden, Lotfahnen des in der EP 0 371 458 beschriebenen Typs abzudichten, wenn die Fahnen nicht dazu genutzt werden, einen elektrischen Draht abzuschließen. In diesem Fall kann das Band dazu verwendet werden, einen Endbereich der Hülse, der nicht um die Lotfahne herum angeordnet ist, zu erwärmen und aufzuschrumpfen, und die Lotfahne kann durch Induktion erwärmt werden, um den Teil der Hülse, der über der Lotfahne angeordnet ist, zu erwärmen und aufzuschrumpfen.
Die Anwendung der Induktion als Mittel zum Erwärmen von Lötverbindungsvorrichtungen ist jedoch insofern mit einem Problem verbunden, als das Ausmaß, in dem die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung erwärmt werden, von der Beschaffenheit der Komponenten selbst sowie der Induktionswärmequelle abhängt.
Beispielsweise ist die Frequenz der Energiequelle, die benötigt wird, um die Temperatur der langgestreckten Körper, beispielsweise Kupferdrähte, auf die erforderliche Temperatur zu erhöhen, nicht die gleiche wie die, die benötigt wird, um das Lot zu schmelzen oder die Hülse rückzustellen.
Dies ist aus einer Betrachtung der Eindringtiefe ersichtlich, die durch die folgende Beziehung gegeben ist:
wobei δ die in Metern gemessene Eindringtiefe ist, ρ der spezifische Widerstand der betrachteten Komponente ist, u ihre relative magnetische Permeabilität ist und f die Frequenz des Wechselfelds der Arbeitsspule ist. Da der spezifische Widerstand und die magnetische Permeabilität der verschiedenen Komponenten verschieden sind, ist die Eindringtiefe verschieden und stimmt normalerweise mit der physischen Dicke der Komponenten nicht überein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einer Vielzahl von langgestreckten Körpern bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
(i) Herstellen einer anfänglichen Verbindung zwischen den langgestreckten Körpern, indem sie in ein durch Induktion aufheizbares Verbindungselement eines Verbinders eingeführt werden, wobei der Verbinder eine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse und, innerhalb der Hülse festgehalten, das Verbindungselement und einen Loteinsatz aufweist, der mit dem Verbindungselement in thermischem Kontakt ist; und
(ii) Erwärmen des Verbinders, wobei (a) das Verbindungselement einem Wechselmagnetfeld ausgesetzt wird, so daß es durch Induktion erwärmt wird, um dadurch den Loteinsatz zu schmelzen, und (b) das Äußere der Hülse Heißluft und/oder Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, um die Hülse zu veranlassen, sich rückzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einer Vielzahl von langgestreckten Körpern angegeben, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: einen Verbinder, der eine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse und, innerhalb der Hülse festgehalten, ein durch Induktion erwärmbares Verbindungselement und einen Loteinsatz in thermischem Kontakt mit dem Verbindungselement hat, und eine erste Wärmequelle, die eine Induktionsspule aufweist und dazu angeordnet ist, ein Wechselmagnetfeld zu erzeugen; und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine zweite Wärmequelle aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Heißluftstrom und/oder Infrarotstrahlung zu erzeugen, wobei die erste und die zweite Wärmequelle aneinander angrenzend so positioniert sind, daß beim Gebrauch der Vorrichtung die erste Wärmequelle wirksam ist, um den Verbinder durch Induktion zu erwärmen und dadurch den Loteinsatz zu schmelzen, und die zweite Wärmequelle Wärme auf das Äußere der Hülse aufbringt, um dadurch die Hülse zu veranlassen, sich rückzustellen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, daß die wärmerückstellbare Hülse und andere Komponenten des Verbinders mit stark unterschiedlichen physischen und elektrischen Eigenschaften bei der Herstellung der Verbindung im richtigen Ausmaß erwärmt werden können.
Ein Problem in Verbindung mit früheren Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Lötverbindungen besteht darin, daß eine oder mehrere der verschiedenen Komponenten des Verbinders normalerweise überhitzt werden, um sicherzustellen, daß eine andere der Komponenten ausreichend erwärmt wird. Wenn beispielsweise nur eine externe Wärmequelle, zum Beispiel Heißluft oder Infrarotstrahlung, verwendet wird, um sowohl die wärmerückstellbare Hülse rückzustellen als auch das Lot zu schmelzen, wird die rückstellbare Hülse häufig überhitzt, da die gesamte Wärme, die erforderlich ist, um das Lot zu schmelzen, durch die Hülse hindurchgehen muß.
