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DE10006199B4 - Formkörper aus sprödbrüchigem Material - Google Patents

Formkörper aus sprödbrüchigem Material Download PDF

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DE10006199B4
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Abstract

Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öffnung, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei der Formkörper und der Verschlußkörper mittels Preß-Verbindungsschweißen dauerhaft miteinander verschweißt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, die mittels eines Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist.
  • Formkörper aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, zum Aufbau einer Kavität werden insbesondere dann verwendet, wenn funktionale Gase oder Flüssigkeiten vor Kontaminationen geschützt werden müssen, oder eine hohe Transmissivität im sichtbaren Spektralbereich gefordert ist. Das Füllen der Kavität erfolgt meistens über eine Einfüllöffnung, welche bei sprödbrüchigem Material zur Vermeidung von Spannungsspitzen idealerweise kreisrund ausgeführt ist. In vielen Applikationen wird die Einfüllöffnung aus funktionalen und/oder ästhetischen Gründen möglichst klein dimensioniert, weshalb in diesen Fällen oftmals eine zusätzliche Entlüftungsöffnung erforderlich ist.
  • Nach dem Befüllen der Kavität sind die Öffnungen zu verschließen, wobei in der Regel folgende ideale Eigenschaften des Verschlusses erreicht werden müssen:
    • • hermetische Versiegelung, insbesondere Gasdichtheit (z. B. He-, O2-, CO2- dicht)
    • • kurze Bearbeitungszeit
    • • geringe Kosten
    • • keine Nachbearbeitung
    • • thermischer Ausdehnungskoeffizient des Verschlusswerkstoffes möglichst gleich dem des sprödbrüchigen Materials
    • • Verschlusswerkstoff chemisch innert gegenüber der Füllung
    • • Langzeitstabilität der Verbindung
    • • mechanische Festigkeit des Verbundes sprödbrüchiges Material/Verschlusswerkstoff
    • • Schutz gegen mutwilliges Öffnen
    • • Vermeidung von thermischen Belastungen des sprödbrüchigen Materials, die zu Eigenspannungen im sprödbrüchigen Material führen
    • • kein Einschluss von Umgebungsatmosphäre in der Kavität beim Verschließen
  • Das Verbinden von Metallen mit nichtmetallischen Werkstoffen ist aus folgenden Schriften bekannt:
    Die Schrift DE 14 96 614 A beschreibt das Press-Verbindungsschweißen mittels Ultraschall eines Metallstreifens an ein nichtmetallisches Element, z. B. an ein nichtmetallisches Element bestehend aus Silicat. Der Metallstreifen wird dabei auf ein vollflächiges nicht metallisches Element aufgebracht und dient als Dichtung gegenüber weiteren Bauteilen mit denen dieses z. B. zur dauerhaften hermetisch dichten Verbindung verlötet wird.
  • Die Schrift DE 12 54 301 B beschreibt ein Verfahren zur hochvakuumdichten, temperaturbeständigen Einschmelzung einer zylinderformigen Metallelektrode in Gasentladungsgefäßen aus Glas. Das Einschmelzglas wird dabei über die Transformationstemperatur erwärmt und mit der Metallelektrode verschmolzen. Ähnliche Verfahren sind in den Schriften DE P.A. 228197-11.5.51, US 3 364 002 und US 3 479 169 beschrieben.
  • Die Schrift DE 20 18 752 B2 beschreibt ein Verfahren zum gasdichten Verbinden von Metall- mit Glasflächen, wobei die zu verbindenden Flächen gegeneinander gedrückt und auf eine Verbindungstemperatur erhitzt werden, die niedriger als die Erweichungstemperatur des Glases ist. Zum Verschweißen werden Druck und Temperatur erhöht (Diffusionsschweißen). Die Verschweißzeiten liegen im Bereich von 2 bis 5 Minuten.
