DE10108105A1

DE10108105A1 - Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Trennkörpers

Info

Publication number: DE10108105A1
Application number: DE2001108105
Authority: DE
Inventors: Dietfried Burczyk; Karl Floegel; Thomas Velten; Bernd Kastner; Wolfgang Woest
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-10-31
Also published as: WO2002077596A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers für einen Drucksensor mit einem Grundkörper (10) aus einem ersten metallischen Material; einer Trennmembran (20) aus einem zweiten metallischen Material, das nicht durch mit dem zweiten Material verschweißt werden kann; und einer ringförmigen Zwischenschicht (30), aufweisend ein metallisches Material, das mit dem zweiten metallischen Material verschweißbar ist. In einer Ausgestaltung wird die Zwischenschicht zunächst mit der Trennmembran verschweißt, bevor die Zwischenschicht mit dem Grundkörper verbunden wird. In einer anderen Ausführungsform wird die Zwischenschicht auf dem Grundkörper um einen Vorsprung aufgelötet, der als Lotmittelbarriere dient; anschließend wird der Vorsprung abgetragen, um ein Membranbett zu formen. In einer weiteren Alternative werden Trennmembran, Zwischenschicht und Grundkörper in einem einzigen Diffusionsschweißschritt miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsbeständigen Trennkörpers für Drucksensoren.

Bei Drucksensoren wird der eigentlichen Druckmeßzelle, häufig ein sogenannter Trennkörper vorgeschaltet, um die Meßzelle zu schützen. Ein Trennkörper weist einen Grundkörper und eine Trennmembran auf, die mit ihrem Rand druckdicht am Grundkörper über einem im Grundkörper ausgebildeten Membranbett befestigt ist. Im Sensorbetrieb wird die Trennmembran mit dem zu messenden Druck beaufschlagt, und der Druck wird aufgrund der druckbedingten Verformung der Trennmembran hydraulisch zur Druckmeßzelle übertragen.

Die Trennmembran besteht häufig aus einem korrosionsbeständigen Metall, beispielsweise Tantal, oder einer korrosionsbeständigen Legierung, die an dem Grundkörper aus Stahl zu befestigen ist. Insofern als Schweißverbindungen zwischen Tantal und Stahl zu einer unerwünscht spröden intermetallischen Phase führen, muß die Befestigung der Trenmembran am Grundkörper auf anderem Wege erzielt werden.

Das Europäische Patent EP 0594 778 B1 offenbart einen Differenzdrucksensor mit zwei Trennkörpern und ein Verfahren zu dessen Montage, wobei zunächst ein relativ massiver Stützring aus einem korrosionsbeständigen Material, beispielsweise aus Tantal oder einem Material mit einem ähnlichen Schmelzpunkt wie Tantal, auf dem Grundkörper mit einer Hartlotverbindung befestigt wird. Hierzu wird der Stützring bevorzugt in einer entsprechend vorbereiteten Rille im Grundkörper eingesetzt, und das Hartlot wird in die Rinne gegeben, so daß sich die Lotverbindung nicht nur über die Unterseite des Stützrings sondern auch auf seine innere Mantelfläche und seine äußere Mantelfläche erstreckt.

Danach wird der Stützring bearbeitet, soweit dies erforderlich ist, um die benötigten Abmessungen zu erzielen. Schließlich wird die Trennmembran aus Tantal auf den Stützring geschweißt. Der Stützring muß dabei so massiv sein, daß die beim Schweißen in den Ring eingebrachte Wärmeenergie nicht zum Aufschmelzen der Hartlotverbindung führt.

Das beschriebene Verfahren weist verscheidene Nachteile auf:
Die Montage des massiven Stützrings ist sehr aufwendig. Insbesondere die Rille in der Oberfläche des Grundkörpers zur Aufnahme der Lotverbindung vergrößert den Fertigungsaufwand, da zunächst in einem ersten Herstellungsschritt die Oberfläche des Grundkörpers mit einer Rille zu versehen ist und nach dem Löten ein zweiter Herstellungsschritt folgt, in dem der Stützring auf die erforderlichen Dimensionen gebracht wird.

Zudem ist es unsicher, ob das Hartlot die Rille gleichmäßig und vollständig ausfüllt. Dies kann zu Restvolumina führen, die eine erhöhte Menge an Hydraulikflüssigkeit erfordern und somit die Sensorleistungen beeinträchtigen. Um einen gleichmäßigen Lotfluß zu garantieren sollten daher niedrig schmelzende Lotmittel gewählt werden. Dies ist jedoch unvereinbar mit dem nachfolgenden Verschweißen der Membran.

