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Die
Erfindung betrifft eine Werkstückanordnung, bei der zumindest
zwei Verbindungsbereiche zumindest eines Werkstücks mittels
zumindest einer stoffschlüssigen Verbindungsnaht miteinander
verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gehäuse,
insbesondere ein Gehäuse für unter Vakuum und/oder
Schutzgas betriebene Geräte. Weiterhin betrifft die Erfindung
ein Gerät, insbesondere ein unter Vakuum und/oder Schutzgas
betriebenes Gerät. Darüber hinaus betrifft die
Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Verbindungsbereiche
wenigstens eines Werkstücks, bei dem die Verbindungsbereiche
zumindest bereichsweise durch wenigstens eine stoffschlüssige
Verbindungsnaht miteinander verbunden werden.
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Um
zwei Werkstücke miteinander zu verbinden sind im Stand
der Technik unterschiedliche Methoden bekannt.
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Beispielsweise
können zwei Werkstücke mit Hilfe von zusätzlichen
Verbindungselementen miteinander verbunden werden. Bei derartigen
zusätzlichen Verbindungselementen kann es sich beispielsweise
um Schrauben, Nieten und dergleichen handeln. Derartige zusätzliche
Verbindungselemente haben sich in vielen Bereichen der Technik über
die Jahre hinweg als praktikable Verbindungsmöglichkeit erwiesen.
Ein Nachteil bei der Verwendung derartiger zusätzlicher
Verbindungselemente liegt in der zum Teil recht aufwändigen
Vorbehandlung der miteinander zu verbindenden Werkstücke
(z. B. Bohren von Löchern für die Nieten/Schrauben)
und in dem Bauraum, den die zusätzlichen Verbindungselemente einnehmen
(z. B. hervorstehende Schraubenenden und Nietenenden).
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Eine
weitere Verbindungsmöglichkeit besteht darin, dass die
miteinander zu verbindenden Teile mit einer speziellen Formgebung
versehen werden. Die Formgebung ist so gewählt, dass die
Verbindung aufrecht erhalten bzw. verstärkt wird, wenn
die beiden miteinander verbundenen Teile in einer Richtung belastet
werden, die der normalen Belastung der Verbindung entspricht. Ein
Lösen der beiden miteinander verbundenen Teile ist, falls überhaupt,
nur in einer Richtung möglich, die einer normalen Belastung
der Verbindung entgegen gesetzt ist. Es ist jedoch auch möglich,
ein Lösen der beiden miteinander verbundenen Teile auch
dann zu verhindern, wenn eine Belastung entgegen der üblichen
Belastungsrichtung auf die Verbindungsstelle einwirkt. Hierfür können
beispielsweise clipsartig verrastende Verbindungen verwendet werden.
Derartige Verbindungstechniken werden in der Regel als formschlüssige Verbindungen
bezeichnet.
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Eine
weitere Klasse von möglichen Verbindungstechniken liegt
in Form der sogenannten stoffschlüssigen Verbindungen vor.
Bei diesen verbinden sich die betreffenden Materialen bzw. Oberflächenbereiche
in inniger Weise miteinander. Zu unterscheiden sind hierbei Verbindungstechniken,
bei denen die miteinander zu verbindenden Werkstücke aus
einem im Wesentlichen gleichartigen Material bestehen und/oder einen
im Wesentlichen gleichartigen Schmelzpunkt aufweisen, und bei denen
ein gegebenenfalls benutztes, zusätzlich eingebrachtes
Verbindungsmaterial aus einem im Wesentlichen gleichartigen Material
besteht und/oder einen im Wesentlichen gleichartigen Schmelzpunkt
aufweist. In diesem Falle spricht man von Schweißverbindungen.
In der Regel werden Schweißverbindungen durch eine lokale
Erhitzung der miteinander zu verbindenden Oberflächenbereiche
durchgeführt. Es sind jedoch im Stand der Technik auch
Kaltschweißverfahren bekannt.
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Wenn
sich dagegen die miteinander zu verbindenden Materialien und/oder
das gegebenenfalls zusätzlich eingebrachte Verbindungsmaterial
unterschiedliche Materialien aufweisen und/oder deutlich voneinander
abweichende Schmelzpunkte aufweisen, so spricht man von einem Löten
bzw. von einem Kleben. Der Begriff Löten wird üblicherweise
verwendet, wenn zur stoffschlüssigen Verbindung der miteinander
zu verbindenden Materialien eine lokale Temperaturerhöhung
erfolgt, die in einem Schmelzen bzw. Erweichen von zumindest einem
der für die Ausbildung der Verbindung verwendeten Materialien
resultiert. Beim Klebevorgang liegt dagegen üblicherweise
ein Kleber in ursprünglich flüssiger oder pastöser
Form vor. Dieser Kleber wird zwischen die miteinander zu verbindenden
Oberflächenbereiche der Werkstücke eingebracht.
Dort muss der Kleber zunächst aushärten, bevor
die Verbindungsstelle belastbar ist. Der Aushärtevorgang
kann beispielsweise durch das Entweichen von Lösungsmitteln
oder durch chemische Reaktionen (insbesondere bei Mehrkomponentenklebern)
erfolgen. Bei manchen Materialpaarungen ist es auch erforderlich,
zusätzliche Haftvermittler zu verwenden. Der Aushärtevorgang
kann darüber hinaus auch durch externe Maßnahmen
beschleunigt werden, wie beispielsweise durch eine Erwärmung
der Klebestelle.
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Selbstverständlich
ist es auch üblich, zwei oder mehr Verbindungstechniken
miteinander zu kombinieren. Auf diese Weise können unterschiedliche,
kon zeptimmanente Vorteile unterschiedlicher Verbindungsmethoden
miteinander kombiniert werden.
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Obgleich
stoffschlüssige Verbindungstechniken große Vorteile
aufweisen, erweisen sie sich für manche Anwendungszwecke
als problematisch.
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Beispielsweise
erfordern Klebetechniken oftmals relativ lange Aushärtezeiten,
was sich für eine zügige Fertigung von Gegenständen
als nachteilig erweisen kann. Eine Erhitzung von Klebebereichen ist
oftmals nicht möglich, da auf Grund von Wärmeleitung
die Wärmeenergie in Bereiche geleitet werden kann, in denen
ein Eintrag von Wärmeenergie problematisch ist.
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Auch
bei Lötverbindungen bzw. Schweißverbindungen können
sich durch Wärmeleitung in den miteinander zu verbindenden
Materialien Probleme ergeben. Dies betrifft nicht nur eine unerwünschte
Erwärmung von Bereichen, die von der Löt- bzw. Schweißstelle
entfernt liegen. Insbesondere beim Verlöten bzw. Verschweißen
von unterschiedlich dicken Materialien kann es dazu kommen, dass
auf Grund der Wärmeabfuhr im dicken Material eine sehr große
Wärmeleistung zugeführt werden muss. Dies kann
die Qualität der Löt- bzw. Schweißstelle
verschlechtern und gegebenenfalls zu einer Beschädigung
des dünnen Werkstücks führen. Stark unterschiedlich
dicke Materialien werden deshalb derzeit in der Regel nicht miteinander
verschweißt bzw. verlötet, und es wird auf andere
Verbindungstechniken ausgewichen.
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Ein
weiteres Problem bei stoffschlüssigen Verbindungsverfahren
besteht darin, dass es bei der Ausbildung der stoffschlüssigen
Verbindungsnaht oftmals zu einer Freisetzung von flüssigen
und/oder gasförmigen Materialien kommt. Derartige Materialien
können beispielsweise bei Klebstoffen durch das Abdampfen
von Lösungsmitteln bzw. durch das Entstehen von gasförmigen
Substanzen bei der Aushärtereaktion entstehen. Bei Löt-
bzw. Schweißverbindungen können derartige gasförmige
Substanzen durch die lokale, in der Regel meist starke Erhitzung der
Verbindungsbereiche entstehen. Dies gilt insbesondere, da für
Löt- bzw. Schweißvorgänge oftmals Materialgemische
(z. B. spezielle Metalllegierungen) verwendet werden, die eine möglichst
feste und dauerhafte Verbindung sicher stellen sollen und/oder den Schmelzpunkt
bzw. Erweichungspunkt des betreffenden Materials erniedrigen sollen.