Ein Überhitzen kann beispielsweise die Eigenschaften der Hülse verschlechtern und ist auf jeden Fall ineffizient und zeitaufwendig. Wenn jedoch alternativ nur eine innere Wärmequelle, beispielsweise Induktion, verwendet wird, kann das Lot überhitzt werden, weil die Wärmeleitung von einem inneren Heizelement zu dem Lot sehr viel rascher als die Leitung von dem Heizelement zu den Extremitäten der wärmerückstellbaren Hülse oder von dem Heizelement entlang den langgestreckten Körpern, beispielsweise Drähten, und durch die Drahtisolierung zu den Extremitäten der wärmerückstellbaren Hülse ist.
Ein Überhitzen des Lots kann bewirken, daß das Lot entlang den Drähten eine 'Dochtwirkung' entwickelt oder aus dem Ver binder 'spritzt', so daß Kurzschlüsse oder 'trockene' Verbindungen verursacht werden. Außerdem kann ein Überhitzen des Lots ein Überhitzen der Hülse in der Nachbarschaft des Lots bewirken und ist auf jeden Fall ineffizient und zeitaufwendig.
Die vorliegende Erfindung löst oder mindert zumindest die vorstehenden Probleme in Verbindung mit früheren Verfahren und Vorrichtungen, da sie es normalerweise ermöglicht, daß dem Lot die richtige Wärmemenge zugeführt wird, um es zu schmelzen, und daß der Hülse die richtige Wärmemenge zugeführt wird, um sie dazu zu veranlassen, sich rückzustellen, und zwar im wesentlichen ohne ein Überhitzen irgendwelcher Komponenten des Verbinders oder beispielsweise der Isolation von Drähten, die durch den Verbinder verbunden sind.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Verbinder durch die Heißluft und/oder die Infrarotstrahlung im wesentlichen gleichzeitig erwärmt. Dies hat insofern einen Vorteil, als nicht nur ein Überhitzen von Komponenten des Verbinders normalerweise vermieden wird, sondern als auch die Zeit, die zum Schmelzen des Lots und zum Rückstellen der Hülse gebraucht wird, im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren aufgrund der zwei sich ergänzenden Wärmequellen normalerweise signifikant verringert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft geeignet zur Herstellung einer Lötverbindung durch einen Verbinder, von dem sich ein Teil seiner dimensionsmäßig wärmerückstellbaren Hülse über wenigstens ein Ende des Verbindungselements hinaus erstreckt. In diesem Fall kann das Erwärmen des Verbinders nur durch Induktion ineffizient und zeitaufwendig sein, da mit zunehmender Erstreckung der Hülse von dem Verbindungselement weg die Wärmeübertragung von dem Verbindungselement zu dem Ende der Hülse weniger effizient und zeitaufwendiger wird. Gemäß dem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird also die Heißluft und/oder die Infrarotstrahlung auf einen Bereich der Hülse aufgebracht, der in Längsrichtung von einem Bereich der Hülse beabstandet ist, der das Verbindungselement, das durch Induktion erwärmt wird, festlegt.
Das Verbindungselement des Verbinders, das zur Herstellung der Lötverbindung verwendet wird, kann aus im wesentlichen nichtmagnetischem Material, beispielsweise Kupfer und insbesondere geglühtem Hartkupfer gebildet sein. Bevorzugt ist das Verbindungselement jedoch aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität gebildet.
Der Begriff "Material hoher magnetischer Permeabilität" soll ein Material bezeichnen, das bei niedrigen H-Feldern eine relative magnetische Permeabilität von wenigstens 5, stärker bevorzugt wenigstens 10 und insbesondere wenigstens 100 hat, die aber häufig 1000 oder höher ist. Das Verbindungselement ist normalerweise hohl und offenendig, so daß die Enden der Körper in es eingeführt werden können, und es hat bevorzugt ein Inneres mit einem Schraubengewinde, so daß sie eingeschraubt werden können und dann vorübergehend darin gehalten werden.
Das Verbindungselement kann auf verschiedene Arten und aus einer Reihe von Materialien hergestellt werden. Die Wärme kann in dem Element in Abhängigkeit von dem Material, aus dem das Element gebildet ist, durch Hystereseverluste oder durch Wirbelstromverluste oder durch beide Mechanismen erzeugt werden.
