DE102020124916A1 - Attachment of an optically transparent window to a metal work piece - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung (2) eines metallischen Werkstücks (1) mit einem optisch transparenten Fenster (3), mit folgenden Verfahrensschritten:- Herstellen einer gestapelten Anordnung (4) über der Öffnung (2) des metallischen Werkstücks (1) mit folgenden Komponenten:einem ersten Lotring (5) auf dem metallischen Werkstück (1),einem Ausgleichsring (6) auf dem ersten Lotring (5),einem zweiten Lotring (7) auf dem Ausgleichsring (6),einem Haltering (8) auf dem zweiten Lotring (7),einem dritten Lotring (9) auf dem Haltering (8) unddem optisch transparenten Fenster (3) auf dem dritten Lotring (9),- Erhitzen des metallischen Werkstücks (1) zusammen mit der gestapelten Anordnung (4), so dass es zum Schmelzen der Lotringe (5, 7, 9) kommt, und- Abkühlen des metallischen Werkstücks (1) zusammen mit der gestapelten Anordnung (4) auf Zimmertemperatur, wobeider Haltering (8) aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient maximal 15 % von dem des Materials des optisch transparenten Fensters (3) abweicht, undder Ausgleichsring (6) aus einem Material hergestellt ist, dessen Elastizitätsmodul höchstens 80 % des Elastizitätsmoduls des Haltrings (8) sowie höchstens 80 % des Elastizitätsmoduls des metallischen Werkstücks (1) beträgt. Damit wird eine Möglichkeit zum stabilen Verschließen einer Öffnung (2) eines metallischen Werkstücks (1) mit einem optisch transparenten Fenster (3) bereitgestellt, die kostengünstig und in einem weiten Temperaturbereich verlässlich ist.The invention relates to a method for closing an opening (2) in a metallic workpiece (1) with an optically transparent window (3), with the following method steps: - producing a stacked arrangement (4) over the opening (2) in the metallic workpiece (1 ) with the following components: a first soldering ring (5) on the metallic workpiece (1), a balancing ring (6) on the first soldering ring (5), a second soldering ring (7) on the balancing ring (6), a retaining ring (8) on the second solder ring (7), a third solder ring (9) on the retaining ring (8) and the optically transparent window (3) on the third solder ring (9), - heating the metallic workpiece (1) together with the stacked assembly (4 ) so that the solder rings (5, 7, 9) melt, and- cooling the metallic workpiece (1) together with the stacked assembly (4) to room temperature, the retaining ring (8) being made of a material whose maximum thermal expansion coefficient 15% from that of the material of the optically transparent window (3), and the compensating ring (6) is made of a material whose modulus of elasticity is at most 80% of the modulus of elasticity of the retaining ring (8) and at most 80% of the modulus of elasticity of the metallic workpiece (1) amounts to. This provides a possibility for stable sealing of an opening (2) in a metal workpiece (1) with an optically transparent window (3), which is inexpensive and reliable over a wide temperature range.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung eines metallischen Werkstücks mit einem optisch transparenten Fenster sowie eine Anordnung eines optisch transparenten Fensters auf einem metallischen Werkstück zum Verschließen einer Öffnung des metallischen Werkstücks.The invention relates to a method for closing an opening in a metal workpiece with an optically transparent window and an arrangement of an optically transparent window on a metal workpiece for closing an opening in the metal workpiece.
