DE102004040776A1

DE102004040776A1 - Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen Metallbauteilen eines medizinischen Gerätes

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Publication number: DE102004040776A1
Application number: DE102004040776A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Sato; Yoshihiro Obata; Wataru Murai; Ryoji Asaka Tokieda; Naoki Asaka Kamiya; Hideo Asaka Shimizu
Original assignee: Pentax Corp; Shinwa Heat Treatment Co Ltd
Current assignee: Shinwa Heat Treatment Coltd Asaka Saitama Jp; Hoya Corp
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: CN1583339A; CN100528442C; JP4555014B2; DE102004040776B4; US7347355B2; JP2005095586A; US20050077343A1

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen mindestens zwei aus korrosionsbeständigem Stahl bestehenden und für ein medizinisches Gerät bestimmten Bauteilen, wobei ein Bauteil mittels eines Hartlots, das mindestens 62,5 Gew.-% Au enthält, mit dem anderen Bauteil verbunden wird. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt, in dem die Bauteile in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum einer Wärmebehandlung bei 1050 bis 1200 DEG C unterzogen werden, einen zweiten Schritt, in dem eines der Bauteile derart zu dem anderen Bauteil angeordnet wird, dass sich zwischen den Bauteilen ein Spalt ausbildet, und einen dritten Schritt, in dem das Hartlot im geschmolzenen Zustand in den Spalt eingebracht wird, um die Bauteile miteinander zu verbinden und so eine Metallbaueinheit auszubilden. Die in der Metallbaueinheit vorhandenen Anschlussbereiche haben ausgezeichnete chemische Beständigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Die Metallbaueinheit ist deshalb gut in einem Endoskop verwendbar.

Description

Unter medizinischen Geräten, z.B. Endoskopen, gibt es Geräte, durch die verschiedenartige Instrumente in einen Patienten eingeführt werden. Beispiele für solche Geräte sind ein Beobachtungsinstrument, das einen Sensor für die Diagnose des Körperinneren des Patienten bildet, ein chirurgisches Messer, mit dem Körpergewebe entnommen wird, und ein Aktuator zum Zuführen von Flüssigkeit, mit der ein zu untersuchender Körperteil desinfiziert oder gespült wird, oder von Gas, z.B. Luft, mit der eine Körperkavität von innen aufgeblasen wird, um die Diagnose zu vereinfachen, etc.

Im Allgemeinen ist ein solches medizinisches Gerät mit einer Metallbaueinheit, nämlich einer sogenannten Zylinderbaueinheit, versehen, durch die verschiedenartige Sensoren und Aktuatoren mit Röhren, Drähten und dergleichen verbunden sind (vergl. Japanische Patentveröffentlichung 2003-199706).

Bei einer solchen Zylinderbaueinheit sind an einen Zylinderkörper verschiedenartige Rohranschlüssstücke oder dergleichen gelötet, die Röhren oder Drähte führen, die wiederum dazu dienen, Sensoren und Aktuatoren, die innerhalb der Körperkavität anzuordnen sind, mit außerhalb des Patienten angeordneten Bedienteilen zu verbinden.

Soll der Zylinderkörper mit den Rohranschlussstücken gekoppelt werden, so werden üblicherweise in dem Zylinderkörper Öffnungen ausgebildet, anschließend in eine solche Öffnung ein Rohranschlussstück eingesetzt und dann der Anschlussbereich unter Verwendung verschiedener Hartlote zusammengelötet.

Kürzlich sind Fälle aufgetreten, in denen sich in Krankenhäusern resistente Bakterien, die Krankenhausinfektionen verursachen, und tödliche Keime wie SARS ausgebreitet haben. Deshalb werden neuerdings medizinische Geräte mit starken Desinfektionsmitteln, die beispielsweise Peressigsäure oder dergleichen enthalten, desinfiziert oder sterilisiert.

Dadurch tritt das Problem auf, dass in herkömmlichen Metallbaueinheiten die Lötbereiche (Anschlussbereiche), die unter Verwendung verschieder Hartlote hergestellt sind, infolge der starken, beispielsweise Peressigsäure enthaltenden Desinfektionsmittel erodieren, was deren Funktion beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Lötverbindung von in einem medizinischen Gerät verwendeten Metallbauteilen, das eine Verbindung der Metallbauteile mit hoher Genauigkeit und hoher Lötfestigkeit ermöglicht, einer nach diesem Verfahren hergestellten Metallbaueinheit sowie eines mit dieser Metallbaueinheit versehenen Endoskops.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die in einem medizinischen Gerät verwendeten Metallbauteile durch Hartlöten mit hoher Genauigkeit und hoher Lötfestigkeit miteinander zu verbinden.

Vorzugsweise liegt in dem ersten Schritt der Taupunkt der Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre bei -60°C oder tiefer. Dadurch können oxidierte passive Schichten auf den Metallbauteilen zuverlässig beseitigt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird in dem zweiten Schritt der Spalt in der Weise ausgebildet, dass ein Teil des einen Bauteils in das andere Bauteil eingesetzt wird. Dadurch können die Metallbauteile noch zuverlässiger miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist in diesem Fall zumindest eines der Metallbauteile ein Hohlelement. Es kann auch jedes Bauteil als Hohlelement mit einem Hohlraum ausgebildet sein, wobei ein Teil des einen Bauteils in den Hohlraum des anderen Bauteils eingesetzt wird, um den Spalt auszubilden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf eine Verbindung zwischen Hohlelementen, eine Verbindung zwischen einem Hohlelement und einem massiven Element und auf eine Verbindung zwischen massiven Elementen. Vorzugsweise wird jedoch das Verfahren auf eine Verbindung angewandt, bei der zumindest eines der Metallbauteile ein Hohlelement ist.

Vorteilhaft liegt die mittlere Breite des in dem zweiten Schritt ausgebildeten Spalts im Bereich von 0,02 bis 0,25 mm. Dadurch kann das Verbindungsmaterial noch zuverlässiger und gleichmäßiger in den Spalt eingebracht werden.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren vor dem dritten Schritt einen weiteren Schritt, in dem die Bauteile vorübergehend aneinander befestigt werden, indem ein Teil des einen Bauteils durch Laserschweißen mit einem Teil des anderen Bauteils verbunden wird. Auch dies trägt dazu bei, das Verbindungsmaterial noch zuverlässiger und gleichförmiger in den Spalt einzubringen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren vor dem dritten Schritt einen Schritt, in dem das Hartlot entlang einer Öffnung des Spalts aufgebracht wird, wobei in dem dritten Schritt das Hartlot durch Erwärmen geschmolzen und so in den Spalt eingebracht wird. Auch dadurch kann das Verbindungsmaterial noch zuverlässiger und gleichmäßiger in den Spalt eingebracht werden. Vorzugsweise liegt in dem dritten Schritt die Erwärmungstemperatur im Bereich von 1050 bis 1200°C. Dadurch kann verhindert werden, dass das Hartlot mit den Metallbauteilen eine Legierung bildet. Auch kann die Benetzbarkeit des Hartlots gegenüber dem korrosionsbeständigen Stahl erhöht werden.

Vorzugsweise wird der dritte Schritt in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum durchgeführt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Oberflächen der aus dem korrosionsbeständigen Stahl bestehenden Bauteile oxidieren, so dass für eine ausreichende Benetzbarkeit des Hartlots gegenüber dem korrosionsbeständigen Stahl gesorgt ist.

Vorzugsweise sieht das Verfahren in der Phase, in der die Metallbauteile so aneinander herangeführt sind, dass eine Fläche des einen Metallbauteils einer Fläche des anderen Metallbauteils zugewandt ist, weiterhin einen Schritt vor, in dem auf zumindest einer der genannten Flächen der Metallbauteile mindestens ein Vorsprung ausgebildet wird, der auf die andere Fläche gerichtet ist. Dadurch können die Metallbauteile vorübergehend aneinander befestigt werden, wenn sie positioniert werden.

