DE69112807T2

DE69112807T2 - Verfahren zum elektrischen verbinden von zu verbindenden artikeln, keramik einbegriffen.

Info

Publication number: DE69112807T2
Application number: DE69112807T
Authority: DE
Inventors: Hisakiyo Hoshino; Masashi Miyake; Tokumitsu Nishi; Masashi Numano; Kouji Okuda; Hiroshi Takai
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-10-03
Also published as: US5294769A; EP0503094B1; EP0503094A4; EP0503094A1; DE69112807D1; WO1992006054A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein elektrisches Verbindungsverfahren zum anstoßenden Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem weiteren solchen Element oder einem Metallelement, während Maßnahmen getroffen werden, um zumindest teilweise die thermische Spannung zu lindern bzw. zu reduzieren, welche erzeugt werden kann.
Üblicherweise werden zum Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem anderen solchen Keramikelement oder einem Metallelement direkte Widerstandserhitzung bzw. -erwärmung, Hochfrequenzinduktiverhitzung bzw. -erwärmung oder eine Kombination dieser Verfahren etc. vorgeschlagen. Bei dem Direktwiderstandsheizverfahren werden, wenn ein zu bildender Körper durch Verbinden zweier Elemente miteinander zu bilden ist, Teile an beiden Seiten des Anstoßbereiches jeweils in Kontakt mit einer Elektrode angeordnet, welche mit einem elektrischen Strom gespeist wird, wobei Hitze bzw. Wärme an dem Anstoßbereich erzeugt wird, um bevorzugt den Bereich zu erhitzen bzw. zu erwärmen. Ein Verbindungsmittel an dem Anstoßbereich wird dadurch geschmolzen, so daß die Teile zusammen verbunden werden. Gemäß dem Verfahren unter Verwendung der Hochfrequenzinduktiverhitzung bzw. -induktionserhitzung ist eine Induktionsspule um den Anstoßbereich des Körpers, welcher die Verbindung aufweisen soll, vorgesehen, wobei der Bereich bevorzugt durch induktive Erhitzung bzw. Erwärmung erhitzt bzw. erwärmt wird, so daß das Verbindungsmittel in dem Anstoßbereich geschmolzen wird. Wenn direktes Widerstandserhitzen in Kombination mit der Hochfrequenzinduktiverhitzung verwendet wird, wird eine Keramik eines höheren Widerstandes, nämlich mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit, vorangehend durch die Hochfrequenzinduktiverhitzung erwärmt, um den Widerstandswert zu erniedrigen (d.h. zum Erhöhen der Leitfähigkeit). Nachfolgend wird direkte Widerstandserhitzung zum Erzeugen eines großen Stromflusses, um den Anstoßbereich schnell zu erwärmen bzw. zu erhitzen, durchgeführt.
Fig. 11 (A) zeigt die Anordnung zum Durchführen der herkömmlichen Direktwiderstandserwärmung. Leitfähige zylindrische Keramikteile 1a', 1b', welche zu verbinden sind, werden miteinander anstoßend verbunden, und zwar über ein Verbindungs- bzw. Bindemittel 3', wodurch ein Anstoßbereich gebildet wird. Ringförmige Elektroden 2a', 2b' sind anstoßend an die entsprechenden Keramikteile 1a', 1b' derart bereitgestellt, wie es in der Zeichnung angedeutet ist. Thermische Isolatoren 4a', 4b' sind jeweils an den Endabschnitten der Keramikteile bzw. keramischen Teile 1a', 1b' vorgesehen. Eine Spannung wird zwischen den Elektroden 2a' und 2b' angelegt, während die Keramikteile 1a', 1b' durch eine Kompressionseinrichtung (nicht gezeigt), welche auf die thermischen Isolatoren 4a', 4b' wirkt, druckbeaufschlagt werden. Als ein Ergebnis wird Hitze an den Keramikteilen 1a', 1b' erzeugt, bedingt durch den Stromfluß in einer Richtung quer zu der Anstoßebene der Keramikteile 1a', 1b'. Da der Anstoßbereich bevorzugt durch diese Hitze erwärmt wird, wird das Verbindungsmittel 3' geschmolzen, wodurch die Keramikteile 1a', 1b' miteinander verbunden werden. In solch einem obigen Fall, in dem die zu verbindenden Teile aus demselben Material in derselben Form hergestellt sind, und verbunden werden unter Verwendung von Elektroden einer geringen Wärmekapazität, da die Widerstandswerte von beiden Materialien einander gleich sind, ist die Menge an erzeugter Hitze in den jeweiligen Teilen zwischen den Elektroden 2a', 2b' gleich. Entsprechend werden die zwei zu verbindenden Materialien in den Nähe des Anstoßbereiches generell gleichförmig erwärmt, wie es durch eine Kurve (a) von Fig. 11 (B) angedeutet ist, und des weiteren wird kein großer Temperaturgradient in ihnen in der Nähe der Elektroden gebildet. In ähnlicher Weise unter Verwendung der anderen zwei Verbindungsverfahren, welche zuvor beschrieben wurden besteht kein besonderes Problem, wenn die zu verbindenden Materialien dieselbe Form aufweisen und aus demselben Material sind, oder wenn die Verbindungstemperatur niedrig ist.
Die Elektroden 2a', 2b' für die direkte Widerstandserhitzung sind generell aus wärmebeständigem Metall gebildet, wie z.B. Wolfram, Molybdän oder ähnlichem, oder aus anorganischem hitzebeständigen Material, wie z.B. Kohlenstoff oder ähnlichem. Diese Materialien haben gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute thermische Leitfähigkeit. Beispielsweise, wenn die Widerstandswerte der zu verbindenden Teile dieselben sind, dissipiert die Hitze, welche in den Teilen zwischen den Elektroden 2a' und 2b' während des Stromflusses erzeugt wird, zu einem (nicht gezeigten) Elektrodenwerkzeug und zu den anderen Abschnitten der Teile durch thermische Leitung. Als ein Ergebnis tritt ein scharfer Temperaturgradient in den Teilen in der longitudinalen Richtung in der Nähe der Befestigung der entsprechenden Elektrode auf, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Der Temperaturgradient wird größer beim Ansteigen der Verbindungstemperatur oder der Erwärmungsrate oder der Wärmekapazität der Elektroden oder der thermischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials.
Generell besteht ein häufiger Bedarf im Verbinden von Teilen, welche hergestellt sind aus unähnlichen Materialien, oder welche unterschiedliche Formen oder Größen haben, und zwar bei einer hohen Verbindungstemperatur, oder zum Verbinden verschiedener Arten von Materialien mit einem großen Unterschied in Widerstandswerten bei einer hohen Verbindungstemperatur. In solchen Fällen werden jedoch unterschiedliche Beträge an Hitze in den zu verbindenden Teilen erzeugt, was zu einem problematischen Temperaturgradienten führen kann, bedingt durch den Wärme- bzw. Hitzefluß in der Nähe des Anstoßbereiches. In dem Beispiel von Fig. 11(A), unter der Annahme, daß die Widerstandswerte R1, R2 der Keramikteile 1a', 1b' stark unterschiedlich sind (R1 > > R2), erwärmt die Hitze, welche in dem Teil 1a' erzeugt ist, nicht nur den Anstoßbereich, sondern fließt ebenfalls hinein in das Teil 1b' und das (nicht gezeigte) Elektrodenwerkzeug. Als Folge wird ein großer Temperaturgradient in der longitudinalen Richtung an der Mitte des Anstoßbereiches gebildet, und zwar zusätzlich zu dem Temperaturgradienten, welcher in jedem Teil erzeugt wird, wo die Elektrode an ihm befestigt ist, wie es durch eine Kurve (b) in Fig. 11 (B) dargestellt ist. Der Temperaturgradient wird größer, wenn der Unterschied zwischen den Widerstandswerten der zu verbindenden Teile größer wird, wenn die Verbindungs temperatur höher ist, wenn die Erhitzungs-/Kühlungsrate zeitmäßig größer ist oder wenn die Wärmekapazität des Keramikteiles 1b' größer ist. Wenn die Keramikteile 1a', 1b' unter Verwendung der Hochfrequenzinduktiverhitzung unter denselben Bedingungen wie oben erhitzt werden, wird die Hitze im Kontrast dazu konzentrierter in dem Keramikteil 1b' erzeugt, welches den niedrigeren Widerstand aufweist, wodurch das alternative Temperaturprofil erzeugt wird, das durch eine Kurve (c) von Fig. 11 (B) gezeigt ist, welche jedoch einen großen Gradienten wie die Kurve (b) aufweist.
Die thermische Spannung steigt an mit einem Ansteigen des Temperaturgradienten. Wenn die Spannung die Bruchstärke übersteigt, d.h. die Bruchgrenze der zu verbindenden Materialien, reißen und brechen diese ab. Wenn die Temperatur zum Verbinden zweier Teile erhöht wird, während der Temperaturgradient groß ist, so wird die maximale Temperatur von dem Teil, welches mehr Hitze erzeugt, wesentlich höher sein als die Temperatur des Anstoßbereiches. Daher kann ein Abschnitt des Keramikteiles bei der maximalen Temperatur unvorteilhaft zersetzt werden, oder andere Materialermüdungen bzw. Verschlechterungen können auftreten. Dieser Effekt kann die Beschränkung der Verbindungstemperatur erfordern, wodurch einige Techniken schwierig werden, wie z.B. die Verwendung von hitzedichtendem bzw. -isolierendem Material. Des weiteren, wenn es schwierig ist, den Abstand zwischen den Elektroden zu verkürzen, wobei die Erwärmungsrate nicht beschleunigt werden kann, wird mehr elektrische Energie für das Verbindungsverfahren erfordert, wobei die Betriebskosten erhöht werden.