In vielen Bereichen der Forschung und Industrie werden optische Methoden eingesetzt. Dabei muss in vielen Fällen das zu untersuchende System oder Material in einem Behältnis mit einem beschränkten Volumen eingeschlossen werden. Dementsprechend brauchen diese abgeschlossenen Behältnisse einen optischen Zugang, welcher zum Rest des Behältnisses abgedichtet sein muss. Ein Beispiel sind Schaugläser zur Prozesskontrolle in der chemischen Industrie. Die erforderliche Dichtung zwischen dem eigentlichen Behältermaterial und einem optischen Zugang, im Folgenden auch als Fenster bezeichnet, ist in vielen Fällen einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. In diesem Fall muss die Dichtung folgende Merkmale erfüllen: Sie muss eine Verbindung zwischen einem z.B. aus temperaturfestem Edelstahl hergestellten Behälter und einem optisch transparenten Fenster (z.B. aus Saphir) herstellen. Dabei muss die Dichtung stabil sein, eine sehr geringe Leckrate aufweisen sowie chemisch inert auch bei hohen Drücken sein. Im Behälter können Drücke bis zu mehreren Hundert bar herrschen. In vielen Fällen muss die Dichtung darüber hinaus auch bei einem Unterdruck von bis zu 1 bar stabil sein, nämlich wenn der Behälter evakuiert wird. Diese Anforderungen gelten oft in einem sehr breiten Temperaturbereich sowohl unter als auch oberhalb der Raumtemperatur. Dies kann insbesondere zum Reinigen von Vakuumaperturen im Verfahren des Ausheizens bei vergleichsweise sehr hohen Temperaturen genutzt werden, oder auch bei hohen Prozesstemperaturen in der chemischen Industrie.Optical methods are used in many areas of research and industry. In many cases, the system or material to be examined must be enclosed in a container with a limited volume. Accordingly, these sealed enclosures require optical access which must be sealed to the rest of the enclosure. An example are sight glasses for process control in the chemical industry. The seal required between the actual container material and an optical access point, also referred to below as a window, is in many cases exposed to high mechanical stress. In this case, the seal must meet the following criteria: It must create a connection between a container made of temperature-resistant stainless steel, for example, and an optically transparent window (e.g. made of sapphire). The seal must be stable, have a very low leakage rate and be chemically inert even at high pressures. Pressures of up to several hundred bar can prevail in the container. In many cases, the seal must also be stable at a negative pressure of up to 1 bar, namely when the container is evacuated. These requirements often apply over a very wide temperature range, both below and above room temperature. This can be used in particular for cleaning vacuum apertures in the baking process at comparatively very high temperatures, or also at high process temperatures in the chemical industry.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für eine temperaturstabile Abdichtung zwischen dem Fenstermaterial und dem Behälter. Dabei geht es immer darum, dass zwischen den Materialien möglichst wenige Lücken vorhanden sind, da durch diese das eingeschlossene Medium entweichen kann. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, beide Materialien möglichst passgenau zu bearbeiten und dann mechanisch zusammenzufügen und ggf. zu verpressen. Dieses Verfahren kann erweitert werden, indem ein möglichst flexibles Dichtmaterial zwischen die beiden Materialien eingebracht wird, welches durch seine mechanischen Eigenschaften zuträglich ist, da es Unebenheiten ausgleichen kann. Grundsätzlich ist eine solche Vorgehensweise auch aus dem Alltag, z.B. in Form der Verwendung einer Gummidichtung, bekannt. Für temperaturfeste Dichtungen sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Glimmermaterialien bekannt. Schließlich kann das optisch transparente Material auch in das Behältermaterial eingelötet werden. Dabei werden die beiden Materialien mit geschmolzenem Metall verbunden. Bei dieser Vorgehensweise gibt es jedoch gewisse technische Hindernisse, wie im Folgenden erläutert.In principle, there are various options for a temperature-stable seal between the window material and the container. It is always important that there are as few gaps as possible between the materials, as the enclosed medium can escape through these. The simplest option is to process both materials as precisely as possible and then join them together mechanically and, if necessary, press them. This method can be extended by inserting a sealing material that is as flexible as possible between the two materials, which is beneficial due to its mechanical properties, since it can compensate for unevenness. In principle, such a procedure is also known from everyday life, e.g. in the form of using a rubber seal. Mica materials, for example, are known from the prior art for temperature-resistant seals. Finally, the optically transparent material can also be soldered into the container material. The two materials are joined with molten metal. However, there are certain technical obstacles to this approach, as explained below.
Das zuvor genannte Verfahren, bei dem beide Materialien möglichst passgenau bearbeitet und dann mechanisch zusammengefügt und ggf. zu verpresst werden, hat den Nachteil, dass hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Materialien gestellt werden, da sich aus Unebenheiten Lecks ergeben können. Des Weiteren müssen die Materialien auch mit genügend Kraft montiert sein, so dass sich auch bei vorhandenem Innendruck keine Lücken ergeben. Dabei können sich Probleme mit der mechanischen Stabilität der verwendeten Materialien ergeben. Dies wird insbesondere verstärkt, wenn die Materialien sich bei extremen Temperaturen unterschiedlich stark ausdehnen und dadurch Spannungen im Material entstehen, die zum Bruch führen können.The aforementioned method, in which both materials are processed as accurately as possible and then mechanically joined together and possibly pressed together, has the disadvantage that high demands are placed on the surface quality of the materials, since unevenness can result in leaks. Furthermore, the materials must also be mounted with sufficient force so that there are no gaps even when there is internal pressure. This can lead to problems with the mechanical stability of the materials used. This is intensified in particular when the materials expand at different rates at extreme temperatures, creating stresses in the material that can lead to fracture.
