DE102007047014B4 - Process for producing a gas-tight and high-temperature-resistant connection of molded parts by means of laser - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindung eines ersten Formteils (1), wobei das erste Formteil (1) mindestens eine in das Formteil hineinragende Ausnehmung oder eine durchgehende Öffnung aufweist und ausgebildet ist aus einer semitransparenten Oxidkeramik, und wenigstens eines zweiten Formteils (2), wobei das zweite Formteil (2) ausgebildet ist aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Metall, wobei man die Formteile (1, 2) mittels eines Glaslots und/oder Glaskeramiklots (3) verbindet, indem die zu verbindenden Oberflächen der Formteile (1, 2) mit Glaslot und/oder Glaskeramiklot (3) versehen werden und durch Laserbestrahlung die Temperatur an den zu verbindenden Flächen der Formteile (1, 2) auf die Schmelztemperatur des Lots oder darüber hinaus erwärmt wird, indem man durch die semitransparente Oxidkeramik strahlt. Method for producing a gastight and high-temperature-resistant connection of a first molded part (1), wherein the first molded part (1) has at least one recess or through opening projecting into the molded part and is formed from a semi-transparent oxide ceramic, and at least one second molded part (2) wherein the second mold part (2) is formed from a material selected from the group consisting of oxide ceramics, non-oxide ceramics and / or metal, wherein the moldings (1, 2) by means of a glass solder and / or glass ceramic solder (3) connects by the zu connecting surfaces of the moldings (1, 2) with glass solder and / or glass ceramic solder (3) are provided and by laser irradiation, the temperature at the surfaces to be joined of the moldings (1, 2) is heated to the melting temperature of the solder or beyond by radiates through the semi-transparent oxide ceramic.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindung von Formteilen mittels Laser.The present invention relates to a method for producing a gas-tight and high-temperature resistant connection of molded parts by means of laser.
Funktionskeramiken und Hochtemperaturkeramiken müssen entsprechend ihrem Verwendungszweck häufig gasdichte Abschlüsse und Fügenähte aufweisen. Beispielsweise muss die im Hochtemperaturbereich sauerstoffleitfähige Keramik ZrO2 häufig mit einem Isolationsmaterial, in der Regel einer weiteren Keramik, verbunden werden, die gegebenenfalls mit einer weiteren metallischen Komponente verbunden werden muss.Functional ceramics and high-temperature ceramics must often have gas-tight seals and joint seams according to their purpose. For example, the ZrO 2 ceramic which is oxygen-conductive in the high-temperature range must frequently be connected to an insulating material, usually a further ceramic, which optionally has to be connected to a further metallic component.
Das hochtemperaturfeste Fügen von keramischen Komponenten erfolgt entsprechend dem Stand der Technik häufig in aufwendigen Ofenprozessen. Auch Verfahren zum Fügen von Keramiken mit Loten mittels Laser sind im Stand der Technik bekannt. Lötverfahren mittels Laserstahltechnik sind für Keramikbauteile jedoch ein neues und noch wenig erforschtes Gebiet.The high-temperature-resistant joining of ceramic components is carried out according to the prior art often in complex furnace processes. Also, methods for joining ceramics to solders by laser are known in the art. Soldering processes using laser steel technology, however, are a new and under-researched field for ceramic components.
Nachteilig hierbei ist generell, dass durch die auf bestimmte Bereiche begrenzte Erwärmung durch den Laser thermische Spannungen auftreten, die zu einer Schädigung der Keramik durch Rissbildung führen können. Um dies zu vermeiden, können die zu fügenden Bauteile auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes vorgewärmt werden.The disadvantage here is generally that caused by the limited to certain areas heating by the laser thermal stresses that can lead to damage to the ceramic by cracking. To avoid this, the components to be joined can be preheated to a temperature below the melting temperature of the solder.
Weiterhin offenbart die Schrift
Nachteilig bei der Verwendung metallischer Lote ist jedoch, dass die zu fügende Keramik zunächst metallisiert werden muss, um anschließend mittels des metallischen Lots gefügt werden zu können. Dies beinhaltet einen weiteren Verfahrensschritt, der darüber hinaus mit weiteren Kosten verbunden ist. Darüber hinaus ist die Einsatztemperatur und Einsatzatmosphäre durch die Oxidationsneigung metallischer Lote begrenzt. Alternativ hierzu können grundsätzlich auch nicht metallisierte Keramiken mittels metallischer Lote gefügt werden, die besonders reaktive Lotbestandteile enthalten. Bei diesem sogenannten Aktivlöten ist die Einsatztemperatur und -atmosphäre jedoch durch die besonders reaktiven Lotbestandteile noch weiter eingeschränkt.A disadvantage of using metallic solders, however, is that the ceramic to be joined must first be metallized in order then to be able to be joined by means of the metallic solder. This includes a further process step, which is also associated with additional costs. In addition, the operating temperature and operating atmosphere is limited by the tendency of metallic solders to oxidize. Alternatively, in principle, non-metallized ceramics can be joined by means of metallic solders containing particularly reactive Lotbestandteile. However, in this so-called active soldering, the temperature and atmosphere of use are still further limited by the particularly reactive solder components.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindung von Formteilen mittels Laserbestrahlung hat dem gegenüber den Vorteil, dass ein Vorheizen der Bauteile nicht erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Hochtemperaturbeständigkeit der gefügten Formteile verbessert werden kann..The inventive method for producing a gas-tight and high-temperature resistant connection of molded parts by means of laser irradiation has the advantage over the prior that a preheating of the components is not required. Another advantage is that the high temperature resistance of the joined moldings can be improved.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindung eines ersten Formteils, wobei das erste Formteil mindestens eine in das Formteil hineinragende Ausnehmung oder eine durchgehende Öffnung aufweist und ausgebildet ist aus einer semitransparenten Oxidkeramik, und wenigstens eines zweiten Formteils, wobei das zweite Formteil ausgebildet ist aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Metall, wobei man die Formteile mittels eines Glaslots und/oder Glaskeramiklots verbindet, indem die zu verbindenden Oberflächen der Formteile mit Glaslot und/oder Glaskeramiklot versehen werden und durch Laserbestrahlung die Temperatur an den zu verbindenden Flächen der Formteile auf die Schmelztemperatur des Lots oder darüber hinaus erwärmt wird, indem man durch die semitransparente Oxidkeramik strahlt.This is inventively achieved by a method for producing a gas-tight and high-temperature resistant connection of a first molded part, wherein the first molded part has at least one protruding into the molding recess or a through hole and is formed of a semi-transparent oxide ceramic, and at least one second molded part, wherein the formed second molding is made of a material selected from the group consisting of oxide ceramic, non-oxide ceramic and / or metal, wherein connecting the moldings by means of a glass solder and / or glass ceramic solder by the surfaces to be joined of the moldings are provided with glass solder and / or glass ceramic solder and through Laser irradiation, the temperature is heated at the surfaces to be joined of the moldings to the melting temperature of the solder or beyond, by radiating through the semitransparent oxide ceramic.
Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, zu fügende Flächen im Inneren von Formteilen aus semitransparenter Oxidkeramik mit einem weiteren Formteil zu verbinden.Furthermore, it is possible by the inventive method to connect surfaces to be joined in the interior of moldings made of semitransparent oxide ceramic with another molding.
Insbesondere hat das gezielte Erwärmen einer innen liegenden Lötnaht mittels Laser den großen Vorteil, dass geringere thermische Spannungen in Richtung des Laserstrahls auftreten. Weiter von Vorteil ist, dass eine gleichmäßige Erwärmung zur Verfügung gestellt werden kann.In particular, the targeted heating of an internal soldering seam by means of a laser has the great advantage that lower thermal stresses occur in the direction of the laser beam. Another advantage is that a uniform heating can be provided.
Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfachere und kostengünstigere Herstellung von Formteilen aus Oxidkeramik, die mit einem weiteren metallischen Formteil über ein Glas- oder Glaskeramiklot gefügt werden können, ohne dass das Oxidkeramik-Formteil zuvor metallisiert werden muss.In addition, the inventive method allows a simpler and more cost-effective production of molded ceramic ceramics, which can be joined with a further metallic molding on a glass or glass ceramic solder without the oxide ceramic molding must be previously metallized.
Der modulare Aufbau eines aus mehreren Materialien gefügten Bauteils hat zudem den Vorteil, dass an allen Stellen des Bauteils diejenigen Materialien zum Einsatz kommen können, die an der jeweiligen Stelle aus struktureller oder funktioneller Sicht optimal geeignet sind.The modular design of a component joined from several materials also has the advantage that those materials can be used at all points of the component, which are optimally suitable at the respective point from a structural or functional point of view.
Figurenliste list of figures
Die Erfindung wird anhand der
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1 eine Anordnung eines Oxidkeramikformteils, wobei ein weiteres Formteil aus Keramik sowie ein Glaskeramiklot in dem Oxidkeramikformteil angeordnet sind.
-
1 an arrangement of an oxide ceramic molding, wherein a further molded part made of ceramic and a glass ceramic solder are arranged in the oxide ceramic molding.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mit den nachgeordneten Patentansprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.Preferred embodiments of the method according to the invention are claimed with the subordinate claims and are explained in more detail below.
Das Verfahren zur Herstellung einer gasdichten und hochtemperaturbeständigen Verbindung von Formteilen ist vorzugsweise ein Fügeverfahren. Unter dem Begriff „Fügen“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung das dauerhafte Verbinden von wenigstens zwei Formteilen, insbesondere Bauteilen zu verstehen. Die Verbindung der Formteile ist bevorzugt ortsfest, nicht lösbar und/oder stoffschlüssig. Die Verbindung der Formteile ist vorzugsweise ortsfest, nicht lösbar und stoffschlüssig. Bevorzugt sind thermische Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen, insbesondere Lötverfahren, besonders bevorzugt Verfahren des Laserstrahllötens.The method for producing a gas-tight and high-temperature resistant connection of molded parts is preferably a joining method. For the purposes of the present invention, the term "joining" is to be understood as the permanent joining of at least two molded parts, in particular components. The compound of the moldings is preferably stationary, not detachable and / or material fit. The connection of the moldings is preferably stationary, not detachable and cohesive. Preference is given to thermal processes for bonded joining, in particular soldering processes, particularly preferred methods of laser beam soldering.
Unter dem Begriff „Fügefläche“ sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Flächen der zu verbindenden Formteile zu verstehen, die nach dem Herstellen der Verbindung den örtlichen Zusammenhalt der Formteile ermöglichen. Unter dem Begriff „Fügezone“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich der Formteile umfassend wenigstens die Flächen der zu verbindenden Formteile und den Zwischenraum der Formteile zu verstehen, wobei regelmäßig noch an die Fügeflächen angrenzende Keramikbereiche umfasst sind. Unter dem Begriff „Lötnaht“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich der Formteile umfassend das verbindende Lot sowie wenigstens die angrenzenden Fügeflächen der Formteile zu verstehen, wobei regelmäßig noch an die Fügeflächen angrenzende Keramikbereiche umfasst sind.In the context of the present invention, the term "joint surface" is to be understood as meaning the surfaces of the molded parts to be joined, which enable the local cohesion of the molded parts after the connection has been established. In the context of the present invention, the term "joining zone" is to be understood as meaning the region of the molded parts comprising at least the surfaces of the molded parts to be joined and the intermediate space of the molded parts, wherein ceramic regions which are regularly adjacent to the joining surfaces are included. In the context of the present invention, the term "soldered seam" is to be understood as meaning the region of the molded parts comprising the connecting solder as well as at least the adjoining joining surfaces of the molded parts, wherein ceramic regions which are regularly adjacent to the joining surfaces are included.
Die zu verbindenden Oberflächen der Formteile können beispielsweise mit Glaslot und/oder Glaskeramiklot versehen werden, indem das Glaslot und/oder Glaskeramiklot innerhalb der Ausnehmung oder durchgehenden Öffnung angeordnet ist.The surfaces to be joined of the molded parts can be provided, for example, with glass solder and / or glass-ceramic solder, by arranging the glass solder and / or glass-ceramic solder within the recess or through opening.
Weiterhin können die zu verbindenden Oberflächen der Formteile mit Glaslot und/oder Glaskeramiklot versehen werden, indem sich das Glaslot und/oder Glaskeramiklot in einem Reservoir am Eingang der Zutrittsöffnung zur Fügezone der zu verbindenden Flächen der Formteile befindet. Hierbei wird durch die Erwärmung der Fügezone das Glaslot und/oder Glaskeramiklot durch die Wirkung der Kapillarkräfte in den Zwischenraum der beiden Formteile hinein fließen.Furthermore, the surfaces to be joined of the molded parts can be provided with glass solder and / or glass ceramic solder by the glass solder and / or glass ceramic solder is in a reservoir at the entrance of the access opening to the joining zone of the surfaces to be joined of the molded parts. In this case, by heating the joining zone, the glass solder and / or glass-ceramic solder will flow into the intermediate space of the two molded parts due to the action of the capillary forces.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens führt man eine Relativbewegung zwischen den Formteilen und wenigstens einem Laserstrahl durch Rotieren oder Bewegen der Formteile, wenigstens eines beweglichen Laserstrahls und/oder wenigstens eines beweglichen Lasers aus. Ein Bewegen ist bevorzugt ein Hin- und Herbewegen.In preferred embodiments of the method, a relative movement between the mold parts and at least one laser beam is performed by rotating or moving the mold parts, at least one movable laser beam and / or at least one movable laser. Moving is preferably a reciprocation.