Die dabei genutzten Zuschlagstoffe neigen jedoch oftmals dazu, bei
einer starken Erwärmung freigesetzt zu werden. Die Materialfreisetzungen
können jedoch in manchen Einsatzgebieten überaus
negative Folgen zeigen. Denn manche technischen Vorrichtungen reagieren überaus
empfindlich auf Verunreinigungen. Rein beispielhaft seien in diesem
Zusammenhang Detektormaterialien, beispielsweise Detektormaterialien
für radioaktive Strahlung genannt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, stoffschlüssige
Verbindungsverfahren zu verbessern, und insbesondere deren mögliches
Einsatzspektrum zu vergrößern.
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Dazu
wird vorgeschlagen, eine Werkstückanordnung, bei der zumindest
zwei Verbindungsbereiche zumindest eines Werkstücks mittels
zumindest einer stoffschlüssigen Verbindungsnaht miteinander verbunden
sind, derart auszubilden, dass bei zumindest einem Verbindungsbereich
im Bereich wenigstens einer stoffschlüssigen Verbindungsnaht
zumindest eine thermische Isolationseinrichtung vorgesehen ist.
Dadurch ist es auf besonders einfache Weise möglich, gegebenenfalls
im Bereich der Verbindungsnaht eingebrachte thermische Energie im
Verbindungsbereich zu belassen. Mit anderen Worten wird gegebenenfalls
weniger Wärmeenergie aus dem Verbindungsbereich abtransportiert.
Dadurch kann es ermöglicht werden, den gegebenenfalls erforderlichen
Wärmeeintrag zu verringern. Auch können die übrigen
Bereiche der Werkstückanordnung vor unnötiger
thermischer Belastung geschützt werden. Dies gilt natürlich
auch für eventuell mit einem Teil der Werkstückanordnung
verbundene Teile, Vorrichtungen und weitere Bau gruppen (wie z. B.
Messelemente, Sensoren, Kabel, Detektoren usw.). Unter einer stoffschlüssigen
Verbindungsnaht kann im vorliegenden Zusammenhang im Übrigen
auch eine Anordnung (z. B. eine linienförmige Anordnung)
von Verbindungspunkten verstanden werden. Die thermische Isolationseinrichtung
verbleibt dabei in aller Regel dauerhaft in der Werkstückanordnung.
Dies schließt es natürlich nicht aus, dass beispielsweise eine
thermische Isolationseinrichtung nach Ausbildung der stoffschlüssigen
Verbindungsnaht beispielsweise ausgehärtet oder verfüllt
werden kann. Durch das Vorsehen einer thermischen Isolationseinrichtung
kann es zwar zu einer Schwächung des betreffenden Werkstückbereichs
kommen, da die thermische Isolationseinrichtung in aller Regel eine
niedrigere strukturelle Festigkeit aufweist, als dies beim übrigen
Material des Werkstücks der Fall ist. Wie die Erfinder
jedoch überraschenderweise herausgefunden haben, werden
die nachteiligen Effekte dieser Ausbildungsweise in der Regel durch
deren Vorteile deutlich überkompensiert. Dies gilt insbesondere, wenn
die thermische Isolationseinrichtung – wie oben erwähnt – nach
Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindungsnaht ausgehärtet
und/oder verfüllt wird, und dadurch die gegebenenfalls
vorhandene strukturelle Schwächung in aller Regel zumindest
gemindert werden kann.
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Es
erweist sich üblicherweise als besonders vorteilhaft, wenn
die Werkstückanordnung zumindest zwei miteinander verbundene
Werkstücke aufweist. Auf diese Weise können mehrere
Baugruppen zu einer Gesamtanordnung, zu einem Gerät bzw.
zu einem Gehäuse zusammengefügt werden. Auf Grund der
Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens können dabei auch
stark unterschiedliche Baugruppen zusammen gefügt werden.
Es ist selbstverständlich ebenso denkbar, dass verschiedene
Verbindungsbereiche ein und desselben Werkstücks miteinander verbunden
werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Art
Blech in sich zu verbiegen (beispielsweise zu einem Zylindermantel
oder zu einer Quaderform) und die sich kontaktierenden Blechbereiche
(beispielsweise in Form eines Überlappungsstoßes oder
eines Stirnstoßes) anschließend miteinander zu
verbinden. Insbesondere ist es auch möglich, dass das Blech über
eine Dickenstrukturierung verfügt, also beispielsweise
in einem Bereich eine geringere, in einem anderen Bereich jedoch
eine größere Dicke aufweist.
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Vorteilhaft
kann es auch sein, wenn wenigstens eine stoffschlüssige
Verbindungsnaht als thermische Verbindungsnaht, insbesondere als
Lötnaht und/oder als Schweißnaht ausgebildet ist.
Derartige thermische Verbindungsnähte, bei denen die stoffschlüssige
Verbindung in der Regel dadurch erfolgt, dass es zu einem zumindest
bereichsweisen Aufschmelzen bzw. zu einer zumindest bereichsweisen Erweichung
eines der beteiligten Materialien kommt, führen oftmals
zu besonders festen und dauerhaften Verbindungen. Auch lassen sich
derartige thermische Verbindungsnähte oftmals besonders
schnell ausbilden. Wird die Zufuhr an thermischer Energie beendet,
so kühlt der Verbindungsbereich in aller Regel sehr rasch
ab, so dass nach kurzer Zeit eine belastbare Verbindung vorliegt.
Insbesondere können Aushärtezeiten, wie sie bei
der Verwendung von Kleber in aller Regel vorkommen, verkürzt
werden.
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Es
kann sich als sinnvoll erweisen, wenn wenigstens eine thermische
Isolationseinrichtung als Materialverdünnung, insbesondere
als Ausnehmung, bevorzugt als nutartige Ausnehmung und/oder stegartiger
Vorsprung ausgebildet ist. Eine derartige thermische Isolationseinrichtung
lässt sich in besonders einfacher Weise durch mechanische
Bearbeitungsmaßnahmen, wie beispielsweise materialabtragende
Bearbeitungsverfahren und/oder materialumformende Bearbeitungsverfahren
realisieren. Insbesondere ist es in aller Regel nicht erforderlich,
Maßnahmen zur Befestigung der thermischen Isolationseinrichtung
am bzw. im betreffenden Werkstück vorzusehen. Die thermische
Isolationseinrichtung kann auch bereits bei der Herstellung des
betreffenden Werkstücks berücksichtigt werden,
beispielsweise wenn das Werkstück durch ein Strangpressverfahren
hergestellt wird.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens eine stoffschlüssige
Verbindungsnaht bezogen auf den Kontaktbereich und/oder auf den
Stoßbereich wenigstens zweier Verbindungsbereiche zumindest
bereichsweise asymmetrisch, insbesondere seitlich und/oder in einem
Randbereich angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung ist es
in der Regel leichter, thermische Energie von außen in
den Verbindungsbereich einzubringen. Dadurch, dass die eingebrachte
thermische Energie durch einen geringeren Winkelraum (beispielsweise
nur 90°) entweichen kann, kann die gegebenenfalls eingebrachte thermische
Energie nochmals zusätzlich im eigentlichen Nahtbereich
konzentriert werden. Sollten durch die Ausbildung der stoffschlüssigen
Verbindungsnaht gasförmige Stoffe entweichen, so kann deren
Freisetzung zu einer Seite hin gelenkt werden. Dadurch kann beispielsweise
eine Verschmutzung eines der stoffschlüssigen Verbindungsnaht
abgewandten Bereichs vermieden werden. Besonders sinnvoll ist es im Übrigen,
wenn die Asymmetrie zu der Seite hin erfolgt, auf der die thermische
Isolationseinrichtung vorgesehen ist. Es kann also beispielsweise
eine Abfolge Kante – Verbindungsnaht – thermische
Isolationseinrichtung vorgesehen werden. Bei dem Stoß des
Stoßbereichs kann es sich um eine beliebige Art eines Stoßes
handeln, wie beispielsweise um einen Stumpfstoß, einen Überlappstoß,
einen Eckstoß, einen T-Stoß, einen Parallelstoß,
einen Kreuzstoß, einen Mehrfachstoß, einen Schrägstoß usw.