Wie weiter oben schon angesprochen, können diese Probleme durch ein geeignetes Dichtmaterial abschwächt werden, da das Dichtmaterial Unebenheiten ausgleichen kann. Des Weiteren kann das Dichtmaterial, wenn es flexibel genug ist, leichte Verschiebungen der Materialien gegeneinander ausgleichen. Trotzdem bleiben grundlegende Probleme auch bei der Verwendung eines Dichtmaterials bestehen. Besonders die bei extremen Temperaturen zur Verfügung stehenden Dichtmaterialien sind in Bezug auf ihre Flexibilität sehr eingeschränkt. Auch stellt sich, je nach Anforderung, die Problematik, dass die Dichtmaterialien, gerade bei hohen Temperaturen, nicht immer chemisch inert sind.As mentioned above, these problems can be alleviated by using a suitable sealing material, since the sealing material can even out any unevenness. Furthermore, if the sealing material is flexible enough, it can compensate for slight displacements of the materials relative to one another. Nevertheless, fundamental problems remain even when using a sealing material. In particular, the sealing materials available at extreme temperatures are very limited in terms of their flexibility. Depending on the requirements, there is also the problem that the sealing materials are not always chemically inert, especially at high temperatures.
Das zuvor angesprochene Einlöten schließlich hat den Nachteil, dass sowohl bei der Verwendung der Fenster bei extremen Temperatur als auch schon während des Lötvorgangs Spannungen durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien entstehen können. Dies führt bei Kristallen als Fenstermaterial insbesondere dadurch zu Problemen, dass diese, wie im Übrigen auch die meisten als Fenstermaterialien verwendbaren Gläser, recht spröde ist und bei Krafteinwirkung zum Brechen neigt. Um dies zu verhindern, gibt es mehrere Optionen.Finally, the previously mentioned soldering has the disadvantage that both when using the windows at extreme temperatures and even during the soldering process, stresses can arise due to the different expansion coefficients of the materials. In the case of crystals as window material, this leads to problems in particular because these, like most glasses that can be used as window materials, are quite brittle and tend to break when force is applied. To prevent this, there are several options.
Zum einen kann eine möglichst flexible Konstruktion verwendet werden. Hier soll die Wandstärke des metallischen Werkstücks, dass das Fenster in Form des optisch transparenten Materials aufnimmt, so dünn sein, dass die übertragene Kraft dieses nicht beschädigt. Dabei wird auch darauf geachtet, dass die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und dem Fenster möglichst klein ist, um dort auftretende Spannungen zu reduzieren. Diese Möglichkeit findet in der Vakuumtechnik eine breite Anwendung, ist jedoch konstruktionsbedingt nicht für hohe Drücke und die damit einhergehenden hohen mechanischen Kräfte geeignet.On the one hand, a construction that is as flexible as possible can be used. Here the wall thickness of the metallic workpiece that accommodates the window in the form of the optically transparent material should be so thin that the transmitted force it is not damaged. It is also ensured that the contact surface between the workpiece and the window is as small as possible in order to reduce stresses that occur there. This option is widely used in vacuum technology, but due to the design it is not suitable for high pressures and the high mechanical forces associated with them.
Weiterhin können besonders geeignete Metalllegierungen verwendet werden. Diese haben einen Ausdehnungskoeffizienten, der nah an dem des Fensters liegt. Diese Materialien bringen andere Nachteile mit sich, wie insbesondere eine schwere Verarbeitung. Außerdem kann die Gesamtkonstruktion verstärkt werden. Allerdings ist das oft aus weiteren zu berücksichtigenden Konstruktionsaspekten nicht praktikabel. Zusätzlich kann es zu Rissen an Verbindungsstellen zwischen dem Fenster und dem Werkstück kommen, da das Grundproblem der unterschiedlichen Ausdehnung der verwendeten Materialien bestehen bleibt.Furthermore, particularly suitable metal alloys can be used. These have an expansion coefficient that is close to that of the window. These materials entail other disadvantages, such as difficult processing in particular. In addition, the overall construction can be strengthened. However, this is often not practicable due to other design aspects to be considered. In addition, cracks can occur at the connection points between the window and the workpiece, since the basic problem of the different expansion of the materials used remains.