Eine Relativbewegung von Formteilen und Laserstrahl kann vorteilhafter Weise dazu führen, dass ein gleichmäßiger Wärmeeintrag erzielt werden kann. Insbesondere kann die Relativbewegung von Formteilen und Laserstrahl den Vorteil aufweisen, dass verglichen mit der Temperatur in den Außenbereichen der Formteile eine Erhöhung oder Maximierung der Temperatur im Inneren des semitransparenten Oxidkeramik-Formteils erreicht werden kann.A relative movement of moldings and laser beam can advantageously lead to a uniform heat input can be achieved. In particular, the relative movement of molded parts and laser beam can have the advantage that, compared to the temperature in the outer regions of the molded parts, an increase or maximization of the temperature in the interior of the semitransparent ceramic oxide molding can be achieved.
Die zu verbindenden insbesondere zu fügenden Formteile können an- oder ineinander angeordnet werden, wobei die zu verbindenden Oberflächen der Formteile mit Glaslot und/oder Glaskeramiklot versehen werden, wobei insbesondere wenigstens eine zu verbindende Fläche des ersten und/oder zweiten Formteils mit dem Lot versehen werden kann. Es kann vorteilhaft sein, dass auf die Anordnung der Formteile Druck ausgeübt wird, um den Zusammenhalt der zu verbindenden Formteile zu verstärken. Beispielsweise können die zu verbindenden Flächen aneinander gedrückt oder gepresst werden.The to be joined in particular to be joined moldings can be arranged on or in each other, wherein the surfaces to be joined of the moldings are provided with glass solder and / or glass ceramic solder, in particular at least one to be joined surface of the first and / or second molded part are provided with the solder can. It may be advantageous that pressure is exerted on the arrangement of the molded parts in order to reinforce the cohesion of the molded parts to be joined. For example, the surfaces to be joined can be pressed against each other or pressed.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist verwendbar für ein erstes Formteil ausgebildet aus einer semitransparenten Oxidkeramik. Der Begriff „semitransparent“ bedeutet im Sinne dieser Erfindung, dass die Oxidkeramik insbesondere für Laserstrahlung teildurchlässig ist. Es ist bevorzugt, dass die semitransparente Oxidkeramik für Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 300 nm bis 7 µm, bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 5 µm, vorzugsweise im Bereich von 300 nm bis 3 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 800 nm bis 1100 nm, teilweise durchlässig ist. Dies ermöglicht beispielsweise bei Verwendung eines Lasers mit entsprechender Wellenlänge eine Erwärmung innen liegender und/oder tiefliegender Bereiche des semitransparenten Oxidkeramik-Formteils.The method according to the invention can be used for a first molded part formed from a semi-transparent oxide ceramic. The term "semitransparent" in the sense of this invention means that the oxide ceramic is partially permeable, in particular for laser radiation. It is preferred that the semitransparent oxide ceramic for radiation having wavelengths in the range of 300 nm to 7 microns, preferably in the range of 300 nm to 5 microns, preferably in the range of 300 nm to 3 microns, more preferably in the range of 800 nm to 1100 nm, partially permeable. This makes it possible, for example, when using a laser with a corresponding wavelength heating inside and / or low-lying areas of the semitransparent oxide ceramic molding.
Der Energieeintrag durch die Laserstrahlung erfolgt vorteilhafter Weise durch partielle Absorption der Strahlung in der Keramik bis ins Bauteilinnere. The energy input by the laser radiation is advantageously carried out by partial absorption of the radiation in the ceramic into the component interior.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die semitransparente Oxidkeramik einen Absorptionskoeffizienten im Bereich von 2 %/mm bis 50 %/mm, vorzugsweise im Bereich von 4 %/mm bis 40 %/mm, bevorzugt im Bereich von 5 %/mm bis 25 %/mm auf. Der Begriff „Absorptionskoeffizient“ hat im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Bedeutung, dass beispielsweise pro Millimeter der Oxidkeramik 2% der eingestrahlten Energie des Lasers durch die Oxidkeramik absorbiert werden. Die restliche Strahlung wird vom Material nicht aufgenommen und daher nicht in Wärme umgewandelt.In preferred embodiments, the semitransparent oxide ceramic has an absorption coefficient in the range of 2% / mm to 50% / mm, preferably in the range of 4% / mm to 40% / mm, preferably in the range of 5% / mm to 25% / mm , The term "absorption coefficient" in the context of the present invention has the meaning that, for example, per millimeter of the oxide ceramic 2% of the incident energy of the laser are absorbed by the oxide ceramic. The remaining radiation is not absorbed by the material and therefore not converted into heat.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, selbst Keramiken zu fügen, die eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und in denen sich hierdurch leicht thermische Spannungen durch Temperaturunterschiede in den den erwärmten Bereichen benachbarten Bereichen aufbauen.The inventive method makes it possible to add even ceramics, which have a poor thermal conductivity and in which this easily build up thermal stresses due to temperature differences in the areas adjacent to the heated areas.
Bevorzugte semitransparente Oxidkeramiken sind Oxidkeramiken auf der Basis von Oxiden oder enthaltend Oxide ausgewählt aus der Gruppe umfassend Zirkonate, Aluminate, Silikate, Titanate und/oder deren Mischungen, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend ZrO2, Al2O3, MgAl2O4, SiO2, Mg2SiO4, Cordierit, Mullit, TiO2, Al2TiO5 und/oder deren Mischungen. Besonders bevorzugte Oxidkeramiken sind Oxidkeramiken auf der Basis von ZrO2. Ein Vorteil dieser Oxidkeramiken liegt darin, dass diese insbesondere für Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis 1100 nm eine geeignete Semitransparenz aufweisen. Dies ermöglicht, dass Durchstrahlwege von der Formteiloberfläche bis zur Lötnaht in einem Bereich von wenigen Mikrometern bis Zentimetern erzielt werden können. In bevorzugten Ausführungsformen können beispielsweise Durchstrahlwege im Bereich von 1 mm bis 30 mm erzielt werden.Preferred semitransparent oxide ceramics are oxide ceramics based on oxides or containing oxides selected from the group comprising zirconates, aluminates, silicates, titanates and / or mixtures thereof, in particular selected from the group comprising ZrO 2 , Al 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , SiO 2 , Mg 2 SiO 4 , cordierite, mullite, TiO 2 , Al 2 TiO 5 and / or mixtures thereof. Particularly preferred oxide ceramics are oxide ceramics based on ZrO 2 . An advantage of these oxide ceramics is that they have suitable semitransparency, in particular for radiation having wavelengths in the range from 800 nm to 1100 nm. This makes it possible that transmission paths from the molding surface to the solder seam in a range of a few micrometers to centimeters can be achieved. In preferred embodiments, for example, radiation paths in the range of 1 mm to 30 mm can be achieved.
