Verfahren zur Erzielung einer guten mechanischen Haftverbindung zwischen Metallstreifen und einem Metallrahmen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Erzielung einer guten mechanischen Haftver bindung zwischen Metallstreifen und einem Metallrah men, wobei die Metallstreifen und der Metallrahmen mittels mindestens einer dazwischenliegenden Isolier schicht, welche vorzugsweise aus einem keramischen Material besteht, getrennt sind.
Die moderne Verpackungsindustrie verwendet oft thermoplastische Verpackungsmaterialien, welche neben mannigfaltigen Vorteilen, unter anderem Dichtigkeit, Dichte und Aussehen, in einfacher und zuverlässiger Weise versiegelt werden können. Das Versiegeln von thermoplastischen Materialien, wie z. B. Polyäthylen, Polypropylen und ähnlichen Materialien, geschieht in solcher Weise, dass zwei oder mehrere thermoplastische Schichten, welche miteinander zu versiegeln sind, längs der Versiegelungsfläche gegeneinander angepresst wer den, während man gleichzeitig Wärme zuführt, wodurch das thermoplastische Material an der Versiegelungsflä che schmilzt.
Ein derartiger Versiegelungsvorgang wird mit Hilfe von paarweise zusammenwirkenden Siegelbak- ken ausgeführt, welche aufeinandergepresst werden können, wobei mindestens eine dieser beiden zusam menwirkenden Backen Vorrichtungen zur Wärmeab gabe aufweist. Da moderne Versiegelungsmaschinen eine grosse Leistung haben sollten, d. h. pro Zeiteinheit viele Versiegelungsvorgänge durchführen sollen, muss die Wärmeabgabe innert möglichst kurzer Zeit stattfin den, da die zustande gekommene Siegelnaht rasch er starren muss, d. h. mit solcher Geschwindigkeit abge kühlt sein soll, dass die Siegelnaht sich nicht mehr öff net, wenn die Siegelbacken von der Siegelfläche entfernt werden.
Um dieses Resultat zu erzielen, bestehen die zur Wärmezufuhr verwendeten Mittel aus schmalen und dünnen Streifen aus einem metallischen Widerstands material, welche auf einer oder beiden Pressflächen der Siegelbacken angeordnet sind und durch einen kurzen, auf die Metallstreifen wirkenden Stromstoss hoher Stromstärke erhitzt werden. Da die Metallstreifen so wohl dünn als auch schmal sind, ist ihre Wärmekapazi- tät unbedeutend, so dass demzufolge die Streifen sich nach der Einwirkung des Stromstosses verhältnismässig schnell wieder abkühlen.
Im Hinblick auf die Festigkeit und aus anderen kon struktiven Gründen ist es wünschenswert, die Siegelbak- ken aus einem Metall herzustellen. Da die zuvor ge nannten Heizstreifen mittels eines elektrischen Stromes erhitzt werden, können die metallischen Heizstreifen nicht direkt auf der Oberfläche der metallischen Siegel backen angeordnet sein, sondern benötigen eine zwi schen dem Heizstreifen und den Siegelbacken angeord nete Isolierschicht, um den Heizstreifen gegen die Sie gelbacke abzuisolieren.
Bisher wurde dieses Problem so gelöst, dass ein loser Heizstreifen auf der Oberfläche der Siegelbacke mon tiert und dazwischen eine isolierende Schicht, beispiels weise eine Glimmerschicht, vorgesehen wurde. Es wurde aber beobachtet, dass die Heizstreifen bei der Einwir kung von solchen Stromstössen sich rasch dehnen und sich auch rasch zusammenziehen.
Diese Bewegungen in den Heizstreifen vermögen den Siegelvorgang zu beein trächtigen, weil die Siegelzone dadurch verschoben wer den kann. überdies kann auch die Festigkeit der Heiz- streifen in Mitleidenschaft gezogen werden, da die periodische Ausdehnung und Kontraktion leicht Ermü- dungsbrüche bewirken können. Um diese Nachteile zu vermeiden, sollten die Heizstreifen demzufolge in sol cher Weise an den Siegelbacken montiert sein, dass die besagte Bewegung in den Heizstreifen vermieden wird.
Es wurde aber auch festgestellt, dass es äusserst schwie rig ist, eine ausreichende mechanische Verbindung zwi schen den Heizstreifen und .der Isolierschicht zu erzie len, welche die genannten Streifen in bezug auf die Sie gelbacken zu isolieren hat. Das Isoliermaterial muss aber nicht nur einen elektrischen Isolator darstellen, son dern es muss auch einer Wärme von ca. 300 C zu widerstehen vermögen und überdies beträchtliche mechanische Festigkeitswerte aufweisen. Wegen dieser an das Isoliermaterial gestellten Forderungen kann man vorzugsweise nur keramische Materialien verwenden.