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Als
besonders sinnvoll kann es sich bei der vorgeschlagenen Werkstückanordnung
erweisen, wenn zumindest zwei der miteinander verbundenen Verbindungsbereiche,
insbesondere zwei miteinander verbundene Werkstücke, zumindest
bereichsweise eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Bei bisherigen
stoffschlüssigen Verbindungsverfahren führte die
Wärmeabfuhr durch den dickeren Verbindungsbereich oftmals
dazu, dass ein sehr hoher thermischer Energieeintrag erfolgen musste.
Dieser thermische Energieeintrag musste oftmals so hoch gewählt werden,
dass der dünnere Verbindungsbe reich dadurch beschädigt
wurde. Dementsprechend waren derartige Verbindungen oftmals nicht
ausreichend stabil bzw. nicht ausreichend dauerhaft. Zum Teil waren
derartige Werkstückanordnungen auch nicht darstellbar,
sodass auf andere Verbindungsverfahren ausgewichen werden musste.
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Eine
weitere sinnvolle Weiterbildungsmöglichkeit kann sich ergeben,
wenn zumindest ein Verbindungsbereich, insbesondere zumindest ein
Werkstück, zumindest bereichsweise flächig und/oder plattenartig
ausgebildet ist. Derartige Werkstücke eignen sich in besonderem
Maße für die Anbringung langer stoffschlüssiger
Verbindungsnähte. Auch kann die gegebenenfalls einzubringende
thermische Energie bei derartigen Werkstückanordnungen
besonders gut eingebracht werden. Eine plattenartige Ausführung
umfasst dabei selbstverständlich auch Bleche beliebiger
Dicke und/oder Bauart, wie beispielsweise Feinbleche, Feinstbleche,
Grobbleche usw.
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Sinnvoll
kann es darüber hinaus sein, wenn zumindest zwei Verbindungsbereiche,
insbesondere zumindest zwei Werkstücke, zumindest bereichsweise
im Wesentlichen geradlinig und/oder zumindest bereichsweise unter
einem im Wesentlichen rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Auch hier kann die gegebenenfalls erforderliche einzubringende thermische
Energie besonders vorteilhaft der Verbindungsnaht zugeführt
werden, bzw. verbleibt diese besonders effektiv im Bereich der Verbindungsnaht. Darüber
hinaus lassen sich die thermischen Isolationseinrichtungen besonders
einfach an einem besonders effektiven Ort anordnen.
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Es
ist möglich, die Werkstückanordnung so auszubilden,
dass zumindest zwei Verbindungsbereiche, insbesondere zumindest
zwei Werkstücke, zumindest bereichsweise mit einer Übergangspassung und/oder
mit einer Presspassung versehen sind, insbesondere mit einer H7-Passung.
Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, eine definierte
Lagevorfixierung der beiden Verbindungsbereiche zueinander zu realisieren.
Auch kann durch eine solche Passung die Tiefe einer Schweißnaht
bzw. einer Lötnaht geeignet begrenzt werden. Ein weiterer
Vorteil kann sich dadurch ergeben, dass eine derartige Passung einen
gewissen Widerstand für gegebenenfalls während
der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindungsnaht freiwerdende
Stoffe aufweisen kann. Dadurch kann eine Kontamination des Behälterinneren auf
sehr einfache Weise wirksam verringert und ggf. sogar im Wesentlichen
vollständig unterbunden werden. Die Verwendung einer H7-Passung
hat sich dabei als einfach und kostengünstig herstellbar,
gleichzeitig jedoch als besonders effektiv erwiesen.
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Weiterhin
kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn zumindest ein Verbindungsbereich,
insbesondere zumindest ein Werkstück und/oder zumindest
ein Verbindungsmaterial ein Material aufweist, welches der Gruppe
entnommen ist, die Metall, Metalllegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, AlMg3, AlMg4,5Mn, Stahl,
Stahllegierungen, Edelstahl, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel,
Nickellegierungen, abdampfarme Materialien und/oder abdampffreie
Materialien umfasst. Mit derartigen Materialien können
besonders haltbare und feste Verbindungen besonders gut ausgebildet
werden. Insbesondere bei abdampfarmen bzw. abdampffreien Materialien
kann auch das bereits erwähnte, unerwünschte Abdampfen
von Zuschlagsstoffen verringert, minimiert oder sogar beseitigt
werden.
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Besonders
vorteilhaft kann es sein, wenn wenigstens eine stoffschlüssige
Verbindungsnaht trennbar ausgeführt ist, und insbesondere
geöffnet werden kann, bevorzugt geöffnet und erneut
geschlossen werden kann. Dies ist beispielsweise dann möglich,
wenn zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindungsnaht
ein zusätzliches Material eingesetzt wird, welches beispielsweise
einen besonders niedrigen Schmelzpunkt bzw. Materialzerstörungspunkt aufweist.
Wird der entsprechende Verbindungsbereich auf bzw. über
die entsprechende Temperatur gebracht (was insbesondere auf Grund
der thermischen Isolationseinrichtung besonders einfach möglich
ist), so kann die Verbindung auf diese Weise gelöst, gegebenenfalls
auch erneut verschlossen werden. Möglich ist es selbstverständlich
auch, den Bereich mit der Verbindungsnaht abzutrennen. Dies kann
beispielsweise auf mechanischem Wege erfolgen, wie beispielsweise
unter Verwendung von Verfahren, die gemäß der
Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 unter
dem Oberbegriff „Trennen” zusammengefasst sind.
Insbesondere kann das Abtrennen durch Sägen, Drehen, Fräsen
oder Feilen erfolgen. Das Abtrennen kann jedoch auch auf anderem
Wege erfolgen, wie beispielsweise unter Verwendung eines Lasers.
Das Abtrennen ist durch das Vorsehen einer thermischen Isolationseinrichtung besonders
einfach möglich, insbesondere dann, wenn die thermische
Isolationseinrichtung als Ausnehmung ausgebildet wird. Unter einer
trennbaren Ausführung sind selbstverständlich
nicht nur solche Ausbildungen zu verstehen, die sehr häufig
bzw. im Wesentlichen beliebig häufig getrennt und wiederverbunden
werden können, sondern auch solche Ausbildungen, bei denen
nur eine gewisse Anzahl an Trennvorgängen (beispielsweise
zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder
zehn) möglich ist.
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Vorteilhaft
kann es auch sein, wenn die stoffschlüssige Verbindungsnaht
leckagefrei und/oder fluiddicht, bevorzugt flüssigkeitsdicht,
gasdicht, vakuumdicht, heliumdicht und/oder wasserstoffdicht ausgeführt
ist. Auf diese Weise kann die entstehende stoffschlüssige
Verbindungsnaht besonders universell eingesetzt werden. Beispielsweise
kann eine derartige stoffschlüssige Verbindungsnaht für
Flüssigkeitstanks, Gastanks und/oder Vakuumanlagen eingesetzt
werden. Unter einem Fluid kann – wie allgemein üblich – ein
Gas, eine Flüssigkeit, eine Mischung aus Gas und Flüssigkeit,
ein überkritisches Fluid, eine Mischung aus Gas und Feststoffen (Rauch),
eine Mischung aus Flüssigkeit und Feststoffen (Suspension)
und/oder eine Mischung aus Gas, Flüssigkeit und Feststoffen
verstanden werden.
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Weiterhin
ist es möglich, die stoffschlüssige Verbindungsnaht
als schutzatmosphärengeformte Verbindungsnaht auszubilden.
Gerade bei besonders empfindlichen Materialien und/oder besonders agressiven
Umgebungen kann dadurch die Qualität der Verbindungsnaht
in der Regel deutlich verbessert werden. Beispielsweise ist in der
Regel bereits eine Eisenschweißung oder Aluminiumschweißung
in normaler Luftumgebung aufgrund des Sauerstoffgehalts und/oder
des Wasserstoffgehalts der Luft problematisch. Die Qualitätsverbesserung
durch Vorsehen einer Schutzatmosphäre ist in aller Regel
so groß, dass eine schutzatmosphärengeformte Verbindungsnaht meist
problemlos von einer nicht-schutzatmosphärengeformten Verbindungsnaht
unterschieden werden kann. Die Schutzatmosphäre kann dabei
beliebiger Art sein. Beispielsweise kann sie durch eine Verarbeitung
in einer schutzgasgefüllten Kammer oder durch Zuführung
eines Schutzgasstrahls in den Bereich, in dem die stoffschlüssige
Verbindungsnaht ausgebildet wird, realisiert werden. Als Schutzgas kann
dabei Neon, Helium, Argon, Krypton, Kohlendioxid oder Stickstoff
verwendet werden. Auch eine Verarbeitung unter Vakuum (oder reduziertem
Druck) ist denkbar.
