DE19546997A1 - Verfahren zum Verbinden von metallischen Teilen mit nichtmetallischen Teilen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von metallischen Teilen mit nichtmetallischen Teilen

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Description

Zum Verbinden von Teilen aus Aluminium mit Teilen aus Kera­ mik, wird zunächst der vorgesehene Verbindungsbereich der Ke­ ramikteile durch Einbrennen einer Metallpaste, durch thermi­ sches Spritzen oder dergleichen metallisiert, so daß an­ schließend die eigentliche Verbindung durch Hartlöten vorge­ nommen werden kann. Es ist auch bereits bekannt, zum Verbin­ den von Teilen aus Metall mit Teilen aus Glas, zunächst die Glasteile mittels Ultraschall zu beloten und anschließend die gewünschten Verbindungen durch Weichlöten herzustellen. Di­ rekte Schweißverbindungen zwischen Teilen aus Aluminium und Teilen aus Glas durch Anwendung von Ultraschall, sind eben­ falls möglich.
Es ist auch bereits gelungen, Rundstäbe aus Aluminium mit Rundstäben aus Keramik durch Rotationsreibschweißen stirnsei­ tig zu verbinden. Nachteilig ist dabei jedoch die abnehmende Relativbewegung zum Mittelpunkt der Teile hin. Außerdem muß mindestens eines der beiden zu verbindenden Teile eine rota­ tionssymmetrische Form aufweisen.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, ein einfaches Verfahren zum Verbinden von metalli­ schen Teilen mit nichtmetallischen Teilen aufzuzeigen, das insbesondere auch qualitativ hochwertige Verbindungen von Teilen aus Aluminium mit Teilen aus Glas oder Keramik ermög­ licht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Vibra­ tionsschweißen mit einer Vibrationsbewegung durch rotierende Schwingungen innerhalb der Schweißebene und mit einer senk­ recht zur Schweißebene wirkenden Anpreßkraft Teile aus Alumi­ nium oder Kupfer mit Teilen aus Glas oder Keramik gegebenen­ falls ohne Zwischenschichten direkt miteinander verschweißt werden können. Derartige direkte Schweißverbindungen können aber auch zwischen anderen metallischen und nichtmetallischen Teilen hergestellt werden. Von entscheidender Bedeutung für die sichere Verbindung von metallischen und nichtmetallischen Teilen ist, daß bei der geschilderten Art des Vibrations­ schweißens, die häufig auch als Orbitalschweißen oder als Or­ bitalvibrationsschweißen bezeichnet wird, die Reibbewegung für alle Punkte innerhalb der Schweißfläche identisch ist und dadurch ein gleichmäßiges Verschweißen der Teile bewirkt wird. Somit können auch nicht rotationssymmetrische Teile ge­ gebenenfalls ohne Zwischenschichten direkt miteinander ver­ schweißt werden. Da die Fügelfläche nicht aufgeschmolzen wer­ den muß, ergibt sich bezüglich der Werkstoffauswahl eine grö­ ßere Anwendungsbreite als beim Lichtbogenschweißen und ähnli­ chen Schweißverfahren.
Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ hen aus den Ansprüchen 2 bis 4 hervor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 das Prinzip des Orbitalvibrationsschweißens,
Fig. 2 die Anwendung des in Fig. 1 dargestellten Prinzips zur Verbindung von metallischen und nichtmetalli­ schen Teilen,
Fig. 3 die Anwendung des Orbitalvibrationsschweißens zum Metallisieren von Keramikscheiben beim Aufbau von elektrisch isolierenden Wärmesenken für Leistungs­ halbleiter,
Fig. 4 eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Anwendung mit einer direkten Schweißverbindung zwischen Kera­ mikscheibe und dem zur Wärmeabfuhr dienenden Metall­ block und
Fig. 5 einen vakuumdichten Verschluß eines hohlzylindri­ schen Keramikisolators mit einem Metallflansch.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstel­ lung das Prinzip des Orbitalvibrationsschweißens mit einem feststehenden Unterteil UT zur Aufnahme eines ersten Teils und einem beweglichen Oberteil OT zur Aufnahme eines zweiten Teils. Das Oberteil OT führt Vibrationsbewegungen durch ro­ tierende Schwingungen innerhalb der Schweißebene aus, wobei die rotierenden Schwingungen in Fig. 1 durch einen Pfeil RS angedeutet sind. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten kreis­ förmigen Schwingungsbahnen, die beispielsweise Durchmesser zwischen 0,3 und 0,7 mm aufweisen, können auch elliptische oder andere, in sich geschlossene Schwingungsbahnen mit Er­ folg verwendet werden. Wichtig ist dabei jedoch, daß bei den Schwingungen keine Beschleunigungsumkehr auftritt. Senkrecht zur Schweißebene wirkt eine Anpreßkraft AP, mit welcher die zu verbindenden Teile beim Schweißvorgang zusammengedrückt werden. Die Anpreßkraft AP kann gegebenenfalls auch während des Schwingungsvorganges geregelt oder gesteuert werden.
