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Verfahren zur Herstellung einer Schmelzverbindung für Metall- und/oder
Nichtmetallteile Die Erfindung bezieht sich auf Mittel und Verfahren zur Erzielung
einer festen Verbindung und. hat besonders neue und verbesserte Mittel und Methoden
zur Erzielung einer festen Verbindung mittels elektrischer Erhitzung zum Gegenstand.
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Auf einigen Gebieten, wie z. B. dem der Elektronenröhrenherstellung,
ist es allgemein üblich, Anordnungen in Teilen oder Teilstücken herzustellen und
dann diese Teile zu verschmelzen oder zu verlöten. Gewöhnlich werden Gasbrenner
benutzt, um die zur Erzielung der Verbindung nötige Hitze. zu erzeugen. Indessen
ist es vom Standpunkt der Wirksamkeit, des Grades der möglichen Kontrolle und aus
verschiedenen anderen Gründen wünschenswerter, elektrische Erhitzung anstatt von
Gasbrennern anzuwenden. Bis jetzt ist die elektrische Erhitzung zur Herstellung
einer festen Verbindung zweier Teile beispielsweise so angewendet worden, daß man
ein metallisches Zwischenglied vorsah, welches durch Behandlung in einem genügend
starken Hochfrequenzfeld sich so weit erhitzte, daß es die Teile oberflächlich zum
Schmelzen brachte und dadurch eine Verbindung geschaffen wurde:. Indessen ist es
oft der Fall, daß die Teile, die zu verbinden sind., aus Stoffen mit solchen Ausdehnungseigenschaften
bestehen, daß es schwierig ist, ein metallisches Bindeglied zu finden, welches in
dieser Beziehung zufriedenstellend zu den zu verbindenden Teilen paßt. Es ist ferner
bekannt, feinverteiltes Metall nichtleitenden Massen zuzusetzen, um sie induktiv
zu erhitzen.
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Gegenstand der Erfindung ist, neue und verbesserte Bindemittel und
Methoden, zur Erzielung einer festen Verbindung anzugeben, welche geeignet ist,
vor allem Teile mit verschiedenen Ausdehnungseigenschaften zufriedenstellend zu
verbinden, selbst wenn diese weit voneinander abweichen. Die Erfindung bezieht sich
gleichzeitig auf neue und verbesserte Bindemittel, die sich derart herstellen lassen.,
daß ihre Handhabung erleichtert und ihre Anwendung auch bei der Verbindung von Teilen
verschiedener Gestalt ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung einer Schmelzverbindung für
Metall- und/oder Nichtmetallteile mittels elektrischer Erhitzung einer Zwischenschicht
derart, daß Teile verschiedenen Ausdehnungsverhaltens mittels einer mehrteiligen
Zwischenschicht aus Lagen verschiedener Glaspulver-Metallpulver-Mischungen verbunden
werden, deren, Ausdehnungskoeffizienten fortschreitend von dem des einen zu dem
des anderen der jeweils zu verbindenden Teile überleiten.
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Die Metallteilchen in den Lagen verschiedener Glaspulver-Metallpulver-Mischungen
werden induktiv so weit erhitzt, daß der Bindestoff dabei schmilzt und die Verbindung
bewirkt. Die Mischungen des Bindestoffes und der Metallpartikeln werden passend,
zusammengestellt und so zu Verbindungsstücken geformt, daß sie zwischen die zu verbindenden
Teile passen, oder sie werden vor der Verbindung fest haftend auf eines oder mehrere
der zu verbindenden Teile aufgebracht. Zweckmäßig werden die Verbindungsstücke vor
der induktiven Erhitzung gepreßt und gesintert.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die Zeichnungen hingewiesen.
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Fig. 1 zeigt, zum Teil im Schnitt, eine vergrößerte Ansicht einer
Elektronenröhre; Fig.2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Verbindungsteiles,
welches der Erfindung entsprechend gestaltet ist; Fig. 3 zeigt eine vergrößerte
Teilansicht einer Elektronenröhre im Schnitt zur Erläuterung der Erfindung, die
hier auf die Verbindung von Röhre und Sockelteilen angewendet wird; Fig.4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht im Schnitt, und zwar die Ausführung eines zu verbindenden
Teiles, das von vornherein mit der Bindeschicht entsprechend der Erfindung versehen
ist; Fig.5 ist eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt und zeigt die Art und Weise,
wie das entsprechend Fig. 4 hergestellte Teil angeordnet wird, um eine gute Verbindung
mit einem anderen Teil herzustellen;
Fig.6 ist eine vergrößerte
Teilansicht im Schnitt und zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt
ist, Glasteile einer Elektronenröhre oder einer ähnlichen Einrichtung zu verbinden,
sondern sie kann ebenso bei der Verbindung aller Arten von Teilen aus Stoffen, wie
Metall, Keramik usw., angewendet werden, wobei die zu verbindenden Teile aus verschiedenen
Stoffen, wie z. B. Glas und Metall, Keramik und Metall usw., bestehen können.
