专利名称：螺旋形卷绕的螺旋体的制造方法和按此法制造的螺旋体的制作方法
技术领域：
本发明涉及螺旋形卷绕的螺旋体特别是一种白炽体。此外，本发明集中在按这种方法制作白炽体。这里的白炽体尤指白炽灯用的单根或双根螺旋形发光体，但也指高压放电灯的针状电极用的螺旋形灯丝。
先有技术EP-A149282公知了一种制造螺旋形卷绕的白炽体。这里的一些白炽体是用一根灯丝连续呈螺旋形卷绕在一根芯丝上。然后将绕在芯丝上的灯丝(螺旋形灯丝)加热到1900至2200℃消除应力，例如用激光、高频或电阻加热芯丝。在这个过程中，灯丝固定在芯丝上。通过这种处理使螺旋形灯丝的应力减小到最低限度。为了将芯丝从绕好的灯丝拉出，螺旋形灯丝相对于芯丝在相反的方向内转动。这种复杂的方法之所以必要，是因为螺旋形灯丝的内径压在芯丝的外径上，所以不能避免螺旋形灯丝附着在芯丝上。
DE-OS 34 35 323和JP-OS 49-67 481公知了用热处理消除灯丝应力和从螺旋形灯丝上拉出芯丝的一种类似方法。后者采用的方法是用灯把螺旋形灯丝加热到600和900℃之间的温度。
虽然这样处理的螺旋形灯丝具有良好的形状稳定性，但却不容易从螺旋形灯丝拉出芯丝。
本发明的任务在于，提出一种制造螺旋形卷绕的螺旋体、特别是具有良好形状稳定性的白炽体的制造方法，这种方法简单、省时，所以可特别便于机械转换。
这个任务是通过权利要求1特征部分所述的处理步骤来实现的，特别有利的结构将在有关的各项权利要求中叙述。
在一种结构型式中，本发明制造螺旋形卷绕白炽体的方法原则上是利用人所共知的工艺，即把用难熔金属一般为钨制成的灯丝卷绕在一根芯丝上并进行热处理、然后分段并从芯丝上取下。
新方法是基于这样的想法提出的，即卷绕的灯丝材料在卷绕过程中就进行热处理。与同样是把灯丝卷绕在一个连续芯丝上的常规方法比较，节省了随后用传输式方法在芯丝上消除应力的工序。特别是保证了灯丝随后在温度作用下绕成的线圈的曲率半径小于这样制成的白炽体的轴向长度。在一个特别有利的结构型式中，螺旋形灯丝的分段直接在卷绕后进行，这样就可省掉卷绕工序。
由于卷绕料必须弯曲到芯料的半径上而产生一个弯曲应力，所以在卷绕时，一方面超过卷绕料的流变-(屈服)-极限产生一个永久的塑性变形，另一方面由于卷绕过程在卷绕料达到流变-(屈服)-极限时强迫卷绕料附加地产生一个弹性变形，即所谓扭转应力。
在卷绕时产生弯曲应力和扭转应力的叠加。弹性残余应力部分(弯曲和扭转)在分段后释放，而且一方面表现为螺旋形灯丝回弹到一个较大的内径。同时白炽体保持形状稳定即保持卷绕的螺旋形。另一方面塑性的残余应力部分则表现为在保持轴线长度情况下(相当于弹簧材料在弹性范围内弹簧的旋开)卷绕圈数的减少。
令人惊奇的是，直接在卷绕过程之前也可保证卷绕材料的足够热处理，即在一般的卷绕速度时没有明显的损失。特别是在用等离子燃烧器进行热处理时，能量传递很快，所以转速可达到甚至超过每分钟10,000转。典型的转速为6,000至8,000转/分。
根据本发明，第一道工序就是灯丝的热处理。
在制造白炽体的情况中，灯丝必须加热到一个接近于材料的再结晶温度的温度。这个温度最好介于再结晶温度的60％和90％之间的范围。对钨来说，这意味着把灯丝加热到高于1200℃最好高于1400℃的温度。钨的再结晶温度约为1800℃。
在温度超过1800℃，钨烧结材料开始进入再结晶的范围，这时材料表现出脆性不断增加，因而容易断裂。这样，在继续加工时(安装固定环或在螺旋形灯丝上装两端引出线或拉长螺旋形灯丝)势必出现高的废品率。
在第二种结构型式中，制造电极则需要更高的温度，最好这个温度位于再结晶温度的范围，因为在这种情况中注入的应力不再释放，即一定的再结晶是需要的。
