DE102021122572A1

DE102021122572A1 - Verfahren zum Fügen von Komponenten zur Bildung einer Baugruppe eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung

Info

Publication number: DE102021122572A1
Application number: DE102021122572.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Leuthner; Sergey Lopatin; Igor Getman
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-03-02
Also published as: WO2023030764A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer ersten Komponente (1) mit einer zweiten Komponente (2) zur Bildung einer Baugruppe (12) eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung, umfassend:- Anlegen einer ersten Fügezone (4) der ersten Komponente (1) gegen eine zweite Fügezone (6) der zweiten Komponente (2), wobei die erste Komponente (1) in der ersten Fügezone (4) eine erste Beschichtung (5) aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst, und wobei die zweite Komponente (2) in der zweiten Fügezone (6) eine zweite Beschichtung (7) aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst; und- Verbinden der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente (2) in einem die aneinander angelegten Fügezonen (4, 6) enthaltenden Fügebereich durch Diffusionslöten, derart, dass die erste (1) und zweite Komponente (2) im Fügebereich druckdicht miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente zur Bildung einer Baugruppe eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik sowie eine Baugruppe eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik.
In der Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Messung und/oder Überwachung von Prozessgrößen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druckmessgeräten, Temperaturmessgeräten, Analysemessgeräten, wie z.B. pH-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten und anderen integriert sein können, welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, Analysemessgrößen wie Leitfähigkeit und pH-Wert oder andere Prozessgrößen erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen Aktoren, z.B. Ventile oder Pumpen, über die beispielsweise der Durchfluss eines Mediums, z.B. eines Fluids, in einer Rohrleitung oder ein Füllstand oder eine Zusammensetzung eines Mediums in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden, und die prozessrelevante Informationen zur Verfügung stellen oder verarbeiten.
Je nach chemischer Zusammensetzung der in einem Prozess eingesetzten Medien oder je nach den im Prozess herrschenden Bedingungen wie Druck oder Temperatur kann es erforderlich sein, die prozessnah eingesetzten Feldgeräte und dabei insbesondere deren in Berührung mit den Prozessmedien stehenden Komponenten vor Korrosion zu schützen. Dies kann anhand des Beispiels eines Druckmittlers veranschaulicht werden: Ein Druckmittler kann einen Druckmittlerkörper mit einem Flansch und eine dünne metallische Trennmembran aufweisen, die an den Druckmittlerkörper bzw. an den Flansch gefügt ist, und die in Kontakt mit dem Prozess steht. Mittels der Prozessmembran wird der Prozessdruck eines Mediums über eine inerte Flüssigkeit auf eine Messzelle zum Bestimmen eines Druckmesswerts übertragen. Wird der Druckmittler zur Druckmessung in einem aggressiven Messmedium eingesetzt, so muss zumindest die Trennmembran aus einem korrosionsfesten Werkstoff gefertigt sein.
Solche korrosionsfesten Werkstoffe sind zum Beispiel hochlegierte Qualitätsstähle, wie zum Beispiel Chrom-Nickel-Stähle, wie 316L, Nickelbasis-Legierungen, z.B. Alloy C, oder mehrphasige Legierungen, wie zum Beispiel Duplex-Stahl. Häufig wird der Druckmittlerkörper bzw. der Flansch aber aus einem anderen Werkstoff hergestellt, z.B. aus Kostengründen oder auch weil der andere Werkstoff für den Zweck der Herstellung des Druckmittlerkörpers einfacher zu handhaben ist.
Das Fügen der Prozessmembran erfolgt herkömmlich durch Hartlötverfahren bzw. mittels eines Aktivhartlots. Typische beim Hartlöten auftretende Temperaturen liegen oberhalb des Schmelzpunktes des Lots, z.B. bei Temperaturen oberhalb 800 °C.
Die Verwendung eines Hartlötverfahrens zur Verbindung der Komponenten kann aufgrund der dabei auftretenden hohen Temperaturen problematisch sein, denn bei diesen Temperaturen können sich während des Fügeprozesses bei Komponenten aus Materialen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten massive Spannungen an der Fügestelle bilden. Es kann sogar dazu kommen, dass sich die Komponenten plastisch verformen. Bei manchen Legierungen, z.B. bei Duplex-Stählen, kann bei Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Schwelle, die bei Duplex-Stahl z.B. 280 °C beträgt, eine Veränderung des mikroskopischen Gefüges auftreten, was eine Änderung der Materialeigenschaften, z.B. der Korrosionsbeständigkeit oder mechanischer Eigenschaften, zur Folge hat. Diese Veränderungen wirken sich nachteilig auf die Lebensdauer, Stabilität oder die Funktionsfähigkeit des Druckmittlers aus. Ein weiteres Problem, das sich durch Verwendung eines Hartlötverfahrens zur Verbindung der Komponenten ergeben kann, ist die Kontaktkorrosion, die z.B. an einer Fügestelle zwischen zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen Redoxpotentialen auftreten kann. Der Druckmittler kann daher selbst dann, wenn die medienberührende Trennmembran aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff gebildet ist, im Bereich der Fügestelle trotzdem noch anfällig gegen Korrosion sein.
