WO2020152271A1 - Verfahren zum diffusionsfügen sowie vorrichtung hierfür mit druckvariation - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for diffusion joining, in which a first and a second stamp are used. At least two plate-like joining parts with a joining plane between the at least two joining parts are arranged between the first and the second punch. For diffusion joining, pressure is also applied to the at least two joining parts essentially perpendicular to the joining plane by means of the first and / or the second punch. In addition, it is provided that a pressure variation is applied for printing.
  • the invention further relates to a device for diffusion joining, in particular for carrying out a diffusion joining method.
  • the device has a first and a second punch, wherein at least two plate-like joining parts with a joining plane between the at least two joining parts can be arranged between the first and the second punch.
  • a pressure generating device is provided for applying a pressure substantially perpendicular to the joining plane on the at least two joining parts by means of the first and / or the second stamp.
  • the pressure generating device is also designed to vary the pressure.
  • Diffusion joining In diffusion joining, two components to be connected, which are mostly plate-like, are placed one on top of the other.
  • the contact surface of these two plate-like parts to be joined is referred to as the joining plane.
  • the parts to be joined can also be referred to as sheet products or the like.
  • pressure is usually applied to the two parts to be joined, essentially perpendicular to the plane of the joint.
  • a connection is created at the joining level between the two joining components, which have similar or the same properties as the base materials.
  • Diffusion joining can be carried out not only with two joining parts, but also with a number of joining parts arranged in stacks. The result is a composite structure.
  • the at least two joining parts are usually arranged on or between two stamps. These two stamps are moved in the direction of one another via a pressure generating device, so that pressure is ideally applied to the joining components essentially perpendicular to the joining plane. This then leads to diffusion joining, so that a weld-like connection is created on the joining plane between the two joining parts.
  • the contact pressure reduces or eliminates microscopic deformations on the surface of the two parts to be joined at the joint level by means of plastic deformations. It is assumed here that initial point-shaped contact points increase by plastic deformation until an essentially continuous contact surface is formed. The local stress in the materials falls below the yield stress, so that the formation of an ideal surface is promoted. Oxide layers are usually still present on the joining components in the joining plane. These represent an obstacle to diffusion joining. In the first stage it is also assumed that these oxide layers are blown open during the plastic deformation and are still on the surface as coarse clods, but are no longer continuous.
  • Diffusion-controlled creeping processes take place in parallel with the first stage, which additionally lead to an enlargement of the limit contact surfaces and thus to the closing of existing cavities. In the last stage it is assumed that gaps remaining due to volume diffusion are closed, or are ultimately closed. Through further forming and diffusion processes, the former interfaces, which were in the joining plane, are eliminated and a connection is created between the two joining parts, which is referred to as a welded joint. In some cases there are also recrystallized areas.
  • a procedure in this regard is described, for example, in CN 105 689 884 A.
  • the basic pressure is applied to the parts to be joined using a first stamp.
  • An axial vibration is introduced via a further punch by means of an ultrasonic tool head. This should lead to a sufficient pressure variation.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and a device for diffusion joining, in which a simple structure is provided, which are to be used efficiently and produce a high-quality connection between the joining components.
  • a generic diffusion joining method is further developed in that the pressure and the pressure variation are applied via the first stamp to the at least two joining parts, the pressure variation being introduced in the pressure direction. It is also provided that the second stamp is used as a rigid anvil-like stamp.
  • the minimum pressure which is present by means of the pressure variation, is selected between 25% to 75% of the maximum pressure.
  • the invention is based on two basic ideas.
  • the first basic idea can be seen in the fact that both the pressure and the pressure variation are applied to the at least two joining parts via the same stamp, that is to say via the same device.
  • the consequence of this is that the problems, which are known from the prior art, mean that the pressure variation, provided that it is introduced via another component, no longer arrives at the joining level with sufficient strength from a certain basic pressure .
  • the second stamp can be rigid, for example in the form of an anvil-like stamp.
  • only one stamp has to be movable or pressurizable. This reduces the construction and tax expense for such a system. This occurs particularly clearly if the diffusion joining process is carried out in a chamber, which can be vacuumed, for example. It is necessary to use appropriate seals to provide for all moving parts in the chamber. With the method according to the invention, only one seal has to be provided for moving the first stamp, since the second stamp is rigid.
  • a range from 0.5 Hz to 200 Hz is selected for the frequency of the pressure variation. It was recognized here that this relatively low frequency just caused the oxide layers to burst open sufficiently well. If a higher frequency is used, this is not the case in such a reliable manner according to the knowledge of the invention.