Beispielsweise kann das Element aus einem leitfähigen, im wesentlichen nichtmagnetischen Material, wie etwa Kupfer oder einem ferromagnetischen Material, wie etwa kohlenstoffarmem Stahl gebildet sein, in welchem Fall die Heizwirkung durch Wirbelstromverluste verursacht wird, oder es kann aus einem ferrimagnetischen Material wie etwa einem Ferrit gebildet sein, in welchem Fall die Heizwirkung auf Hystereseverlusten beruht.
Das Verbindungselement kann aus einem Draht hergestellt werden, der normalerweise zu einer kegelstumpfförmigen Konfiguration gewickelt wird, so daß der Draht selbst das Schraubengewinde an der Innenseite des Elements bildet. In diesem Fall kann der das Element bildende. Draht mit einem Paar von sich entlang seiner Länge erstreckenden ebenen Flächen versehen sein, die verbunden sind, um eine Rippe zu bilden, beispielsweise kann er einen polygonalen Querschnitt haben, um das Schraubengewinde ausgeprägter zu machen.
Ein solches Element hätte eine Form, wie sie allgemein in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. WO/9200616 gezeigt ist. Diese Form von Element kann wie auch andere aus Materialien, wie etwa Kupfer oder Stahl, insbesondere kohlenstoffarmem Stahl oder aus ferritischem rostfreiem Stahl gebildet sein. Alternativ kann das Element aus einem massiven Block, beispielsweise einem maschinell bearbeiteten Block gebildet sein oder durch andere Verfahren gebildet sein, in welchem Fall es aus einem Metall, wie oben beschrieben, oder aus einem nichtmetallischen Material hoher Permeabilität wie etwa Sinterferrit gebildet ist, insbesondere einem mit einer Curie-Temperatur im Bereich von 225 bis 250ºC.
Ein solches Material hat den Vorteil, daß es ermöglicht, daß das Heizverfahren den Gegenstand auf eine Temperatur im Bereich der Curie-Temperatur erwärmt, so daß das Lot zum Schmelzen veranlaßt wird (beispielsweise hat ein Sn&sub6;&sub3;Pb&sub3;&sub7;- Eutektikum einen Schmelzpunkt von 183ºC), die Heizleistung fällt jedoch bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punkts des Elements rasch ab und begrenzt dadurch den Temperaturanstieg des Gegenstands auf einen, der durch den Curie-Punkt des Elements bestimmt ist.
Wenn es erwünscht ist, das Maß der Kontrolle über den Erwärmungsschritt zu verbessern, ist es häufig möglich, die Verringerung der magnetischen Feldstärke in dem Bereich des Verbindungselements zu überwachen, während das Element seine Curie-Temperatur durchläuft, und diese Verringerung dazu zu nutzen, die Beendigung des Erwärmungsschritts zu steuern, beispielsweise durch Unterbrechen der Energieversorgung der Heizspule.
Gemäß der Erfindung stellt sich die rückstellbare Hülse zurück, und etwaiges Dichtungsmittel schmilzt hauptsächlich aufgrund der Wirkung der Heißluft und/oder Infrarotstrahlung, während die zu verbindenden Kupferleiter fast gänzlich durch Wärmeleitung von dem Verbindungselement erwärmt werden: In den meisten Fällen wird das Lot hauptsächlich durch Wärmeleitung von dem Verbindungselement erwärmt, obwohl ein beachtlicher Anteil der Erwärmung des Lots aufgrund der Heißluft oder des Infrarotheizelements erfolgen kann.
Wenn das Verbindungselement in Form einer Spule ausgebildet ist, fließt das Lot durch die Windungen der Spule in ihr Inneres und verbindet so die Leiter mit dem Element, und wenn das Element aus einem massiven Materialblock gebildet ist, dann ist es erforderlich, eine Anzahl von Löchern in dem Element zu bilden, um dem Lot Zugang in das Innere des Elements zu ermöglichen.
Wie oben erwähnt, ist die Hülse dimensionsmäßig wärmerückstellbar, d. h. der Gegenstand hat eine dimensionsmäßige Konfiguration, die zu einer erheblichen Änderung veranlaßt werden kann, wenn sie einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Gewöhnlich stellen sich diese Gegenstände beim Erwärmen in Richtung einer ursprünglichen Gestalt zurück, aus der heraus sie vorher verformt worden sind, aber der Ausdruck "wärmerückstellbar" umfaßt im vorliegenden Zusammenhang auch einen Gegenstand, der beim Erwärmen eine neue Konfiguration annimmt, auch wenn er vorher noch nicht verformt worden ist.