Vorzugsweise wird der Vorsprung durch Auftragsschweißen ausgebildet. Dadurch kann der Vorsprung in der gewünschten Höhe ausgebildet werden, ohne dass er an eine Haltevorrichtung geschweißt wird, die bei der Ausbildung des Vorsprungs verwendet wird. Der Schritt zum Ausbilden des Vorsprungs wird vorzugsweise vor dem ersten Schritt durchgeführt. So kann auch der Vorsprung der Wärmebehandlung unterzogen werden, was dazu beiträgt, das Hartlot noch zuverlässiger und gleichmäßiger in den Spalt einzubringen.

In dem oben beschriebenen Verfahren besteht das Hartlot vorzugsweise aus reinem Gold, einer Au-Ni-basierten Legierung, einer Au-Cu-basierten Legierung und/oder einer Au-Ag-Cu-basierten Legierung. Diese Materialien werden bevorzugt eingesetzt, da ein aus diesen Materialien hergestelltes Hartlot ausgezeichnete chemische Beständigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber starken Desinfektionsmitteln hat, die z.B. Peressigsäure enthalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine für ein medizinisches Gerät verwendbare Metallbaueinheit vorgesehen, die hergestellt ist, indem Metallbauteile aus korrosionsbeständigem Stahl nach dem oben beschriebenen Verfahren miteinander verbunden sind. Da bei dieser Metallbaueinheit das Hartlot, das mindestens 62,5 Gew.-% Au enthält, ausgezeichnete chemische Beständigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber einem beispielsweise Peressigsäure enthaltenden Desinfektionsmittel hat, kann verhindert werden, dass die Anschlussbereiche in der Baueinheit unter dem Einfluss einer chemischen Lösung, wie z.B. eines Desinfektionsmittels, erodieren. Vorzugsweise dienen die Metallbauteile jeweils der Ausbildung eines Endoskopkanals. Da ein solcher Kanal beim Sterilisieren und Spülen des Endoskops leicht durch die verwendete chemische Lösung beeinträchtigt wird, ist die Erfindung vorzugsweise auf eine Metallbaueinheit und Metallbauteile anwendbar, die in einem solchen Kanal verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Endoskop vorgesehen, das mit der oben beschriebenen Metallbaueinheit versehen ist. Ein solches Endoskop weist eine ausgezeichnete Haltbarkeit auf.