Obwohl das Problem hier anhand eines Druckmittlers veranschaulicht wurde, betrifft es in analoger Weise auch sonstige Baugruppen von Feldgeräten der Prozessautomatisierungstechnik, die hinsichtlich Korrosion und/oder Temperatur aggressiven Bedingungen ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren für eine korrosionsbeständige Baugruppe eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung anzugeben, das eine dichte und beständige Fügung zwischen zwei Komponenten der Baugruppe erlaubt, und das gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften der Komponenten nicht oder zumindest nur in für den Einsatz der Baugruppe vernachlässigbarer Weise beeinflusst.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Die Erfindung umfasst außerdem eine, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte, Baugruppe eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente zur Bildung einer Baugruppe eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung, umfasst die folgenden Schritte:

- Anlegen einer ersten Fügezone der ersten Komponente gegen eine zweite Fügezone der zweiten Komponente, wobei die erste Komponente in der ersten Fügezone eine erste Beschichtung aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst, und wobei die zweite Komponente in der zweiten Fügezone eine zweite Beschichtung aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst; und
- Verbinden der ersten Komponente mit der zweiten Komponente in einem die aneinander anliegenden Fügezonen enthaltenden Fügebereich durch Diffusionslöten, derart, dass die erste und zweite Komponente im Fügebereich druckdicht miteinander verbunden werden.

Indem die beiden Komponenten durch Diffusionslöten miteinander gefügt werden, werden weniger hohe Temperaturen benötigt als bei herkömmlichen Hartlot-Verfahren, so dass die oben beschriebene, nachteilige Veränderung der Materialeigenschaften beim Fügeprozess vermieden wird oder nur in so geringfügigem Maße auftritt, dass sie Funktion und Lebensdauer des Feldgeräts nicht beeinträchtigt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird außerdem kein herkömmliches niedrigschmelzendes Lot im Fügebereich benötigt. Eine bei bestimmten Lotzusammensetzungen erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Fügestelle kann damit vermieden werden.
Das Diffusionslöten ist eine Technologie, die bisher im Bereich der Chip-Substrat-Verbindung in der Elektronik-Fertigung eingesetzt wird. In diesen Fällen wird in den zu verbindenden Fügezonen der zu fügenden Komponenten eine Lotschicht, z.B. aus Zinn oder SnCu-Lot, verwendet. Während des Aufheizens treten im Fügebereich Interdiffusionsvorgänge zwischen der Lotschicht und den zu fügenden Komponenten auf, die zur Bildung einer flüssigen Phase, ggfs. unter Aufweitung des Lötspaltes, und einer anschließenden isothermen Erstarrung unter Bildung einer Legierung oder intermetallischen Verbindung im Fügebereich führen, die eine stoffschlüssige, druckdichte Verbindung zwischen den Komponenten bewirkt. Es hat sich überraschend gezeigt, dass das für die kleinen Dimensionen einer Chip-Substrat-Verbindung geeignete Diffusionslötverfahren auch für die Verbindung von zwei Komponenten zur Herstellung einer Baugruppe eines Feldgeräts für die Prozessautomatisierungstechnik geeignet ist, wobei im Fügebereich eine mindestens eine Silberlage umfassende Schicht verwendet wird, um die erwünschte druckdichte Verbindung im Fügebereich zu erzeugen.
Das Verbinden der ersten Komponente mit der zweiten Komponente durch Diffusionslöten kann weiter folgende Schritte umfassen:

- Spannen der ersten und der zweiten Komponente gegeneinander, derart, dass die erste und die zweite Fügezone gegeneinander angedrückt werden, und
- Erwärmen der ersten und der zweiten Komponente mindestens im Fügebereich nach einem vorgegebenen Temperaturprofil.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens steigt die Temperatur der ersten und der zweiten Komponente während des Erwärmens der ersten und zweiten Komponente mindestens im Fügebereich nicht über 700 °C, vorzugsweise nicht über 500 °C. Eine untere Temperaturgrenze des Temperaturprofils kann bei 250 bis 280 °C liegen. Das Temperaturprofil kann eine Erwärmung der Fügestelle auf eine im Wesentlichen konstante Fügetemperatur im Bereich zwischen 250 °C und 700 °C, vorzugsweise zwischen 250 °C und 500 °C über einen Zeitraum von mehreren Stunden, z.B. zwischen 5 und 15 Stunden, insbesondere zwischen 10 und 15 Stunden, umfassen. In der Regel sollte das Zeitintervall, während dessen die Fügetemperatur auf einem konstanten Wert gehalten wird, umso länger sein, je niedriger die Fügetemperatur gewählt wird. In einer Ausgestaltung, die besonders zum Fügen von Komponenten aus einem Material vorteilhaft ist, dessen Eigenschaften sich bei hohen Temperaturen verändern, wie beispielsweise dem weiter oben erwähnten Duplex-Stahl, wird der Fügebereich auf eine Temperatur zwischen 250 und 300 °C erwärmt und die Temperatur über einen Zeitraum von 10 bis 15 Stunden konstant gehalten. Das Ausüben eines Drucks auf den Fügebereich mittels des Spannens der ersten und der zweiten Komponente gegeneinander trägt dazu bei, auch bei solchen relativ niedrigen Fügetemperaturen eine defektarme Fügestelle zu erreichen, so dass sich die gewünschte Druckdichtigkeit und Stabilität ergibt.