In ihrer üblichsten Form weisen solche Gegenstände eine wärmeschrumpfbare Hülse auf, die aus einem polymeren Material besteht, das die Eigenschaft eines elastischen oder plastischen Formgedächtnisses hat, wie es beispielsweise in den US-Patenten 2 027 962, 3 086 242 und 3 597 372 beschrieben ist. Wie beispielsweise in dem US-Patent 2 027 962 erläutert wird, kann die ursprüngliche dimensionsmäßig wärmestabile Form eine Übergangsform in einem kontinuierlichen Verfahren sein, bei dem beispielsweise ein extrudiertes Rohr im heißen Zustand zu einer dimensionsmäßig wärmeinstabilen Form aufgeweitet wird, aber bei anderen Anwendungen wird ein vorgeformter, dimensionsmäßig wärmestabiler Gegenstand in einer separaten Stufe zu einer dimensionsmäßig instabilen Form verformt.
Bei der Erzeugung von wärmerückstellbaren Gegenständen kann das polymere Material in jeder Phase der Herstellung des Gegenstands, die die gewünschte dimensionsmäßige Rückstellbarkeit steigert, vernetzt werden. Eine Möglichkeit der Herstellung eines wärmerückstellbaren Gegenstands umfaßt das Formen des polymeren Materials zu der gewünschten wärmestabilen Form, das anschließende Vernetzen des polymeren Materials, Erwärmen des Gegenstands auf eine Temperatur oberhalb des kristallinen Schmelzpunkts oder gegebenenfalls, bei amorphen Materialien, des Erweichungspunkts des Polymers, Verformen des Gegenstands und Abkühlen des Gegenstands, während er sich in dem verformten Zustand befindet, so daß der verformte Zustand des Gegenstands erhalten bleibt. Da der verformte Zustand des Gegenstands wärmeinstabil ist, bewirkt im Gebrauch das Aufbringen von Wärme, daß der Gegenstand seine ursprüngliche wärmestabile Gestalt annimmt.
Jedes Material, dem die Eigenschaft von dimensionsmäßiger Rückstellbarkeit verliehen werden kann, kann dazu verwendet werden, die Hülse zu bilden. Bevorzugte Materialien umfassen Polyethylen niedriger Dichte, mittlerer Dichte oder hoher Dichte, Ethylencopolymere, zum Beispiel mit alpha-Olefinen, wie etwa 1-Buten oder 1-Hexen, oder Vinylacetat, Polyamide oder Fluorpolymere, beispielsweise Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid oder Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer.
Das in dem Verbinder verwendete Lot ist im Unterschied zu einem Hartlötmaterial ein Weichlot. Das Lot kann beispielsweise einfach in Form einer eutektischen Sn&sub6;&sub3;Pb&sub3;&sub7;-Zusammensetzung sein, die schmilzt, während die Vorrichtung erwärmt wird und sich die Hülse rückstellt, oder es können mehr als eine Lotzusammensetzung verwendet werden, die unterschiedliche Schmelzpunkte haben, wie in der internationalen Anmeldung Nr. WO88/09068 beschrieben ist.
Bei dieser Form von Vorrichtung ergibt das Schmelzen der höherschmelzenden Komponente, beispielsweise eines Sn96,5Ag3,5-Eutektikums, eine Sichtanzeige, daß die Vorrichtung ausreichend erwärmt worden ist, um die niedrigerschmelzende Zusammensetzung zu schmelzen und eine zufriedenstellende Lötverbindung herzustellen. Falls erwünscht, kann das niedrigerschmelzende Lot eine nichteutektische Zusammensetzung sein, und, wie beispielsweise in der internationalen Anmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. WO90/09255 beschrieben ist, können die höher- und niedrigerschmelzenden Lotzusammensetzungen gemeinsam eine eutektische Zusammensetzung bilden.
Beispielsweise kann eine niedrigerschmelzende nichteutektische Sn&sub6;&sub0;Pb&sub4;&sub0;-Komponente mit einer höherschmelzenden Komponente, die aus Reinzinn gebildet ist, in solchen relativen Mengen verwendet werden, in denen ein Sn&sub6;&sub3;Pb&sub3;&sub7;- Eutektikum gebildet wird. Die Offenbarungen dieser zwei Patentanmeldungen werden hier summarisch eingeführt. Ein Vorteil der Verwendung eines Zweikomponentenlots und insbesondere einer Zinn/Sn&sub6;&sub0;Pb&sub4;&sub0;-Kombination ist, daß sie die Gefahr einer "Dochtwirkung" verringert, d. h. einer Bewegung des Lots entlang an den Leitern und weg von dem Verbindungsbereich, aufgrund einer Kapillarwirkung der verseilten Leiter, die durch zu langes Erwärmen der Vorrichtung hervorgerufen werden kann.