Zudem erweist es sich insbesondere bei einem Differenzdrucksensor mit zwei bezüglich des Gehäuses exzentrisch angeordneten Trennmembranen als schwierig, die Schweißnaht der Trennmembran genau bezüglich der Trennmembran zu zentrieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile und Schwierigkeiten überwindet bzw. reduziert:
Die Erfindung wird gelöst durch das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche 1, 3 und 6.

Erfindungsgemäß werden verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers bereitgestellt, bei denen eine Trennmembran mit einem Zwischenring verschweißt und der Zwischenring an einem Grundkörper befestigt wird, wobei beim Verschweißen der Trennmembran keine Rücksicht bzw weniger Rücksicht auf eine Lotverbindung genommen werden muß.

Dies wird in einer Verfahrensvariante dadurch erzielt, daß die Lotverbindung zwischen dem Grundkörper und der Zwischenschicht erst nach dem Verschweißen der Trennmembran mit der Zwischenschicht erzeugt wird;
in einer zweiten Verfahrensvariante dadurch, daß die Lotverbindung zwischen Grundkörper und Zwischenschicht flächig auf einer Stirnfläche des Grundkörpers ausgebildet wird, und die Zentrierung der Zwischenschicht vorzugsweise durch einen Vorsprung auf der Stirnfläche des Grundkörpers bewirkt wird, der zugleich eine Begrenzung für das Lotmittel bildet, wobei die Lotverbindung als dünne Schicht zudem einen sehr geringen Wärmewiderstand aufweist, wodurch die beim nachträglichen Anschweißen der Trennmembran auftretende Wärme leicht in den angrenzenden Grundkörper abgeleitet werden kann; und
in einer dritten Verfahrensvariante dadurch, daß die Verbindungen zwischen dem Grundkörper und der Zwischenschicht nicht mehr als Lotverbindung sondern durch Diffusionsschweißen erzielt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Gesichtspunkte ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Trennkörper bei der Abfolge der Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Trennkörper bei der Abfolge der Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Trennkörper bei der Abfolge der Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand von Fig. 1 beschrieben. Diese Ausführungsform weicht von der im Stand der Technik üblichen Vorgehensweise ab, den Trennkörper auf dem Grundkörper durch sequentielles Hinzufügen der einzelnen Komponenten aufzubauen.

Der Trennkörper umfaßt einen Grundkörper 10 aus rostfreiem Stahl, eine Tennmembran 20, die aus Tantal gefertigt ist, und eine ringförmige Zwischenschicht 30 aus einem Material das mit Tantal verschweißbar ist. Hier ist an erster Stelle Tantal selbst zu nennen. Andererseits sind insbesondere ausgewählte Nickellegierungen geeignet, wenn zugleich ein Ausgleich der Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen Tantal und rostfreiem Stahl gewünscht ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird zunächst die Trennmembran 10 mit der Zwischenschicht 30 durch Verschweißen verbunden. Bei der Ausbildung der Schweißverbindung 25 sind grundsätzlich alle Schweißtechniken geeignet, denn zu diesem Zeitpunkt brauchen keinerlei Kompromisse aufgrund der anderen Materialien und Fügestellen des Trennkörpers eingegangen werden. Zudem ist die Trennmembran zusammen mit der Zwischenschicht, die vorzugsweise die gleiche Symmetrie wie die Trennmembran aufweist und konzentrisch mit dieser angeordnet ist, noch leicht zu handhaben, so daß die Schweißverbindung mit geeigneten Vorrichtungen exakt bezüglich der Trennmembran zentriert werden kann. Dies ist insofern von Vorteil, als ein exzentrischer Verlauf der Schweißnaht bezüglich der Trennmembran die Sensorleistung beeinträchtigen würde. Zudem können mit der beschriebenen Vorgehensweise zwei Membranen einfach exzentrisch bezüglich des Grundkörpers angeordnet werden.

Im nächsten Verfahrensschritt wird nun die Zwischenschicht 30 mit ihrer der Trennmembran abgewandten Fläche auf der Stirnseite des Grundkörpers 10 befestigt. Die Befestigung erfolgt besonders bevorzugt mit einer Lotverbindung 15, die insbesondere als Hartlotverbindung ausgestaltet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Lotverbindung 15 vollflächig unter Vakuum erzeugt.