Das Verfahren kann weiter folgende Schritte umfassen:

- Aufbringen der ersten Beschichtung auf die erste Komponente; und
- Aufbringen der zweiten Beschichtung auf die zweite Komponente;

Die erste und die zweite Beschichtung können so ausgestaltet sein, dass die mindestens eine Silberlage die oberste, abschließende Lage der Beschichtung bildet. Beim Fügen durch Diffusionslöten werden in dieser Ausgestaltungen also die beiden Silberlagen durch Interdiffusion miteinander verbunden.
Die erste und/oder die zweite Beschichtung können mindestens eine Haftvermittlerschicht aufweisen, die zwischen der Silberlage und der als Unterlage der Beschichtung dienenden Oberfläche der ersten bzw. der zweiten Komponente angeordnet ist. Die Haftvermittlerschicht kann eine Goldlage umfassen, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung unmittelbar unter der Silberlage liegt. Eine solche Haftvermittlerschicht ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Silberlage durch einen galvanischen Prozess aufgebracht wird. Wird die Silberlage durch Sputtern aufgetragen, kann auf eine Haftvermittlerschicht verzichtet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung auf die erste Komponente und/oder vor dem Aufbringen der zweiten Beschichtung auf die zweite Komponente die Oberfläche der ersten bzw. der zweiten Komponente vorbereitet werden, z.B. durch Entfernen einer auf der Oberfläche der ersten bzw. der zweiten Komponente vorliegenden Oxidschicht. Dies kann beispielsweise auf chemischem Wege oder durch Sputtern bzw. Laserablation erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Spannen der ersten und der zweiten Komponente gegeneinander folgende Schritte umfassen:

- Anordnen eines Hilfskörpers aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere mehr als 20 %, größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials, aus dem die erste Komponente gebildet ist, und/oder eines Materials, aus dem die zweiten Komponente gebildet ist, auf einer von der ersten Fügezone der ersten Komponente abgewandten Seite der ersten Komponente, und
- Einspannen des Hilfskörpers, der ersten Komponente und der zweiten Komponente in einer Einspannvorrichtung, die den Hilfskörper und die erste und die zweite Komponente gegeneinander andrückt.

Der Hilfskörper kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Dies ist vorteilhaft, wenn die erste und/oder die zweite Komponente aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, wie Tantal, einer Nickelbasislegierung wie Hastelloy, einem C-Stahl, einem austenitischen Stahl oder einem Duplex-Stahl gebildet ist.
Bei Verwendung eines entsprechenden Hilfskörpers, z.B. aus Aluminium, bewirkt die thermische Ausdehnung des Hilfskörpers eine erhebliche Erhöhung des Drucks im Fügebereich zwischen der mit dem Hilfskörper zusammen eingespannten ersten und zweiten Komponente während des Fügeprozesses. Auf diese Weise werden beim Diffusionslöten auch bei relativ niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 400 °C, Unebenheiten der aneinander liegenden Grenzflächen im Fügebereich ausgeglichen, so dass eine druckdichte, stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich entsteht. Der im Fügebereich durch die Einspannvorrichtung und den Hilfskörper bei einer Arbeitstemperatur zwischen 250 °C und 500 °C auf die Fügestelle ausgeübte Druck kann zwischen 10 MPa bis 50 MPa während des Diffusionslötens betragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung eine über der Silberlage angeordnete Schicht aufweisen, die eine Vielzahl von Silberpartikeln umfasst. Diese Schicht kann eine poröse Silberschicht oder eine aus einer Silberpaste gebildete Schicht sein. Die zusätzliche Schicht kann zum Ausgleich von Unebenheiten der beiden aneinanderliegenden Fügezonen dienen, um so eine druckdichte, stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich zu erhalten.
Die erste Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung kann in einer weiteren Ausgestaltung eine über der Silberlage angeordnete Zinnlage aufweisen. Auf diese Weise lässt sich die Fügetemperatur beim Diffusionslöten weiter reduzieren, z.B. auf 150 bis 300 °C. Diese Verfahrensvariante ist besonders geeignet, um Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verbinden. Die Zinnlage kann durch eine auf der Silberlage angeordnete Zinn-Folie gebildet sein.