Aus der
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum stabilen Verschließen einer Öffnung eines metallischen Werkstücks mit einem optische transparenten Fenster anzugeben, die kostengünstig und in einem weiten Temperaturbereich verlässlich ist.Proceeding from this, it is the object of the invention to specify a possibility for the stable closing of an opening of a metal workpiece with an optically transparent window, which is cost-effective and reliable over a wide temperature range.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred developments can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird damit ein ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung eines metallischen Werkstücks mit einem optisch transparenten Fenster bereitgestellt, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
- - Herstellen einer gestapelten Anordnung über der Öffnung des metallischen Werkstücks mit folgenden Komponenten:
- einem ersten Lotring auf dem metallischen Werkstück,
- einem Ausgleichsring auf dem ersten Lotring,
- einem zweiten Lotring auf dem Ausgleichsring,
- einem Haltering auf dem zweiten Lotring,
- einem dritten Lotring auf dem Haltering und
- dem optisch transparenten Fenster auf dem dritten Lotring,
- - Erhitzen des metallischen Werkstücks zusammen mit der gestapelten Anordnung, so dass es zum Schmelzen der Lotringe kommt, und
- - Abkühlen des metallischen Werkstücks zusammen mit der gestapelten Anordnung auf Zimmertemperatur, wobei
der Haltering aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient maximal 15 % von dem des Materials des optisch transparenten Fensters abweicht, bevorzugt maximal 10 %, ganz besonders besonders bevorzugt maximal 5 %, und
der Ausgleichsring aus einem Material hergestellt ist, dessen Elastizitätsmodul höchstens 80 %, bevorzugt maximal 70 %, ganz besonders besonders bevorzugt höchstens 50 % des Elastizitätsmoduls des Haltrings sowie höchstens 80 %, bevorzugt maximal 70 %, ganz besonders besonders bevorzugt höchstens 50 % des Elastizitätsmoduls des metallischen Werkstücks beträgt.According to the invention, a method for closing an opening in a metallic workpiece with an optically transparent window is thus provided, which has the following method steps:
- - Making a stacked assembly over the opening of the metal work piece with the following components:
- a first solder ring on the metallic workpiece,
- a balancing ring on the first solder ring,
- a second solder ring on the balancing ring,
- a retaining ring on the second solder ring,
- a third solder ring on the retaining ring and
- the optically transparent window on the third solder ring,
- - heating the metallic workpiece together with the stacked assembly so that the solder rings melt, and
- - Cooling the metallic workpiece together with the stacked assembly to room temperature, wherein
the retaining ring is made of a material whose coefficient of thermal expansion differs by a maximum of 15% from that of the material of the optically transparent window, preferably by a maximum of 10%, very particularly preferably by a maximum of 5%, and
the compensating ring is made of a material whose modulus of elasticity is at most 80%, preferably at most 70%, very particularly preferably at most 50% of the modulus of elasticity of the retaining ring and at most 80%, preferably at most 70%, very particularly particularly preferably at most 50% of the modulus of elasticity of the metallic workpiece is.
Vorzugsweise bestehen der Haltering und der Ausgleichsring aus einem Metall oder einer Legierung. Besonders bevorzugte Materialien für den Ausgleichsring sind Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Indium, Platin, Zink und Zinn sowie Legierungen, die hauptsächlich aus diesen Metallen bestehen und/oder ähnliche Materialeigenschaften aufweisen. Insbesondere kommen als Material für den Ausgleichsring beispielsweise bei mäßigen Temperaturen bis ca. 500 °C Kupfer oder Kupferlegierungen in Betracht und danach bei höheren Temperaturen beispielsweise Nickel.The retaining ring and the compensating ring are preferably made of a metal or an alloy. Particularly preferred materials for the compensating ring are copper, aluminum, silver, gold, indium, platinum, zinc and tin as well as alloys that mainly consist of these metals and/or have similar material properties. In particular, copper or copper alloys come into consideration as material for the compensating ring, for example, at moderate temperatures up to approximately 500° C., and then, at higher temperatures, nickel, for example.