  • Die Schrift DD 129 413 beschreibt ein zur Schrift DE 20 18 752 B2 analoges Verfahren. Nämlich ein Verfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Glas-Glas-, Glas-Glaskeramik- oder Glaskeramik-Glaskeramik-Verbindungen ohne Zwischenschicht oder Zwischenglas, wobei die zu verbindenden Oberflächen der Gegenstände in Berührung gebracht werden und nachfolgend unter Vakuum oder Schutzatmosphäre bei einer Temperatur oder in einem Temperaturintervall unterhalb der Transformationstemperatur der Gläser bzw. der Erweichungstemperatur der Glaskeramiken ein im wesentlichen senkrecht zu den zu verbindenden Oberflächen wirkender Schweißdruck aufgebracht wird und Schutzatmosphäre, Temperatur und Druck aufrechterhalten werden, bis die Verbindungsbildung erfolgt ist.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material bereitzustellen, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, die mittels eines Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist. Der Formkörper soll dabei die oben genannten Anforderungen erfüllen.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, die mittels eines Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist, dabei sind Formkörper und Verschlusskörper mittels Press-Verbindungsschweißen dauerhaft miteinander verschweißt.
  • Dadurch, dass Formkörper und Verschlusskörper dauerhaft miteinander verschweißt sind, lassen sich die genannten Anforderungen erfüllen.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass das dauerhafte Verschweißen von einem Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit einem Verschlusskörper eine neuartige Möglichkeit zum hermetisch dichten Verschließen von Öffnungen in Formkörpern darstellt. Dabei konnten die Erfinder zeigen, dass die hohen, oben genannten Anforderungen an einen derart verschlossenen Formkörper erfüllbar sind.
  • Bevorzugt besteht ein erfindungsgemäßer Formkörper aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, wobei der Formkörper vorzugsweise eine Glasplatte ist.
  • Der Verschlusskörper besteht vorzugsweise aus einem Metall, einer Metallegierung oder aus einem Metallverbundwerkstoff, wobei die thermische Ausdehnung von Formkörper und Verschlusskörper vorzugsweise angepasst sind.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Verschlusskörper auch aus einem sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, Glaskeramik oder Keramik bestehen. Insbesondere wenn Formkörper und Verschlusskörper aus dem selben Material sind, ergibt sich zwangsläufig die selbe thermische Ausdehnung.
  • Grundsätzlich eignen sich alle Verschlusskörper zum hermetisch dichten Verschließen der Öffnung, die sich dauerhaft mit dem Formkörper verschweißen lassen.
  • Auch der äußeren Form der Verschlusskörper sind grundsätzlich keine Grenzen gesetzt (beliebige Geometrie des Verschlusskörpers), wobei sich plattenförmige, kugelförmige, konische oder zylindrische (stabförmige) Verschlusskörper als besonders geeignet erwiesen haben.
  • Der Formkörper weist weiterhin vorzugsweise eine Öffnung in Form einer durchgehenden zylindrischen oder durchgehenden konischen Öffnung auf, wobei solch ein Formkörper ebenfalls bevorzugt eine Glasplatte ist. Vorzugsweise ist diese Öffnung eine Bohrung.
  • Dabei hat sich gezeigt, dass zum Verschließen von zylindrischen Öffnungen insbesondere plattenförmige Verschlusskörper geeignet sind, wobei der Verschlusskörper derart mit dem Formkörper verschweißt ist, dass die Öffnung vollständig vom Verschlusskörper abgedeckt ist.
  • Im Falle von konischen Öffnungen eignen sich besonders kugelförmige, konische oder zylindrische Verschlusskörper, die zumindest teilweise in die Öffnung hineinragen und dauerhaft mit dem Formkörper verschweißt sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verschweißung von Form- und Verschlusskörper; Toleranzen zwischen der Öffnung des Formkörpers und dem Verschlusskörper lassen sich einfach ausgleichen.
  • Erfindungsgemäße Formkörper sind vorzugsweise Teil von Verbundglassystemen, insbesondere von Verbundglassystemen mit elektrochromen Eigenschaften, z. B. Verbundglassysteme für elektrochrome Verglasungen oder Spiegel.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper und/oder der Verschlusskörper wenigstens teilweise beschichtet, insbesondere metall- und/oder kunststoffbeschichtet. Durch die Beschichtung kann die Verschweißung erleichtert werden.
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele gezeigt für den erfindungsgemäßen Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öffnung, die mittels eines Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei Formkörper und Verschlusskörper dauerhaft miteinander verschweißt sind.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer zylindrischen Bohrung, die mittels eines plattenförmigen Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist
  • 2 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines kugelförmigen Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist
  • 3 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines konischen Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist
  • 4 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer durchgehenden zylindrischen Öffnung, die mittels eines modifizierten, im wesentlichen plättchenförmigen Verschlusskörper hermetisch dicht verschlossen ist
  • 5 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines zylinderförmigen (stabförmigen) Verschlusskörpers hermetisch dicht verschlossen ist (a), wobei der Verschlusskörper nach dem Verschweißen oberhalb der Verschweißung abgebrochen wird (b)
  • 6 in einer perspektivischen Darstellung eine Glasplatte mit zwei Öffnungen, wobei die Glasplatte Teil eines Verbundglassystems mit elektrochromen Eigenschaften ist.