Das Lot kann überall dort positioniert sein, wo es imstande ist, in das Verbindungselement zu fließen, um eine Lötverbindung herzustellen, und wo es in gutem thermischem Kontakt mit dem Element ist. Das Lot kann in Form eines Rings oder in jeder anderen Form, beispielsweise in Form einer Kugel, verwendet und symmetrisch um die Hülsenachse herum angeordnet oder dazu versetzt sein.
Das Lotelement kann beispielsweise an dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Ende eines kegelstumpfförmigen Verbindungselements angeordnet sein, in welchem Fall es in Form einer Kugel oder eines Stöpsels sein kann, oder es kann im Bereich eines großen Durchmesser aufweisenden Endes des Verbindungselements beispielsweise in Form eines Rings angeordnet sein.
Bevorzugt ist das Lot in Form eines Elements, das das Verbindungselement umgibt, insbesondere wenn das Verbindungselement in Form einer Spule ist, so daß das geschmolzene Lot durch die Windungen der Spule in ihr Inneres fließen kann. Es kann mehr als eine Lotmenge verwendet werden, beispiels weise wenn das Verbindungselement mehr als eine sich verjüngende innere Oberfläche zur Bildung eines Spleißes hat.
Der Heißluft- und/oder Infrarot-Erwärmungsschritt kann vor oder nach dem Induktions-Erwärmungsschritt oder gleichzeitig damit durchgeführt werden. Wenn die zwei Erwärmungsschritte gleichzeitig ausgeführt werden, können die Heißluftpistole oder die Infrarotlampe in die Induktionsheizspule eingebaut sein.
Die Infrarot-Wärmequelle kann von einer hohlen steifen Komponente gebildet sein, die durch eine Induktionsspule erregt werden kann, wenn ein geeignetes Material für sie gewählt ist. Es kann zweckmäßig sein, eine einzige Induktions-Wärmequelle zu verwenden, indem die Induktionsspule der Infrarot-Wärmequelle mit einer Spule kombiniert wird, die zum Erwärmen des Verbindungselements verwendet wird. Bei dieser Anordnung können die vollständige Erwärmung des Verbinders und das Verbinden im wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
Wie oben erwähnt, weist die zweite Wärmequelle der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine hohle steife Komponente auf. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist die zweite Wärmequelle so angeordnet, daß sie durch Induktion erwärmt wird, und, nachdem sie erwärmt ist, Infrarotstrahlung erzeugt. Es wird besonders bevorzugt, daß die zweite Wärmequelle so angeordnet ist, daß sie von der ersten Wärmequelle erwärmt wird. Dies hat den Vorteil, daß nur eine Energiequelle erforderlich ist, um einen Gegenstand sowohl durch Induktion als auch durch Infrarotstrahlung zu erwärmen.
In Abhängigkeit von den speziellen Anforderungen und der Zusammensetzung des Verbinders kann die hohle steife Komponente aus jedem von einer Vielfalt von verschiedenen Mate rialien hergestellt sein und jede von einer Reihe von verschiedenen Formen haben. Für manche Anwendungen kann die Komponente beispielsweise aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, beispielsweise einem Ferrit oder kohlenstoffarmen Stahl, hergestellt sein, für andere Anwendungen jedoch kann das Element aus im wesentlichen nichtmagnetischem Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt sein. Die Wahl eines Materials, das für die speziellen Anforderungen am besten geeignet ist, erfolgt normalerweise auf empirischer Basis. Ebenfalls in Abhängigkeit von den speziellen Anforderungen kann die Komponente beispielsweise eine im wesentlichen zylindrische oder konische Gestalt haben, oder sie kann wenigstens eine Spule aufweisen.