  • the pressure variation can be chosen arbitrarily.
  • the basic pressure which is used for a diffusion joining process depends essentially on the materials to be bonded. For example, a pressure between 1 MPa and 5 MPa is usually used when joining materials such as aluminum alloys. However, a pressure in the range of 15 MPa to 20 MPa is used when connecting two joining parts made of stainless steel. Even higher pressures in the range from 20 MPa to 50 MPa are used, for example, in the diffusion joining of hard metals or metal matrix composite materials.
  • the minimum pressure which is applied to the joining plane by means of the pressure variation is between 25% and 75% of the maximum pressure. Before a range between 40% and 60% is chosen. This corresponds essentially to a method of the first stamp in the range from 5 pm to 50 pm.
  • Such a variation of the pressure is particularly well suited to breaking up the oxide layers without interrupting the basic processes described above that occur during the joining. This would be the case if the pressure was completely absent for a while.
  • an upper stamp is selected as the first stamp and a lower stamp is selected as the second stamp.
  • an inverse selection is also possible.
  • the choice of the upper stamp as a movable stamp via which the pressure and the pressure variation is introduced makes it easier to set up a device for diffusion joining since, when the lower stamp is fixed, the joining components can be placed on it more easily.
  • the pressure variation can be done in any way. It is advantageous if a cyclic pressure variation is provided.
  • Various printing forms are conceivable for example sinusoidal or step-shaped. Particularly good results have been obtained with a sawtooth-like course. This means that the oxide layers can be broken up particularly well without unnecessarily lengthening the diffusion joining processes.
  • the sawtooth-like course can have two essentially identical flanks.
  • a version with a continuous increase in pressure and with an abrupt drop is also possible and gives good results.
  • the joining process can be used in particular for diffusion welding, for diffusion soldering and / or for TLP diffusion welding. These processes are basically to be regarded as subspecies of diffusion joining. In diffusion welding, no additional material is usually provided between the two joining parts on the joining level. In contrast, a flux or the like is provided on the joining plane in diffusion soldering and TLP diffusion welding, which, depending on the materials of the joining parts, enables a better connection than in the case of pure diffusion welding.
  • the diffusion joining method according to the invention can be carried out with various materials such as metals, plastics and combination materials.
  • a generic device is further formed by the fact that the second stamp is rigid and anvil-like.
  • the first stamp is coupled to the pressure generating device for applying the pressure and the pressure variation to the at least two parts to be joined and forms, the variation of the pressure being introduced in the printing direction.
  • the pressure generating device is designed such that the minimum pressure which is present by means of the pressure variation is between 25% and 75% of the maximum pressure.
  • Such a device is particularly well suited to execute the method according to the invention.
  • the device according to the invention ensures that the pressure variation, which is brought in by the same stamp as the basic pressure, also acts on the joining level and thereby efficiently breaks up the oxide layers or impurities.
  • the second stamp By designing the second stamp as rigid and / or anvil-like, if the device is arranged in a chamber, the sealing problem of moving components, such as the second stamp, can be dispensed with, since the latter essentially does not move.
  • the pressure generating device is designed to generate a pressure variation with a frequency of 0.5 Flz to 200 Hz.
  • a pressure variation with such a low frequency surprisingly enables the oxide layers to be broken up efficiently and, and probably therefore also for this reason, creates a particularly good connection between the two joining parts.
  • the device according to the invention can be provided in a joining chamber in which both the first and the second punch are arranged.
  • a heating element can be installed in the joining chamber, which serves to increase the temperature in the joining chamber.
  • different temperatures are usually advantageous in order to accelerate the process or to produce a sufficiently stable connection.
  • aluminum alloys are preferably assembled in a chamber at a temperature between 400 ° C and 600 ° C.
  • Even harder metals or composite materials are sometimes processed at temperatures above 1,100 ° C.
  • the pressure generating device which is coupled to one of the stamps, can be of any design. It lends itself, for example, to perform these mechanically, hydraulically and / or piezoelectrically to generate the pressure variation. If, as proposed in accordance with the invention, relatively low frequencies are used, a mechanical or hydraulic design is often sufficient and advantageous, since it is constructed more simply. A piezoelectric version, which is generally also suitable for introducing higher frequencies would not be mandatory, but can also be used.
  • the pressure generating device is preferably a device which applies both the base pressure and a variation, for example by changing the operating pressure.
  • Fig. 1 shows a schematic section through an inventive device for diffusion joining.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified schematic illustration of a device for diffusion joining according to the invention.
  • this has a first stamp 11 and a second stamp 12.
