EP0849770B1 - Verfahren zur Herstellung von helikal gewickelten Wendelkörpern - Google Patents

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EP0849770B1
EP0849770B1 EP97121787A EP97121787A EP0849770B1 EP 0849770 B1 EP0849770 B1 EP 0849770B1 EP 97121787 A EP97121787 A EP 97121787A EP 97121787 A EP97121787 A EP 97121787A EP 0849770 B1 EP0849770 B1 EP 0849770B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
wire
winding wire
winding
coil
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97121787A
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English (en)
French (fr)
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EP0849770A2 (de
EP0849770A3 (de
Inventor
Jürgen Eder
Reinhard Sprenger
Hans Liermann
Peter Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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Publication of EP0849770A3 publication Critical patent/EP0849770A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21F—WORKING OR PROCESSING OF METAL WIRE
    • B21F35/00—Making springs from wire
    • B21F35/006—Double-twist coil springs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00—Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02—Manufacture of incandescent bodies

Definitions

  • the invention relates to methods for producing helically wound spiral bodies according to the preamble of claim 1 or claim 2.
  • Es are either incandescent in the sense of simple or also double coiled filament for incandescent lamps according to the generic term of claim 1 or for coils for pin electrodes of high-pressure discharge lamps according to the preamble of claim 2.
  • EP-A 149 282 already discloses a process for producing helically wound Incandescent known.
  • the filament (coil) is then wound onto the core wire heated to approx. 1900 to 2200 ° C to reduce tensions, for example by means of laser, high frequency or resistance heating of the core wire.
  • the glow wire is held on the core wire.
  • This cumbersome Procedure is necessary because of the inside diameter of the coil is adapted to the outside diameter of the cored wire and therefore not too avoid that the coil sticks to the core wire.
  • a similar process involving heat treatment of the filament for removal the voltages and then triggering the core wire the spiral is also known from DE-OS 34 35 323 and JP-OS 49-67 481.
  • the latter used as a means of heating the coil to a temperature a lamp between 600 and 900 ° C.
  • a method according to the invention for producing helically wound incandescent bodies uses the technique which is known per se, in which a glow wire made of high-melting material, usually tungsten, is wound onto a core wire and is thermally treated, and is then separated and the core wire is detached.
  • a glow wire made of high-melting material usually tungsten
  • the new process is based on the idea of winding wire material to influence thermally already during the winding process. Across from conventional methods, in which you also put the filament on one Endloskem winds, you save the subsequent operation of the Relaxation annealing on the core wire in the pulling process. In particular it must be ensured that the radius of curvature of the Coil on which the glow wire subsequently acts after exposure to temperature is wound, is small compared to the axial length of those to be produced from it Mantles. In a particularly preferred embodiment the spiral is separated immediately after winding, so that on a winding can be dispensed with.
  • the winding material is additional through the winding process elastic deformation up to the yield point of the wrapping material forced the so-called torsional stress.
  • the first method step according to the invention is that the filament is thermally treated.
  • the filament In the case of the manufacture of incandescent bodies, the filament must be on a Temperature brought close to the recrystallization temperature of the material become. A temperature in the range between is preferably suitable for this 60 and 90% of the recrystallization temperature. In the case of tungsten this means that the filament reaches a temperature of more than 1200 ° C, preferably more than 1400 ° C is brought. The recrystallization temperature the tungsten is around 1800 C.
  • the heated filament is used in both embodiments or coil body wound on the core.
  • a noticeable cooling to prevent the spiral produced in this way from heating up of the spiral takes place close to the core.
  • Core here includes both core wires and solid core pins.
  • the spiral is still hot, but has already cooled slightly sporadically. If the spiral is still too hot before separating, it runs it is colored or oxidation can occur. In the worst case the spiral opens too little or not at all. It also hangs the so-called life of the core.
  • the finished spiral has the Separate a residual voltage that occurs immediately after the separation translates into an increase in the inside diameter of the helix, so that the coil loses intimate contact with the core wire. It is sitting only loosely on the core wire.
  • the thermal treatment is preferably carried out for both embodiments the winding wire by means of a plasma torch.
  • a plasma torch The principle of such Plasma torches are described in more detail, for example, in NL-A 71 12 767.
  • Plasma can be, for example, argon, helium, hydrogen, nitrogen and use their mixtures.
  • the plasma is burnt in the free gas stream, in particular argon, an argon / nitrogen mixture or an argon / hydrogen mixture is used becomes.
  • nitrogen can also be used as a protective gas cone become.
  • Both the anode and the cathode are advantageously located of the plasma torch in the burner housing.
  • the filament should advantageously have a temperature of more before winding reach than 1200 ° C.
