DD298610A5

DD298610A5 - DEVICE FOR HIGH-TEMPERATURE DIFFUSION WELDING, ESPECIALLY CERAMIC PARTS

Info

Publication number: DD298610A5
Application number: DD32831089A
Authority: DD
Inventors: Ernst Hallas; Ralf Pohle; Peter Ploethner; Anja Hallas; Volker Guyenot; Helmut Klier; Werner Daemmrich; Guenter Koehler
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universitaet,De; Veb Keramische Werke,De
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1992-03-05

Abstract

Die Vorrichtung zum Hochtemperatur-Diffusionsschweiszen ist insbesondere fuer solche Werkstuecke anwendbar, bei denen infolge der Laenge oder des Querschnitts der Fuegeflaechen eine gleichmaeszige Kraftaufbringung mit herkoemmlichen Mitteln nicht erreichbar ist und die sich deshalb einer Fuegeverbindung durch Diffusionsschweiszen entzogen. Die Vorrichtung ist auch geeignet zum Diffusionsschweiszen bei hohen Temperaturen und unter Vakuum, wie das beispielsweise fuer keramische Werkstoffe notwendig ist. Erfindungsgemaesz besteht die Vorrichtung aus mehreren modulartig aneinandergereihten Koerpern mit seiner Aussparung, in der die Werkstuecke eingelegt werden und der diese jochartig umspannt. Werkstoff und Geometrie des Koerpers sind so zu waehlen, dasz infolge unterschiedlicher Laengentemperaturkoeffizienten beim Erwaermen der Vorrichtung mit den darin befindlichen Werkstuecken eine gegenueber dem Koerper staerkere Ausdehnung der Werkstuecke stattfindet und der Koerper dadurch bei der Schweisztemperatur den erforderlichen Schweiszdruck auf die Werkstuecke ausuebt. Fig. 1{Hochtemperatur-Diffusionsschweiszen; Werkstuecke, arretieren; Kraftaufbringung, gleichmaeszig; Koerper, jochartig; Anordnung, modular; Waermeausdehnung, unterschiedlich}The device for high-temperature diffusion welding is particularly applicable to workpieces in which a gleichmaeszige force application with conventional means is not achievable due to the length or cross-section of Fuegeflaechen and therefore deprived of a Fuegeverbindung by Diffusionsschweiszen. The device is also suitable for diffusion welding at high temperatures and under vacuum, as is necessary, for example, for ceramic materials. According to the invention, the device consists of a plurality of modularly arranged bodies with its recess in which the workpieces are inserted and which spans them like a yoke. Material and geometry of the body are to be chosen so that takes place as a result of different Laengentemperaturkoeffizienten while heating the device with the workpieces therein a stronger over the body expansion of the workpieces and the body thereby exerts the Schweiszemperatur the required Schweiszdruck on the workpieces. Fig. 1 {high-temperature diffusion bonding; Workpieces, lock; Force application, uniform; Body, yoke-like; Arrangement, modular; Heat expansion, different}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der eine Kraftwirkung auf in der Vorrichtung befindliche Werkstücke ausgeübt werden kann. Eine solche Vorrichtung kann in Diffusionsschweißanlagen eingesetzt werden. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet auch Teile aufzunehmen, die infolge ihrer Länge und des Querschnitts sich bisher einer Fügeverbindung mittels Diffusionsschweißen entzogen. Damit ist die Vorrichtung ausgezeichnet geeignet, um Kanal- und Elektrodenteile von CO₂-Wellenleiterlasern zu fügen. ,,The invention relates to a device with which a force on workpieces located in the device can be exercised. Such a device can be used in diffusion welding systems. The device is particularly suitable also to accommodate parts that previously withdrawn due to their length and the cross-section of a joint connection by means of diffusion bonding. Thus, the device is excellently suited to add channel and electrode parts of CO ₂ waveguide lasers. ,,

