Beschreibung

Verfahren zum Verbinden einer Elektrode mit einem Haltestab und Anordnung umfassend eine Elektrode und einen Haltestab

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem eine Elektrode mit einem Haltestab verbunden wird sowie eine Anordnung mit einer derartigen Elektrode und einem Haltestab.

Stand der Technik

Die Befestigung von Elektroden, insbesondere von Anoden und Kathoden, mit Haltestäben ist bekannt. Die beispiels ^¬ weise aus Wolfram oder Molybdän ausgebildeten Haltestäbe müssen insbesondere dann, wenn diese Anordnung aus der Elektrode und dem Haltestab in einer Entladungslampe an- geordnet werden soll, eine dauerhafte, temperaturfeste und mechanisch stabile Verbindung gewährleisten. Die Verbindung muss so ausgebildet sein, dass der Betrieb der Entladungslampe nicht funktionsbeeinträchtigend beein- flusst wird. Die Lebensdauer dieser Verbindung sollte da- her zumindest für einen Lampenbetrieb von mindestens 3.000 Stunden sowie für eine Betriebstemperatur von ca. 1.600° C ausgelegt sein. Darüber hinaus muss die mechani ^¬ sche Stabilität Vibrationen, wie sie beispielsweise beim Transport auftreten können aushalten sowie die Kühlung im Betrieb der Lampe beschädigungsfrei gewährleisten können.

Besonders bei Xenonlampen (XBO-Lampen) oder Quersilberdampflampen (HBO-Lampen) ist die Bruchfestigkeit dieser

Verbindung sowie die ausreichende Leitfähigkeit von e- lektrischen Strom und Wärme zu gewährleisten. Darüber hinaus ist auch die genaue Axialität der Anordnung dieser beiden Elemente zueinander für den weiteren Lampenbetrieb eine wesentliche Funktionsvoraussetzung. Nicht zuletzt ist auch eine kostengünstige Realisierung in der Ferti ^¬ gung zu berücksichtigen.

Gegenwärtig wird diese Verbindung zwischen einer Elektro ^¬ de und einem Haltestab durch Ausbilden einer Bohrung in der Elektrode und einem Einlöten des Haltestabs in diese Bohrung mit einem hochschmelzenden Material, beispiels- weiseZirkon, durchgeführt. Um das Erfordernis einer ent ^¬ sprechenden Axialität gewährleisten zu können, ist es erforderlich, dass der Haltestab mit einer Metallfolie, beispielsweise Tantal oder Molybdän, im Bohrloch zusätzlich fixiert wird. Die Verlötung des Haltestabs in der Bohrung erfolgt in Vakuum unter Schutzgasatmosphäre. Dazu wird die Anordnung aus der Elektrode und dem Haltestab in einen Glühzylinder eingebracht. Die Erwärmung der Verbin- dungspartner erfolgt über eine Aufheizung von außen mit einem Mittelfrequenzsender. Die Wärmezuführung ist daher lediglich extern erzeugbar, wodurch die ganze Fertigung relativ aufwändig und in manchen Ausführungen auch relativ unzureichend erfüllt werden kann. Zum Entfernen der Atmosphäre ist ein langwieriges Pumpen sowie ein langer Spülprozess notwendig.

Bei dieser bekannten Vorgehensweise ist daher eine Viel ^¬ zahl an Fertigungsschritten erforderlich, welche verschiedenste Werkzeuge erfordern. Der Fertigungs- und Mon- tageaufwand ist daher relativ lang und birgt insbesondere im Hinblick auf die Exaktheit der auszubildenden Verbin-

dung mehrer Fehlerquellen. So ist die Axialität der Komponenten zueinander bereits vor dem eigentlichen Verbinden präzise herzustellen.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, mit welchen bzw. bei welcher die Elektrode und der Haltestab aufwandsärmer und mit hoher Präzision verbunden werden können .