  • An interchangeable core is particularly well suited for the production of the glow wire (Machine core) as the core, since this stabilizes the winding process and Tolerances in the winding process minimized. It is recommended that the machine core made of thermally resilient (in the temperature range around 1800 ° C) Material such as Spring steel or tungsten. The machine core should tolerate temperatures up to more than 1800 ° C.
  • the material of the winding wire is typical Tungsten, possibly with additives such as potassium, silicon, aluminum and / or thorium can be doped.
  • the new method of the first embodiment is used in manufacturing achieved by incandescent bodies that by the winding process in the Helix introduced tension due to the previously made thermal treatment is influenced so that the spiral after able to separate due to the stored mechanical energy is to jump open radially.
  • the radial jump is exactly that above described elastic residual stress component. Because of this, this resolves Spiral automatically from the core wire, in contrast to the prior art, where this step is the biggest problem.
  • the surprising property that the spiral is particularly advantageous remains almost dimensionally stable in the axial direction.
  • the axial opening is analog to turn a spring also elastic and is reflected in the reduction of the wound turns in compliance with the given Winding length.
  • the small axial is expressed Residual voltage in that they have only a slight spread of Total length of the helically wound filament causes.
  • the temperature during the thermal pretreatment is the first Embodiment just chosen so that the desired final The inner diameter of the helix automatically due to the radial opening after separating.
  • the exact one depends on the specific individual case Dimensioning essentially of the diameter of the core and winding material, on the temperature and also on the winding speed.
  • the increase in the inside diameter of the spiral caused by radial opening is type-specific and moves in one area from 2 to 30%.
  • the desired dimensions can be of the spiral with a compared to the prior art achieve smaller core wire.
  • the procedure In the case of the double-coiled filament, the procedure must be modified by using a conventionally made endless primary helix, that is still wound on a core wire, as core wire is used for a secondary helix. The procedure described above is then used to make the secondary helix. After that Then the further processing steps or the triggering directly of the primary nucleus.
  • the method is suitable for all known diameters of the core wire or glow wire and is applicable to all known gradients.
  • Diameter of the glow wire and core wire is due increasing surface adhesion a tendency to glue the glow wire observed with the core wire.
  • This so-called revolver technique enables a longer period of use (Service life) of a machine core.
  • Revolver technology means one automatic feeding of a material before the n + 1-th process step, however after completion of the previous nth process step. With a revolver, this corresponds to the automatic feeding of the next one Cartridge chamber and contents after firing a shot.
  • a second area of application is pin electrodes for discharge lamps with spirals attached.
  • Such electrodes are made of, for example US-A 3 067 357 known.
  • such electrodes can be produced by particularly high in the thermal heat treatment of the winding wire Temperatures in the range of the recrystallization temperature used Materials are used. In the case of tungsten temperatures preferably around or just above 1800 ° C. This will the elastic residual tensions which cause the helix to spring open, prevented. In this way, the winding wire on the core pin or "Burn" the electrode shaft.
  • the impressed tensions are nothing more than one forced minimal change in the crystal lattice of a grain or Crystallites that also differ in bond lengths, angles and bond forces reflect. Smeared with every temperature increase of a material the position of the atoms in the crystal lattice more, i.e. their location will be for a special structure is becoming ever more unfavorable in energy terms and even a reversible one Phase transformation (e.g. conversion of the ⁇ phase of a crystal into the ⁇ phase), being above a certain temperature for the prevailing Taken a different, energetically more favorable structure becomes. The sum of the microscopic lattice distortions gives the macroscopic Residual stresses.
  • the press fit is the reverse of the winding technique of incandescent bodies. This is because an elastic electrode coil becomes retrofitted provided with a core pin, the outer diameter of which is larger than the inside diameter of the electrode coil. The electrode coil is expanded. The elastic deformation generated by the Feeding the pen a resilient force. Thus the pen is by means of Friction of the individual turns recorded.
  • the coil is normally slid on and then welded to the core pin or the core pin is added later inserted into the helix (press fit).
  • the process does not require welding or pressing, since the Helps hold the core well on its own.
  • one is Damage to the electrode (embrittlement), as occurs during the welding process unavoidable would no longer be possible.
  • a displaceable machine core 1 made of spring steel is on one End in a holder 2a and at the other end in a counter holder 2b guided by means of a radial forming and clamping device 15. It can be withdrawn or pushed out in the holder 2a become.
  • a stationary machine core can also be used and a moving wire feed unit can be used.
  • a glow wire 3 is coming as a winding material from a supply coil 6, whose axis 8 is arranged parallel to the machine core 1, by means of a wire feed (not shown) on the machine core 1 to one Coil 13 wound in compliance with a predetermined slope, the is set by means of a pitch drive 9.