Zusätzlich zu dem Verfahren und der Vorrichtung stellt die vorliegende Erfindung ferner eine Lötverbindung zwischen einer Vielzahl von langgestreckten Körpern bereit, die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; diese zeigen in:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Verbinders, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine seitliche Schnittdarstellung des Verbinders von Fig. 1 zusammen mit Drähten während des Erwärmungsschritts;
Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Form von Verbinder;
Fig. 4 und 5 teilweise weggeschnittene Ansichten von alternativen Formen eines Verbindungselement; und
Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen einer Form von Vorrichtung nach der Erfindung, die einen Verbinder zeigen, der gerade in die Vorrichtung eingeführt und erwärmt wird.
Wie aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, zeigt Fig. 1 einen Verbinder zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einer Anzahl von elektrischen Drähten 2, der eine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse 3, die aus vernetztem und aufgeweitetem Polyvinylidenfluorid hergestellt ist, und ein Verbindungselement 4 aufweist, das als kegelstumpfförmige Feder oder Spule aus kohlenstoffarmem Stahldraht ausgebildet ist.
Der Stahldraht kann einen Querschnitt beispielsweise in Form eines Quadrats oder eines Rhombus haben, bei dem Seiten, die Flächen an dem Draht bilden, unter einem Winkel von ungefähr 60º zu der einen benachbarten Seite und unter einem Winkel von ungefähr 120º zu der anderen benachbarten Seite angeordnet sind. Der Draht ist so gewickelt, daß die Rippen, die von den unter einem Winkel von 60º zueinander liegenden Flächen gebildet sind, an der Innenseite und der Außenseite des Elements angeordnet sind, wobei die innere Rippe ein Schraubengewinde zum Halten der zu verbindenden Drähte bildet.
Das eine Ende des Drahts, das an dem kleineren Durchmesser aufweisenden Ende des Verbindungselements 4 angeordnet ist, ist umgebogen, so daß es sich über die Achse der Spule erstreckt und ein zu weites Einführen der zu verbindenden Leiter verhindert. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Durchmesser der Spule 4 zu erweitern, indem die Enden des Kupferdrahts 5 nach außen erweitert und in ihrer neuen Position festgelegt werden.
Ein Ring 8 aus eutektischem Sn&sub6;&sub3;Pb&sub3;&sub7;-Lot ist um die äußere Oberfläche des Verbindungselements 4 herum zwischen dem Verbindungselement und der wärmeschrumpfbaren Hülse 3 angeordnet. Wie gezeigt, ist der Lotring relativ dick und kurz, wobei seine axiale Länge nur ungefähr das Zweifache der radialen Dicke ist, obwohl es in vielen Fällen erwünscht sein kann, daß der Ring dünner und länger ist, um den thermischen Kontakt mit dem Verbindungselement zu verbessern.
Das eine Ende der Hülse in dem Bereich des kleineren Durchmesser aufweisenden Endes des Verbindungselements ist auf ein kugelförmiges Abdichtelement 10, das aus einem schmelzbaren polymeren Material, beispielsweise Polyethylen, hergestellt ist, vorher rückgestellt, und ein weiteres Abdichtelement 11 in Form eines Rings ist innerhalb der Hülse angrenzend an das andere Ende des Verbindungselements 4 angeordnet.
Um eine elektrische Verbindung zwischen den Drähten 2 in einem Bündel herzustellen, werden ihre Enden abisoliert und in das offene Ende des Verbinders 1 eingeführt, bis sie an dem Ende des Drahts S anliegen, das über die Achse der Spule umgebogen worden ist und als Anschlag wirkt. Der Verbinder 1 wird dann leicht verdreht, um die Drähte 2 in das Verbindungselement 4 zu schrauben und den Verbinder auf den Drähten zu halten.
Sowohl die Drähte als auch der Verbinder werden dann in eine Induktionsheizspule 12 eingeführt, der Energie zugeführt wird. Während dieses Vorgangs erwärmt sich das Verbindungselement und bewirkt, daß der Lotring 8 schmilzt und durch die Windungen der Spule in ihr Inneres fließt und so eine Lötverbindung zwischen den Drähten und dem Verbindungselement herstellt.
Gleichzeitig mit dem Induktions-Erwärmungsschritt wird die Vorrichtung von außen kurz mit Heißluft aus einer Heißluftpistole 13 erwärmt. Die Temperatur, Durchflußrate und Erwärmungszykluszeit der Heißluftpistole werden so eingestellt, daß die Heißluft selbst den Lotring 8 nicht zum Schmelzen bringt, sondern bewirkt, daß die wärmerückstellbare Hülse 3 um die Drähte herum aufschrumpft und der Dichtring 11 schmilzt. Dadurch wird ein Stumpfspleiß, der gegenüber dem Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet ist, gebildet.