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Das Diffusionsschweißen ist ein In die Praxis eingeführtes Sonderschweißverfahren. Allerdings stellen das Fügen bei sehr hohen Temperaturen und unter Vakuum und auch das Fügen sehr langer Teile, wenn die Fügefläche parallel zur Längsseito der Teile liegt, immer noch ein Problem dar. Die Gleichmäßigkeit der Kraftaufbringung bei langen Teilen ist noch ungelöst. Im allgemeinen werden hydraulische, pneumatische und mechanische Mittel mit Getrieben eingesetzt, die Durchführungen durch zumindest eine Wand des Rezipienten erfordern (GÜNTHER, W.-D., MEHLHORN, H., WIESNER, P.: Diffusionsschweißen, VEB Verlag Technik Berlin 1978).Diffusion welding is a practice-introduced special welding process. However, joining at very high temperatures and under vacuum and also the joining of very long parts when the joining surface is parallel to the longitudinal side of the parts is still a problem. The uniformity of force applied to long parts is still unresolved. In general, hydraulic, pneumatic and mechanical means are used with gears that require bushings through at least one wall of the recipient (GÜNTHER, W.-D., MEHLHORN, H., WIESNER, P .: Diffusion welding, VEB Verlag Technik Berlin 1978).

Der Schweißdruck läßt sich weiterhin durch die Ausnutzung unterschiedlicher Temperatui koeff izienton der zu fügenden Werkstücke und der diese umgebende Haltevorrichtung erzeugen (SU 1199539,1985 und DE 2928943,1980), (MORLEY, R. A., CARUSO, J.: The Diffusion Welding of 390 Aluminium Alloy Hydraulic Valve Bodies, In: Welding Journal (1980) 8,29-34). Diese Vorrichtungen gestatten aber wie üblich nur das Fügen von Teilen, deren Fügefläche verhältnismäßig klein in bezug zur Längsausdehnung derTeile ist. Anders ausgedrückt, langeTeile lassen sich nur an den Stirnflächen verbinden. Von besonderem Nachteil ist die damit verbundene Vergrößerung des Rezipienten, wenn unter Vakuum oder unter Schutzgas geschweißt werden muß.The welding pressure can furthermore be produced by utilizing different temperature coefficients of the workpieces to be joined and the holding device surrounding them (SU 1199539, 1985 and DE 2928943, 1980), (MORLEY, RA, CARUSO, J .: The Diffusion Welding of 390 Aluminum Alloy Hydraulic Valve Bodies, In: Welding Journal (1980) 8, 29-34). However, these devices allow, as usual, only the joining of parts whose joining surface is relatively small with respect to the longitudinal extent of the parts. In other words, long parts can only be connected at the end faces. Of particular disadvantage is the associated enlargement of the recipient when it must be welded under vacuum or under inert gas.

Bei größeren Werkstücken und damit auch größerem Preßdruck werden an den Rezipienten, der gleichzeitig das Widerlager für die Krafteinleitung darstellt, ebenfalls erhebliche Anforderungen gestellt.For larger workpieces and thus larger pressing pressure are also provided to the recipient, which also represents the abutment for the introduction of force, considerable requirements.

