EP4499341A1 - Hochtemperatur-fügeofen - Google Patents

Hochtemperatur-fügeofen

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Publication number
EP4499341A1
EP4499341A1 EP23715744.1A EP23715744A EP4499341A1 EP 4499341 A1 EP4499341 A1 EP 4499341A1 EP 23715744 A EP23715744 A EP 23715744A EP 4499341 A1 EP4499341 A1 EP 4499341A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
press plate
workpiece
press
pressing
heating device
Prior art date
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Pending
Application number
EP23715744.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Broich
Jörg WINHAUER
Alexander TERWEY
Peter Schlecht
Jürgen Naumann
Stefan Eich
Paul JANEK
Felix GEMSE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pva Industrial Vacuum Systems GmbH
Original Assignee
Pva Industrial Vacuum Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pva Industrial Vacuum Systems GmbH filed Critical Pva Industrial Vacuum Systems GmbH
Publication of EP4499341A1 publication Critical patent/EP4499341A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/26—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/18—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools
    • B29C65/24—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools characterised by the means for heating the tool
    • B29C65/26—Hot fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C65/18—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools
    • B29C65/24—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using heated tools characterised by the means for heating the tool
    • B29C65/30—Electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/02—Dies; Inserts therefor; Mounting thereof; Moulds
    • B30B15/026—Mounting of dies, platens or press rams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/06—Platens or press rams
    • B30B15/062—Press plates
    • B30B15/064—Press plates with heating or cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible

Definitions

  • the present invention relates to a high-temperature joining furnace, a method for diffusion welding and a heatable press plate.
  • a metal workpiece can be diffusion welded if it is joined under pressure by a press at high temperature.
  • the process of diffusion welding is a complex process that depends on various influences and does not necessarily lead to a comparable or at least satisfactory result, even under the same process conditions.
  • the deformation of the workpiece must be taken into account.
  • the workpiece to be joined has cooling channels or other bores or openings in its interior, the pressing force exerted on the workpiece can deviate locally, so that overall a different deformation results in comparison to a solid body whose dimensions are identical.
  • the history of the materials to be joined can also be important with regard to the joining result; in particular, the grain sizes in the metal composite and the manufacturing process of the respective metal layers, for example by rolling, can be relevant. Even if different materials for different workpieces should basically be described as identical, i.e. manufactured using the same manufacturing process, pretreated to the same temperatures, so that similar grain sizes in the material should be assumed, differences between materials must also be taken into account. This also applies when workpieces are prepared or cut from the same piece of raw material. This can be even more difficult for certain materials and/or combinations of materials.
  • a particular challenge when operating a diffusion welding system is to obtain a uniform joining result across the component.
  • various process parameters can also be checked to see whether the process conditions can be further improved in order to further improve the uniform joining result across the component to be joined, or even to make them satisfactorily available in the first place.
  • a further improved joining result can expand the range of applications for other materials that cannot be processed or can only be processed inadequately with the existing systems. More complicated construction shapes can be joined using materials that are already joinable. This can also help reduce manufacturing downtime.
  • the invention has set itself the task of further homogenizing the joining result over a component to be joined.
  • the task is also to be able to join new materials or more complex designs using diffusion welding, which previously could not be processed or only insufficiently processed using this process.
  • the invention has set itself the task of enabling operation at lower temperatures in order to be able to join materials that would become too hot in conventional joining processes and would therefore deform too much.
  • the task is to further accelerate the process flow in order to reduce operating costs and increase the component throughput.
  • a workpiece or batch is deformed in a controlled manner. Possibly existing pores in the joining material, recesses inside the workpiece, the number and size of the joining surfaces and also the history of the joining material are variables that can influence the process flow.
  • force is applied to the workpiece or batch by a press, the material contact on the joining surfaces is improved. In this way, an inherent interdiffusion can be created or brought about.
  • pressing the contact surface is enlarged in the area of the joining surface(s).
  • Joining materials can be metals and include metallic workpieces.
  • Metals can be any metal-containing materials or substances. For example, this includes metals such as iron, copper, aluminum, titanium, but also alloys such as stainless steel or stainless steel, tool steels, superalloys, bronze, tin or others.
  • Joining materials can also be non-metals or composite materials. Examples of non-metals include plastics or ceramics. Examples of composite materials include ceramic composite with aluminum or copper or the like.
  • the high-temperature joining furnace can also be prepared for power-assisted soldering or sintering of components. Overall, the high-temperature joining furnace is therefore prepared for material refinement subjected to pressure force with or without additional material.