Fig. 3 zeigt eine Form eines Verbinders gemäß der Erfindung mit der in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. PCT/GB92/02257 beschriebenen Form zum Verbinden von einer oder mehreren Masseleitern mit der Abschirmung eines Koaxialkabels.
Diese Form von Verbinder weist eine wärmerückstellbare Polyvinylidenfluoridhülse 31 auf, die ein im allgemeinen diaboloförmiges Verbindungselement 32, Umwicklungen von zum Schmelzen gebrachtem eutektischem Sn&sub6;&sub3;Pb&sub3;&sub7;-Lot 33' und 33" und ein Paar von schmelzbaren Polyethylendichtringen 34' und 34" enthält, wobei jeweils ein Dichtring an jedem Ende des Verbindungselements 32 angeordnet ist. Wie oben beschrieben, ist das Verbindungselement durch Wickeln eines kohlenstoffarmen Stahldrahts, der einen quadratischen Querschnitt hat, gebildet worden.
Im Gebrauch wird ein zentraler Bereich des Außenmantels 35 eines Koaxialkabels 36 entfernt, um einen Bereich der die Abschirmung bildenden Umflechtung 37 freizulegen. Ein oder mehrere Masseleiter 38 können in ein offenes Ende des Verbindungselements 32 eingeführt werden, und das Element 32 kann dann um das Koaxialkabel 36 und den Masseleiter verdreht werden, um den Masseleiter zu ergreifen. Der Verbinder kann durch eine Induktionsspule und eine Heißluftpistole erwärmt werden, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, um einen abgedichteten Spleiß zu bilden.
Das Verbindungselement 32 kann erforderlichenfalls an seiner Taille aufgeweitet werden, um über Koaxialkabel eines Durchmesserbereichs zu passen, wobei der größte Durchmesser von der Größe der Kammer bestimmt ist, die von dem zentralen Abschnitt 38 der wärmerückstellbaren Hülse 31 gebildet ist. Das Vorsehen des Lots 33 in Form einer Umwicklung läßt zu, daß das Lot jede Größenzunahme des Verbindungselements aufnimmt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei weitere Verbindungselemente und Lotringe, die in Verbindern eingesetzt werden können, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese Form von Element 40, die gemäß Fig. 4 kegelstumpfförmig und gemäß Fig. 5 diaboloförmig ist, ist aus Sinterferrit, beispielsweise einem MnNi- oder NiZn-Ferrit hergestellt, der einen Curie-Punkt zwischen 200 und 250ºC hat.
Die Elemente 40 sind durch Formen oder maschinelles Bearbeiten von Vollkörpern des Ferrits hergestellt. Gewöhnlich ist es erforderlich, daß Löcher 41 in den Elementen vorgesehen sind, um es zu ermöglichen, daß das Lot 42 nach dem Schmelzen in das Innere des Elements fließt. Die Elemente 40 können an ihrer inneren Oberfläche mit Zähnen oder einem Schraubengewinde 43 versehen sein, um es zu ermöglichen, daß die Elemente die abisolierten Drahtenden ergreifen, die durch einen einfachen Verdrehvorgang verbunden werden sollen, wie oben beschrieben wurde.
Diese Formen von Verbindungselementen können in Verbindern, wie sie in den Fig. 1 und 3 beschrieben sind, exakt wie vorstehend beschrieben verwendet werden, mit der Ausnahme, daß die Geschwindigkeit, mit der die Elemente 40 Wärme erzeugen, beträchtlich abnimmt, wenn das Element seine Curie- Temperatur durchläuft, so daß die Gefahr eines Überhitzens in dem Induktions-Erwärmungsschritt verringert ist.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Verbinders 1, bevor er in eine hohle steife Komponente 52 und Induktionsspulen 51' und 51" der Heizvorrichtung 50 eingeführt wird. Die Induktionsspulen 51' und 51" können separate Spulen aufweisen, oder sie können Teile einer einzigen Spule sein. Die Komponente 52 weist eine im wesentlichen zylindrische Komponente auf, die im Inneren der Induktionsspule 51' angeordnet ist.
Fig. 7 zeigt den Verbinder 1 in der Vorrichtung 50 angeordnet und nach dem Herstellen der Verbindung. Um dies zu erreichen, ist ein Wechselstrom durch die Induktionsspulen 51' und 51" geleitet worden, der ein magnetisches Wechselfeld im Inneren der Spule erzeugt hat. Das magnetische Wechselfeld erwärmte das Verbindungselement 4 in einer ersten Erwärmungszone A durch Induktion in der Spule 51", und die Wärmeleitung von dem Verbindungselement hat einen Lotring 8 (in Fig. 1 gezeigt) zum Schmelzen gebracht.