Bei der kombinierten Verwendung des direkten Widerstandserhitzens und des Hochfrequenzinduktiverhitzens wird das Keramikteil mit höherem Widerstand durch die Hochfrequenzinduktiverhitzung bearbeitet, um somit den Widerstandswert davon zu senken (zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit), bevor die direkte Widerstandserhitzung angewendet wird. Dieser Stand der Technik wurde verwendet zum Senken der Widerstandswerte von Keramikmaterialien mit der Aufgabe, den elektrischen Strom in dem Fall zu erhöhen, bei dem Keramiken mit hohen Widerstandswerten bei Raumtemperatur elektrisch miteinander verbunden werden. Daher, wenn die Technik angewendet wird zum elektrischen Verbinden zweier Materialien mit verschiedenen Widerstandswerten, ist es notwendig, das Teil mit höherem Widerstand zu erhitzen, da der Widerstand zwischen den Elektroden bestimmt ist durch den Widerstandswert des Teiles mit höherem Widerstand. Jedoch, wenn der Bereich, welcher die zwei Keramikteile verbindet, Hochfrequenzerhitzung unterworfen wird, wird der Teil mit niedrigerem Widerstand hauptsächlich erwärmt, wobei die Induktionserwärmungs- bzw. Erhitzungsleistung erhöht werden muß, um den Teil mit höherem Widerstand zu erhitzen bzw. zu erwärmen. Wenn die elektrische Leistung erhöht wird, wird das Teil mit niedrigerem Widerstand weiter erhitzt, wobei der Temperaturgradient der zwei Keramikteile groß wird, und die Teile durch thermische Spannung beschädigt werden können. Daher, wenn die Hochfrequenzinduktiverhitzung mit der Direktwiderstandserhitzung mit dem Zweck des Erhöhens der elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird, ohne den Temperaturgradienten in Betracht zu ziehen, kann die Erzeugung von Brüchen bzw. Rissen bedingt durch thermische Spannung, welche aus den Temperaturgradienten resultieren, nicht vermieden werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Verbindungsverfahren zum aneinanderstoßenden Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem weiteren solchen Element oder einem Metallelement bereitgestellt, welches die Schritte umfaßt, Aufbringen von Druck zum Zusammenhalten der Elemente in einem Anstoßbereich, wo die anstoßende Verbindung stattfinden soll, Anordnen eines Paares von Elektroden in Kontakt mit den zu verbindenden Elementen zwischen den Teilen, und zwar an dem zwischengelagerten Bereich, Erwärmen der Elemente zwischen den Elektroden durch den Joule-Effekt, und zwar durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, Bewirken weiterer Erwärmung einer Zone oder Zonen von den Elementen zum Reduzieren eines Temperaturgradienten, welcher durch die Joule-Effekt Erwärmung gebildet ist, um somit die thermische Spannung in den Elementen niedriger zu halten als die Bruchspannung der Elemente, und Erhöhen der Temperatur von dem Anstoßbereich auf eine Temperatur, bei welcher die zwei Elemente verbunden werden können, während sowohl die Joule-Effekt Erwärmung und die weitere Erwärmung bewirkt werden.
Die weitere Erwärmung kann bewirkt werden auf einen Teil oder die Gesamtheit eines Paares der Elektroden, wodurch der Temperaturgradient in den Elementen in den Bereichen, wo die Elektroden montiert sind, reduziert wird.
Die weitere Erwärmung bzw. Erhitzung kann erzeugt werden durch eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung bzw. eine Erwärmungseinrichtung aus einem Material mit geringem Widerstand zum Erwärmen bzw. Erhitzen des Materials mit niedrigem Widerstand unter den zu verbindenden Materialien.
Alternativ kann die Erwärmung erzeugt werden durch eine Kombination der Elektrodenerhitzung und der Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung.
Die Elektrodenerhitzung bzw. -erwärmung kann durch Erhöhen des elektrischen Widerstandes der Elektroden insgesamt oder teilweise erreicht werden. Die Erwärmung mittels Material mit geringem Widerstand kann erreicht werden unter Verwendung einer Hochfrequenzinduktionserwärmungs-bzw. -erhitzungseinrichtung.
In einer Ausführungsform der Erfindung, wenn zumindest eines der zu verbindenden Elemente einen unterschiedlichen Widerstand von dem anderen Element oder den anderen Elementen aufweist, wird diese weitere Erwärmung bewirkt bzw. aufgebracht bzw. angewendet zum hauptsächlichen Erwärmen des Elementes mit geringerem Widerstand von den zu verbindenden Elementen, wodurch der Temperaturgradient, welcher in der Nähe des Anstoßbereiches gebildet ist, reduziert wird, wobei bevorzugt entweder die Elektroden oder die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung verwendet wird, bis die Temperatur des Anstoßbereiches eine vorbestimmte Temperatur erreicht, und danach sowohl die besagte als auch die Erwärmungseinrichtung aus Material mit geringem Widerstand bzw. die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung zusammen verwendet werden.
Die kombinierte Verwendung der Elektrodenerwärmung und der weiteren Erwärmung mittels Material von geringem Widerstand kann von dem Beginn des Erwärmungsverfahrens an stattfinden.
Wenn Elektrodenerwärmung unter Verwendung der weiteren Erwärmungseinrichtung erhalten wird, kann der Temperaturgradient abgeschwächt werden, welcher in einer longitudinalen Richtung der Elemente zwischen den Elektroden in ihrer Nähe erzeugt wird, da die Keramikelemente dort, wo die Elektroden befestigt sind und in der Nähe, von dem Beginn der elektrischen Stromzufuhr an vorteilhaft erwärmt werden.
In dem Fall, in dem Teile mit verschiedenen Widerstandswerten miteinander zu verbinden sind, wenn die Teile nur durch die Elektrodenerwärmungseinrichtung auf die Verbindungstemperatur durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden erwärmt werden, wird ein großer Temperaturgradient in den Teilen in der Nähe des Anstoßbereiches erzeugt. Jedoch, wenn die weitere Erwärmung bewirkt bzw. aufgebracht wird zum Erwärmen des Materials mit niedrigerem Widerstand, wird die Temperatur in jedem Abschnitt der Teile zwischen den Elektroden erhöht durch die Wärme von beiden Erwärmungseinrichtungen. Insbesondere wirkt die Hitzeausgabe der Niederwiderstands-Erwärmungseinrichtung zum Abschwächen des Temperaturgradienten (zum Reduzieren der thermischen Spannung) in der Nähe des Anstoßbereiches der Teile. Daher kann die Bildung bzw. Erzeugung von Brüchen bzw. Rissen, bedingt durch einen großen Temperaturgradienten, verhindert bzw. gehemmt werden. Des weiteren, wenn die Verbindungstemperatur durch die Hitze von beiden Erwärmungseinrichtungen erhalten wird, kann im Vergleich mit dem Fall, in dem sie nur durch eine Erwärmungseinrichtung erhalten wird, die Menge an zugeführter Hitze bzw. Wärme zu jedem Teil, und zwar von beiden Erwärmungseinrichtungen, reduziert sein. Als ein Ergebnis kann die maximale Temperatur der Teile geringer sein als mit herkömmlichen Verfahren. Ermüdung bzw. Verschlechterung bzw. Deterioration der Keramikmaterialien bedingt durch das Überhitzen, kann somit verhindert bzw. gehemmt werden. Des weiteren kann die Verwendung von beiden Erwärmungseinrichtungen in Verbindung angepaßt werden auf Unterschiede von physikalischen Eigenschaften, Größe oder Form der zu verbindenden Teile. Wenn die zwei Erwärmungseinrichtungen vom Beginn der Erwärmung an zusammen verwendet werden, wird die Erwärmung in einer kürzeren Zeit effektiv durchgeführt, während die Bildung von Brüchen oder Rissen und eine Verschlechterung der Materialien verhindert wird. Wenn für die zweite Erwärmungseinrichtung eine Direkthochfrequenzinduktiv-Erwärmungseinrichtung verwendet wird, kann das Material mit niedrigerem Widerstand direkt erwärmt werden, um die effektive Erwärmung als ein Gesamtes zu erreichen, wodurch die Verfahrenskosten reduziert werden.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum anstoßenden Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem weiteren solchen Element oder einem Metallelement bereitgestellt gemäß dem Verfahren der Erfindung.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in welcher ähnliche Teile durch dieselben Bezugszeichen beziffert sind.
Fig. 1 (A) ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines ersten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 (B) ist ein Diagramm des Temperaturprofils in einer longitudinalen Richtung eines Arbeitsstückes, auf welches das erste Verfahren angewendet wird;
Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zum Durchführen des ersten Verfahrens;
Fig. 3 (A) ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines zweiten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 (B) ist ein Diagramm des Temperaturprofils in einer longitudinalen Richtung eines Arbeitsstückes, auf welches das zweite Verfahren angewendet wird;
Fig. 4 ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines dritten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines vierten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist ein Diagramm des Temperaturprofils in einer longitudinalen Richtung eines Arbeitsstückes, auf welches das vierte Verfahren angewendet wird;
Fig. 7 ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines siebten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 (A) ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines achten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 (B) ist ein Diagramm des Temperaturprofils in einer longitudinalen Richtung eines Arbeitsstückes, auf welches das achte Verfahren angewendet wird;
Fig. 9 ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen des achten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen des achten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 (A) ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines herkömmlichen Verfahrens des elektrischen aneinanderstoßenden Verbindens;
Fig. 11 (B) ist ein Diagramm des Temperaturprofils in einer longitudinalen Richtung eines Arbeitsstückes, welches gemäß dem Verfahren von Fig. 11 (A) verbunden wird; und
Fig. 12 ist ein Diagramm eines weiteren Temperaturprofiles in der longitudinalen Richtung des Arbeitsstückes, welches gemäß dem herkömmlichen Verfahren verbunden ist.

