DE2719884A1 - Verfahren zur vakuumverschweissung eines behaelters - Google Patents

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77/1 B 29. April 1977

Verfahren zur Vakuumverschweißung eines Behälters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vakuumverschweißung eines in seinem Inneren im wesentlichen Atmoshärendruck aufweisenden Behälters, insbesondere zur Verschweißung eines Herzschrittmachergehäuses.

Bei einer Reihe von Anwendungen ist es erforderlich, daß ein im Vakuum durch Verschweißen hermetisch zu verschließender Behälter in seinem Inneren im wesentlichen Atmospärendruck aufweist, weil dort angebrachte Gegenstände oder Vorrichtungen einem derartigen bestimmten Druck eines vorgegebenen Gases oder.Gasgemisches ausgesetzt bleiben müsssen.

Insbesondere Gehäuse von implantierbaren künstlichen Herzschrittmachern müssen hermetisch dicht verschlossen sein, damit die agressive Körperflüssigkeit nicht in das Innere gelangen kann. Eingedrungene Körperflüssigkeit würde nämlich irreversible Schäden an Bauelementen verursachen, welche die Betriebsunfähigkeit des Schrittmachers zur Folge haben könnter Zur Erzielung einer hohen Dichtwirkung bei großer Beständigkeit gegen den Angriff von Körperflüssigkeit verwendet man zur Herstellung des Gehäuses eine Cobalt-Legierung, welches im Vakuum mittels Elektronenstrahlschweißung verschlossen wird.

Bestimmte Typen von zur Stromversorgung der elektronischen Schaltung des Herzschrittmachers verwendeten Primärelementen benötigen für ihren Betrieb einen Umgebungsdruck von der Größe des Atmosphärendrucks. Bei einigen Schrittmachertypen wird als Gas zur Füllung des Gehäuseinneren Helium verwendet.

Um das zur Füllung verwendete Gas am Ausströmen zu hindern, ist es erforderlich, das Gehäuse zu verschließen. Das wird in vielen Fällen dadurch erreicht, daß man eine nach dem Verschweißen des Gehäuses im Vakuum verbleibende Restöffnung nach Beseitigung des Vakuums im Gehäuseinneren verlötet, wobei die Druckverhältnisse in der Umgebung denjenigen im Gehäuseinneren entsprechen. In ähnlicher Weise kommt auch das

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Vergießen der Restöffnung mit Kunststoff oder durch eine Widerstandsschweißung in Betracht.

Bei diesen Verfahren besteht der Nachteil, daß das Gehäuse nicht vollständig hermetisch durch ein einheitliches Schweißverfahren verschlossen wird. Die Vorteile beispielsweise einer Elektronenstrahlschweißung im Vakuum können nicht erreicht werden, wenn nicht sämtliche Gehäuseöffnungen nach diesem Verfahren verschweißt sind, da die Gesamteigenschaften eines Behälters und seine Verwendbarkeit durch eine einzige Schwachstelle entscheidend herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vakuumverschweißung eines in seinem Inneren im wesentlichen Atmosphärendruck aufweisenden Behälters anzugeben, bei dem auch eine Restöffnung im Vakuum verschweißt werden kann, εο daß der gesamte Behälter nach einem einheitlichen Verfahren verschlossen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptpatentanspruchs angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung neben der Tatsache, daß alle der Außenseite zugewandten Schweißnähte nach dem selben Schweißverfahren hergestellt werden können, die Tatsache, daß bei Verwendung eines Materials einer bestimmten Wandstärke der Behälter nach seinem Verschließen auch an allen Stellen mindestens diese Wandstärke aufweist. Ferner können die - entscheidenden - äußeren Schweißverbindungen in kostengünstiger Weise mit den selben Fabrikationsmitteln gefertigt und kontrolliert werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 den Bereich der Restöffnung eines nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verschlossenen Behälters im Schnitt,

Fig. 2 die entsprechende Darstellung für eine zweite Verfahrensvariante,

Fig. 3 die entsprechende Darstellung für eine dritte Verfahrensvariante und

Fig. 4 einen Ausschnitt der Darstellung gemäß Fig. 3 bei einem früheren Verfahrensschritt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die im Vakuum herzustellende Schweißnaht der endgültigen Abdichtung des Behälters im Bereich einer das Heraustreten des im Gehäuseinneren vorhandenen Gases unter Vakuumbedingungen aus einer Restöffnung verhindernde Vordichtung einen derartigen Abstand von dieser Vordichtung haben muß, daß diese durch das Schweißverfahren nicht beeinträchtigt wird. Dieser Abstand hängt naturgemäß von der Art des für die Vordichtung verwendeten Materials, den benutzten Wandstärken, der Form der betreffenden Gehäuseteile etc. ab. Der genaue Wert des Abstands kann vom Fachmann für die jeweilige Konstruktion ebenfalls durch Versuche ermittelt werden, wobei das Aufrechterhalten der notwendigen Dichtwirkung durch die Vordichtung ein in einfacher Weise zu überwachendes Kriterium ist.