Als Material für den Haltering kommt die Legierung „Kovar“ in Betracht, die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, typischerweise etwa 5 ppm/K, der damit geringer als der Koeffizient typischer Metalle ist. Konkret ist Kovar so zusammengesetzt, dass es im Wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungseigenschaften wie Borosilikatglas aufweist (ca. 5 × 10-6/K zwischen 30 und 200 °C bis ca. 10 × 10-6/K bei 800 °C. Eine typische Zusammensetzung für Kovar ist 54 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Cobalt (Angaben in Massenprozent). Damit werden Wärmeausdehnungseigenschaften erzielt, die denen von Saphir sehr ähnlich sind. Saphir ist also in diesem Fall ein bevorzugtes Material für das optisch transparente Fenster. Ein anderes bevorzugtes Material für das Fenster ist Diamant (1,18 × 10-6/K). In diesem Fall wird vorzugsweise Invar (0,6-1,2 × 10-6/K; 64 % Eisen und 36 % Nickel (In Massenprozent)) für den Haltering verwendet. Da auch Quarzglas einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 0,6 × 10-6/K hat kann auch hier Invar verwendet werden. Ein weiteres bevorzugtes Material für das optisch transparente Fenster ist Magnesiumfluorid (MgF2), insbesondere für die Verwendung im UV-Bereich; 8,9-13,7 × 10-6/K). In diesem Fall wird für den Haltering vorzugsweise Eisen (11,8 × 10-6/K) verwendet.The material used for the retaining ring is “Kovar” alloy, which has a low coefficient of thermal expansion, typically around 5 ppm/K, which is lower than the coefficient of typical metals. Specifically, Kovar is composed in such a way that it essentially chen has the same thermal expansion properties as borosilicate glass (approx. 5 × 10 -6 /K between 30 and 200 °C to approx. 10 × 10 -6 /K at 800 °C. A typical composition for Kovar is 54% iron, 29% Nickel and 17% cobalt (in mass percent). This gives thermal expansion properties very similar to sapphire. So sapphire is a preferred material for the optically transparent window in this case. Another preferred material for the window is diamond (1st .18 × 10 -6 /K).In this case, Invar (0.6-1.2 × 10 -6 / K; 64% iron and 36% nickel (by mass percentage)) is preferably used for the retaining ring 0.6 × 10 -6 /K Invar can also be used here. Another preferred material for the optically transparent window is magnesium fluoride (MgF 2 ), especially for use in the UV range; 8, 9-13.7×10 -6 /K). In this case, iron (11.8 × 10 -6 /K) is preferably used for the retaining ring.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit optisch transparenten Fenster vorzugsweise im Vakuumlötverfahren in ein metallisches Werkstück so eingelötet werden, dass es weder bei Druckbelastungen bis zu mehrere hundert bar noch bei Temperaturen im Bereich sowohl deutlich oberhalb als auch unterhalb der Raumtemperatur zu Undichtigkeiten kommt. Dabei wird durch den Einsatz von mehreren Materialien im Lötverbund sichergestellt, dass die Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien weder den jeweiligen Bereich der plastischen Verformung noch die Stärke der Lotverbindung überschreiten.With the method according to the invention, optically transparent windows can thus be soldered into a metallic workpiece, preferably in a vacuum soldering process, in such a way that there are no leaks either under pressure loads of up to several hundred bar or at temperatures in the range both significantly above and below room temperature. The use of several materials in the brazed joint ensures that the stresses caused by the different thermal expansion coefficients of the materials neither exceed the respective range of plastic deformation nor the strength of the brazed joint.
Bei diesem Verfahren wird die nötige Flexibilität nicht nur über eine dünnwandige Konstruktion der Zwischenmaterialien erreicht, sondern durch die Verwendung eines verhältnismäßig weichen Materials. Da dessen Ausdehnungskoeffizient wiederum von jenem des Fenstermaterials verschieden ist und dies bei hohen Temperaturen auch zu hohen Spannungen führen würde, wird ein Haltering mit ausgewähltem thermischen Ausdehnungskoefizienten eingesetzt, um den das Fenster vor zu hoher mechanischer Belastung zu schützen. Dadurch wird erreicht, dass die Verbindung zwischen dem Fenster und dem metallischen Werkstück flexibel genug ist, um bei Temperaturänderungen nicht zu reißen, gleichzeitig aber so dick ausgeführt sein kann, dass sie hohen Drücken widersteht.With this method, the necessary flexibility is not only achieved through a thin-walled construction of the intermediate materials, but also through the use of a relatively soft material. Since its expansion coefficient differs from that of the window material and this would also lead to high stresses at high temperatures, a retaining ring with a selected thermal expansion coefficient is used to protect the window from excessive mechanical stress. This ensures that the connection between the window and the metal work piece is flexible enough not to tear when the temperature changes, but at the same time can be made thick enough to withstand high pressures.