Weitere Gegenstände, strukturelle Merkmale und Ergebnisse der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und praktischer Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Beispiels einer in einem medizinischen Gerät verwendbaren Metallbaueinheit,
2 einen vergrößerten Querschnitt eines in 1 gezeigten Bereichs A,
3 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ausbilden eines Vorsprungs an der Innenfläche eines Zylinderkörpers durch Auftragsschweißen,
4 eine Darstellung, die ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten der Metallbauteile zeigt,
5 einen Querschnitt, der den in eine Schweißvorrichtung eingesetzten Zylinderkörper zeigt, an dem Rohranschlussstücke angeordnet sind, und
6 eine Draufsicht, die ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Endoskop zeigt.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Zur Lösung des eingangs geschilderten Problems haben die Erfinder weitreichende Untersuchungen hinsichtlich der Hartlote (Lotmetalle) angestellt und herausgefunden, dass ein Hartlot, das unter dem Einfluss verschiedenartiger Desinfektionsmittel nur kaum erodiert, ein Material sein sollte, das Au in einer Menge von mindestens 62,5 Gew.-% (einschließlich reinem Gold) enthält.
Jedoch weist ein solches Hartlot nur geringe Benetzbarkeit gegenüber korrosionsbeständigem Stahl auf. Wird deshalb ein solches Hartlot zum Löten von in einem medizinischen Gerät verwendeten Bauteilen aus korrosionsbeständigem Stahl (im Folgenden als Metallbauteile bezeichnet) eingesetzt, so besteht die Gefahr, dass das Hartlot nicht den gesamten Lötbereich zwischen den Metallbauteilen erreicht. Da ein solches Hartlot ferner eine hohe Kompatibilität mit korrosionsbeständigem Stahl aufweist, legiert es leicht mit dem korrosionsbeständigem Stahl, wenn eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur durchgeführt wird. Somit tritt in Abhängigkeit der Art der verwendeten Metallbauteile (z.B. bei einem Rohranschlussstück mit einer sehr geringen Wanddicke) eine Verformung infolge von Erosion auf. Um diese Probleme zu überwinden, war eine Vorbehandlung der zu lötenden oder zu verbindenden Metallbauteile erforderlich.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände haben die Erfinder nach weiteren Verfahren geforscht, in denen die Metallbauteile unter Verwendung eines Hartlots gelötet werden. Sie haben herausgefunden, dass die Benetzbarkeit des Hartlots gegenüber den Metallbauteilen (Bauteile aus korrosionsbeständigem Stahl) verbessert wird, wenn im Vorfeld die miteinander zu verbindenden Metallbauteile einer Wärmebehandlung in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C unterzogen werden. Dadurch können die Metallbauteile mit hoher Genauigkeit und hoher Lötfestigkeit gelötet werden.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass bei Verwendung des Hartlots die Metallbauteile mit höherer Genauigkeit und höherer Lötfestigkeit miteinander verbunden werden können, wenn zwischen den zu verbindenden Metallbauteilen ein Anschlussspalt (Anschlusszwischenraum oder -fuge) vorgesehen wird, wobei die Größe dieses Spalts in Abhängigkeit des eingesetzten Lötverfahrens oder in Abhängigkeit der Größe der zu verbindenden Metallbauteile variiert.
Die Erfindung beruht auf den vorstehend beschriebenen Erkenntnissen. Die Erfindung ist demnach auf ein Verfahren zum Löten von mindestens zwei in einem medizinischen Gerät verwendeten Bauteilen aus korrosionsbeständigem Stahl gerichtet, bei dem die Bauteile unter Verwendung eines Hartlots, das Au in einer Menge von mindestens 62,5 Gew.-% enthält, miteinander verbunden werden. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt, in dem die Metallbauteile einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum unterzogen werden; einen zweiten Schritt, in dem eines der Metallbauteile so an das andere Metallbauteil herangeführt wird, dass sich zwischen den Bauteilen ein Spalt ausbildet; und einen dritten Schritt, in dem das Hartlot im geschmolzenen Zustand in diesen Spalt eingebracht wird, um die Metallbauteile miteinander zu verbinden.
Das nach der Erfindung zu verwendende Hartlot (Lotmetall) enthält Au in einer Menge von mindestens 62,5 Gew.-%. Beispiele für ein solches Hartlot sind reines Gold und Au-basierte Legierungen, z.B. eine Au-Ni-basierte Legierung, die aus 81,5 bis 82,5 Gew.-% Au, höchstens 0,15 Gew.-% eines anderen Elementes und Nickel (Gleichgewicht) besteht, eine Au-Ag-Cu-basierte Legierung, die aus 74,5 bis 75,5 Gew.-% Au, 12,0 bis 13,0 Gew.-% Ag, höchstens 0,15 Gew.-% eines anderen Elementes und Cu (Gleichgewicht) besteht, und eine Au-Cu-basierte Legierung, die aus 79,5 bis 80,5 Gew.-% Au, höchstens 0,15 Gew.-% eines anderen Elementes und Cu (Gleichgewicht) besteht. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise mindestens eines dieser Materialien verwendet.
Da alle diese Hartlote hohe chemische Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegenüber einem starken, beispielsweise Peressigsäure enthaltenden Desinfektionsmittel aufweisen, können sie vorteilhaft eingesetzt werden. Soll in einem Lötbereich eine besonders hohe Lötfestigkeit vorliegen, so wird vorzugsweise eine Au-Legierung als Hartlot verwendet.
Hinsichtlich Gestalt oder Form des Hartlots bestehen keine besonderen Einschränkungen. So können verschiedenartige Formen gewählt werden, z.B. eine Drahtform oder die Form einer Paste, die Pulver aus reinem Gold oder eine Au-Legierung enthält.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten von Metallbauteilen im Detail beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erfindungsgemäßes Beispiel für Metallbauteile zeigt, die in einem medizinischen Gerät verwendet werden. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt eines in 1 gezeigten Bereichs A. 3 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ausbilden eines Vorsprungs an der Innenfläche eines Zylinderkörpers durch Auftragsschweißen. 4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten der Metallbauteile zeigt. 5 ist ein Querschnitt, der einen Zustand zeigt, in dem der Zylinderkörper, an dem Rohranschlussstücke angeordnet sind, in eine Schweißvorrichtung eingesetzt ist.
In 1 ist eine für ein medizinisches Gerät verwendbarer Metallbaueinheit 1 gezeigt, die aus Metallbauteilen besteht. Diese Metallbaueinheit 1 bildet einen sogenannten Führungszylinder (Zylinderanordnung), der einen Zylinderkörper 2 und vier mit dem Zylinderkörper 2 verbundene Rohranschlussstücke 3a bis 3d umfasst. Es können zwei, drei, fünf oder auch mehr Rohranschlussstücke vorgesehen sein. Auch die Form des Zylinderkörpers 2 ist nicht auf die in 1 gezeigte beschränkt. Sie kann in Abhängigkeit des eingesetzten medizinischen Gerätes geändert werden.
In der Metallbaueinheit 1 bilden beispielsweise die in den 1 und 2 gezeigten Rohranschlussstücke 3a bis 3d ein erfindungsgemäßes Metallbauteil (im Folgenden werden diese Anschlussstücke zusammenfassend mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet), während der in den 1 und 2 gezeigte Zylinderkörper 2 das andere erfindungsgemäße Metallbauteil darstellt.
Der Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3 bestehen aus einem korrosionsbeständigem Stahl, vorzugsweise aus austenitischem Stahl, der eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit (Korrosionsbeständigkeit) aufweist. Beispiele für einen solchen austenitischen korrosionsbeständigen Stahl sind SUS 304, 304L, 305, 316 und dergleichen.
Die korrosionsbeständigen Stähle, die den Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3, d.h. die miteinander zu verbindenden Metallbauteile, bilden, können von gleicher oder verschiedener Art sein. Das erfindungsgemäße Lötverfahren ermöglicht es, die Metallbauteile auch dann zuverlässig miteinander zu verbinden, wenn diese aus unterschiedlichen Stählen bestehen.
Der Zylinderkörper 2 hat eine größere Wanddicke und einen größeren Außendurchmesser als jedes der Rohranschlussstücke 3. In den Zylinderkörper 2 sind Öffnungen 20 zur Aufnahme der Enden der Anschlussstücke 3 ausgebildet.
Demgegenüber hat im allgemeinen jedes der Rohranschlussstücke 3 eine geringere Wanddicke und einen kleineren Außendurchmesser als der Zylinderkörper 2. Die Rohranschlussstücke 3 werden mit dem Zylinderkörper 2 verbunden, indem sie jeweils mit einem Ende in die entsprechende Öffnung 22 eingesetzt und dann unter Verwendung eines Hartlots 5 an den Zylinderkörper 2 gelötet werden.
Wie in den 2 und 4 gezeigt, bilden die in dem Zylinderkörper 2, d.h. dem anderen Metallbauteil, ausgebildeten Öffnungen 20 normalerweise Ansatzbohrungen. Jede dieser Ansatzbohrungen hat einen inneren Lochteil 20a, dessen Durchmesser gleich oder zumindest weitgehend gleich dem Innendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 ist, und einen äußeren Lochteil 20b, dessen Durchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 ist. Ist beispielsweise der Außendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 gleich 5,5 mm, so hat der äußere Lochteil 20b vorzugsweise einen Durchmesser von 5,52 bis 5,58 mm.