AUSFÜHRUNGSFORM 1

Fig. 1 (A) und 2 stellen schematisch eine Frontansicht und eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Durchführen einer ersten Ausführungsform des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform werden zwei rohrförmige Teile derselben Größe miteinander verbunden, wobei sie das Arbeitsstück bilden. Insbesondere ist ein Verbindungsmittel 3 aus auf Silikon basierender Lötlegierung zwischen rekristallisierten SiC Keramikteilen la und ib (10 x5 x100mm) zwischengelagert, welche die zwei zu verbindenden Teile sind, wobei ein geeigneter Druck P aufgebracht wird, um die Teile örtlich festzulegen.
Nachfolgend wird eine Elektrode 20a vorbereitet, um lösbar von dem Material zu sein. Die Elektrode 20a umfaßt Kohlenstoffelektrodenelemente 421a, 422a, wovon jedes eine innere halbkreisförmige periphere Fläche aufweist und Widerstandserwärmungselemente 423a, 424a, welche aus rekristallisiertem SiC hergestellt sind. Die Widerstandserwärmungselemente 423a, 424a, welche durch Zerschneiden eines 10 mm langen Rohres erhalten werden, und zwar in der Hälfte, sind an der inneren Peripherie der entsprechenden Elektroden 421a, 422a befestigt. In derselben Weise ist eine Elektrode 20b, umfassend Elektrodenelemente 421b, 422b und Widerstandserwärmungselemente 423b, 424b, vorbereitet bzw. hergestellt. Diese Elektroden 20a, 20b sind voneinander um 30 mm beabstandet in entgegengesetzten Richtungen von dem Anstoßbereich 3 und sind fest an den Keramikteilen 1a, 1b befestigt. Obwohl eine Befestigungseinrichtung in Fig. 2 nicht gezeigt ist, können geeignete bekannte Einrichtungen zum festen Sichern jeder Elektrode 20a, 20b verwendet werden. Die leitfähigen Widerstandserwärmungselemente sichern in etwa ein Drittel des Widerstandes der zu verbindenden Keramikteile. Eine erste Erwärmungseinrichtung ist bereitgestellt durch eine Stromquelle 5 und Elektroden 20a, 20b zur direkten Widerstandserwärmung, während eine zweite Erwärmungseinrichtung bereitgestellt ist durch die Stromquelle 5 und die leitfähigen Widerstandserwärmungselemente 423a, 424a, 423b, 424b, um die Elektrodenteile zu erwärmen.
Während der Verwendung von Ar-Gas als Arbeitsatmosphäre wird eine Spannung zwischen den Elektroden 20a, 20b angelegt, welche an der Stromquelle 5 angeschlossen sind, um graduell den Stromfluß derart zu erhöhen, daß die Temperatur bei einer Rate von 80ºC/min erhöht wird. Die Verbindungstemperatur von 1500ºC wird bei einem Strom von etwa 38A erreicht. Nachfolgend wird die Verbindungstemperatur bei 1500ºC für etwa 5 Minuten gehalten, wonach der Strom graduell erniedrigt wird und die Verbindungstemperatur auf Raumtemperatur abgesenkt wird, und zwar bei einer Rate von 80ºC/min, um das Verbindungsverfahren zu vollenden. In diesem Fall wird die Wärme in dem leitfähigen Widerstandserwärmer bzw. -erhitzer 423a, 424a, 423b, 424b erzeugt, bedingt durch den Strom, welcher in dem anfänglichen Stadium zugeführt wird, wobei diese Wärme auf die Keramikteile 1a, 1b dort übertragen wird, wo die Elektroden 20a, 20b montiert sind. Zur selben Zeit wird Wärme an den Keramikteilen 1a, 1b erzeugt. Das Temperaturprofil, wenn die gewünschte Verbindungstemperatur erreicht ist, ist so, wie es durch die Kurve (a) in Fig. 1 (B) angedeutet ist, welches im Vergleich mit einer Kurve (b) in dem Vergleichsdiagramm (Fig. 11 (B)) des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik wesentlich moderater ausfällt.
Das fertiggestellte Arbeitsstück wurde auf eine Länge von 120 mm zerschnitten, und zwar mittig bezüglich des Anstoßbereiches. Nach einem Drei-Punkt Biegebzw. Beugetest wurde herausgefunden, daß das Arbeitsstück eine Stärke von etwa 420kgf/cm² (412 x 10&sup7;Pa) aufwies. Des weiteren, wenn eine longitudinale Schnittebene des verbundenen Körpers geschliffen wurde und dann inspiziert durch ein optisches Mikroskop, wurden keine Risse beobachtet. Zum Vergleich wurden Kohlenstoffelemente derselben Form wie obige Widerstandserwärmer anstelle dieser montiert, und zwar auf einem anderen Arbeitsstück, und die Keramikteile wurden miteinander unter denselben Bedingungen wie oben verbunden. Das Ergebnis eines Drei-Punkt Biegetests des Vergleichsbeispieles zeigte das Vorhandensein von Rissen bei einem Abstand von in etwa 5 - 10 mm von den Elektroden. Das Arbeitsstück brach in etwa an der Position der Risse, wobei eine Stärke von nur 53kgf/cm² (5,2 x 10&sup6;Pa) erreicht wurde.
In dieser ersten Ausführungsform, obwohl der leitfähige Widerstandserwärmer als eine zweite oder weitere Erwärmungseinrichtung zum Erwärmen der Elektroden verwendet wird, ist sie ähnlich effektiv zum Bilden der Elektroden mit einer reduzierten Querschnittsfläche zum Erhöhen des Widerstandes oder zum Einschnüren bzw. Einschränken der Elektroden unter Verwendung eines Materials mit einem größeren Widerstand. Es ist offensichtlich, daß diese Möglichkeiten einzeln oder gemeinsam verwendet werden können. Die nötige Wärme für die Erwärmungseinrichtung unterscheidet sich abhängig von den thermischen Eigenschaften, z.B. Größe oder Materialstärke und der Verbindungstemperatur etc. Jedoch ist zuviel Wärme verschwenderisch, und daher wird der Wärmefluß bevorzugt so gering wie möglich innerhalb der Grenzen, welche durch die thermische Spannung erlaubt sind gehalten. Des weiteren, obwohl die Elektroden an einer Seite des Anstoßbereiches angeordnet sind, kann das Verfahren auf jede Elektrode oder auf einige der Elektroden angewendet werden, wenn drei oder mehrere Teile zu verbinden sind, solange die thermische Spannung dies zuläßt.