  • the second stamp 12 is arranged on a support structure 13.
  • the first 11 and the second stamp 12 and the support structure 13 enclose a reaction chamber 14.
  • a fleece element 16 is seen in the reaction chamber 14.
  • the device 1 according to the invention is designed in accordance with the invention in such a way that the second stamp 12 is fixedly arranged on the support structure 13. Only the first stamp 1 1 is provided movably. Both a pressure and a pressure variation can be applied via this.
  • a vacuum may prevail in the chamber 14 itself.
  • a protective gas atmosphere or the normal atmosphere with different or the same pressure may prevail in the ambient pressure.
  • the first stamp 1 1 is placed on the Joined parts 21, 22 closed. As soon as there is contact, pressure is still applied to the two joining parts 21, 22 via the first stamp 11.
  • a pressure variation is applied to the two joining parts 21, 22 and in particular to the joining plane 23 via the first stamp 11 according to the teaching according to the invention.
  • This pressure variation it is possible to break open an oxide layer which exists on both joining parts 21, 22, in particular on the joining plane 23, so that a good and high-quality joining connection can take place.
  • the generation of the joint connection is improved by using the heating element 16 to increase the temperature in the chamber 14. Temperatures up to over 1000 ° C may be necessary.
  • An advantage of the embodiment according to the invention is that since the pressure and the pressure variation are introduced only via the first die 11, no two construction parts which move actively or apply pressure act against one another. This reduces wear overall.
  • An execution of the second stamp 12 is also possible in a simpler manner since it does not move and can therefore be arranged in the chamber 14 with the carrying structure 13.
  • the pressure variation is preferably introduced only with a frequency between 0.5 Hz and 200 Hz, advantageously in the range from 10 Hz to 20 Hz or around 100 Hz.
  • a frequency between 0.5 Hz and 200 Hz, advantageously in the range from 10 Hz to 20 Hz or around 100 Hz.
  • Such designs make it possible to generate the application of the pressure difference already by simple, fast mechanical start and stop of the first stamp 1 1.
  • mechanical unbalance can be provided or the pressure can also be varied hydraulically quickly.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diffusionsfügen mit einem ersten und einem zweiten Stempel (11, 13), wobei zwischen den beiden Stempeln (11, 13) plattenartige Fügeteile (21, 22) angeordnet werden. Zum Diffusionsfügen wird mittels des ersten und/oder des zweiten Stempels (11, 13) ein Druck auf die Fügeteile (21, 22) aufgebracht. Zusätzlich wird auch eine Variation des Druckes eingebracht. Entsprechend der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druck und die Druckvariation über dem ersten Stempel (11) aufgebracht werden, wohingegen der zweite Stempel (13) starr ausgeführt sein kann. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.

Description

VERFAHREN ZUM DIFFUSIONSFÜGEN SOWIE VORRICHTUNG HIERFÜR MIT
DRUCKVARIATION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diffusionsfügen, bei dem ein erster und ein zweiter Stempel verwendet werden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Stempel werden mindestens zwei plattenartige Fügeteile mit einer Fügeebene zwischen den mindestens zwei Fügeteilen angeordnet. Zum Diffusionsfügen wird ferner mittels des ersten und/oder des zweiten Stempels ein Druck im Wesentlichen senkrecht zur Fü geebene auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht. Zusätzlich ist vorgesehen, dass zum Druck eine Druckvariation aufgebracht wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Diffusionsfügen, insbesondere zum Durchführen eines Diffusionsfügeverfahrens. Die Vorrichtung weist einen ersten und einen zweiten Stempel auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Stempel mindestens zwei plattenartige Fügeteile mit einer Fügeebene zwischen den mindes tens zwei Fügeteilen anordenbar sind. Es ist eine Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen eines Druckes im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene auf die mindes tens zwei Fügeteile mittels des ersten und/oder des zweiten Stempels vorgesehen. Die Druckerzeugungseinrichtung ist auch zum Variieren des Druckes ausgebildet.
Beim Diffusionsfügen werden zwei zu verbindende Bauteile, welche meistens platten artig ausgeführt sind, aufeinandergelegt. Die Kontaktfläche dieser beiden plattenarti gen Fügeteile wird als Fügeebene bezeichnet. Grundsätzlich können die Fügeteile auch als Flalbzeug oder dergleichen bezeichnet werden. Zum Aufbauen der Verbin dung zwischen den beiden Fügeteilen, wird meist im Wesentlichen senkrecht zur Fü geebene Druck auf die beiden Fügeteile aufgebracht. Idealerweise entsteht an der Fü geebene eine Verbindung zwischen den beiden Fügebauteilen, welche ähnliche oder die gleichen Eigenschaften wie die Grundwerkstoffe aufweisen. Das Diffusionsfügen kann nicht nur mit zwei Fügeteilen, sondern auch mit einer Mehr zahl von stappelartig angeordneten Fügeteilen ausgeführt werden. Das Ergebnis ist dann eine kompositartige Struktur.