Unter dem Begriff „Nichtoxidkeramik“ sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Keramiken aus sauerstofffreien keramischen Werkstoffen zu verstehen, die vorwiegend oder ausschließlich aus nichtoxidischen Stoffen bestehen, beispielsweise aus Boriden, Carbiden, Nitriden oder Oxinitriden, insbesondere aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid oder Borcarbid.For the purposes of the present invention, the term "non-oxide ceramic" is understood to mean ceramics made from oxygen-free ceramic materials which consist predominantly or exclusively of non-oxidic substances, for example borides, carbides, nitrides or oxynitrides, in particular silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride or boron carbide.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, Formteile ausgebildet aus semitransparenter Oxidkeramik mit Formteilen ausgebildet aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe umfassend Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Metall zu verbinden. Formteile können ausgebildet sein aus Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik, Metall oder Keramik-Metall-Verbindungen oder -Verbundwerkstoffen. Geeignete Oxidkeramik-Metall-Verbundwerkstoffe sind beispielsweise Cermets. Unter dem Begriff „Cermet“ sind im Sinne dieser Erfindung Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix zu verstehen. Bevorzugte keramische Komponenten sind hierbei ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminiumoxid, Al2O3, und/oder Zirkoniumoxid, ZrO2. Bevorzugte metallische Legierungen enthalten Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Niob, Molybdän, Titan, Eisen, Cobalt und/oder Chrom.The method according to the invention makes it possible to connect molded parts made of semitransparent oxide ceramics with molded parts made of materials selected from the group comprising oxide ceramics, non-oxide ceramics and / or metal. Moldings may be formed of oxide ceramics, non-oxide ceramics, metal or ceramic-metal compounds or composite materials. Suitable oxide-ceramic-metal composites are, for example, cermets. For the purposes of this invention, the term "cermet" is to be understood as meaning composites made of ceramic materials in a metallic matrix. Preferred ceramic components here are selected from the group consisting of aluminum oxide, Al 2 O 3 , and / or zirconium oxide, ZrO 2 . Preferred metallic alloys contain metals selected from the group comprising niobium, molybdenum, titanium, iron, cobalt and / or chromium.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Formteile ausgebildet aus gleichen oder unterschiedlichen Keramiken miteinander verbunden werden. Weiterhin können Formteile ausgebildet aus Oxidkeramiken mit metallischen Formteilen verbunden werden. Weiter können Formteile ausgebildet aus Oxidkeramiken mit Formteilen ausgebildet aus Nichtoxidkeramiken verbunden werden.With the method according to the invention molded parts can be formed from the same or different ceramics with each other. Furthermore, molded parts can be formed formed of oxide ceramics with metallic moldings. Further molded parts can be formed formed of oxide ceramics with molded parts formed of non-oxide ceramics.
Bevorzugte Metalle weisen einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 7*10-6 / K bis 15*10-6 / K, bevorzugt im Bereich von 7,5*10-6 / K bis 12*10-6 / K, vorzugsweise im Bereich von 8,5*10-6 / K bis 10*10-6 / K auf. Bevorzugte Metalle sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cu, Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Zr, W, Mo, Al, V, Si und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen. Bevorzugte Metalllegierungen sind Aluminium-Vanadium-Legierungen. Eine besonders bevorzugte Metalllegierung ist unter der Handelsbezeichnung Kovar® erhältlich. Diese weist beispielsweise eine Zusammensetzung Ni 29%, Co 17%, Fe 54% auf.Preferred metals have an expansion coefficient in the range of 7 * 10 -6 / K to 15 * 10 -6 / K, preferably in the range of 7.5 * 10 -6 / K to 12 * 10 -6 / K, preferably in the range of 8.5 * 10 -6 / K to 10 * 10 -6 / K. Preferred metals are selected from the group comprising Cu, Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Zr, W, Mo, Al, V, Si and / or their alloys and / or mixtures. Preferred metal alloys are aluminum-vanadium alloys. A particularly preferred metal alloy is available under the trade name Kovar®. This has for example a composition Ni 29%, Co 17%, Fe 54%.
Ein Vorteil der bevorzugten Metallverbindungen ergibt sich daraus, dass mit Oxidkeramiken auf der Basis von ZrO2, Al2O3 und/oder Mg2SiO4 Fügeverbindungen herstellbar sind, die eine ausreichende mechanische Stabilität zu Verfügung stellen können. Insbesondere ist von Vorteil, dass bei einer Verbindung von Oxidkeramiken mit Metallen und Metallverbindungen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cu, Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Zr, W, Mo, Al, V, und/oder Si bei der Herstellung der Verbindungen keine oder nur geringe thermische Spannungen auftreten.An advantage of the preferred metal compounds results from the fact that it is possible to produce joint compounds with oxide ceramics based on ZrO 2 , Al 2 O 3 and / or Mg 2 SiO 4 , which can provide sufficient mechanical stability. In particular, it is advantageous that in a combination of oxide ceramics with metals and metal compounds selected from the group comprising Cu, Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Zr, W, Mo, Al, V, and / or Si in the preparation of Connections no or only small thermal stresses occur.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Glaslote und/oder Glaskeramiklote verwendet. Ein Vorteil von Glas- und Glaskeramikloten liegt darin, dass diese die Keramiken gut benetzen können, insbesondere besser benetzen können als Metalllote, während die Benetzung von Metallen vergleichbar gut zu der von Metallloten ist. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Glas- und/oder Glaskeramikloten besteht darin, dass Oxidkeramikformteile im Gegensatz zur Verwendung von metallischen Loten ohne Metallisierung der Keramikoberfläche verwendbar sind. Ein weiterer Vorteil der Glas- und Glaskeramiklote besteht darin, dass diese gasdicht und hochtemperaturbeständig sind.According to the method of the invention, glass solders and / or glass-ceramic solders are used. One advantage of glass and glass ceramic solders is that they can wet the ceramics well, in particular they can wet better than metal solders, while the wetting of metals is comparably good to that of metal solders. A particular advantage with the use of glass and / or glass ceramic solders is that oxide ceramic moldings are usable in contrast to the use of metallic solders without metallization of the ceramic surface. Another advantage of the glass and glass ceramic solders is that they are gas-tight and high temperature resistant.