AUSFÜHRUNGSFORM 2

Fig. 3 (A) ist ein schematisches strukturelles Diagramm einer Vorrichtung, insbesondere zum Verbinden zweier rohrförmiger Teile derselben Größe, jedoch mit unterschiedlichem Widerstand. Insbesondere sind SiC Keramikteile 1a, 1b mit jeweils einem äußeren Durchmesser von 10 mm, einem inneren Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 100 mm anstoßend aneinander angeordnet, wobei ein Bindemittel bzw. Verbindungsmittel 3 aus auf Silikon basierender Lötlegierung zwischen ihnen angeordnet ist. Die SiC Keramikteile 1a, 1b haben Ieweils einen Widerstand in dem Bereich von etwa 10&sup0;[Ω.cm] bis 10&supmin;²[Ω.cm]. In anderen Worten, die Widerstände der zwei Teile unterscheiden sich um mehr als zwei Dezimalstellen. Ein Paar von ringförmigen Kohlenstoffelektroden 2a, 2b mit einer radialen Dicke von 10 mm sind fest an den äußeren peripheren Flächen der Keramikteile 1a, 1b befestigt. Jede Elektrode 2a, 2b ist um 30 mm von dem Anstoßbereich der Keramikteile 1a, 1b beabstandet. Ein geeigneter Druck P wird auf thermische Isolatoren 4a, 4b an den Enden der Keramikteile 1a, 1b aufgebracht, und zwar durch eine Klemmeinrichtung (nicht gezeigt), wodurch ein vorbestimmter Druck auf die anstoßenden Flzchen der Keramikteile 1a, 1b erzeugt wird. Die Keramikteile 1a, 1b werden drehbar in einem Rotationsmecha nismus (nicht gezeigt) gehalten. Eine erste Erwärmungseinrichtung zur direkten Widerstandserwärmung ist durch eine Stromquelle 7 und die Elektroden 2a, 2b bereitgestellt.
Wie es schematisch in Fig. 3 (A) gezeigt ist, umrundet eine Kammer 5 zumindest die Elektroden 2a, 2b und den Bereich dazwischen in einer luftdichten Weise. Ein inertes Gas, wie z.B. Ar-Gas, füllt die Kammer 5. Ein Lichtstrahl von einem Halogenlampenerhitzer 6 reicht durch Fenster aus Quarzglas 5a, 5b, welche an einem Teil der Kammer 5 gebildet sind. Der Halogenlampenerhitzer 6 und dessen Stromquelle (nicht gezeigt) bilden eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung als eine zweite Erwärmungseinrichtung, d.h., um hauptsächlich das Keramikteil 1b mit dem niedrigeren Widerstand zu erwärmen. Der Halogenlampenerwärmer 6 wirkt an einem Bereich, an dem der Temperaturgradient der Keramikteile 1a, 1b groß wird, wenn die Verbindungstemperatur des Anstoßbereiches auf eine gewünschte Temperatur erhöht ist, und zwar nur durch den elektrischen Strom, welcher zwischen den Elektroden 2a, 2b fließt. In anderen Worten, der Halogenlampenerwärmer 6 ist bereitgestellt, um den maximalen Temperaturgradienten kleiner zu machen. Ein generell zylindrischer thermischer Isolator 8 bedeckt fast das gesamte Arbeitsstück zwischen den Elektroden 2a, 2b und weist Öffnungen 8a, 8b auf, welche mit den Fenstern 5a, 5b zusammenfallen, um somit das Licht von dem Halogenlampenerwärmer 6 hindurchtreten zu lassen. Es ist unnötig zu erwähnen, daß die Öffnungen 8a, 8b ebenfalls mit Fenstern aus Quarzglas versehen sein können. Der Halogenlampenerwärmer 6, die Scheiben aus Quarzglas 5a, 5b und die Öffnungen 8a, 8b sind so angeordnet, daß sie Hilfswärme an einem Bereich des Keramikteiles 1b mit niedrigerem Widerstand, und zwar benachbart zu dem Anstoßbereich, bewirken.
Das Verbindungsverfahren dieser zweiten Ausführungsform wird nun beschneben.
Obwohl die erste und die zweite Erwärmungseinrichtung gemeinsam verwendet werden, wird die Erwärmung durch die zweite Erwärmungseinrichtung zuerst bewirkt. Nachdem sie den Anstoßbereich um ein gewisses Ausmaß erwärmt hat, wird Erwärmung durch die erste Erwärmungseinrichtung bewirkt. Insbesondere, bevor elektrischer Strom zu den Elektroden 2a, 2b zugeführt wird, wird ein Punktlicht mit einem Durchmesser von etwa 10 mm auf einen Bereich aufgebracht, welcher um 3 mm näher an dem Keramikteil 1b bezüglich des Anstoßbereiches ist, und zwar durch die Scheiben 5a, 5b der Kammer 5 durch den Halogenlampenerwärmer 6. Wenn die Temperatur des Keramikteiles 1b an der Mitte des Punktlichtes eine gewünschte Temperatur erreicht, z.B. 1000ºC, wird eine Spannung zwischen die Elektroden 2a, 2b durch die Stromquelle 7 angelegt, welche derart betrieben wird, daß der elektrische Strom graduell erhöht wird, um die Temperatur bei einer Rate von 80ºC/min zu erhöhen. Die Hilfswärmezufuhr wird fortgesetzt, selbst nachdem die Stromzufuhr zu den Elektroden begonnen hat. Wenn der elektrische Strom etwa 32A beträgt, und die Verbindungstemperatur 1500º erreicht, wird dieser Zustand bzw. dieses Stadium für etwa 5 Minuten aufrechterhalten. Nachfolgend wird der elektrische Strom zu den Elektroden und ebenfalls die Erwärmung durch den Halogenlampenerwärmer 6 graduell eingeschränkt. Die Rate des Temperaturabfalls zu dieser Zeit ist 80ºC/min. Durch Stoppen der elektrischen Stromzufuhr zu den Elektroden und der Hilfserwärmung fällt die Temperatur auf Raumtemperatur ab, und das Verbinden ist vollendet.
In diesem Fall ist das erreichte Temperaturprofil lediglich unter Verwendung des Halogenlampenerwärmers 6 zum Erreichen der gewünschten Temperatur zum Beginnen der elektrischen Stromzufuhr so, wie es durch die Kurve (a) in Fig. 3 (B) gezeigt ist, während das Temperaturprofil, wenn die Temperatur des Anstoßbereiches die gewünschte Verbindungstemperatur erreicht, und zwar nach dem Start bzw. Beginn der elektrischen Stromzufuhr zu den Elektroden so, wie es durch die Kurve (b) in Fig. 3 (B) angedeutet ist. Zum Vergleich ist das Temperaturprofil so, wie es durch die Kurve (c) in Fig. 3 (B) dargestellt ist, wenn nur die elektrische Stromzufuhr zu den Elektroden zum Erwärmen bzw. Erhitzen verwendet wird, und zwar ohne den Halogenlampenerwärmer 6. Beim Vergleichen der Kurven (b) und (c) wird der Temperaturgradient an dem Abschnitt X, wo er sehr groß ist, beim herkömmlichen Verfahren moderater. Des weiteren wurde herausgefunden, daß die maximale Temperatur des Hochwiderstandskeramikteiles 1a geringer ist. Es ist unnötig zu erwähnen, daß das Temperaturprofil zu jedem Zeitpunkt während des Erwärmungs- und Abkühlverfahrens derart sein sollte, daß die resultierende thermische Spannung in jedem Teil nie größer ist als die Bruchstärke des Teiles.
Eine 120 mm lange Probe wurde aus dem vollständigen bzw. vollendeten Arbeitsstück aus diesem zweiten Beispiel des Verfahrens erhalten, wobei der Anstoßbereich mittig angeordnet ist. Aus dem Ergebnis eines Drei-Punkt Biegetestes der Probe in dem Zustand, wie sie herausgeschnitten wurde, wurde eine Stärke von in etwa 340kgf/cm² (333 x 10&sup7;Pa) bestätigt. Des weiteren, als die Probe in einer longitudinalen Richtung geschnitten wurde, und die Schnittfläche zur Inspektion mittels eines optischen Mikroskops poliert wurde, konnte das Vorhandensein von Brüchen bzw. Rissen nicht beobachtet werden. Wenn ein ähnlicher Test durchgeführt wurde auf einem Arbeitsstück, welches gemäß dem herkömmlichen Verfahren verbunden wurde, und zwar ohne die Verwendung der zweiten Erwärmungseinrichtung, war ein Bruch bzw. Riß bei etwa 5 - 10 mm von den Anstoßflächen in dem Hochwiderstandskeramikteil bzw. dem Keramikteil mit hohem Widerstand 1a vorhanden. Des weiteren resultierte der Drei-Punkt- Biegetest der herkömmlichen Probe in einem Bruch an in etwa derselben Position, wie der obige Riß auftrat. Die Stärke des Vergleichsbeispieles betrug nur 50kgf/cm² (4,9 x 10&sup6;Pa) oder ähnliche Werte.

AUSFÜHRUNGSFORM 3

Fig. 4 ist ein schematisches strukturelles Diagramm zum Durchführen eines dritten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei Teile, eines in der Form eines Rohres und das andere in der Form eines kreisförmigen Zylinders desselben Materials werden in diesem Beispiel verbunden. In Fig. 4 sind dieselben Teile wie in Fig. 3 durch Bezugszeichen beziffert, welche erhalten sind durch Addieren von 10 zu den entsprechenden Bezugszeichen von Fig. 3, z.B. 1a in Fig. 3 ist dargestellt durch 11a in Fig. 4. Ein zu verbindendes Keramikteil 11a ist aus SiC und in Form eines Rohres mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm, einem inneren Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 100 mm. Das andere zu verbindende Keramikteil 11b ist aus SiC und ist in der Form eines kreisförmigen Zylinders mit einem äußeren Durchmesser von 20 mm und einer Länge von 100 mm. Eine auf Silikon basierende Lötlegierung wird als Verbindungsmittel 13 verwendet. Ähnlich zu dem zweiten Beispiel wird ein geeigneter Druck P auf die Teile 11a, 11b über thermische Isolatoren 14a, 14b aufgebracht. Obwohl die Teile 11a, 11b aus einem Material mit demselben Widerstand hergestellt sind, sind ihre Querschnittsflächen unterschiedlich. Daher sind die Widerstandswerte stark unterschiedlich zwischen den Teilen 11a und 11b.
Ein Halogenlampenerwärmer bzw. eine Halogenlampenerwärmungseinrichtung wird verwendet als eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung wie in der zweiten Erwärmungseinrichtung in dem zweiten Beispiel. In diesem Beispiel ist jedoch ein zylindrischer Widerstandsofen mit einem Kohlenstofferhitzer 16 an der inneren Peripherie eines zylindrischen thermischen Isolators 18 befestigt, welcher als eine Wärmequelle für die Niederwiderstandsmaterial- Erwärmungseinrichtung verwendet wird, welche als die zweite Erwärmungseinrichtung dient. Der Widerstandsofen ist so angeordnet, daß die Mitte des Kohlenstofferwärmers bzw. -erhitzers 16 etwa 10 mm in longitudinaler Richtung von der Anstoßfläche des Keramikteiles mit größerem Querschnitt 11b beabstandet ist. Die Wärmequelle des Kohlenstofferhitzers 16 ist nicht in der Zeichnung angedeutet. Ein Paar von Elektroden 12a, 12b, welche mit einer Stromquelle 17 verbunden sind, sind fest an der äußeren peripheren Fläche der Keramikteile 11a, 11b befestigt, und sind um 50 mm von dem Anstoßbereich beabstandet. Ähnlich zu dem ersten Beispiel wird das Verfahren in einer gedichteten bzw. abgedichteten Kammer 15 durchgeführt, welche Ar-Gas enthält.
Das Verbindungsverfahren dieser dritten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Der Kohlenstofferwärmer 16 wird erwärmt, um die Temperatur eines Abschnittes des Keramikteils 11b bei etwa 10 mm von der Anstoßfläche auf in etwa 1000ºC zu erhöhen. Wenn die Temperatur dort 1000ºC erreicht, wird eine Spannung zwischen die Elektroden 12a und 12b angelegt, wobei die Stromquelle 17 gesteuert bzw. geregelt ist, um die Temperatur bei einer Rate von 80ºC/min zu erhöhen, und zwar durch graduelles Erhöhen des elektrischen Stromes. Erwärmung durch den Kohlenstofferwärmer 16 wird fortgeführt, selbst nach dem Beginn der Stromzufuhr zu den Elektroden 12a, 12b. Wenn die Verbindungstemperatur 1500ºC bei einem Strom von etwa 35A erreicht wird, wird dieser Zustand für etwa 5 Minuten aufrechterhalten. Dann wird der elektrische Strom zu den Elektroden 12a, 12b und dem Kohlenstofferwärmer 16 graduell erniedrigt, wodurch die Temperatur auf Raumtemperatur abgesenkt wird, und zwar bei einer Rate von 80ºC/min. Nachfolgend wird der elektrische Strom ausgeschaltet und die Verbindung ist vollendet.
Wenn das resultierende Arbeitsstück demselben Test wie im ersten Beispiel unterworfen wurde, wurde bestätigt, daß die Verbindung eine gute, ohne Brüche bzw. Risse in dem Arbeitsstück, war. Des weiteren, wenn zum Vergleich dieselben Keramikteile 11a, 11b ohne die Verwendung der zweiten Erwärmungseinrichtung verbunden wurden, wurde ein Riß bzw. Bruch erzeugt, wenn die Verbindungstemperatur erhöht wurde, wobei die zwei Keramikteile an dem Bereich des Risses getrennt wurden.
Dementsprechend ist es möglich, die thermische Spannungswirkung auf den Keramikteilen zu steuern, wenn sie verbunden werden, da das Material mit einem niedrigeren Widerstand mit einer geringeren Bildung von Wärme hauptsächlich durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung der zweiten Erwärmungseinrichtung von Beginn an bis zu dem Ende der elektrischen Stromzufuhr zu den Elektroden erwärmt wird. Die Keramikteile werden vor Brechen bzw. Reißen geschützt, und des weiteren kann die maximale Erwärmungstemperatur in dem Keramikteil mit größerem Widerstand gesenkt werden. Des weiteren, da der Abstand zwischen den Elektroden und die Verbindungszeit verkürzt werden können, ist die Leistungsaufnahme bzw. der Leistungsverbrauch und somit die laufenden Kosten reduziert. Das Verfahren ermöglicht das Verbinden von Teilen mit stark unterschiedlichen Widerstandswerten oder mit stark differierenden Querschnittsflächen, und zwar bei einer hohen Temperatur. Ein vorteilhaftes Temperaturprofil wird während der Verbindung erhalten unter Berücksichtigung der Unterschiede der thermischen Eigenschaften, wie z.B. Widerstand und linearer Ausdehnungskoeffizient etc., wodurch effektiv die Restbzw. verbleibende Spannung unterdrückt wird.
In dieser dritten Ausführungsform wurde beschrieben, wie die Hilfserwärmung zuerst durchgeführt wurde durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung und dann zusätzlich unterstützt wurde durch die Direktwiderstandserwärmungseinrichtung auf die Verbindungstemperatur. Jedoch kann das Umschalten bzw. Schalten der zwei Erwärmungseinrichtungen in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, oder beide Erwärmungseinrichtungen können gleichzeitig während der gesamten Erwärmung zu der Verbindungstemperatur verwendet werden.