Das erfindungsgemässe Verfahren, wodurch diese Probleme behoben werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen mit Hilfe eines ersten, einen rela tiv niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Lotes mit einer Metallplatte verlötet werden, worauf sowohl die Metallplatte als auch die mit dieser Platte verlöteten Metallstreifen mit drei aneinander haftenden Schichten, nämlich mit einer Schicht eines an den Metallstreifen haftenden Materials, einer zweiten Schicht eines Isolier materials und einer Schicht eines Metalls, mit welcher der Metallrahmen anschliessend mittels eines zweiten Lotes verlötet wird, versehen werden, wobei der Schmelzpunkt des zweiten Lotes höher liegt als jener des zuerst genannten Lotes, worauf das ganze,
miteinander vereinigte Gebilde in solchem Ausmass erhitzt wird, dass das erste Lot, aber nicht das zweite Lot zum Schmelzen gebracht wird, worauf die Metallplatte ent fernt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Hinzuziehung der beiliegenden Zeichnung, welche sich auf eine bei spielsweise Ausführungsform der Erfindung beziehen.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt einer Hilfsschiene dar, auf welcher Heizstreifen angeordnet sind, Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Hilfsschiene und einer Siegelbacke, bevor dieselben miteinander vereinigt worden sind, Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Hilfsschiene und der Siegelbacke, nachdem diese zunächst miteinander ver bunden und dann wieder voneinander getrennt worden sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in vier ver schiedene Phasen, nämlich (I) Auflöten der Heizstreifen auf die Hilfsschiene, (II) Flammspritzen .der Hilfs schiene, (III) endgültiges Verlöten und (IV) Ablösen der Hilfsschiene, aufgeteilt werden.
Die erste Phase, nämlich das Auflöten der Heizstrei fen auf die Hilfsschiene, erfolgt zweckmässig in der Weise, dass die Heizstreifen, welche aus dünnen Streifen von beispielsweise Invar oder dergleichen bestehen, mit Hilfe eines Lotes (4) von verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Zinnlot mit einem Schmelzpunkt von ca. 180 C auf eine Hilfsschiene aufgelötet werden. Die Hilfsschiene besteht vorzugsweise aus einer ebenen Stahlschiene (1), welche mit einem Messingüberzug (2) versehen worden ist, auf welchen die Heizstreifen (3) aufgelötet sind.
Jene Seite der Hilfschiene, auf welcher die Heizstreifen (3) angeordnet sind, wird zweckmässig sandgestrahlt und sorgfältig gereinigt, bevor man die Phase (II) durchführt. Während dieser Phase wird die Hilfsschiene (1) im allgemeinen Hammgespritzt, d. h. sie wird mit kleinen Teilchen bombardiert, welche in ge schmolzenem Zustand und mit hoher Geschwindigkeit auf ihre Oberfläche aufgespritzt werden. Diese Partikel haften auf dem flammgespritzten Trägerwerkstoff, worauf eine dichte, flammgespritzte Schicht (5) beliebi ger Dicke aufgetragen werden kann, indem man die Flammspritzdüse mit gleichförmiger Geschwindigkeit über die betreffende Oberfläche hinwegbewegt.
Das auf gespritzte Material weist in bezug auf verschiedene Trä gerwerkstoffe selbstverständlich auch verschiedene Grade des Haftvermögens auf. So wurde festgestellt, dass eine flammgespritzte Molybdänschicht ausseror- dentlich gut auf metallischen Widerstandsmaterialien des Invartypus haftet, während zwischen einer flammge- spritzten Molybdänschicht und einer Messingoberfläche keine gute Adhäsion erreicht werden kann. Grund hier- für ist, dass Messing einen Expansionskoeffizienten auf weist, welcher wesentlich vom Expansionskoeffizienten der flammgespritzten Molybdänschicht abweicht,
wes wegen beim Abkühlen der flammgespritzten Oberfläche eine Verschiebung zwischen den Kontaktflächen eintritt, so dass die erzielte Verbindung im wesentlichen unter brochen wird. Da bei der erfindungsgemässen Methode eine mechanische dauerhafte Verbindung zwischen der flammgespritzten Schicht (5) und den Heizstreifen ange strebt wird, wählt man vorzugsweise einen Flamm- spritzwerkstoff aus, welcher beinahe den gleichen Ex pansionskoeffizienten aufweist wie die Heizstreifen, nämlich Molybdän.