  • Eine Glasplatte (3) mit einer lochförmigen Öffnung (2) ist Bestandteil einer Kavität (z. B. Deckplatte). Die Öffnung ist vorzugsweise zylindrisch und damit durch Bohrverfahren herstellbar. Nach 1 erfolgt die Verschweißung mit einer Deckplatte (1). Diese kann aus Metall (z. B. Al, Covar, Cu), beschichteten Folien (Verbundwerkstoff, z. B. Stahl mit Ti, Au oder Pt), Keramiken (z. B. Al2O3) oder Glas (auch beschichtetes Glas, z. B. mit Al) bestehen. Die Glasplatte (3) und Verschlusskörper (1) sind dabei mittels Press-Verbindungsschweißen dauerhaft verschweißt, wobei die Öffnung (2) hermetisch dicht verschlossen ist. Die Press-Verschweißung erfolgt dabei beispielsweise unter Einwirkung einer äußeren Druckkraft F senkrecht auf den Verschluss körper, wobei der Verschlusskörper zusätzlich translatorische Schwingungen f und/oder Rotationen ϖ ausführt.
  • Nach 2 wird eine konische Bohrung (4) und ein kugelförmiger Verschlusskörper (5) verwendet, was den Vorteil einer Selbstzentrierung birgt. Gleiches gilt für einen erfindungsgemäßen Formkörper nach 3, in der ein konischer Verschlusskörper (6) verwendet wird. Ähnliche Verschlusskörperformen können zum Beispiel durch Beflammen einer Stabspitze erzielt werden (Verrunden durch Tropfenbildung).
  • 4 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Glasplatte (3) mit einer durchgehenden zylindrischen Öffnung (2) die mittels eines modifizierten, im wesentlichen plättchenförmigen Verschlusskörpers (7) hermetisch dicht verschlossen ist. Die minimierte Auflagefläche des Verschlusskörpers (7) über dem Seitenrand der Öffnung (2) der Glasplatte (3) ermöglicht eine besonders effektive Verschweißung. So werden beispielsweise Toleranzen im Bereich des Seitenrands der Öffnung gut ausgeglichen. Aus der minimierten Auflagefläche resultiert darüber hinaus eine entsprechende Erhöhung des an der Verschweißungsstelle resultierenden Drucks.
  • 5 zeigt einen stabförmigen Verschlusskörper (8), der nach der Verschweißung (Rotation ϖ; 5a) durch Abwinkeln unter einem Winkel α abgebrochen wird (5b). Andere Möglichkeiten zur Ablängung sind Ritzen/Brechen, Schneiden, Abflämmen, Abscheren/Abziehen. Vorteil ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verschlusswerkstoffnachführung im Vergleich zur intermittierenden Bearbeitung mit Verschlusskörpern, die in einem Pick-and-Place-Prozeß (kontinuierliches Verschweißen) gefahren werden.
  • 6 schließlich zeigt ein Verbundglassystem mit elektrochromen Eigenschaften. Das Verbundglassystem besteht dabei aus einer oberen Glasplatte (3) mit einer durchgehenden Einfüllöffnung (4a) und einer durchgehenden Entlüftungsöffnung (4b) in Form von Bohrungen und einer unteren Glasplatte (12). Die beiden Glasplatten werden mittels eines Dichtungs- und Fügematerials (9) auf Abstand d gehalten, vorzugsweise 150 bis 500 μm, wobei die resultierende Kavität zwischen den beiden Glasplatten mit einer entsprechenden, funktionalen Flüssigkeit oder einem Gas befüllbar ist. Nach dem Befüllen werden die beiden Öffnungen erfindungsgemäß mittels eines Verschlusskörpers hermetisch direkt verschlossen, wobei die Glasplatte (3) und der jeweilige Verschlusskörper dauerhaft miteinander verschweißt werden.