AUSFÜHRUNGSFORM 4

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine Hochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung als eine Niederwiderstandsmaterial- Erwärmungseinrichtung verwendet, wird nun beschrieben mit Bezugnahme auf die schematische Darstellung in Fig. 5, wo dieselben Teile wie in Fig. 3 durch Bezugsziffern bezeichnet sind, welche erhalten werden durch Addieren von 20 zu den entsprechenden Bezugsziffern von Fig. 3. Eine Induktionsspule 26 der Ausrüstung ist durch eine Quelleneinheit 27 gesteuert. Die Induktionsspule 26 ist aus einem Kupferrohr hergestellt, welches Kühlwasser enthält und ist derart angeordnet, daß sie die Peripherie eines Keramikteiles (Metall) 21b mit niedrigem Widerstand von dem Anstoßbereich umgibt.
Insbesondere ist das zu verbindende Keramikteil 21a eine SiC Keramik von hohem Widerstand (mit einem Widerstand von etwa 10&supmin;¹ Ω.cm) mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm, einem inneren Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 200 mm. Das andere zu verbindende Keramikteil 21b ist eine SiC Keramik mit niedrigem Widerstand (mit einem Widerstand von etwa 10&supmin;³ Ω.cm), mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm, einem inneren Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 200 mm. Das Verbindungsmittel 23 ist eine SiC/Si/C/Bindemittelmixtur. Eine ringförmige Kohlenstoffelektrode 22a ist etwa 50 mm beabstandet von dem Anstoßbereich des Keramikteiles 21a vorgesehen, während eine Kohlenstoffelektrode 22b in derselben Form an einem Ende des Keramikteiles 21b vorgesehen ist. Der Grund, warum die Elektrode 22b an dem Ende des Keramikteiles 21b angeordnet ist, und nicht wie in dem schematischen Diagramm von Fig. 5 gezeigt, ist, daß da fast die gesamte elektrische Leistung, welche durch die Stromzufuhr zu den Elektroden zu verbrauchen ist innerhalb des Hochwiderstandsteiles 21a verlorengeht, wobei die Elektrode 22a so nah als möglich an dem Anstoßbereich angeordnet ist, und die Elektrode 22b des Niederwiderstandsteiles an solch einer Position angeordnet ist, daß die Induktionsspule nicht behindert wird, und daß der Kühleffekt eines Elektrodenwerkzeuges reduziert ist. Es ist nicht nötig zu erwähnen, daß die Elektrode 22b alternativ symmetrisch bezüglich der Elektrode 22a angeordnet werden kann, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn die Direkthochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung verwendet wird, ist es hauptsächlich das Keramikteil 21b mit niedrigerem Widerstand, welches erwärmt wird. Das Temperaturprofil zu dieser Zeit ist durch die Kurve (b) in Fig 6 ausgedrückt. Wenn Erwärmung bzw. Erhitzung nur durch die elektrische Stromzufuhr zu den Elektroden 22a, 22b bewirkt wird, wird die Hitze hauptsächlich in dem Keramikteil 21a mit höherem Widerstand erzeugt. Wenn die Wärmeerzeugung durch beide Erwärmungseinrichtungen kombiniert wird, und die Temperatur auf die Verbindungstemperatur erhöht wird, ist das Temperaturprofil so, wie es durch die Kurve (a) gezeigt ist.
Insbesondere wird der elektrische Strom zuerst von der Quelleneinheit 27 zu der Induktionsspule 26 geliefert, so daß die Erwärmung durch die Hochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung beginnt. Diese Erwärmung durch die Hochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung wird durchgeführt bei einer Temperaturanstiegsrate von etwa 200ºC/min, bis die Temperatur des Anstoßbereiches etwa 1000ºC erreicht. Die maximale Erwärmungstemperatur zu dieser Zeit beträgt etwa 1200ºC an einer Position, welche in etwa 10 - 30 mm innerhalb des Niederwiderstandskeramikteiles 21b von der Anschlußfläche beabstandet ist. In diesem Zustand weisen die Keramikteile 21a, 21b keine Risse bzw. Brüche auf, und zwar nirgends. Nachfolgend, während die Hochfrequenzinduktionserwärmung bei einer festgelegten Rate fortgeführt wird, wird eine Spannung an die Elektroden 22a, 22b angelegt, welche mit der Stromquelle 29 verbunden sind. Erwärmung wird fortgeführt mit einer Temperaturanstiegsrate von etwa 200ºC/min bis der Anstoßbereich etwa 1450ºC erreicht. Nachdem dieser Zustand für etwa 1 Minute aufrechterhalten wurde, wird die Temperatur auf Raumtemperatur abgesenkt, und zwar durch ein Verfahren in umgekehrter Reihenfolge zu dem Erwärmungsverfahren, um das Verbindungsverfahren zu beenden. Wenn der verbundene Körper in einer longitudinalen Richtung geschnitten wird, und die Schnittfläche geschliffen, bzw. geschmirgelt wird, wurde durch optische mikroskopische Inspektion herausgefunden, daß kein Bruch bzw. Riß in irgendeinem Teil des verbundenen Materials vorhanden war. Des weiteren zeigte sich, daß die Verbindung selbst eine feine Lage von etwa 100 um Dicke war.
Zum Vergleich wurden Keramikteile unter denselben Bedingungen verbunden, unter Verwendung lediglich der elektrischen Stromzufuhr zu den Elektroden 22a, 22b, d.h. durch direkte Widerstandserwärmung, welche ohne den Zusatz von Hochfrequenzinduktionserwärmung bewirkt wurde. Als der Anstoßbereich in etwa 1400ºC erreichte, riß bzw. brach das Keramikteil 21a nahe dem Anstoßbereich. Dieser Riß wurde beobachtet durch ein optisches Mikroskop, selbst nachdem das Keramikteil 21 a abgekühlt war. Zusätzlich, wenn die Verbindungstemperatur 1450ºC erreichte, lag die maximale Temperatur des Keramikteiles 21a mit höherem Widerstand bei 1800ºC oder mehr, was eine Ermüdung bzw. Verschlechterung des Materials bedingt durch Sublimation, andeutet. Selbst wenn das Verfahren durchgeführt wird lediglich unter Verwendung der Hochfrequenzinduktionserwärmung, werden Risse bzw. Brüche in ähnlicher Weise beobachtet. Des weiteren wurden zahllose Poren in dem Keramikteil 21b mit geringerem Widerstand gefunden, welche bedingt sind durch die Sublimation eines Teiles des Materials bei der maximalen Erwärmungstemperatur, was zu einer Verschlechterung der Materialstärke führt. Wie hierin zuvor beschrieben, wenn entweder die Direktwiderstandserwärmung oder die Direkthochfrequenzinduktionserwärmung alleine verwendet wird, ist es nicht nur unmöglich, einen gutverbundenen Körper zu erhalten, sondern es resultiert ebenfalls eine Verschlechterung des Materiats.

AUSFÜHRUNGSFORM 5

In dieser Ausführungsform wird zuerst durch eine erste Erwärmungseinrichtung auf ein gewisses Ausmaß direktwiderstandserwärmt, und dann wird Erwärmung durch eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung einer zweiten Erwärmungseinrichtung zugeführt. Die Vorrichtung zum Verfahren gemäß dieser Ausführungsform ist dieselbe wie jene, welche in Fig. 5 für die vorherige Ausführungsform gezeigt ist. Somit wird die Direkthochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung bzw. -induktiverwärmungsausrüstung in dieser Ausführungsform als die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung verwendet. In dem Fall, in welchem die Direktwiderstandserwärmung zuerst durchgeführt wird, da das Keramikteil 21a mit höherem Widerstand hauptsächlich erwärmt wird, ist das Temperaturprofil in diesem Fall entgegengesetzt zu der Kurve (b) von Fig. 6. Wenn Direkthochfrequenzinduktionserwärmung durch die zweite Erwärmungseinrichtung zugeführt wird, wird das Temperaturprofil so, wie es durch die Kurve (a) von Fig. 6 angedeutet ist. Insbesondere wird der Anstoßbereich durch die Direktwiderstandserwärmung der ersten Erwärmungseinrichtung auf etwa 1200ºC erwärmt, und zwar bei einer Temperaturanstiegsrate von etwa 200ºC/min. Zu dieser Zeit wird der mittlere Bereich zwischen der Elektrode 22a an dem Keramikteil 21a mit höherem Widerstand und der Anstoßfläche auf die höchste Temperatur erhitzt, d.h. auf etwa 1500ºC. Brüche bzw. Risse traten in keinem der Keramikteile 21a, 21b auf. Nachfolgend, während die Direktwiderstandserwärmung konstant aufrechterhalten wurde, wurde der Anstoßbereich auf in etwa 1450ºC erwärmt, und zwar durch die zweite Erwärmungseinrichtung durch Direkthochfrequenzinduktionserwärmung mit einer Temperaturanstiegsrate von etwa 200ºC/min. Wenn der Anstoßbereich in etwa 1450ºC erreicht, wird dieser Zustand etwa 1 Minute aufrechterhalten, wonach die Temperatur auf Raumtemperatur abgesenkt wird, und zwar mit Stufen in der umgekehrten Reihenfolge zu jenen in dem Erwärmungsverfahren. Nach dem Prüfen des Ergebnisses des Verbindungsverfahrens durch denselben Test wie in der Ausführungsform 4 wurde vorteilhafte Verbindung bestätigt.