  • a section of the glow wire 3 hits the machine core 1, it is thermally treated by means of a plasma torch 4.
  • the plasma heating takes place in the free gas stream by means of an argon plasma 5
  • Plasma torch is only in operation, while a winding drive 12 and Incline drive 9 are active. If the intended length of a filament is wound, a wire cutter 7 comes into action and lengthens the Illuminant off. The coil jumps up and can be easily stripped off, while the machine core 1 is retracted. Immidiatly after the wire feeder starts again and the plasma torch enters again Action.
  • a suitable machine control with appropriate drives ensures the combination of winding process and at the same time thermal treatment of the winding material depending on the speed.
  • a simply coiled filament 10 for festoon lamps 20 (Halogen incandescent lamps) with four luminous segments (each about 70 narrow Turns) and three interruptions (five each wide turns) and two ends (eight wide turns each).
  • the machine core consists of spring steel with a diameter of 1.4 mm.
  • the total clamping length is more than 50 mm.
  • the diameter of the filament is about 120 microns.
  • Fig. 3 shows schematically a double-coiled filament 11, the Secondary helix is produced by the method according to the invention.
  • the filament consists of tungsten.
  • an electrode 14 which consists of a core pin or electrode shaft 18 and a coil 19 wound thereon.
  • the spiral 19 is burned onto the core pin 18.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Wire Processing (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung helikal gewundener Wendelkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder Anspruchs 2. Es handelt sich dabei entweder um Glühkörper im Sinne von einfach oder auch zweifach gewendelten Leuchtkörpern für Glühlampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder um Wendeln für Stiftelektroden von Hochdruckentladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Stand der Technik
Aus der EP-A 149 282 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung helikal gewundener Glühkörper bekannt. Hier wird eine Anzahl von Glühkörpem fortlaufend aus einem Glühdraht helikal auf einen Kerndraht gewickelt. Der auf den Kerndraht aufgewickelte Glühdraht (Gewendel) wird anschließend zum Abbau von Spannungen auf ca. 1900 bis 2200 °C erhitzt, beispielsweise mittels Laser, Hochfrequenz oder Widerstandsheizen des Kerndrahts. Dabei wird der Glühdraht auf dem Kerndraht festgehalten. Insgesamt sollen dadurch Spannungen im Gewendel minimiert werden. Zum Herausziehen des Kerndrahts aus dem gewickelten Glühdraht wird das Gewendel relativ zum Kerndraht in entgegengesetzter Richtung gedreht. Dieses umständliche Verfahren ist deshalb notwendig, weil der Innendurchmesser des Gewendels dem Außendurchmesser des Kemdrahts angepaßt ist und daher nicht zu vermeiden ist, daß das Gewendel auf dem Kerndraht haftet.
Ein ähnliches Verfahren mit Wärmebehandlung des Glühdrahts zur Beseitigung der Spannungen und anschließendem Auslösen des Kerndrahts aus dem Gewendel ist auch aus DE-OS 34 35 323 und JP-OS 49-67 481 bekannt. Letztere verwendet als Mittel zum Aufheizen des Gewendels auf eine Temperatur zwischen 600 und 900 °C eine Lampe.
Derartig präparierte Gewendel haben zwar eine gute Formstabilität. Diese verhindert jedoch gerade ein einfaches Auslösen des Kerndrahts aus dem Gewendel.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von helikal gewickelten Wendelkörpern, entweder Glühkörpern für GlühLampen oder Wendelkörper für Elektroden von Entladungslampen, mit guter Formstabilität bereitzustellen, die einfach und zeitsparend sind und sich daher besonders gut maschinell umsetzen lassen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruchs 1 im Falle von Glühkörpem für Glühlampen und durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruchs 2 im Falle von Wendelkörpern für Entladungslampen gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
In einer ersten Ausführungsform benützt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung helikal gewundener Glühkörper die grundsätzlich an sich bekannte Technik, bei der ein Glühdraht aus hochschmelzendem Material, normalerweise Wolfram, auf einen Kerndraht gewickelt wird und thermisch behandelt wird sowie anschließend vereinzelt wird und der Kerndraht herausgelöst wird.
Das neue Verfahren geht dabei von der Idee aus, das Wickeldrahtmaterial bereits während des Wickelvorgangs thermisch zu beeinflussen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen man ebenfalls den Glühdraht auf einen Endloskem wickelt, spart man dabei den nachfolgenden Arbeitsgang des Entspannungsglühens auf dem Kerndraht im Durchzugsverfahren ein. Insbesondere muß dabei gewährleistet werden, daß der Krümmungsradius der Spule, auf die der Glühdraht anschließend nach der Temperatureinwirkung aufgewickelt wird, klein ist gegenüber der axialen Länge der daraus herzustellenden Glühkörper. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Vereinzeln der Gewendel direkt nach dem Wickeln, so daß auf ein Aufspulen verzichtet werden kann.