Andererseits ist es wünschenswert, zwischen der flammgespritzten Schicht (5) und der Hilfsschiene (1) eine möglichst schwache mechanische Verbindung zu verursachen, weswegen man diese Schiene zweckmässig mit einem Messingüberzug (2) versieht, da eine flammgespritzte Molybdänschicht (5) eine ausserordentlich gute Adhäsion an einer Stahlfläche ergibt. Die Molybdänschicht (5), welche auf der Hilfs schiene (1) in der oben erwähnten Weize angeordnet wird, wirkt nicht elektrisch isolierend, weshalb man eine zusätzliche, flammgespritzte Schicht (6) aus einem elek trisch isolierenden, keramischen Material, zusätzlich zur bereits erhaltenen Molybdänschicht (5). welche mit den Heizstreifen (3) verklebt ist, durch Flammspritzen auf bringt.
Um ein gutes Haftvermögen zwischen der flamm- gespritzten Molybdänschicht (5) und der flammgespritz- ten, keramischen Schicht (6) zu bewerkstelligen. welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Rokide (A1,03) besteht, wird man zwischen den beiden Schich ten eine gemischte Übergangszone erzeugen, indem man das Flammspritzen der Übergangszone so ausführt, dass ein allmählicher Übergang von Molybdän zu Rokide erreicht wird.
In der Praxis erfolgt das Flammspritzen dieser Übergangszone im allgemeinen mit Hilfe von zwei Flammspritzdüsen, wobei die Molybdänspritzdüse allmählich geschlossen wird, während die Rokide - Spritzdüse entsprechend geöffnet wird, um die er wünschte, volle Wirkung dann zu erzielen, wenn die Molybdänspritzdüse vollständig ausser Betrieb gesetzt wird.
Nachdem eine genügend dicke Isolierschicht (6) aus keramischem Material aufgebaut worden ist, beendet man das Flammspritzen, indem man vorzugsweise eine weitere, flammgespritzte Schicht (7) aus Silber aufbringt, wodurch zwischen der keramischen Schicht (6) und der Silberschicht (7) eine Mischübergangszone gebildet wird.
Während der Phase III wird eine zuvor hergestellte Siegelbacke (8) aus Stahl zusammen mit der flammge- spritzten Silberschicht (7) verlötet. Dieser Verlötungs- vorgang wird z. B. mit einem Silberlot (9) von verhält- nismässig hohem Schmelzpunkt, nämlich von ca. 280 C, bewirkt.
Während des Verlötens wird die ge samte Packung, welche auf eine Verlötungstemperatur erhitzt wird und aus einer Hilfsschiene (1), einem Heiz- streifen (3), flammgespritzten Schichten (5, 6 und 7) und einer Backe (8) besteht, zusammengehalten. Nach dem Abkühlen des Silberlots (9) auf ca. 200 C hat man nach dem Verlötungsvorgang eine dauerhafte Lötverbindung erhalten.
Die Phase IV, welche das Wegnehmen der Hilfs schiene (1) vom übrigen Rest der zusammengehaltenen Packung zum Gegenstand hat, beginnt, nachdem die Packung auf ca. 200 C abgekühlt ist und das den höhe ren Schmelzpunkt aufweisende Lot (9) erstarrt ist, wäh rend andererseits das den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisende Lot (4), welches anlässlich der Durchfüh rung der Verlötungsoperation zum Schmelzen gebracht worden ist, noch im Schmelzzustand vorliegt.
Da das Lot (4), dank welchem die Heizstreifen mit der Hilfs schiene (1) verlötet sind, in geschmolzenen Zustand vor liegt und die (lammgespritzte Molybdänschicht (5) nicht an der Messingschicht (2) der Hilfsschiene (1) haftet, kann die Hilfsschiene (1) ohne Schwierigkeiten vom Rest der Packung, welche aus der Stahlaufsetzbacke, an welcher metallische Wärmeleitstreifen (3) mit guter mechanischer Haftung befestigt sind, besteht und auf welcher eine elektrische Isolierschicht (6) zwischen den Wärmeleitstreifen und der Backe angeordnet ist, abge trennt werden.
Da nach dem Entfernen der Hilfsschiene (1) noch Reste des den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisenden Lotes (4) auf der Oberfläche der Siegelbacke haften, muss die Siegeloberfläche der Backen selbstverständlich gereinigt und nach Möglichkeit vor der Wiederverwen dung der Backe poliert werden.
Das in der vorliegenden Beschreibung erwähnte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen verhältnis- mässig eng begrenzten Anwendungsbereich, bei wel chem das erfindungsgemässe Verfahren mit Erfolg zur Anwendung gelangt. Es ist aber, immer im Bereiche der vorliegenden Erfindung liegend, möglich, vor liegende Gedanken gut auf andere Gebiete anzuwenden, wo bandförmige Metallgegenstände auf einem Träger metall unter Einfügung einer vorzugsweise keramischen Isolierschicht befestigt werden sollen.