Besondere Probleme ergeben sich, wenn aus werkstofftechnischen Gründen bei sehr hohen Temperaturen geschweißt werden muß. Die Halterung, die Bauteile zur Krafterzeugung und Kraftverteilung bis zur Krafterzeugung und evtl. der Rezipient sind dann aus solchen Werkstoffen auszuführen, die ihrerseits Schmelztemperaturen deutlich über den Schweißtemperaturen aufweisen. Als metallische Werkstoffe bieten sich dann nur noch Molybdän und Wolfram und deren Legierungen an. So ist beispielsweise die Vorrichtung nach SU-PS1204342 B 23 K 20/00 für das thermomechanische Zusammendrücken längerer Teile geeignet. Allerdings können hiermit nur die Stirnflächen der Werkstücke verschweißt werden. Eine bloße Vergrößerung der Vorrichtung parallel zur Fügefläche ist aus fertigungstechnischen Gründen (Formabweichung der Innengeometrie) und aus physikalischen Gründen ausgeschlossen. Gerade die für die Thermokompression gewünschten unterschiedlichen Längentemperaturkoeffizienten stehen einer Vergrößerung der Vorrichtung parallel zur Fügefläche entgegen. Das unterschiedliche Temperaturausdehnungsverhalten von Werkstück und Werkstückhalterung führt beim Hochtemperaturdiffusionsschweißen zur Selbstzerstörung der Vorrichtung bzw. der zu fügenden Werkstücke. Diffusionsschweißanlagen, mit denen keramische Werkstücke mit sehr langen Flächen gefügt werden können, wobei außerdem unter Vakuum und bei sehr hohen Temperaturen gearbeitet werden muß, sind nicht bekannt.Special problems arise when material-technical reasons at very high temperatures must be welded. The holder, the components for force generation and force distribution to force generation and possibly the recipient are then made of such materials, which in turn have melting temperatures well above the welding temperatures. As metallic materials then offer only molybdenum and tungsten and their alloys. For example, the device according to SU-PS1204342 B 23 K 20/00 is suitable for the thermomechanical compression of relatively long parts. However, only the faces of the workpieces can be welded hereby. A mere enlargement of the device parallel to the joint surface is excluded for manufacturing reasons (dimensional deviation of the internal geometry) and for physical reasons. Especially the different longitudinal temperature coefficients desired for the thermocompression are contrary to an enlargement of the device parallel to the joining surface. The different temperature expansion behavior of the workpiece and workpiece holder leads in high-temperature diffusion welding to self-destruction of the device or the workpieces to be joined. Diffusion welding, with which ceramic workpieces can be joined with very long surfaces, which also has to work under vacuum and at very high temperatures, are not known.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Diffusionsschweißen zu schaffen, mit der bei hohen Temperaturen unter Vakuum insbesondere keramische Teile gefügt werden können, deren Fügefläche wesentlich größer als ihr Querschnitt ist. Dabei sollen die Krafterzeugung, -einleitung und -verteilung gleichmäßig auf die zu fügenden Werkstücke wirken.The aim of the invention is to provide a device for diffusion welding, with which at high temperatures under vacuum in particular ceramic parts can be joined, the joining surface is substantially larger than its cross-section. At the same time, the force generation, introduction and distribution should act evenly on the workpieces to be joined.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Werkstücke vorwiegend gleicher oder ähnlicher länglicher Geometrie mit einem ausreichenden Druck beauflagt werden können, wobei die Werkstücke gleichzeitig auf eine für das Hochternperatur-Diffusionsschweißen ausreichende Temperatur erwärmt werden.The invention has for its object to provide a device can be charged with the workpieces mainly the same or similar elongated geometry with a sufficient pressure, the workpieces are heated to a temperature sufficient for Hochternperatur diffusion welding simultaneously.

Außerdem sollen Werkstücke in der Vorrichtung aufnehmbar sein, die infolge ihrer Längenausdehnung sich bisher einer Diffusionsschweißverbindung entzogen.In addition, workpieces should be accommodated in the device, which so far withdrawn due to their length expansion of a diffusion welded joint.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung aus einem die Werkstücke zusammenhaltendem Körper mit einer Aussparung besteht, in der die Werkstücke eingelegt werden. Dieser Körper umspannt jochartig die zu fügenden länglichen Werkstücke und wird erfindungsgemäß aus mehreren Einzelkörpern zusammengesetzt. Die für die Thermokompression notwendigen unterschiedlichen Längentemperaturkoeffizienten von Werkstück und Werkstückhalterung wirken auf die Vorrichtung in deren Längsrichtung zerstörend. Deshalb wird der die Werkstücke umspannende Körper modulartig parallel zur Längsausdehnung der Fügefläche aneinandergesetzt, wobei Dehnungsfügen dazwischen vorgesehen werden.The object is achieved in that the device consists of a workpiece zusammenhaltendem body with a recess in which the workpieces are inserted. This body spans yoke-like the elongated workpieces to be joined and is composed according to the invention of several individual bodies. The different temperature coefficients of the workpiece and the workpiece holder, which are necessary for the thermocompression, have a destructive effect on the device in its longitudinal direction. Therefore, the body spanning the workpieces is put together in a modular manner parallel to the longitudinal extent of the joining surface, wherein expansion joints are provided therebetween.

