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Verfahren zum Verbinden metallischer Teile mit Körpern aus wärmefestem,
insbesondere keramischem Werkstoff Es sind bereits Verfahren bekannt, um metallische
Teile. mit einem Körper aus wärmefestem, z. B. keramischem Werkstoff' formschlüssig
zu verbinden. Hierbei durchdringt der metallische Teil den keramischen Körper in
einer Bohrung und wird mit Hilfe von Elektroden unter Durchleiten elektrischen Stromes
in dieser Bohrung erwärmt und bis zum Schmelzen gebracht. Gegebenenfalls unter Anwendung
eines von den Elektroden ausgeübten Druckes wird der erhitzte metallische Teil sodann
in die gegebenenfalls mit Erweiterungen versehene Bohrung des keramischen Körpers
eingestaucht, so daß er diese sowie die Erweiterungen ganz oder teilweise ausfüllt.
Es ist auch bekanntgeworden, Metallteile mit z. B. keramischen Körpern in der Weise
zu verbinden, daß die Metallteile z. B. zylindrische Hohlzapfenansätze erhalten,
die durch die Bohrung des keramischen Körpers hindurchgeführt werden. Auch in diesem
Falle werden die metallischen Teile unter Durchleiten elektrischen Stromes erweicht,
und es wird der über die Bohrung des keramischen Körpers hervorstehende Rand des
Hohlzapfenansatzes unter dem Druck der Elektroden zu einem Wulst oder Flansch umgebördelt.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden ebenfalls z. B. zylindrische
metallische Hohlteile durch Bohrungen eines Körpers aus wärmefestem
Werkstoff,
vorzugsweise keramischem Werkstoff, hindurchgeführt und in an sich bekannter Weise
durch einen elektrischen, durch sie hindurchgeleiteten Strom geeigneter Spannung
bis zum teilweisen Erweichen erwärmt und gleichzeitig durch die Zuführungselektroden
in axialer Richtung zusammengestaucht,wobei dieseHohlteilebzw.röhrenförmigen Teile
unter Zusammenknicken zu einem als Gegenlager auf der Oberfläche des keramischen
Teiles gleichmäßig aufruhenden. Wulst verformt werden. Damit sich einerseits ein
derartiger, gleichmäßig gefalzter und genügend breiter, als Widerlager ausreichender
Wulst bildet und andererseits die Verbindung des Metallteiles mit dem wärmefesten
Körper auch wirklich fest wird, so daß jegliches Spiel des durch die Bohrung des
Körpers hindurchgeführten HohlteiIes vermieden wird, müssen unter anderem erfindungsgemäß
die Wanddicke und Länge des in der beschriebenen Weise zu verformenden Hohlteiles
in einem bestimmten Verhältnis, und zwar im Verhältnis 1 : 4 bis 1 : 12, vorzugsweise
im Verhältnis 1 :8, zueinander stehen.
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Die zur Stromzuleitung und Verformung dienenden Elektroden werden
zweckdienlich derart ausgebildet und angeordnet, :daß möglichst nur der zu verformende
rohrförmige Hohlteil vom Strom durchflossen und durch diesen erwärmt und die Wärme
von den übrigen vom Stromdurchflossenen Teilen des mit dem Körper aus wärmefestem
Werkstoff zu verbindenden Metallkörpers gut abgeleitet wird. Zweckdienlich werden
daher -diese Elektroden aus einem Metall hoher elektrischer und großer Wärmeleitfähigkeit,
z. B. aus Kupfer, hergestellt. Zur .besseren Wärmeaufnahme und Wärmeableitung erhalten
sie eine möglichst große Masse und große Kühlflächen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann an ein und demselben Stück auch
wiederholt angewandt werden.
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Der wärmefeste Körper kann an den Auflagestellen der an den rohrförmigen
Metallteil angestauchten Wulste oder Flansche auch mit je einem z. B. aufgebrannten
metallischen Belag, insbesondere Edelmetallbelag, versehen werden, der verzinnt
sein kann, so daß bereits -während des Anstauchens der Wulste oder Flansche oder
im Anschluß daran deren gas-, flüssigkeits- und vakuumdichte Ver-Tötung mit diesen
aufgebrannten Metallbelägen selbsttätig erfolgt.
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An Hand der Ahb. i bis 9 sei -das erfindungsgemäße Verfahren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Abb. i stellt einen wärmefesten Körper, z. B. eine keramische Platte
io mit einer Öffnung dar, durch die der mit einem Bund i i versehene Metallteil
12
mit geringem Durchmesserspiel hindurchgeführt ist. An seinem freien, zu
stauchenden Ende 112 weist der Metallteil eine zylindrische Bohrung auf, die vor
derjenigen Oberfläche .des -wärmefesten Körpers endet, auf der der an den Metallteil
allzustauchende Wulst aufruhen soll. Das in der Zeichnung angegebene Maß a kann
etwa o,5 bis i mm betragen. Die Wanddicke d und die Länge L des hohlen dünnwandigen
Teiles 112 werden erfindungsgemäß so bemessen, daß ihr Verhältnis etwa 1 :,4 bis
i : 12, vorzugsweise i : 8, beträgt.