Würde man den Abstand zwischen der Vordichtung und der den Bereich der Restöffnung endgültig verschließenden Schweißnaht zu gering wählen, so besteht die Gefahr, daß das Material der Vordichtung schmilzt und infolge des - bei äußerem Vakuum - im Gehäuseinneren herrschenden Überdrucks herausgedrückt werden, so daß ein unerwünschter Druckausgleich stattfinden kann. Eine Verformung der Vordichtung unter thermischem Einfluß kann jedoch bei dem die endgültige Abdichtung vorbereitenden Arbeiten durchaus erwünscht sein. Zu einem Zeitpunkt, bei dem das Gehäuse noch nicht dem Vakuum für die endgültige Verschweißung ausgesetzt ist, also noch ausgeglichene

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Druckverhältnisse herrschen, führt eine Verformung der die Vordichtung bildenden Mittel dazu, daß ihre Dichtwirkung noch dadurch verbessert wird, daß sie sich durch Verformung besonders gut der Restöffnung anpassen. Die Wärmezufuhr ist aber in diesem Fall so zu steuern, daß die Verformung dieser Dichtungsmittel nicht so weit geht, daß sie die zu schließende Öffnung bereits wieder teilweise freigeben. Ein Grundgedanke liegt also darin, daß-d,i^e t>^ei der Herstellung der Vordichtung und gegebenenfalls bei der Anbringung und/ oder Fixierung einer den Bereich der Vordichtung verschließenden und später mit dem übrigen Gehäuse im Vakuum zu verschweißenden Platte aufzubringenden Kräfte und thermischen Einflüsse die Dichtwirkung der Vordichtung verbessern, während diese bei der endgültigen Verschweißung im Vakuum möglichst wenig beeinflußt werden darf.

Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Behälterteile im Vakuum soweit miteinander verschweißt, daß nur noch ein restliche Öffnung übrigbleibt, durch die das Behälterinnere mit einem Medium von dem gewünschten Druck gefüllt werden kann. Bei dem Anwendungsbeispiel, das das Verschließen von Herzschrittmachergehäusen aus einer Cobalt-Legierung betrifft, werden zunächst zwei Gehäusehalbschalen durch eine mittels Elektronenstrahlschweißung im Vakuum hergestellte Schweißnaht miteinander verbunden. Die elektronischen Schaltungsmittel und die zum Betrieb des Herzschrittmachers erforderlichen Batterien und weiteren Bauelemente sind dabei bereits in das Gehäuse eingefügt. Es verbleibt nur eine restliche Öffnung mit einem runden Querschnitt von ca. 0,8mm Durchmesser. Durch dieses Loch wird das Innere des Herzschrittmachers mit Helium gefüllt, das später auch zur Prüfung des verschlossenen Gehäuses auf Leckdichtigkeit dienen kann.

Das endgültige Verschließen des Gehäuses 1 des Herzschrittmachers kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, die