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Weiterhin
wird ein Gehäuse vorgeschlagen, insbesondere ein Gehäuse
für unter Vakuum und/oder Schutzgas betriebene Geräte,
welches wenigstens eine Werkstückanordnung mit dem oben
beschriebenen Aufbau aufweist. Auf diese Weise kann ein besonders
haltbares, stabiles und gegebenenfalls besonders dichtes Gehäuse
(gasdicht/flüssigkeitsdicht) realisiert werden. Dadurch,
dass auch stark unterschiedlich dicke Baugruppen zur Ausbildung
des Gehäuses verwendet werden können, ist es möglich,
das Gesamtgewicht des Gehäuses gegenüber bekannten
Gehäusen zu reduzieren. Dies ist beispielsweise dadurch
möglich, dass die Gehäusewände in unterschiedlichen
Bereichen unterschiedlich dick ausgeführt werden. Im Übrigen
weist das vorgeschlagene Gehäuse die bereits im Zusammenhang
mit der beschriebenen Werkstückanordnung genannten Vorteile
und Eigenschaften in analoger Weise auf. Als Schutzgas können
die bereits im Zusammenhang mit der schutzatmosphärengeformten
Verbindungsnaht erwähnten Schutzgase genutzt werden.
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Vorteilhaft
kann es sein, wenn zumindest eine, die Gehäusewand durchdringende
Fluidleitung vorgesehen ist, die bevorzugt stoffschlüssig
verschlossen werden kann. In diesem Fall ist es auf besonders einfache
Weise möglich, nach der Fertigstellung des Gehäuses
dieses zu evakuieren und/oder mit einer bestimmten Gasfüllung
(Schutzgas) zu befüllen. Nach der Befüllung bzw.
Evakuierung kann die Fluidleitung verschlossen werden, sodass das
Gehäuse nach dessen Verschluss problemlos als eigenständige
Einheit gehandhabt werden kann. Insbesondere kann durch einen stoffschlüssigen
Verschluss der Fluidleitung die Gefahr einer späteren Leckage
minimiert werden.
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Bei
der Fluidleitung handelt es sich vorzugsweise um eine Fluidleitung
mit einem anfänglichen (unverformten) Fluiddurchgangsquerschnitt,
wobei der anfängliche Fluiddurchgangsquerschnitt zunächst,
in einem ersten Schritt, verkleinert wird und anschließend,
in einem zweiten Schritt, der verkleinerte Fluiddurchgangsquerschnitt
stoffschlüssig verschlossen wird. Die Verkleinerung (die
Verjüngung) des Fluiddurchgangsquerschnitts kann beispielsweise
durch einen Quetschvorgang und/oder einen Abknickvorgang der Fluidleitung
erfolgen. Auf Grund der Verjüngung des Fluiddurchgangsquerschnitts kann
der anschließende stoffschlüssige Verschluss mit
einem verringerten Materialeintrag realisiert werden. Die Verkleinerung
des Fluiddurchgangsquerschnitts kann dabei so weit getrieben werden,
dass sich nach dem ersten Schritt, in dem der Fluiddurchgangsquerschnitt
der Fluidleitung verkleinert wird, zumindest Teile der Innenwand
der Fluidleitung zumindest bereichsweise berühren. Der
stoffschlüssige Verschluss des verkleinerten Fluiddurchgangsquerschnitts
kann insbesondere unter Verwendung eines thermischen Verschlussverfahrens,
wie beispielsweise durch ein Lötverfahren und/oder durch
ein Schweißverfahren erfolgen. Jedoch sind auch an derweitige
Verschlussverfahren, wie beispielsweise Klebeverfahren möglich.
Die zur Ausbildung eines thermischen Verschlussverfahrens erforderliche
Energie kann beispielsweise mit Hilfe einer Energieeintragsvorrichtung,
vorzugsweise in Form von thermischer Energie eingebracht werden.
Die Energieeintragsvorrichtung kann dabei der Gruppe entnommen werden,
die Laser, Excimerlaser, Halbleiterlaser, CO2-Laser,
Farbstofflaser, Festkörperlaser, Gaslaser, Schallquellen,
Ultraschallquellen, Elektronenstrahlquellen, elektrische Widerstandsvorrichtungen,
elektrische Hochstromquellen und Reibungsenergieeintragsvorrichtungen
umfasst. Das Material der Fluidleitung und/oder ein eventuell verwendetes
Verschlussmaterial kann insbesondere ein Material aufweisen, welches
der Gruppe entnommen ist, die Metall, Metalllegierungen, Aluminium,
Aluminiumlegierungen, AlMg3, AlMg4,5Mn, Stahl, Stahllegierungen, Edelstahl,
Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, abdampfarme
Materialien und/oder abdampffreie Materialien umfasst. Die Fluidleitung
kann in ihrem Anfangszustand zumindest abschnittsweise eine rohrartige
Form aufweisen. Insbesondere kann die Fluidleitung zumindest abschnittsweise
einen runden, ovalen, elliptischen oder kreisrunden Querschnitt
aufweisen. Möglich ist es darüber hinaus, dass
die Fluidleitung nach der Durchführung der Verkleinerung
des Fluiddurchgangsquerschnitts und/oder nach dem stoffschlüssigen
Verschließen des Fluiddurchgangsquerschnitts abgelängt
wird. Der Verschluss der Fluidleitung kann vorzugsweise unter Verwendung
eines Multifunktionswerkzeugs erfolgen, welches zumindest zwei der
folgenden Schritte durchführen kann: Verkleinerung des
Fluiddurchgangsquerschnitts der Fluidleitung; stoffschlüssiger Verschluss
des verkleinerten Fluiddurchgangsquerschnitts; Ablängen
der Fluidleitung. Mit Hilfe des vorliegend vorgeschlagenen Verschlusses
der Fluidleitung ist es insbesondere möglich, einen dichten
(flüssigkeitsdichten, gasdichten, fluiddichten, vakuumdichten,
hochvakuumdichten, heliumdichten und/oder wasserstoffdichten) Verschluss
der Fluidleitung kostengünstig auszubilden. Das derart
verschlossene Gehäuse (einschließlich der verschlossenen
Fluidleitung) kann über einen langen Zeitraum hinweg unter
Vakuum bzw. unter Schutzgas betrieben werden. Darüber hinaus
ist es möglich, dass Gase, die im Zuge des Verschlussvorgangs
der Fluidleitung freigesetzt werden könnten, und die für
einen im Gehäuse angeordneten Gegenstand schädlich
sein können, in deutlich geringerer Menge freigesetzt werden,
oder dass deren Freisetzung sogar ganz vermieden wird.
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Weiterhin
wird ein Gerät vorgeschlagen, insbesondere ein unter Vakuum
und/oder Schutzgas betriebenes Gerät, welches wenigstens
eine Werkstückanordnung mit dem oben beschriebenen Aufbau
und/oder wenigstens ein Gehäuse mit dem oben beschriebenen
Aufbau aufweist. Ein derartiges Gerät weist die bereits
im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Werkstückanordnung
bzw. die im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Gehäuse beschriebenen
Eigenschaften und Vorteile in analoger Weise auf.
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Bevorzugt
kann das Gerät als Detektor insbesondere als Halbleiterdetektor
ausgebildet sein. Derartige Detektoren bzw. Halbleiterdetektoren,
die in einem Gehäuse angeordnet sind, werden beispielsweise
zur Detektion radioaktiver Strahlung bzw. von Teilchenstrahlung
(Alphastrahlung, Betastrahlung, Protonen, Neutronen, Elektronen,
Atomkerne usw.) verwendet. Damit diese möglichst gute Messeigenschaften
aufweisen (insbesondere ein gutes Detektionsvermögen und
ein geringes Rauschen) müssen diese in der Regel im Vakuum
und/oder gekühlt betrieben werden. Das vorgeschlagene Gerät
weist damit eine deutliche Verbesserung gegenüber bekannten
Geräten auf.
