DE19541241C2

DE19541241C2 - Verfahren zum Verschweißen zweier aus Glas bestehender Bauteile mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE19541241C2
Application number: DE1995141241
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof Dr Ing Roeder; Daniel Solbach; Guntram Dipl Ing Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2015-11-07
Also published as: DE19541241A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ver schweißen zweier aus Glas bestehender oder mit Glas beschichteter Bauteile.

Schweißverfahren per se sind seit langem bekannt. Es ist auch bekannt, Glas zu verschweißen. Dabei ist einerseits bekannt, zwei Glasbauteile miteinander zu verschweißen und anderer seits, Glas mit einem anderen Werkstoff wie Metall zu ver schweißen.

Aus dem Artikel "Schweißen von technischem Glas" von G. Weng ler, Schweißtechnik 24, 1974, Heft 1, Seite 15, ist bekannt, daß in erster Linie Gasschweißen, elektrisches Widerstands schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserstrahlschweißen und Diffusionsschweißen zum Verbinden von Glas anwendbar sind.

Der Glasschweißprozeß kann dabei im allgemeinen in drei Phasen unterteilt werden, nämlich das Erwärmen auf Schweißtemperatur, das Verschweißen und das Abkühlen. Die Temperaturen bzw. Zä higkeiten, bei denen geschweißt wird, sind in erster Linie von der chemischen Zusammensetzung des Glases, der Gestalt der Glaskörper und dem Schweißverfahren abhängig. Der allgemeine Charakter der Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit ist für al le Gläser ähnlich. Das Schweißen von Gläsern erfolgt - wenn das Preßschweißen angewendet wird - in der Regel bei Viskosi täten von 10⁶ bis 10³ poise. Bei Borosilicatgläsern liegt die ser Wert bei etwa 10⁴ poise, was Temperaturen von etwa 1200°C entspricht.

Ein Schweißen mit Ultraschall ist in dem Dokument nicht erwähnt.

Bei Anwendung elektrischer Schweißverfahren ist gemäß vorzi tiertem Stand der Technik ebenfalls erforderlich, das Glas in geeigneter Form bis auf Temperaturen vorzuwärmen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit gewährleistet ist. Bei den Boro silicatgläsern sind das etwa 500° bis 600°C. Vorgewärmt wird in der Regel mit Gasflammen. Es ist aber z. B. auch möglich, Wärmestrahler einzusetzen oder mit abbrennenden Graphitstrei fen zu arbeiten.

Aus dem Artikel "Diffusionsschweißen von Glaskeramik'ilmavit 40", von G. Köhler et al., Schweißtechnik Band 32, 1982, Sei ten 254 ff., ist bekannt, daß mit zunehmender Schweißtempera tur die Qualität einer Diffusionsschweißverbindung von Glas besser wird. Dies äußert sich unter anderem in der geringer werdenden Nachweisbarkeit der Grenzschicht zwischen den Proben innerhalb der Grundglasmatrix. An einigen Stellen ist zudem ein Kristallwachstum über die Grenzschicht hinaus festzustel len.

Problematisch ist, daß bei zu hohen Schweißtemperaturen eine Probendeformation eintritt, so daß die Schweißtemperatur nicht beliebig hoch gewählt werden kann. Hinsichtlich des Schweiß druckes führt der Stand der Technik aus, daß sich mit steigen dem Druck die Anzahl der Fehlstellen in der Verbindungszone verringert und dadurch der Grenzflächenkontakt zwischen den zu verbindenden Oberflächen verbessert, sodaß die Möglichkeit des Zustandekommens von Diffusionsvorgängen steigt. Letztlich er höht sich so mit steigendem Druck die Festigkeit der Verbin dung.

Nach dem Artikel "Diffusionsschweißen extrem genauer Glas- Glas-Verbindungen" von G. Köhler et al., Schweißtechnik Band 32, Seiten 484 ff., ist das Ziel jeder Schweißung, unabhängig vom Verfahren, die Herstellung eines Stoffschlusses. Als Stoff schluß verursachende Bindungen zählen Atom-, Ionen-, Metall- und entsprechende Mischbindungstypen.

Um dies zu erreichen, sind hohe Vorwärmtemperaturen erforderlich.