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merk- male nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 6 aufweist, ge ^¬ löst. Die Aufgabe wird des Weiteren durch Anordnung , welche die Merkmale nach Patentanspruch 13 oder 14 aufweisen, gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine Elektrode und ein Haltestab zunächst als separate Elemente be ^¬ reitgestellt, welche dann durch ein Schweißverfahren unlösbar miteinander verbunden werden. Durch ein Schweißen kann eine mechanisch stabile und sehr präzise Verbindung zwischen der Elektrode und dem Haltestab ermöglicht wer ^¬ den. Das Ausbilden kann dabei relativ schnell und aufwandsarm erfolgen. Es sind keine vorhergehenden Maßnahmen, wie beispielsweise ein Abpumpen eines Glühzylinders erforderlich .

Bevorzugt ist die Verbindung der Elektrode und dem Halte ^¬ stab durch ein Pressschweißen ausgebildet. Bevorzugt er ^¬ weist es sich, wenn die Verbindung durch ein Widerstandspressschweißen, insbesondere durch ein Widerstandsbuckel-

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schweißen bzw. ein Widerstandsstumpfschweißen, ausgebildet wird. In einem alternativen Vorgehen kann die Verbindung zwischen der Elektrode und dem Haltestab auch durch ein Reibschweißen, insbesondere durch ein Rotations- schweißen, ausgebildet werden. Durch diese speziellen Schweißverfahren, welche unter das Pressschweißen summiert werden können, kann insbesondere bei den verwende ^¬ ten Elektrodenmaterialen und den Materialen des Haltestabs eine besonders stabile mechanische Verbindung aus- gebildet werden. Darüber hinaus kann auch die präzise An ^¬ ordnung dieser Komponenten zueinander durch diese Schweißverfahren gewährleistet werden. Diese Schweißverfahren gewährleisten das Ausbilden einer mechanischen Verbindung, welche den im Einsatz in einer Entladungslam- pe erforderlichen Bedingungen stand halten können.

Nicht zuletzt ermöglichen diese Pressschweißverfahren eine relativ schnelle Fertigung, wodurch auch eine kostengünstige Herstellung dieser Teile ermöglicht werden kann. Beim Verschweißen der Elektrode mit dem Haltestab wird in bevorzugter Weise eine Schutzgasspülung durchgeführt. Zur Vermeidung einer Oxidation der Schweißstelle können passive Gase, insbesondere Inertgase, zur Schutzgasspülung verwendet werden. Dies ist insbesondere dann ausreichend, wenn die Elektrode und der Haltestab relativ saubere 0- berflachen aufweisen.

Ebenso kann jedoch auch ein aktives Gas, insbesondere Wasserstoff, jedoch auch Kohlendioxid, zur Schutzgasspü ^¬ lung verwendet werden. Aktive Gase sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Oberflächen der Elektrode und/oder des Haltestabs verschmutzt sind.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die separat bereitgestellten Elemente der Elektrode und des Hal ^¬ testabs durch ein Widerstandslöten, insbesondere durch ein konduktives Widerstandlöten, mit Schutzgasspülung un- lösbar verbunden. Auch durch dieses spezifizierte Lötverfahren kann eine schnelle und den Anforderungen einer Entladungslampe genügende mechanische Verbindung zwischen der Elektrode und dem Haltestab erzeugt werden.

Bevorzugt wird bei dieser Ausführung zunächst eine Boh- rung in der Elektrode angebracht, in welche dann das Löt ^¬ material eingebracht wird. Insbesondere bei dem kondukti ^¬ ven Widerstandslöten wird ein Kondensator der Fertigungsmaschine über eine Netzspannung aufgeladen und dann über die Schweißstelle wieder entladen. Bei diesem Wider- Standslöten wird somit im Vergleich zum Stand der Technik Wärme nicht von außen zugeführt, sondern insbesondere durch die Leitung des elektrischen Stroms von innen an die Schweißstelle geführt und dort ein Aufschmelzen der entsprechenden Materialien und ein Erzeugen der Verbin- düng durchgeführt. Durch das Widerstandslöten, insbesondere das konduktive Widerstandslöten, kann die Verbindung ebenfalls schneller und aufwandsärmer sowie im Allgemei ^¬ nen auch präzisier ausgeführt werden. Die Wärmeerzeugung und Wärmezuführung von innen an die Schweißstelle ermög- licht diese Vorteile.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Elektrode mit einem größeren Durchmesser als der Haltestab ausgebildet. Besonders bei relativ großen Elektroden, welche in Formgebung und Ausmaßen, insbesondere in der Dicke, den HaI- testab übertreffen, kann durch die vorgeschlagenen Verfahren eine sehr stabile Verbindung gewährleistet werden.

