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Verfahren zum Herstellen von dichten Verbundstellen zwischen Glas-
und Metallteilen Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von dichten Verbundstellen,
die insbesondere zur Bildung von luftdicht abgeschlossenen Hüllen, z. B. von Elektronenröhren,
bestimmt sind, und sie betrifft insbesondere Dauerverbundstellen zwischen Teilen
aus Metall und aus Glas oder einem ähnlichen Werkstoff, welche im wesentlichen den
gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Bislang wurden fü-r die Herstellung einer dichten Verbundstelle zwischen
einem Metallteil, insbesondere aus Kupfer, und einem Glasteil, beispielsweise mittels
eines Bunsenbrenners die Ränder des Glasstücks zum Schmelzen gebracht, wobei das
Glas in bezug auf das Metall auf eine für das Verbinden ausreichende Temperatur
gebracht wird. Die so gebildete Dichtstelle wurde dann einem Pumpvorgang zur (Erzielung
der erforderlichen Luftleere unterworfen, wobei dieser Vorgang mit dem gewöhnlichen
Arbeitsgang des Entleerens und Entgasens verbunden wurde.
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Dieses Verfahren bedingt notwendigerweise eine verhältnismäßig große
Wärmezufuhr, die eine relativ große Menge der Glasmasse auf eine Temperatur bringt,
welche größer ist als die Erweichungs- oder Schmelztemperatur, was oft Verformungen
der Wandung zur Folge hatte; diese Verformungen sind um so gefährlicher, als dadurch
leicht der räumliche Aufbau der Röhre gestört wird, insbesondere wenn die Wandung
die Elektroden trägt. Außerdem hat die Schwächung des
Randes 'über
eine verhältnismäßig große .Schichttiefe ihrerseits die Gefahr der Störung des räumlichen
Aufbaus der Röhre im Gefolge. Das bedingt einen verhältnismäßig großen Ausschuß
bei der Herstellung von Röhren, insbesondere solchen, welche für sehr hohe Frequenzen
bestimmt sind, in denen die Abstände zwischen den Elektroden sehr klein sind und
ihre Lage äußerst genau einzuhalten ist.
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Im übrigen führt der thermische Arbeitsgang des Schmelzens, während
die Röhre noch mit Luft gefüllt ist, zu einer Verformung oder sonstigen nachteiligen
Veränderungen der Elektroden, insbesondere zur Oxydation der Kathode, und zwar vor
allem bei den kleinen Röhren, bei denen die Elektroden sich im Bereich der Erwärmung
befinden und daher Verformungen durch Wärmestrahlung erleiden können.
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Die Erfindung bezieht sich vor allem auf ein neues Verfahren, welches
die vorerwähnten Nachteile beseitigt und zu einer Verbundstelle dichter und dauerhafter
Art führt.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren, welches
es zuläßt, daß die thermischen Arbeitsgänge des Schmelzens denjenigen des Pumpens
nachfolgen, so daß also die bereits ausgepumpte Röhre erhitzt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein industrielles Verfahren, in dessen
Verlauf die Temperatur der Glasmasse immer innerhalb verhältnismäßig niedriger Grenzen
verbleibt, welche die Gefahr der Verformung praktisch ausschließen, wobei die Wärmezufuhr
zur Verbundstelle hin gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt erfolgt.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, in dessen Verlauf nur eine
außerordentlich dünne Glasschicht ihren Aggregatzustand ändert und ihre mechanische
Widerstandsfähigkeit verliert, wodurch die Gefahr einer nachteiligen Rückwirkung
auf den räumlichen Aufbau der Röhre auf einen Mindestwert gehalten wird, wobei diese
Gefahr außerdem vollständig durch Verwendung von geeigneten Abstandsstücken beseitigt
werden kann.
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Erfindungsgemäß erhalten zunächst die Teilstücke eines jeden der Verbundstücke,
bevor sie in Kontakt miteinander gebracht werden, eine Oberflächenform, die geeignet
ist, daß sie sich dicht gegeneinander abstützen; dann wird nur die Glasoberfläche
einem Polierverfahren unterworfen, das sie vorteilhaft auf Spiegelschliff bringt.