Die Geometrie der Aussparung im Körper ist der Geometrie der Werkstücke so angepaßt, daß oberhalb einer bestimmten Temperatur ein Formschluß zwischen den Innenflächen besteht. Diese Anpassung kann durch parallele Innenflächen des Körpers erreicht werden, aber auch durch Einlegen von Parallelendmaßen oder durch ein Pärchen von Keilplatten, die ihrerseits bis zum erreichen Formschluß eingeschoben werden können. Der Keilwinkel sollte dabei so beschaffen sein, daß eine Selbsthemmung vorliegt.The geometry of the recess in the body is the geometry of the workpieces adapted so that above a certain temperature, a positive engagement between the inner surfaces. This adaptation can be achieved by parallel inner surfaces of the body, but also by inserting parallel gauges or by a pair of wedge plates, which in turn can be inserted until reaching positive engagement. The wedge angle should be such that there is a self-locking.

Die Werkstoffe und die Konstruktion des Körpers sind so zu wählen, daß bei der erforderlichen Schweißtemperatur auch der erforderliche Druck auf die Werkstücke ausgeübt wird. Das wird erreicht, wenn der Längentemperaturkoeff izient des Körpers einen kleineren oder gleichen Wert hat wie der der Werkstücke. Dadurch wird beim Erwärmen der Vorrichtung mit den darin befindlichen Werkstücken die stärkere Ausdehnung der Werkstücke gegenüber dem Körper zum Erzeugen des für das Diffusionsschweißen erforderlichen Drucks ausgenutzt.The materials and the construction of the body are to be chosen so that at the required welding temperature and the required pressure on the workpieces is exercised. This is achieved when the body's coefficient of thermal expansion has a smaller or the same value as that of the workpieces. As a result, when the device is heated with the workpieces contained therein, the greater expansion of the workpieces relative to the body is utilized to produce the pressure required for the diffusion welding.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Möglichkeit, den Körper mehrfach modulartig aneinander zu reihen, um auch längere Werkstücke zu spannen, mit einer gleichmäßigen Kraft zu beauflagen und dem Diffusionsschweißen zugänglich zu machen. Die Orientierung der Körper erfolgt am Werkstück selbst. Eine Vertikalanordnung kann vorteilhaft sein. Der Körper kann auch problemlos aus solchen Werkstoffen hergestellt werden, die eine für das Hochtemperatur-Diffusionsschweißen günstige Charakteristik aufweisen. Das bedeutet vor allem, daß die beimA particularly advantageous embodiment undergoes the device according to the invention by the possibility of the body several times like a row of modules to stretch even longer workpieces, to apply a uniform force and make the diffusion welding accessible. The orientation of the body takes place on the workpiece itself. A vertical arrangement can be advantageous. The body can also be easily manufactured from materials which have a favorable characteristic for high-temperature diffusion bonding. This means, above all, that the at

Erwärmen auftretenden Zugfestigkeiten garantiert erhalten bleiben. „Heating occurring tensile strengths are guaranteed to be preserved. "