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Schließlich
wird vorgeschlagen, ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier
Verbindungsbereiche wenigstens eines Werkstücks, bei dem
die Verbindungsbereiche zumindest bereichsweise durch wenigstens
eine stoffschlüssige Verbindungsnaht miteinander verbunden
werden, dahingehend weiterzubilden, dass zumindest einer der Verbindungsbereiche
zumindest während der Ausbildung der stoffschlüssigen
Verbindungsnaht zumindest bereichsweise wärmeisoliert ist.
Das vorgeschlagene Verfahren weist die im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Werkstückanordnung bereits beschriebenen Vorteile und Eigenschaften
in analoger Weise auf. Insbesondere ist es auch möglich,
das Verfahren durch Verfahrensmerkmale fortzubilden, die den vorgeschlagenen
Merkmalen, Eigenschaften, Vorteilen und Weiterbildungen der oben
beschriebenen Werkstückanordnung, des oben beschriebenen
Gehäuses und/oder des oben beschriebenen Geräts
in analoger Weise entsprechen.
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Möglich
ist es natürlich auch, das vorgeschlagene Verfahren zur
Ausbildung einer Werkstückanordnung mit dem oben beschriebenen
Aufbau, zur Ausbildung eines Gehäuses mit dem oben beschriebenen
Aufbau und/oder zur Ausbildung eines Geräts mit dem oben
beschriebenen Aufbau zu verwenden.
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Sinnvoll
kann es sein, dass in zumindest einen Verbindungsbereich (aktiv)
mittels einer Energieeintragsvorrichtung thermische Energie eingebracht wird,
wobei die Energieeintragsvorrichtung vorzugsweise der Gruppe entnommen
ist, die Laser, Excimerlaser, Halbleiterlaser, CO2-Laser,
Farbstofflaser, Festkörperlaser, Gaslaser, Schallquellen,
Ultraschallquellen, Elektronenstrahlquellen, elektrische Widerstandsvorrichtungen,
elektrische Hochstromquellen und Reibungsenergieeintragsvorrichtungen
umfasst. Mit Hilfe von Schallquellen, Ultraschallquellen und/oder
Reibungsenergieeintragsvorrichtungen ist beispielsweise ein sogenanntes
Reibschweißen möglich. Mit Hilfe von Widerstandsvorrichtungen kann
thermische Energie erzeugt werden, die beispielsweise über
einen Materialkontakt den Verbindungsbereichen und/oder einem Verbindungsmaterial
zugeführt werden kann. Beispielsweise arbeitet ein klassischer
Lötkolben nach diesem Prinzip. Mit elektrischen Hochstromquellen
ist beispielsweise ein elektrisches Schweißen (beispielsweise
Lichtbogenschweißen) möglich.
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Die
Ausbildung eines Verfahrens zum Verbinden zumindest zweier Verbindungsbereiche
wenigstens eines Werkstücks kann insbesondere durch folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- – Es
wird zumindest eine Wärmeisolation in zumindest einem Bereich
zumindest eines Werkstücks vorgesehen, der benachbart zu
zumindest einem Verbindungsbereichsbereich des Werkstücks
liegt;
- – der Verbindungsbereich wird benachbart zu einem weiteren
Verbindungsbereich angeordnet, wobei der weitere Verbindungsbereich
zum gleichen Werkstück und/oder zu zumindest einem weiteren
Werkstück gehört;
- – eine stoffschlüssige Verbindungsnaht wird
ausgebildet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Es
zeigen:
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1:
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Schweißnaht
zur Verbindung von zwei Baugruppen im schematischen Querschnitt;
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Schweißnaht
zur Verbindung von zwei Baugruppen im schematischen Querschnitt;
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3:
ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Schweißnaht
zur Verbindung von zwei Baugruppen im schematischen Querschnitt;
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4:
ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Schweißnaht
zur Verbindung von zwei Baugruppen im schematischen Querschnitt;
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5a–c:
weitere Ausführungsbeispiele für Schweißnähte
zur Verbindung von zwei Baugruppen im schematischen Querschnitt;
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6:
ein in einer Vakuumkapsel gekapselter Halbleiterdetektor im schematischen
Querschnitt;
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7:
ein Diagramm zur Verdeutlichung eines möglichen Verfahrens
zur Ausbildung von Schweißnähten;
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8a–d:
ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung eines
vakuumdichten Verschlusses des Evakuierungsrohrs und dessen anschließende
Ablängung;
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9:
ein Diagramm zur Verdeutlichung des in 8a–d
dargestellten Verfahrens.
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1 zeigt
in einem schematischen Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel
für eine Kapsel 1, bei der zwei Bauteile 2, 3 mit
Hilfe einer Schweißnaht 4 stoffschlüssig
miteinander verbunden sind. Aus Übersichtlichkeitsgründen
ist in 1 nur ein Teil der Kapsel 1 dargestellt.
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Bei
einem der beiden Bauteile 2, 3 handelt es sich
um ein Feinblech 2 aus einer Aluminiumlegierung. Nach DIN
1623 wird unter einem Feinblech ein Blech mit einer Dicke
d von d ≤ 3 mm verstanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Kapsel 1 um eine Verbindung aus
einem Deckel 3 und einem dünnen Feinblech 2.
Das Feinblech 2 bildet für die Kapsel 1 die
Kapselhülle 2. Kapselhülle 2 und
Deckel 3 bilden gemeinsam ein Gehäuse 31 für einen
Halbleiterdetektor 35 zur Messung ionisierender Strahlen
(vgl. 6). Damit der resultierende Halbleiterdetektor 31 funktionstüchtig
ist, weist die Kapselhülle 2 eine sehr geringe
Dicke von vorliegend nur 0,6 mm auf. Selbstverständlich
könnten für die Kapselhülle 2 auch
andere Dicken d gewählt werden, wie beispielsweise d ≤ 2,5
mm, 2 mm, 1,5 mm, 1 mm, 0,75 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,2 mm, 0,1 mm,
0,09 mm, 0,08 mm, 0,07 mm, 0,06 mm oder 0,05 mm. Der Deckel 3 weist
demgegenüber eine erheblich größere Dicke
von vorliegend 15 mm auf. Er unterfällt somit der Definition
für ein Grobblech nach DIN EN 1002,9 (hiernach
sind Grobbleche durch eine Dicke d von d ≥ 3 mm definiert).
Selbstverständlich sind auch andere Dicken, wie beispielsweise
10 mm, 12 mm, 14 mm, 16 mm, 18 mm, 20 mm, 22 mm oder 25 mm denkbar. Auch
Zwischenwerte sind sowohl für den Deckel 3, als
auch für das Feinblech 2 denkbar. Auch der Deckel 3 besteht aus
einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierungen der Kapselhülle 2 und
des Deckels 3 sind dabei im Wesentlichen übereinstimmend gewählt.
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Kapselhülle 2 (welche
beispielsweise die Form eines Zylindermantels einnimmt) und Deckel 3 (welcher
beispielsweise als kreisrunde Scheibe ausgebildet ist) sind so dimensioniert,
dass sie im Wesentlichen passgenau ineinander gesteckt werden können.
Dabei verbleibt im Kontaktbereich 5 von Feinblech 2 und
Deckel 3 naturgemäß ein gewisses Spiel
(auch Toleranz genannt). Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde eine H7-Passung nach EN 20286 realisiert.
Dadurch wird auch eine mechanische Vorfixierung von Feinblech 2 und
Deckel 3 vor der Ausbildung der Schweißnaht 4 erreicht. Dazu
wird beispielsweise der Außendurchmesser des Deckels 3 mit
79,60 mm gewählt, während der Innendurchmesser
des zu einem Holzylinder gebogenen Feinblechs (2) 81,40
mm beträgt.
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Eine
weitere mechanische Vorfixierung von Deckel 3 und Feinblech 2 ergibt
sich durch den Stützsteg 44, der am Feinblech 2 vorgesehen
ist.
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Wie
in 1 gut zu erkennen ist, weist der Deckel 3 in
seinem, den Kontaktbereich zugewandten Randbereich 6 einen
hinterschnittenen Kontaktsteg 7 auf, der das Feinblech 2 flächig
berührt und dadurch den Kontaktbereich 5 ausbildet.
Der Kontaktsteg 7 ist über einen Brückensteg 8 mit
dem eigentlichen Deckel verbunden. Die Hinterschneidung des Kontaktstegs 7 ergibt
sich durch eine Nut 9, welche sich zwischen dem Kontaktsteg 7 und
dem Hauptkörper 10 des Deckels 3 befindet.