Method for achieving a good mechanical adhesive connection between metal strips and a metal frame The present invention relates to a method for achieving a good mechanical adhesive connection between metal strips and a metal frame, the metal strips and the metal frame by means of at least one intermediate insulating layer, which is preferably consists of a ceramic material, are separated.
The modern packaging industry often uses thermoplastic packaging materials which, in addition to various advantages, including tightness, density and appearance, can be sealed in a simple and reliable manner. The sealing of thermoplastic materials, such as. B. polyethylene, polypropylene and similar materials, happens in such a way that two or more thermoplastic layers, which are to be sealed together, pressed against each other along the sealing surface, while at the same time heat is supplied, whereby the thermoplastic material on the Versiegelungsflä surface melts .
Such a sealing process is carried out with the aid of sealing jaws which cooperate in pairs and which can be pressed onto one another, with at least one of these two cooperating jaws having devices for heat dissipation. Since modern sealing machines should have a high output, i. H. If many sealing processes are to be carried out per unit of time, the heat release must take place within the shortest possible time, since the sealing seam that has been created must quickly become rigid, i.e. H. should be cooled at such a speed that the sealing seam no longer opens when the sealing jaws are removed from the sealing surface.
In order to achieve this result, the means used to supply heat consist of narrow and thin strips made of a metallic resistance material, which are arranged on one or both pressing surfaces of the sealing jaws and are heated by a short, high-current surge of current acting on the metal strips. Since the metal strips are both thin and narrow, their heat capacity is insignificant, so that the strips cool down again relatively quickly after the effect of the current surge.
With regard to the strength and for other constructive reasons, it is desirable to produce the sealing jaws from a metal. Since the previously mentioned heating strips are heated by means of an electric current, the metallic heating strips cannot be placed directly on the surface of the metallic sealing jaws, but instead require an insulating layer arranged between the heating strip and the sealing jaws to protect the heating strip against the gelbacke stripping.
So far, this problem has been solved in such a way that a loose heating strip is installed on the surface of the sealing jaw and an insulating layer, for example a mica layer, was provided in between. However, it has been observed that the heating strips expand and contract quickly when exposed to such electrical surges.
These movements in the heating strips are able to impair the sealing process because the sealing zone can thereby be shifted. Furthermore, the strength of the heating strips can also be affected, since the periodic expansion and contraction can easily cause fatigue fractures. In order to avoid these disadvantages, the heating strips should consequently be mounted on the sealing jaws in such a way that said movement in the heating strips is avoided.
However, it was also found that it is extremely difficult to achieve a sufficient mechanical connection between the heating strips and the insulating layer, which has to isolate the said strips with respect to which you are baking. The insulating material not only has to be an electrical insulator, but it also has to be able to withstand a heat of approx. 300 C and also have considerable mechanical strength values. Because of these requirements placed on the insulating material, only ceramic materials can preferably be used.
The method according to the invention, which eliminates these problems, is characterized in that the metal strips are soldered to a metal plate with the aid of a first solder having a relatively low melting point, whereupon both the metal plate and the metal strips soldered to this plate are three together adhesive layers, namely with a layer of a material adhering to the metal strip, a second layer of an insulating material and a layer of a metal, to which the metal frame is then soldered by means of a second solder, are provided, the melting point of the second solder being higher than that of the first mentioned plumb bob, upon which the whole
unified structure is heated to such an extent that the first solder but not the second solder is melted, whereupon the metal plate is removed.
Further details and advantages emerge from the following description with reference to the accompanying drawings, which relate to an embodiment of the invention in example.
Fig. 1 shows a cross-section of an auxiliary rail on which heating strips are arranged, Fig. 2 is a cross-section of an auxiliary rail and a sealing jaw before they have been joined together, Fig. 3 is a cross-section of an auxiliary rail and the sealing jaw after they have been first connected to each other and then separated from each other again.
The inventive method can be divided into four different phases, namely (I) soldering the heating strips onto the auxiliary rail, (II) flame spraying the auxiliary rail, (III) final soldering and (IV) detaching the auxiliary rail.
The first phase, namely the soldering of the Heizstrei fen on the auxiliary rail, is expedient in such a way that the heating strips, which consist of thin strips of, for example, Invar or the like, with the help of a solder (4) of a relatively low melting point, z. B. solder with a melting point of about 180 C on an auxiliary rail. The auxiliary rail preferably consists of a flat steel rail (1) which has been provided with a brass coating (2) on which the heating strips (3) are soldered.