随后立即将加热的灯丝或螺旋体绕在型芯上。为了避免这样制作的螺旋形灯丝的明显冷却，螺旋形灯丝的加热应贴近型芯进行，型芯的概念在这里既包括芯丝也包括大的芯棒。
下一道工序是将还是热的但已经稍微冷却的螺旋形灯丝分段。如果螺旋形灯丝在分段前还太热，则会变色或可发生氧化。在最不利的情况中，螺旋形灯丝回弹太少或根本不回弹。也取决于型芯的所谓寿命。制成的螺旋形灯丝在分段时仍有一定的残余应力，这残余应力在分段后立即转换成螺旋形灯丝的内径增大，以致螺旋形灯丝失去与芯丝的内部接触，它只是松动地套在芯丝上。
因此，最后一道工序是将芯丝从松动套着的螺旋形灯丝轻易地拉出。
最好两种结构型式都用等离子燃烧器进行卷绕灯丝的热处理。这种等离子燃烧器的原理例如在NL-A 7112 767中详细叙述。作为等离子例如可用氩、氦、氢、氮及其混合气。
对这种热处理的等离子燃烧在露天气流中进行业已证明是特别适合的，为此，尤其使用氩、氩-氮混合气或氩-氢混合气。特别是氮还可作为保护气体锥使用。最好等离子燃烧器的阳极和阴极都位于燃烧器外套中。
灯丝最好在卷绕前达到高于1200℃的温度。
作为型芯最好用可交替型芯(机芯)，因为这种型芯稳定卷绕过程而且卷绕过程中的误差最小。建议机芯用耐热(温度范围1800℃)材料例如弹簧钢或钨制成，机芯应承受高于1800℃的温度。
卷绕丝的材料典型的是钨，这种材料可添加钾、硅、铝和/或钍。
本发明还包括按上述方法制造的白炽体或带螺旋形灯丝的电极，以及由此制成的灯。
用这种新方法制造白炽体时可达到这样的目的，即卷绕过程带入螺旋形灯丝中的应力由于刚刚进行的热处理正好可使螺旋形灯丝在分段后由于存贮的机械能而可径向回弹。径向回弹正好是上述的弹性残余应力部分。由于这部分残余应力，螺旋形灯丝自动从芯丝松开。而先有技术则在这道工序上存在最大的问题。
螺旋形灯丝在轴向内几乎保持形状稳定，这个令人惊奇的特性是特别有利的。轴向回弹类似于弹簧的扭开也是弹性的，并表现为在保持给定卷绕长度的情况下圈数的减少。根据本发明，产生的轴向残余应力很小，这样小的残余应力只引起螺旋形卷绕的白炽体总长度的很小分散性。
热处理的温度正好选择成在分段后通过径向回弹自动获得螺旋形灯丝要求的最终内径。在具体的个别情况中，精确的尺寸主要取决于型芯材料和卷绕材料的直径、温度和卷绕速度。
由于径向回弹引起的螺旋形灯丝内径的变大是特定的并在2％至30％的范围内波动。
换言之，用一根比先有技术所用的较小的芯丝就可达到螺旋形灯丝的要求尺寸。
本发明方法原则上适用于两个不同的使用场合一个是可用来制造白炽灯用的单根或双根螺旋形发光体。在单根螺旋形发光体的情况中，可直接采用上述方法。
在双根螺旋形发光体的情况中则须修改本发明方法，即一种常规制造的还卷绕在一根芯丝上的连续初级螺旋形灯丝作为次级螺旋形灯丝的芯丝使用，而上述方法则用于制造次级螺旋形灯丝。而后可进行其他的加工步骤或直接松开初级芯丝。
本发明方法适用于芯丝或灯丝的所有公知的直径，并可用于所有公知的螺距。随着灯丝和芯丝直径的不断减小，由于表面附着性的不断增加观察到灯丝与芯丝的粘接倾向。为此，这里提出了定期交替使用多种芯丝的措施。根据负荷不同采用5至50种或更多的芯丝或芯棒。这种所谓的轮回工艺可实现机芯的较长使用寿命。
所谓轮回工艺是指材料的自动送进在第n+1道工序之前、但在前面的第n道工序完全结束后。这相当于左轮手枪一次射出后下一次弹匣连同子弹一起的自动送进。