Erfindungsgemäß können auch Justierhilfsmittel zum Einsatz gebracht werden, mit deren Hilfe die Werkstücke arretiert und zumindest bis ?um Erreichen des Formschlusses gehaltert werden können. Diese Justierhilfsmittel in Form von seitlich angeordneten Justierschrauben oder ähnlichem können außerdem mit Längenmeßeinrichtungen gekoppelt und auch entfernbar ausgeführt sein.Adjusting aids can also be used according to the invention, with the aid of which the workpieces can be locked and held at least until reaching the positive connection. These adjusting aids in the form of laterally arranged adjustment screws or the like can also be coupled with length measuring devices and also designed to be removable.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Möglichkeit, den Rezipienten In Leichtbauweise auszuführen. Infolge des Wegfalls einer gesonderten Einrichtung zur Krafterzeugung und -einleitung entfällt somit auch die Notwendigkeit eines Widerlagers am Rezipienten. Der Rezipient kann außerdem wesentlich kleiner gestaltet werden. Die Anlagen zur Vakuumerzeugung, Kühlung usw. sind weniger aufwendig.Another advantage results from the possibility of carrying out the recipient in lightweight construction. As a result of the omission of a separate device for generating and introducing force, the necessity of an abutment on the recipient is thus also eliminated. The recipient can also be made much smaller. The systems for vacuum generation, cooling, etc. are less expensive.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Davon zeigt Fig. 1 die Vorrichtung mit den darin befindlichen Werkstücken und Fig. 2 eine Vorrichtung zum Diffusionsschweißen, die ihrerseits zusätzlich als Rezipient gestaltet ist.The invention will be explained with reference to two embodiments shown in the drawing. Of these, Fig. 1 shows the device with the workpieces therein and Fig. 2 shows a device for diffusion welding, which in turn is additionally designed as a recipient.

Die Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem die zu fügenden Werkstücke 1 und 2 umhüllenden Körper 3. Die Fügefläche ist mit 19 bezeichnet. Der Körper 3 kann seinerseits aus mehreren Einzelheiten zusammengesetzt sein, ohne das diese Bauform hier näher erläutert wird. Weiterhin ist der Körper 3 erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dessen parallele Innenflächen 4 und 5 in ihrem Abstand so an die Werkstücke 1 und 2 angepaßt sind, daß zumindest ab einer bestimmten Temperatur (der sogenannten Kontakttemperatur) ein Formschluß zwischen Körper 3 und den Werkstücken 1 und 2 vorliegt. Von Bedeutung ist es weiterhin, daß die Längentemperaturkoeffizienten des Körpers 3 und der Werkstücke 1 und 2 so aufeinander abgestimmt sind, daß bei ein&r Temperaturerhöhung der Körper 3 sich in geringerem Maße ausdehnt als die Werkstücke. Bei richtiger Werkstoffwahl von Werkstück und Joch kann demnach mit einer Temperaturerhöhung über die definierte Kontaktiemperatur hinaus eine Kraftwirkung auf die Werkstücke erzielt werden. Diese Kraftwirkung ist durch die Art der Vorrichtung gleichmäßig auf die Werkstücke verteilt.According to the invention, the device consists of a body 3 enveloping the workpieces 1 and 2 to be joined. The joining surface is designated by 19. The body 3 may in turn be composed of several details, without which this design is explained in more detail here. Furthermore, the body 3 according to the invention is characterized in that the parallel inner surfaces 4 and 5 are adapted in their distance to the workpieces 1 and 2, that at least from a certain temperature (the so-called contact temperature) a positive connection between the body 3 and the workpieces 1 and 2 present. It is also important that the longitudinal temperature coefficients of the body 3 and the workpieces 1 and 2 are coordinated so that when the temperature of the body 3 increases, the body 3 expands to a lesser extent than the workpieces. If the workpiece and yoke are selected correctly, a force effect on the workpieces can thus be achieved with a temperature increase above the defined contact temperature. This force effect is distributed evenly on the workpieces by the nature of the device.

Diese Temperaturerhöhung wird bekanntlich beim Diffusionsschweißen bis zu etwa 80% der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Werkstücks geführt.This temperature increase is known to be conducted in diffusion welding up to about 80% of the melting temperature of the low-melting workpiece.

Der Körper 3 muß konstruktiv so ausgeführt sein, daß es die auftretenden Kräfte über die Seitenwände 18 sicher aufnimmt. Die in den Seitenwänden 18 entstehenden Zugspannungen auch bei den für das Hochtemperatur-Diffusionsschweißen erforderlichen Temperaturen dürfen also keineswegs zu deren Zerstörung führen.The body 3 must be constructive designed so that it receives the forces occurring on the side walls 18 safely. The resulting in the side walls 18 tensile stresses even at the temperatures required for the high-temperature diffusion welding must therefore not lead to their destruction.