Nicht zuletzt ist dadurch auch das Risiko von Beschädi ^¬ gungen oder Zerstörungen der Verbindung bei Schockbelastungen während des Transports reduziert. Auch im Betrieb der Lampe kann bei diesen relativ groß ausgebildeten E- lektroden die dauerhafte und zuverlässige mechanische Verbindung gewährleistet werden.

Die Elektrode kann in ihrer Formgebung im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein. In axialer Richtung des Haltestabs und bevorzugt somit auch in axialer Richtung der Elektrode ist diese rotationssymmetrisch gestaltet.

In bevorzugter Weise ist der Haltestab zumindest an dem zur Verbindung mit der Elektrode vorgesehenen Ende als Vollprofil ausgebildet. Durch diese massive Materialaus ^¬ bildung kann die mechanische Verbindung zur Elektrode op- timal gestaltet werden. Der Haltestab kann auch über sei ^¬ ne gesamte Länge als Vollprofil realisiert sein. Beson ^¬ ders bei den Schweißverfahren, insbesondere den Press ^¬ schweißverfahren ist diese Ausgestaltung des Haltestabs vorteilhaft. Die relativ hohen Drücke, die auf die Ver- bindung bei diesen Pressschweißverfahren ausgeübt werden, führen bei der Vollprofilausgestaltung zumindest des vorderen Endes des Haltestabs zu keiner unerwünschten Verformung .

Bevorzugt ist ein zur Verbindung mit der Elektrode vorge- sehenes Ende des Haltestabs und/oder ein zur Verbindung mit dem Haltestab vorgesehenes Ende der Elektrode ver ^¬ jüngt, insbesondere konisch, ausgebildet. Durch diese Formgebung kann beim Fügen der Elektrode und des Haltestabs eine sich über den Durchmesser der Verbindung hin- aus erstreckende Wulst verhindert werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrode und/oder der Haltestab zumindest anteilig aus Wolfram ausgebildet sind. Diese Materialspezifikation ist jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen. Prinzipiell kann die Elektro- de und/oder der Haltestab aus allen für diese beiden Komponenten im Hinblick auf deren Einsatz möglichen Materialien oder Materialverbindungen hergestellt sein und durch die vorgeschlagenen Verbindungsverfahren verbunden werden. Die vorgeschlagenen Verfahren sind somit nicht auf spezifische Materialausgestaltungen der Elektrode und/oder des Haltestabs beschränkt.

Bevorzugt werden die Elektrode und der Haltestab in einer Entladungslampe, insbesondere in einer Hochdruckentla ^¬ dungslampe, angeordnet, insbesondere zumindest bereichs- weise eingeschmolzen.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend eine E- lektrode und einen Haltestab, sind diese beiden Komponen ^¬ ten unlösbar miteinander verbunden und der ausgebildete Verbindungsbereich ist als Schweißverbindung realisiert. In einem weiteren Aspekt einer erfindungsgemäßen Anordnung ist die unlösbare Verbindung zwischen der Elektrode und einem Haltestab durch eine Widerstandslötung ausgebildet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin ^¬ dungsgemäßen Anordnungen anzusehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorlie ^¬ genden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Anordnung einer mit einem Haltestab verbundenen Elektrode;

Fig. 2 eine Darstellung eines Teilbereichs aus Fig. 2 ge ^¬ mäß einer Außenansicht;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung von Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Detailansicht der Materialfügung mittig im Verbindungsbereich zwischen der Elektrode und dem Haltestab; und

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der Materialfügung an einem Rand des Verbindungsbereichs zwischen der Elektrode und dem Haltestab.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Ele ^¬ mente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Anordnung aus einer Elektrode 1, welche als Anode ausgebildet ist, und einem HaI- testab 2 gezeigt. Die Anordnung ist zur Verwendung in ei ^¬ ner Hochdruckentladungslampe ausgebildet. Wie zu erkennen ist, ist der Haltestab 2 von einem aus Quarzglas ausge ^¬ bildeten Block 4 sowie von einem ebenfalls aus Quarzglas ausgebildeten Stützröllchen 5 umgeben. Die im Ausfüh-

