DE4406220C2 - Neues Fügeverfahren zum Verbinden von Metallen und Keramiken durch hochfrequente Felder - Google Patents

Neues Fügeverfahren zum Verbinden von Metallen und Keramiken durch hochfrequente Felder

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Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Verbinden von Fügeteilen aus Metall und Keramik oder Metall und Metall, wobei die Fügeteile mit Druck gefügt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das neue Fügeverfahren ist dem Reibschweißen und nicht dem Ultraschallschweißen zuzuordnen.
Beim Ultraschallschweißen werden die Schwingungen durch ein schwingendes Werkzeug von außen in die Werkstücke eingeleitet (üblicherweise zwischen 15 und 60 kHz). Ultraschallschweißen ist nach DIN 1910 Teil 2 (Ultraschallschweißen, Handbuch der Schweißverfahren Teil 11, Seite 298-310, Band 76, ISBN 3-87 155-093-0, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf) das Verbinden von Werkstücken auf den Stoß­ flächen durch Einwirkung von Ultraschall ohne oder mit gleichzeitiger Wärmezufuhr, unter Anwendung von Kraft, vorzugsweise ohne Schweißzusatz.
Beim Ultraschallschweißen erfolgt die Verbindung zwischen überlappt angeordneten Werk stücken als Punkt- oder Nahtschweißung.
Das Ultraschallschweißen hat in der Elektroindustrie sowie in der Feinwerktechnik eine breite Anwendung gefunden.
Beide Vorgehensweisen sind in dem bisherigen Reibschweißen vereinigt (Suthoff, B.: Reibinduzierte Grenzflächenreaktionen und deren Auswirkungen auf den Bindemecha­ nismus beim Reibschweißen. Habilarbeit. IH Köthen, 1988), wobei eine hinreichende mechanische Fixierung nötig ist und aus der Verfahrenssicht bevorzugt rotationssymme­ trische Körper geeignet sind.
So ist aus o.g. Habilarbeit von B. Suthoff bekannt, daß eine feste Metallbindung aus der Ladungsschichtung unter Druck im Reaktionsraum (Bindeebene) entsteht. Die Vorteile beziehen sich auf Einsparungen und Zeit, Zusatzwerkstoffe und Vorbehandlung der Füge­ stellen, die durch die Reibvorgänge (vergl. Mat.-wiss. und Werkstofftechn. Bd. 23, 1992, VCH Verlagsges. mbH, D-69469 Weinheim, worin beschrieben ist, daß die Wechsel­ wirkung Reibung zum Fügen von Festkörpern bzw. Fügeteilen in einem Verbund benutzt wird) bereits eine ausreichende Säuberung erfahren.
Ein großer Vorteil des Reibschweißverfahrens liegt vor allem darin, daß neben artgleichen auch artverschiedene Werkstoffe miteinander verbunden werden können, die mit den üblichen Schmelzschweißverfahren nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten zu verbinden sind. Beim Reibschweißen von Stahl mit Aluminium und von Aluminium mit Kupfer kommt es zur Bildung spröder und harter intermetallischer Phasen. Die Festigkeit des Grundwerkstoffes Aluminium wird nur zum Teil oder nicht erreicht.
Das Reibschweißen gehört zur Gruppe der Preßverbindungsschweißverfahren nach DIN 1910 Teil 2 (Reibschweißen, Handbuch der Schweißverfahren Teil II, Seite 269-297, Band 76, ISBN 3-87 155-093-0, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf).
Das Reibschweißen als einfaches und wirtschaftliches Schweißverfahren hat sich seit Ein­ führung in die industrielle Fertigung vor ca. 35 Jahren aufgrund niedriger Herstellkosten und hoher Qualität der erstellten Verbindung bewährt.
Anwendungsbereiche sind die Automobilindustrie, die Werkzeugindustrie sowie Betriebe des allgemeinen Maschinenbaus.
Von praktischer Bedeutung ist nur das Verbindungsreibschweißen. Für die meisten Anwendungsfälle reicht als Vorbereitung der Fügefläche ein einfacher sauberer Sägeschnitt. Bei höheren Anforderungen sind die Stoßflächen planzudrehen.
Zu Beginn des Reibschweißprozesses wird eine der Werkstückhälften auf die erforderliche Drehzahl gebracht. Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird das feststehende Werkstück axial an die andere Stoßfläche gepreßt.
Es ist bekannt, daß verschiedene Materialien sich unterschiedlich verschweißen lassen. Dies trifft zu auf Metalle, aber besonders auf Metall-Keramik-Verbindungen. Die vorhan­ denen Möglichkeiten sind sehr aufwendig und zeitintensiv. Keramik und Metalle lassen sich bisher nur über Diffusionsvorgänge verbinden. Mit der Reibschweißtechnologie sind neue Füge-Verbindungsmöglichkeiten entstanden.
Hierbei stellen die mechanischen Fixierungen bzw. die Reibschwingungen für die Keramik immer ein Problem dar.
Ohne Zwischenschichten ist das Fügen von Metallen mit Keramik oft nicht möglich. Die Gründe hierfür liegen im Ausdehnungskoeffizienten und bei den Eigenspannungen dieser Teile begründet.