Die erste Komponente und/oder die zweite Komponente kann bzw. können aus einem der folgenden Materialien gebildet sein: ein Chrom-Nickel-Stahl, insbesondere 316L, eine Nickelbasislegierung, z.B. AlloyC, eine mehrphasige Legierung, z.B. Duplexstahl, Tantal, eine Messinglegierung, eine Bronzelegierung oder eine Keramik, z.B. Al₂O₃-Keramik.
Generell können die Komponenten beispielsweise Komponenten eines medienberührenden Sensors oder Komponenten eines Sensor-Gehäuses oder eines Transmitter-Gehäuses eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung sein. Handelt es sich bei dem Feldgerät der Prozessautomatisierung um ein Druckmessgerät, kann die erste Komponente eine Membran, z.B. eine Messmembran oder eine Trennmembran, und die zweite Komponente ein die Membran tragender Basiskörper, z.B. ein Sensorkörper oder ein Druckmittlerkörper oder ein Flansch, sein.
Die Erfindung umfasst auch eine Baugruppe eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung hergestellt durch das voranstehend beschriebene Verfahren.
Eine erfindungsgemäße, insbesondere nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte, Baugruppe eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung umfasst eine erste Komponente aus einem ersten Material und eine mit der ersten Komponente druckdicht verbundene zweite Komponente aus einem zweiten Material, wobei in einem zwischen der ersten und der zweiten Komponente ausgebildeten Fügebereich Silber, eine Silber umfassende Legierung oder eine intermetallische Verbindung aus Silber und weiteren Bestandteilen, insbesondere Zinn, gebildet ist. Das erste und das zweite Material können dasselbe oder verschiedene Materialien sein. Insbesondere kommen jeweils die weiter oben im Zusammenhang mit der Beschreibung des Verfahrens genannten Materialien in Frage. Ist das Material der ersten oder der zweiten Komponente Duplex-Stahl, weist dieses ein intaktes mikroskopisches Gefüge auf, das eine unveränderte Stabilität und Korrosionsresistenz zeigt.
Weiter umfasst die Erfindung auch ein Druckmessgerät mit der voranstehend beschriebenen Baugruppe. Wie erwähnt, kann diese Baugruppe nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sein.
Die erste Komponente der Baugruppe kann eine Membran, insbesondere eine Messmembran und/oder eine Trennmembran, aus einem ersten Werkstoff und die zweite Komponente ein Basiskörper, insbesondere ein Sensorkörper oder ein Druckmittlerkörper, aus einem zweiten Werkstoff sein. In diesem Fall kann der Basiskörper zumindest eine für die Messmembran vorgesehene Vertiefung in Form eines Membranbetts und einen das Membranbett allseitig umgebenden ersten Verbindungsbereich aufweisen, in dem die Membran aufgenommen ist, wobei die Membran mittig über dem Membranbett angeordnet ist und mit einem Randbereich, der einen zweiten Verbindungsbereich bildet, mit dem allseitig um das Membranbett herum ausgebildeten ersten Verbindungsbereich des Basiskörpers druckdicht gefügt ist, so dass der erste und der zweite Verbindungsbereich den Fügebereich zwischen der ersten und der zweiten Komponente bilden. Wie erwähnt, kann dieser Fügebereich Silber, eine Silber enthaltende Legierung oder eine intermetallische Silberverbindung, insbesondere eine Silber-Zinn-Verbindung, umfassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

1a eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier Komponenten einer Baugruppe für ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
1b eine schematische Längsschnitt-Darstellung der beiden Komponenten nach dem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Hilfskörper eingespannt in einer Einspannvorrichtung zum Diffusionslöten;
1c eine schematische Längsschnitt-Darstellung der aus den zwei Komponenten gebildeten Baugruppe;
2 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier Komponenten einer Baugruppe, die mittels Diffusionslöten gefügt werden, nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier Komponenten einer Baugruppe, die mittels Diffusionslöten gefügt werden, nach einem dritten Ausführungsbeispiel; und
4 eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines Prozessanschlusses in Form einer Flanschbaugruppe.

1a zeigt schematisch eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2, die zur Bildung einer Baugruppe für ein Feldgerät der Prozessautomatisierung miteinander durch Fügen fest und druckdicht miteinander verbunden werden sollen. Bei der Baugruppe handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Baugruppe eines Druckmessgeräts aus einem Basiskörper und einer Membran. Selbstverständlich können mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren aber auch andere Baugruppen eines Feldgeräts gefertigt werden. Die in den Figuren dargestellten Komponenten 1, 2 sind in den vorliegenden Beispielen rotationssymmetrisch aufgebaut, die Schnittdarstellung zeigt eine Längsschnitt-Darstellung entlang einer Schnittebene, in der eine (gedachte) Zylindersymmetrieachse der Komponenten 1,2 verläuft.