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Zur Herstellung der Verbindung werden auf die Enden des durch den
Körper io hindurchgeführten Metallteiles 12 die den elektrischen Strom zuführenden
Elektroden 13 und 14 aufgebracht bzw. aufgepreßt, und es wird dadurch nach hinreichender
Erwärmung des dünnwandigen Endes 112 bis zum Erweichen dieses Ende in der in Abb.2
dargestellten Weise unter Ausknicken der dünnen Wandung zu einem sich gleichmäßig
gegen die Oberfläche des Körpers io legenden Wulst 15 umgeformt, so daß der Metallteil
12 einerseits durch den Bund ii und andererseits durch den allgestauchten Wulst
15 unverschiebbar in der Platte io festbehalten ist. Durch die beim Abkühlen nach
der Verformung des Metallteiles 12/1i2 einsetzende Schrumpfung ist die sichere Befestigung
des Metallteiles im Körper io gewährleistet.
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Die Einhaltung des angegebenen Verhältnisses von Wanddicke zur Länge
des Metallteiles 1i2 innerhalb der Grenzen i : 4 -bis i : 12, zweckmäßig i : 8,
ist deshalb notwendig, weil bei einer im Verhältnis zur Wanddicke zu großen Länge
nicht mehr sichergestellt ist, daß sich der bei der Knickstauchung bildende Wulst
15 gleichmäßig und fest gegen die Oberfläche der Platte io legt. Außerdem entsteht
in diesem Falle meist ein windschief gegen die Längsachse verzogener, unschöner
Wulst, der, wenn überhaupt, nur an einer Stelle seines Randes an der durchbohrten
Platte io anliegt. Bei zu kurzer Länge des Hohlteiles 112 reicht andererseits die
Ausladung des entstehenden Wulstes nicht mehr zur sicheren Befestigung des Metallteiles
12 in der Platte aus.
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Es ist ferner wesentlich, daß sich die Höhlung des Teiles 112 nur
um ein geringes Maß a, etwa nur 0,5 bis i mm, bis unter die Oberfläche
der Platte erstreckt, -weil sonst durch Ausknicken des Metallteiles innerhalb der
Plattenbohrung eine Sprengwirkung auf deren Wandung ausgeübt werden könnte.
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Abb. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf die Befestigung von Kontaktstiften in der zylindrischen Wandung eines
rohrförmigen, z. B. keramischen Sockels. Durch eine der Bohrungen in der Zylinderwand
des Sockels 2o ist ein metallischer Kontaktstift 2i mit geringem Durchmesserspiel
hindurchgeführt. Der Kontaktstift legt sich dabei mit seinem Bund 24 gegen die zylindrische
Außenwand des Sockels 20. An seinem in das Innere des Sockels ragenden Ende ist
der Kontaktstift zylindrisch ausgebohrt. Das Verhältnis der Wanddicke zur Länge
dieses ausgebohrten Endes des Kontaktstiftes a1 beträgt wiederum i : 4 bis i : 12,
vorzugsweise etwa i : B. Die Bohrung dieses Endes des Kontaktstiftes endet etwa
0,5 mm vor der zylindrischen Innenfläche des Sockels 2o. Durch die Elektroden
22 und 23 wird dem Kontaktstift 2i Strom zugeführt. Die Elektrode 22 ist derart
gestaltet, daß sie in den Hohlraum des Sockels 20
eingeführt werden
kann. Infolge des Stromdurchganges erwärmt sich der Kontaktstift besonders stark
an seinem dünnwandigen, ausgebohrten Ende bis zum Erweichen, so daß dieses unter
dem gegen den Kontaktstift ausgeübten Druck der Elektrode 22 und der zugleich als
Widerlager dienenden Elektrode 23 zu einem sich gegen die Innenfläche des Sockels
gleichmäßig anlegenden Wulst, wie in der bereits für Abb. i und 2 beschriebenen
Weise, umgeformt (knickgestaucht) wird. Der Kontaktstift 2i ist damit unverschiebbar
im Sockel durch den Bund 24 und den durch die Knickstauchung angeformten Wulst befestigt.
