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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer
gasdichten Ultraschall-Lötverbindung bei niedrigen Temperaturen.
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Evakuierte
Wärmedämmsysteme (z. B. Vakuumisolationspaneele,
Vakuumisolierglas, Vakuumkollektoren) finden zunehmend Anwendung
im Gebäudebereich. Solche Systeme müssen über
mehrere Jahrzehnte einen definierten Unterdruck aufrechterhalten
um ihre Wärmedämmwirkung zu gewährleisten.
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Ein
großes Problem stellt bei all diesen Systemen die Herstellung
eines langzeitstabilen und ausreichend hochvakuumdichten Randverbundes dar.
Angestrebt wird hierbei in der Regel eine Glas-Metall-Verbindung,
da diese beiden Materialien einen flexiblen gasdichten Verbund ermöglichen. Prinzipielle
Möglichkeiten zur Herstellung solcher Glas-Metall-Verbindungen
sind z. B. Ultraschallschweißen, Ultraschalllöten
oder die Verwendung von Glas- und Metallloten in Verbindung mit
Schichten auf dem Glas oder Metall. Weitere Verfahren bzw. Vorrichtungen,
wie z. B. eine Glas-Glas-Verbindung durch Glaslot werden hier nicht
betrachtet, da bei diesen Vorrichtungen bzw. Verfahren ein starrer
Randverbund größere geometrische Abmessungen von Glasflächen
nicht zulässt. Klebeverbindungen sind aus Gründen
der Ausgasung im Vakuum ebenso nicht geeignet.
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Beim
Ultraschallschweißen lassen sich zwar mechanisch stabile
Glas-Metall-Verbindungen erzielen, jedoch ist bei diesem Verfahren
die Prozeßsicherheit, vor allem bei Verbindungen im Längenbereich
mehrerer Meter, problematisch. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnung von Glas und Metall und der Einkopplung von Energie beim
Ultraschallschweißprozess entstehen thermische Spannungen
die bei längeren Schweißnähten zu Beschädigungen
der Glasoberfläche und damit zu Undichtigkeiten führen
können. Die Verwendung weicher Metalle wirkt sich hier
günstig aus und reduziert die auftretenden thermischen
Spannungen. Jedoch lassen sich weiche Metalle nur mit geringerer
Energie schweißen und haften in geringerem Maß am
Glas an, so dass sich auch hier keine gasdichten Verbindungen erzielen
lassen.
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Bei
der Verwendung von Glas oder Metallloten muss das Lot zunächst
unter Zwischenlage von Beschichtungen auf einen oder beiden Seiten
der Glasscheiben als Fügepartner benetzend aufgebracht
werden Denn wegen der unvermeidbaren Ausgasung bei der Verwendung
von Flussmittel kann dieses im Bereich von Vakuum-Anwendungen nicht gebraucht
werden. Anschließend werden die Fügepartner aufeinander
gelegt und unter Einfluss von Druck und Temperatur verlötet.
Hierzu ist jedoch eine relativ aufwendige Verfahrenstechnik notwendig
um einerseits die notwendige Wärme gleichmäßig über die
ganze Fläche einzukoppeln und andererseits den Anpressdruck
gleichmäßig aufzubringen. Zudem gilt es die Bildung
von Oxidationen durch Vakuum oder Schutzgas etc. zu vermeiden.
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Alternativ
kann Ultraschallöten unter Verwendung von (teuerem), so
genannten Aktivlot erfolgen. Eine weitere Alternative besteht im
Ultraschalllöten mit zusätzlicher (einfacher)
Beschichtung.
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Durch
das Verfahren bzw. Vorrichtung des Ultraschalllötens lassen
sich prinzipiell sowohl Glas als auch Metalle sehr gut benetzen.