Bei Gläsern sind dabei nach vorbekann tem Stand der Technik Temperaturen im Transformationsgebiet notwendig. Dabei werden die Oberflächenschichten zerrissen, manche werden auch in den Grundwerkstoff gelöst, und es spie len sich umfangreiche Diffusionsprozesse (Leerstellenbildung und -wanderung) an den Oberflächen in den darunterliegenden Zonen oder gar im Volumen ab.

Es wird gefolgert, daß man ausgehend von einem einfachen phy sikalischen Kontakt zum Stoffschluß nur durch Wärmebehandlung kommen kann.

Das Ultraschallschweißen von Glas und Glaskeramik mit Metall ist bereits bekannt, vergl. beispielsweise den Auf satz "Ultraschallschweißen von Glas und Glaskeramik mit Me tall" in "Schweißen und Schneiden" Bd. 45 (1993), Seite 198. Dort ist ausgeführt, daß das Fügen dieser Materialien mit Ul traschall möglich ist, da die beim Verschweißen auftretenden Temperaturen deutlich unterhalb der Fügetemperatur anderer stoffschlüssiger Verbindungstechniken wie des Schmelzverbin dungsschweißens bleiben und insofern die durch unterschiedli che thermische Ausdehnung erfolgte Materialbelastung verrin gert ist.

Glas-Glas-Ultraschallschweißverbindungen sind nicht erwähnt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin die schweißtechnische Herstellung von Glas-Glas-Verbindung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen werden in abhängiger Form bean sprucht.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Ver schweißen mindestens zweier aus Glas bestehender Bauteile mit tels Ultraschall und ermöglicht weiterhin dieses Verfahren des Verschweißens auf beschichtete Bauteile aus Glas sowie von an ders- bzw. gleichartigen Bauteilen, auf die Glas als Schicht aufgebracht ist, zu verwenden. Die Verbindung letztgenannter Bauteile vollzieht sich dabei über die Schichten aus Glas.

Es wird weiter vorgeschlagen, daß zum Verschweißen der Bautei le ein Teil mittels einer Werkstoffaufnahme (Amboß) einer Ul traschallschweißanlage festgelegt und ein zweites Bauteil flä chig aufgelegt wird. Mit einem Anpreßdruck zwischen 1 bis 100 N/mm² bezogen auf die Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges wird nunmehr die Sonotrode eines Ultraschallschweißgerätes auf ei nes der freiliegenden Bauteile gesetzt. Das Verschweißen er folgt dadurch, daß eines der freiliegenden Bauteile zu einer parallel zu den Verbindungsflächen der Bauteile verlaufenden Schwingung der Frequenz 20 kHz ≦ f ≦ 150 kHz und der Amplitude 5 < a < 40 µm angeregt wird. Die Dauer der Schwingungseinwir kung liegt zwischen 0,05 s < t < 10 s. Die erforderliche Schwingungs- bzw. Schweißleistung beträgt mindestens 0,5 W/mm² bezogen auf die Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges.

Vorteilhaft ist es, wenn man die Bauteile vor dem Verschweißen auf eine Temperatur von mindestens 100°C bis maximal zur Er weichungs- bzw. 2/3 der absoluten Schmelztemperatur der ver wendeten Werkstoffe vorwärmt.

Durch die zusätzliche Erwärmung erhält man nicht nur eine ho mogene ganzflächige Schweißverbindung hoher Festigkeit, son dern es kann auch die beim Ultraschallschweißen der Bauteile aufzuwendende und gelegentlich zur Zerstörung der Bauteile führende Schallenergie gemindert werden. Es werden beide Bau teile bis auf eine Temperatur von mindestens 100°C bis maxi mal der Erweichungs- bzw. 2/3 der absoluten Schmelztemperatur der verwendeten Werkstoffe vorgewärmt. Sodann wird die So notrode oder der Sonotrodeneinsatz abgesenkt und die Schwei ßung mit einem Anpreßdruck zwischen 1 bis 100 N/mm² bezogen auf die Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges vollzogen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn man während der Vorwärmung der Bauteile die Temperatur dieser oder eines dieser Bauteile überwacht und bei Erreichen der Temperatur von vorzugsweise mindestens 100°C die Sonotrode bzw. den Arbeitseinsatz der Sonotrode auf die zu verschweißenden Bauteile absenkt und die zu verbindenden Teile verschweißt. Für den halb- oder vollau tomatischen Betrieb des Verschweißens der Teile ist es vor teilhaft, auch die Dauer des Ultraschallschweißvorganges genau zu messen, und zwar so, daß nach Ablauf der voreingestellten und vorgegebenen Schweißzeit oder Schweißenergie der Schweiß vorgang beendet wird.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt die einzige Figur eine Ultraschallschweißanlage.