Hinsichtlich der Auswahl des Hartlotmittels unterliegt der Fachmann nicht mehr den Beschränkungen der Verfahren nach dem Stand der Technik, da die Trennmembran bereits verschweißt wurde, und keine höheren Temperaturen mehr zu erwarten sind. Somit kann auch auf Lotmittel zurückgegriffen werden, die bereits bei niedrigeren Temperaturen schmelzen.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich daraus, daß die Zwischenschicht 30 bei der Ausbildung der Schweißverbindung 25 nicht mehr als Wärmepuffer zur Lotverbindung 15 zu dienen hat. Daher braucht die Zwischenschicht 30 nicht mehr so massiv zu sein, wie der im Stand der Technik beschriebene Stützring zwischen der Trennmembran und dem Grundkörper. Die Zwischenschicht weist vorzugsweise weniger als die achtfache, weiter vorzugsweise weniger als die vierfache und besonders bevorzugt die einfache bis die doppelte Dicke der Trennmembran auf.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von Fig. 2 beschrieben. Diese Ausführungsform stellt darauf ab, den Fertigungsaufwand gegenüber dem Stand der Technik zu reduzieren.

Wie zuvor umfaßt der Trennkörper einen Grundkörper 110 aus rostfreiem Stahl, eine Trennmembran 120 aus Tantal und eine ringförmige Zwischenschicht 130 aus Tantal. Der Grundkörper 110, weist auf einer Stirnfläche 111 einen vorzugsweise zylindrischen Vorsprung 112 auf, dessen äußerer Rand eine senkrechte Stufe 113 auf der Stirnfläche 111 bildet.

In einem ersten Verfahrensschritt wird die Zwischenschicht 130 auf der Stirnfläche 111 des Grundkörpers mittels einer Lotverbindung befestigt, wobei die Lotverbindung 115 vorzugsweise vollflächig als Hartlotverbindung unter Vakuum ausgebildet wird. Die Zwischenschicht umschließt den Vorsprung 112, und grenzt vorzugsweise unmittelbar an die Stufe 113, wobei die Stufe 113 einerseits eine Barriere für das Lotmittel bildet und andererseits die Zwischenschicht 130 bei der Ausbildung der Lotverbindung 115 zentriert.

Die einfache planare Geometrie der zu verbindenden Flächen gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des Lotmittels, die auch mit hochschmelzenden Lotmitteln noch hinreichend homogen ist. Insofern als die Lotverbindung 115 vorzugsweise als dünne Schicht ausgebildet wird, weist sie einen sehr geringen Wärmewiderstand auf, so daß die beim nachfolgenden Verschweißen der Trennmembran auftretende Wärme ohne weiteres in den Grundkörper abgeleitet werden kann. Im Ergebnis sind die Anforderungen an das Lotmittel hier weniger strikt als dies bei der massiven Lotstelle nach dem Stand der Technik der Fall ist.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Grundkörper 110 mechanisch bearbeitet, wobei der Vorsprung 112 abgetragen und vorzugsweise ein Membranbett 114 für die Trennmembran 120 gebildet wird. Zudem kann ggf. die Zwischenschicht 130 im gleichen Arbeitsgang bearbeitet, und eventuell vorhandenes überschüssiges Lot kann ggf. abgetragen werden.

Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Trennmembran 120 auf der Zwischenschicht 130 aufgeschweißt. Dies erfolgt vorzugsweise mit einem Strahlschweißverfahren, d. h. mittels LASER- oder Elektronenstrahlschweißen.

Diese Vorgehensweise und Konstruktionsweise gemäß dieser Ausührungsform zeichnet sich dadurch aus, daß keine Spalte, Rillen oder Nuten erforderlich sind, um überschüssiges Lotmittel aufzunehmen. Somit können keine undefinierten Kavitäten im Trennkörpervolumen verbleiben, welche die Sensoreigenschaften beeinträchtigen würden.

Anhand von Fig. 3 wird nun eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Trennkörper dieser Ausführungsform weist einen Grundkörper 210 aus rostfreiem Stahl, eine Trennmembran 220 aus Tantal und eine Zwischenschicht 230 auf. Die Zwischenschicht umfaßt ein metallisches Material, das geeignet ist, Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Grundkörper 210 und der Trennmembran 220 auszugleichen. Hierzu sind insbesondere ausgewählte Nickellegierungen geeignet. Zudem sollte das Material durch Diffusionsschweißen einerseits mit Tantal und andererseits mit rostfreiem Stahl verbindbar sein, auch diese Bedingung wird von besagten ausgewählten Nickellegierungen erfüllt.

Zur Montage des Trennkörpers werden der Grundkörper 210, die ringförmige Zwischenschicht 230 und die Trennmembran 220 in der genannten Reihenfolge gestapelt und einem Diffusionsschweißverfahren ausgesetzt, wodurch einerseits eine Diffusionsschweißverbindung 225 zwischen der Trennmembran 220 und der Zwischenschicht 230 und andererseits eine Diffusionsschweißverbindung 215 zwischen dem Grundkörper 210 und der Zwischenschicht 230 gebildet wird. Das Diffusionsschweißverfahren erfolgt unter hohem Druck bei Temperaturen die deutlich unter dem Schmelzpunkt der beteiligten Materialien liegen, insbesondere zwischen der 0,7- bis 0,8- fachen Schmelztemperatur. Die Auswahl der geeigneten Prozeßparameter sind einem Fachmann auf Gebiet des Diffusionsschweißens geläufig.