Advantageously, the positive connection between the body 3 and the workpieces 1 and 2 also by enclosed parallel gauges. 6

oder nicht dargestellte, einstellbare Doppelkeile bewirkt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnungor not shown, adjustable double wedges are effected. A further advantageous embodiment of the arrangement

bedeuten die Justierhilfsmittel 7-10, die ihrerseits mit Längenmeßeinrichtungen 11-14 gekoppelt sein können. Überhauptkönnen im Körper 3 Meßeinrichtungen zur Lage- und Temperaturbestimmung der Werkstücke 1 und 2 angebracht sein. Das istfür eine exakte Temperaturführung zweckmäßig.mean the adjustment aids 7-10, which in turn may be coupled with length measuring 11-14. In general, 3 measuring devices for determining the position and temperature of the workpieces 1 and 2 may be mounted in the body. This is convenient for accurate temperature control.

If necessary, these length measuring devices and adjusting aids may be unable to withstand temperature stability

entfernt werden.be removed.

According to the invention, the entire arrangement described can be strung together like a module. The body 15 and

weitere nicht dargestellte Körper auf der Fig. 1 zeigen die Verlängerung der Diffusionsschweißeinrichtung. Dadurch könnenother not shown body in Fig. 1 show the extension of the diffusion welding device. Thereby can

Workpieces of any length warden be added, without the introduction of force would be uneven. In the figure 1, the device is placed on a base plate 16, a vertical arrangement is in certain designs

aber günstiger. Somit können sich die Körper 3,15 usw. ohne weiteres immer direkt an die Werkstücke 1 und 2 formschlüssiganlegen, ohne Rücksicht auf die äußeren Abmaße der Körper.but cheaper. Thus, the bodies 3, 15, etc. can be readily form-fitting directly to the workpieces 1 and 2 without regard to the external dimensions of the bodies.

The free space 17, which is provided laterally to the workpieces 1 and 2, serves to receive them during diffusion welding

ausdehnenden Werkstücke. Die Richtung der Deformation kann somit gezielt beeinflußt werden.expanding workpieces. The direction of the deformation can thus be influenced in a targeted manner.

FIG. 2 shows how the body 3 can also be composed of assembled parts and as a recipient. The Contact surfaces 20 are to be provided with sealing elements, not shown. The pump nozzle 21 and the gas passage 22nd

sind konventionelle Bestandteile eines Rezipienten. Die Abdeckung an den Stirnseiten des Körpers 3 ist nicht näher dargestellt.are conventional components of a recipient. The cover on the front sides of the body 3 is not shown in detail.

It is particularly advantageous that, in the embodiment according to FIG. 2, the free space 17 to be evacuated is kept substantially smaller

wird, als bei den üblichen Standarddiffusionsschweißsnlagen.than with the usual standard diffusion welding systems.

Claims

1. An apparatus for high-temperature diffusion welding, in particular ceramic parts, the joining surface is substantially larger than its cross-section, consisting of a work holding and enclosing body whose geometry is adapted to the geometry of the workpieces to be joined in such a way that the two the workpiece facing inner surfaces of the body are aligned to the joining surface and the wall thicknesses are designed so that they can absorb the forces resulting from diffusion welding, wherein the coefficient of longitudinal temperature of the body has a smaller or the same value in all occurring during diffusion welding temperatures compared to that of the workpieces characterized in that the body is arranged in a similar structure several times along the joining surface (19) successively.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one side wall (18) of the body (3) with adjusting aids (9) and (10), such as adjusting screws, etc. is provided, which can be removed if necessary and combined with a length measuring device.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the body (3) is dimensioned so that the positive engagement is achieved only above a predetermined temperature, said temperature being below the temperature required for diffusion bonding.

4. Apparatus according to claim 1-3, characterized in that the body (3) is simultaneously formed as a recipient.