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Die äußere Begrenzung der Röhre in Fig. 1 besteht aus einem Glaskörper
2 und einem Glassockel 3. Der Körper 2 ist entsprechend gestaltet, um an seinem
Rand 4 mit einer Begrenzung 5 des Sockels 3 verbunden zu werden. Der Sockel 3 hat
eine derartige Form, daß Durchführungen oder Nadeln 6 darin eingebettet sind, die
aus dem Glas hervorragen, um den elektrischen Anschluß an Teile eines Röhrenkäfigs
(nicht gezeigt), welcher in der Röhre 1 untergebracht werden soll, zu ermöglichen.
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Uni den Rand 4 des Glaskörpers mit der Begrenzung 5 des Sockels zu
verbinden, ist eine Zwischenschicht aus mehreren Lagen vorgesehen, von welcher hier
nur eine Lage 7 dargestellt ist. Damit das Teil 7 niit der Schnittfläche des Mantels
übereinstimmt, besitzt es Ringform, wie besonders Fig.2 erkennen läßt. Es ist natürlich
klar, daß im allgemeinen seine Ausbildung nur davon abhängt, welche Form die zu
verbindenden Teile besitzen. In einem Ausführungsbeispiel. wo eine Standardkleinröhre
hergestellt wurde, bestand das Verhindungsteil7 aus einer gepreßten 'Mischtalg von
glasartigem Bindestoff, wie z. B. Glaspulver einer Korngröße von ungefähr bis zu
0,2 imn und einem Metallpulver von ungefähr bis 0.06 mm. Das '-letallpulver bestand
z. B. aus 10l0 Kupfer, 10% Molybdän und 89% Eisen (Gewichtsprozente). Nach demselben
Beispiel bestand das Verbindungsteil ungefähr aus 80% Metallpulver und 20% Glaspulver.
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Das Teil 7 und die weiteren in Fig. 1 nicht dargestellten Zwischenlagen
können hergestellt werden, indem man die Mischungen von Glas- und Metallpulvern
in eine passende Form füllt und dann einen. entsprechenden Druck ausübt, um die
Stoffe zu verbirden. Das Teil 7 und die weiteren Zwischenlagen können aber auch
noch in Wasserstoffatmosphäre bei genügend hoher Temperatur entsprechend lange,
z. B. etwa 20 'Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 700° C. gesintert werden,
wodurch man die Stoffe so fest verbindet. daß die weitere Handhabung erleichtert
wird, und gleichzeitig irgendwelche Reaktionen des benutzten Glases mit der Atmosphäre
verhindert.
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Eine andere Lösung sieht vor, das Glas- und Metallpulver dadurch zusammenzubringen
und daraus das Teil 7 und die weiterem. Zwischenlagen herzustellen. daß man Paraffin
oder ein ähnliches Bindemittel, welches anschließend herausgebrannt werden kann,
indem man Induktiv- oder Ofenerhitzung der Metallteilchen oder des Metallpulvers
vornimmt, verwendet, so daß die Teile in einem halbgesinterten Zustand vorliegen.
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Im Anschluß an die Herstellung des Verbindungsteiles 7 und der weiteren
Zwischenlagen auf einem der oben beschriebenen Wege werden das Teil 7 auf die Begrenzung
5 des Röhrensockels 3 und auf das Teil 7 die weiterem Zwischenlagen gelegt, und
der Glaskörper2 wird über den Röhrenkopf (nicht abgebildet) gestülpt und in guten
Kontakt mit der letzten Zwischenlage gebracht. Anschließend hält man die ganze Anordnung
in ein Hochfrequenzfeld, indem man sie einer stromdurchflossenen Induktionsspule
8 aussetzt. Wie die Zeichnung erkennen läßt, wird die Anordnung so in die Spule
8 gebracht, daß am Teil 7 und den (nicht abgebildeten) weiteren Zwischenlagen die
bestmögliche Wirkung erzielt wird. So dient der Metallanteil sämtlicher Zwischenlagen,
bestehend aus Metallteilchen, oder -pulver, als Induktor in dem Hochfrequenzfeld,
um Wärmeenergie aufzunehmen, mittels derer der Glaspulveranteil der Zwischenlagen
zum Schmelzen kommt, und um Hitze auf den Rand 4 des Glaskörpers 2 und die Begrenzung
5 des Sockels 3 zu übertragen. Das so geschmolzene Glas benetzt also die Verbindungsflächen
und bringt dadurch eine starke Verbindung zwischen Glaskörper und Sockel zuwege,
uni die ganze Anordnung 1 herzustellen.