Die erste Komponente 1 ist im vorliegenden Beispiel eine Membran aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, z.B. Duplex-Stahl. Je nach Anwendungszweck kann die Membran auch aus einem anderen korrosionsbeständigen oder in sonstiger Weise für eine bestimmte Anwendung vorteilhafte chemische oder mechanische Eigenschaften aufweisenden Sonderwerkstoff gebildet sein, wie z.B. aus Tantal, Titan, Nickel oder einer Nickelbasislegierung wie Hastelloy, Inconel, Alloy 400 oder Monel oder sonstige nickelhaltige Legierungen, einem C-Stahl, einem austenitischen oder martensitischen nicht rostenden Stahl, einer Kupferlegierung, wie Bronze oder Messing, oder einer Silberlegierung, z.B. mit einem Kupferanteil.
Die zweite Komponente 2 ist ein Basiskörper, der im vorliegenden Beispiel aus einem anderen Material als die erste Komponente 1 besteht. Die zweite Komponente kann auch aus demselben Material bestehen wir die erste Komponente 1. Der Basiskörper kann z.B. aus einem hochlegierten Qualitätsstahl, wie zum Beispiel einem Chrom-Nickel-Stahl, insbesondere 316L bestehen. Er kann aber auch aus Duplex-Stahl oder einem anderen der oben genannten Sonderwerkstoffe gebildet sein. Der Basiskörper ist so ausgebildet, dass nach Fügen der Membran an den Basiskörper eine Kammer zwischen der Membran und dem Basiskörper entsteht. Hierzu kann in dem Basiskörper ein Membranbett als Vertiefung an einer Seite des Basiskörpers herauspräpariert sein.
Die Baugruppe kann in einer möglichen Ausführung als Sensorbaugruppe eines Drucksensors dienen. In diesem Fall bildet die Membran eine Messmembran des Sensors, die zum unmittelbaren Kontakt mit einem Prozessmedium bestimmt ist. Anhand der Auslenkung der Messmembran ist in dieser Ausgestaltung ein Druckmesswert ermittelbar. Beispielsweise kann die Membran eine mit einem Öl befüllte, in dem Grundkörper gebildete, Kammer, in der sich ein Drucksensorelement befindet, von einem Prozess, dessen Druck zu messen ist, trennen. Alternativ kann die Membranauslenkung z.B. kapazitiv oder optisch (interferometrisch) gemessen werden. In diesem Fall hat die Membran Trenn- und Messfunktion gleichzeitig.
In einer weiteren möglichen Ausführung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel in den 1 a bis c dargestellt ist, dient die Baugruppe als Druckmittlergruppe eines Druckmessgeräts. In diesem Fall bildet die Membran eine Trennmembran, die zum Kontakt mit dem Prozessmedium bestimmt ist. Der Basiskörper ist in diesem Fall ein Druckmittlerkörper mit einer Durchgangsöffnung 3, deren eines Ende in der das Membranbett bildenden Vertiefung und deren anderes Ende auf der der Vertiefung gegenüberliegenden Seite des Druckmittlerkörpers angeordnet ist. Diese Durchgangsöffnung 3 dient zur hydraulischen Verbindung der zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper gebildeten Kammer und einem, in der Regel vom Druckmittler abgesetzten, Drucksensor, der zur Erfassung von Druckmesswerten dient.
Im Folgenden wird anhand der 1 a bis c ein Verfahren zum Fügen der ersten Komponente 1 an die zweite Komponente 2 beschrieben.
Zunächst wird die erste Komponente 1 in einer ersten Fügezone 4, hier einem umlaufenden ringförmigen Oberflächenbereich, mit einer Beschichtung 5 versehen, die mindestens eine Lage aus Silber aufweist. Im vorliegenden Beispiel ist die Lage aus Silber die oberste Lage der Beschichtung. Gleichermaßen wird die zweite Komponente 2 in einer zweiten Fügezone 6 mit einer Beschichtung 7 versehen, die mindestens eine oberste Lage aus Silber aufweist. Die zweite Fügezone 6 bildet hier einen umlaufenen ringförmigen Oberflächenbereich der zweiten Komponente 2. Die Beschichtung kann mittels galvanischer Abscheidung gebildet werden, aber auch durch Abscheidung aus der Gasphase, z.B. Aufsputtern oder CVD oder PVD, oder durch ein anderes Beschichtungsverfahren. Unter der Silberlage kann die Beschichtung noch weitere Lagen, z.B. Haftvermittler, z.B. eine Goldlage, die 0,05 bis 1 µm dick sein kann, aufweisen. Die Silberlagen können eine Dicke zwischen 1 und 50 µm aufweisen. Die Beschichtung kann jeweils ausschließlich aus den Silberlagen oder aus den Silberlagen und der darunter angeordneten Goldlage bestehen.
