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Verfahren zum Verbinden von Glasteilen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Verschweißen vorgeformter Glasteile mittels einer Zwischenglasschicht,
die als Überzug auf mindestens eine der zu verbindenden Flächen aufgebracht wird,
wobei die Verbindung bei einer Temperatur erfolgt, die die obere Grenztemperatur
des Entspannungsbereiches der zu verbindenden Glasteile nicht übersteigt, jedoch
über der Erweichungstemperatur der Zwischenglasschicht liegt.
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Beim Verbinden solcher Glasteile und insbesondere bei einer direkten
Glas-Glas-Verbindung wurden bislang äußerst hohe Temperaturen benutzt, um die Glasteile
miteinander zu verschmelzen. Das Auftreten derartig hoher Temperaturen ist jedoch
für die Glasteile schädlich, da Formveränderungen der erweichten Stellen auftreten
können. Außerdem treten bei Anwendung hoher Temperaturen Spannungen in dem Glase
auf, welche entweder zu einem sofortigen Bruch der miteinander verbundenen Teile
führen oder einen späteren Bruch bei Erschütterungen hervorrufen, wenn nicht sachgemäß
gekühlt wird. Das Verbinden von Glasteilchen bei hohen Temperaturen kann außerdem
nicht sicher genug durchgeführt werden, wenn man Glasgegenstände verbinden soll,
welche beispielsweise einen wärmeempfindlichen Farbschirm beinhalten. Bei der Herstellung
von Kathodenstrahlröhren zum Farbfernsehen werden beispielsweise die in der Röhre
liegenden Farbgitter und die Phosphorbeläge beschädigt oder zerstört, wenn sie derartig
hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden
vorgeformter Glasteile zu schaffen, welches diese Nachteile überwindet.
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Es ist bereits versucht worden, diese Aufgabe dadurch zu lösen, daß
eine Verbindung zwischen zwei vorgeformten Glasgegenständen unter Verwendung eines
verhältnismäßig weichen Glases mit niedrigem Schmelzpunkt und bestimmten Ausdehnungseigenschaften
durchgeführt wurde. Da die wichtigste Voraussetzung zur Schaffung einer nahezu spannungsfreien
Verbindung in der Übereinstimmung der Kontraktionseigenschaften der zu verbindenden
Gläser und des Verbinders zu sehen ist, ist es wichtig, nicht so sehr die Ausdehnungseigenschaften,
sondern vor allem die Kontraktionskoeffizienten der zu verbindenden Gläser und des
verbindenden Glases genau zu definieren.
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Demgemäß löst die Erfindung die Aufgabe dadurch, daß die Wärmekontraktionskoeffizienten
der vorgeformten Glasteile innerhalb eines Temperaturbereiches von ihren oberen
Grenztemperaturen des Entspannungsbereiches bis zur Zimmertemperatur (25° C) in
der Größenordnung von 100 bis 130 - 10-7 liegen, daß die Zwischenglasschicht einen
Wärmekontraktionskoffizienten hat, der 5 bis 15 % geringer ist als der Wärmekontraktionskoeffizient
der vorgeformten Glasteile, während ihre Erweichungstemperatur niedriger als 480°
C liegt, und daß die Glasteile innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 410
bis 480° C verbunden werden.
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Als Erläuterung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
soll im folgenden z. B. das Zusammenfügen einer gänzlich aus Glas bestehenden Kathodenstrahlröhre
beschrieben werden, und zwar handelt es sich um eine Röhre, wie sie als Bildschirmröhre
beim Farbfernsehen Verwendung findet. Bei einem derartigen Verbinden der Glaseinzelteile
ist es natürlich wesentlich, daß die Temperaturen, welche zur Verbindung zwischen
den harten, vorgeformten Glasteilen notwendig sind, unter einer bestimmten Höhe
gehalten werden, damit nicht die in den Röhren enthaltenen Masken oder Phosphorbeläge,
welche beide wesentliche Teile der Röhre bilden, zerstört werden. Die Temperaturen
zum Verbinden der Glasteile werden weiterhin durch die Entspannungstemperatur der
zu verbindenden Glasteile begrenzt und müssen notwendigerweise unterhalb von etwa
425° C liegen. Bei einer direkten Glas-Glas-Verbindung muß, falls die beiden zu
verbindenden Glasteile beispielsweise aus dem Glassatz Nr. 2 oder den Glassätzen
Nr. 1 und Nr. 2 (s. Tabelle 1) bestehen, eine Temperatur von 650 bis 700° C oder
höher angewandt werden, und nach der in bekannter Weise üblichen Ver-
Schmelzung
der Teile müssen die verschmolzenen Teile bei etwa 450° C durchgeglüht werden. Wenn
die beiden Glasteile oder Hülsen aus einem Hartglas Nr. 1 oder Nr. 2 bestehen und
temperaturempfindliche Innenteile aufweisen, die nicht über 425° C erwärmt werden
dürfen, ist ein Verschmelzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders günstig.