Die Einkopplung des Ultraschalls in das Lot führt zu einer
Zerstörung von Oxiden die sich an der Oberfläche
bilden und den Lötvorgang behindern. Durch die Ultraschallenergie wird
dabei das Lot selbst in kleine Kavitäten gepresst, die
sonst nicht zugänglich wären und mögliche
Leckagen bilden könnten. Im Wesentlichen lassen sich beim
Ultraschalllöten 3 verschiedene Verfahren bzw. Vorrichtugen
unterscheiden.
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Bei
dem so genannten einstufigen Verfahren bzw. Vorrichtung wird das
Lotmaterial eingeschichtet und im Anschluss werden beide Fügepartner
zusammengefügt. Dies kann zum Beispiel durch Ultraschallanregung
eines Fügepartners und Erhitzen geschehen.
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Bei
dem so genannten zweistufigen Verfahren bzw. Vorrichtung werden
ein Fügepartner, oder auch beide, durch Ultraschalllöten
mit entsprechendem Ultraschalllotmaterial benetzt und im Anschluss zusammengefügt.
Dies kann zum Beispiel durch Erhitzen und Einwirken einer Druckkraft
geschehen. Eventuell kann auch der Einsatz eines zweiten konventionellen
Lotmaterials erfolgen.
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Bei
dem so genannten Tauchverfahren bzw. Vorrichtung wird das Lot in
einem Bad erhitzt und durch Ultraschall angeregt. Die Fügepartner
werden dann in das Bad eingetaucht und zusammengefügt.
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Diese
genannten Verfahren bzw. Vorrichtung lassen sich beliebig miteinander
kombinieren, zum Beispiel indem das Benetzen der beiden Fügepartner in
dem zweistufigen Verfahren durch Tauchtöten erfolgt.
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Für
das Aufbringen großformatiger Halbzeuge wie zum Beispiel
Bleche oder Bandmaterial weisen die beschriebenen Verfahren bzw.
Vorrichtungen jedoch die folgenden Nachteile auf.
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Bei
dem einstufigen Verfahren bzw. Vorrichtung ist die Größe
der Fügepartner begrenzt. Zum Beispiel ist hier eine technische
Prozessführung mittels Zuführung von Bandmaterial
von einer Rolle nicht möglich. Die Konstruktion einer speziellen
Ultraschalllötvorrichtung für flexible Formate
und/oder Massen ist sehr aufwändig und muss zudem in den benötigten
verschiedenen Ausführungen vorgehalten werden.
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Das
Hauptproblem bei dem einstufigen Verfahren bzw. Vorrichtung ist
jedoch das, dass die Lötwirkung durch einen der Fügepartner
hindurch erzielt werden muss. Während der Ultraschalllötkolben
auf dem oberen Fügepartner aufliegt, muss die Ultraschallschwingung
durch diesen Fügepartner hindurch mit ausreichender Energie
zum Lot gelangen. Dies ist zum Beispiel beim Auflöten selbst
eines dünnen Edelstahlbleches (0,5 mm Blechdicke) auf eine Glasscheibe
selbst mit großer Ultraschallenergie sehr schwer zu erreichen.
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Bei
der zweistufigen Vorrichtung kann durch das konventionelle Zusammenfügen
keine lunkerfreie Verbindung garantiert werden, das heißt,
es besteht immer die Gefahr des Einschlusses von Luftblasen. Durch
den anschließenden Erhitzungsprozess verschlechtert sich
zudem die Bindungsqualität (Haftfestigkeit, Stabilität)
wegen der zunehmenden Oxidbildung, falls keine weitere Anregung
durch Ultraschall erfolgt oder Schutzgas eingesetzt wird. Eine solche
weitere Anregung durch Ultraschall würde einen entsprechend
geformten großflächigen Ultraschallstempel erfordern,
der zudem, wie bei den Ausführungen zur einstufigen Vorrichtung
bemerkt, durch einen der Fügepartner hindurch wirken müsste.