Einerseits erfolgt beim Wickeln eine bleibende plastische Verformung über die Fließ-(Streck)-Grenze des Wickelmaterials hinaus, weil das Wickelmaterial auf den Radius des Kernmaterials gebogen werden muß, was eine Biegespannung einprägt.
Andererseits wird dem Wickelmaterial durch den Wickelprozeß zusätzlich eine elastische Verformung bis hin zur Fließ-(Streck-)Grenze des Wickelmaterials aufgezwungen, die sog. Torsionsspannung.
Beim Wickeln ergibt sich eine Superposition aus Biege- und Torsionsspannung. Der elastische Restspannungsanteil (Biegung und Torsion) wird nach dem Vereinzeln freigesetzt und äußert sich einerseits im Aufspringen des Gewendels auf einen größeren Innendurchmesser. Der Glühkörper bleibt dabei formstabil, also helikal gewickelt. Andererseits äußert sich der plastische Restspannungsanteil in der Verminderung der Zahl der gewickelten Windungen unter Einhaltung der axialen Länge (vergleichbar dem Aufdrehen einer Feder im elastischen Bereich des Federmaterials).
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine ausreichende thermische Behandlung des Wickelmaterials auch direkt vor dem Wickelvorgang sichergestellt werden kann und zwar ohne nennenswerte Einbußen bei den üblichen Wickelgeschwindigkeiten. Insbesondere bei Verwendung eines Plasmabrenners für die thermische Behandlung ist der Energieübertrag so hoch, daß Umdrehungsgeschwindigkeiten von 10000 UpM (Umdrehungen pro Minute) und mehr erreicht werden können. Typische Werte sind 6000 bis 8000 UpM.
Der erste Verfahrensschritt besteht erfindungsgemäß darin, daß der Glühdraht thermisch behandelt wird.
Im Falle der Herstellung von Glühkörpern muß der Glühdraht auf eine Temperatur bis nahe an die Rekristallisierungstemperatur des Materials gebracht werden. Bevorzugt eignet sich dafür eine Temperatur im Bereich zwischen 60 und 90 % der Rekristallisierungstemperatur. Im Falle des Wolfram bedeutet dies, daß der Glühdraht auf eine Temperatur von mehr als 1200 °C, bevorzugt mehr als 1400 °C, gebracht wird. Die Rekristallisierungstemperatur des Wolfram liegt bei etwa 1800 C.
Bei Temperaturen über 1800 °C kommt man in einen Bereich, in dem der Wolfram-Sinterwerkstoff zu rekristallisieren beginnt, was sich in zunehmender Versprödung äußert.
Das Material wird dadurch bruchanfällig. Damit wäre aber bei einer weiteren Verarbeitung (Montage von Halteringen oder Endstücken an der Wendel oder Langziehen des Wendelkörpers) mit einem hohen Ausschuß zu rechnen.
In einer zweiten Ausführungsform werden für die erfindungsgemäße Herstellung von Elektroden mit Wendelkörpern dagegen noch höhere Temperaturen benötigt, die im Bereich der Rekristallisierungstemperatur liegen, weil sich die eingeprägten Spannungen in diesem Fall nicht mehr freisetzen sollen. Eine gewisse Rekristallisierung ist also erwünscht.
Unmittelbar danach wird bei beiden Ausführungsformen der erhitzte Glühdraht bzw. Wendelkörper auf den Kern gewickelt. Um eine merkliche Abkühlung des so hergestellten Gewendels zu verhindern, findet die Erwärmung des Gewendels unmittelbar in der Nähe des Kernes statt. Der Begriff Kern umfaßt hier sowohl Kerndrähte als auch massive Kernstifte.
Im Falle des Glühdrahts folgen zwei weitere Verfahrensschritte:
Im nächsten Schritt wird das noch heiße, aber bereits leicht abgekühlte Gewendel vereinzelt. Ist das Gewendel vor dem Vereinzeln noch zu heiß, läuft es farbig an bzw. kann es zur Oxidation kommen. Im ungünstigsten Fall springt die Wendel zu wenig oder überhaupt nicht mehr auf. Auch hängt die sog. Standzeit des Kernes davon ab. Dabei besitzt das fertige Gewendel beim Vereinzeln noch eine Restspannung, die sich unmittelbar nach dem Vereinzeln in eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Gewendels umsetzt, so daß das Gewendel den innigen Kontakt zum Kerndraht verliert. Es sitzt nur noch locker auf dem Kerndraht auf.