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gemäß der unterschiedlichen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fign. 1 bis 3 erläutert werden sollen (In den Figuren befindet sich das Gehäuseinnere jeweils unten) . In Fig. 1 wird die restliche Öffnung 2 mit einem Dichtungsmittel 3 verschlossen, das durch Löten in Form von Lot, durch Schweißen in Form eines Tropfens des zum Schweißen verwendeten Materials oder durch Vergießen mit Metall oder Kunststoff gebildet werden kann. Das Material für das Dichtungsmittel 3 muß so gewählt werden, daß es beständig gegen den Innendruck des in das Gehäuse eingebrachten Mediums bei äußerem Vakuum ist. Der Bereich der restlichen Öffnung 2 wird mit einer Abdeckplatte 4 abgedeckt, welche an ihrem Rand, im Bereich der späteren Schweißnaht 5, mittels durch Widerstandsschweißung angebrachten Schweißpunkten fixiert ist. Durch die bei dieser Widerstandsschweißung erfolgende Erwärmung darf das Dichtungsmittel 3 seine dichtende Wirkung nicht einbüßen. Die Größe der Abdeckplatte 4 muß deshalb so gewählt werden, daß sich eine Erwärmung oder mechanische Beanspruchung beim Positionieren und Fixieren der Abdeckplatte 4 nur begrenzt auf das Dichtungsmittel 3 überträgt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß ein Anpressen der Abdeckplatte bzw. eine geringfügige Erwärmung in ihrem mittleren Bereich eine verbesserte Dichtwirkung des Dichtungsmittels infolge verbesserter Formanpassung zur Folge haben kann. Dieser Vorgang wird beispielsweise dadurch unterstützt, daß das Dichtungsmittel im Bereich der restlichen öffnung 2 die Oberfläche des Gehäuses 1 geringfügig überragt, so daß sich durch die Anpreßwirkung der Abdeckplatte 4 auf die Oberfläche des Dichtungsmittels eine zusätzliche Tendenz ergibt, dieses in die Öffnung 2 hineinzudrücken .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verschlossenen Gehäuse wird die restliche öffnung 2' mit einem umlaufenden Wulst 6 versehen, der beispielsweise durch Aufdornen einer Bohrung erzeugt werden kann. Wird die Abdeckplatte 4' aufgelegt, so liegt der Gipfelbereich des umlaufenden Wulstes 6 an der Unterseite der Ab-

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deckplatte 4 an und bildet die Vordichtung der öffnung 2¹ des Gehäuses 1'. Die Abdeckplatte 4 wird, wie bei den anderen Verfahrensvarianten, in ihre Position gebracht, wenn der Innen· und der Außendruck ausgeglichen sind, das mit einem Medium, beispielsweise einem Gas, zu füllende Gehäuse also in dieses Medium eingetaucht ist. Wird beim Befestigen der Abdeckplatte 4' ein Druck in Richtung auf den umlaufenden Wulst 6 ausgeübt, so plattet sich dessen Gipfelbereich infolge der hohen Flächenpressung ab und weist damit eine noch verbesserte Dichtfähigkeit auf. Dieser Effekt läßt sich noch dadurch steigern, daß die Abdeckplatte 4¹ durch eine fixierende Punktschweißung soweit erwärmt wird, daß der umlaufende Wulst 6 geringfügig plastisch verformbar wird. Dabei ist darauf zu achten, daß die Verformbarkeit infolge thermischer Einwirkung nicht zu einer wieder nachlassenden Dichtwirkung führt. Nachdem so in entsprechender Weise eine Vorabdichtung des Gehäuses erzielt wurde, kann die endgültige Verschweißung der Abdeckplatte 4' im Vakuum mittels Elektronenstrahlschweißung erfolgen, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren infolge des ausreichenden Abstandes zwischen der Schweißnaht 5"und dem Ort der Dichtung sichergestellt ist, daß während des Schweißvorgangs die Dichtwirkung erhalten bleibt.

In Fig. 3 ist ein entsprechender Teil eines nach einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens abgedichtetes Gehäuse dargestellt. Das Cehäuse 1" ist hier im Bereich der restlichen Öffnung 2" mit einer Mulde versehen, durch die derjenige Höhenbetrag ausgeglichen wird, um den das zum Abdichten der Öffnung 2" verwendete Dichtungsmittel die Außenkontur des Gehäuses 1" überragen würde. Damit ist es möglich, eine Abdeckplatte 4" von ebener Form zu verwenden. Eine durch das Dichtungsmittel erzeugte Höhendifferenz kann in entsprechender Weise auch durch eine Außenwölbung der Abdeckplatte 4" ausgeglichen werden. Um das Fixieren und spätere Verschweißen der Abdeckplatte 4" zu erleichtern, ist das Gehäuse 1" im Bereich der Öffnung 2" mit einem an die Abdeckplatte 4"