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Wie
man ebenfalls 1 gut entnehmen kann, weist
der Kontaktsteg 7 eine Länge auf, die geringer
ist als es der Dicke des Hauptkörpers 10 des Deckels 3 entspricht.
Dadurch ist der Kontaktbereich 5 und die Schweißnaht 4 in
einem gewissen Ausmaß gegenüber mechanischen Einwirkungen
von außen geschützt. Im vorliegend dargestellten
Ausführungsbeispiel weist die Länge des Kontaktstegs
(7) 12 mm auf, die Dicke des Kontaktstegs 7 beträgt
0,9 mm und die Dicke des Brückenstegs 8 beträgt
2 mm.
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Aber
auch andere Dimensionen sind wählbar, wie beispielsweise
eine Länge des Kontaktstegs 7 von 2,5 mm und eine
Dicke des Brückenstegs 8 von 9,5 mm.
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Um
das Feinblech 2 und den Deckel 3 miteinander zu
verbinden wird von einem CO2-Laser 11 ein
Laserstrahl 12 erzeugt, der im vorliegend dargstellten
Ausführungsbeispiel in einem Stirnbereich 13 von
Feinblech 2 und Kontaktsteg 7 auf den Kontaktbereich 5 auftrifft.
Die Laserleistung kann beispielsweise 2 oder 2,5 kW betragen. Vorliegend
wird der Laserstrahl 12 im Wesentlichen normal zur Fläche des
Feinblechs 2 dem Kontaktbereich 5 zugeführt. Selbstverständlich
ist es auch möglich, den Laserstrahl 12 unter
anderen Winkeln dem Kontaktbereich 5 zuzuführen.
Hier bieten sich beispielsweise Winkel von 0° (parallel
zur Oberfläche des Feinblechs 2), von 30°,
von 45° und/oder 60° an. Der auftreffende Laserstrahl 12 verursacht
im Stirnbereich 13 des Kontaktbereichs 5 eine
lokale Erhitzung. Die Parameter des Laserstrahls 12 sind
so eingestellt, dass sich die Aluminiumlegierung des Feinblechs 2 und des
Deckels in teigiger bzw. flüssiger Form verbindet und gleichzeitig
ein Teil der flüssigen Masse in die vorgegebene Toleranz
des Kontaktbereichs 5 zwischen Feinblech 2 und
Deckel 3 eintritt. Auf diese Weise wird eine Schweißnaht 4 ausgebildet.
Das in den Kontaktbereich 5 eingetretene flüssige
Material bildet die in 1 erkennbare Schweißnahtwurzel 14 aus.
Durch die vorliegend gewählte H7-Passung weist die Schweißnahtwurzel 14 nach
Fertigstellung der Schweißnaht 4 eine nur geringfügige
Dicke auf, und tritt insbesondere nicht in das Kapselinnere 32 aus.
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Gleichzeitig
mit dem Laserstrahl 12 wird über eine Schutzgasdüse 43 ein
inertes Gas in den Bereich der Schweißnaht 4 geführt.
Dadurch wird eine Oxidation des Materials im Bereich der Schweißnaht 4 durch
Luftsauerstoff vermieden. Als Schutzgas wird vorliegend Neon verwendet.
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Durch
die Hinterschneidung des Kontaktstegs 7 mit Hilfe der Nut 9 steht
nur eine geringe Wärmeleitfläche zur Verfügung,
durch die Wärme von der Schweißnahtstelle 4 abgeführt
werden kann. Die Nut 9 wirkt somit als thermische Isolationseinrichtung
zur Ausbildung der Schweißnaht 4. Natürlich
führt das Vorsehen einer Nut 9 zu einer Schwächung
der mechanischen Festigkeit des Deckels 3. Da, wie aus 1 leicht
ersichtlich ist, jedoch das Feinblech 2 den mechanisch
kritischsten Teil der Baugruppe 1 darstellt, ist die Schwächung
der Stabilität des Deckels 3 im Wesentlichen ohne
Bedeutung.
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Im
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
es möglich, dass das Feinblech 2 und der Deckel 3 ohne
Zusatzwerkstoffe und/oder ohne Schweißzusätze
miteinander verschweißt werden können. Da auf
derartige Materialien verzichtet werden kann, kommt es während
des Schweißvorgangs im Bereich der Schweißnaht 4 lediglich – falls überhaupt – zu
einer minimalen Freisetzung von Dämpfen. Diese Eigenschaft
des vorgeschlagenen Schweißverfahrens ist überaus
vorteilhaft, wenn beispielsweise Materialien in einem Gefäß verschlossen werden
sollen, die sehr empfindlich auf Fremdstoffe reagieren. Da der Laserstrahl 12 im
Stirnbereich 13 von Feinblech 2 und Kontaktsteg 7 des
Deckels 3 auftrifft, treten eventuell freiwerdende Dämpfe
bevorzugt nach oben hin aus. Der relativ lange Kontaktbereich 5 zwischen
Feinblech 2 und Kontaktsteg 7 des Deckels 3 verhindert
darüber hinaus wirkungsvoll einen Durchgang von gasförmigen
Materialien zum Innenraum 32 der Kapsel 31 hin.
Auch die H7-Passung und/oder der Stützsteg 44 bewirken
einen zusätzlichen Schutz des Kapselinneren 32 vor
derartigen, gegebenenfalls freiwerdenden Dämpfen. Dies schützt
die im Kapselinnenraum 32 befindlichen Materialien 35 zusätzlich.
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Ein
weiterer Vorteil einer Verschweißung von Feinblech 2 und
Deckel 3 im Stirnbereich 13 ist darin zu sehen,
dass ein Öffnen (und gegebenenfalls ein anschließendes
Wiederverschließen) einer derart verschlossenen Kapsel 1, 31 besonders
leicht möglich ist. Insbesondere kann eine Kontamination
des Kapselinneren 32 durch den langen Kontaktbereich 5 zwischen
Feinblech 2 und Deckel 3 sowie durch den Stützsteg 44 wirksam
verhindert werden. Ein Öffnen der Baugruppe 1 ist
beispielsweise durch eine entsprechende Temperaturbeaufschlagung
des Schweißnahtbereichs 4 (einschl. Schweißnahtwurzel 14)
möglich. Möglich ist jedoch auch ein mechanischer
Abtrag des Stirnbereichs 13. Hierbei ist die Anzahl der
möglichen Öffnungsvorgänge aus geometrischen
Gründen naturgemäß beschränkt.
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In 2 ist
ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel für
eine Kapsel 15 dargestellt. Ähnlich wie in 1 ist
aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich ein vergrößerter
Ausschnitt mit einem Kontaktbereich aus Deckel 3 und Kapselhülle 2 (einem
Feinblech) dargestellt. Auch ansonsten entspricht die in 2 dargestellte
Kapsel 15 in weiten Teilen der in 1 dargestellten
Kapsel 1. Dementsprechend sind einander entsprechende Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im
Unterschied zur in 1 dargestellten Kapsel 1 ist
bei der vorliegend dargestellten Kapsel 15 die Schweißnaht 16 jedoch
in einem mittleren Bereich 17 des Kontaktbereichs 5 zwischen
Kapselhülle 2 und Kontaktsteg 7 des Deckels 3 vorgesehen. Durch
die mittlere Anordnung 17 der Schweißnaht 16 weist
die Verbindung eine besonders hohe Festigkeit auf. Denkbar wäre
es auch, eine mittlere Schweißnaht 16 (2)
mit einer randseitigen Schweißnaht 4 (1)
zu kombinieren, um auf diese Weise eine nochmals verstärkte
Verbindung zu erzielen.
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Trotz
der Lage der Schweißnaht 16 in einem mittleren
Bereich 17 des Kontaktbereichs 5 treten praktisch
keine Verbrennungsgase in den Innenraum 32 der Kapsel 15 ein.
Denn in diesem Fall kann die Vorderseite der Schweißnaht 16,
insbesondere jedoch die Rückseite der Schweißnaht 16 (der
Nut 9 zugewandt) ein Ausströmen eventueller Verbrennungsgase
ermöglichen. Die Verbrennungsgase entweichen somit über
die Nut 9 zur Außenseite der Kapsel 15 hin.
Der analog zu 1 vorgesehene Stützsteg 44 bewirkt
auch hier eine zusätzliche Barriere für im Bereich
der Schweißnaht 16 gegebenenfalls freigesetzte
Gase.