  • Die dauerhafte, stoffschlüssige Verschweißung zwischen Formkörper und Verschlusskörper wird mittels eines an und für sich bekannten Press-Verbindungsschweiß-Verfahrens erzeugt. Unter Press-Verbindungsschweißen versteht man dabei das Schweißen unter Anwendung von Kraft ohne oder mit Schweißzusatz, wobei ein örtlich begrenztes Erwärmen das Schweißen ermöglicht oder erleichtert. Die hierunter wiederum eingegliederten Schweißverfahren sind:
    Schweißen durch festen Körper, Schweißen durch Flüssigkeit, Schweißen durch Gas, Schweißen durch elektrische Gasentladung, Schweißen durch Bewegung und Schweißen durch elektrischen Strom.
  • Das bevorzugte Schweißen durch Bewegung fächert sich nochmals in mehrere Verfahren auf. So finden sich neben dem Ultraschallschweißen auch das Kaltpress- und Reibschweißen sowie das Schockschweißen.
  • Dabei zeigen insbesondere das Kaltpressschweißen und das Reibschweißen eine enge verfahrenstechnische Verwandtschaft zum Ultraschallschweißen. Sie werden daher unterstützend zur Beschreibung des grundlegenden Ultraschallschweißvorgangs herangezogen.
  • Beim Kaltpressschweißen werden die Fügepartner durch das Aufbringen von hohem Druck gefügt. Die erforderliche Bewegung wird im merklichen plastischen Fließen mindestens eines Fügepartners gesehen.
  • Das Reibschweißen hingegen ist ein Warmpressverfahren. Hierbei wird die Reibungswärme im Fügebereich durch eine rotatorische Relativbewegung zwischen den Fügepartnern und eine senkrecht hierzu wirkende Fügekraft erzeugt. Der notwendige Stauchdruck kann im Vergleich zum Kaltpressschweißen aufgrund einer Plastifizierung der Werkstoffe, hervorgerufen durch die bei der rotatorischen Relativbewegung der Schweißteile zueinander entstehende Reibungswärme, drastisch reduziert werden.
  • Beim Ultraschallschweißen wird die rotatorische Bewegung durch eine hochfrequente mechanische Schwingung ersetzt.
  • Die Hauptbearbeitungszeit für das Verschließen einer Öffnung (∅ < 10 mm) bei Einsatz der erläuterten Technologien liegt im Bereich weniger Sekunden (z. B. Ultraschall-Schweißen t ≈ 0,5s). Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, da alle notwendigen Eigenschaften der Verschweißung unmittelbar danach bereits erreicht werden. Eine kosmetische Nachbearbeitung entfällt, da der modifizierte Bereich nur geringfügig größer ist, als die Öffnung selbst und eine lokale Begrenzung durch die vorhandene Geometrie des Verschlusses gegeben ist. Die thermische Belastung in der Umgebung der Verschweißung ist im Vergleich zu thermischen Verfahren (Laser, Glaslot, etc.) klein. Beim Diffusionsschweißverfahren kann die thermische Belastung im Idealfall sogar vernachlässigt werden.

Claims (9)

  1. Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öffnung, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei der Formkörper und der Verschlußkörper mittels Preß-Verbindungsschweißen dauerhaft miteinander verschweißt sind.
  2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Glas, Glaskeramik oder Keramik besteht.
  3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper aus einem Metall, einer Metallegierung oder aus einem Metallverbundwerkstoff besteht.
  4. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, besteht.
  5. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper eine plattenförmige, kugelförmige, konische oder zylindrische Form aufweist.
  6. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine Glasplatte ist, wobei die Öffnung die Form einer durchgehenden zylindrischen oder durchgehenden konischen Öffnung, insbesondere die Form einer entsprechenden Bohrung, aufweist.
  7. Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper Teil eines Verbundglassystems, insbesondere Teil eines Verbundglassystems mit elektrochromen Eigenschaften, ist.
  8. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper und der Verschlußkörper mittels Schweißen durch Bewegung, insbesondere Ultraschallschweißen, Hochfrequenzschweißen, Rotationsschweißen, Friktionsschweißen, Torsions- oder Orbitalschweißen, Kaltpreßschweißen oder Reibschweißen, verschweißt sind.
  9. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper und/oder der Verschlußkörper wenigstens teilweise beschichtet ist, insbesondere metall- und/oder kunststoffbeschichtet.
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