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Die miteinander zu verbindenden Glasteile müssen Oberflächen oder
Kanten aufweisen, welche annähernd flach ausgebildet sind oder gegeneinanderliegende
ineinanderpassende Oberflächen aufweisen. Mindestens eine der Kanten der zu verbindenden
Glasteile ist mit einer Glasmasse überzogen. Diese Glasmasse oder Dichtungsmasse
wird im folgenden der Einfachheit halber als »Zwischenglas« bezeichnet. Diese überzogenen
Teile werden dann aneinandergelegt und einer Temperatur unterworfen, welche unterhalb
derjenigen liegt, die in den Glasteilen eine dauernde Spannung hervorruft. Die Temperatur
ist jedoch noch so hoch, daß das Zwischenglas mit den Glasteilen verschmilzt. Falls
es gewünscht wird oder falls es notwendig ist, können die Glasteile nach dem Verbinden
einem mechanischen oder hydraulischen Druck ausgesetzt werden.
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In der folgenden Tabelle sind fünf verschiedene Glassätze aufgeführt,
von denen die ersten drei sich auf ein Hartglas beziehen (Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3),
während die beiden letzten Glassätze (Nr. 4 und Nr. 5) ein niedrig schmelzendes
Zwischenglas wiedergeben. Der Ausdruck »Hartglas« bedeutet höherschmelzende Glasmessen,
wie beispielsweise die gewöhnlichen Kalk-Natron-Silikat-Gläser, zum Unterschied
gegenüber den niedrigschmelzenden Gläsern, welche im folgenden als Zwischenglas
bezeichnet werden.
| Tabelle I |
| Glassatz Nr. |
| 1 I 2 I 3 4 5 |
| Zusammensetzung in "/o |
| Si 02 ...................... 56,6 63,43 64,38 12,7 - |
| A12 03 ..................... 1,5 1,08 4,41 - - |
| CaO ...................... - 0,70 0,15 - - |
| Mg0 ...................... - - 0,10 - - |
| Ba0 ...................... 10,0 9,60 12,68 3,0 - |
| Na2 O ..................... 3,0 6,90 7,21 - - |
| K2 O ...................... 10,0 10,05 9,34 - - |
| Li20 ...................... - - 0,55 - - |
| Pb0 ...................... 18,9 7,54 - 72,3 71,0 |
| 12,0 17,0 |
| Zn Ö ...................... - - - - 9,0 |
| Cu o ...................... - - - - 3,0 |
| Sb203 ..................... - 0,40 0,51 - |
| F., ........................ - 0,52 1,15 - - |
| (-O2- Äquivalent) . . . . . . . . . . . - 0,22 0,48 - - |
| 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 |
| Faser-Erweichungstemperatur |
| in ° C ..................... 662 637 634 461 404 |
| Obere Grenztemperatur des Ent- |
| spannungsbereiches in ° C ... 457 440 434 403 330 |
| Untere Grenztemperatur des Ent- |
| spannungsbereiches in ° C ... 425 409 404 389 320 |
| Ausdehnungskoeffizient zwischen |
| 251 C und Entspannungstem- |
| peratur (- 10-7) . . . . . . . . . . . . 1.13 118 126
107 103 |
Die zufriedenstellendsten Ergebnisse werden erhalten, wenn der lineare Kontraktionskoeffizient
des weichen Glases etwa 5 bis 15 % geringer als der Kontraktionskoeffizient des