Um gängige Diffusionsfügeverfahren auszuführen, werden meist die mindestens zwei Fügeteile auf beziehungsweise zwischen zwei Stempeln angeordnet. Über eine Druckerzeugungseinrichtung werden diese zwei Stempel in Richtung zueinander ver fahren, so dass Druck auf die Fügebauteile idealerweise im Wesentlichen senkrecht zur Fügeebene aufgebracht wird. Dies führt dann zum Diffusionsfügen, so dass eine schweißnahtähnliche Verbindung an der Fügeebene zwischen den beiden Fügebau teilen entsteht.
Diffusionsfügeverfahren sind bereits seit längerem, ca. seit 50 Jahren bekannt. Im Laufe der Zeit sind verschiedene Theorien über die exakten Eigenschaften und Wand lungen während es Diffusionsfügens aufgestellt worden.
Eine gängige Theorie unterteilte das Diffusionsfügen in einen dreistufigen Prozess.
In der ersten dieser Stufen werden durch den Anpressdruck mikroskopischen Defor mationen auf der Oberfläche der beiden Fügeteile an der Fügeebene durch plastische Deformationen verringert, beziehungsweise beseitigt. Hierbei geht man davon aus, dass sich anfängliche punktförmige Berührungsstellen durch plastische Verformung derart vergrößern, bis eine im Wesentlichen kontinuierliche Kontaktfläche ausgebildet ist. Die lokale Spannung in den Materialen fällt unter die Fließspannung, so dass das Ausbilden einer idealen Oberfläche begünstigt wird. Auf den Fügebauteilen in der Fü geebene sind meist noch Oxidschichten vorhanden. Diese stellen ein Hindernis für das Diffusionsfügen dar. In der ersten Stufe wird ferner angenommen, dass diese Oxid schichten während der plastischen Verformung aufgesprengt werden und als grobe Schollen noch auf der Oberfläche vorliegen, jedoch nicht mehr durchgehend sind.
Zeitlich parallel zu der ersten Stufe finden bereits an planen Stellen diffusionsgesteu erte Kriechprozesse statt, welche zusätzlich zur Vergrößerung der Grenzkontaktflä chen und damit zum Schließen vorhandener Hohlräume führen. In der letzten Stufe wird angenommen, dass durch Volumendiffusion verbleibende Lü cken geschlossen sind, beziehungsweise letztendlich geschlossen werden. Durch wei tere Umformungs- und Diffusionsprozesse werden die ehemaligen Grenzflächen, wel che in der Fügeebene lagen, aufgehoben und es entsteht eine Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen, welche als Schweißverbindung bezeichnet wird. Teilweise lie gen hierbei auch rekristallisierte Bereiche vor.
Ein wesentlicher Punkt der zum erfolgreichen Durchführen eines Diffusionsfügeverfah- rens notwendig ist, ist das Aufbrechen der zuvor beschriebenen Oxidschichten. Dies kann zwar auch durch den reinen Druck sowie durch die entsprechenden Umformvor gänge erfolgen, es ist jedoch auch bekannt, dass das Aufbrechen der Oxidschichten durch eine Variation des Druckes verbessert wird.
Ein diesbezügliches Verfahren ist beispielsweise in der CN 105 689 884 A beschrie ben. Hierbei wird über einen ersten Stempel der Grunddruck auf die Fügeteile aufge bracht. Über einen weiteren Stempel wird mittels eines Ultraschallwerkzeugkopfes eine axiale Schwingung eingebracht. Dies soll zu einer ausreichenden Druckvariation führen.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der JPS 61229485 A bekannt. Auch hier wird die Druckvariation über einen Ultraschallwerkzeugkopf, welcher gegenüber dem eigentli chen Stempel liegt, eingebracht. Ferner ist aus dieser Druckschrift bekannt, dass durch Erhöhung des Ausgangsdruckes ab einem gewissen Druck die Druckvariation überla gert wird und nicht mehr an den Fügeteilen zu messen ist.
Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Diffusionsfügen anzugeben, bei denen ein einfacher Aufbau vorgesehen ist, welche effizient anzuwenden sind und eine qualitativ hochwertige Verbindung zwi schen dem Fügebauteilen hersteilen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Diffusionsfügen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Diffusionsfügen mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Be schreibung sowie in der Figur und deren Erläuterung angegeben. Entsprechend der Erfindung ist ein gattungsgemäßes Diffusionsfügeverfahren dadurch weitergebildet, dass der Druck und die Druckvariation über den ersten Stem pel auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht werden, wobei die Druckvariation in Druckrichtung eingebracht wird. Hierbei ist auch vorgesehen, dass der zweite Stem pel als starrer ambossartiger Stempel verwendet wird. Außerdem wird der minimale Druck, welcher mittels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% bis 75% des maxima len Druckes gewählt.
Der Erfindung liegen im Wesentlichen zwei Grundgedanken zugrunde. Der erste Grundgedanke kann darin gesehen werden, dass sowohl der Druck als auch die Druckvariation über denselben Stempel, das heißt über dieselbe Einrichtung auf die mindestens zwei Fügeteile aufgebracht wird. Dies hat zur Folge, dass gerade die Prob leme, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, dass die Druckvariation, sofern sie über ein anderes Bauteil eingebracht wird, ab einem gewissen Grunddruck nicht mehr in ausreichender Stärke auf der Fügeebene ankommt, nicht mehr auftreten.
Da die Druckvariation direkt über denselben Stempel wie der Druck eingebracht wird, wird relativ einfach sichergestellt, dass die Variation auch an der Fügeebene vorhan den ist. Dies hat wiederum deutliche Auswirkungen auf die Schnelligkeit und Qualität des Abbauens beziehungsweise Aufbrechens der Oxidschichten. Insgesamt hat dies zur Folge, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Diffusionsfügen deutlich schneller durchgeführt werden kann als mit herkömmlichen Verfahren. Auch wird eine höhere Qualität der Schweißverbindungen zwischen den beiden Fügeteilen ermög licht, da ein Aufbrechen beziehungsweise Abbauen der Oxidschichten besonders gut erreicht wird.
In diesem Zusammenhang ist auch der zweite Grundgedanke zu sehen. Da entspre chend der Erfindung der Druck und die Druckvariation über denselben Stempel einge bracht wird, kann der zweite Stempel starr, beispielsweise in Form eines amboßartigen Stempels ausgeführt sein. Anders ausgedrückt muss lediglich ein Stempel verfahrbar beziehungsweise mit Druck beaufschlagbar ausgebildet sein. Dies verringert den Kon struktions- und Steueraufwand für eine derartige Anlage. Besonders deutlich tritt dies auf, sofern das Diffusionsfügeverfahren in einer Kammer, welche beispielsweise va- kuumiert sein kann, durchgeführt wird. Hierbei ist es notwendig, entsprechende Dich- tungen an allen in die Kammer beweglichen Bauteilen vorzusehen. Mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren muss nur eine Dichtung zum Bewegen des ersten Stempels vorgesehen sein, da der zweite Stempel starr ausgeführt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die Frequenz der Druckvariation ein Bereich von 0,5 Hz bis 200 Hz gewählt. Hier wurde erkannt, dass diese relativ geringe Frequenz gerade ein ausreichend gutes Aufsprengen der Oxidschichten veranlasst. Wird eine höhere Frequenz verwendet, so ist dies entsprechend den Erkenntnissen der Erfindung nicht in derart zuverlässiger Art und Weise der Fall.
Grundsätzlich kann die Druckvariation beliebig gewählt werden. Der Grunddruck, wel cher für ein Diffusionsfügeverfahren verwendet wird, hängt wesentlich von den zu ver bindenden Materialien ab. So wird beispielsweise beim Verbinden von Materialien wie Aluminiumlegierungen meist ein Druck zwischen 1 MPa und 5 MPa verwendet. Hinge gen wird beim Verbinden von zwei Fügeteilen aus Edelstahl ein Druck im Bereich von 15 MPa bis 20 MPa eingesetzt. Noch höhere Drücke im Bereich von 20 MPa bis 50 MPa werden beispielsweise beim Diffusionsfügen von Hartmetallen oder Metall matrixverbundwerkstoffen verwendet.
Erfindungsgemäß ist es, wenn der minimale Druck, welcher an der Fügeebene mittels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% und 75% des maximalen Druckes ist. Bevor zugt wird ein Bereich zwischen 40% und 60% gewählt. Dies entspricht im Wesentli chen einem Verfahren des ersten Stempels im Bereich von 5 pm bis 50 pm.