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In Abb.4 und 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Befestigung eines Steckerstiftes 31, 32, 33 in der Längsachse eines
keramischen ' Sockels 3o dargestellt. Der Steckerstift 3i setzt sich in einem mittleren
Teil 32 fort, der durch eine zylindrische Bohrung des keramischen Sockels hindurchgeführt
ist. Hinter dieser Bohrung erweitert sich dieser Teil zu einer Steckhülse 33, deren
innere ringförmige Stirnfläche sich gegen eine entsprechende Ringfläche des Sockels
30 stützt. Zur erfindungsgemäßen Befestigung des Steckerstiftes im Sockel
30 ist der mittlere Teil 32 hülsenförmig gestalte. In den hülsenförmigen
Teil des Steckerstiftes wird die untere Elektrode 34 eingeführt, deren äußere Form
den abgesetzten Bohrungen der hülsenförmigen Teile 32 und 33 angepaßt ist und deren
stiftförmiges Ende 35 kurz unterhalb derjenigen Ringfläche des Sockels 3o abschneidet
(Abstand a etwa o,5 bis i mm), gegen die sich der Wulst 36 (Abb. 5) legt, der durch
Knickstauchung aus dem dünnwandigen hülsenförmigen Teil 32 geformt wird. Wanddicke
d und Hülsenlänge L dieses Teiles 32 stehen wiederum erfindungsgemäß
in einem zwischen 1 : 4 bis i : 12 liegenden Verhältnis, vorzugsweise im Verhältnis
i : B. Durch Niederpressen der auf die Stirnfläche des Steckerstiftes 31 aufgesetzten
Elektrode 37 geht die Verformung des hülsenförmigen Teiles 32 nach dessen elektrischer
Erwärmung bis zum Erweichungspunkt zu dem Wulst 36 vor sich, der sich dabei gleichmäßig
gegen die entsprechende Ringfläche des Sockels 30 legt und auf diese Weise den Steckerstift
31 und seinen hülsenförmigen Fortsatz 33 unverschiebbar im Sockel 3o befestigt.
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Liegt die Aufgabe vor, ein dünnwandiges, glattes metallisches Rohr
durch eine z. B. keramische Wandung hindurchzuführen und in dieser durch das erfindungsgemäße
Verfahren zu befestigen, so wird in der aus Abb. 6 und 7 ersichtlichen Weise vorgegangen.
In das mit geringem Durchmesserspiel durch die zylindrische Bohrung der Platte 4o
hindurchgeführte glatte, dünnwandige Metallrohr 41 mit der Wanddicke d wird der
Elektrodenstift 42 eingeführt, dessen Außendurchmesser möglichst gleich dem Innendurchmesser
des Rohres 41 ist und der sich in dem Elektrodenansatz 43 fortsetzt, gegen den die
Platte 40 z. B. durch einen Distanzring 44 abgestützt wird. Der Elektrodenstift
42 steht um das etwa 0,5 bis i mm betragende Maß a gegen die Oberseite der
keramischen Platte 4o zurück. Das untere Ende des Rohres 41 ruht auf dem Elektrodenansatz
43 auf. Über das obere Ende des Rohres 41 wird eine Hohlelektrode 45 geschoben bzw.
geklemmt, deren Innendurchmesser möglichst gleich dem Außendurchmesser des Rohres
41 ist und die das Rohr bis auf die freie Knicklänge L allseitig umschließt. Es
verhält sich wieder d : L
wie etwa i : 4 bis i : 12, vorzugsweise i : B. Die
Erwärmung des Rohres 41 findet überwiegend auf der Strecke L statt, da die Wärme
von den übrigen stromdurchflossenen Rohrteilen durch die gut wärmeleitenden und
wärmeaufnahmefähigen Elektroden 42, 43 und 45 hinweggeführt wird. Gegebenenfalls
könnte die Elektrode 45 auch mit einem Kern 145 und auch zweiteilig aufklemmbar
ausgeführt werden, wie dies in Abb. 6 punktiert angedeutet ist. Nach Erweichen des
Rohres 41 auf der Strecke L infolge der elektrischen Erwärmung wird die Elektrode
45 gegen die Stirnseite des Rohres 41 gepreßt, wobei sich der Wulst 46 (vgl. Abb.
7) bildet, der sich gleichmäßig gegen die obere ebene Fläche der Platte 40 legt.
Hierauf wird, wie aus Abb. 7 ersichtlich ist, in das gestauchte Rohrende ein entsprechend
verkürzter Elektrodenstift 47 eingeführt, der sich in dem Elektrodenansatz 48 fortsetzt,
gegen den die Platte 40 z. B. durch einen Distanzring 49 abgestützt wird und gegen
den sich die Stirnseite des gestauchten Rohrendes legt. Über das freie, noch nicht
gestauchte Rohrende wird sodann die bereits erwähnte Hohlelektrode 45, 145 geschoben
bzw, geklemmt, die dieses Rohrende allseitig bis auf die Knicklänge L umschließt.