Die erste 1 und die zweite Komponente 2 werden zum Fügen mit ihren Fügebereichen aneinander angelegt, wie in 1b dargestellt. Die aneinander gelegten Komponenten 1, 2 werden zusammen mit einem Hilfskörper 8 aus einem Werkstoff, der einen erheblich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die erste 1 und die zweite Komponente 2, in einer Einspannvorrichtung 9 eingespannt. Als Werkstoff für den Hilfskörper 8 kommt zum Beispiel Aluminium in Frage. Im vorliegenden Beispiel ist der Hilfskörper eine Aluminiumscheibe mit einer Dicke zwischen 0,1 und 10 mm, die einmalig oder mehrmalig verwendet wird.
Die eingespannten Komponenten 1, 2 werden nun durch Diffusionslöten aneinander gefügt, indem die Komponenten 1, 2 zumindest in einem die beiden Fügezonen enthaltenden Fügebereich auf eine vorgegebene Bearbeitungstemperatur erwärmt werden. Dies kann beispielsweise in einem Ofen oder durch induktive Heizung durchgeführt werden. Gleichzeitig wird durch die Einspannvorrichtung beim Diffusionslöten ein Druck von 10 MPa bis 50 MPa auf den Stapel aus erster Komponente 1, zweiter Komponente 2 und Hilfskörper 8 ausgeübt. Die Temperatur im Fügebereich kann dabei zwischen 280 und 300 °C über einen Zeitraum von einigen Stunden, z.B. 10 bis 15 Stunden, betragen. Bei den angegebenen Temperaturen und Drucken schmelzen die Silberlagen der Beschichtungen 5, 7 nicht auf. Vielmehr bildet sich durch Diffusion der Silberatome zwischen Silberschichten auf der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 eine feste, druckdichte Verbindung zwischen den beiden Komponenten aus. Bestehen eine oder beide Komponenten aus einer Kupferlegierung, können Bestandteile dieser Materialien in die Silberlagen im Grenzflächenbereich um die Fügezonen 4, 6 diffundieren und eine Legierung bilden, die die erste und die zweite Komponente stoffschlüssig verbindet. Je nach Materialien der Komponenten 1, 2 kann es, um Oxidation und/oder Anlaufen der Komponenten 1, 2 im Fügebereich oder auf ihrer ganzen Oberfläche zu vermeiden, vorteilhaft sein, unter einer Inertgasatmosphäre zu arbeiten (z.B. Argon oder Stickstoff).
Bei den angegebenen Temperaturen dehnt sich der Hilfskörper 8 verhältnismäßig stärker aus als die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 und vergrößert so in homogener Weise den während des Diffusionslötens auf die Fügestelle ausgeübten Druck. Dies dient dem Ausgleich von Unebenheiten an den beim Fügen aneinander liegenden Oberflächen der beiden Komponenten 1, 2. So bildet sich eine vollflächig umlaufende stoffschlüssigen Verbindung, so dass im Ergebnis die Fügestelle vollständig druckdicht und diffusionsdicht ist.
In 1c ist die nach dem Diffusionslöten aus den Komponenten 1, 2 erhaltene Baugruppe 12 dargestellt. Die Baugruppe 12 bildet im vorliegenden Beispiel einen Druckmittler mit der zweiten Komponente 2 als Druckmittlerkörper und der ersten Komponente 1 als Trennmembran. Zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper ist eine von der Rückseite der Trennmembran und dem in dem Druckmittlerkörper gebildeten Membranbett begrenzte Kammer 11 gebildet, die im Betrieb des Druckmittlers mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist. Die Übertragungsflüssigkeit füllt außerdem die Durchgangsöffnung 3, über die die Kammer 11 mit einem abgesetzt vom Druckmittler anordenbaren Drucksensor kommuniziert. Ein auf die Trennmembran einwirkender Druck wird durch die Übertragungsflüssigkeit auf den Drucksensor übertragen, der ein entsprechendes, für den auf die Trennmembran einwirkenden Druck repräsentatives Druckmesssignal erzeugt.
Zwischen der an den Druckmittlerkörper gefügten Trennmembran (erste Komponente 1) und dem Druckmittlerkörper (zweite Komponente 2) findet sich ein schmaler Übergangsbereich 10, in dem Reinsilber oder, für den Fall, dass eine oder beide Komponenten 1, 2 aus einer Kupfer-Legierung gebildet sind, eine Silber-Kupfer-Legierung vorliegt. Eine solche Verbindung bildet sich nur beim voranstehend beschriebenen Diffusionslötprozess, so dass sich die fertige Baugruppe 12 von Baugruppen, die durch Fügen zweier Komponenten mittels anderer Verfahren wie herkömmlichem Hartlöten oder Schweißen hergestellt sind, auch strukturell unterscheiden.