Diese mechanischen Vorarbeiten dienen zur Herstellung eines Kontaktes zwischen den
Flächen, derart, daß sie, trotzdem sie als ausreichende Dichtung gegenüber der Luftleere
bzw. dem Unterdruck gelten können, in einer Aufeinanderfolge von Unterbrechungen,
d. h. ohne Verbindung untereinander, kleinste Luftbläschen oder Lufttaschen zwischen
dem Metall und dem Glas aufweisen.
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Nachdem die Teilstücke miteinander verbunden sind, wird der Zusammenbau
ausgepumpt; wobei der innige Kontakt zwischen den Unregelmäßigkeiten des Metalls
und der polierten Glasfläche eine ausreichende Abdichtung der Hülle gewährleistet.
Wenn einmal ein verhältnismäßig gutes Vakuum erreicht ist, wird das metallische
Teilstück gleichmäßig auf eine solche Temperatur gebracht, daß eine sehr dünne Glasschicht
im Kontakt mit dem Metall die Verformungstemperatur erreicht und ihren Aggregatzustand
ändert. In diesem Augenblick dringt das Glas, nachdem es plastisch geworden ist,
unter der Einwirkung des Außendruckes infolge des Vakuums in die Vorsprünge oder
sonstigen Unregelmäßigkeiten des Metalls ein und verankert sich dort, wobei eine
gewisse Menge des Metalloxyds in Lösung geht, das sich durch die thermische Wirkung
und infolge der Anwesenheit der Luft, die im kalten Zustand in der Verbundstelle
eingeschlossen ist, gebildet hat.
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Der thermische Arbeitsvorgang spielt sich im Innern eines Heizofens
oder einer Heizkammer ab, wobei die Röhre immer an der Pumpe ist, die zweckmäßig
mit derjenigen der Heizkammer kombiniert ist.
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Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung wird
der thermische Arbeitsvorgang mittels eines Hochfrequenzinduktors durchgeführt,
welcher durch Induktion die Metallmasse erwärmt.
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Gemäß einer andern Ausführungsforen kann er auch durch einen elektrischen
Heizwiderstand bewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann man sich gegen jede Veränderung der Raumform, so klein sie auch sein mag, dadurch
schützen, daß man zwischen den zu verbindenden Teilstücken Abstandshalter vorsieht,
welche die relativen Stellungen sehr genau festlegen. Die Erfindung soll nunmehr
beispielsweise an \Hand der Zeichnung ausfiihrlicher beschrieben werden, und zwar
zeigt Abb. i schaubildlich die Anwendung der Erfindung bei einer Verbundstelle zwischen
zwei aneinanderstoßenden Teilstücken, Abb. ia in stark vergrößertem Maßstab einen
Teil der Verbundstelle zwecks Verdeutlichung der Vorgänge beim Schmelzen, Abb.2
ein Hochfrequenzrohr gemäß der Erfindung, während Abb.3 die Anwendung der Erfindung
für die Herstellung einer Scheinwerfer (Strahlrohr) genannten Röhre für Dezimeterwellen
unter Verwendung von Abstandshaltern wiedergibt.
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Die Seitenkanten des Glasstückes y' und des Teilstückes M aus Einschmelzmetall,
beispielsweise dem unter der Bezeichnung »Kovar« bekannten Metall, werden zu Beginn
einer Bearbeitung unterzogen, um den Oberflächen vor dem Aufeinanderbringen ein
Profil zu geben, welches ein vollkommenes Anliegen sichert. Man bedient sich zu
diesem Zwecke im allgemeinen Oberflächenbearbeitungswerkzeugen, die mit Schmirgel
bestimmter Korngröße überzogen sind. Die Oberflächen werden vollkommen plan gearbeitet,
wie dies in Abb. i dargestellt ist, wobei sich der eine -Teil gegen den
anderen
gemäß der Trennebene S anlegt; doch kann natürlich auch den Seitenkanten eine andere
Form gegeben werden, derart, daß sie beispielsweise Kurvenflächen folgen.