That side of the auxiliary rail on which the heating strips (3) are arranged is suitably sandblasted and carefully cleaned before phase (II) is carried out. During this phase, the auxiliary rail (1) is generally hammer-sprayed, i. H. it is bombarded with small particles which, in a molten state and at high speed, are sprayed onto its surface. These particles adhere to the flame-sprayed carrier material, whereupon a dense, flame-sprayed layer (5) of any thickness can be applied by moving the flame spray nozzle at a uniform speed over the surface in question.
The sprayed-on material naturally also has different degrees of adhesion with respect to different carrier materials. It was found that a flame-sprayed molybdenum layer adheres extremely well to metallic resistance materials of the Invar type, while good adhesion cannot be achieved between a flame-sprayed molybdenum layer and a brass surface. The reason for this is that brass has an expansion coefficient that differs significantly from the expansion coefficient of the flame-sprayed molybdenum layer,
because of this, when the flame-sprayed surface cools, a shift occurs between the contact surfaces, so that the connection achieved is essentially interrupted. Since a mechanical permanent connection between the flame-sprayed layer (5) and the heating strips is sought in the method according to the invention, a flame-spraying material is preferably selected which has almost the same expansion coefficient as the heating strips, namely molybdenum.
On the other hand, it is desirable to create the weakest possible mechanical connection between the flame-sprayed layer (5) and the auxiliary rail (1), which is why this rail is expediently provided with a brass coating (2), since a flame-sprayed molybdenum layer (5) has an extraordinarily good adhesion on a steel surface. The molybdenum layer (5), which is arranged on the auxiliary rail (1) in the above-mentioned wheat, does not have an electrically insulating effect, which is why an additional, flame-sprayed layer (6) made of an electrically insulating, ceramic material, in addition to the already obtained Molybdenum layer (5). which is glued to the heating strip (3), brings on by flame spraying.
In order to achieve good adhesion between the flame-sprayed molybdenum layer (5) and the flame-sprayed, ceramic layer (6). which in the present embodiment consists of Rokide (A1,03), a mixed transition zone will be created between the two layers by performing the flame spraying of the transition zone in such a way that a gradual transition from molybdenum to Rokide is achieved.
In practice, the flame spraying of this transition zone is generally carried out with the help of two flame spray nozzles, the molybdenum spray nozzle being gradually closed, while the Rokide spray nozzle is opened accordingly in order to achieve full effect when the molybdenum spray nozzle is completely out of operation becomes.
After a sufficiently thick insulating layer (6) of ceramic material has been built up, the flame spraying is ended by preferably applying a further, flame-sprayed layer (7) made of silver, whereby a layer (7) between the ceramic layer (6) and the silver layer (7) Mixing transition zone is formed.
During phase III, a previously produced sealing jaw (8) made of steel is soldered together with the flame-sprayed silver layer (7). This soldering process is z. B. with a silver solder (9) with a relatively high melting point, namely of approx.
During soldering, the entire pack, which is heated to a soldering temperature and consists of an auxiliary rail (1), a heating strip (3), flame-sprayed layers (5, 6 and 7) and a jaw (8), is held together. After the silver solder (9) has cooled to approx. 200 ° C., a permanent soldered connection is obtained after the soldering process.
Phase IV, which involves removing the auxiliary rail (1) from the rest of the rest of the pack held together, begins after the pack has cooled to about 200 C and the solder (9) having the higher melting point has solidified, while On the other hand, the lower melting point solder (4), which was melted when the soldering operation was carried out, is still in the melted state.
Since the solder (4), thanks to which the heating strips are soldered to the auxiliary rail (1), is in a molten state and the (lamb-sprayed molybdenum layer (5) does not adhere to the brass layer (2) of the auxiliary rail (1), the Auxiliary rail (1) without difficulty from the rest of the pack, which consists of the steel top jaw, to which metallic heat-conducting strips (3) are attached with good mechanical adhesion, and on which an electrical insulating layer (6) is arranged between the heat-conducting strips and the jaw be separated.
Since after removing the auxiliary rail (1) there are still residues of the solder (4) with the lower melting point adhering to the surface of the sealing jaw, the sealing surface of the jaws must of course be cleaned and, if possible, polished before the jaw is reused.
The exemplary embodiment mentioned in the present description relates to a relatively narrowly limited area of application in which the method according to the invention is successfully used. It is, however, always within the scope of the present invention, possible to apply the existing ideas well to other areas where band-shaped metal objects are to be attached to a metal carrier with the insertion of a preferably ceramic insulating layer.