Bei den gewählten Fügetemperaturen können Komponenten aus Sonderwerkstoffen, deren Eigenschaften sich bei Erwärmung auf höhere Temperaturen aufgrund von Veränderungen im mikroskopischen Gefüge des Materials verändern können, ohne Einbußen hinsichtlich der Stabilität, Korrosionsresistenz und Funktionalität der so gebildeten Baugruppe gefügt werden.
In 2 ist schematisch eine Variante des voranstehend beschriebenen Diffusionslötverfahrens als zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier weisen die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2, die in gleicher Weise ausgestaltet sein können, wie bei dem anhand von 1a-c beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben, ebenfalls eine Beschichtung 5, 7 auf, die jeweils mindestens eine oberste Silberlage umfasst. Zusätzlich ist auf der Silberlage der Beschichtung 7 der zweiten Komponente 2 eine weitere Lage 13 aus Zinn aufgebracht. Diese Lage 13 kann beispielsweise durch eine auf die Silberlage der Beschichtung 7 aufgelegte Zinn-Folie gebildet sein. Die zusätzliche Zinnlage 13 erlaubt es, beim Diffusionslöten bei Temperaturen unter 300 °C zu arbeiten, da bereits bei 150 bis 200 °C die Bildung einer flüssigen Lot-Phase und isotherme Erstarrung unter Bildung einer intermetallischen Silber-Zinn-Verbindung im Fügebereich durch Diffusion in einem ausreichenden Maße einsetzt, um eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Komponenten 1, 2 zu erreichen. Optional kann dabei, wie anhand von 1b beschrieben, ein Hilfskörper eingesetzt werden, um den auf den Fügebereich ausgeübten Druck zu verstärken. Dies ist jedoch bei Verwendung der zusätzlichen Zinn-Lage 13 nicht unbedingt nötig. Im fertigen Bauteil ist in einer Übergangszone zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 eine Zwischenschicht vorzufinden, in der die intermetallische Silber-Zinn-Verbindung vorliegt.
In 3 ist schematisch eine weitere Variante des Diffusionslötverfahrens als drittes Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier weisen die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2, die in gleicher Weise ausgestaltet sein können wie bei dem anhand von 1 a bis 1c beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, ebenfalls eine Beschichtung 5, 7 auf, die jeweils mindestens eine Silberlage umfasst. Zusätzlich ist auf der Silberlage der Beschichtung der zweiten Komponente 2 eine weitere Lage 14 aus einer Silber-Paste oder aus porösem Silber aufgebracht. Diese zusätzliche Lage dient dazu, Unebenheiten der beim eigentlichen Fügen durch Diffusionslöten aneinander liegenden Oberflächen der Komponenten 1, 2 auszugleichen, und so eine umlaufend druckdichte Verbindung zwischen den Komponenten zu erzeugen.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die herzustellende Baugruppe als erste Komponente 1 eine Trennmembran und als zweite Komponente 2 einen Prozessanschlusskörper mit einem Prozessanschluss, z.B. einem Flansch 15, aufweist. Derartige Ausgestaltungen werden auch als Flanschbaugruppe bezeichnet. Der Flansch 15 kann einen Lochkranz aufweisen, um mittels Schrauben an einer entsprechenden Prozessanschlussstelle, z.B. an einem Tank oder einem anderen Behälter oder einer Rohrleitung befestigbar zu sein. Dem Fachmann sind eine Vielzahl von alternativen Prozessanschlüssen und Befestigungsmitteln bekannt, die in diesem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommen können. Im übrigen kann der Prozessanschlusskörper ganz analog ausgestaltet sein wie der oben anhand von 1a bis 1c beschriebene Druckmittlerkörper. Insbesondere kann er auf einer zur Verbindung mit der Trennmembran verbundenen Seite eine Vertiefung aufweisen, die als Membranbett und zur Bildung einer von der Membran und dem Prozessanschlusskörper umgebenen Kammer dient.