AUSFÜHRUNGSFORM 6

In dieser Ausführungsform werden beide, die erste Erwärmungseinrichtung und eine zweite, Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung von dem Beginn der Erwärmung an zusammen verwendet. Die Vorrichtung, die hier verwendet wird, ist dieselbe, die in Fig. 5 gezeigt ist. Somit wird eine Direkthochfrequenzinduktionserwärmungseinheit als die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendet. Wenn die Materialien bei gleichzeitiger Verwendung der ersten Erwärmungseinrichtung für direkte Widerstandserwärmung und der zweiten Erwärmungseinrichtung für Hochfrequenzinduktionserwärmung verbunden werden sollen, da beide Keramikteile gleichzeitig Wärme in dem ersten Stadium des Erwärmungsverfahrens erzeugen, wird das Temperaturprofil so sein, wie es durch eine Kurve (c) in Fig. 6 gezeigt ist. Dann, wenn die Erwärmung fortschreitet, wird sich das Temperaturprofil zu der Kurve (a) von Fig. 6 verändern. Insbesondere wird die elektrische Leistung der Direktwiderstandserwärmung erhöht bei einer Rate von etwa 200 W/min und zu derselben Zeit wird die elektrische Leistung der Hochfrequenzinduktionserwärmung erhöht bei einer Rate von etwa 500 W/min. Der Anstoßbereich wird auf etwa 1450ºC in etwa 5 Minuten erwärmt. Wenn die Temperatur in etwa 1450ºC erreicht, wird dieser Zustand für etwa 1 Minute aufrechterhalten. Dann wird der Strom bzw. die Leistung von beiden, der Direktwiderstandserwärmung und der Hochfrequenzinduktionserwärmung, gleichzeitig reduziert bei einer Rate, welche gleich der des Erwärmungsverfahrens ist, und zwar bis die Temperatur auf Raumtemperatur abgesenkt ist, wenn das Verbinden beendet ist. Wenn die Verbindungstemperatur in etwa 1450ºC ist, beträgt die maximale Temperatur des Keramikteiles 21a mit höherem Widerstand in etwa 1600ºC. Aus einer ähnlichen Beurteilung wie in der Ausführungsform 4 ist klar, daß der Verbindungskörper keine Brüche bzw. Risse aufweist, wodurch die vorteilhaften Ergebnisse angedeutet sind. Des weiteren ermöglicht die vorliegende Ausführungsform die Reduktion der Verbindungszeit, und zwar um deutlich mehr als in den Ausführungsformen 4 und 5.
Obwohl das Erwärmungsverhältnis der Direktwiderstandserwärmung und der Direkthochfrequenzinduktionserwärmung nicht insbesondere spezifiziert ist, ist die Direktwiderstandserwärmung überlegen bezüglich der Erwärmungseffizienz, und daher ist es vorteilhaft, die Direktwiderstandserwärmung weiterzuverwenden unter dem Gesichtspunkt der Verfahrenskosten. Wenn die zu verbindenden Materialien unterschiedliche lineare Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, und Restspannung ein Problem wird, wenn die Materialien auf Raumtemperatur zurückkehren, ist es wünschenswert, das Leistungsverhältnis der ersten Erwärmungseinrichtung und der Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung derart zu bestimmen, daß das Material mit dem kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten auf eine höhere Temperatur erwärmt wird.
Sowohl in der vorliegenden Ausführungsform 6 als auch in den Ausführungsformen 4 und 5, obwohl die Induktionsspule 26 erhalten ist durch Winden bzw. Wickeln eines Spulenleiters, um einen konstanten Durchmesser aufzuweisen, erzeugt der Abschnitt nahe des Anstoßbereiches die meiste Wärme durch die Induktionserwärmung, wenn die Spule derart aufgewickelt ist, daß sich der Durchmesser der Spule graduell mit dem Abstand von dem Anstoßbereich erhöht, während der Abschnitt, welcher von dem Anstoßbereich weiter entfernt ist, weniger Wärme erzeugt. Daher wird ein moderaterer Temperaturgradient erhalten. Die Form der Induktionsspule ist nicht notwendigerweise zylindrisch wie in den obigen Ausführungsformen, sondern kann jegliche Form der zu verbindenden Teile aufweisen, solange eine gleichförmige Erwärmung entsprechend dieser gewährleistet ist.
Obwohl die Induktionsspule 26 innerhalb der Kammer 25 in den obigen Ausführungsformen 4 - 6 angeordnet ist, kann es möglich sein, eine isolierende Schutzröhre, hergestellt aus Quarz oder ähnlichem, bereitzustellen, und zwar unmittelbar außerhalb der zu verbindenden Teile, um somit die Atmosphäre zu steuern bzw. zu regeln. In solch einem Fall ist die Induktionsspule unmittelbar außerhalb des isolierenden Schutzrohres angeordnet. Dementsprechend ist die relative Position der Induktionsspule bezüglich der zu verbindenden Teile leicht veränderbar, wobei die Erwärmungsposition einfach eingestellt werden kann.

AUSFÜHRUNGSFORM 7

Die Direkthochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung wird als die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung der zweiten Erwärmungseinrichtung in den vorangegangenen Ausführungsformen 4 - 6 verwendet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 7 wird jedoch eine Indirekthochfrequenzinduktionserwärmungseinheit als die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung verwendet. In der Indirekthochfrequenzinduktionserwärmungseinheit wird ein Erwärmungselement durch Hochfrequenzinduktionserwärmung erwärmt und zu verbindende Teile werden indirekt durch dieses Erwärmungselement erwärmt. Fig. 7 deutet eine Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens an. Die Teile in Fig. 7, welche ähnlich zu jenen in Fig. 3 sind, sind durch Bezugszeichen beziffert, welche erhalten werden durch Addieren von 30 zu den entsprechenden Bezugszeichen von Fig. 3. Gemäß der Ausführungsform 7 ist ein zylindrisches Erwärmungselement, welches erwärmt ist durch hochfrequenzelektrische Leistung 36b, um einen schmalen Spalt von dem Keramikteil 31b mit niedrigerem Widerstand beabstandet, wobei ein thermischer Isolator 38 außerhalb des Erwärmungselementes 36b vorgesehen ist, und eine Hochfrequenzinduktionsspule 36a außerhalb des thermischen Isolators 38 gewickelt ist. Die Induktionsspule 36a, das Erwärmungselement 36b und eine Strom- bzw. Leistungsquelle für die Hochfrequenzinduktionserwärmung (nicht gezeigt) bilden eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung 36. Das Steuer-bzw. Regelverfahren, welches unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen 4 - 6 beschrieben wurde, ist ebenfalls auf diese Ausführungsform anwendbar.