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Bei
dem Tauchverfahren bzw. Vorrichtung nimmt die chemische Reaktivität
des Lotmaterials mit zunehmender Standzeit des Ultraschallbades
ab, da eine Reaktion mit dem umgebenden Luftsauerstoff stattfindet.
Wird der Luftsauerstoff zum Beispiel durch eine Schutzgasatmosphäre
abgeschirmt, so kann der für die Flüssig-Festkörper-Reaktion
benötigte Sauerstoff ebenfalls die Fügestelle
nicht erreichen.
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Entsprechend
der geometrischen Abmessungen der Fügepartner ist der Einsatz
an Lotmaterial sehr hoch.
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Zum
Stand der Technik aus der Patentliteratur wird auf die
DE 600 38 288 T2 verwiesen.
Aus dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung zum Bilden einer luftdichten
Abdichtung zwischen zwei Stücken aus Glas bekannt, um eine
entleerte Doppelverglasungseinheit zu bilden. Bei dieser Vorrichtung
sollen Temperaturen von etwa 200°C nicht überschritten
werden um die Verwendung von Hochleistungsbeschichtungen mit geringer
Emittanz, d. h. weich beschichteten Beschichtungen mit geringer
Emittanz und von gehärtetem Glas zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe im Wesentlichen dadurch, dass
in dem Bereich der Abdichtung eine oder mehrere Schichten aus Indium
oder einer Indiumlegierung auf jedes Stück Glas aufgebracht
werden, diese durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht und zusammengefügt
wird, wobei jede Schicht unter der Verwendung einer Ultraschalllöttechnik
auf dem Glas abgelagert wird.
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Zur
Herstellung einer gasdichten Glas-Metall-Verbindung bei größeren
geometrischen Abmessungen ist diese Vorrichtung jedoch nicht geeignet, da
es einen starren Randverbund der Doppelverglasungseinheit ergibt.
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Der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, liegt deshalb die
Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallfügeverfahren bei einer
Temperatur unter 250°C zur Verfügung zu stellen
mit dem sich auf einfache Weise eine Verbindung schaffen lässt,
die sich durch eine niedrige Gaspermeationsrate auszeichnet. Die
Verbindung soll zwischen mindestens einer der nachstehend genannten
Werkstoffklassen Glas, Keramik, Kunststoff und Metall oder Kombinationen
dieser Werkstoffklassen zu einem Verbundwerkstoff hergestellt werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden
näher beschrieben, Es zeigen dabei im Einzelnen:
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1:
Die Gaswärmeleitung eines evakuierten Wärmedämmsystems
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2:
Die Darstellung der einstufigen Vorrichtung,
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3:
Die Darstellung des zweistufigen Vorrichtung
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4:
Die Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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5:
Das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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6:
Die Darstellung der dreieckigen Strukturierung
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7:
Die Darstellung weiterer Möglichkeiten der Strukturierung
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8:
Die Übersicht über die verschiedenen Vorrichtungs-Stationen
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In
der 1 ist die Abhängigkeit des Wärmedurchlasskoeffizienten
eines evakuierten Wärmedämmsystems vom jeweiligen
in ihm herrschenden Unterdruck am Beispiel eines Vakuumisolierglases mit
einem Scheibenabstand von 1 mm dargestellt. Ein großes
Problem stellt bei all diesen Systemen die Herstellung eines langzeitstabilen
und ausreichend hochvakuumdichten Randverbundes dar. Angestrebt wird
hierbei in der Regel eine Glas-Metall-Verbindung, da diese beiden
Materialien an sich sehr gasdicht sind.
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Die 2 und 3 zeigen
den eingangs beschriebenen Sachverhalt in einer bildlichen Darstellung.