  • the high-temperature joining furnace includes a heating room.
  • the workpiece and usually also the interior of the furnace, is heated to the processing temperature.
  • a workpiece holder is arranged in the heating room to hold a workpiece to be processed in the joining furnace.
  • the workpiece holder is arranged on the underside of the heating chamber.
  • the workpiece holder can include a plate, but also holders into which the workpieces to be joined are to be inserted.
  • the workpiece holder can be part of a counter-pressing element or can be arranged on it.
  • the workpiece holder can be a passive counterpart for a pressing device or can itself be subjected to a pressing force from the underside of the workpiece holder and thus represent a counter-pressing element.
  • the joining furnace further comprises the pressing device, which is arranged and prepared to apply a pressing force to the workpiece.
  • the pressing device is arranged in such a way that an upper part, such as a press stamp, presses against the workpiece from above, with the workpiece being pressed against the workpiece holder or against the counter-pressing element. In other words, the workpiece is clamped between the upper part or press ram and counter-pressing element or workpiece holder.
  • the upper part includes a press plate, by means of which the pressing force can be distributed and applied evenly over a surface, so that the workpiece is pressed evenly.
  • the press plate can have a flat surface so that the workpiece can be subjected to a uniform pressing force across the surface of the press plate.
  • the press plate can also have recesses, projections or steps in order to allow the press plate to be formed onto a desired surface of the workpiece or workpieces to exhibit or effect.
  • the press plate could therefore be generally described as a “press element”.
  • the term “press plate” is used herein because this term appears common to those skilled in the art in the light of the present description.
  • the press plate is equipped with a press plate heating device for heating the press plate and/or the workpiece.
  • the press plate is in particular a pressure distribution plate, since it distributes the pressing force generated by the pressing device and applied to the workpiece over the surface of the workpiece.
  • the press plate heating device By means of the press plate heating device, the press plate can be heated or heated as evenly and homogeneously as possible across its surface. This also enables homogeneous heat release via the press plate, so that the workpiece can also be heated evenly.
  • the workpiece can now be heated conductively by means of the press plate heating device, which may enable a significantly faster heat transfer into the workpiece and, moreover, a more uniform heat input over the surface of the workpiece.
  • the use of the press plate heating device enables the use of materials that require a significantly lower processing temperature, at which radiant heat may not be able to transport sufficient heat output into the workpiece, so that a uniform temperature distribution in the workpiece may not be possible using radiant heat alone.
  • the press plate heating device according to the invention thus opens up the use of new materials as workpieces that were previously not available for diffusion welding.
  • the press plate heating device can preferably be integrated into the press plate, i.e., if necessary, be completely integrated.
  • a heat supply can be brought to or connected to the press plate from outside and supply the press plate heating device with heat. If the press plate heating device is integrated into the press plate, the most seamless, i.e. conductive, heat transfer into the press plate is improved.
  • the press plate can be a multi-part press plate.
  • a workpiece-side layer and a press-side layer can be included; the press plate heating device can preferably be arranged between the workpiece-side layer and the press-side layer of the press plate.
  • the joining oven can have flexible connection connectors for connecting the press plate heating device to an energy source.
  • the flexible terminal connectors may comprise a metal strip material, such as a copper strip, which can compensate for movements, shocks or vibrations while maintaining electrical contact.
  • the press plate heating device provides a conductive heat release for the press plate, so it is a conductive press plate heating device.
  • the press plate heating device is designed to be electrically operable, so that it emits heat when it is supplied with electrical power from the energy source.
  • the press plate heating device can be designed to allow fluid to flow through it, so that it emits heat when a hot fluid is applied to it from the energy source.
  • the press plate can be arranged to be movable or movable, for example the press plate is displaced by one or more press rams, the press ram(s) being set in motion by one or more press cylinders.
  • the press plate is displaced by one or more press rams, the press ram(s) being set in motion by one or more press cylinders.
  • the pressing device can also be arranged so that it presses onto the workpiece from below, for example by providing a movable workpiece holder and moving the workpiece upwards on the workpiece holder, for example.
  • a first and second press plate can be provided for application of force on both sides, for example an upper and a lower press plate or a left and a right press plate.
  • a part that functions like a press punch is typically used, which can be subjected to a force from the outside, and a counter-pressing element that counteracts the pressing force. The workpiece is clamped between the press punch and the counter-pressing element and is joined or deformed there.