Aufgrund dessen läßt sich schließlich in einem letzten Verfahrensschritt der Kerndraht aus dem locker aufsitzenden Gewendel leicht herauslösen.
Bevorzugt erfolgt für beide Ausführungsformen die thermische Behandlung des Wickeldrahts mittels eines Plasmabrenners. Das Prinzip eines derartigen Plasmabrenners ist beispielsweise in NL-A 71 12 767 näher beschrieben. Als Plasma läßt sich beispielsweise Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff und deren Mischungen verwenden.
Für die vorliegenden Zwecke hat es sich als besonders geeignet erwiesen, daß das Plasmabrennen im freien Gasstrom erfolgt, wobei insbesondere Argon, ein Argon/Stickstoff-Gemisch oder ein Argon/Wasserstoffgemisch angewendet wird. Insbesondere kann Stickstoff auch als Schutzgaskegel eingesetzt werden. Vorteilhaft befinden sich sowohl die Anode als auch die Kathode des Plasmabrenners im Brennergehäuse.
Vorteilhaft soll der Glühdraht vor dem Wickeln eine Temperatur von mehr als 1200 °C erreichen.
Besonders gut eignet sich für die Herstellung des Glühdrahts ein Wechselkern (Maschinenkern) als Kern, da dieser den Wickelprozeß stabilisiert und Toleranzen im Wickelprozeß minimiert. Es empfiehlt sich dabei, daß der Maschinenkern aus thermisch gut (im Temperaturbereich um 1800 °C) belastbarem Material wie z.B. Federstahl oder Wolfram besteht. Der Maschinenkem sollte Temperaturen bis mehr als 1800 °C gut vertragen.
Bei beiden Ausführungsformen ist das Material des Wickeldrahts typisch Wolfram, das eventuell mit Zusätzen wie Kalium, Silizium, Aluminium und/oder Thorium gedopt sein kann.
Mit dem neuen Verfahren der ersten Ausführungsform wird bei der Herstellung von Glühkörpern erreicht, daß die durch den Wickelvorgang in das Gewendel eingebrachte Spannung infolge der kurz zuvor vorgenommenen thermischen Behandlung gerade so beeinflußt wird, daß das Gewendel nach dem Vereinzeln infolge der gespeicherten mechanischen Energie in der Lage ist, radial aufzuspringen. Das radiale Aufspringen ist genau der weiter oben beschriebene elastische Restspannungsanteil. Aufgrund dessen löst sich das Gewendel automatisch vom Kerndraht, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo dieser Verfahrensschritt das größte Problem bereitet.
Besonders vorteilhaft ist die überraschende Eigenschaft, daß das Gewendel in axialer Richtung nahezu formstabil bleibt. Das axiale Aufspringen ist analog zum Aufdrehen einer Feder auch elastisch und äußert sich in der Verminderung der gewickelten Windungen unter Einhaltung der vorgegebenen Wickellänge. Bei der vorliegenden Erfindung äußert sich die geringe axiale Restspannung dahingehend, daß sie lediglich eine geringfügige Streuung der Gesamtlänge des helikal gewundenen Glühkörpers bewirkt.
Die Temperatur bei der thermischen Vorbehandlung wird bei der ersten Ausführungsform gerade so gewählt, daß sich der gewünschte endgültige Innendurchmesser des Gewendels automatisch durch das radiale Aufspringen nach dem Vereinzeln ergibt. Im konkreten Einzelfall hängt die genaue Bemessung im wesentlichen vom Durchmesser des Kern- und Wickelmaterials, von der Temperatur und auch von der Wickelgeschwindigkeit ab.
Die Vergrößerung des Innendurchmessers des Gewendels, bedingt durch das radiale Aufspringen, ist typenspezifisch und bewegt sich in einem Bereich von 2 bis 30 %. Anders ausgedrückt lassen sich die gewünschten Abmessungen des Gewendels mit einem im Vergleich zum Stand der Technik kleineren Kemdraht erzielen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich für zwei verschiedene Anwendungen:
Zum einen lassen sich damit einfach oder zweifach gewendelte Leuchtkörper für Glühlampen herstellen. Im Falle des einfach gewendelten Leuchtkörpers kann das Verfahren direkt wie beschrieben angewendet werden.
Im Falle des zweifach gewendelten Leuchtkörpers muß das Verfahren modifiziert werden, indem ein konventionell hergestelltes Endlos-Primärgewendel, das noch auf einem Kerndraht gewickelt ist, als Kemdraht für ein Sekundärgewendel verwendet wird. Das oben beschriebene Verfahren wird dann für die Herstellung des Sekundärgewendels angewendet. Danach erfolgen dann die weiteren Bearbeitungsschritte oder direkt das Auslösen des Primärkernes.