Eine derartige Variation des Druckes eignet sich besonders gut, um die Oxidschichten aufzubrechen ohne hierbei die grundlegenden oben beschriebenen Prozesse, die während des Fügens auftreten, zu unterbrechen. Dies wäre der Fall, wenn der Druck eine Zeitlang komplett nicht anliegen würde.
Vorteilhaft ist es, wenn als erster Stempel ein oberer Stempel gewählt und als zweiter Stempel ein unterer Stempel gewählt wird. Grundsätzlich ist aber auch eine inverse Wahl möglich. Die Wahl des oberen Stempels als beweglichen Stempel über den der Druck sowie die Druckvariation eingebracht wird, erleichtert den Aufbau einer Vorrich tung zum Diffusionsfügen, da, wenn der untere Stempel fest ist, die Fügebauteile ein facher auf diesen abgelegt werden können. Die Druckvariation kann in beliebiger Weise erfolgen. Vorteilhaft ist es, wenn eine zyk lische Druckvariation vorgesehen ist. Hierbei sind verschiedene Druckformen bei spielsweise sinusförmig oder stufenförmig denkbar. Besonders gute Ergebnisse ha ben sich bei einem sägezahnähnlichen Verlauf ergeben. Dies bedeutet, dass hierbei die Oxidschichten besonders gut aufgebrochen werden können ohne die Diffusionsfü- gevorgänge hierbei unnötig zu verlängern. Der sägezahnähnliche Verlauf kann zwei im wesentlichen gleiche Flanken aufweisen. Es ist aber auch möglich, einen sehr schnellen Anstieg mit einer kontinuierlichen Verringerung des Druckes vorzusehen. Auch eine Ausführung mit einem kontinuierlichen Anstieg des Druckes und mit einem abrupten Abfall ist möglich und liefert gute Ergebnisse.
Das Fügeverfahren kann insbesondere zum Diffusionsschweißen, zum Diffusionslöten und/oder zum TLP Diffusionsschweißen eingesetzt werden. Diese Verfahren sind grundsätzlich als Unterarten von Diffusionsfügen anzusehen. Beim Diffusionsschwei ßen wird zwischen den beiden Fügeteilen auf der Fügeebene meist kein zusätzliches Material vorgesehen. Demgegenüber wird beim Diffusionslöten und TLP- Diffusionsschweißen ein Flussmittel oder dergleichen auf der Fügeebene vorgesehen, welches abhängig von den Materialien der Fügeteile eine bessere Verbindung als beim reinen Diffusionsschweißen ermöglicht.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Diffusionsfügeverfahren mit verschiede nen Materialien wie Metallen, Kunststoffen als auch Kombinationsmaterialien ausge führt werden.
Entsprechend der Erfindung ist eine gattungsgemäße Vorrichtung dadurch weiterge bildet, dass der zweite Stempel starr und ambossartig ausgeführt ist. Demgegenüber ist der erste Stempel mit der Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen des Dru ckes und der Druckvariation auf die mindestens zwei Fügeteile gekoppelt und ausge bildet wobei die Variation des Druckes in Druckrichtung eingebracht wird. Ferner ist die Druckerzeugungseinrichtung ausgebildet, dass der minimale Druck, welcher mit tels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% bis 75% des maximalen Druckes liegt.
Eine derartige Vorrichtung eignet sich besonders gut, um das erfindungsgemäße Ver fahren auszuführen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sichergestellt, dass die Druckvariation, welche durch denselben Stempel wie auch der Grunddruck einge bracht wird, auch auf die Fügeebene wirkt und hierbei die Oxidschichten oder Verun reinigungen effizient aufbricht. Durch das Ausbilden des zweiten Stempels als starr und/oder ambossartig, kann sofern die Vorrichtung in einer Kammer angeordnet ist, auf die Abdichtungsproblematik von beweglichen Bauteilen, wie des zweiten Stem pels, verzichtet werden, da dieser sich im Wesentlichen nicht bewegt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Druckerzeugungseinrichtung dafür ausgebildet ist, eine Druckvariation mit einer Frequenz von 0,5 Flz bis 200 Hz zu erzeugen. Wie bereits ausgeführt, hat sich herausgestellt, dass eine Druckvariation mit einer derart niedrigen Frequenz erstaunlicherweise ein effizientes Aufbrechen der Oxidschichten ermöglicht sowie und vermutlich auch deshalb eine besonders gute Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen herstellt.