  • the joining furnace can include a wall-side heating device or furnace heating device in the furnace chamber.
  • the wall-side heating device can be designed to heat the workpiece by means of thermal radiation. Since a low pressure, i.e. the highest possible vacuum, is typically set in the furnace chamber, there is practically no convection in the furnace chamber, so that a wall-side heating device can essentially transmit radiant power.
  • the wall-side heating device can, if necessary, compensate for heat losses that result from the workpiece arranged in the furnace chamber continuously releasing a quantity of heat through radiant heat.
  • the wall-side heating device can therefore be used to provide support in order to further homogenize the temperature distribution in the workpiece.
  • the oven heating device can also be provided solely to emit radiant heat into the oven space.
  • the two heating devices - that is, the press plate heating device and the oven heating device - can complement each other in that the oven heating device compensates for the radiation of heat away from the workpiece by radiating radiant heat into the workpiece. In this case, any cold spots that may occur on the workpiece can be avoided, particularly on the side edges.
  • the oven heating device may, however, be unnecessary, since the press plate heating device is able to provide an advantageously uniform heat output across the surface of the workpiece in a conductive manner.
  • a sensor device can be provided in the joining furnace, which provides at least one sensor signal.
  • the sensor device can detect the position or extended length of the press ram, or the position of the press plate.
  • the sensor signal can be transferred to or processed by a control device, which is set up to control at least the pressing device in response to the at least one sensor signal.
  • the sensor device of the joining furnace can detect a process parameter.
  • a process parameter can be the thickness of the workpiece, the position of a pressure stamp or press ram of the pressing device.
  • a process parameter can also be the applied pressing force, a hydraulic pressure or a distance of the pressing device.
  • a sensor signal can subsequently be generated from the value base recorded by the sensor device, i.e. one of the process parameters mentioned.
  • Several sensor devices can be provided in order to simultaneously record different process parameters.
  • a further sensor device can detect one or more process parameters at the same time as the first sensor device and thus generate at least one or more further sensor signals. To control the joining process or the joining oven, the one or more sensor signals can be processed, so that different process parameters may be taken into account in the control.
  • the pressing device can comprise a hydraulic device, wherein the pressing force is built up by building up hydraulic pressure.
  • the pressing device can also include an electrospindle, which generates a feed, for example through rotation, and thereby applies the pressing force to the workpiece.
  • the joining furnace can include an input device for entering process parameter specifications.
  • the input device can be, for example, a user-operable terminal.
  • Process parameter specifications that can be stored before the joining process begins include, for example, the desired process temperature, the process time, the materials of the workpiece, parameters or further data on the underlying material and the number and/or amounts of the joining surface or joining surfaces of the workpiece.
  • the workpiece can consist of a plurality of layers of different materials, for example at least two different materials, which are stacked on top of each other, with each surface to be joined between two different materials being described as a joining surface.
  • a plate-like workpiece which, for example, comprises 25 layers, 24 joining surfaces are arranged in the workpiece.
  • Information about cavities in the workpiece can also be taken into account when specifying process parameters.
  • the joining oven can further comprise an output device, in particular for displaying or selecting process parameters and/or a control program. For example, information about which process step the joining oven is currently in can be output on the output device.
  • the pressing device can comprise a press stamp with which the pressing force is transmitted, and/or it can comprise a press plate with which the pressing force is applied to the workpiece.
  • the pressing device can comprise a pressing cylinder.
  • the press ram can be connected to the press cylinder, so that the press cylinder acts on the press ram with the pressing force and sets the press ram in the direction of the workpiece.
  • the pressing device can optionally comprise several pressing cylinders, in particular 2, 3 or 4 pressing cylinders.
  • press stamps which act together on the workpiece, in particular via the press plate, which is subjected to pressing force by the two or more press stamps as homogeneously or evenly distributed over the surface as possible.
  • the multiple press punches can be arranged next to one another so that an array of press punches acts on the press plate.
  • the aim is to distribute the pressing force as homogeneously as possible on the workpiece to be joined, because the pressing force that is necessary for joining can otherwise deform the press plate or the pressing element, so that the workpiece to be joined is not subjected to pressing force evenly.
  • the high-temperature joining furnace may include a housing.
  • heating device, heating chamber, workpiece holder and/or pressing device can be accommodated in the housing.
  • the pressing device can be arranged on the housing by means of a press holder and/or can be supported on the housing.
  • the press holder is attached to the housing or lies against the housing, so that the press cylinder connected to the press holder can be supported against the housing of the high-temperature joining furnace.