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Einstufige Vorrichtung (2)
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Zwischen
beide Fügepartner wird das Lotmaterial eingeschichtet (2a) und im Anschluss werden beide Fügepartner
zusammengefügt (z. B. durch Ultraschallanregung eines Fügepartners
und Erhitzen (2b und 2c)
Zweistufige Vorrichtung (3)
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Ein
oder beide Fügepartner werden durch Ultraschalllöten
mit entsprechendem Ultraschallmaterial benetzt (3b)
und im Anschluss zusammengefügt, z. B. durch Erhitzen und
Krafteinwirkung, eventuell durch den Einsatz eines zweiten konventionellen
Lotmaterials (3c und 3d)
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In
der 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
ebenfalls bildlich dargestellt. Ein entsprechend der Erfindung strukturierter
Fügepartner A 5 (4a)
wird mit dem Fügepartner A 1 in Kontakt gebracht.
Das Lot 3 wird z. B. über einen Ultraschalllötkolben 4 zugeführt
(4b), das Lot dringt sodann durch
die Strukturierung des Fügepartners A 5 in den
Lotspalt und verbindet die beiden Fügepartner gasdicht
(4c).
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Der
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht darin durch eine
spezielle Strukturierung eines Fügepartners 1, 2 die
Einkopplung der verwendeten Ultraschallenergie so zu erleichtern,
dass sie das darunter liegende Lot in ausreichendem Maß erreicht.
Diese Strukturierung unterteilt den betreffenden Fügepartner
in kleinere Abschnitte. In diesem Fall ist das der in Richtung des
Ultraschallsignals oben liegenden Metallstreifen. Die Eigenfrequenz dieser
kleineren Abschnitte ist hierbei derart ausgebildet, dass diese
Abschnitte durch die Einkopplung eines Ultraschallsignals auch mit
geringerer Energie in Schwingung versetzt werden und diese Schwingung
an das darunter liegende Lot weitergeben können. Die Eigenfrequenz
dieser Abschnitte wird zur Erzielung einer optimalen Energieübertragung
bevorzugt so gewählt, dass sie in Resonanz mit der Anregungsfrequenz
des Ultraschallsignals gehen muss. Anstelle dieser Anregungsfrequenz
selbst können auch deren Harmonische gewählt werden.
In bevorzugter Ausführungsform können diese Abschnitte auch
so gewählt sein, dass deren Hauptabmessungen in Resonanz
mit der Anregungsfrequenz des Ultraschallsignals in Resonanz gehen
und deren Mikrolamellen 7 mit deren Harmonischen.
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Durch
diese Wahl der Strukturierung ist es sogar möglich das
Lot 3 durch den oben befindlichen Fügepartner
hindurch zu applizieren. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig
das Lot 3 vorher zwischen die Fügepartner 1, 2 einzubringen,
sondern das Lot 3 wird, gewissermaßen über
die Abschnittsgrenzen des oben liegenden strukturierten Fügepartners,
mittels der solcherart angebotenen Lotspalte, in den Zwischenraum
zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2,
also dem Glas und dem Metall, eingesaugt. Die solcherart entstehende
Verbindung der beiden Fügepartner ist gasdicht. Deshalb
kann das Lot 3 auch beispielsweise über die Spitze
eines Ultraschalllötkolbens 4 eingebracht werden.
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Das
beschriebene Wirkprinzip ist in der 5 besonders
herausgestellt. Aufgrund der Strukturierung regt die Ultraschallquelle
(z. B. ein Ultraschalllötkolben 4) die strukturierten
Abschnitte (Mikrolamellen) zum Schwingen an. Die strukturierten Abschnitte
saugen das Lot 3 in den Lötspalt und koppeln die
Energie der Ultraschallquelle in das Lot ein. Je kleiner die Abmessungen
der strukturierten Bereiche sind, desto besser ist prinzipiell die
Energieeinkopplung. Typische Abmessungen liegen hierbei im Bereich
einiger Zehntel Millimeter Breite und einiger Millimeter bis zu
mehrere Zentimeter Länge.