<1> Ausbilden der Vorsprünge
Zunächst werden an der mit 7a bezeichneten Innenfläche der Öffnung 20 (äußerer Lochteil 20a) des Zylinderkörpers 2 Vorsprünge 4 ausgebildet, wie in den 3 und 4 gezeigt ist.
Diese Vorsprünge 4 dienen dazu, zuverlässig einen Anschlussspalt (Anschlusszwischenraum oder -fuge) 6 zwischen dem Zylinderkörper 2 und dem Rohranschlussstück 3 auszubilden, der den Eintritt des geschmolzenen Hartlots in dem folgenden Verfahrensschritt <5> einfach gestaltet. Ferner haben die Vorsprünge 4 den Zweck, das Rohranschlussstück 3 gegenüber dem Zylinderkörper 2 vorübergehend in einem positionierten Zustand zu fixieren (wobei mit diesem Zustand nicht nur ein Zustand gemeint ist, in dem das Rohranschlussstück 3 an einer Bewegung infolge seines eigenen Gewichtes gehindert ist, sondern auch ein Zustand, in dem das Rohranschlussstück 3 an einer Bewegung gehindert ist, wenn es in eine Schweißvorrichtung 11 eingesetzt wird, wie später beschrieben wird).
Um den Eintritt des geschmolzenen Hartlots in den Spalt 6 einfach zu gestalten, sollte der Spalt 6 vorzugsweise eine Breite von etwa 0,02 bis 0,25 mm haben. Die Vorsprünge 4 sollten dementsprechend die dieser Dicke entsprechende Höhe haben. Sind die folgenden Bedingungen (i) bis (iii) erfüllt, so reicht ein einziger Vorsprung aus, der die Form eines hervortretenden oder konvexen Abschnitts hat. (i) Der Durchmesser der Öffnung (äußerer Lochteil 20b ist kleiner als höchstens 3 mm); (ii) das Rohranschlussstück 3 weist eine gerade Form ohne gebogene Abschnitte auf; (iii) es ist nicht erforderlich, eine Winkeleinstellung des Rohranschlussstücks 3 gegenüber dem Zylinderkörper 2 vorzunehmen.
In diesem Fall, d.h. bei nur einem einzigen Vorsprung 4, befindet sich ein Teil der mit 7b bezeichneten Außenfläche des Rohranschlussstücks 3 in Kontakt mit der Innenfläche 7a des äußeren Lochteils 20b des Zylinderkörpers 2. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass das Hartlot 5 dennoch in ausreichendem Maße an diesen Kontaktbereich gebracht werden kann, indem die in den nachfolgenden Verfahrensschritten <2> und <5> vorgesehenen Bedingungen geeignet eingestellt werden.
Ist der Durchmesser der in dem Zylinderkörper 2 ausgebildeten Öffnung 20 (äußerer Lochteil 20b) größer als der oben genannte Wert oder muss eine Winkeleinstellung des Rohranschlussstücks 3 gegenüber dem Zylinderkörper 2 vorgenommen werden, so werden vorzugsweise zwei oder drei oder mehr Vorsprünge 4 (am besten drei) ausgebildet werden. In einer speziellen Ausführungsform können die Vorsprünge 4 hergestellt werden, indem in dem Innenumfangsbereich der Öffnung 20 Kerben über geeignete Intervalle ausgebildet werden.
Werden mehrere Vorsprünge 4 ausgebildet, so haben sie vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Größe und sind im Wesentlichen über die gleichen Intervalle angeordnet. Sind beispielsweise zwei Vorsprünge vorgesehen, so sind diese über Intervalle von 180° angeordnet, während sie bei drei Vorsprüngen über Intervalle von 120° und bei vier Vorsprüngen über Intervalle von 90° angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Vorsprünge 4 kann die Breite des Anschlussspalts 6 entlang der Umfangsrichtung des Rohranschlussstücks 3 gleich eingestellt werden. So kann verhindert werden, dass das Hartlot 5 im geschmolzenen Zustand aus dem Spalt 6 herausfließt und in andere Bereiche gelangt (z.B. zur Innenfläche des Rohranschlussstücks 3 oder zur Innenfläche des Zylinderkörpers 2), wodurch infolge der ungleichmäßigen Spaltbreite in diesen Bereichen eine aus dem Hartlot 5 bestehende Schicht ausgebildet wird.
Die Größe jedes Vorsprungs ist vorzugsweise so bemessen, dass das Anschlussstück 3 einfach in den äußeren Lochteil 20b des Zylinderkörpers 2 eingesetzt, jedoch nur schwer aus diesem entfernt werden kann, und dass die Winkeleinstellung des Rohranschlussstücks 3 einfach vorgenommen werden kann.
Das Verfahren zum Ausbilden der Vorsprünge 4 ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Es können verschiedene Verfahren angewandt werden. Bevorzugt wird jedoch ein Verfahren, bei dem Auftrags- oder Überlappschweißen angewandt wird. Bei Anwendung des Auftragsschweißverfahrens können die Vorsprünge 4 wie folgt ausgebildet werden. Zunächst wird ein Pulver aus korrosionsbeständigem Stahl an der positiven Elektrode einer Mikrowiderstands-Schweißvorrichtung angebracht, oder es wird ein dünner Draht aus Edelstahl (z.B. mit einem Durchmesser von 0,1 mm) in der Nähe einer positiven Elektrode einer Mikro-TIG-Schweißvorrichtung oder einer Mikro-MIG-Schweißvorrichtung angeordnet. Dann wird der Zylinderkörper 2 mit der negativen Elektrode der Vorrichtung verbunden. In diesem Zustand wird die positive Elektrode in Kontakt mit oder in die Nähe der Innenfläche 7a (einschließlich des Randes des äußeren Lochteils 20b) des äußeren Lochteils 20b der in dem Zylinderkörper 2 ausgebildeten Öffnung 20 gebracht.
Das Auftragsschweißen wird in einem Zustand durchgeführt, in dem das Rohranschlussstück 3 oder eine Haltevorrichtung, die den gleichen Durchmesser wie das Rohranschlussstück 3 hat, in den äußeren Lochteil 20b eingesetzt ist, der in dem Zylinderkörper 2 ausgebildet ist. Beim Auftragsschweißen können die Vorsprünge 4, die jeweils die gewünschte Höhe haben, an der Innenfläche 7a ausgebildet werden, ohne an das Rohranschlussstück 3 oder die Haltevorrichtung geschweißt zu werden. Dies ist der Vorteil des Auftragsschweißverfahrens.
Neben dem Auftragsschweißverfahren kann auch ein Verfahren angewandt werden, bei dem die Vorsprünge 4 durch Verformen unter Verwendung eines Stempels mit Führungsabschnitten, deren Durchmesser im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Rohranschlussstücks 3 ist, ausgebildet werden (Verstemmen). Dieses mit dem Stempel arbeitende Verfahren ist besonders zweckmäßig, wenn mehrere Vorsprünge 4 mit etwa gleicher Größe und etwa gleichen Intervallen ausgebildet werden sollen.
Da dieser Verfahrensschritt <1> vor dem nachfolgenden Verfahrensschritt <2> der Wärmebehandlung durchgeführt wird, können auch die Vorsprünge 4 einer Wärmebehandlung unterzogen werden, so dass das Hartlot 5 zuverlässig und gleichmäßig dem Spalt 6 (Anschlussbereich) zugeführt werden kann.
Statt die Vorsprünge 4 in oben beschriebener Weise an der Innenfläche des äußeren Lochteils 20b des Zylinderkörpers 2 auszubilden, können sie auch an der Außenfläche 7b (Anschlussfläche) des Rohranschlussstücks 3 ausgebildet werden. Außerdem ist es möglich, die Vorsprünge sowohl an der Außenfläche 7b des Rohranschlussstücks 3 als auch an der Innenfläche des äußeren Lochteils 20b auszubilden.
<2> Wärmebehandlung (erster Schritt)
Anschließend werden der Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3 einer Wärmebehandlung in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre (genauer gesagt, einer Atmosphäre, die Wasserstoff enthält und nichtoxidierend ist) oder in Vakuum bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C, vorzugsweise 1080 bis 1150°C unterzogen.
Durch die Wärmebehandlung in dieser Atmosphäre können oxidierte passive Schichten, die sich auf dem Zylinderkörper 2 und den Rohranschlussstücken 3 leicht bilden, reduziert und beseitigt werden. Außerdem können die Fremdsubstanzen, die an den Oberflächen des Zylinderkörpers 2 und der Rohranschlussstücke 3 haften, entfernt werden. Dabei werden diese Fremdsubstanzen durch Reduktion oder Verdampfung beseitigt. Im Ergebnis können so die Benetzbarkeit und die Haftung des Hartlots 5 an dem Zylinderkörper 2 und den Rohranschlussstücken 3 verbessert werden.
Wird diese Wärmebehandlung nicht durchgeführt, so wird die Benetzbarkeit des Hartlots gegenüber dem Zylinderkörper 2 und den Rohranschlussstücken 3 nicht verbessert, was dazu führt, dass das Hartlot nicht in ausreichender Menge in den Spalt (Anschlussbereich 6) zwischen dem Zylinderkörper 2 und dem jeweiligen Rohranschlussstück 3 eingebracht werden kann. Dies kann die Probleme verursachen, dass eine geeignete Hohlkehle nicht ausgebildet werden kann und dass das Hartlot im geschmolzenen Zustand für lange Zeit an einer bestimmten Stelle verbleibt und so mit dem korrosionsbeständigen Stahl, aus dem das Rohranschlussstück 3 besteht, legiert, wodurch die Wanddicke des Rohranschlussstücks 3 lokal verringert oder der Innendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 verändert wird. Dies führt zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Rohranschlussstücks 3.