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In 3 ist
eine weitere Kapsel 18 dargestellt, die eine Kapselhülle 2 und
einen Deckel 3 aufweist. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel
ist im Randbereich 6 des Deckels 3 lediglich ein dünner,
stegartiger Vorsprung 18 vorgesehen. Es fehlt somit an
einem Kontaktsteg 7 (vgl. 1, 2).
Ein Vorteil einer derartigen Anordnung ist, dass der Deckel 3 einfacher
zu fertigen ist. Die Schweißnaht 19 wird im in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel an der der Außenseite der
Kapsel 18 zugewandten Randseite 20 des stegartigen
Vorsprungs 18 ausgebildet. Der Laserstrahl 12 wird
dabei im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel von
der Außenseite der Kapselhülle 2 durch
die Kapselhülle 2 hindurch dem Kontaktbereich 5 zwischen Kapselhülle 2 und
stegartigem Vorsprung 18 des Deckels 3 zugeführt.
Zur mechanischen Vorfixierung kann – ebenso wie bei den
in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen – ein
Stützsteg 44 vorgesehen werden.
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Die
thermische Isolation der in 3 dargestellten
Schweißnaht 19 liegt in Form des dünnen, stegartigen
Vorsprungs 18 vor. Mit anderen Worten wird durch den Materialquerschnitt
des stegartigen Vorsprungs 18 nur eine relativ geringe
thermische Energie von der Schweißstelle 19 abgeführt.
Dadurch ist es ebenso möglich, eine sehr dünne
Kapselhülle 2 mit einem dicken Deckel 3 zu
verschweißen. Eventuell im Bereich der Schweißnaht 19 während des
Schweißvorgangs freiwerdende Verbrennungsdämpfe
können über die Vorderseite der Schweißnaht 19 (Außenseite
der Kapselhülle 2), insbesondere aber auch über
den Hohlraum 21 (gebildet von Kapselhülle 2,
stegartigem Vorsprung 18 und Deckel 3) nach außen
entweichen. Erneut kommt es zu praktisch keiner Kontamination des
Kapselinneren 32, wobei auch hier der Stützsteg 44 eine
zusätzliche Gasbarriere darstellt.
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In 4 ist
dargestellt, wie ein Feinblech 22 mit einem Grobblech 23 verbunden
werden kann, wobei Feinblech 22 und Grobblech 23 im
in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils
stirnseitig (also in Gestalt eines Stumpfstoßes) in einem
Kontaktbereich 24 aufeinander treffen.
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Beim
Grobblech 23 ist im, dem Kontaktbereich 24 zugewandten
Randbereich 30 des Grobblechs 23 eine Nut 27 (wirkt
als thermische Isolationseinrichtung) vorgesehen, sodass sich im
Randbereich 30 ein Kontaktsteg 25 bildet, der über
einen Brückensteg 26 mit dem übrigen
Grobblech 23 verbunden ist (vgl. 1, 2).
Die Nut 27 wirkt als thermische Isolation, sodass die von
einem Laser 11 mit Hilfe eines Laserstrahls 12 zugeführte
thermische Energie während des Schweißvorgangs
den Bereich der Schweißnaht 28 in nur stark reduziertem
Maße in Richtung Grobblech 23 verlassen kann.
In Richtung Feinblech 22 ist die Abfuhr thermischer Energie
aufgrund der geringen Dicke des Feinblechs 22 ohnehin beschränkt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die mechanische
Schwächung des Grobblechs 23 durch die Nut 27 in
aller Regel irrelevant, da die mechanische Stabilität ohnehin
durch die Dicke des Feinblechs 22 limitiert ist. Sinnvoll
ist es selbstverständlich, dass der Brückensteg 26 in
etwa der Dicke des Feinblech 22 entspricht, oder gegebenenfalls
bis zu einem gewissen Ausmaß dicker ausgeführt
ist.
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Die
durch den Laserstrahl 12 in den Bereich der Schweißnaht 28 eingebrachte
Energie führt zu einer Erweichung bzw. zum Aufschmelzen
des Materials des Feinblechs 22 und/oder des Materials
des Grobblechs 23. Das Material kann dabei in den Kontaktbereich 24 zwischen
Feinblech 22 und Grobblech 23 eintreten und bildet
dort eine Schweißnahtwurzel 29.
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In
den 5a bis 5c ist
dargstellt, wie mit Hilfe einer thermischen Isolation auch zwei
Grobbleche 45, 46 mittels einer Schweißnaht 47 miteinander
verbunden werden können.
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In 5a ist
in beiden Blechen 45, 46 ist jeweils eine Nut 48 (thermische
Isolationseinrichtung) im Bereich der Schweißnaht 47 vorgesehen.
Die Nuten 48 wirken als thermische Isolation, so dass die von
einem Laser 11 in den Bereich der Schweißnaht 47 eingetragene
thermische Energie zu einem Gutteil im Bereich der Schweißnaht 47 verbleibt.
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In 5b liegt
die thermische Isolation in Form einer stirnseitigen Verjüngung 49 der
beiden Grobbleche 45, 46 vor. Durch die nur dünnen
Stege 49 kann nur ein relativ geringer Wärmestrom
abfließen, so dass die vom Laser 12 eingebrachte
thermische Energie auch hier zu einem Gutteil im Bereich der Schweißnaht 47 verbleibt.
Wie man 5b gut entnehmen kann, führt
die Ausbildung der stirnseitigen Verjüngungen 49 der
beiden Grobbleche 45, 46 zunächst zu
einer nicht unerheblichen Schwächung der Festigkeit im
Bereich der Verbindungsstelle. Um das Ausmaß dieser Schwächung
zu reduzieren, kann die Verbindungsstelle nach der Ausbildung der Schweißnaht 47 mit
einem Füllmittel 50 verfüllt werden.
Dabei kann es sich beispielsweise um ein Lötmittel oder
um einen Klebstoff handeln. Denkbar wäre hier beispielsweise
ein Epoxydharz. Das Füllmittel kann insbesondere die Empfindlichkeit
des Verbindungsbereichs gegenüber einer Drehbelastung bzw.
Scherbelastung reduzieren. Dagegen wird die Zugfestigkeit der Verbindungsstelle
und/oder die Fluiddichtigkeit der Verbindungsstelle in aller Regel im
Wesentlichen durch die Schweißnaht 47 bewirkt.
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In 5c ist
schließlich noch dargestellt, dass es durchaus ausreichend
sein kann, die Stirnseite 49 lediglich eines Grobblechs 46 (im
in 5c dargestellten Ausführungsbeispiel
des rechten Grobblechs 46) mit einer stirnseitigen Verjüngung 49 zu versehen.
Der vom Laser 11 erzeugte Laserstahl 12 wird dann
unter einem Winkel von beispielsweise 60° (gegenüber
der Ebene der Grobbleche 45, 46 gesehen) in den
Bereich der Schweißnaht 47 eingestrahlt. Hier
wird die Abfuhr der vom Laserstrahl 12 in den Bereich der
Schweißnaht 47 eingetragenen Energie zumindest
durch die im rechten Grobblech 46 vorgesehene stirnseitige
Verjüngung 49 reduziert. Auch im vorliegenden
Ausführungsbeispiel kann es sich als sinnvoll erweisen,
wenn der Verbindungsbereich nach Ausbildung der Schweißnaht 47 zur
Ausbildung einer zusätzlichen mechanischen Stabilität
mit einem Füllmaterial 50 verfüllt wird.
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In 6 ist
eine Detektorkapsel 31 in schematischer Querschnittsansicht
dargestellt. Die Detektorkapsel 31 weist einen Hohlraum 32 auf,
der von der Kapseldose 33 und von einem Deckel 34 gebildet wird.
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Im
Hohlraum 32 der Kapsel 31 ist ein Halbleiterdetektormaterial 35 angeordnet.
Um das Halbleiterdetektormaterial 35 zu schützen,
wird der Hohlraum 32 der Detektorkapsel 31 evakuiert,
steht also unter einem Vakuum.
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Um
im Hohlraum 32 der Detektorkapsel 31 dauerhaft
ein Vakuum aufrecht erhalten zu können, ist in einem Teilbereich
des Hohlraums 32 ein Ionengettermaterial 36 vorgesehen.