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Das Schmirgeln ruft körnige bzw. unregelmäßige Oberflächen hervor,
d. h. Flächen, bei denen kleine Höhlungen mit kleinen Vorsprüngen abwechseln, wie
dies in stark vergrößertem Maßstab in Abb. ia gezeigt ist, wo die Metalloberfläche
NT in dieser Weise dargestellt ist.
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Das Glas allein wird dann einem Polierverfahren unterworfen, um die
Unregelmäßigkeiten zu beseitigen, wobei vorzugsweise dieses Polieren so weit getrieben
wird, daß eitle optische Politur erzielt wird, welche der einer Spiegelfläche entspricht.
Im allgemeinen wird dieses Polieren mittels Anpressens gegen eitle Filzunterlage
bewirkt, welche mit einer Schicht sehr feinen Aluminiums oder eines ähnlichen Werkstoffs
belegt ist, das schleifspurenfrei poliert.
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Die beiden Teilstücke werden daraufhin mit den Enden gegeneinandergelegt,
woraufhin der so gebildete Hohlkörper ausgepumpt wird.
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Dieser Arbeitsvorgang wird vorzugsweise im Innern einer IIeizkaminer
ausgeführt, welche schaubildlich durch das Viereck F. angedeutet ist. Wie sich ohne
weiteres aus _'11>h. ia ergibt, wird ein solcher Kontakt erzielt, daß ein luftdichter
Verschluß entstellt, so daß die Pumpwirkung so weit getrieben werden kann, daß ein
ziemlich hohes Vakuum erreicht wird.
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Die Heizkammer wird dann auf eine Temperatur gebracht, die für das
Entgasen ausreicht, beispielsweise 3o° C, andererseits noch genügend unterhalb der
Verformungstemperatur des Glases liegt. Der thermische Arbeitsvorgang des Verschmelzens
wird mit dieser 'Erhitzung kombiniert, was es möglich macht. thermische Stoßbeanspruchungen
zu vermeiden. Der Arbeitsvorgang besteht darin, die Masse des Metalls auf eine Temperatur
in der Größenordnung von 6oo bis 65ö' C zu bringen. Dieser Arbeitsvorgang dauert
etwa '/2 Stunde und wird durch einen Hochfrequenzinduktor HF bewirkt, welcher
mit dem Metallstück M
gekoppelt ist. Die gute Leitfähigkeit des letzteren
sorgt dafür. daß diese Temperatur gleichförmig im ganzen Abschnitt in hezug auf
das Glas erreicht und dieses sich durch Kontakt erhitzt. Die schlechte thermische
Leitfähigkeit des Glases hat zur Folge, daß mir eine winzig dünne Schicht i bis
2 des Seitenrandes auf eine Temperatur gebracht wird, welche ihren Aggregatzustand
verändert und sie verformbar bzw. plastisch macht. Der 'übrige Teil der Glasmasse
behält seinen festen Aggregatzustand sowie seine mechanische Widerstandsfähigkeit
bei.
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Unter der Einwirkung des Außendrucks infolge des Vakuums wird die
dünne Glasschicht in die Höhlungen der metallischen Oberfläche hineingedrückt und
verankert sich gegen dessen Vorsprünge. Zur selben Zeit ermöglicht die Anwesenheit
von Luft in den isolierten Taschen der Verbundstelle die Oxydation des erhitzten
Metalls, wobei die Oxydschicht in das Glas infolge seiner Affinität in Lösung geht.
Die sehr innige Verbindung der beiden Werkstoffe, zusammen mit der Durchdringung
und Verankerung der Oberflächen, sichern eine vollkommen dichte und dauerhafte Verbundstelle.