Unter dem Begriff „Glaslot“ werden im Sinne dieser Erfindung Glaszusammensetzungen verstanden, die keine kristallinen Bestandteile aufweisen, während „Glaskeramik-Lote“ kristalline Bestandteile in der Zusammensetzung aufweisen.For the purposes of this invention, the term "glass solder" is understood as meaning glass compositions which have no crystalline constituents, while "glass-ceramic solders" comprise crystalline constituents in the composition.
Verwendbare Zusammensetzungen für Glas- und/oder Glaskeramiklote basieren vorzugsweise auf Silikatglas mit Zusätzen von Oxiden der Elemente der Hauptgruppe II, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend MgO, CaO, SrO, und/oder BaO, Oxiden der Elemente der Hauptgruppe III, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend B2O3 und /oder Al2O3, und/oder Oxiden der Elementen der Nebengruppen, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend TiO2, Fe2O3, FeO, ZnO, Y2O3, ZrO2, und/oder La2O3.Useful compositions for glass and / or glass-ceramic solders are preferably based on silicate glass with additions of oxides of the elements of main group II, preferably selected from the group comprising MgO, CaO, SrO, and / or BaO, oxides of the elements of main group III, preferably selected from the group comprising B 2 O 3 and / or Al 2 O 3 , and / or oxides of the elements of the subgroups, preferably selected from the group comprising TiO 2 , Fe 2 O 3 , FeO, ZnO, Y 2 O 3 , ZrO 2 , and / or La 2 O 3 .
Besonders geeignete Glas- und/oder Glaskeramiklote, die insbesondere für Oxidkeramiken auf Basis von Aluminiumoxid besonders gut verwendbar sind, sind beispielsweise aus der Schrift
Bevorzugt verwendbare Glas- und Glaskeramiklote können aus einer Ausgangsmischung erschmolzen werden, die SiO2, Al2O3, TiO2 und CaO enthält, wobei neben diesen Bestandteilen weitere Glasbestandteile wie Magnesiumoxid, Bariumoxid, Zirkoniumdioxid und/oder Eisenoxid enthalten sein können. Vorzugsweise liegt der Anteil an Siliziumdioxid im Bereich von 38 Gew.-% bis 48 Gew.-%, der Anteil an Aluminiumoxid im Bereich von 15 Gew.-% bis 19 Gew.%, der Anteil an Titandioxid im Bereich von 4,5 Gew.-% bis 11 Gew.-% und der Anteil an Calciumoxid im Bereich von 23 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Weiterhin kann die Ausgangsmischung ein Alkalimetalloxid, insbesondere Lithiumoxid, Kaliumoxid und oder Natriumoxid enthalten, vorzugsweise in einem Anteil von jeweils bis zu 1,5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Ausgangsmischung. Vorzugsweise kann der Ausgangsmischung weiterhin Zirkoniumdioxid zugesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Glaskeramik ist aus einer Ausgangsmischung herstellbar, die 43 Gew.-% bis 48 Gew.-% SiO2, 16,5 Gew.-% bis 18 Gew.-% Al2O3, 6 Gew.-% bis 10,5 Gew.-%TiO2, 0,3 Gew-.% bis 1,2 Gew.-% Na2O, 0,3 Gew.-% bis 1,2 Gew.% K2O und 24,5 Gew.% bis 28,5 Gew.-% CaO enthält.Preferably usable glass and glass ceramic solders can be melted from a starting mixture containing SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 and CaO, wherein in addition to these constituents further glass components such as magnesium oxide, barium oxide, zirconium dioxide and / or iron oxide may be contained. Preferably, the proportion of silica in the range of 38 wt .-% to 48 wt .-%, the proportion of aluminum oxide in the range of 15 wt .-% to 19 wt.%, The proportion of titanium dioxide in the range of 4.5 wt % to 11% by weight and the proportion of calcium oxide in the range of from 23% to 30% by weight. Furthermore, the starting mixture may contain an alkali metal oxide, in particular lithium oxide, potassium oxide and or sodium oxide, preferably in an amount of up to 1.5% by weight, based on the total weight of the starting mixture. Preferably, zirconia may also be added to the starting mixture. A particularly preferred glass ceramic can be produced from a starting mixture which comprises 43% by weight to 48% by weight SiO 2 , 16.5% by weight to 18% by weight Al 2 O 3 , 6% by weight to 10 , 5 wt .-% TiO 2 , 0.3 wt .-% to 1.2 wt .-% Na 2 O, 0.3 wt .-% to 1.2 wt.% K 2 O and 24.5 wt .% to 28.5 wt .-% CaO.
Weiterhin bevorzugt verwendbar sind Glaskeramiklote auf der Basis von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Bariumoxid. Weiterhin bevorzugt verwendbare Glaskeramikzusammensetzungen weisen Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Bariumoxid Calciumoxid und Boroxid auf. Weiter besonders bevorzugt verwendbare Glas- und/oder Glaskeramikzusammensetzungen, die insbesondere bevorzugt verwendbar für Oxidkeramiken auf der Basis von ZrO2 und Mg2SiO4 sind, sind beispielsweise in den Schriften
Vorteilhafterweise ist das Glas- oder Glaskeramiklot festförmig aufbringbar, vorzugsweise in pulverförmiger oder pastöser Form, oder in Form eines Formkörpers, beispielsweise einer Folie oder streifenförmig. Weiterhin ist das Glas- oder Glaskeramiklot in Form einer Beschichtung verwendbar. Das Lot kann weiterhin in Form einer Suspension aufgebracht werden. Vorzugsweise ist das Glas- oder Glaskeramiklot in Form eines Glaspulvers, einer Glaspulvermischung, eines Glaskeramikpulvers und/oder einer Glaskeramikpulvermischung verwendbar. Es ist weiterhin möglich, das Lot in eine Vertiefung oder eine Nut der Fügestelle einzubringen. Es ist auch möglich, das Glaslot und/oder Glaskeramiklot in einem Reservoir am Eingang der Zutrittsöffnung zur Fügezone der zu verbindenden Flächen der Formteile vorzulegen.Advantageously, the glass or glass ceramic solder can be applied in a solid form, preferably in powdery or pasty form, or in the form of a shaped body, for example a film or strip-shaped. Furthermore, the glass or glass ceramic solder can be used in the form of a coating. The solder can also be applied in the form of a suspension. The glass or glass ceramic solder is preferably usable in the form of a glass powder, a glass powder mixture, a glass ceramic powder and / or a glass ceramic powder mixture. It is also possible to introduce the solder in a recess or a groove of the joint. It is also possible to present the glass solder and / or glass-ceramic solder in a reservoir at the entrance of the access opening to the joining zone of the surfaces to be joined of the molded parts.