  • the housing can have a support or holding structure such as a support frame or support cage.
  • the support or holding structure can be a component separate from the housing, or can be formed integrally with the housing.
  • the support or holding structure and/or the press holder can be designed to be movable and/or deformable.
  • the pressing device can counter-support itself against the press holder and thereby shift and/or deform the press holder, for example by deforming the supporting or holding structure.
  • a storage force can be absorbed between the press holder and the pressing device, in particular the press cylinder with press ram, similar to the preload of a spring, so that the pressing effect on the workpiece can be increased evenly or more gently, particularly when the pressing force is increased.
  • the pressing device Due to the movable and/or deformable design of the press holder or the support or holding structure, the pressing device can be prepared, in which the pressing device is prepared into a starting position in which a pre-pressing force is already applied to the workpiece.
  • the joining furnace can be prepared in such a way that a lateral displacement and/or deformation of the press holder takes place by applying the pressure force to the workpiece by the pressing device.
  • applying the compressive force to the press holder which acts as an abutment for the press, produces the lateral displacement and/or deformation of the press holder.
  • a spring effect is created between the press holder and the pressing device or between the press holder, press cylinder and press ram.
  • the pressing device can be prepared in such a way that a preload force can be built up between the pressing punch and the housing during a pressing process or when a pressing force is built up.
  • a preload force can be built up between the pressing punch and the housing during a pressing process or when a pressing force is built up.
  • the presence of one Preloading force in the pressing device allows finer dosing and thus more precise detection and/or tracking of the stamp position during the pressing process. Furthermore, building up the preload force allows pressure corrections or pressing force corrections to be set or metered more precisely.
  • the press holder can be displaced or deformed by more than 1 mm when a compressive force is applied, in particular more than 3 mm, more particularly more than 5 mm, or even more than 10 mm.
  • a type of “spring accumulator” can be formed here, i.e. a preload force.
  • the press holder can also be displaced or deformed by less than 3 mm, preferably less than 6 mm, more preferably less than 12 mm when a compressive force is applied; Minimum and maximum deflection specifications can be combined as an interval, for example more than 3 mm and less than 6 mm as “in the range between 3 to 6 mm”.
  • the sensor device can be prepared to detect the position of the pressure stamp.
  • the sensor device can also be designed to detect the pressing force applied to the workpiece.
  • the control device can be set up to determine a pressing force required for the inserted workpiece for a joining process by detecting and evaluating the sensor signal(s). Furthermore, the control device can automatically control the pressing device based on the determined required pressing force. In other words, the control device controls the pressing device taking into account the detected or evaluated sensor signals.
  • the control device can optionally also regulate or control the heating device, so that different temperatures can be maintained in the heating chamber at different times during the joining process.
  • the joining oven can have a filling and removal opening.
  • the filling and removal opening is connected to a safety circuit that detects the state of the opening.
  • the workpiece holder can advantageously serve as a counter-pressing element for the pressing device.
  • the pressing device can therefore press the workpiece against the workpiece holder, so that the workpiece is clamped between the pressing device and the workpiece holder.
  • the control device can provide at least one selectable control program.
  • the selectable control program can preselect basic parameters, for example a typical compressive force that is often applicable for a specific material combination, or a minimum pressing tension with which the joining process can begin.
  • the selectable control program may include a pretreatment program and/or a press execution program.
  • the control devices are preferably designed to adapt a selected control program in response to at least one sensor signal, especially during the execution of the control program.
  • the control program can be adapted in such a way that process parameters, such as in particular the pressing force, temperature and/or distance of the pressing device, are changed or influenced during the joining process.
  • the at least one control program can be stored in a program memory of the high-temperature joining furnace.
  • the control device can include a programmable logic controller.
  • the joining furnace is preferably prepared to carry out joining processes, for example in the case of metals or metallic workpieces, at temperatures of 1200 ° C or lower, preferably 1000 ° C or lower, more preferably 950 ° C or lower.
  • This means that the high-temperature joining furnace is able to carry out diffusion welding processes at lower temperatures than previously known for metals or metallic workpieces and thus to introduce new materials into diffusion welding that previously could not be processed using this process.
  • the time required to introduce enough radiation energy into the workpiece to be processed is, on the one hand, but on the other hand, it may even be that irradiation and radiation are in balance or that a homogeneous temperature distribution could not be achieved inside the workpiece.