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angepaßten Ring 7 versehen, der die Abdeckplatte 4" umgibt. Dieser Ring wird bereits beim ersten Verschweißen des Gehäuses im Vakuum mit befestigt. Seine weitere Funktion wird weiter unten näher erläutert werden. Bei der hier dargestellten Verfahrensvariante dient ein sich in Richtung auf das Gehäuseinnere (in der Zeichnung unten) hin verjüngendes Teil 9 aus Metall als Dichtungsmittel, welches mittels der Abdeckplatte 4" gegen die dieser zugewandte Kante der restlichen Öffnung 2¹ gepreßt wird. In Fig. 3 ist - wie in den übrigen Figuren - der Endzustand des verschweißten Behälters dargestellt. Das Metallteil 9 weist dabei schon seinen verformten Zustand auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Teil 9 ursprünglich die Form einer Kugel, wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist. Diese Figur zeigt einen Ausschnitt des in Fig. 3 dargestellten Gehäusebereichs, wobei jedoch die Abdeckplatte für 2¹ noch nicht durch eine Widerstandsschweißung in ihrer Lage fixiert ist. Das Teil 9, welches hier noch Kugelform aufweist, wird in die restliche öffnung 2" eingelegt und die Abdeckplatte 4" darüber positioniert. Das Teil 9 kann außer der Kugelform auch noch eine beliebige andere sich in Richtung auf die Öffnung 2" verjüngende Form aufweisen. So ist beispielsweise auch eine Kegelform geeignet. Die Form des Teils 9 muß auf die Form des Querschnitts der öffnung 2" in der Weise angepaßt sein, daß die Dichtung einen ununterbrochenen, in sich geschlossenen Verlauf aufweist. Das Teil 9 kann auch mit der Abdeckplatte 4" fest verbunden bzw. zusammen mit dieser hergestellt sein. Die Kugelform weist den Vorteil einer besonders einfachen Herstellbarkeit auf und ist für unterschiedliche Durchmesser der Öffnung 2" ohne weiteres in gängigen Materialsorten erhältlich. Der Durchmesser der Kugel wird zweckmäßigerweise um ca. 20% größer gewählt als der Durchmesser der öffnung 2", die zur Anpassung an die Kugelform einen kreisrunden Querschnitt aufweisen muß. Im vorliegenden Beispiel weist die Kugel einen Durchmesser von 1 mm bei einem Durchmesser der öffnung 2" von 0,8 mm auf. An der die Kugel berührenden Kante ergibt sich wiederum eine hohe Flächenpres-

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sung, die beim Andruck der Abdeckplatte 4" zu einer hohen spezifischen Verformung des Materials mit der Ausbildung entsprechend ausgedehnter Dichtflächen führt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen Dichtmittel, Gehäuse und Abdeckplatte aus dem selben Material, woraus einerseits eine hohe Beständigkeit des Gehäuses auch in wäßriger Lösung resultiert, da sich galvanische Elemente nicht ausbilden können. Andererseits sind in diesem Fall auch die Eigenschaften bezüglich Verformung, Strom- und Wärmeleitung optimal aufeinander abgestimmt.

Nachdem das Teil 9 von Kugelform zunächst lose eingelegt wurde, wird die Abdeckplatte 4" in dem von dem Ring 7 umgrenzten Raum - aus Fig. 3 ersichtlich - eingesetzt und dort fixiert. Durch die Druckwirkung der Abdeckplatte 4" wird das Teil 9 in seiner Position gehalten und gegen die Kante der öffnung 2" gepreßt, wodurch bereits in gewissem Grade die gewünschte Dichtwirkung erzielbar ist, wenn die Abdeckplatte 4" in ihrer Position fixiert ist. Die Fixierung der Abdeckplatte 4" mittels einiger durch Widerstandsschweißung angebrachter Schweißpunkte erzeugt eine Wärmewirkung, mittels der die erzielte Dichtwirkung weiter verbessert werden kann.

Die Erwärmung des Teils 9 resultiert bei der Widerstandsschweißung einerseits vom Stromfluß durch das Teil selbst her, andererseits trägt aber auch die Wärmeleitung von den Zonen größter Erhitzung, im Bereich der Schweißnaht 5" zur Aufheizung des Teils 9 bei. Durch die gleichzeitige Einwirkung von Druck und Erwärmung verändert sich die Kugelform schließlich in die in Fig. 3 dargestellte pilzartige Form, welche eine besonders gute Vordichtung gewährleistet. Der Grad der Verformung des Teils 9 kann in einem weiten Bereich durch die Wahl äußerer Parameter bestimmt werden, und hängt vom jeweiligen Anwendungsfall und der dabei notwendigen Güte der Vordichtung ab.