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Die Stärke der Verbindung, die nach der oben beschriebenen Weise hergestellt
ist, liegt außerdem in einem Verschlußprozeß an und unter den Oberflächen der Zwischenlagen,
z. B. des Teiles 7, d. h. die Metallpartikeln, welche in dem Material verteilt sind,
werden zu Brücken an den Rändern 4 und 5 von Körper und Sockel, wodurch die Verbindung
zwischen diesen Teilen verbessert wird.
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Es versteht sich, daß die Erfindung sich nicht auf die bestimmten
Metallpulver und Prozentsätze, die oben erwähnt sind, beschränkt, sondern auf irgendwelche
Kombinationen von Metallpulvern, die von Fall zu Fall in Frage- kommen und nach
ihrer Mischung mit dem Glaspulver den gewünschten Ausdehnungskoeffizienten besitzen,
angewendet werden kann. Das bedeutet, daß im Einklang mit den Ausdehnungskoeffizienten
der zu verbindenden Teile, wie z. B. Körper 2 und Sockel 3, die besonderen Metallpulver
und ihre Prozentanteile bei der Herstellung des Teiles 7 und der weiteren Zwischenlagen
so auszuwählen sind, daß eine Zwischenschicht entsteht, deren Ausdehnungskoeffizienten
so gut wie möglich vorn einen zum anderen der zu verbindenden Teile überleiten.
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Fig. 3 zeigt vollständiger das Wesen der Erfindung gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach den vorhergehenden Figuren. Eine erste Zwischenlage 7 reit einem Ausdehnungskoeffizienten,
der ziemlich dem des Sockels 3 entspricht, ist auf der Grenzfläche 5 des Sockels
angeordnet. Anschließend kann ein Teil 9.
das auf dieselbe Weise geformt ist
wie das Teil 7.
aber auf Grund anderer Zusammensetzung einen Ausdehnungskoeffizienten,
ähnlich dem des Teiles 7, aber etwas näher dem des Körpers 2, hat, über dem Teil
7 angebracht werden. Wenn der Ausdehnungskoeffizient des Teiles 9 noch nicht genügend
dem des Körpers 2 entspricht, kann man noch ein anderes Teil 10, welches
so zusammengesetzt ist, da,ß sein Ausdehnungskoeffizient zwischen denen des Teiles
9 und des Körpers 2 liegt, zwischen dem Teil 9 und dem Rand 4 des Körpers, wie in
Fig. 3 zu sehen ist, vorsehen. So ist es klar, daß durch Anordnung einer Mehrzahl
von Verbindungsteilen, die entsprechend der Erfindung hergestellt sind und fortschreitend
verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, es möglich ist, eine Verbindungsschicht
zu erzeugen, die eine fest haftende Verbindung zwischen Teilen mit stark abweichenden
Ausdehnungskoeffizienten, garantiert. Wie man in Fig. 3 sehen kann, läßt sich die
eben beschriebene Anordnung dem Hochfrequenzfeld einer Induktionsspule 8 aussetzen.
So sind die Metallanteile der verschiedenen Verbindungsteile. also die Metallteilchen
oder -pulver, geeignet, Energie zu absorbieren, dadurch die Glasteilchen der verschiedenen
Verbindungsteile
zu schmelzen, und die Begrenzungsflächen der zu verbindenden Teile zu erhitzen.
Und in derselben Weise, wie oben unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben wurde, läßt
sich so eine Verbindung oder Verschmelzung zwischen den Teilen 2 und 3 herstellen.
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Selbstverständlich kann, wenn auch oben nur drei Verbindungsteile
7, 9 und 10 zur Verbindung zwischen Teilen mit beträchtlich verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten
vorgesehen sind. irgendeine Anzahl von ihnen verwendet werden, und ihre Zahl richtet
sich nur danach, wie groß der Unterschied der Ausdehnungseigenschaften der zu verbindenden
Teile ist.
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Wie Fig. 4 zeigt, braucht die Schicht der Mischung eines glasartigen
Bindestoffes mit Metallteilchen zur Herstellung der Verbindung mittels induktiver
Erhitzung nicht getrennt als Zwischenschichten wie der Ring 7 hergestellt und zwischen
den zu verbindenden Teilen angeordnet zu werden., sondern, sie können auch in einem
Stück mit wenigstens einem dieser Teile hergestellt werden. Zum Beispiel kann solch
eine Schicht als Teil der Begrenzung 5 des Sockels 3 hergestellt werden, wobei man
zunächst eine passende Form 11 benutzt, in die Glaspulver 12 eingefüllt wird und
in der man die Zuführungen 6. die in den Sockel eingebettet werden sollen, anordnet.