Der Grund dafür, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1050°C oder höher durchgeführt wird, liegt darin, dass bei einer Wärmebehandlungstemperatur von weniger als 1050°C die Reduktion der oxidierten passiven Schichten unzureichend ist und deshalb die Benetzbarkeit und die Haftung des Hartlots an dem korrosionsbeständigen Stahl nicht genügend verbessert werden können. Andererseits liegt der Grund dafür, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1200°C oder weniger durchgeführt wird, darin, dass bei einer Temperaturerhöhung auf mehr als 1200°C eine Sättigung der Reinigungs- und Reduktionswirkung eintritt und demnach nicht zu erwarten ist, dass eine weitere Verbesserung der oben beschriebenen Wirkungen erreicht werden kann. Ist die Temperatur zu hoch, so wird ferner die kristalline Korngröße in dem korrosionsbeständigen Stahl grob, was z.B. zu den Problemen führt, dass die mechanischen Eigenschaften der einer Wärmebehandlung unterzogenen Metallbauteile schlechter werden, die für die Wärmebehandlung aufzuwendenden Kosten ansteigen und sich die einer Wärmebehandlung unterzogenen Metallbauteile leicht verformen.
Die für die Wärmebehandlung vorgesehene Zeit unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Sie liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 min, noch besser im Bereich von 10 bis 45 min.
Wird die Wärmebehandlung in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre durchgeführt, so liegt der Taupunkt dieser Atmosphäre vorzugsweise bei -60°C oder tiefer. Ist der Taupunkt der Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre höher als -60°C, so bedeutet dies, dass die Wasserstoffkonzentration in dieser Atmosphäre vergleichsweise gering ist. Eine solche Atmosphäre weist nur ein geringes Reduktionsvermögen auf, so dass die Befürchtung besteht, dass die oxidierten passiven Schichten abhängig von der Erwärmungstemperatur nicht in ausreichendem Maße beseitigt werden können. In diesem Zusammenhang ist noch auf Folgendes hinzuweisen: Wird die Erwärmungstemperatur so stark erhöht, dass die oxidierten passiven Schichten durch die Steigerung des Reduktionsvermögens in ausreichendem Maße beseitigt werden können, so wirkt sich dies wiederum nachteilig auf die zu behandelnden Metallbauteile aus. Außerdem ist es unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht zweckmäßig, die Erwärmungszeit in die Länge zu ziehen.
Wird die Wärmebehandlung in Vakuum, d.h. unter verringertem Druck, durchgeführt, so liegt der Druck vorzugsweise bei höchstens 5 × 10^–4 mmHg, noch besser bei 5 × 10^–5 mmHg. Indem das Vakuum auf für den vorstehend angegebenen Bereich eingestellt wird, können die oxidierten passiven Schichten noch zuverlässiger beseitigt und die an den Oberflächen haftenden Fremdsubstanzen noch zuverlässiger entfernt werden. (Dabei werden die Fremdsubstanzen durch Reduktion oder Verdampfung entfernt).
<3> Ausbilden des Spalts (zweiter Schritt: Positionierschritt)
Anschließend wird das Rohranschlussstück 3 so an den Zylinderkörper 2 herangebracht, dass sich der Anschlussspalt 6 zwischen diesen Bauteilen ausbildet. In dieser Ausführungsform wird durch Einsetzen eines Endes des Rohranschlussstücks 3 in die Öffnung 20 (äußerer Lochteil 20b) des Zylinderkörpers 2 der Spalt 6 zwischen den genannten Bauteilen ausgebildet.
Die in 4 mit W bezeichnete Breite des Spalts 6 liegt im Mittel in einem Bereich von 0,02 bis 0,25 mm. Ist der Außendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 gleich 10 mm oder kleiner, so liegt die Breite W vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,08 mm. Ist der Außendurchmesser des Rohranschlussstücks 3 größer als 10 mm, jedoch kleiner als 30 mm, so liegt die Breite W vorzugsweise im Bereich von 0,032 bis 0,089 mm. Indem die Breite des Spalts 6 auf den oben genannten Bereich eingestellt wird, kann das Hartlot 5 in dem nachfolgenden Verfahrensschritt <5> zuverlässig und gleichmäßig in den Spalt 6 eingebracht werden.
Vorzugsweise ist die in 4 mit D bezeichnete Einsetztiefe des Rohranschlussstücks 3 und damit die Tiefe des Spalts 6 höchstens 3,8 mm, noch besser höchstens 3,5 mm. Indem die Spalttiefe auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, kann das Hartlot 5 zuverlässig und gleichmäßig in den Spalt 6 eingebracht werden. Der Zylinderkörper 2 und das Rohranschlussstück 3 können so mit höherer Lötfestigkeit miteinander verlötet oder verbunden werden.
In dieser Ausführungsform werden in Schritt <1> die Vorsprünge 4 an der Innenfläche 7a des äußeren Lochteils 20b des Zylinderkörpers 2 ausgebildet. Deshalb ist das Rohranschlussstück 3 in Schritt <3> vorübergehend gegenüber dem Zylinderkörper 2 fest fixiert, d.h. positioniert. Dadurch können die dem Schritt <4> folgenden Verfahrensschritte noch einfacher und zuverlässiger durchgeführt werden.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der oben beschriebene Schritt <1>, in dem die Vorsprünge 4 ausgebildet werden, nach dem Schritt <3> (Positionierschritt) durchgeführt werden kann, ohne ihn vor Schritt <2> durchzuführen. Er kann jedoch auch zweimal durchgeführt werden, nämlich vor Schritt <2> und nach Schritt <3>.
Alternativ kann an Stelle des Schrittes <1>, in dem die Vorsprünge 4 ausgebildet werden, nach Schritt <3> (Positionierschritt) auch ein Verfahrensschritt durchgeführt werden, in dem das Anschlussstück 3 vorübergehend an dem Zylinderkörper 2 fixiert wird, indem ein Teil des Rohranschlussstücks 3 durch Laserschweißen an dem Zylinderkörper 2 angebracht wird. Dieser provisorische Fixierschritt unter Anwendung des Laserschweißverfahrens kann auch zusätzlich zu Schritt <1> durchgeführt werden.
Indem das Rohranschlussstück 3 durch Laserschweißen vorübergehend gegenüber dem Zylinderkörper 2 fixiert wird, ist es nicht erforderlich, das Rohranschlussstück 3 zu verformen, was der Fall ist, wenn das Rohranschlussstück 3 mit Kraft in die Öffnung 20 eingetrieben wird. So kann eine Funktionsbeeinträchtigung der fertigen Metallbaueinheit 1, die aus den für ein medizinisches Gerät verwendbaren Metallbauteilen besteht, vermieden werden. Da es ferner möglich ist, den Spalt geeignet auszubilden, kann das Hartlot zuverlässig in diesen Spalt eingebracht werden, so dass eine Verminderung der Lötfestigkeit vermieden werden kann.
Durch diese vorübergehende Fixierung kann außerdem verhindert werden, dass die Innenfläche des Rohranschlussstücks 3 in ihrer Glätte beeinträchtigt wird. Im Ergebnis kann so eine Funktionsbeeinträchtigung der Rohranschlussstücke 3 und damit der Metallbaueinheit 1 vermieden werden.
Aus oben dargelegten Gründen ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten der Metallbauteile vorzugsweise in einem Fall anwendbar, in dem mindestens eines der zu verbindenden Metallbauteile ein Hohlteil wie das in der beschriebenen Ausführungsform vorgesehene Rohranschlussstück 3 ist.
Jedoch ist die Erfindung selbstredend auch anwendbar, wenn beide miteinander zu verbindenden Metallbauteile massive Teile sind.
<4> Aufbringen des Hartlots
Anschließend wird das nicht geschmolzene Hartlot 5 entlang der Umfangsöffnung 60 des Spalts 6 aufgebracht.
Das Aufbringen des Hartlots 5 erfolgt beispielsweise in der Weise, dass das Hartlot 5 in Form eines Fülldrahtes (Lötdraht) am Übergang zwischen dem Zylinderkörper 2 und dem Rohranschlussstück 3 um den Umfang des Rohranschlussstücks 3 gewickelt wird, wie in 4 gezeigt ist, oder dass das Hartlot in Form einer Paste um diesen Übergang herum angebracht wird. Es wird so viel Hartlot aufgebracht, wie benötigt wird, das Rohranschlussstück 3 an den Zylinderkörper zu löten.
Vorzugsweise wird das aufgebrachte Hartlot 5 mittels eines Haftstoffs (Schnellkleber) fixiert.
Das Hartlot 5 kann in der beschriebenen Weise sehr zuverlässig und gleichmäßig in den Spalt 6 eingebracht werden.
<5> Löten (dritter Schritt)
Wie in 5 gezeigt, wird anschließend der Zylinderkörper 2, an dem die Rohranschlussstücke 3 angeordnet sind, auf eine Schweißvorrichtung 11 gesetzt. In diesem Zustand wird das Hartlot 5 erwärmt und geschmolzen. Das geschmolzene Hartlot 5 wird dann den jeweiligen Spalten 6 zugeführt. Indem anschließend das geschmolzene Hartlot 5 erhärtet, werden der Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3 miteinander verbunden.
Die für das Hartlot 5 vorgesehene Erwärmungstemperatur variiert etwas in Abhängigkeit des verwendeten Hartlots 5 und ist nicht auf eine bestimmte Temperatur beschränkt. Vorzugsweise liegt sie jedoch in einem Bereich von 1050 bis 1200°C, noch besser in einem Bereich von 1080 bis 1150°C. Ist die Erwärmungstemperatur zu gering, so wird die Benetzbarkeit des Hartlots gegenüber dem korrosionsbeständigen Stahl nicht in ausreichendem Maße erhöht, so dass die Befürchtung besteht, dass das Hartlot 5 nicht in effizienter Weise in die jeweiligen Spalte eingebracht werden kann. Ist dagegen die Erwärmungstemperatur zu hoch, so wird ein Teil des Hartlots 5, während es mit dem Zylinderkörper 2 und den Rohranschlussstücken 3 (Basismaterial) legiert, verbraucht, so dass die Befürchtung besteht, dass das Hartlot 5 seine Funktion als Lotmaterial nicht in ausreichendem Maße erfüllt. Außerdem besteht die Gefahr, dass die kristalline Korngröße in dem korrosionsbeständigem Stahl grob wird, was dazu führen kann, dass die mechanischen Eigenschaften der der Wärmebehandlung unterzogenen Metallbauteile in ihrer Qualität abnehmen und dass die Rohranschlussstücke 3 erodieren.