Das Verfahren eignet sich für alle bekannten Durchmesser des Kerndrahts bzw. Glühdrahts und ist auf alle bekannten Steigungen anwendbar. Mit abnehmendem Durchmesser des Glühdrahts und Kerndrahts wird aufgrund zunehmender Oberflächenhaftung eine Tendenz zum Verkleben des Glühdrahts mit dem Kerndraht beobachtet. Hier schafft eine periodisch abwechselnde Verwendung mehrerer Kerndrähte Abhilfe. Je nach Belastung kommen dabei 5 bis 50 oder sogar mehr Kemdrähte bzw. -Stifte zum Einsatz. Diese sog. Revolvertechnik ermöglicht eine längere Verwendungsdauer (Standzeit) eines Maschinenkerns. Unter Revolvertechnik versteht man eine automatische Zurührung eines Materials vor dem n+1-ten Prozeßschritt, aber nach vollständiger Abarbeitung des vorausgehenden n-ten Prozeßschrittes. Dies entspricht bei einem Revolver dem automatischen Zuführen der nächsten Patronenkammer nebst Inhalt nach Abgabe eines Schusses.
Durch das Aufwickeln von Material mit erhöhter Temperatur auf einen Maschinenkern nimmt die Temperatur des Maschinenkerns über seine Einsatzzeit hin zu, bis sich ein stationäres Temperaturgleichgewicht zwischen Maschinenmaterial, Wickelmaterial und Umgebungstemperatur eingestellt hat. Mit zunehmender Temperatur des Maschinenkerns nimmt seine Stabilität ab, d.h. er wird weicher und labiler (bei Sinterwerkstoffen härter und spröder), weshalb er für den Gesamtprozeß empfindlicher wird. Durch Anwendung der Revolvertechnik hat der einzelne Kern die Möglichkeit, sich während der Nutzzeit der alternativ verwendeten anderen Kerne (typisch 5 bis 50 Kerne) wieder abzukühlen. Somit kann eine deutlich höhere Standzeit und auch eine geringere Streuung in der Geometrie des Gewendels erzielt werden.
Ein zweites Anwendungsgebiet sind Stiftelektroden für Entladungslampen mit aufgebrachten Wendeln. Derartige Elektroden sind beispielsweise aus US-A 3 067 357 bekannt. Gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens lassen sich derartige Elektroden herstellen, indem bei der thermischen Wärmebehandlung des Wickeldrahts besonders hohe Temperaturen, die im Bereich der Rekristallisationstemperatur des verwendeten Materials liegen, angewendet werden. Im Falle des Wolframs liegen die Temperaturen bevorzugt um oder knapp über 1800 °C. Dadurch werden die elastischen Restspannungen, die ein Aufspringen der Wendel bewirken, verhindert. Auf diese Weise kann der Wickeldraht auf dem Kernstift bzw. Elektrodenschaft "festbrennen".
Durch diese erhöhte Temperatureinwirkung findet ein Ausgleich zwischen den elastischen Restspannungen und den chemischen und strukturellen Verhältnissen statt. Die eingeprägten Spannungen sind nichts anderes als eine erzwungene minimale Änderung des Kristallgitters eines Kornes oder Kristallites, die sich auch in den Bindungslängen, -winkeln und Bindungskräften widerspiegeln. Mit jeder Temperaturerhöhung eines Materials verschmiert die Lage der Atome im Kristallgitter mehr, d.h. ihre Lage wird für eine spezielle Struktur energetisch immer ungünstiger bis hin zur reversiblen Phasenumwandlung (z. B. Umwandlung der α-Phase eines Kristalls in die β-Phase), wobei ab einer bestimmten Temperatur für die vorherrschenden Verhältnisse eine andere, energetisch günstigere Struktur eingenommen wird. Die Summe der mikroskopischen Gitterverzerrungen ergibt den makroskopischen Restspannungsanteil.