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Kapseldose 33 und
Deckel 34 sind mittels einer Schweißnaht 37 miteinander
verschweißt. Die Schweißnaht 37 kann
beispielsweise der in 1, der in 2 oder
der in 3 dargestellten Schweißnaht entsprechen.
Selbstverständlich sind auch Abweichungen hiervon möglich.
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Im
Deckel 34 ist eine Bohrung 38 vorgesehen, in die
ein Evakuierungsrohr 39 eingesteckt ist. Über
das Evakuierungsrohr 39 kann der Hohlraum 32 der
Detektorkapsel 31 evakuiert werden. Das Evakuierungsrohr 39 kann
durch übliche Befestigungsverfahren im Deckel 34 befestigt
werden. Beispielswei se bieten sich Klebeverfahren, Löfverfahren
oder Schweißverfahren an. Sinnvollerweise ist die Verbindung
korrespondierend zur Verbindungsklasse der Schweißnähte 37 gewählt.
Auch der Verschluss des Evakuierungsrohrs 39 selbst sollte
der Klasse der Schweißnacht 37 entsprechen. Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Verbindung von Evakuierungsrohr 39 und
Deckel 34 auch vor dem Zusammenfügen der einzelnen
Elemente der Detektorkapsel 31 erfolgen kann. Es können
hier also Verbindungsverfahren angewendet werden, die für
das Halbleiterdetektormaterial 35 eigentlich problematisch
sind. Insbesondere kann ein Schweißverfahren und/oder ein
Lötverfahren verwendet werden, bei dem es zu einer Freisetzung
von gasförmigen Substanzen kommen kann (z. B. Verdampfung
von Anteilen eins Flussmittels).
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Über
das Evakuierungsrohr 39 kann der Hohlraum 32 der
Detektorkapsel 31 evakuiert werden, nachdem die einzelnen
Elemente 33, 34 der Detektorkapsel 31 zusammen
gesetzt wurden, und die Schweißnaht 37 ausgebildet
wurde. Sobald die Detektorkapsel 31 evakuiert ist, wird
das Evakuierungsrohr 39 in einem Verschlussbereich 40 vakuumdicht verschlossen.
Dies kann beispielsweise unter Verwendung des in 8a–8d sowie 9 skizzierten
Verschlussverfahrens erfolgen.
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Zunächst
wird im Verschlussbereich 40 ein Kombinationswerkzeug 57 an
das Evakuierungsrohr 39 angesetzt (Verfahrensschritt 58 in 9).
Das Kombinationswerkzeug 57 weist eine Ambosssonontrode 59 und
eine dazu korrespondierende Schweißsonotrode 60 auf,
die zusammen ein Ultraschallschweißwerkzeug 61 ausbilden.
Benachbart zur Schweißsonotrode 60 des Ultraschallschweißwerkzeugs 61 ist
zusätzlich noch ein Schneidwerkzeug 62 angeordnet.
Ambosssonotrode 59, Schweißsonotrode 60 sowie
Schneidwerkzeug 62 sind beweglich angeordnet (beispielsweise
an Roboterarmen) und können entsprechend bewegt werden.
Gegebenenfalls ist es auch möglich, dass mehrere Bauteile
des Kombinationswerkzeugs 57 an einer ge meinsamen Halterung
befestigt sind, und über geeignete Aktuatoren angesteuert
werden können.
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Die
Ambosssonotrode 59 sowie wie die Schweißsonotrode 60 des
Ultraschallschweißwerkzeugs 61 sind verhältnismäßig
stabil ausgeführt. Dies macht es möglich, dass
der Innenquerschnitt 63 des Evakuierungsrohrs 39 mit
Hilfe des Kombinationswerkzeugs 57 (insbesondere mittels
der Ambosssonotrode 59 und der Schweißsonotrode 60)
zusammengequetscht werden kann, derart, dass sich die Innenwände
des Evakuierungsrohrs 39 gegenseitig berühren
(2. Verfahrensschritt 64; 9). Die
resultierende Quetschstellung ist in 8b dargestellt.
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Nachdem
die in 8b dargestellte Quetschstellung
des Evakuierungsrohrs 39 erreicht ist, werden Ambosssonotrode 59 und/oder
Schweißsonotrode 60 des Ultraschallschweißwerkzeugs 61 mit
Ultraschall beaufschlagt. Dadurch kommt es zu einer Ultraschallverschweißung
der Innenwände des Evakuierungsrohrs 39 im Verschlussbereich 40 des Evakuierungsrohrs 39 (Verfahrensschritt 65; 9).
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Nach
der Ausbildung der vorliegend vakuumdicht ausgeführten
Ultraschallschweißverbindung 40 des Evakuierungsrohrs 39 wird
das Schneidwerkzeug 62 des Kombinationswerkzeugs 57 nach
vorne geschoben (in 8 nach unten).
Ambosssonotrode 59 und Schweißsonotrode 60 wirken
dabei einerseits als Positionierungsmittel. Andererseits ist die
Ambosssontrode 59 mit einer solchen Breite ausgebildet (insbesondere
breiter als die Schweißsonotrode 60), dass diese
gleichzeitig als Anschlagfläche für das Schneidwerkzeug 62 dienen
kann. Dies ist gut in 8c zu erkennen.
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Durch
die Vorwärtsbewegung des Schneidwerkzeugs 62 wird
der überstehende Abschnitt 67 des Evakuierungsrohrs 39 abgelängt
(Verfahrensschritt 66; 9). In 8d ist
die Anordnung nach Abschluss des Ablängvorgangs dargestellt.
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Es
ist jedoch durchaus auch denkbar, dass der überstehende
Abschnitt 67 am Evakuierungsrohr 39 verbleiben
kann. Dies ist in 6 dargestellt.
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Sobald
die Detektorkapsel 31 evakuiert ist, wird das Evakuierungsrohr 39 in
einem Verschlussbereich 40 vakuumdicht verschlossen. Dies
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Evakuierungsrohr 39 im
Verschlussbereich 40 zunächst zusammengequetscht
wird und anschließend stoffschlüssig verschlossen
wird.
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Weiterhin
sind im Deckel 34 der Detektorkapsel 31 Spannungsdurchführungen 42 zu
erkennen. Über diese Spannungsdurchführungen 42 kann das
Halbleiterdetektormaterial 35 über elektrische Leitungen 41 mit
Strom versorgt werden, bzw. kann vom Halbleiterdetektormaterial 35 ein
Signal abgeführt werden. Die Spannungsdurchführungen 42 im Deckel 34 sind
ebenfalls vakuumdicht ausgeführt.
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In 7 ist
schematisch eine mögliche Abfolge 56 von Verfahrensschritten
zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindungsnaht,
insbesondere einer Schweißnaht oder Lötnaht dargestellt.
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Das
Verfahren beginnt am Punkt 51, bei dem beispielsweise zwei
Werkstücke 2, 3, 22, 23, 45. 46, die
miteinander verbunden werden sollen, bereitgestellt werden.
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Anschließend
wird im Schritt 52 benachbart zum späteren Verbindungsbereich
in zumindest einem der Werkstücke 2, 3, 22, 23, 45. 46 eine
thermische Isolation 8, 9, 18, 21, 27, 48, 49 ausgebildet, beispielsweise,
indem eine Nut 9, 27, 48 in einen geeigneten
Bereich eines Werkstücks 2, 3, 22, 23, 45. 46 eingefräst
wird.
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Danach
werden die beiden Werkstücke in einem weiteren Schritt 53 mit
ihren Verbindungsbereichen 2, 3, 22, 23, 45. 46 benachbart
zueinander angeordnet. Die Anordnung kann beispielsweise als Stumpfstoß,
Eckstoß, Schrägstoß oder Überlappstoß erfolgen.
Sinnvoll ist es auch hier, eine mechanische Vorfixierung, wie beispielsweise
in Form einer Übergangspassung oder einer Presspassung
vorzusehen.
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Im
Verfahrensschritt 54 schließlich werden die beiden
Werkstücke 2, 3, 22, 23, 45. 46 durch
die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindungsnaht 2, 3, 22, 23, 45. 46 miteinander
verbunden.
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Danach
ist die Verbindung hergestellt 55 und die Werkstückanordnung 2, 3, 22, 23, 45. 46 kann
anderen Zwecken zugeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 8580 [0023]
- - DIN 1623 [0046]
- - DIN EN 1002,9 [0046]
- - EN 20286 [0047]