Die Temperatur an den zu verbindenden insbesondere zu fügenden Flächen wird auf eine Temperatur entsprechend oder oberhalb der Schmelztemperatur des Lots mittels Laserbestrahlung erwärmt. Durch die Erwärmung auf eine Temperatur entsprechend oder oberhalb der Schmelztemperatur des Lots tritt die Verbindungsbildung zwischen dem ersten Formteil und dem zweiten Formteil mittels des Lotes ein. Das Lot verbleibt nach Herstellung der Verbindung zwischen den Formteilen und bildet eine gasdichte und hochtemperaturbeständige Verbindung zwischen den Formteilen aus.The temperature at the surfaces to be joined in particular to be joined is heated to a temperature corresponding to or above the melting temperature of the solder by means of laser irradiation. By heating to a temperature corresponding to or above the melting temperature of the solder, the connection formation between the first molded part and the second molded part occurs by means of the solder. The solder remains after making the connection between the moldings and forms a gas-tight and high temperature resistant connection between the moldings.
Bevorzugte Schmelztemperaturen der Glas- und/oder Glaskeramiklote liegen im Bereich von 700°C bis 1400°C, bevorzugt im Bereich von 800°C bis 1300°C, vorzugsweise im Bereich von 900°C bis 1200°C.Preferred melting temperatures of the glass and / or glass ceramic solders are in the range from 700 ° C. to 1400 ° C., preferably in the range from 800 ° C. to 1300 ° C., preferably in the range from 900 ° C. to 1200 ° C.
Durch eine Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise ein Strahlungspyrometer, können die Oberflächentemperatur des Oxidkeramikformteils sowie die Innentemperatur bestimmt werden. Beispielsweise über eine temperaturabhängige Steuerung der Laserleistung ist eine definierte Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur der verwendbaren Lote einstellbar.By a temperature measuring device, such as a radiation pyrometer, the surface temperature of the oxide ceramic molding and the internal temperature can be determined. For example, via a temperature-dependent control of the laser power is a defined temperature in the range of the melting temperature of the usable solders adjustable.
Während der Erwärmung mittels Laserbestrahlung wird vorzugsweise eine Relativbewegung zwischen den Formteilen und dem Laserstrahl ausgeführt. Diese Relativbewegung kann durch Rotieren oder Bewegen der Formteile, wenigstens eines beweglichen Laserstrahls und/oder wenigstens eines beweglichen Lasers ausgeführt werden, Ein Bewegen ist bevorzugt ein Hin- und Herbewegen.
Beispielsweise können die Formteile gegenüber einem fest positionierten Laser rotiert werden. Weiterhin kann sich der wenigstens eine verwendete Laserstrahl in der Auftreffebene des Formteils bewegen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird eine Relativbewegung zwischen den Formteilen, insbesondere Bauteilen, und dem Laserstrahl ausgeführt, indem das Formteil rotiert, beispielsweise eine Rotation um die z-Richtung, in die der Laser einstrahlt, ausführt, und der wenigstens eine Laserstrahl in der Auftreffebene des Formteils, beispielsweise in der x,y-Ebene, bewegt wird.During the heating by means of laser irradiation, a relative movement between the shaped parts and the laser beam is preferably carried out. This relative movement can be through Rotating or moving the moldings, at least one movable laser beam and / or at least one movable laser are performed, A moving is preferably a reciprocating.
For example, the molded parts can be rotated relative to a fixedly positioned laser. Furthermore, the at least one laser beam used can move in the plane of incidence of the molded part. In particularly preferred embodiments of the method, a relative movement between the mold parts, in particular components, and the laser beam is performed by the molding rotates, for example, a rotation about the z-direction in which the laser irradiates, performs, and the at least one laser beam in the Impact plane of the molding, for example, in the x, y plane is moved.
Die Formteile können beispielsweise in einer geeigneten Halterung rotieren. Die Bewegung des Laserstrahls, insbesondere in der x,y-Ebene, kann durch eine geeignete Spiegelvorrichtung, beispielsweise einen so genannten Scanner, erzielt werden. In vorteilhaften Ausführungsformen kann sich der Scanner mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0 cm/s bis 1,5 m/s, vorzugsweise im Bereich von 2 cm/s bis 1,5 m/s, bevorzugt im Bereich von 1 m/s bis 1,5 m/s bewegen.The molded parts can rotate, for example, in a suitable holder. The movement of the laser beam, in particular in the x, y plane, can be achieved by a suitable mirror device, for example a so-called scanner. In advantageous embodiments, the scanner can move at a speed in the range of 0 cm / s to 1.5 m / s, preferably in the range of 2 cm / s to 1.5 m / s, preferably in the range of 1 m / s to Move 1.5 m / s.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können wenigstens zwei oder mehrere bewegliche Laserstrahlen verwendet werden. Die wenigstens zwei beweglichen Laserstrahlen können einem aufgeteilten Strahl oder mehreren Laserquellen entspringen. Zwei oder mehrere bewegliche Laserstrahlen können an unterschiedlichen Stellen auf der Formteiloberfläche auftreffen. Es ist bevorzugt, dass bei Verwendung von zwei Lasern diese jeweils in Halbsphären um die Anordnung der Formteile bewegbar sind.In other preferred embodiments, at least two or more movable laser beams may be used. The at least two movable laser beams may originate from a split beam or multiple laser sources. Two or more movable laser beams may strike at different locations on the molding surface. It is preferred that when two lasers are used, they are each movable in half spheres around the arrangement of the molded parts.