Die zum Erwärmen des Hartlots vorgesehene Zeit ist auch nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Vorzugsweise liegt sie jedoch im Bereich von 1 bis 60 min, noch besser im Bereich von 10 bis 45 min.
Vorzugsweise wird das Hartlot 5 in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre (genauer gesagt, einer Atmosphäre, die Wasserstoff enthält und nichtoxidierend ist) oder in Vakuum, d.h. unter verringertem Druck, erwärmt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Oberflächen des Zylinderkörpers und der Rohranschlussstücke, die aus korrosionsbeständigem Stahl bestehen, oxidieren, wodurch wiederum gewährleistet ist, dass die Benetzbarkeit des Hartlots 5 gegenüber dem korrosionsbeständigem Stahl in ausreichendem Maße vorhanden ist.
Wird das Hartlot 5 in der Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre erwärmt, so liegt der Taupunkt dieser Atmosphäre vorzugsweise bei –60°C oder tiefer. Liegt der Taupunkt der Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre höher als –60°C, so bedeutet dies, dass die Wasserstoffkonzentration in der Atmosphäre vergleichsweise gering ist. In einer solchen Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre besteht die Befürchtung, dass in Abhängigkeit des verwendeten Hartlots eine ausreichende Benetzbarkeit des Hartlots 5 gegenüber dem korrosionsbeständigen Stahl nicht gewährleistet werden kann.
Wird dagegen das Hartlot 5 in Vakuum, d.h. unter verringertem Druck, erwärmt, so liegt der Unterdruck vorzugsweise bei 5 × 10^–4 mmHg oder tiefer, noch besser bei 5 × 10^–5 mmHg oder tiefer. Indem das Vakuum auf den oben angegebenen Bereich eingestellt wird, ist noch zuverlässiger für eine ausreichende Benetzbarkeit gegenüber dem korrosionsbeständigen Stahl gesorgt.
Durch die oben beschriebenen Verfahrensschritte kann also die Metallbaueinheit 1, d.h. eine aus in einem medizinischen Gerät verwendbaren Metallbauteilen bestehende Einheit, hergestellt werden, bei der der Zylinderkörper 2 mit den Rohranschlussstücken 3 verlötet oder verbunden ist.
Mit einer solchen Metallbaueinheit kann ein Luft/Wasserzuführknopf eines Endoskops konstruiert werden, wie in 6 gezeigt ist.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Endoskop beschrieben. 6 zeigt in der Draufsicht eine Ausführungsform eines solchen Endoskops.
Das mit 100 bezeichnete Endoskop nach 6 dient der Untersuchung des Magens oder des Verdauungstraktes und besteht aus einem Bedienteil 110 und einem flexiblen Einführrohr 120.
An der Spitze des flexiblen Einführrohrs 120 befindet sich ein Endstück 130, in dem Objektivlinsen und dergleichen untergebracht sind.
An dem Bedienteil 110 befindet sich zusätzlich zu dem oben genannten Luft/Wasserzuführknopf 140 im oberen Bereich ein Okularteil 150.
Ein flexibles Verbindungsrohr 160 ist mit seinem einen Ende an den Bedienteil 110 angeschlossen. An dem anderen Ende des Verbindungsrohrs 160 befindet sich ein in den Figuren nicht gezeigter Steckverbinder, der lösbar an eine Lichtquelleneinrichtung angeschlossen ist.
Im Inneren des Bedienteils 110 und des flexiblen Einführrohrs 120 verlaufen ein Luftkanal 170 und ein Wasserkanal 180. Die Kanäle 170 und 180 haben Öffnungen an dem Endstück 130.
Die Enden des Luftkanals 170 und des Wasserkanals 180 sind direkt mit dem Rohranschlussstück 3b bzw. dem Rohranschlussstück 3a des für den Luft/Wasserzuführknopf 140 bestimmten Führungszylinders 1 verbunden.
Innerhalb des flexiblen Verbindungsrohrs 160 verlaufen ein mit einer nicht gezeigten externen Luftzuführvorrichtung verbundenes Luftzuführrohr 190 und ein mit einer nicht gezeigten externen Wasserzuführvorrichtung verbundenes Wasserzuführrohr 200, die mit einem Rohranschlussstück 3c bzw. einem Rohranschlussstück 3d verbunden sind, die auf der Seitenfläche des für den Luft/Wasserzuführknopf 140 vorgesehenen Führungszylinders 1 angeordnet sind.
Wird das Endoskop 100 sterilisiert oder desinfiziert, so werden chemische Substanzen oder Desinfektionsmittel in das Innere des Führungszylinders 1 (erfindungsgemäße Metallbaueinheit) des Luft/Wasserzuführknopfs 140 eingebracht. Durch die Erfindung ist jedoch gewährleistet, dass der Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3 mittels des Hartlots 5, das eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit gegenüber den vorstehend genannten Substanzen oder Desinfektionsmitteln hat, miteinander verlötet oder verbunden sind und dass sie zudem durch eine ausreichende Menge an Hartlot 5 fest miteinander verbunden sind. Auch wenn das Endoskop 100 wiederholt sterilisiert und desinfiziert wird, kann so zuverlässig verhindert werden, dass die chemischen Substanzen aus den Anschlussbereichen des Führungszylinders 1 in das Innere des Endoskops 100 austreten. Somit kann auch verhindert werden, dass innerhalb des Endoskops 100 vorgesehene Vorrichtungen oder Mechanismen beschädigt werden und dass zum Biegen des flexiblen Einführrohrs 120 eine erhöhte Kraft aufgewandt werden muss. Das Endoskop 100 weist deshalb eine ausgezeichnete Haltbarkeit auf.
Vorstehend wurden das Verfahren zum Löten der in einem medizinischen Gerät verwendeten Metallbauteile, die nach diesem Verfahren hergestellte Metallbaueinheit sowie das mit dieser Metallbaueinheit versehene Endoskop nach der Erfindung an Hand der in den Figuren gezeigten Ausführungsform beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auf diese Ausführungsform nicht beschränkt.
So können beispielsweise in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Löten der Metallbauteile zusätzliche Verfahrensschritte für beliebige Zwecke vorgesehen werden.
Auch ist das erfindungsgemäße Lötverfahren auch nicht auf eine Ausführungsform beschränkt, bei der der Zylinderkörper 2 und die Rohranschlussstücke 3, die Endoskopkanäle darstellen, miteinander verbunden werden sollen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Fälle angewandt werden, bei denen Endoskopkanäle miteinander zu verbinden sind, die Instrumenteneinführkanäle bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch noch in anderen Fällen angewandt werden, z.B. wenn ein ein Endoskop bildendes Metallbauteil mit einem entsprechenden Metallbauteil zu verbinden ist, wenn ein Metallbauteil, das ein chirurgisches Instrument wie eine Zange, eine Bürste zur Gewebsdiagnose oder eine Punktionsnadel bildet, mit einem entsprechenden Metallbauteil zu verbinden ist, oder wenn Metallkomponenten, die interne Endoskopteile wie eine Luft/Wasserzuführflasche, verschiedenartige Adapter (z.B. Fotoadapter, Spüladapter, Sterilisationsadapter, Desinfektionsadapter und Dreiweg-Absperrhahn), und ein einführbares Gleitrohr bilden, mit entsprechenden Metallkomponenten zu verbinden sind.
Wie oben beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, um verschiedenartige Metallbauteile mit anderen Metallbauteilen zu verlöten, die in einem medizinischen Gerät verwendet werden.
Praktische Beispiele
Im Folgenden werden praktische Beispiele für die Erfindung beschrieben.
A. Bewertung der Lötbedingungen
(Beispiel 1A)
Zunächst wurden ein Zylinderkörper und vier Anschlussstücke hergestellt, wie sie in 1 gezeigt sind.
Der Zylinderkörper wurde aus SUS 304 mit einem Außendurchmesser von 9 mm, einer Wanddicke von 1,5 mm und einer Länge von 35 mm hergestellt. Auch die Rohranschlüsse wurden aus SUS 304 hergestellt, wobei ihre Außendurchmesser im Bereich von 1,5 bis 3,0 mm lagen und ihre Wanddicke jeweils 0,2 mm betrug.
Anschließend wurden in dem Zylinderkörper Öffnungen in Form von Ansatzbohrungen entsprechend den jeweiligen Rohranschlussstücken hergestellt. Dann wurden die Rohranschlussstücke in die ihnen zugeordneten Öffnungen eingesetzt. In diesem Zustand wurde der Zylinderkörper mit der negativen Elektrode einesrMikrowiderstands-Schweißvorrichtung (Verbindungsgerät) verbunden, während auf die positive Elektrode dieser Vorrichtung Pulver aus korrosionsbeständigem Stahl aufgebracht wurde, wie in 3 gezeigt ist. Durch Inbetriebnahme dieser Vorrichtung wurden dann an den Innenflächen der Öffnungen jeweils ein bis drei Vorsprünge ausgebildet.
Dann wurden die vier Rohranschlussstücke aus den Öffnungen des Zylinderkörpers genommen. Anschließend wurden diese Metallbauteile einschließlich des Zylinderkörpers und der Rohranschlussstücke in einen kontinuierlich arbeitenden Ofen eingebracht und dann unter reiner Wasserstoffatmosphäre einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei der Taupunkt des Wasserstoffs –73°C betrug. Die Wärmebehandlung wurde bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang durchgeführt, wobei die Aufwärmzeit 20 Minuten und auch die Abkühlzeit 20 Minuten betrug.