  • the joining oven can also be prepared to carry out joining processes at temperatures of 450 ° C or higher, for example 500 ° C or higher, preferably 550 ° C or higher and more preferably 600 ° C or higher.
  • the joining furnace can also be prepared to carry out joining processes, for example in the case of non-metals such as plastics, ceramics or corresponding workpieces, at temperatures of 350 ° C or lower, preferably 300 ° C or lower, more preferably 250 ° C or lower, or even at 200 °C or lower. This temperature range also opens up access to new materials for the diffusion welding process.
  • the joining oven can also be prepared to carry out joining processes at temperatures of 80 ° C or higher, for example 100 ° C or higher, preferably 120 ° C or higher and more preferably 140 ° C or higher.
  • the invention further describes a method for diffusion welding in a high-temperature joining furnace, in particular as described above.
  • the diffusion welding process includes the steps: filling the joining furnace with a workpiece; Applying at least one press plate of a pressing device to the workpiece; Heating the workpiece predominantly to a joining temperature using a press plate heating device; Pressing the workpiece with a pressing device for carrying out in particular the diffusion welding process.
  • the method can be further developed by the step: during pressing, tempering or heating the press plate by means of the press plate heating device to homogenize the temperature distribution in the workpiece.
  • the method can be formed by the step: during pressing, detecting or determining the pressing force required for the joining process, in particular with an automatic control device such as a programmable logic controller (PLC); and controlling the pressing device in response to the recorded or determined pressing force required for the joining process.
  • PLC programmable logic controller
  • the required pressing force can be determined over the pressing path by measuring the distance.
  • the method can further be further developed by the step of repeatedly detecting or determining the pressing force required for the joining process, in particular at fixed time intervals, and adaptively controlling the pressing device in response to the repeatedly detected or determined pressing forces.
  • the method can also be further developed with the step of continuously monitoring the joining process by means of at least one sensor device, and continuously adjusting the joining process when a deviation of a monitored value from a target value is detected.
  • the method can also be further developed with the step of entering process parameter specifications, in particular by a user, before pressing the workpiece.
  • step of taking the process parameter specifications into account when providing target values for automated process control can also represent a further development of the method.
  • the present description also describes a heatable press plate, in particular for a high-temperature joining oven, as explained above.
  • the press plate is prepared for uniformly applying a pressing force to a workpiece placed in the high-temperature joining furnace.
  • the press plate is characterized in that the press plate is equipped with an integrated press plate heating device for heating the press plate and/or the workpiece.
  • the press plate heating device is integrated into the press plate, preferably completely integrated.
  • the press plate can be a multi-part press plate, in particular comprising a workpiece-side layer and a press-side layer of the press plate.
  • the press plate heating device can be arranged between the workpiece-side layer and the press-side layer.
  • Each part of the press plate i.e. in particular the workpiece-side layer, press-side layer and possibly press plate heating device, can consist of the same base material but have different dopings from one another.
  • the press plate may include ceramic material.
  • the workpiece-side layer and/or the press-side layer can comprise ceramic material or consist of ceramic material.
  • the press plate heating device can comprise ceramic material or metal material or consist of ceramic material or metal material.
  • the ceramic material of the heatable press plate may include at least one of carbon fiber reinforced graphite, carbon fiber reinforced silicon carbide, titanium zirconium reinforced molybdenum, silicon carbide or aluminum oxide fiber reinforced oxide ceramic.
  • the workpiece-side layer and/or the press-side layer can also consist of one of the aforementioned materials.
  • the press plate heating device of the heatable press plate can comprise or consist of at least one of tungsten, molybdenum, a nickel-based alloy such as Microfer, a non-oxide ceramic such as silicon carbide or graphite, or carbon fiber reinforced carbon (CFG).
  • tungsten molybdenum
  • a nickel-based alloy such as Microfer
  • a non-oxide ceramic such as silicon carbide or graphite
  • the press plate heating device can be plate-shaped.
  • the press plate heating device can also be designed in a meandering shape.
  • the press plate heater may have channels or tracks.
  • the channels or tracks can pass through the press plate so evenly that the material of the press plate has a maximum distance from one of the channels or tracks that corresponds to twice the width of the channels or tracks or less. Such a distribution of the channels or tracks in the press plate provides the most homogeneous possible heat distribution for the press plate.
  • the press plate heating device can be designed to be electrically operable so that it emits heat when it is supplied with electricity. Alternatively or cumulatively, the press plate heating device can be designed to allow fluid to flow through it, so that it emits heat when it is exposed to a hot fluid.