In bevorzugten Ausführungsformen wird der Laserstrahl in der Auftreffebene endpunktfrei bewegt. Eine endpunktfreie Bewegung des Laserstrahls weist den Vorteil auf, dass kein Endpunkt eines Laserverfahrwegs, beispielsweise aufgrund einer kurzfristigen Haltezeit des Laserstrahls und damit längerfristigen Bestrahlung, zu stark erwärmt wird. Vorzugsweise wird der bewegliche Laserstrahl in der Auftreffebene im Wesentlichen kreisförmig, oval oder elliptisch geführt. Eine solche Bewegung führt vorteilhafter Weise dazu, dass die Bewegung des Laserstrahls keinen Endpunkt, wie beispielsweise in einer linienförmigen Fahrweise, bei der ein Laserstrahl hin und zurück geführt wird, aufweist.In preferred embodiments, the laser beam is moved end-point-free in the landing plane. A point-free movement of the laser beam has the advantage that no end point of a laser path, for example due to a short-term holding time of the laser beam and thus longer-term irradiation, is heated too much. Preferably, the movable laser beam is guided in the plane of incidence substantially circular, oval or elliptical. Such a movement advantageously leads to the fact that the movement of the laser beam has no end point, such as in a linear driving manner, in which a laser beam is guided back and forth.
Durch die Bestrahlung erwärmen sich das und/oder die bestrahlten Formteile. Durch die Relativbewegung der Formteile und des Laserstrahls kann vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Außenbereiche des Formteils zwar bei direkter Bestrahlung temporär stärker erwärmt werden, jedoch während des weiteren Umlaufs abkühlen können, da der Laserstrahl die Oberfläche nicht dauerhaft an der gleichen Stelle bestrahlt. Durch eine Relativbewegung der Formteile und des Laserstrahls kann vorteilhafter Weise vermieden werden, dass sich die Oberfläche zu stark erwärmt und eine verstärkte Absorption an der Oberfläche eintritt.The irradiation heats up the and / or the irradiated molded parts. By the relative movement of the molded parts and the laser beam can be advantageously achieved that the outer regions of the molded part, although temporarily heated stronger in direct irradiation, but can cool during the further circulation, since the laser beam does not irradiate the surface permanently in the same place. By a relative movement of the molded parts and the laser beam can be advantageously avoided that the surface is too hot and increased absorption occurs at the surface.
Oxidkeramiken sind insbesondere bei Wellenlängen zwischen 300 nm und 7 µm, vorzugsweise im Bereich von 300 nm und 5 µm, insbesondere im Bereich von 800 nm bis 1100 nm teilweise durchlässig für Strahlung dieser Wellenlänge und können diese Strahlung absorbieren. Der Energieeintrag durch die Laserbestrahlung erfolgt durch eine partielle Absorption in der Oxidkeramik bis ins Formteilinnere. Dies ermöglicht bei Verwendung eines Lasers, der Strahlung einer geeigneten Wellenlänge aussendet, eine Erwärmung des Formteilinneren. Der Laserstrahl, der auf die Oberfläche des Formteils gerichtet ist, kann somit eine Erwärmung durch eine Einstrahlung in das Formteil bis in das Innere erzielen.Oxide ceramics are in particular at wavelengths between 300 nm and 7 .mu.m, preferably in the range of 300 nm and 5 .mu.m, in particular in the range of 800 nm to 1100 nm partially transparent to radiation of this wavelength and can absorb this radiation. The energy input by the laser irradiation takes place by a partial absorption in the oxide ceramic into the molding interior. This allows heating of the molded part interior when using a laser emitting radiation of a suitable wavelength. The laser beam, which is directed onto the surface of the molded part, can thus achieve heating by irradiation into the molded part into the interior.
Durch die Relativbewegung der Formteile und des Laserstrahls kann vorteilhafter Weise erreicht werden, dass der maximale Temperatureintrag im Inneren des Formteils erfolgt. Fügestellen im Inneren des semitransparenten Oxidkeramikformteils unterliegen vorzugsweise einer mittleren Einstrahlung, während die Oberfläche und äußeren Bereiche während der Rotation abkühlen können.By the relative movement of the mold parts and the laser beam can be advantageously achieved that the maximum temperature entry takes place in the interior of the molded part. Bonding points inside the semi-transparent oxide ceramic molding are preferably subjected to medium irradiation, while the surface and outer regions are allowed to cool during rotation.
Die Temperatur des erwärmten Formteils erhöht sich somit vorteilhafter Weise von innen nach außen. Vorteilhafterweise können durch den erzeugten Wärmeenergiegradienten parallel zum eingestrahlten Laserstrahl thermisch induzierte Spannungen in dieser Richtung vermieden werden.The temperature of the heated molded part thus advantageously increases from the inside to the outside. Advantageously, thermally induced stresses in this direction can be avoided by the heat energy gradient generated parallel to the irradiated laser beam.
Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu werden wird angenommen, dass sich die optischen Eigenschaften, insbesondere Absorption oder Reflexion des Oxidkeramikformteils mit dessen Temperatur ändern. So wird angenommen, dass Bereiche der Oxidkeramik, die bereits mehr Strahlung absorbiert haben, im Folgenden eine stärkere Absorption aufweisen, was die Temperaturerhöhung in weiter außen liegenden Bereichen begünstigt. Dies kann vorteilhafter Weise dazu führen, dass sich der Ort eines Temperaturgradienten während der Lasereinstrahlung vom Formteilinneren auf die Oberfläche hin bewegt. Dies kann vorteilhafter Weise das Innere des Formteils von weiterer Laserbestrahlung abschatten.Without wishing to be bound by any particular theory, it is assumed that the optical properties, in particular absorption or reflection of the oxide ceramic molding, change with its temperature. Thus, it is assumed that areas of the oxide ceramic, which have already absorbed more radiation, subsequently have a greater absorption, which favors the temperature increase in more remote areas. This can advantageously lead to the location of a temperature gradient moving from the molded part interior towards the surface during the laser irradiation. This can advantageously shade the interior of the molded part from further laser irradiation.
Es ist von besonderem Vorteil, dass die Abschattung des Inneren des Formteils dazu führen kann, dass eine Überhitzung des Formteils vermieden werden kann.It is of particular advantage that the shading of the interior of the molding can lead to overheating of the molding can be avoided.