Dann wurden die vier Rohranschlussstücke wieder in die ihnen zugeordneten Öffnungen des Zylinderkörpers eingesetzt. Dabei betrug der Spalt zwischen dem Zylinderkörper und dem jeweiligen Rohranschlussstück 0,05 mm, während die Einsetztiefe des jeweiligen Rohranschlussstücks 3,5 mm betrug.
Wie in 4 gezeigt, wurde dann ein Hartlot, das aus einer aus 82 Gew.-% Au und 18 Gew.-% Ni bestehenden Legierung hergestellt war, in Form eines Fülldrahtes (Lötdraht) mit einem Durchmesser von 0,4 mm in einer oder zwei Wicklungen um den Umfang des jeweiligen Rohranschlussstücks gewickelt und dann mittels eines Schnellklebers fixiert.
Wie in 5 gezeigt, wurde dann die Metallbaueinheit, die aus dem Zylinderkörper und den an diesem angeordneten Rohranschlussstücken bestand, in eine Schweißvorrichtung eingesetzt. Dann wurde die Schweißvorrichtung zusammen mit der Metallbaueinheit in den schon in der vorhergehenden Wärmebehandlung verwendeten kontinuierlich arbeitenden Ofen mit der reinen Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt des Wasserstoffs –73°C) eingesetzt. Dann wurde die Baueinheit erwärmt, um die Lötung vorzunehmen. Die Wärmebehandlung wurde bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang durchgeführt, wobei die Aufwärmzeit und auch die Abkühlzeit 20 Minuten betrugen, so dass die jeweiligen Rohranschlussstücke durch das Hartlot mit dem Zylinderkörper verlötet oder verbunden wurden.
Aus der oben hergestellten Einheit wurde ein Führungszylinder gefertigt.
(Beispiel 2A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang (Aufwärmzeit: 20 Minuten; Abkühlzeit: 20 Minuten) in einem Vakuumofen mit einem Unterdruck von 1 × 10^–4 mmHg durchgeführt wurde.
(Beispiel 3A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Lötung in einem Vakuumofen mit einem Unterdruck von 1 × 10^–4 mmHg bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang (Aufwärmzeit: 20 Minuten; Abkühlzeit: 20 Minuten) vorgenommen wurde.
(Beispiel 4A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Lötung in einem atmosphärischen Ofen bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang (Aufwärmzeit: 20 Minuten; Abkühlzeit: 20 Minuten) vorgenommen wurde.
(Beispiel 5A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass als Hartlot eine Au-Legierung bestehend aus 82 Gew.-% Au und 18 Gew.-% Cu in Form eines Fülldrahtes (Lötdraht) mit einem Durchmesser von 0,4 mm verwendet wurde.
(Beispiel 6A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass als Hartlot reines Gold in Form eines Fülldrahtes (Lötdraht) mit einem Durchmesser von 0,4 mm verwendet wurde.
(Beispiel 7A)
Zunächst wurden ein Zylinderkörper und zwei Rohranschlussstücke hergestellt.
Der Zylinderkörper wurde aus SUS 304 mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einer Wanddicke von 1,5 mm und einer Länge von 23 mm hergestellt.
Auch die Rohranschlussstücke wurden aus SUS 304 hergestellt, und zwar mit einem Außendurchmesser von 4,0 mm und einer Wanddicke von 0,2 mm.
Anschließend wurden in dem Zylinderkörper Öffnungen in Form von Ansatzbohrungen entsprechend den jeweiligen Rohrabschlussstücken ausgebildet. Dann wurden die Rohranschlussstücke in die ihnen jeweils zugeordneten Öffnungen eingesetzt. In diesem Zustand wurde der Zylinderkörper an die negative Elektrode einer Mikrowiderstands-Schweißvorrichtung (Verbindungsgerät) angeschlossen, während auf die positive Elektrode dieser Vorrichtung ein Pulver aus korrosionsbeständigem Stahl aufgebracht wurde, wie in 3 gezeigt ist. Durch Inbetriebnahme der Vorrichtung wurden an den Innenflächen der Öffnungen längs deren Umfang (etwa ¾ des Umfangs) intermittierend mehrere Vorsprünge ausgebildet.
Dann wurden die beiden Rohranschlussstücke aus den Öffnungen des Zylinderkörpers genommen. Anschließend wurden diese Metallbauteile einschließlich des Zylinderkörpers und der Rohranschlussstücke in einen kontinuierlich arbeitenden Ofen angeordnet und dann einer Wärmebehandlung unter reiner Wasserstoffatmosphäre unterzogen, wobei der Taupunkt des Wasserstoffs –76°C betrug. Die Wärmebehandlung wurde bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang (Aufwärmzeit: 20 Minuten; Abkühlzeit: 20 Minuten) durchgeführt.
Anschließend wurden die beiden Rohranschlussstücke wieder in die ihnen jeweils zugeordneten Öffnungen des Zylinderkörpers eingesetzt. Dabei betrug der Spalt zwischen dem Zylinderkörper und dem jeweiligen Anschlussstück 0,05 mm, während die Einsetztiefe des jeweiligen Rohranschlussstücks 3,5 mm betrug.
Wie in 4 gezeigt, wurde anschließend ein Hartlot, das aus einer Au-Legierung bestehend aus 75 Gew.-% Au, 12,5 Gew.-% Ag und 12,5 Gew.-% Cu hergestellt war, in Form eines Fülldrahtes (Lötdraht) mit einem Durchmesser von 0,4 mm in zwei Wicklungen um den Außenumfang des jeweiligen Rohranschlussstücks gewickelt und dann mittels eines Schnellklebers fixiert.
Wie in 5 gezeigt, wurde dann die aus dem Zylinderkörper und den Rohranschlussstücken bestehende Metallbaueinheit in eine Schweißvorrichtung gesetzt. Anschließend wurde die Schweißvorrichtung zusammen mit der Metallbaueinheit in den schon in der vorhergehenden Wärmebehandlung verwendeten kontinuierlichen Ofen mit der Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt des Wasserstoffs –76°C) angeordnet. Anschließend wurde die Baueinheit erwärmt, um die Lötung vorzunehmen. Die Wärmebehandlung erfolgte bei einer Temperatur von 1130°C 20 Minuten lang (Aufwärmzeit: 20 Minuten; Abkühlzeit: 20 Minuten), so dass die Rohranschlussstücke durch das Hartlot mit dem Zylinderkörper verlötet oder verbunden wurden.
Aus der wie oben beschrieben hergestellten Baueinheit wurde ein Führungszylinder gefertigt.
(Vergleichsbeispiel 1A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Wärmebehandlung weggelassen wurde.
(Vergleichsbeispiel 2A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Temperatur bei der Wärmebehandlung 1000°C betrug.
(Vergleichsbeispiel 3A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Temperatur bei der Wärmebehandlung 1250°C betrug.
(Vergleichsbeispiel 4A)
Es wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass die Wärmebehandlung unter atmosphärischer Bedingung durchgeführt wurde.
(Vergleichsbeispiel 5A)
sEs wurde ein Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 7A gefertigt, abgesehen davon, dass die Wärmebehandlung weggelassen wurde.
Jeder der in den Beispielen 1A bis 7A und den Vergleichsbeispielen 1A bis 5A gefertigten Führungszylinder wurde auf die Lötfestigkeit im Anschlussbereich sowie auf den Längsschnitt in diesem Anschlussbereich hin untersucht.
In den Beispielen 1A bis 7A ergab sich, dass indem Anschlussbereich eine ausreichende Lötfestigkeit vorhanden war und dass der Spalt hohlraumfrei mit dem Hartlot angefüllt war.
Dagegen ergab sich in jedem der Vergleichsbeispiele, dass in dem Anschlussbereich keine ausreichende Lötfestigkeit vorhanden war und dass es in diesem Anschlussbereich einen Teil gab, der nicht mit dem Hartlot angefüllt war. Im Vergleichsbeispiel 3A wurde insbesondere eine Verformung an einem Teil des Rohranschlussstücks festgestellt.
B. Bewertung der Haltbarkeit (chemische Beständigkeit)
Es wurden zwei Endoskope gemäß den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen gefertigt.
(Beispiele 1B bis 7B)
In jedem der Beispiele 1B bis 7B wurden zwei Führungszylinder in gleicher Weise wie in den Beispielen 1A bis 7A gefertigt. Dann wurden unter Verwendung dieser Führungszylinder zwei Endoskope nach 6 in jedem dieser Beispiele gefertigt.
(Vergleichsbeispiele 1B bis 5B)
In jedem der Vergleichsbeispiele 1B bis 5B wurden zwei Führungszylinder in gleicher Weise wie in den Vergleichsbeispielen 1A bis 5A gefertigt. Dann wurden unter Verwendung dieser Führungszylinder zwei Endoskope nach 6 in jedem der Vergleichsbeispiele gefertigt.
(Vergleichsbeispiel 6B)
Es wurden zwei Führungszylinder in gleicher Weise wie in Beispiel 1A gefertigt, abgesehen davon, dass als Lötmaterial ein Fülldraht (Lötdraht) mit einem Durchmesser von 0,4 mm und bestehend aus 63 Gew.-% Pb und 38 Gew.-% Sn verwendet wurde. Dann wurden unter Verwendung dieser Führungszylinder zwei Endoskope nach 6 gefertigt.
Unter den folgenden Versuchsbedingungen wurden die in den Beispielen 1B bis 7B und den Vergleichsbeispielen 1B bis 6B gefertigten Endoskope jeweils einer Sterilisationsbehandlung (Desinfektionsbehandlung) unterzogen. Dann wurde an jedem Endoskop eine Biegeoperation durchgeführt, um zu prüfen, ob sich die zum Biegen des flexiblen Rohrs des Endoskops benötigte Kraft verändert hat. Die Versuchsergebnisse wurden nach den folgenden vier Kriterien A bis D bewertet.