Grundsätzlich kann die Öffnung in dem metallischen Werkstück unterschiedliche Formen aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Öffnung des metallischen Werkstücks jedoch mit einem umlaufenden Absatz versehen, so dass die gestapelte Anordnung auf diesem Absatz angeordnet und dabei zumindest teilweise in die Öffnung eingesetzt werden kann. Auf diese Weise kann die gestapelte Anordnung auf besonders stabile Weise im Bereich der Öffnung fixiert werden.In principle, the opening in the metallic workpiece can have different shapes. According to a preferred development of the invention, however, the opening of the metallic workpiece is provided with a peripheral shoulder, so that the stacked arrangement can be arranged on this shoulder and at least partially inserted into the opening. In this way, the stacked arrangement can be fixed in a particularly stable manner in the area of the opening.
Als Lotmaterial für die Lotringe kommen verschiedene Materialien in Betracht. Vorzugsweise wird als Lotmaterial für die Lotringe jedoch ein titanhaltiges Aktivlot verwendet. Das Löten mit Aktivlot ist insbesondere für das Fügen hochbeanspruchter Konstruktionen geeignet. Als Lotwerkstoffe kommen vorzugsweise Silber, Nickel, Kupfer und/oder Gold zum Einsatz mit Titan als Aktiv-Element, das den Lötprozess ermöglicht. Aktivlote benetzen die hier verwendeten Materialien, indem die enthaltenen Aktiv-Elemente eine Reaktionsschicht mit der Oberfläche der Materialien bilden. Für die Erfindung verwendbare Lote sind z.B. APA 7 der Firma Lot-Tek (59%Ag, 27,25%Cu, 12,5%In, 1,25%Ti (Angaben in Massenprozenten); Schmelzpunkt ca. 650°C). Die resultierende Lötverbindung besitzt eine sehr hohe Festigkeit. Ganz besonders bevorzugt gilt dabei, dass das Material für alle Lotringe das gleiche ist.Various materials can be considered as the solder material for the solder rings. However, an active solder containing titanium is preferably used as the solder material for the solder rings. Soldering with active solder is particularly suitable for joining highly stressed constructions. Silver, nickel, copper and/or gold are preferably used as soldering materials, with titanium as the active element that enables the soldering process. Active solders wet the materials used here in that the active elements contained form a reaction layer with the surface of the materials. Solders that can be used for the invention are, for example, APA 7 from Lot-Tek (59% Ag, 27.25% Cu, 12.5% In, 1.25% Ti (data in percent by mass); melting point approx. 650° C.). The resulting soldered connection has a very high strength. It is particularly preferred that the material is the same for all solder rings.
Grundsätzlich können die Öffnung bzw. auch, sofern erforderlich mehrere neben einander liegende Öffnungen des metallischen Werkstücks und die Bestandteile der gestapelten Anordnung mit unterschiedlichen Formen verwendet werden. Für die Ringe kommen grundsätzlich alle Formen in Betracht, die umfangsmäßig geschlossen sind und damit eine innere Öffnung umschließen. Insbesondere können die Ringe also eckig sein, z.B. viereckig oder sechseckig. Vorzugsweise gilt jedoch, dass die Öffnung des metallischen Werkstücks, die Lotringe, die anderen Ringe und das Fenster kreisrund sind. Auf diese Weise wird eine ganz besonders stabile Konstruktion erzielt.In principle, the opening or also, if necessary, several openings lying next to one another in the metallic workpiece and the components of the stacked arrangement can be used with different shapes. In principle, all shapes that are closed on the circumference and thus enclose an inner opening can be considered for the rings. In particular, the rings can therefore be angular, e.g. square or hexagonal. However, it is preferable for the opening of the metallic workpiece, the solder rings, the other rings and the window to be circular. In this way, a particularly stable construction is achieved.