通过材料加温卷绕在机芯上，机芯的温度在它的整个使用时间内增加，直至机器材料、卷绕材料和环境温度之间达到一个稳定的温度平衡为止。随着机芯温度的不断增加，机芯的稳定性减少，即它变软和不稳定(对烧结材料来说，变硬、变脆)，所以它对整个过程变得敏感。通过使用轮回工艺，单个型芯具有这样的可能性，即它本身在交替使用别的型芯(典型的为5至50个型芯)的使用时间过程中重新冷却。所以可达到一个明显长的使用寿命和达到螺旋形灯丝的几何尺寸的很小的分散性。
第二个使用范围为装有螺旋形灯丝的针状电极。这种电极例如在US-A 3 067 357中提出。根据本发明方法可这样制造这种电极，即卷绕丝的热处理采用特别高的温度，这温度位于所用材料的再结晶温度范围。对钨来说，这温度最好大约为或稍高于1800℃。这样就避免引起螺旋形灯丝回弹的弹性残余应力。所以卷绕丝可“烧结”在芯丝或电极棒上。
通过这种增加的温度作用在弹性残余应力与化学的和结构的比例之间进行平衡。压入的应力不外乎与一个颗粒或晶粒的晶格的被迫的最小变化一样，也重新在结合长度、结合角度和结合力中反映出来。随着材料温度的每次增加，晶格中的原子位置填补越多，即原子的位置变得对一个特殊的结构在能量上越来越不利直至可逆的相变(例如晶体的α相变成β相)为止，其中从一定的温度开始对现存的比例出现一个另外的能量上有利的结构。显微点阵畸变之和得出宏观的残余应力部分。
所以有必要区分白炽体卷绕(在用钨时为1200至1800℃)与按本发明方法大的能量传递制造带螺旋形灯丝的电极(在用钨时相应的温度超过1800℃，即此温度位于再结晶的范围内)，这样残余应力部分不通过点阵畸变弹性压入，而是在保持自然结构的情况下通过阵点的结构“重新组织”来抵消应力(部分再结晶或完全再结晶)。在螺旋形灯丝卷绕在电极上时，等离子温度最好调节成使卷绕材料的温度接近于所谓固相线-液相线过渡的范围。即材料产生“软”变形，晶格中的结合距离相当大、结合力相当小。在进行得很快的定型处理工序后，材料有足够的时间通过部分或完全再结晶构成一种新的结构而不需要应力压入晶格中。晶格的原有结构型保持不变。随着冷却时间的不断增加，结合比例重新正常化，于是螺旋形灯丝便无应力地套在(烧结在)电极上。
在先有技术中，螺旋形灯丝固定在型芯上是通过焊接或压配合来实现的。这一附加的必要的焊接工序引起一个上述过程的类似结构变化，但只是在焊接区变化。
压配合是指白炽体卷绕工艺的相反过程，即弹性的电极螺旋形灯丝事后设置一根其外径大于电极螺旋形灯丝内径的芯棒。电极螺旋形灯丝被扩大。由于引入芯棒引起的弹性变形产生一个回弹力，所以芯棒借助于线圈的摩擦被夹持住。
亦即在公知的电极中，一般将螺旋形灯丝推到芯棒上，然后与芯棒焊接，或型棒事后推入螺旋形灯丝中(压配合)。但本发明的方法既不需要焊接，又不需要压配合，因为螺旋形灯丝本身很好地夹持在芯棒上。特别是，不再可能存在例如焊接过程不可避免的电极的点状损伤(脆化)。
从整个方法看，用本发明的方法可达到很高的调节效率，虽然与在卷绕时不用进行螺旋形灯丝分段的别的机器(所谓的连续卷绕机，见DE-A 16 39 095)比较，绕制时的调节效率较小。但随后全部工序花费的时间却明显减少，或完全取消了一系列的工序，特别是芯丝的费力松开这道工序。其次，也取消了一个连续卷绕型芯的制备，以及取消了作为单独工序的形状稳定退化和随后的切断处理。
下面结合几个实施例来详细说明本发明。附图表示
图1表示卷绕过程的示意图；图2表示用单根螺旋线发光体的卤化白炽灯；图3表示白炽灯用的双根螺旋形发光体；图4表示带烧结螺旋形灯丝的针状电极。
图1表示本发明绕线机的主要部件。一个用弹簧钢制成的移动机芯1一端固定在固定支架2a内，另一端用一个径向的形状配合的夹紧装置15在一个对应固定架2b内导向。机芯可在固定架2a上拉回或推出。
在另一种结构型式中也可用一个固定机芯和一个活动的喂丝单元。