AUSFÜHRUNGSFORM 8

Während in den bereits beschriebenen Ausführungsformen zwei Materialien zu verbinden waren, wird folgend ein Beispiel des Verbindens von drei oder mehreren leitfähigen Teilen beschrieben. Wie in Fig. 8 (A) gezeigt ist, ist ein zu verbindendes leitfähiges Teil 1a, welches einen größeren Widerstand als die anderen zu verbindendene Teil 1b1, 1b2 hat, zwischen den Teilen 1b1 und 1b2 angeordnet, wobei Verbindungsmittel 3a, 3b zwei Anstoßbereiche damit bilden. Die Teile 1b1, 1b2 sind jeweils mit Elektroden 2b1, 2b2 bereitgestellt. Eine Stromquelle 7 ist mit den Elektroden 2b1, 2b2 zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden verbunden, zum Bereitstellen einer ersten Erwärmungseinrichtung. Es sind des weiteren zwei Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtungen bereitgestellt zum Erwärmen der Nähe des Anstoßbereiches der Teile 1b1 und 1b2, wobei jede eine Widerstandsofenerwärmungseinrichtung, eine Lampenerwärmungseinheit, eine Lasererwärmungseinheit, eine Gaserwärmungseinheit, eine Hochfrequenzinduktionserwärmungseinheit etc. sein können; wobei diese dargestellt sind als Erwärmungseinrichtungen 26a, 26b und elektrische Stromquellen 27a, 27b.
Mit dem Anlegen einer Spannung an die Elektroden 2b1, 2b2 fließt Strom durch die Teile 1b1, 1a, 1b2 und die Bindemittel bzw. Verbindungsmittel 3a, 3b, wodurch Wärme entsprechend zu dem jeweiligen Widerstandswert erzeugt wird. Wenn der Widerstand des Teiles 1a deutlich größer ist als jener der Teile 1b1, 1b2, weist das Temperaturprofil einen großen Temperaturgradienten in der Nähe der zwei Anstoßbereiche auf, wie es durch eine Kurve (c) von Fig. 8 (B) angedeutet ist. Daher wird der Abschnitt nahe des Anstoßbereiches der Teile 1b1, 1b2 mit niedrigem Widerstand, welche einen kleineren Hitzebetrag erzeugen, wenn durch die erste Erwärmungseinrichtung erwärmt, durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung der weiteren Erwärmungseinrichtung (Kurve (b) von Fig. 8 (B)) erwärmt, wobei die Anstoßbereiche auf die notwendige Verbindungstemperatur erwärmt werden können, während der Temperaturgradient abgeschwächt ist, wie es durch die Kurve (a) gezeigt ist, wodurch Brechen der Teile bedingt durch thermische Spannung, verhindert bzw. gehemmt ist. Die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung kann eine einzelne Einrichtung sein, oder kann ausgelegt sein als zwei unabhängig steuerbare bzw. regelbare Einrichtungen, wie es in Fig. 8 angedeutet ist. Z.B., bei Verwendung der Hochfrequenzinduktionserwärmung, obwohl beide der zu verbindenden Teile 1b1, 1b2 erwärmt werden können durch eine Induktionsspule und eine Stromquelle, ist es möglich, die Teile 1b1, 1b2 mittels jeweils unabhängiger Induktionsspulen zu erwärmen, welche in der Nähe der Anstoßbereiche bereitgestellt sind, d.h. durch zwei separate Hochfrequenzstrom- bzw. Leistungsquellen. Des weiteren ist es ebenfalls möglich, daß eine der ersten Erwärmungseinrichtungen und die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtungzuerst gestartet wird, und daß dann die andere Erwärmungseinrichtung später bei einer bestimmten Temperatur zugeschaltet wird, oder daß beide der Erwärmungseinrichtungen gleichzeitig betätigt werden, um den Anstoßbereich auf die Verbindungstemperatur zu erwärmen.
Wenn die Beziehung der Widerstandswerte der zu verbindenden Teile umgekehrt zu dem vorangegangenen Beispiel ist, ist das Temperaturprofil ebenfalls umgekehrt. In anderen Worten, die Teile 1b1, 1b2 werden durch die Ersterwärmungseinrichtung erwärmt und das Teil 1a an der Mitte wird durch die Niederwiderstandmaterial-Erwärmungseinrichtung erhitzt bzw. erwärmt.
Obwohl die obige Beschreibung den Fall betrifft, in dem drei Teile zu verbinden sind, ist das Konzept in ähnlicher Weise anwendbar auf den Fall, in welchem die Anzahl der zu verbindenden Teil größer ist. In solch einem Fall sollten die Teile mit geringerem Widerstand, welche weniger Wärme durch die erste Erwärmungseinrichtung (Direktwiderstandserwärmung) erzeugen, durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung der zweiten Erwärmungseinrichtung erwärmt werden. Obwohl die Elektroden als die erste Erwärmungseinrichtung nur für die Teile 1b1, 1b2 in der vorangegangenen Ausführungsform vorgesehen sind, und eine Stromquelle zum Erwärmen der Teile verwendet wird, können die Elektroden natürlich an einer Seite von jedem Anstoßbereich vorgesehen sein und gesteuert bzw. geregelt sein durch zwei separate Stromquellen. D.h., daß das oben beschriebene modifizierte Verfahren an zwei Punkten durchgeführt wird. Fig. 9 zeigt ein Beispiel, welches als eine Stromquelle ein Einphasendreidraht- bzw. -dreipolsystem für die Direktwiderstandserwärmung als die erste Erwärmungseinrichtung verwendet. Eine Elektrode 2b3 ist zusätzlich für das zu verbindende leitfähige Material 1a vorgesehen. Die Stromquelle des Einphasen dreidrahtsystems 71 ist angeschlossen zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 2b1 und 2b3, und ebenfalls zwischen 2b2 und 2b3. Die Elektroden 2b1, 2b2 sind jeweils mit Endflächen der Teile 1b1, 1b2 in Kontakt gepreßt. Die anderen dargestellten Elemente sind in ähnlicher Weise zu den vorangegangenen Ausführungsformen zum Verbinden von Teilen angeordnet. Die zwei Anstoßbereiche können gleichzeitig erwärmt und verbunden werden in der Ausführungsform von Fig. 9.
Fig. 10 ist ein Beispiel, in welchem eine Mehrphasenstromquelle, z.B. eine Dreiphasenstromquelle verwendet wird. In Fig. 10 sind zwei zu verbindende Teile 1b1, 1b3 und zwei zu verbindende leitfähige Teile 1b2, 1b4 mit einem größeren Widerstand als die Teile 1b1, 1b3, anstoßend miteinander angeordnet, und zwar durch die Verbindungs- bzw. Bindemittel 3a, 3b, 3c, wodurch Anstoßbereiche gebildet sind. Die Teile 1b1, 1b2, 1b3, 1b4 sind mit jeweiligen Elektroden 2b1, 2b2, 2b3, 2b4 bereitgestellt, an welche die Dreiphasenstromquelle 72 zum Anlegen einer Spannung angeschlossen ist. Zum Erwärmen der Nähe der Anstoßbereiche der Teile 1b1 und 1b3 mit niedrigem Widerstand sind Erwärmungseinheiten 26a, 26b, 26c vorgesehen.
Die anderen Elemente der Vorrichtung sind ähnlich zu dem Fall angeordnet, in dem zwei Teile zu verbinden sind, wie in den vorangegangenen Ausführungsformen. Die drei Anstoßbereiche können in dieser Ausführungsform gleichzeitig erwärmt und verbunden werden.
Die in den Ausführungsformen 2, 3, 7 beschriebene Niederwiderstandsmaterial- Erwärmungseinrichtung weist eine unvorteilhaft niedrige Erwärmungseffizienz auf, da ihre Hitze sich indirekt entfernt. Daher ist es wünschenswert bezüglich der Kosten des Verbindungsverfahrens, daß die Erwärmung durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung auf das benötigte beschränkt wird, um die Bildung von Rissen zu verhindern, welche aus der thermischen Spannung resultieren, und stattdessen die Erwärmung durch die erste Erwärmungseinrichtung zu erhöhen, welche mit direkter Widerstandserwärmung arbeitet, welche eine gute Effizienz bzw. einen guten Wirkungsgrad aufweist. Jedoch, wenn keine Unterschiede in den linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien bestehen, obwohl die Widerstände unterschiedlich sind, sollten, da es von dem Gesichtspunkt der Rest- bzw. verbleibenden Spannung bevorzugt ist, wenn die Temperatur auf Raumtemperatur zurückgeführt wird, die Temperaturprofile ähnlich an beiden Seiten der Anstoßebene ein, wenn das Bindemittel eingesetzt ist, und die zweite Erwärmungseinrichtung sollte deutlich mehr verwendet werden, um die Temperaturverteilung gering zu halten. Wenn der lineare Ausdehungskoeffizient ebenfalls unterschiedlich ist zwischen den zu verbindenden Materialien, ist es vorteilhaft bezüglich des Gesichtspunktes der Restspannung, daß ein gewisser Anteil des Temperaturgradienten erzeugt wird. In anderen Worten kann die Rest-bzw. verbleibende Spannung erniedrigt werden durch Absenken der Temperatur des Materials mit dem höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten. Daher sollte die Erwärmung durch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung in geeigneter Weise ausgewählt sein, abhängig von den Unterschieden der physikalischen Eigenschaften der zu verbindenden Materialien und der thermischen Effekte bzw. Wirkungen, z.B. Wärmeleckage zu den Elektroden oder zu Halteeinrichtungen in der Umgebung der zu verbindenden Materialien.
Da die Leckage eines großen Betrages von Wärme zu der Elektrode und/oder der Halteeinrichtung von dem zu verbindenden Teil einen Temperaturgradienten in den obigen Ausführungsformen 2 - 8 erzeugt, und dieser Temperaturgradient problematisch ist, ist es notwendig, die Wärmekapazität der Elektrode und/oder Halteeinrichtung soweit wie möglich zu reduzieren, oder die Wärmeleckage durch Wärmeisolation oder ähnliches zu verhindern bzw. zu hemmen oder sowohl die Elektrodenerwärmungseinrichtung der zweiten Erwärmungseinrichtung, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, als auch die Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung zu verwenden.
Obwohl die zu verbindenden Materialien in den vorangegangenen Ausführungsformen befestigt sind, können sie gedreht werden, um gleichförmig in der umfänglichen Richtung erwärmt zu werden. Des weiteren kann eine Temperaturmessung bzw. -aufzeichnung während des Abkühlverfahrens in derselben Weise vorhanden sein, wie sie während des Erwärmungsverfahrens in den Ausführungsformen 4 - 6 beschrieben wurde, jedoch ist dort ein anderes Verfahren ebenfalls möglich.
Das Temperaturprofil zu jedem Zeitpunkt während dem Erwärmungs- und dem Abkühlverfahren in den Ausführungsformen 1 - 8 sollte derart sein, daß die thermische Spannung in jedem Teil nicht größer als die Bruchspannung ist. Da sich ein solches Temperaturprofil abhängig von der Form, der Größe, dem Unterschied der Widerstandswerte, den thermischen Eigenschaften und der Stärke der zu verbindenden Teile stark verändern kann, sollte die optimale Position und Größe der Erwärmungselemente der zweiten Erwärmungseinrichtung, d.h. der Elektroden und Induktionsspulen etc. für die Art der zu verbindenden Teile ausgewählt sein. Zu derselben Zeit sollten die durch die erste und die weitere Erwärmungseinrichtung zuzuführende elektrische Leistung, die Zuführrate an Leistung bzw. Strom und die Veränderungsrate der Temperatur, etc. vorangehend bestimmt sein, und zwar basierend auf vorangegangenen Experimenten oder ähnlichem.
Obwohl die elektrisch leitfähige Keramik in den vorangegangenen Ausführungsformen SiC Keramik ist, ist es möglich, andere Arten von elektrisch leitfähigen Keramiken zu verbinden, z.B. Karbide wie ZrC, TiC, Nitride wie ZrN, TiN, Boride wie ZrB&sub2;, TiB&sub2;, Silizide wie MoSi&sub2; oder zusammengesetzte Keramiken wie Si&sub3;N&sub4;, Al&sub2;O&sub3;, umfassend die obigen elektrisch leitfähigen Keramiken oder zusammengesetzte Materialien mit metallähnlichem Material, unter der Verwendung der vorliegenden Erfindung.
Des weiteren, obwohl nur Keramikmaterialien in den bisher beschriebenen Ausführungsformen miteinander verbunden wurden, ist es klar, daß die vorliegende Erfindung auf das Verbinden eines Keramikteiles mit einem metallischen Teil anwendbar ist. D.h., da der Widerstand des metallischen Materials generell kleiner ist als der des elektrisch leitfähigen Keramikmaterials, kann der Niederwiderstandsteil in den Ausführungsformen 2 - 8 beim Verwenden der vorliegenden Erfindung durch den metallischen Teil ersetzt werden. In diesem Fall kann eine aktive Metallötlegierung oder ähnliches als Bindemittel verwendet werden. Wenn die Restspannung, welche durch den Unterschied des linearen Ausdehnungskoeffizienten bedingt ist, berücksichtigt werden soll, sollte das Temperaturprofil eingestellt sein, wobei ein Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von mittlerem Wert oder ein Weichmetall, z.B. Cu, Ni oder ähnliches in den Anstoßbereich zum Reduzieren der Spannung eingeführt sein sollte.
Die Quellen der ersten Erwärmungseinrichtung (7, 17, 29, 71, 72 etc.) und die Stromquellen der Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung (27a, 27b, 27 etc.) können unabhängig oder abhängig voneinander gesteuert bzw. geregelt werden. Des weiteren können diese Stromquellen manuell gesteuert oder automatisch gesteuert sein, gemäß den zuvor eingegebenen Daten. Des weiteren kann ein Temperatursensor (nicht gezeigt) zum Erfassen der Temperatur des Anstoßbereiches und/oder des Teiles nahe des Anstoßbereiches bereitgestellt sein, so daß das Signal zurückgespeist bzw. rückgekoppelt wird zu den Quellen zum Steuern bzw. Regeln der Erwärmungsrate.
In den obigen Ausführungsformen sind das Bindemittel und die Elektroden aus Material mit niedrigem Widerstand gegen Oxidation hergestellt, und daher ist es nötig, eine inerte Atmosphäre oder ein Vakuum für den Verbindungsbetrieb bereitzustellen. Daher können die Kammern (5, 15, 25, 35) luftdicht hergestellt sein. Jedoch, anstelle einer luftdichten Kammer kann ein Durchfluß von Gas vorgesehen sein. Wenn Bindemittel und Elektroden, wenn sie in einer sauerstoffreichen Atmosphäre verwendbar sind, verwendet werden, z.B. Oxidlöser oder ähnliches, ist es nicht nötig, luftdichte Kammern zu verwenden.
Generell, da das Erwärmen nur durch Direktwiderstandserwärmung oder Direkthochfrequenzinduktionserwärmung erhalten wird, ist die thermische Spannung, welche an dem Material in der Nähe der Elektrode oder des Antoßbereiches erzeugt wird, abgeschwächt, um somit das Brechen der zu verbindenden Keramikteile zu verhindern, und um effektiv einen zusammengesetzten Körper mit hohen hitzebeständigen Eigenschaften zu erhalten.
Eine Auslegung ist derart, daß ein Teil oder das Gesamte einer Elektrode Wärme erzeugt von dem Beginn der elektrischen Stromzufuhr an durch die Elektrodenerwärmungseinrichtung der zweiten weiteren Erwärmungseinrichtung, so daß die thermische Spannung, welche an dem Material in der Nähe der Elektrode während der Verbindung erzeugt wird, abgeschwächt ist, ist hilfreich beim Hemmen bzw. Verhindern des Brechens von zu verbindenden Keramikteilen, während die Betriebskosten bezüglich des elektrischen Strom- bzw. Leistungsverbrauches reduziert werden, und zwar bedingt durch den Abstand zwischen den Elektroden, wobei die Verbindungszeit reduziert werden kann.
Beim Verbinden leitfähiger Teile mit unterschiedlichen Widerstandswerten unter Verwendung sowohl der ersten Erwärmungseinrichtung als auch der Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung der zweiten oder weiteren Erwärmungseinrichtung, und zwar zum Erhöhen der Temperatur des Anstoßbereiches auf die Verbindungstemperatur, kann die thermische Spannung, welche an den Materialien erzeugt wird, reduziert werden auf weniger als die Bruchspannung unter Berücksichtigung des Temperaturgradienten der Teile in der Nähe des Anstoßbereiches, welcher geschwächt ist, wodurch die Bildung von Brüchen bzw. Rissen resultierend aus einem großen Temperaturgradienten vermieden werden. Da die Wärme von den zwei Erwärmungseinrichtungen kombiniert wird zum Erreichen der Verbindungstemperatur, im Vergleich mit dem Fall, bei welchem die Verbindungstemperatur durch nur eine einzelne Erwärmungseinrichtung erzeugt wird, ist es möglich, weniger Wärme von den zwei Erwärmungseinrichtungen zu jedem Teil zuzuführen. Eine gewünschte Verbindungstemperatur wird erreicht, während die maximale Erwärmungstemperatur von jedem Teil beschränkt ist. Des weiteren kann die Verschlechterung bzw. Ermüdung der zu verbindenden Keramikmaterialien als eine Konsequenz der Überhitzung vermieden werden.
Die Erfindung ist generell anwendbar auf jede Differenz von thermischen Eigenschaften oder Form und Größe der zu verbindenden Teile. Des weiteren, wenn die zwei Erwärmungseinrichtungen konkurrierend verwendet werden, wird die Erwärmung mit gutem Wirkungsgrad bzw. guter Effizienz in einer kurzen Zeit durchgeführt. Wenn die Direkthochfrequenzinduktionserwärmungsausrüstung als eine Niederwiderstandsmaterial-Erwärmungseinrichtung verwendet wird, ist es möglich, direkt den Teil mit dem niedrigeren Widerstand zu erwärmen. Dem entsprechend wird die Erwärmung insbesondere effektiv durchgeführt, wobei die Betriebskosten reduziert sind.