Der Ausgleichsring kann im Querschnitt rechteckig sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist er jedoch umfangsseitig eine umlaufende Nut auf. Dadurch behält er eine große Kontaktfläche zu den anderen Bauteilen und ist trotzdem flexibel. Er vermittelt dadurch zwischen den Ausdehnungskoeffizienten, so dass nicht die gesamte mechanische Spannung weitergegeben wird. Entsprechendes gilt für den Haltring: Er kann im Querschnitt rechteckig sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist er jedoch umfangsseitig eine umlaufende Nut auf. Diese Nuten können unterschiedlich dimensioniert sein. Vorzugsweise haben Sie eine Tiefe zwischen 30 und 50 % der Dicke der Ringe in radialer Richtung. Dabei können die Nuten ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Ganz besonders bevorzugt wird ihre Breite mit größer werdender Tiefe jedoch geringer, so das ihre Form im Querschnitt z.B. im Wesentlichen einer Dreiecksform folgt.The compensating ring can be rectangular in cross section. According to a preferred development of the invention, however, it has a peripheral groove. As a result, it retains a large contact area with the other components and is still flexible. It thus mediates between the coefficients of expansion, so that the entire mechanical stress is not passed on. The same applies to the retaining ring: it can be rectangular in cross section. According to a preferred development of the invention, however, it has a peripheral groove. These grooves can have different dimensions. Preferably they have a depth between 30 and 50% of the thickness of the rings in the radial direction. The grooves can also have a rectangular cross section. Very particularly preferably, however, their width decreases with increasing depth, so that their cross-sectional shape, for example, essentially follows a triangular shape.
Grundsätzlich kann das Erhitzen zum Schmelzen der Lotringe auf unterschiedliche geeignete Weisen erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen jedoch in einem Vakuumlötofen. Außerdem können die Lotringe als feste Ringe bereitgestellt werden, die als solche in die gestapelte Anordnung eingesetzt werden können. Alternativ können die Lotringe aber auch aus einer Lotpaste oder einem Lotpulver hergestellt werden, indem die Lotpaste bzw. das Lotpulver an den gewünschten Ort für den jeweiligen Lotring in der gestapelten Anordnung eingebracht wird.In principle, the heating for melting the solder rings can take place in different suitable ways. However, the heating is preferably carried out in a vacuum brazing furnace. Additionally, the solder rings can be provided as solid rings that can be inserted into the stacked assembly as such. Alternatively, however, the solder rings can also be produced from a solder paste or a solder powder, in that the solder paste or the solder powder is introduced at the desired location for the respective solder ring in the stacked arrangement.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung eines optisch transparenten Fensters auf einem metallischen Werkstück zum Verschließen einer Öffnung des metallischen Werkstücks, wobei
über der Öffnung ein Ausgleichsring angeordnet ist, der mittels einer Lotverbindung mit dem metallischen Werkstück verbunden ist,
auf dem Ausgleichsring ein Haltering angeordnet ist, der mittels einer Lotverbindung mit Ausgleichsring verbunden ist, und
auf dem Haltering das optisch transparente Fenster angeordnet ist, das mittels einer Lotverbindung mit dem Haltering verbunden ist, wobei
der Haltering aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient maximal 15 % von dem des Materials des optisch transparenten Fensters abweicht, bevorzugt maximal 10 %, ganz besonders besonders bevorzugt maximal 5 %, und
der Ausgleichsring aus einem Material hergestellt ist, dessen Elastizitätsmodul höchstens 80 %, bevorzugt maximal 70 %, ganz besonders besonders bevorzugt höchstens 50 % des Elastizitätsmoduls des Haltrings sowie höchstens 80 %, bevorzugt maximal 70 %, ganz besonders besonders bevorzugt höchstens 50 % des Elastizitätsmoduls des metallischen Werkstücks beträgt.The invention also relates to an arrangement of an optically transparent window on a metal workpiece for closing an opening of the metal workpiece, wherein
a compensating ring is arranged above the opening, which is connected to the metallic workpiece by means of a solder joint,
a retaining ring is arranged on the compensating ring, which is connected to the compensating ring by means of a soldered connection, and
the optically transparent window is arranged on the retaining ring, which is connected to the retaining ring by means of a soldered connection, wherein
the retaining ring is made of a material whose coefficient of thermal expansion differs by a maximum of 15% from that of the material of the optically transparent window, preferably by a maximum of 10%, very particularly preferably by a maximum of 5%, and
the compensating ring is made of a material whose modulus of elasticity is at most 80%, preferably at most 70%, very particularly preferably at most 50% of the modulus of elasticity of the retaining ring and at most 80%, preferably at most 70%, very particularly particularly preferably at most 50% of the modulus of elasticity of the metallic workpiece is.