rungsbeispiel zylinderförmig ausgebildete Anode 1 ist ro ^¬ tationssymmetrisch ausgebildet und weist einen Durchmes ^¬ ser auf, welcher wesentlich größer ist als der Durchmesser des Haltestabs 2. Im Ausführungsbeispiel ist eine me- chanisch unlösbare Verbindung zwischen der Anode 1 und dem Haltestab 2 durch ein Widerstandsstumpfschweißen mittels einer Widerstandsbuckelscheißmaschine ausgebildet. Diese Schweißverbindung 3 ist in der gezeigten Ausführung so ausgebildet, dass der Verbindungsbereich 3 keine im Vergleich zum Durchmesser des Haltestabs 2 vergrößerte Ausdehnung aufweist. Dies kann bei der gezeigten Ausführung dadurch erreicht werden, dass vor dem Verbinden der Anode 1 mit dem Haltestab 2 diese als separate Komponen ^¬ ten bereitgestellten Elemente entsprechend vorgefertigt werden. Im Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass das vordere Ende und somit dass der Anode 1 zugewandte Ende des Haltestabs 2 konisch ausgebildet ist. Während dem Widerstandsstumpfschweißen wird dieser konische Bereich dann praktisch abgebaut und stoffschlüssig mit dem Material der Anode 1 verbunden.

Im Ausführungsbeispiel weist der Haltestab 2, welcher aus Wolfram ausgebildet ist, einen Durchmesser von etwa 5,5 mm auf. Der Durchmesser, der ebenfalls aus Wolfram ausgebildeten Anode 1 beträgt etwa 18 mm. Diese Werte sind Ie- diglich beispielhaft und können in ihrer Dimensionierung wesentlich kleiner jedoch auch wesentlich größer sein.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung als Außenansicht auf eine Anode 1 und einen Haltestab 2 im Bereich der unlösbar ausgebildeten mechanischen Verbindung 3 ge- zeigt. Auch diese Verbindung 3 ist durch ein Widerstands ^¬ stumpfschweißen ausgebildet. Es ist im Bereich der mecha-

nischen Verbindung 3 eine radial umlaufende wulstartige Verdickung 31 zu erkennen. Diese wird bei einer mechanischen Verbindung des Haltestabs 2 mit der Anode 1 ausge ^¬ bildet, wenn diese beiden Teile vor dem Verbinden an den zugewandten Enden nicht verjüngt ausgebildet werden.

Diese Verdickung 31 kann jedoch im Nachgang zum Ausbilden dieser Verbindung 3 abgetragen werden.

Die in Fig. 2 gezeigte mechanische Verbindung 3 wurde beispielhaft mit einem Schweißstrom von 15,5 kA und einer Stromzeit von drei Perioden bei einem Wechselstrom mit 50 Hz erzeugt. Die Anpresskraft war dabei mit einem Wert von 2,5 kN festgelegt. Auch diese genannten expliziten Verfahrensparameter sind in ihren Werten lediglich beispielhaft und können ebenfalls in vielfältiger Weise variieren abhängig davon, welches Material bei den zu verbindenden Komponenten vorliegt und welche Formgebung und Dimensio ^¬ nierung diese aufweisen.

In Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung in Längsrichtung der Ausgestaltung in Fig. 2 gezeigt. Explizit ist dabei die Materialstrukturierung der Anode 1 und des Haltestabs 2 zu erkennen. Auch die Stoffschlüssige Verbindung dieser Materialien im Bereich der mechanischen Verbindung 3 ist zu erkennen. Diesbezüglich sind weitere vergrößerte De ^¬ tailansichten in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt dabei den Materialausschnitt I gemäß Fig. 3 und da ^¬ mit in einem zentrierten Bereich der mechanischen Verbindung 3. Fig. 5 zeigt den Materialausschnitt II im Bereich des Randes und somit im Bereich der Wulst bzw. Verdickung 31 der mechanischen Verbindung 3. Insbesondere bei der Darstellung I kann die fehlerfreie Schweißverbindung und

das grobkörnige Gefüge erkannt werden. Die Gefügeaufnah ^¬ men in den Fig. 4 und Fig. 5 zeigen die fehlerfreie widerstandsstumpfgeschweißte Wolframverbindung.