Man benutzt eine passende Druckplatte 13 und übt einen angemessenen Druck aus, wodurch
das Glaspulver 12 zu einem einzigen Sockelteil 3 zusammengepreßt wird. Wie man in
Fig.4 sieht, führt diese Methode recht einfach zur Bildung der Verbindungsschicht
am Sockel 3. Man erreicht dies, indem man Mischungen von glasartigen Bindestoff
und Metallpulver, die denen entsprechen, die für die Zwischenlagen. vorgesehen sind,
auf einer Schulter 14 anordnet, mit der die Form 11 versehen ist, bevor all das
Glaspulver 12 in die Form gegeben wird. Wenn der Sockel 3 durch die oben beschriebene
Arbeitsweise mittels der Form vollständig hergestellt ist, besitzt er gleichzeitig
eine Bindeschicht auf der Oberfläche, in den Fig.4 und 5 mit 15 bezeichnet, als
festen. Bestandteil des Sockels 3. Da so die Bindeschicht 15 ein fester Bestandteil
des einen der zu verbindenden Teile geworden ist, legt man das andere Teil einfach
auf die Fläche 15, wie Fig. 5 zeigt, und setzt dann, das Ganze einem Hochfrequenzfeld
aus, indem man es in die Induktionsspule 8 hält. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung nehmen die. Metallteilchen in der Bindeschicht 15 Wärmeenergie auf,
schmelzen dadurch die Glasteilchen, die in der Bindeschicht 15 vorhanden. sind,
übertragen Hitze auf die Begrenzungsflächen der zu verbindenden Teile und erzielen
so eine befriedigende und ungewöhnlich feste Verbindung.
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Schließlich läßt Fig. 6 erkennen, daß das eben beschriebene Ausführungsbeispiel
der Erfindung, welches die fest mit dem Sockel 3 verbundene Bindeschicht 15 aus
einer Mischung eines glasartigen Bindestoffes mit Metallteilchen oder -Pulver zum
Gegenstand hat, durch zusätzliche Verwendung eines zunächst nicht mit dem Körper
2 und, dem Sockel 3 verbundenen Zwischenlageringes 7 variiert werden kann, wenn
eine Verbindung zwischen Körper 2 und Sockel 3 bewirkt werden soll. In diesem Falle
kann das in dem Bereich 15 des Sockels befindliche Glasmaterial geschmolzen werden,
um. eine feste Verbindung zwischen den zu verbindenden. Teilen nach derselben, oben
beschriebenen Methode zu bewirk-,en. Im besonderen kann das Teil 7 auf dem Sockel
3 über dem Bereich 15 angeordnet werden, und der Körper 2 ist anschließend in passende
Stellung zu dem Teil 7 zu bringen, worauf man die ganze Anordnung in die stromdurchflossene
Induktionsspule 8 hineinhält. 11Tachdem die Anordnung genügend lange der Wirkung
der Spule ausgesetzt ist, erreicht man, daß die Metallteilchen oder das Metallpulver,
welche sich im Bereich 15 und im Teil 7 befinden, induktiv genügend erhitzt werden,
daß sie den glasartigen Bindestoff, der sich im Bereich 15 und im Teil 7 befindet,
schmelzen und die Begrenzungen der Teile, die verbunden werden sollen, so erhitzen,
daß dadurch eine befriedigende, feste Verbindung eintritt.
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Man sieht weiter, daß, wenn erforderlich, d. h. wenn die zu verbindenden
Teile weitgehend verschiedene Ausdehnungseigenschaften aufweisen, eine Mehrzahl
von Zwischenlageteilen mit schrittweise verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten im
Zusammenwirken mit dem Verbindungsbereich 15 (s. Fig. 5 und 6) angewendet werden
können.
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Weiter sei festgestellt, daß, obwohl die Teile 7, 9 und 10 oben als
getrennt hergestellt beschrieben sind, sie auch als ein einziges Teil hergestellt
werden könnten. So könnten verschiedene Mischungen von glasartigern Bindestoff und
Metallpulvern, wo jede einen verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten hat, zunächst
in der ohen beschriebenen Weise vorgesehen werden. Dann würden diese Mischungen
schichtweise in eine Form gegeben, wobei z. B. die Mischung mit dem kleinsten Koeffizienten
auf den Boden käme und man nach oben hin schrittweise bis zu dem höchsten Koeffizienten
überginge. Anschließend könnten sie gepreßt werden, um ein einziges Verbindungsteil
zu formen, und in der oben beschriebenen Weise gesintert werden.
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Erfindungsgemäß soll, obwohl bisher im Zusammenhang mit dem glasartigen
Bindestoff nur Glaspulver erwähnt wurde, vorzugsweise gepulvertes Glas mit niedrigem
Schmelzpunkt Verwendung finden, um das Schmelzen durch die Induktiverhitzung des
Metalls auf Grund der Wirkung der Induktionsspule 8 zu erleichtern.