Bevorzugte Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich in Analogie zu den oben beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.Preferred developments of this arrangement according to the invention result in analogy to the preferred developments of the method according to the invention described above.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.The invention is explained in more detail below using a preferred exemplary embodiment with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigen
-
1 schematisch in einer perspektivischen Ansicht die Herstellung einer gestapelten Anordnung für die Befestigung eines optisch transparenten Fensters auf einem metallischen Werkstück gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und -
2 schematisch die Anordnung des optisch transparenten Fensters auf dem metallischen Werkstück gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 schematically in a perspective view the production of a stacked arrangement for the attachment of an optically transparent window on a metal workpiece according to a preferred embodiment of the invention and -
2 schematically shows the arrangement of the optically transparent window on the metallic workpiece according to the preferred embodiment of the invention.
Aus
Wie in
Zwischen diesem Ausgleichsring 6 und dem optische transparenten Fenster 3 sitzt der Haltering 8. Die spezielle Legierung des Haltrerings 8 hat einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Saphir. Dadurch entsteht zwischen diesem und dem Saphirfenster nahezu keine Spannung. Gleichzeitig kann der Haltering 8 auf der anderen Seite Kräfte aufnehmen, da er als Metall deutlich flexibler ist als das spröde Saphirfenster. Im Vergleich zu Metall/Metall-Verbindungen ist die Verbindung zwischen dem Metall und dem Saphirfenster deutlich rissanfälliger. Dementsprechend wird durch die Verwendung des Kovar an der kritischen Verbindung zum Saphirkristall erreicht, dass die Lotverbindung nicht durch Mikrorisse geschwächt wird, wie sie sonst auftreten können, wenn die Ausdehnungskoeffizienten der verlöteten Materialien nicht im Wesentlichen übereinstimmen. Zwischen die jeweiligen Bauteile, also zwischen den Ausgleichsring 6 und das metallische Werkstück 1, zwischen den Ausgleichsring 6 und den Haltering 8 und zwischen den Haltering 8 und das optisch transparente Fenster 3 wird ein titanhaltiges Aktivlot eingesetzt, welches in Ringform vorliegt, also in Form von Lotringen 5, 7, 9.The retaining
Diese gestapelte Anordnung 4 wird in die Öffnung 2 des Werkstücks 1 eingelegt, und zwar derat, dass sie auf einem in der Öffnung 2 vorgesehenen Absatz 10 zu liegen kommt. Auf diese Weise ist die gestapelte Anordnung 4 zumindest teilweise in die Öffnung 2 eingesetzt. Das gesamte Ensemble, also das metallische Werkstück 1 zusammen mit der in der Öffnung 2 des metallischen Werkstücks 1 angeordneten gestapelten Anordnung 4 wird nun langsam in einem Vakuumlötofen bis oberhalb der Schmelztemperatur des Lots der Lotringe 5, 7, 9 erhitzt, und zwar gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wie folgt: Innerhalb von 90 min bis auf eine Temperatur von 750 °C erhöhen, bei dieser Temperatur 10 min halten, innerhalb von 120 min herunter auf eine Temperatur von 450° C und dann weiter abkühlen lassen auf Raumtemperatur.This stacked arrangement 4 is placed in the
Das Lot benetzt dabei die Oberflächen der Bauteile und es kommt bei den metallischen Bauteilen zu einer Oberflächenlegierung. Am Saphirkristall gehen die aktiven Bestandteile des Lots, hauptsächlich das Titan, eine chemische Verbindung mit den Sauerstoffanteilen des Saphirkristalls ein. Beim Abkühlen erhärtet sich das Lot und eine feste Verbindung entsteht.The solder wets the surfaces of the components and a surface alloy is formed on the metallic components. On the sapphire crystal, the active components of the solder, mainly the titanium, form a chemical compound with the oxygen content of the sapphire crystal. As the solder cools, it hardens and a solid connection is formed.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- metallisches Werkstückmetallic workpiece
- 22
- Öffnungopening
- 33
- optisch transparentes Fensteroptically transparent window
- 44
- gestapelte Anordnungstacked arrangement
- 55
- erster Lotringfirst solder ring
- 66
- Ausgleichsringbalancing ring
- 77
- zweiter Lotringsecond solder ring
- 88th
- Halteringretaining ring
- 99
- dritter Lotringthird solder ring
- 1010
- Absatzunit volume
- 1111
- umlaufende Nut des Ausgleichsringscircumferential groove of the compensating ring
- 1212
- umlaufende Nut des Halteringscircumferential groove of the retaining ring
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 4614428 A [0009]US4614428A [0009]
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