Das Temperaturprofil an der Oberfläche und im Inneren des Formteils ist vorteilhafter Weise durch einstellbare Laserverfahrwege und/oder Rotationsgeschwindigkeiten steuerbar.The temperature profile on the surface and in the interior of the molding is advantageously controllable by adjustable laser travel paths and / or rotational speeds.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Durchstrahlweg von der Oberfläche bis zur Lötnaht des Formteils bis zu 30 mm betragen.In advantageous embodiments, the transmission path from the surface to the soldered seam of the molded part can be up to 30 mm.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können rotationssymmetrische wie auch nicht rotationssymmetrische Formteile gefügt werden. Zum Fügen rotationssymmetrischer Formteile, insbesondere Bauteile, wird eine Relativbewegung zwischen Formteil und Laserstrahl durch Rotation der Formteile bevorzugt. Bei der Verwendung nicht rotationssymmetrischer Formteile wird die Relativbewegung zwischen Formteilen und Laserstrahl vorzugsweise durch Verwendung von wenigstens zwei beweglichen Laserstrahlen bevorzugt.With the method according to the invention rotationally symmetric as well as non-rotationally symmetrical shaped parts can be joined. For joining rotationally symmetrical shaped parts, in particular components, a relative movement between the molded part and the laser beam is preferred by rotation of the molded parts. When using non-rotationally symmetrical molded parts, the relative movement between the molded parts and the laser beam is preferably preferred by using at least two movable laser beams.
In bevorzugten Ausführungsformen werden die Formteile mit einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 120 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 80 Umdrehungen pro Minute rotiert. Dies kann den Vorteil bieten, dass ein erhöhter Energieeintrag in das Innere des Formteils eingebracht werden kann.In preferred embodiments, the moldings are rotated at a speed of rotation in the range of 1 to 120 revolutions per minute, preferably in the range of 10 to 100 revolutions per minute, more preferably in the range of 50 to 80 revolutions per minute. This can offer the advantage that an increased energy input can be introduced into the interior of the molded part.
Es kann gepulste oder kontinuierliche Laserstrahlung verwendet werden. Vorzugsweise wird kontinuierliche Laserstrahlung verwendet. Die Verwendung kontinuierlicher Laserstrahlung kann den Vorteil eines kontinuierlichen Temperatureintrags zur Verfügung stellen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung kontinuierlicher Laserstrahlung besteht darin, dass eine momentane starke Erhitzung des Formteils, die zu Thermoschock führen kann, vermindert oder sogar verhindert werden kann.Pulsed or continuous laser radiation can be used. Preferably, continuous laser radiation is used. The use of continuous laser radiation can provide the advantage of continuous temperature input. Another advantage of using continuous laser radiation is that instantaneous excessive heating of the molded part, which can lead to thermal shock, can be reduced or even prevented.
Verwendbar ist fokussierte, defokussierte, ungeformte, direkt oder durch eine Optik geformte Laserstrahlung. Defokussierte Laserstrahlung kann beispielsweise den Vorteil einer breiteren Energieverteilung zur Verfügung stellen.It is possible to use focused, defocused, unshaped, directly or optically shaped laser radiation. For example, defocused laser radiation can provide the advantage of a broader energy distribution.
Besonders bevorzugt verwendbare Laser sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Diodenlaser und/oder Nd:YAG-Laser.Particularly preferably usable lasers are selected from the group comprising diode laser and / or Nd: YAG laser.
Nach der Ausbildung der Verbindung können die verbundenen Formteile frei abkühlen oder definiert abgekühlt werden. Vorzugsweise können die verbundenen Formteile langsam oder graduell abgekühlt werden. Dies kann dazu beitragen, Schädigungen der Keramikformteile zu verhindern.After the connection has been formed, the joined moldings can cool freely or be cooled in a defined manner. Preferably, the bonded moldings may be cooled slowly or gradually. This can help to prevent damage to the ceramic moldings.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind gefügte Formteile, insbesondere Bauteile, herstellbar, die hohe Anforderungen an Hochtemperaturbeständigkeit, Gasdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfüllen können.With the method according to the invention are joined moldings, in particular components, can be produced, which can meet high requirements for high temperature resistance, gas tightness and corrosion resistance.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels, das das erfindungsgemäße Verfahren für einen speziellen Ausführungsfall beschreibt, näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following embodiment, which describes the method according to the invention for a specific embodiment.
Ein Vollstab aus ZrO2 mit den Abmessungen: Durchmesser = 4 mm und Länge = 40 mm und eine Lochscheibe aus einer semitransparenten forsterithaltigen Oxidkeramik mit den Abmessungen: Außendurchmesser = 15 mm, Innendurchmesser = 4,2 mm und Dicke = 5 mm wurden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefügt.A solid rod of ZrO 2 with the dimensions: diameter = 4 mm and length = 40 mm and a perforated disc of a semitransparent forsterithaltigen oxide ceramic with dimensions: outer diameter = 15 mm, inner diameter = 4.2 mm and thickness = 5 mm were by means of the invention Procedure added.
Vollstab und Lochscheibe wurden ineinander gesteckt und in eine Rotationshalferung eingesetzt. In eine einseitig am Innendurchmesser der Lochscheibe angebrachte Fase mit einem Radius von 1,5 mm wurde ein Lotplättchen aus ängesintertem Glaspulver aus 61,75 Ma.-% Y2O3, 33,25 Ma.-% Al2O3 und 5 Ma.-% SiO2 in Ringform eingelegt. Nun wurde der Laserstrahl eines Diodenlasers mit 808 nm und 940 nm Wellenlänge und einem annähernd gaußförmigen Strahl mit einem Durchmesser von 12-15 mm mit einer auftreffenden Leistung von 1100 W auf die Fügenaht gerichtet. Der Strahl wurde in x bzw. y-Richtung um ± 5 mm abgelenkt mit einer Scangeschwindigkeit von 1000 mm/s. Dabei entstand an der Fügenaht eine Temperatur von 1100 °C. Der Keramikkörper wurde während der Laserbearbeitung mit einer Geschwindigkeit von 25 Umdrehungen pro Minute gedreht. Nach 90 Sekunden war das Lot vollständig aufgeschmolzen.Solid rod and perforated disc were inserted into each other and used in a Rotationshalferung. In a chamfer with a radius of 1.5 mm, which was attached on one side to the inner diameter of the perforated disc, a solder plate made of sintered glass powder consisting of 61.75% by mass Y 2 O 3 , 33.25% by mass Al 2 O 3 and 5 Ma .-% SiO 2 inserted in ring form. Now the laser beam of a diode laser of 808 nm and 940 nm wavelength and an approximately Gaussian beam with a diameter of 12-15 mm with an incident power of 1100 W was directed onto the joining seam. The beam was deflected in the x or y direction ± 5 mm with a scan speed of 1000 mm / s. This resulted in a temperature of 1100 ° C at the joint seam. The ceramic body was rotated during the laser processing at a speed of 25 revolutions per minute. After 90 seconds, the solder was completely melted.
Die Fügeteile waren nach dem Abkühlen dauerhaft und gasdicht verbunden.The parts to be joined were permanently and gas-tight after cooling.
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