A: Es wurde keine Änderung zwischen dem Zustand vor und nach der Sterilisation festgestellt.
B: Die erforderliche Kraft war nach der Sterilisation etwas größer.
C: Die erforderliche Kraft war nach der Sterilisation so stark erhöht, dass die Betätigung des Endoskops etwas erschwert war.
D: Die erforderliche Kraft war nach der Sterilisation so deutlich erhöht, dass die Betätigung des Endoskops beträchtlich erschwert war.

Die Sterilisationsbehandlung (Desinfektionsbehandlung) wurde unter Verwendung folgender chemischer Substanzen durchgeführt.
Jedes Endoskop wurde sieben Tage lang bei einer Temperatur von 20°C in eine 0,3 Gew.-%-ige Peressigsäurelösung getaucht. Zusätzlich wurde jedes Endoskop sieben Tage lang bei einer Temperatur von 20°C in eine Lösung mit einer effektiven Chloridkonzentration von 50 ppm (saure Elektrolytlösung) getaucht.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, konnten die Endoskope aller erfindungsgemäßen Beispiele auch nach Abschluss des Tests problemlos verwendet werden. Somit hat sich deren ausgezeichnete Haltbarkeit bestätigt.
Dagegen war bei den Endoskopen aller Vergleichsbeispiele die zum Biegen des flexiblen Rohrs erforderliche Kraft erhöht. Somit hat sich deren vergleichsweise schlechte Haltbarkeit bestätigt. Hierfür wird folgender Grund angenommen: In jedem der Vergleichsbeispiele 1B bis 5B war der Anschlussbereich durch das Hartlot nicht in ausreichendem Maße verlötet oder verbunden. In dem Vergleichsbeispiel 6B hatte das Hartlot selbst eine geringe chemische Beständigkeit, so dass die chemische Lösung in das Innere des jeweiligen Endoskops gelangte, was wiederum dazu führte, dass das Schmiermittel seine Eigenschaften veränderte und seine Qualität abnahm. Dies scheint der Hauptgrund für die in den Vergleichsbeispielen auftretenden Mängel zu sein.
Wie oben beschrieben, ermöglicht es das erfindungsgemäße Lötverfahren, Metallbauteile aus korrosionsbeständigem Stahl, die in einem medizinischen Gerät verwendet werden, mittels eines Hartlots zu verbinden, das verglichen mit verschiedenen herkömmlichen Lötmaterialien ausgezeichnete chemische Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Erfindung ist deshalb vorteilhaft auf eine Verbindung von Metallbauteilen anwendbar, die gegenüber herkömmlichen Verbindungen, in denen die Metallbauteile mit verschiedenartigen Lötmaterialien (Weichloten) miteinander verlötet sind, höhere chemische Beständigkeit aufweisen soll.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen mindestens zwei für ein medizinisches Gerät bestimmten Metallbauteilen aus korrosionsbeständigem Stahl, wobei eines der Bauteile mittels eines Hartlots, das mindestens 62,5 Gew.-% Au enthält, mit einem anderen Bauteil verbunden wird, umfassend: einen ersten Schritt, in dem die Bauteile in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C unterzogen werden, einen zweiten Schritt, in dem eines der Bauteile so an das andere Bauteil herangeführt wird, dass sich zwischen den Bauteilen ein Spalt bildet, und einen dritten Schritt, in dem das Hartlot im geschmolzenen Zustand in den Spalt eingebracht wird, um die Bauteile miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt der Taupunkt der Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre bei höchstens –60°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt der Spalt dadurch ausgebildet wird, dass ein Teil des einen Bauteils in das andere Bauteil eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile ein Hohlelement ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Metallbauteil ein Hohlelement mit einem Hohlraum ist und dass zur Ausbildung des Spalts ein Teil des einen Bauteils in den Hohlraum des anderen Bauteils eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite des in dem zweiten Schritt ausgebildeten Spalts im Bereich von 0,02 bis 0,25 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren, vor dem dritten Schritt durchgeführten Schritt, in dem die Bauteile vorübergehend aneinander befestigt werden, indem ein Teil des einen Bauteils mittels Laserschweißen an einem Teil des anderen Bauteils angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren, vor dem dritten Schritt durchgeführten Schritt, in dem das Hartlot längs einer Öffnung des Spalts aufgebracht wird, wobei in dem dritten Schritt das Hartlot geschmolzen und so in den Spalt eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Schritt die Erwärmungstemperatur im Bereich von 1050 bis 1200°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zustand, in dem die Bauteile so aneinander herangeführt sind, dass eine Fläche des einen Bauteils einer Fläche des anderen Bauteils zugewandt ist, das Verfahren ferner einen Schritt umfasst, in dem an zumindest einer der genannten Flächen der Bauteile mindestens ein Vorsprung ausgebildet wird, der auf die andere Fläche gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung durch Auftragsschweißen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Ausbilden des Vorsprungs vor dem ersten Schritt durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartlot aus reinem Gold, einer Au-Ni-basierten Legierung, einer Au-Cu-basierten Legierung und/oder einer Au-Ag-Cu-basierten Legierung besteht.
Metallbaueinheit für ein medizinisches Gerät, wobei die Baueinheit durch Verbinden von Metallkomponenten aus korrosionsbeständigem Stahl nach einem der Verfahren 1 bis 14 gefertigt ist.
Metallbaueinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbauteile jeweils zur Ausbildung eines Endoskopkanals bestimmt sind.
Endoskop mit einer Metallbaueinheit nach Anspruch 16.