Durch die Strategie des neuartigen Fügens (siehe Fig. 2 und 3), erfolgt die Aktivierung von Oberflächen durch hochfrequente Felder (im Frequenzbereich von 30 GHz . . . 300 GHz) mit ihrer Energie (siehe Brockhaus, Naturwissenschaften der Technik, Band 2, 1989, Seiten 4, 152 und 275, ISBN 3-7653-0452-2, F. A. Brockhaus GmbH, Wiesbaden).
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fügeteile an den Oberflächen aktiviert werden. Dieses erfolgt durch innere Reibung.
Hierbei werden nicht mechanische, äußere Reibeffekte ausgenutzt, sondern die Wechsel­ wirkung Reibung erfolgt zwischen den Orbitalen der Oberflächenatome, das heißt, daß die Anregungsmoden des konventionellen Reibschweißens als Anregungsenergiewerte in Form angewendeter hochfrequenter Felder den Fügematerialien angeboten werden.
Diese Energiewerte liegen meistens an einer Absorptionskante der Fügematerialien. Das Material erweicht und schmilzt. Hierdurch erwärmen sich die Absorptionskanten und ein Fügen unter Druck mit max. 100 bar wird möglich (vergleiche dazu Jaworski, B. M., Detlaf, A. A.: Physik griffbereit.
Berlin: Akademischer Verlag 1972).
Bei diesem neuartigen Fügen kommen die Orbitale in Schwingung, es entstehen Binde­ effekte wie bei der äußeren Reibung des Reibschweißens.
Diese innere Reibung (siehe Meyer: Meyers großes Taschenlexikon, Band 16, ISBN 3-4 1102116-0.) erfolgt zwischen den Orbitalen der Oberflächenatome (Aufenthaltsgebiet eines Elektrons in der Elektronenhülle eines Atoms).
Eine Übersicht zur Gesamtstrategie siehe Fig. 1 und 2.
Die Vorteile dieses neuen Fügeverfahrens sind:
  • - Nichtgebundensein an rotationssymmetrische Geometrien
  • - Anwendbarkeit für Metalle und Keramiken
  • - Einsparung von Zusatzwerkstoffen
  • - Zeitintensive Fügetechnologie, gerade für den Metall-Keramik-Verbund mit kleiner erzeugter Wärmeeinflußzone.
Dies ist die Voraussetzung für ein gezieltes Fügen.
Zur Unterstützung der Bindemechanismen ist eine mechanische Druckvorrichtung (6) erforderlich mit der ein Druck von max. 100 bar aufgebracht werden kann. Mit Hilfe dieser Druckvorrichtung (6) erfolgt die genaue Positionierung. Das Aufbringen des Druckes erfolgt nach der Aktivierung der Oberflächen.
Das Fügen von Metallen und Keramiken erfolgt durch hochfrequente Felder (4) und ange­ paßte Elektrodenformen (5) in einem Behälter (7).
Die Fügeteile befinden sich im Brennpunkt der gekrümmten und hochpolierten Innenwände des Behälters (7). Die Erhöhung der inneren Energie der Festkörperoberflächen erfolgt durch Anregung hochfrequenter Felder (4) und durch angepaßte Elektrodenformen (5). Hierzu siehe Fig. 1.
Ausführungsbeispiel
Die Flächenaktivierung durch innere Reibung kommt in Fig. 2 und 3 zum Ausdruck. Die Fügeteile (1) und (2)/(8) mit einer Zwischenschicht (3) versehen, durch Aufdampfen bzw. Reibschweißen ermöglicht, werden hochfrequente Felder (4) mittels speziellen Formelek­ troden (5) ausgesetzt.
Die obersten Schichten der Fügeteile erwärmen sich, wenn diejenigen Anregungsenergien für Oberflächenerweichung benutzt werden, die auch aus der konventionellen Reib­ schweißtechnologie bekannt sind, ohne das jetzt eines der Teile eine mechanische Bewegung durchmacht. Wird nach einer von den Materialien abhängigen Erwärmungs­ phase noch ein nötiger Stauchdruck den Fügeteilen aufgeprägt, ermöglicht durch eine Druckvorrichtung (6), kommen die Teile auf nm-Bereiche zusammen, wodurch sich das eigentliche Fügen vollzieht. Um Störungen dabei auszuschließen erfolgt das Fügen in einem Behälter (7) mit Argonatmosphäre (9). Die Argonatmosphäre ist chemisch inaktiv. Die Vorteile sind gleiche Fügeeigenschaften wie beim konventionellen Reibschweißen jedoch ohne mechanische Belastungen der Fügeteile. Für Keramiken und spröde Materialien bzw. Oberflächen ist dies von besonderer Bedeutung.

Claims (5)

1. Fügeverfahren zum Verbinden von Fügeteilen aus Metall und Keramik oder Metall und Metall, wobei die Fügeteile mit Druck gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile unter Einwirkung hochfrequenter Felder und Druck gefügt werden.
2. Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen in einer Argonatmosphäre durchgeführt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) ein Behälter zur Aufnahme der Fügeteile,
  • b) eine Halterung für Fügeteile,
  • c) eine Druckvorrichtung zum Aufbringen einer Körperpressung (auf die Fügeteile),
  • d) Elektroden zum Hochfrequenz-Anregen der Füge­ teile.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter gekrümmte und hochpolierte Innen­ wände aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteile im Brennpunkt des Behälters gehalten sind.
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