灯丝3作为卷绕材料从一个贮料盘6用一个供丝装置(图中未示)在保持预定螺距情况下在机芯1上绕成螺旋线灯丝13，贮料盘6的轴8与机芯1平行，螺距用一个螺距传动装置9来调节。
在切断机芯1上的灯丝3之前用一个等离子燃烧器4进行热处理，等离子加热在露天气流中用氩等离子体5进行，只有在绕丝传动装置12和螺距传动装置9工作时，等离子燃烧器4才进行工作。当卷绕到发光体预定长度后，切丝刀7动作并切断螺旋形灯丝。螺旋形灯丝弹回并可轻易取下，机芯1往回移动。供丝装置随即重新开动，等离子燃烧器重新工作。
一个具有相应传动的合适的机器控制器(这里是用一台西门子标准计算机数字控制器)保证卷绕过程和卷绕材料同时进行的热处理与速度的关系。
本发明的功效表明，亦可制作较复杂的螺旋形灯丝，例如可根据图2制造顶棚灯20(卤化白炽灯)用的带回段发光体(每段分别约由70个窄的线圈)和三个在其间的断点(分别5个宽线圈)以及两个端部(分别8个宽线圈)的单根螺旋形发光体10。机芯由直径为114毫米的弹簧钢制成。总的夹紧长度大于50毫米，灯丝的直径约为120微米。
图3表示双根螺旋形发光体11的示意图，它的次级螺旋形灯丝按本发明方法制造。在所有实施例中，发光体都用钨制成。
图4表示由一个芯棒或电极棒18和绕在其上的螺旋形灯丝19组成的电极14。螺旋形灯丝19烧结在芯棒18上。
权利要求
1.制造螺旋形卷绕的螺旋体特别是发光体的方法，这种方法将难熔材料制成的卷绕丝(3)卷绕在一个型芯(1)上并进行热处理和可能的分段以及松开型芯，其特征是a)卷绕丝(3)首先进行热处理使它加热到接近于所用材料的再结晶温度；b)随即将卷绕丝(3)卷绕到型芯(1)上。
2.按权利要求1的方法，其特征是，热处理用一个等离子燃烧器(4)进行。
3.按权利要求2的方法，其特征是，等离子燃烧在露天气流(5)中进行，特别是采用一种氩-氮混合气、或一种氩-氢混合气。
4.按权利要求1的方法，其特征是，卷绕丝(3)是白炽灯发光体用的灯丝，型芯是一种芯丝或机芯(1)。
5.按权利要求4的方法，其特征是，接着工序b)尚需进行下列的几道工序，即c)灯丝分段，在分段后的螺旋形灯丝还有残余应力，这种残余应力在分段后立即转换成螺旋形灯丝的内径的增大，所以螺旋形灯丝与型芯失去内部接触；d)最后将型芯从松动套着的螺旋形灯丝上拉出。
6.按权利要求4的方法，其特征是，灯丝在绕制前达到一个稍低于所用材料的再结晶温度的温度，这个温度最好在再结晶温度的60％和90％之间。
7.按权利要求4的方法，其特征是，型芯是一个可交替的机芯。
8.按权利要求7的方法，其特征是，机芯用耐热材料制成。
9.按权利要求7的方法，其特征是，芯丝的拉出通过机芯往回拉来实现。
10.按权利要求1的方法，其特征是，卷绕丝构成一种放电灯电极用的螺旋形灯丝，且型芯为一个芯棒或电极棒。
11.按权利要求10的方法，其特征是，在进行工序a)时，将卷绕加热到或稍高于所用材料的再结晶温度，特别是加热到接近于固相线-液相线过渡的温度。
12.按权利要求1的方法，其特征是，卷绕丝的材料是钨。
13.按前述任一项权利要求所述的方法制造的螺旋体、特别是发光体或电极。
14.灯，具有采用按这种方法制造的螺旋体或电极。
全文摘要
本发明方法的特征是,灯丝在绕制之前就在高于1200℃的温度进行热处理,所以螺旋形灯丝在分段后可以弹回,并容易从芯丝拉出。
文档编号H01J9/04GK1185650SQ9712557
公开日1998年6月24日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月20日
发明者J·爱德尔, H·莱尔曼, P·施密特, R·斯普伦格尔 申请人:电灯专利信托有限公司