Im Unterschied zum Wickeln von Glühkörpern (bei 1200 - 1800 °C im Falle des Wolfram) ist bei der Herstellung von Elektroden mit Wendeln nach der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens daher ein größerer Energieübertrag notwendig (entsprechend einer Temperatur über 1800 °C bei Wolfram, die somit im Bereich der Rekristallisation liegt), damit der Restspannungsanteil sich nicht durch Gitterverzerrungen elastisch einprägt, sondern sich die Spannungen durch eine strukturelle "Umorganisation" der Gitterbausteine kompensieren (Teilrekristallisation bzw. vollständige Rekristallisation) unter Beibehaltung der natürlichen Struktur. Allgemein wird beim Wickeln von Wendeln auf Elektroden die Plasmatemperatur bevorzugt so eingestellt, daß die Temperatur des Wickelmaterials näherungsweise in den Bereich des sog. Solidus-Liquidus-Übergangs kommt. Das Material wird also "weich" verformt, die Bindungsabstände im Gitter sind relativ groß und damit die Bindungskräfte relativ kleirL Nach dem formgebenden Prozeßschritt, der sehr schnell ausgeführt wird, hat das Materials genügend Zeit, ohne Einprägung von Spannungen in das Gitter eine neue Struktur durch Teil- oder vollständige Rekristallisation auszubilden. Der ursprüngliche Strukturtyp des Kristallgitters bleibt dabei erhalten. Mit zunehmender Abkühlzeit normalisieren sich wieder die Bindungsverhältnisse und die Wendel sitzt spannungsfrei (festgebrannt) auf dem Elektrodenschaft.
Beim Stand der Technik muß das Halten der Wendeln auf dem Stift durch Schweißen oder durch Preßsitz realisiert werden. Dieser zusätzlich notwendige Arbeitsschritt des Verschweißens bewirkt eine ähnliche Strukturänderung wie der oben beschriebene Vorgang, aber nur im Bereich der Schweißzone.
Beim Preßsitz handelt es sich um die Umkehrung der Technik des Wickelns von Glühkörpern. Es wird nämlich ein elastisches Elektrodengewendel nachträglich mit einem Kernstift versehen, dessen Außendurchmesser größer ist als der lichte Durchmesser des Elektrodengewendels. Das Elektrodengewendel wird dabei aufgeweitet. Die elastische Verformung erzeugt durch das Zuführen des Stiftes eine rückfedernde Kraft. Somit wird der Stift mittels Reibung der einzelnen Windungen festgehalten.
Bei bekannten Elektroden wird also normalerweise die Wendel aufgeschoben und dann mit dem Kernstift verschweißt oder der Kernstift wird nachträglich in die Wendel eingeschoben (Preßsitz). Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist aber weder ein Schweißen noch Einpressen notwendig, da die Wendel von selbst gut auf dem Kerndraht hält. Insbesondere ist eine punktuelle Schädigung der Elektrode (Versprödung), wie sie beim Schweißvorgang nicht zu vermeiden wäre, nicht mehr möglich.
Mit den beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich sehr hohe Einstelleistungen erzielen, wenn man das gesamte Verfahren betrachtet. Zwar ist verglichen mit anderen Maschinen, die beim Wickeln keine Vereinzelung des Gewendels vornehmen (sog. Lassomaschinen, siehe DE-A 16 39 095), die Einstelleistung beim Wickeln von Glühkörpern kleiner. Dafür ist aber für alle nachfolgenden Verfahrensschritte der Zeitaufwand deutlich kleiner bzw. es entfallen eine Reihe von Verfahrensschritten vollständig, insbesondere das mühselige Auslösen des Kerndrahts. Des weiteren entfällt auch die Bereitstellung eines Endloswickelkerns sowie das Formstabilglühen als separater Verfahrensschritt und der nachfolgende Trennprozeß.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung des Wickelvorgangs;
Figur 2
eine Halogenglühlampe mit einfach gewendeltem Glühkörper;
Figur 3
ein zweifach gewendelter Glühkörper für Glühlampen;
Figur 4
eine Stiftelektrode mit aufgebrannter Wendel.
Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Teile einer Wikkelmaschine. Ein verschiebbarer Maschinenkern 1 aus Federstahl ist an einem Ende in einer Halterung 2a sowie am anderen Ende in einer Gegenhalterung 2b mittels einer radialen Anform- und Einspannvorrichtung 15 geführt. Er kann in der Halterung 2a zurückgezogen bzw. herausgeschoben werden.
In einer anderen Ausführungsform kann auch ein feststehender Maschinenkern und eine bewegte Drahtzufuhreinheit verwendet werden.
Ein Glühdraht 3 wird als Wickelmaterial von einer Vorratsspule 6 kommend, deren Achse 8 parallel zum Maschinenkern 1 angeordnet ist, mittels eines Drahtvorschubs (nicht dargestellt) auf den Maschinenkern 1 zu einem Gewendel 13 gewickelt unter Einhaltung einer vorgegebenen Steigung, die mittels eines Steigungsantriebs 9 eingestellt wird.