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Es ist festgestellt worden, daß bei den oben ange-"ehenen Arbeitsbedingungen
bezüglich der Erlcitzung nur eine Schicht des Glases in der Größenordnung von einigen
Zehntelmillimetern eitle Zustandsänderung erfährt und sich die körnige Oberfläche
des Metalls abbildend verformt und daß die Schichtstärke dieser Schicht entsprechend
der Art der in Betracht kommenden Verbundstelle eiligeregelt werden kann, und zwar
durch Änderung der Temperatur des Metalls und der Zeitdauer der Erwärmung.
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Während dieser thermischen Behandlung behält die Verbundstelle ihre
Dichtungseigenschaften und verwandelt sich in eine Dauerverbundstelle, ohne <iaß
das Vakuum im Innern der Hülle darunter leidet. Es ergab sich, daß alle Elektroden,
vor allem die Kathode, gegen Oxydation geschützt blieben. Andererseits wurde die
Temperatur des Glases in der Nähe der Schmelzstelle nur sehr wenig über die Verformungstemperatur
hinaus gesteigert, während der Restteil des Stückes nicht die Erweichungstemperatur
erreichte, so daß keine Verforcnung des Stückes zu befürchten war.
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Das fertiggeschmolzene Rohr, das ganz unter der Einwirkung der Pumpe
im Innern der Heizkammer verbleibt, wird entgast und schließlich durch Verschließen
bzw. Abschmelzen des Pumpenstutzens fertiggestellt.
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Abb. 2 stellt eine Hochfrequenzröhre dar, welche entsprechend dem
vorbeschriebenen Arbeitsverfahren hergestellt worden ist. An die Kupferanode A wird
über eine Verbindung ß, die in der freien Luft hergestellt werden kann, ein Ringteil
M aus einem Metall angeformt, welches den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie
das Glas V aufweist, welches die Stromeingänge hält. Die Verbindung zwischen 1l7
und V wird gemäß der Erfindung hergestellt.
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Erwähnt sei, daß da die Schwächung des Glases nur sehr klein ist,
und ein Überlappen oder Vbergreifen der Wände nicht stattfindet, die Verbindungsstelle
keine Unregelmäßigkeiten oder Rauheiten aufweist, welche für die Verbindungen charakteristisch
sind, die in der Flamme oder sonstwie hergestellt werden und bei denen ein verhältnismäßig
großer Teil oder Abschnitt des Glases hei der Verbindung verformt wird.
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Das Durchdrücken einer kissenförmigen Schicht des Glases in das Metall
hat praktisch keine Ein-@virkung auf die Raumform der Röhren der gebräuchlichen
Art. Jedoch kann selbst eine axiale Veränderung um ein Zehntelmillimeter sich auf
die Charakteristiken von Röhren auswirken, welche für Zentimeterwellen bestimmt
sind und bei denen die Lage der Elektroden genau eingehalten werden muß. Ahb.3 veranschaulicht
die Anwendung der Erfindung bei solchen Röhren, denen die Verwen-
Jung
von unverformbaren keramischen Abstands-oder Ringkörpern C, C eigentümlich ist,
deren Höhenabmessung geschliffen oder sonstwie genau bestimmt wird und genau den
endgültigen Abstand der Röhrenteile festlegt, der" dem Aufbau des Rohres entspricht.
Diese Abstandskörper haben den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Metallteile
3, 4 und 5 und die Glasteile 6 und 7, die gemäß der !Erfindung miteinander zu verbinden
sind; sie sind zwischen den Metallteilen angeordnet und befinden sich außerhalb
der Glasmanschetten. Diese letzteren sind in solcher Weise bemessen, daß sie eine
Überschußhöhe (in der Größenordnung von einem Zehntelmillimeter) aufweisen, wodurch
der Schwächung bzw. Stärkeverminderung im Verlauf des Anschmelzvorgangs Rechnung
getragen wird.
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Mitunter ist es zweckmäßig, die bearbeitete Metallfläche einer Oxydation,
vorzugsweise beim Zusammenbau der Teile, zu unterwerfen, und zwar um die Oxydschicht
zu verstärken, welche notwendig oder erwünscht ist, um vom Glas im Verlauf der thermischen
Behandlungsweise aufgenommen zu werden.