Die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 weisen wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen jeweils eine Fügezone 4, 6 auf, die dazu bestimmt sind, gegeneinander angelegt und per Diffusionslöten miteinander stoffschlüssig verbunden zu werden. Wie zuvor beschrieben sind die Komponenten 1, 2 an ihren zu den Fügezonen gehörenden Oberflächenbereichen jeweils mit einer Beschichtung versehen, die jeweils mindestens eine Silberlage aufweist. Der Fügeprozess kann nach dem Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: erste Komponente
2: zweite Komponente
3: Durchgangsöffnung
4: erste Fügezone
5: erste Beschichtung
6: zweite Fügezone
7: zweite Beschichtung
8: Hilfskörper
9: Einspannvorrichtung
10: Übergangsbereich
11: Kammer
12: Baugruppe
13: weitere Lage aus Zinn
14: weitere Lage aus Silber-Paste oder porösem Silber
15: Flansch

Claims

Verfahren zum Fügen einer ersten Komponente (1) mit einer zweiten Komponente (2) zur Bildung einer Baugruppe (12) eines Feldgeräts der Prozessautomatisierung, umfassend: - Anlegen einer ersten Fügezone (4) der ersten Komponente (1) gegen eine zweite Fügezone (6) der zweiten Komponente (2), wobei die erste Komponente (1) in der ersten Fügezone (4) eine erste Beschichtung (5) aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst, und wobei die zweite Komponente (2) in der zweiten Fügezone (6) eine zweite Beschichtung (7) aufweist, die mindestens eine Silberlage umfasst; und - Verbinden der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente (2) in einem die aneinander angelegten Fügezonen (4, 6) enthaltenden Fügebereich durch Diffusionslöten, derart, dass die erste (1) und zweite Komponente (2) im Fügebereich druckdicht miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbinden der ersten Komponente (1) mit der zweiten Komponente (2) durch Diffusionslöten umfasst: - Spannen der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) gegeneinander, derart, dass die erste (4) und die zweite Fügezone (6) gegeneinander angedrückt werden; und - Erwärmen der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) mindestens im Fügebereich nach einem vorgegebenen Temperaturprofil.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) während des Schritts des Erwärmens der ersten (1) und zweiten Komponente (2) mindestens im Fügebereich nicht über 700 °C, vorzugsweise nicht über 400 °C, steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend: - Aufbringen der ersten Beschichtung (5) auf die erste Komponente (1); und - Aufbringen der zweiten Beschichtung (7) auf die zweite Komponente (2); wobei das Aufbringen der ersten (5) und/oder der zweiten Beschichtung (7) mittels chemischer oder elektrochemischer Abscheidung, mittels Gasphasenabscheidung, z.B. Sputtern, mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder mittels eines Pulverbeschichtungsverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Spannen der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) gegeneinander umfasst: - Anordnen eines Hilfskörpers (8) aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere mehr als 20 %, bevorzugt mehr als 50 %, größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials, aus dem die erste Komponente (1) gebildet ist und/oder eines Materials, aus dem die zweite Komponente (2) gebildet ist, auf einer von der ersten Fügezone (4) der ersten Komponente abgewandten Seite der ersten Komponente (1) und - Einspannen des Hilfskörpers (8), der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) in einer Einspannvorrichtung, die den Hilfskörper (8) und die erste (1) und die zweite Komponente (2) gegeneinander andrückt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Hilfskörper (8) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Beschichtung (5) und/oder die zweite Beschichtung (7) eine über der Silberlage angeordnete weitere Lage (14) aufweist, die eine Vielzahl von Silberpartikeln umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Beschichtung (5) und/oder die zweite Beschichtung (7) eine über der Silberlage angeordnete Zinnlage (13) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zinnlage (13) durch eine auf der Silberlage angeordnete Zinn-Folie gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Komponente (1) und/oder die zweite Komponente (2) aus einem der folgenden Materialien gebildet ist: ein Chrom-Nickel-Stahl, insbesondere 316L, eine Nickelbasislegierung, z.B. AlloyC, eine mehrphasige Legierung, z.B. Duplexstahl, Tantal, eine Messinglegierung, eine Bronzelegierung oder eine Keramik, z.B. Al₂O₃-Keramik.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Komponente (1) eine Membran und die zweite Komponente (2) ein Basiskörper, z.B. ein Druckmittlerkörper eines Druckmittlers oder ein Sensorkörper eines Drucksensors, ist.
Baugruppe (12) eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Baugruppe (12) eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung, insbesondere nach Anspruch 12, umfassend eine erste Komponente (1) aus einem ersten Material und eine mit der ersten Komponente druckdicht verbundene zweite Komponente (2) aus einem zweiten Material, wobei in einem zwischen der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) ausgebildeten Fügebereich Silber, eine Silberlegierung oder eine intermetallische Silberverbindung vorliegt.
Druckmessgerät, umfassend die Baugruppe (12) gemäß Anspruch 13.
Druckmessgerät nach Anspruch 14, wobei die erste Komponente (1) eine Membran, insbesondere eine Messmembran und/oder eine Trennmembran, aus einem ersten Werkstoff und die zweite Komponente (2) ein Basiskörper, insbesondere ein Sensorkörper oder ein Druckmittlerkörper, aus einem zweiten Werkstoff ist, wobei der Basiskörper zumindest eine für die Membran vorgesehene Vertiefung in Form eines Membranbetts und einen das Membranbett allseitig umgebenden ersten Verbindungsbereich aufweist, und wobei die Membran mittig über dem Membranbett angeordnet ist und mit einem Randbereich, der einen zweiten Verbindungsbereich bildet, mit dem allseitig um das Membranbett herum ausgebildeten ersten Verbindungsbereich des Basiskörpers druckdicht gefügt ist, so dass der erste und der zweite Verbindungsbereich den Fügebereich zwischen der ersten (1) und der zweiten Komponente (2) bilden.