Kurz bevor ein Abschnitt des Glühdrahts 3 auf den Maschinenkern 1 trifft, wird er mittels eines Plasmabrenners 4 thermisch behandelt. Das Plasmaerhitzen erfolgt im freien Gasstrom mittels eines Argon-Plasmas 5. Der Plasmabrenner ist nur im Betrieb, während ein Wickelantrieb 12 und der Steigungsantrieb 9 tätig sind. Wenn die vorgesehene Länge eines Leuchtkörpers gewickelt ist, tritt ein Drahtabschneider 7 in Aktion und längt den Leuchtkörper ab. Die Wendel springt auf und läßt sich leicht abstreifen, während der Maschinenkern 1 zurückgefahren wird. Unmittelbar danach setzt der Drahtvorschub wieder ein und der Plasmabrenner tritt wieder in Aktion.
Eine geeignete Maschinensteuerung mit entsprechenden Antrieben (hier eine Siemens Standard CNC Steuerung) gewährleistet die Kombination aus Windeprozeß und gleichzeitig erfolgender thermischer Behandlung des Wikkelmaterials in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
Die Leistungsfähigkeit der Erfindung zeigt sich darin, daß auch kompliziertere Wendeln hergestellt werden können. Beispielsweise läßt sich gemäß Fig. 2 ein einfach gewendelter Leuchtkörper 10 für Soffittenlampen 20 (Halogenglühlampen) mit vier leuchtenden Segmenten (jeweils etwa 70 enge Windungen) und drei dazwischenliegenden Unterbrechungen (jeweils fünf weite Windungen) sowie zwei Enden (jeweils acht weite Windungen) herstellen. Der Maschinenkern besteht dabei aus Federstahl mit einem Durchmesser von 1,4 mm. Die gesamte Einspannlänge beträgt mehr als 50 mm. Der Durchmesser des Glühdraht ist etwa 120 µm.
Fig. 3 zeigt schematisch einen doppelt gewendelten Leuchtkörper 11, dessen Sekundärgewendel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. In allen Ausführungsbeispielen besteht der Leuchtkörper aus Wolfram.
In Fig. 4 ist eine Elektrode 14 gezeigt, die aus einem Kernstift oder Elektrodenschaft 18 und einer darauf gewickelten Wendel 19 besteht. Die Wendel 19 ist auf dem Kernstift 18 festgebrannt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung helikal gewundener Leuchtkörper für eine Glühlampe, bei dem ein für die spätere Verwendung als Glühdraht geeigneter Wickeldraht (3) aus hochschmelzendem Material auf einen Kern, der aus einem Kerndraht oder Maschinenkern (1) gebildet ist, gewickelt wird und thermisch behandelt wird sowie evtl. anschließend vereinzelt wird und der Kern herausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass ein Teilstück des Wickeldrahts (3) zunächst thermisch behandelt wird, wodurch dieses Teilstück auf Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur des verwendeten Materials gebracht wird, und zwar zwischen 60 und 90 % dieser Rekristallisationstemperatur,
    b) daß der Wickeldraht (3) unmittelbar danach auf den Kern (1) gewickelt wird;
    c) daß der Wickeldraht anschließend zu einem Glühdraht vereinzelt wird, wobei das fertige Gewendel beim Vereinzeln noch eine Restspannung besitzt, die sich unmittelbar nach dem Vereinzeln in eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Gewendels umsetzt, so daß das Gewendel den innigen Kontakt zum Kern verliert,
    d) und daß schließlich der Kern aus dem locker aufsitzenden Gewendel herausgelöst wird.
  2. Verfahren zur Herstellung helikal gewundener Wendelkörper für eine Entladungslampe, bei dem ein Wickeldraht (3) aus hochschmelzendem Material, der eine Wendel für die Elektrode einer Entladungslampe bildet, auf einen Kern, der ein Kernstift bzw. Elektrodenschaft ist, gewickelt wird und thermisch behandelt wird, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass ein Teilstück des Wickeldrahts (3) zunächst thermisch behandelt wird, wodurch dieses Teilstück auf Temperaturen um oder knapp oberhalb der Rekristallisationstemperatur des verwendeten Materials gebracht wird,
    b) daß der Wickeldraht (3) unmittelbar danach auf den Kern (1) gewickelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung mittels eines Plasmabrenners (4) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmabrennen im freien Gasstrom (5) erfolgt, wobei insbesondere ein Argon /Stickstoff-Gemisch oder ein Argon/Wasserstoffgemisch angewendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein wechselbarer Maschinenkern ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenkern aus thermisch hochbelastbarem Material besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Herauslösen des Kerndrahts durch Zurückziehen des Maschinenkerns erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt a) der Wickeldraht auf Temperaturen in der Nähe des Solidus-Liquidus-Übergangs gebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Wickeldrahts Wolfram ist.
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