Der Elektrodenstift 47 steht um das etwa 0,5 bis i mm betragende Maß a gegen
die Unterseite der Platte 40 zurück, und es verhält sich wiederum d : L wie etwa
1 : 4 bis 1 : 12, vorzugsweise i : B. Nach Erwärmen der freien Knicklänge L des
Rohres 41 bis zum Erweichungspunkt werden die Elektroden 45 und 48 in Pfeilrichtung
zusammengepreßt, wobei sich der Wulst 50 (Abb. 8) formt, der sich gleichmäßig gegen
die Unterseite der Platte 40 legt. Abb. 8 zeigt das nach dem Anstauchen der Wulste
46 und 50 in der -Platte 4o befestigte Rohr 41. Beim Anstaurhen des unteren
Wulstes 50 erwärmt sich naturgemäß auch der zwischen ihm und dem Wulst 46
liegende Rohrteil. Beim Abkühlen schrumpft alsdann der zwischen den Wulsten 4,6,
50 liegende Rohrteil zusammen und stellt so eine sichere feste Verbindung des Rohres
41 mit der Platte 40 her.
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Es ist auch ohne Schwierigkeiten möglich, die erfindungsgemäße Verbindung
rohr- oder zapfenförmiger metallischer Teile mit wärmefesten, insbesondere keramischen
Teilen luft-, flüssigkeits-und vakuumdicht zu gestalten. Hierzu werden die Auflagestellen
der durch die vorbeschriebenen Knickstauchungen zu erzeugenden Flansche oder Wulste
auf den z. B. keramischen Teilen i in bekannter Weise mit einem z. B. aufgebrannten
Metallbelag versehen, der einen lötfähigen Überzug erhält, das heißt z. B. verzinnt
wird. Auch der einzustauchende Rohr oder Zapfenteil kann an der Knickstelle
mit
einem lötfähigen Überzug versehen, z. B. verzinnt sein. Durch die elektrische Erwärmung
des Rohr- oder Zapfenteiles an der Knickstelle erweicht auch dieser lötfähige Überzug,
so daß gleichzeitig mit der Knickstauchung selbsttätig die dichte Verlötung des
metallischen Teiles mit dem keramischen Teil an der Verbindungsstelle eintritt.
Selbstverständlich kann die zur Erzielung einer vakuumdichten Verbindung erforderliche
Verlötung der Metallbeläge mit den eingestauchten Metallteilen auch erst nach der
Einstauchung, gegebenenfalls auch zusätzlich nach der Stauchung erfolgen, wie dies
in Abb.9 bei 67, 68 angedeutet ist. Die beim Abkühlen nach dem Anstauchen eintretende
axiale Schrumpfung des in die Wandung eingestauchten Rohr- oder Zapfenteiles sichert
die Festigkeit und Dichtigkeit der Lötverbindung.
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Als Ausführungsbeispiel einer solchen, nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten vakuumdichten Verbindung ist in Abb.9 ein zur Aufnahme eines
elektrischen Schaltelementes, z. B. eines Kondensators, dienender zylindrischer
metallischer Behälter 6o dargestellt, der an seinen Enden durch die in ihn einzulötenden
keramischen Ringe 61 und 62 abgeschlossen ist. In diese Ringe 6 1 und 62
werden vorher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit je einem Bund versehene,
verzinnte metallische Rohrstücke 63 und 64 eingestaucht. Die keramischen Ringe 61
und 62 tragen außer den auf ihrem Umfang aufgebrannten und verzinnten Lötbelegungen
65 auch derartige Lötbelegungen 66 in ihrer Bohrung sowie an den Auflagestellen
der Rohrbunde und anzustauchenden Wulste, damit beim Einstauchen der Rohrstücke
63 und 64. und der Formung der Stauchwulste gleichzeitig deren dichte Verlötung
mit -den Ringen 61 und 62 selbsttätig vor sich gehen kann. Zu diesem Zweck werden
die z. B. durch Tauchen vorverzinnten Teile z. B. durch Eintauchen in eine 5°loi:ge
alkoholische Kolophoniumlösung noch mit einem Lötmittelüberzug versehen. Es «-ire
sodann das Einstauchen der Rohrstücke 63 und 64 und deren selbsttätige dichte Verlötung
mit den keramischen Ringen 61 und 62 vorgenommen.
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Die so mit den Rohrstücken 63 und 64 versehenen keramischen Abschlußringe
62 und 61 können dann nach Einbringen des Schaltelementes in das Metallrohr 6o eingelötet
werden. In die Mittelöffnungen der Rohrstücke 63 und 64. werden schließlich als
Zuführungen zum Schaltelement dienende Metallbolzen eingelötet.