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Bei der die endgültige äußere Dichtung herstellenden Verschweißung im Vakuum wird die Schweißnaht 5" erzeugt. Diese Schweißnaht befindet sich im Bereich des Grundes des von der Außenkante der Abdeckplatte 4" und der Innenkante des Ringes 7 gebildeten V-förmigen Querschnitts. Dadurch, daß bei der Verschweißung auch noch das Material des Ringes 7 zur Verfügung steht, ist die Gefahr des Durchschmelzens bei der Verschweißung auch bei verhältnismäßig geringen Materialstärken im Vergleich zu den in den Fign. 1 und 2 dargestellten Schweißnähten 5 und 5¹ vermieden, so daß der Ring 7 zusammen mit der Erleichterung der Fixierung der Abdeckplatte 4" eine doppelte Funktion erfüllt. Die Dimensionen sind in Fig. 3 ebenfalls erfindungsgemäß so gewählt, daß beim endgültigen Einschweißen der Abdeckplatte 4" das Teil 9 sich nicht so weit erwärmt, daß eine Verschlechterung der Dichtwirkung und damit ein Austreten des im Gehäuseinneren vorhandenen Mediums möglich ist.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen deutlich machen, daß das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip eine große Zahl von Ausführungsmöglichkeiten zuläßt, wobei die Wahl der entsprechenden Größenabmessungen und Einstellung von Schweißparametern von Bedeutung ist, die aber nach dem hier Dargelegten im Bereich fachmännischen Handelns liegt.

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Claims (15)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Vakuumverschweißung eines in seinem Inneren
   im wesentlichen Atmosphärendruck aufweisenden Behälters,
   insbesondere zur Verschweißung eines Herzschrittmachergehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß der
   Behälter (Gehäuse 1, 1", 1") im Vakuum bis auf eine restliche Öffnung (2, 2¹, 2") durch Verschweißen verschlossen wird, daß diese restliche Öffnung (2, 2', 2") durch ein Dichtungsmittel (3, Wulst 6, Kugel 9) verschlosren wird, nachdem das Behälterinnere mit einem Medium von im wesentlichen Atmosphärendruck aufgefüllt wurde, daß eine Abdeckplatte (4, 4¹, 4") angebracht wird, die sich über einen Boreich der Oberfläche
   bis zu einer solchen Entfernung von dem Dichtungsmittel (3,
   Wulst 6, Teil 9) erstreckt, daß bei dem folgenden Verschweißen des Randes der Abdeckplatte mit der Oberfläche des Behälters im Vakuum das Dichtungsmittel in seiner Wirkung nicht beeinträchtigt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mittels beim Anbringen der Abdeckplatte (4, 4¹, 4") auf das Dichtungsmittel (3, Wulst 6, Teil 9)
   übertragener Druck- und/oder Temperatureinflüsse durch Formanpassung von restlicher Öffnung und Dichtungsmittel eine verbesserte Dichtwirkung erzielt wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
   gekennzeichnet , daß die Verschweißung im Vakuum in Form einer Elektronenstrahlschweißung vorgenommen wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die restliche

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   ORDINAL

   Öffnung (2, 2¹, 2") durch Verlöten, Verschweißen oder Vergießen verschlossen wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die restliche Öffnung (2¹) durch aufeinanderliegende, dichtende Flächen verschlossen wird,
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch geken.nzeichnet , daß ein um die restliche Öffnung (2¹) umlaufender Wulst (6) geformt wird, der an der Abdeckplatte (4 ' ) anliegt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Wulst (6) durch Aufdornen erzeugt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß in die restliche Öffnung (2") ein sich in Richtung auf die öffnung verjüngendes Element (Teil 9) eingesetzt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das sich in Richtung auf die Öffnung verjüngende Element mit der Abdeckplatte (4) verbunden ist oder einen Teil derselben bildet.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das sich in Richtung auf die restliche Öffnung (2"), die einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, verjüngende Element (Teil 9) als Kugel ausgebildet ist, die sich gegen die Abdeckplatte (4") abstützt.

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11. 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die restliche Öffnung (2") umgebende Dereich des Behälters (Gehäuse 1") eine Vertiefung bildet, die so ausgebildet ist, daß das Dichtungsmittel ( Teil 9) mit dem die Vertiefung umgebenden Bereich des Behälters (Gehäuse 1") höhenmäßig abschließt.
12. 12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (4, 4¹, 4") beim Anbringen durch eine Widerstandsschweißung fixiert wird.
13. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch ge kennzeichnet , daß die Erwärmung bei der Widerstandsschweißung so gewählt ist, daß durch Formanpassung von Dichtungsmittel (3, Wulst 6, Teil 9) und restlicher Öffnung (2, 2¹ und 2") eine verbesserte Dichtwirkung erzielt wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter (Gehäuse 1") mit einem die Abdeckplatte (4") umgebenden Ring (7) versehen wird.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß ein Verschweißen der Abdeckplatte (4") im Bereich der Grenze zwischen dieser und dem umgebenden Ring (7) vorgenommen wird.

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