harten Glases im Temperaturbereich zwischen den entsprechenden Entspannungstemperaturen
der Gläser bis herab zur Zimmertemperatur (25° C) ist. Um einen derartig geringen
Kontraktionskoeffizient zu erreichen, muß das Zwischenglas zusätzlich eine Fasererweichungstemperatur
haben, die geringer ist als die Entspannungstemperatur der miteinander zu verbindenden
Hartglasteile. Dieses ist wünschenswert, um das Entstehen von Deformationen oder
Spannungen in den Hartglasteilen und auch in der durch das Zwischenglas gebildeten
Verbindungsschicht zu vermeiden. Beispielsweise können zwei aus Hartglas Nr. 2 bestehende
Glasteile miteinander verbunden werden, indem man das Zwischenglas Nr. 5 verwendet
und damit eine Verbindung schafft. Diese Gläser haben Entspannungstemperaturen von
440 bzw. 330° C und das Zwischenglas hat einen Kontraktionskoeffizient, welcher
annähernd 13 % kleiner als der des Glases Nr. 2 ist. Die Fasererweichungstempesatur
des Zwischenglases Nr. 5 von 404° C gestattet die Herstellung einer Verbindung mit
etwa dieser Temperatur, welche beachtlich unter der Entspannungstemperatur 440°
C des Hartglases Nr. 2 liegt. Das Zwischenglas Nr. 5 kann verständlicherweise benutzt
werden, um Glasteile zu verbinden, die aus Hartglassätzen Nr. 1, 2 und 3 zusammengesetzt
sind. Der Glassatz Nr. 3 hat
die niedrigste Entspannungstemperatur
(434° C) der Hartgläser, und diese Temperatur ist 30° höher als die Fasererweichungstemperatur
des Zwischenglases Nr. 5. Das Zwischenglas Nr. 4 ist zum Dichten oder Verbinden
der Glassorten Nr. 1 und Nr. 2 für Kathodenstrahlröhren ungeeignet, da dessen Fasererweichungstemperatur
bei 461' C liegt und die Entspannungstemperatur dieser zwei Hartglassorten überschreitet.
Das Zwischenglas Nr. 4 kann jedoch voraussichtlich verwendet werden, wenn die Temperaturen
zum Verbinden der Glasteile etwa 460° C erreichen und überschreiten können.
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Die folgende Tabelle zeigt die verschiedensten Kombinationen von harten
und weichen Gläsern, welche erfindungsgemäß miteinander verbunden wurden:
| Tabelle 11 |
| Kombination Prozentuale Verringerung Angenäherte |
| des Ausdehnungs- Verbindungs- |
| Weich- Hart- (oder Kontraktions-) Temperatur |
| glas glas Koeffizienten |
| 4 I 1 6/113 - (100) = 5% 461° C |
| 4 2 11/118 - (100) = 9% 4610 C |
| 5 1 10/113 (100) = 9% 404c C |
| 5 2 15/118 (100) = 13% 4040 C |
| 4 3 19/126 - (100) = 15% 461° C |
Die linearen Kontraktionskoeffizienten der Hartgläser liegen bei einem Temperaturbereich
zwischen den entsprechenden Anlaßtemperaturen und der Zimmertemperatur (25° C) in
einem Bereich von 100 bis 130 - 10-7. Gläser mit einem derartigen Kontraktionskoeffizienten
in einem solchen Bereich können mit den hier erwähnten Zwischengläsern bei niederen
Temperaturen miteinander verschmolzen werden, wobei die tatsächliche Temperatur
zum Verbinden die Fasererweichungstemperatur des Zwischenglases ist.