Claims

1. Elektrisches Verbindungsverfahren zum aneinanderstoßenden Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem weiteren solchen Element oder einem Metallelement, welches die Schritte umfaßt:

Aufbringen von Druck zum Zusammenhalten der Elemente in einem Anstoßbereich, wo die anstoßende Verbindung stattfinden soll;

Anordnen eines Paares von Elektroden in Kontakt mit den zu verbindenden Elementen und mit dem Anstoßbereich dazwischen, wobei ein Verbindungsmittel zwischen den Teilen an dem Bereich zwischengelagert ist;

Erwärmen der Elemente zwischen den Elektroden durch den Joule-Effekt, und zwar durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden;

Bewirken weiterer Erwärmung einer Zone oder Zonen von den Elementen zum Reduzieren eines Temperaturgradienten, welcher durch die Joule-Effekterwärmung gebildet ist, um somit die thermische Spannung in den Elementen niedriger zu halten als die Bruchspannung der Elemente; und

Erhöhen der Temperatur von dem Anstoßbereich auf eine Temperatur, bei welcher die zwei Elemente verbunden werden können, während sowohl die Joule-Effekterwärmung und die weitere Erwärmung bewirkt werden.

2. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die weitere Erwärmung auf einen Teil oder die Gesamtheit eines Paares von den Elektroden bewirkt wird, wodurch der Temperaturgradient in den Elementen in den Bereichen reduziert wird, wo die Elektroden montiert werden.

3. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 2, bei welchem die Elektrodenerwärmung durchgeführt wird durch Erhöhen des elektrischen Widerstandes der Elektroden.

4. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem, wenn zumindest eines der zu verbindenden Elemente einen unterschiedlichen Widerstand von dem anderen Element oder Elementen hat, die weitere Erwärmung bewirkt wird, um hauptsächlich das Element mit niedrigerem Widerstand der zu verbindenden Elemente zu erwärmen, wodurch der Temperaturgradient, welcher in der Nähe des Anstoßbereiches gebildet ist, reduziert wird.

5. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 4, bei welchem entweder die Elektroden oder die Erwärmungseinrichtung aus Material mit niedrigem Widerstand zum Erwärmen verwendet wird, bis die Temperatur des Anstoßbereiches eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wonach sowohl die Elektroden als auch die Erwärmungseinrichtung aus Material mit niedrigem Widerstand zusammen verwendet werden.

6. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß Anspruch 4, bei welchem sowohl die Elektroden als auch die Erwärmungseinrichtung aus Material mit niedrigem Widerstand für den Beginn der elektrischen Stromzufuhr verwendet werden.

7. Elektrisches Verbindungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welchem die Erwärmungseinrichtung aus Material mit niedrigem Widerstand eine Hochfrequenzinduktiv-Erwärmungsvorrichtung ist.

8. Vorrichtung zum anstoßenden Verbinden eines elektrisch leitfähigen Keramikelementes mit einem weiteren solchen Element oder einem Metallelement, umfassend:

eine Einrichtung zum Halten der Elemente zusammen unter Druck an einem Anstoßbereich, bei welchem die anstoßende Verbindung durchgeführt werden soll;

eine erste Erwärmungseinrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Elemente, umfassend ein Paar von Elektroden zum Eingriff mit den Elementen an entgegengesetzten Seiten des Anstoßbereiches, um somit die Elemente zwischen den Elektroden zu erwärmen;

eine Einrichtung zum Bewirken weiterer Erwärmung einer Zone oder Zonen von den Elementen zum Reduzieren eines oder mehrerer Temperaturgradienten, welcher durch die Joule-Effekterwärmung gebildet worden ist; und

wobei die erste Erwärmungseinrichtung und die weitere Erwärmungseinrichtung angeordnet sind, um zusammen an den Elementen betätigbar zu sein.