Wie bereits ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Fügekammer vorgesehen sein, in der sowohl der erste wie auch der zweite Stempel angeordnet sind. Zusätzlich kann in der Fügekammer ein Heizelement eingebaut sein, welche der Erhöhung der Temperatur in der Fügekammer dient. Abhängig von den verwendeten Materialien, welche zusammengefügt beziehungsweise geschweißt werden sollen, sind gängiger Weise unterschiedliche Temperaturen vorteilhaft, um das Verfahren zu beschleunigen beziehungsweise eine ausreichend stabile Verbindung zu erzeugen. Beispielsweise werden Aluminiumlegierungen bevorzugt in einer Kammer mit einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C zusammengefügt. Edelstahl verbindet sich besonders gut bei einer Kammertemperatur zwischen 900°C und 1 100°C. Noch här tere Metalle oder Verbundwerksstoffe werden zum Teil auch bei Temperaturen über 1 100°C verarbeitet.
Grundsätzlich kann die Druckerzeugungseinrichtung, welche mit einem der Stempel gekoppelt ist, beliebig ausgeführt sein. Es bietet sich beispielsweise an, diese mecha nisch, hydraulisch und/oder piezoelektrisch zum Erzeugen der Druckvariation auszu führen. Werden wie entsprechend der Erfindung vorgeschlagen relativ niedrige Fre quenzen verwendet, so ist oft eine mechanische oder hydraulische Ausführung aus reichend und vorteilhaft, da diese einfacher aufgebaut wird. Eine piezoelektrische Aus führung, die grundsätzlich auch zum Einbringen von höheren Frequenzen geeignet wäre, ist nicht zwingend erforderlich, kann jedoch ebenso verwendet werden. Bevor zugt handelt es sich bei der Druckerzeugungseinrichtung um eine Einrichtung, welche sowohl den Basisdruck als auch eine Variation aufbringt, beispielsweise durch Verän dern des Betriebsdruckes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert. Diese zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Diffusionsfügen.
In Fig. 1 ist eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung zum Diffusionsfügen gezeigt.
Diese weist als wesentliche Bauteile einen ersten Stempel 1 1 sowie einen zweiten Stempel 12 auf. Der zweite Stempel 12 ist auf einer Tragestruktur 13 angeordnet. Den ersten 1 1 und den zweiten Stempel 12 sowie die Tragestruktur 13 umhaust eine Re aktionskammer 14. Zusätzlich ist in der Reaktionskammer 14 ein Fleizelement 16 vor gesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist entsprechend der Erfindung derart ausgebil det, dass der zweite Stempel 12 fest auf der Tragestruktur 13 angeordnet ist. Lediglich der erste Stempel 1 1 ist beweglich vorgesehen. Über diesen kann sowohl ein Druck wie auch eine Druckvariation aufgebracht werden.
In der Kammer 14 selbst kann je nach exaktem Ausführen des erfindungsgemäßen Diffusionsfügeverfahrens ein Vakuum herrschen. Jedoch ist es auch möglich, eine Schutzgasatmosphäre vorzusehen oder auch die normale Atmosphäre mit unter schiedlichem oder gleichem Druck zum Umgebungsdruck.
In Fig. 1 sind zwischen dem ersten Stempel 1 1 und dem zweiten Stempel 12 zwei Fügeteile 21 , 22 vorgesehen. Diese berühren sich an ihrer Fügeebene 23.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Aufbaus aus Fig. 1 näher erläutert.
Nachdem zwei Fügeteile 21 , 22 auf dem zweiten Stempel 12, welcher in dieser Aus führung der untere Stempel ist, angeordnet sind, wird der erste Stempel 1 1 auf die Fügeteile 21 , 22 zugefahren. Sobald ein Kontakt besteht, wird weiterhin Druck über den ersten Stempel 1 1 auf die beiden Fügeteile 21 , 22 aufgebracht.
Zusätzlich zu einem konstanten Druck wird entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre eine Druckvariation über den ersten Stempel 1 1 auf die beiden Fügeteile 21 , 22 und insbesondere auf die Fügeebene 23 aufgebracht. Mittels dieser Druckvariation ist es möglich, eine Oxidschicht, welche auf beiden Fügeteilen 21 , 22, insbesondere an der Fügeebene 23 besteht, aufzubrechen, so dass eine gute und qualitativ hochwer tige Fügeverbindung erfolgen kann. Das Erzeugen der Fügeverbindung wird verbes sert, indem mittels des Heizelementes 16 die Temperatur in der Kammer 14 erhöht wird. Hierbei können Temperaturen bis über 1000°C notwendig sein.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass da lediglich über den ers ten Stempel 1 1 der Druck sowie die Druckvariation eingebracht wird, keine zwei Bau teile, welche sich aktiv bewegen beziehungsweise einen Druck aufbringen, gegenei nander wirken. Hierdurch wird der Verschleiß insgesamt verringert. Auch ist eine Aus führung des zweiten Stempels 12 einfacher möglich, da dieser sich nicht bewegt und somit fest in der Kammer 14 mit der Tragestruktur 13 angeordnet werden kann.