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Die 6 zeigt
eine Darstellung einer in der Grundform dreieckigen Strukturierun,
eine so genannte Sägezahnstruktur 6, als eine
Möglichkeit der Strukturierung. Diese Strukturierung wurde
an einer Edelstahl-Floatglas-Verbindung erfolgreich getestet. Bei
dieser Verbindung konnte im Helium-Lecktest kein Heliumtransport
durch die fertige Lötnaht festgestellt werden. Neben der
dreieckigen Strukturierung in der 6 bezieht
sich die Erfindung auch auf andere geometrische Figuren, wie z.
B. Rechtecke, Trapeze und/oder gebogene Konturen.
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In
der 7 finden sich Darstellungen weiterer Möglichkeiten
der Strukturierung. Prinzipiell kann die Richtung der Einschnitte
frei gewählt werden, so dass diese senkrecht zur Kante
der Fügepartner, parallel zur Kante oder in einem beliebigen Winkel
dazu liegen können.
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Zusätzlich
kann die Qualität der Ultraschalllotfügung durch
chemische und/oder physikalische Aktivierung und/oder Strukturierung
der beteiligten Oberflächen gesteigert werden. Hierdurch
kann zum Beispiel eine Vergrößerung der aktiven
Oberflächen über eine Erhöhung der Mikrorauhigkeit
und damit eine bessere Haftfestigkeit und Gasdichtigkeit erreicht
werden.
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Weiterhin
kann durch eine chemische Oberflächenaktivierung der für
die Lotverbindung nötige Sauerstoffanteil gezielt eingestellt
werden. Neben den Materialien Glas, Kunststoff, Keramik und Metall ist
das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch
für alle anderen Materialien, Verbundmaterialien oder Materialkombinationen
anwendbar, die eine entsprechende Bindungsfähigkeit mit
dem verwendeten Lotmaterial aufweisen.
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Bei
der industriellen Herstellung von Wärmedämmsystemen
mittels der erfindungsgemäßen Ultraschalllotverbindung
sind die verschiedensten Anforderungen an die Abmessungen solcher
Systeme zu erfüllen. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen
an die Abmessungen der Fügepartner 1, 2 und
die Struktur des jeweils strukturierten Fügepartners. Zusätzlich
ist die Frequenz, bzw. das Frequenzspektrum, des jeweiligen Ultraschallsignals an
die Abmessung und die Anforderung an das herzustellende Wärmedämmsystem
anzupassen.
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In
der 8 findet sich eine Übersicht über eine
Vorrichtung zur konstruktiven Umsetzung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die
Einrichtung 9 dient dazu, die jeweiligen Fügepartner
B 2 aus einem Lager zu befördern, zu positionieren
und bis zu einer bestimmten, von den geometrischen Abmessungen abhängigen,
Temperatur zu erwärmen.
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Eine
entsprechende Funktion erfüllt die Einrichtung 10 für
den Fügepartner A 5. Auch dieser kann, neben seiner
Strukturierung, vorgewärmt werden, wobei auch diese Temperatur
von den betreffenden geometrischen Abmessungen und der betreffenden
Raumtemperatur abhängt.
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Die
Einrichtung 11 erwärmt die beiden Fügepartner 1, 5 und
steuert den Lötvorgang. Die Einrichtung 12 entnimmt
das fertig verlötete Zwischenprodukt und führt
es der weiteren Verarbeitung zu.
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- 1
- Fügepartner
A
- 2
- Fügepartner
B
- 3
- Lot
- 4
- Ultraschalllötkolben
- 5
- Fügepartner
A, strukturiert
- 6
- Sägezahnstruktur
- 7
- Mikrolammellen
- 8
- Ultraschallschwingungen
- 9
- Positionier-
und Vorwärmeinrichtung für Fügepartner
B
- 10
- Positionier-
und Auflegeeinrichtung für Fügepartner A
- 11
- Aufwärm-
und Löteinrichtung für Fügepartner A
und B
- 12
- Entnahmeeinrichtung
für die zusammengefügten Partner A und B
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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