Vorrichtungen zum Orbitalvibrationsschweißen werden bei­ spielsweise durch die Firma BRANSON ULTRASCHALL, Waldstraße 53-55, D-63128 Diezenbach, vertrieben. Bei den Schweißvor­ richtungen dieser Firma wird die orbitale Charakteristik der Bewegung durch drei Elektromagnete erzeugt, die horizontal und im Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Ihre Ma­ gnetkräfte wirken ähnlich dem Elektromotorprinzip auf die Vorrichtung im harmonischen Wechsel: Die nachlassende Magnet­ kraft eines Elektromagneten wird durch die Anziehung des be­ nachbarten Elektromagneten richtungsändernd kompensiert. Das bewirkt ein rotierendes Ausschwingen der Vorrichtung, die durch benachbarte vertikal kraftaufnehmende Rundfedern aber zu einer absolut horizontalen Bewegung gezwungen wird. Das obere Schweißteil ist in der schwingenden Vorrichtung einge­ spannt, so daß sich gegenüber dem unteren starr fixierten Schweißteil eine kontrollierte Relativbewegung einstellt. Es resultiert eine Reibbewegung, die für alle Punkte innerhalb der Schweißfläche identisch ist und somit zum gleichmäßigen Verschweißen der Teile führt.
Die so erzwungene orbitale Bewegung des Schweißteils unter­ scheidet sich zu verwandten Vibrationstechniken dadurch, daß die Vibrationsbewegung durch die rotierende Schwingung kon­ stant ist und in Verbindung mit der vertikal wirkenden An­ preßkraft in keiner Richtung zu einer zu hohen Scherkraft führt.
Fig. 2 zeigt die Anwendung des Orbitalvibrationsschweißens zur Verbindung eines metallischen Teils T1 mit einem nichtme­ tallischen Teil T2. Analog zu dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip sind die rotierenden Schwingungen des Teils T1 und die Anpreßkraft durch Pfeile RS und AP angedeutet. Die Schweißverbindung wird durch Aneinanderreiben der beiden zu verbindenden Teile T1 und T10 erzeugt. Sobald die Schweißver­ bindung in der Fügezone erreicht ist, schließt sich eine Hal­ tezeit ohne rotierende Schwingungen RS an.
Fig. 3 zeigt die Verbindung eines scheibenförmigen Teils T2 aus einem lötbaren Metall mit einem scheibenförmigen Teil T20 aus Keramik durch Orbitalvibrationsschweißen. Auf die durch das Teil T2 gebildete Metallisierung der Keramik wird dann ein Metallblock MB aufgelötet, welcher seinerseits aufgekleb­ te Halbleiter HL trägt. Durch eine derartige Metallisierung von Keramikscheiben durch Orbitalvibrationsschweißen wird insbesondere der Aufbau von elektrisch isolierenden Wärmesen­ ken für Leistungshalbleiter ermöglicht.
Fig. 4 zeigt eine direkte Verbindung eines blockförmigen Teils T2 aus einem gut wärmeleitenden Metall wie z. B. Kupfer, mit einem scheibenförmigen Teil T30 aus Keramik durch Orbi­ talvibrationsschweißen. Wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, trägt auch hier wieder das als Metall­ block zur Wärmeableitung dienende Teil T3 Halbleiter HL.
Fig. 5 zeigt eine direkte Verbindung eines aus einem Lot be­ stehenden scheibenförmigen Teils T4 mit einem Teil T40, bei welchem es sich um einen hohlzylindrischen Keramikisolator handelt. Die durch das Teil T4 gebildete Lotschicht, bei wel­ cher es sich beispielsweise um ein Silberlot handelt, ermög­ licht einen vakuumdichten Verschluß des hohlzylindrischen Ke­ ramikisolators durch Auflöten eines Metallflansches MF.
Bei einer Variante des in Fig. 5 dargestellten Ausführungs­ beispiels besteht das Teil T4 aus Aluminium, so daß der Me­ tallflansch MF mit diesem Teil T4 anstelle des Hartlötens durch Orbitalvibrationsschweißen verbunden werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbinden von metallischen Teilen (T1; T2; T3; T4) mit nichtmetallischen Teilen (T10; T20; T30; T40), insbesondere von Teilen aus Aluminium oder Kupfer mit Teilen aus Glas oder Keramik, durch Vibrationsschweißen, mit einer Vibrationsbewegung durch in sich geschlossene und für alle Punkte innerhalb der Schweißfläche identische Schwingungsbah­ nen und mit einer senkrecht zur Schweißfläche wirkenden An­ preßkraft (AP).
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Verbinden von scheibenförmigen Teilen (T2) aus einem lötbaren oder schweiß­ baren Metall mit Teilen (T20) aus Glas oder Keramik.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Verbinden von scheibenförmigen Teilen (T4) aus einem Lot mit Teilen (T40) aus Glas oder Keramik.
4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Verbindung von metallischen Teilen mit Teilen aus Glas oder Keramik bei der Herstellung von Vakuumschaltern, Vakuumrelais, Röntgen­ röhren oder Senderöhren.
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