Entsprechend der Erfindung wird die Druckvariation bevorzugt lediglich mit einer Fre quenz zwischen 0,5 Hz und 200 Hz vorteilhafterweise im Bereich von 10 Hz bis 20 Hz beziehungsweise um 100 Hz eingebracht. Derartige Ausführungen machen es mög lich, das Aufbringen der Druckdifferenz bereits durch einfaches schnelles mechani sches An- und Abfahren des ersten Stempels 1 1 zu erzeugen. Grundsätzlich sind aber auch andere Möglichkeiten hierfür denkbar, beispielsweise kann eine mechanische Unwucht vorgesehen sein oder auch der Druck hydraulisch zügig variiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, einen einfachen Aufbau bereitzustellen und dennoch ein effizient anzuwendendes Verfahren anzugeben, welches eine qualitativ hochwertige Verbin dung von zwei Fügeteilen herstellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Diffusionsfügen
mit einem ersten (11) und einem zweiten Stempel (12),
wobei zwischen dem ersten (11) und dem zweiten Stempel (12) mindestens zwei plattenartige Fügeteile (21, 22) mit einer Fügeebene (23) zwischen den mindes tens zwei Fügeteilen (21 , 22) angeordnet werden,
wobei zum Diffusionsfügen mittels des ersten (11) und/oder des zweiten Stempels (12) ein Druck senkrecht zur Fügeebene (23) auf die mindestens zwei Fügeteile (21 , 22) aufgebracht wird, und
wobei zusätzlich zum Druck eine Druckvariation aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druck und die Druckvariation über den ersten Stempel (11) auf die min destens zwei Fügeteile (21 , 22) aufgebracht werden,
dass die Druckvariation in Druckrichtung eingebracht wird,
dass der zweite Stempel (12) als starrer amboßartiger Stempel verwendet wird und
dass der minimale Druck, welcher mittels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% bis 75% des maximalen Druckes gewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz der Druckvariation im Bereich von 0,5 Flz bis 200 Hz gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplitude der Druckvariation 5 pm bis 50 pm.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Stempel (11 ) als oberer Stempel gewählt wird und
dass der zweite Stempel (12) als unterer Stempel gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckvariation eine zyklische Druckvariation ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren zum Diffusionsschweißen, Diffusionslöten und/oder TLP- Diffusionsschweißen verwendet wird.
7. Vorrichtung (1) zum Diffusionsfügen (1),
mit einem ersten (11) und einem zweiten Stempel (12),
wobei zwischen dem ersten (11) und dem zweiten Stempel (12) mindestens zwei plattenartige Fügeteile (21, 22) mit einer Fügeebene (23) zwischen den mindes tens zwei Fügeteilen (21 , 22) anordenbar sind,
mit einer Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen eines Druckes senkrecht zur Fügeebene (23) auf die mindestens zwei Fügeteile (21 , 22) mittels des ersten (11) und/oder des zweiten Stempels (12), und
wobei die Druckerzeugungseinrichtung zum Variieren des Druckes ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckerzeugungseinrichtung zum Einbringen der Variation des Druckes in Druckrichtung ausgebildet ist,
dass der zweite Stempel (12) starr und amboßartig ausgeführt ist,
dass der erste Stempel (11) mit der Druckerzeugungseinrichtung zum Aufbringen des Druckes und der Druckvariation auf die mindestens zwei Fügeteile (21, 22) gekoppelt und ausgebildet ist und dass
dass die Druckerzeugungseinrichtung ausgebildet ist, dass der minimale Druck, welcher mittels der Druckvariation anliegt, zwischen 25% bis 75% des maximalen Druckes liegt.
8. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckerzeugungseinrichtung ausgebildet ist, eine Druckvariation mit ei ner Frequenz von 0,5 Flz bis 200 Hz zu erzeugen.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Fügekammer (14) vorgesehen ist, in der der erste (11 ) und der zweite Stempel (12) angeordnet sind und
dass in der Fügekammer (14) ein Fleizelement (16) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckerzeugungseinrichtung zum mechanischen, hydraulischen und/oder piezoelektrischen Erzeugen der Druckvariation ausgebildet ist.
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