Bezugszeichenliste

10

Grundkörper

15

Hartlotverbindung

20

Trennmembran

25

Schweißverbindung

30

Zwischenschicht

110

Grundkörper

111

Stirnfläche

112

Vorsprung

113

Stufe

114

Membranbett

115

Hartlotverbindung

120

Trennmembran

125

Schweißverbindung

130

Zwischenschicht

210

Grundkörper

215

Diffusionsschweißverbindung

220

Trennmembran

225

Diffusionsschweißverbindung

230

Zwischenschicht

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers für einen Drucksensor mit einem Grundkörper (10) aus einem ersten metallischen Material; einer Trennmembran (20) aus einem zweiten metallischen Material, das nicht durch direktes Verschweißen mit dem zweiten Material verbunden werden kann; und einer ringförmigen Zwischenschicht (30), aufweisend ein metallisches Material, das verschieden ist von dem ersten metallischen Material und mit dem zweiten metallischen Material verschweißbar ist;
umfassend die Schritte:
Verschweißen der Trennmembran mit der Zwischenschicht und Befestigen der Zwischenschicht an dem Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen der Trennmembran mit der Zwischenschicht vor dem Befestigen der Zwischenschicht am Grundkörper erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht (30) am Grundkörper mit einer Lotverbindung (15) befestigt wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers für einen Drucksensor mit einem Grundkörper (210) aus einem ersten metallischen Material; einer Trennmembran (220) aus einem zweiten metallischen Material, das nicht durch direktes Verschweißen mit dem zweiten Material verbunden werden kann; und einer ringförmigen Zwischenschicht (230), aufweisend ein metallisches Material, das verschieden ist von dem ersten metallischen Material und mit dem zweiten metallischen Material verschweißbar ist;
umfassend die Schritte:
Befestigen der Trennmembran (220) an der Zwischenschicht (230) und Befestigen der Zwischenschicht (230) an dem Grundkörper (210), dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigen der Trennmembran (220) an der Zwischenschicht (230) und das Befestigen der Zwischenschicht (230) am Grundkörper (210) durch Diffusionsschweißen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Befestigen der Zwischenschicht (230) am Grundkörper (210) gleichzeitig mit dem Befestigen der Trennmembran (220) an der Zwischenschicht (230) in einem Verfahrensschritt erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Zwischenschicht (230) eine Nickellegierung aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Trennkörpers für einen Drucksensor mit einem im Grundkörper (110) aus einem ersten metallischen Material; einer Trennmembran (120) aus einem zweiten metallischen Material, das nicht durch direktes Verschweißen mit dem zweiten Material verbunden werden kann; und einer ringförmigen Zwischenschicht (130), aufweisend ein metallisches Material, das verschieden ist von dem ersten metallischen Material und mit dem zweiten metallischen Material verschweißbar ist;
umfassend die Schritte:
Befestigen der Zwischenschicht (130) an einer Stirnfläche (111) des Grundkörpers (110) mit einer Hartlotverbindung (115) und Verbinden der Trennmembran (120) mit der Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (110) anfangs einen bezüglich der Stirnfläche (111) vorstehenden Bereich (112) aufweist, der von der Zwischenschicht (130) umschlossen wird, an die Zwischenschicht (130) grenzt und als Barriere für das Lotmittel beim Befestigen der Zwischenschicht (130) am Grundkörper (110) dient, wobei der vorstehende Bereich nach dem Befestigen der Zwischenschicht (130) am Grundkörper (110) und vor dem Befestigen der Trennmembran (120) an der Zwischenschicht (130) in einem Zwischenschritt entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Zwischenschritt eine mechanische Bearbeitung des hervorstehenden Bereiches umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Entfernen des vorstehenden Bereichs die Ausbildung eines Membranbetts für die Trennmembran (120) umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei der Zwischenschritt weiterhin die mechanische Bearbeitung der Zwischenschicht umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Hartlotverbindung zum Befestigen der Zwischenschicht (130) am Grundkörper (110) vollflächig im Vakuum ausgebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Trennmembran (120) an der Zwischenschicht (130) mittels eines Strahlschweißverfahrens, insbesondere LASER- oder Elektronenstrahlschweißen befestigt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran (120) aus Tantal hergestellt ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Zwischenschicht (130) aus Tantal hergestellt ist.