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Das Entspannen einer zusammengefügten und zusammengeschmolzenen Einheit,
welche aus zwei Glassorten, nämlich einer harten und einer weichen wie beispielsweise
Nr. 2 und Nr. 5, besteht, kann je nach dem gewünschten Zweck auf verschiedene Art
und Weise durchgeführt werden. Die folgenden Ergebnisse wurden bei nur aus Glas
bestehenden Kathodenstrahlröhren erhalten, deren Frontplatten mit den Röhrenteilen
verbunden waren. a) Wenn die verbundene Einheit entsprechend der für das Hartglas
Nr. 2 üblichen Behandlungsweise entspannt wird, ist das Zwischenglas Nr. 5 an der
Verbindungsstelle hinsichtlich seiner Belastung beim Abkühlen auf Zimmertemperatur
etwa neutral. Es wurden folgende Versuchsergebnisse erhalten:
| Muster Belastung in kg/cm2 bei Glas Nr. 2 |
| 1 10,5 Druck |
| 2 12,3 Druck |
| 3 16,2 Druck |
| 4 19,7 Spannung |
| 5 12,7 Spannung |
| 6 I 14,1 Spannung |
b) Wenn die verbundene Einheit von Glas Nr. 2 entspannt ist und von einer Temperatur
von 360° C, welche tiefer liegt als die untere Grenze des Entspannungsbereichs für
die Glassorte Nr. 2, abgekühlt wird, so kommt das Zwischenglas Nr. 5 beim Abkühlen
auf Raumtemperatur (25° C) unter eine geringere Spannung, und es ergeben sich folgende
Werte:
| Muster Belastung in kg/cm2 bei Glas Nr. 2 |
| 1 21,1 Druck |
| 2 45,0 Druck |
c) Wenn die verbundene Einheit entsprechend der Glassorte Nr.2 entspannt und entsprechend
dem Zwischenglas Nr. 5 behandelt wird, steht das Zwischenglas Nr.5 nach dem Abkühlen
auf Zimmertemperatur unter einem geringeren Druck. Es wurden folgende Werte gemessen:
| Muster Belastung in kg/cm2 bei Glas Nr. 2 |
| 1 24,6 Spanung |
| 2 21,8 Spannung |
Es muß berücksichtigt werden, daß in den obigen Beispielen die Belastungswerte sich
auf die Glassorte Nr. 2 beziehen. Für das Zwischenglas Nr. 5 ergeben sich Werte
der gleichen Größe, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen. Die besten Ergebnisse
werden erhalten, wenn man gemäß der Beispiele a) und c) die Entspannung durchführt,
obwohl auch in manchen Fällen das Beispiel b) zufriedenstellende Werte ergibt.
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Die maximale Verbindungstemperatur bei diesen Verfahren liegt bei
etwa 500° C. Natürlich ändert sich diese Temperatur je nach den verwendeten Zwischengliedern
und nach der Art der Zusammensetzung der Hartglasteile. Für die meisten Zwecke kann
dieses Verfahren bei maximalen Temperaturen von etwa 480° C durchgeführt werden.
Wenn die Erweichungstemperatur des Zwischenglases niedriger als die Entspannungstemperatur
und die Verformungstemperatur des höherschmelzenden Hartglases ist, kann das Verbinden
der Teile ohne das Entstehen von Spannungen oder von Änderungen in den miteinander
verbundenen Teilen durchgeführt werden. Die zweckmäßigste Verbindung wird mit Hartglasteilen
erreicht, deren Kontraktionskoeffizient identisch oder im wesentlichen gleich ist,
und mit Zwischengläsern, deren Kontraktionskoeffizient etwa 5 bis 15 % niedriger
liegt als die der Hartgläser, wobei weiterhin eine Fasererweichungstemperatur in
der Größenordnung von 400 bis 420° C zweckmäßig ist.
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Unter Entspannungstemperatur soll verstanden werden die obere Grenztemperatur
des Entspannungsbereiches, unter Verformungstemperatur die untere Grenze des Entspannungsbereiches.
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Unter »Fadenerweichungstemperatur« soll diejenige Temperatur verstanden
werden, bei der eine gleichförmige Glasfaser mit 0,5 bis 1 mm Durchmesser und 22,9
cm Länge sich unter dem Eigengewicht mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/Min. verlängert.
wenn
die oberen 10 cm der Glasfaserlänge in einem bestimmt vorgeschriebenen Ofen mit
einer Temperaturzunahme von 5° C je Minute beheizt wird. Für ein Glas mit einer
Dichte von 2,5 entspricht diese Temperatur einer Viskosität von 107,6 Poise.
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Es können die verschiedensten Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
durchgeführt werden, ohne daß das Wesen der Erfindung geändert wird.