Fig. 1 zeigt mit Bezugszahl 1 einen Amboß, mit Bezugszahl 2 Bauteile, mit Bezugszahl 3 eine Sonotrode, mit Bezugszahl 4 die Ultraschallschwingung u und mit Bezugszahl 5 die Fügekraft F. Solche Ultraschallschweißanlagen gehören per se zum Stand der Technik. Mit dieser Ultraschallschweißanlage kann erfin dungsgemäß gearbeitet werden wie folgt:

Zum Verschweißen der Bauteile 2 wird ein Teil mittels einer Werkstückaufnahme 1 einer Ultraschallschweißanlage festgelegt und ein zweites Bauteil flächig aufgelegt. Mit einem Anpreß druck F zwischen 1 bis 100 N/mm² bezogen auf die Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges 3 wird nunmehr die Sonotrode 3 eines Ultra schallschweißgerätes auf eines der freiliegenden Bauteile 2 ge setzt.

Die Bauteile 2 bestehen dabei aus Glas. Weiterhin ermöglicht dieses Verfahren das Verschweißen von anders- bzw. gleicharti gen Bauteilen, auf die Glas als Schicht aufgebracht ist. Die Verbindung letztgenannter Bauteile vollzieht sich dabei über die Schichten aus Glas.

Je nach Art des Materials und der Abmessungen der Bauteile 2 kann es vorkommen, daß die Bauteile 2 gegen die beim Ultra schallschweißen auftretenden Belastungen nicht hinreichend wi derstandsfähig sind. Davon ist zumeist das unmittelbar mit dem Schweißwerkzeug 3 in Verbindung stehende Bauteil betroffen. Beim Auftreten von Schäden, die zu einer ungewollten Auflösung der Verbindung führen, ist das durch das Ultraschallschweißen ent standene Bauteil Ausschuß. Mindert man die zum Schweißen der Teile erforderliche Schallenergie, können innerhalb der Schweißverbindung dennoch Fehlstellen auftreten. Diese beein trächtigen die Verwendbarkeit des entstandenen Bauteils im späteren Betrieb jedoch nicht. Als Ausschuß hat das entstande ne Bauteil in diesem Fall nur dann zu gelten, wenn die Schal lenergie nicht zu einem dauerhaften Verbinden der Bauteile ge führt hat bzw. die Schweißung überhaupt nicht zustande gekom men ist.

Claims

1. Verfahren zum Verschweißen zweier aus Glas bestehender oder mit Glas beschichteter Bauteile mittels Ultraschallschweißen, bei dem das eine Bauteil festgehalten wird, das andere Bauteil flächig aufgelegt und angepreßt wird und darauf die Ultraschallschwingung parallel zur Auflagefläche aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Anpreßdruck von 1 bis 100 N/mm² beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingung eine Frequenz f zwischen 20 kHz ≦ f ≦ 150 kHz aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Dauer der Schwingungsein wirkung t zwischen 0,05 s < t < 10 s beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Schwingungs- bzw. Schweißleistung mindestens 0,5 W/mm² bezogen auf die Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges be trägt.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, worin die parallel zu den Verbindungsflächen verlaufende Schwingung der Amplitude a zwischen 5 < a < 40 µm angeregt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das festgehaltene Bauteil in einer Werkstückaufnahme aufgenommen wird und die So notrode auf eines der freiliegenden Bauteile gesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Bauteile auf eine Tempera tur von mindestens 100°C bis maximal der Erweichungs- bzw. 2/3 der absoluten Schmelztemperatur der verwendeten Werkstoffe vorwärmt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Bauteile während ihrer Vorwärmung, während des Schweißvorganges und der Abkühlung überwacht wird, wobei bei Erreichen ei ner definierten Temperatur die Sonotrode und/oder der Ar beitseinsatz der Sonotrode auf eines der nicht festlie genden Bauteile abgesenkt und die Schweißung vollzogen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schweißdauer oder die Schweißenergie zum Verschweißen der aus Glas bestehenden Bauteile überwacht und die Schweißung automatisch vollzo gen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Glas als Schicht auf ein anders- bzw. gleichartiges Bau teil aufgebracht ist und sich das Verschweißen über die Schichten aus Glas vollzieht.