Das von der Spule 51' erzeugte magnetische Wechselfeld hat die hohle steife Komponente 52 durch Induktion in einer zweiten Erwärmungszone B erwärmt, was die Komponente dazu veranlaßt hat, Infrarotstrahlung abzustrahlen, so daß die wärmerückstellbare Hülse 3 in der Zone B erwärmt und dazu veranlaßt worden ist, sich um die Drähte 2 herum rückzustellen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einer Vielzahl von langgestreckten Körpern, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(i) Herstellen einer anfänglichen Verbindung zwischen den langgestreckten Körpern (2; 36, 38), indem sie in ein durch Induktion aufheizbares Verbindungselement (4; 32) eines Verbinders (1) eingeführt werden, wobei der Verbinder eine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse (3; 31) und, innerhalb der Hülse festgehalten, das Verbindungselement und einen Loteinsatz (8; 33', 33") aufweist, der mit dem Verbindungselement in thermischem Kontakt ist; und

(ii) Erwärmen des Verbinders, wobei (a) das Verbindungselement (4; 32) einem Wechselmagnetfeld ausgesetzt wird, so daß es durch Induktion erwärmt wird, um dadurch den Loteinsatz zu schmelzen, und (b) das Äußere der Hülse Heißluft und/oder Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, um die Hülse zu veranlassen, sich rückzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbinder sowohl durch das Wechselmagnetfeld als auch die Heißluft und/oder Infrarotstrahlung im wesentlichen gleichzeitig erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei Heißluft und/oder Infrarotstrahlung auf einen Bereich der Hülse aufgebracht wird, der in Längsrichtung an einen Bereich der Hülse angrenzt, der das Verbindungselement festhält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Infrarotstrahlung auf die Hülse mit Hilfe eines Heizelements (13; 52) aufgebracht wird, das außerhalb der Hülse angeordnet ist und durch Induktion aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Wechselmagnetfeld, das das Verbindungselement erwärmt, durch eine Induktionsspule (51') erzeugt wird, die auch das Heizelement aufheizt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verbindungselement (4; 40) ein inneres Schraubengewinde (43) hat und wobei die anfängliche Verbindung zwischen den langgestreckten Körpern durch Einschrauben der Körper in das Verbindungselement hergestellt wird, so daß sie darin gehalten werden.

7. Vorrichtung (50) zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einer Vielzahl von langgestreckten Körpern (2; 36, 38), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

einen Verbinder (1), der eine dimensionsmäßig wärmerückstellbare Hülse (3; 31) und, innerhalb der Hülse festgehalten, ein durch Induktion erwärmbares Verbindungselement (4; 32) und einen Loteinsatz (8; 33', 33") in thermischem Kontakt mit dem Verbindungselement hat; und eine erste Wärmequelle, die eine Induktionsspule (51") aufweist und dazu angeordnet ist, ein Wechselmagnetfeld zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung ferner eine zweite Wärmequelle (51', 52) aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Heißluftstrom und/oder Infrarotstrahlung zu erzeugen, wobei die erste und die zweite Wärmequelle aneinander angrenzend so positioniert sind, daß beim Gebrauch der Vorrichtung die erste Wärmequelle wirksam ist, um den Verbinder durch Induktion zu erwärmen und dadurch den Loteinsatz zu schmelzen, und die zweite Wärmequelle Wärme auf das Äußere der Hülse aufbringt, um dadurch die Hülse zu veranlassen, sich rückzustellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmequelle (51") so ausgebildet ist, daß sie im Gebrauch um einen ersten Bereich des Verbinders herum angeordnet werden kann, und daß die zweite Wärmequelle (51', 52) dazu angeordnet ist, einen zweiten Bereich des Verbinders, der in Längsrichtung an den ersten Bereich des Verbinders angrenzt, zu umgeben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die zweite Wärmequelle (51', 52) so angeordnet ist, daß sie durch Induktion aufgeheizt wird und, wenn sie aufgeheizt ist, Infrarotstrahlung erzeugt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zweite Wärmequelle (51', 52) derart angeordnet ist, daß sie von der ersten Wärmequelle (51") aufgeheizt wird.