  • the press plate heating device can preferably have two or more heating plates.
  • the press plate heating device can also have a connecting piece for connecting two or more partial areas, such as heating plates, the connecting piece in particular comprising or consisting of graphite.
  • the connecting piece can be designed to be reversibly deformable, so that it deforms when a compressive force is applied, in particular becomes wider, and improves or establishes the electrical contact between the partial areas of the press plate heating device.
  • the connecting piece is arranged in the press plate heating device in such a way that at the moment when a compressive force is applied to the press plate, the electrical contact between the partial areas of the press plate heating device is improved or even established by means of the connecting piece and thus the operational safety of the press plate heating device is improved.
  • the compressive forces applied to the press plate are very large and suitable materials are characterized, on the one hand, by the fact that they hold up under the given conditions of pressure and temperature and, on the other hand, the materials used are not reflected in the joining result.
  • materials of different densities can often be recognized by the fact that they are imprinted on the workpiece to be machined, like a stamp, and the arrangement of material of different densities or at least material of different hardness can be recognized in the finished workpiece. This should be prevented if possible. This can also be achieved with the press plate heating device presented here.
  • the heatable press plate can also include a pressure equalization layer.
  • the pressure compensation layer can be designed over the entire surface and, if necessary, be designed to be flexible or compressible.
  • the pressure compensation layer can be arranged adjacent to the press plate heating device, that is, for example, placed on the press plate heating device and, if necessary, completely cover the press plate heating devices.
  • the pressure equalization layer can be a graphite foil. The pressure equalization layer enables further homogenization Compressive force over the press plate, whereby local differences in the hardness or density of the materials used for the press plate heating device do not lead to a stamp-like impression in the workpiece to be joined, or to a much lesser extent.
  • the press-side layer and/or the workpiece-side layer can be designed as a tiled carpet, in particular as a ceramic tiled carpet.
  • the use of small-scale components, such as in particular a tiled carpet can mean that unevenness, for example edges of the heating device, can be compensated for and force can be distributed over the tiles of the tiled carpet and thus over the press plate.
  • the press plate heating device can be arranged in a heating plane, i.e. in other words, the press plate heating device is limited to a vertical area in the press plate and is surrounded by press plate material on the bottom and top. Ceramic tiles can be arranged between components of the press plate heating device.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a high-temperature joining furnace in a side sectional view with an inserted workpiece
  • FIG. 4 side sectional view of a heating plate
  • FIG.5 side view of a heating plate
  • FIG. 6 perspective view of a continuous heating plate
  • FIG. 7 shows a perspective, step-sectional view of a continuous heating plate
  • FIG. 8 shows a perspective partial sectional view of a press plate heating device with a divided heating plate
  • Fig. 10 view of a divided heating plate
  • FIG. 11 side view of a heating plate
  • FIG. 13 top view of a press plate with press plate heating device
  • Fig. 18 side view of a flexible connector
  • FIG. 19 shows a perspective partial sectional view of a further embodiment of a press plate with a press plate heating device with a ceramic meander
  • FIG. 20 is a partial perspective sectional view of a further embodiment of a press plate with a press plate heating device with ceramic tiles,
  • 21 is a perspective view of a high-temperature joining furnace
  • FIG. 23 is a perspective view of a high-temperature joining furnace with peripheral attachments, Fig. 24 top view of a high-temperature joining furnace,
  • Fig. 25 is a perspective view of a high-temperature joining furnace
  • Fig. 26 is a flow chart for a joining process.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a high-temperature joining furnace 1 with a heating chamber 15 arranged inside the housing 12, in which a workpiece 50 is arranged for a later pressing process.
  • the joining furnace 1 has a filling or removal opening 11 through which the workpiece 50 - or several workpieces 50 or a batch - can be introduced into the heating chamber 15 or removed from it.
  • the workpiece 50 lies on the workpiece holder 34, which is arranged on the underside of the heating chamber 15.
  • the workpiece holder 34 can be the counter-pressing element 38 or can be designed as a counter-pressing element 38 or can be arranged on the counter-pressing element 38. In the example of Figure 1, the workpiece 50 rests directly on the counter-pressing element 38, which also forms the workpiece holder 34. Depending on the design of the workpiece 50, the workpiece holder 34 can be placed on the counter-pressing element 38.
  • the pressing device 20 is arranged on the top of the housing 12 of the joining furnace 1 in order to be able to develop a pressing force from above onto the workpiece 50 and against the workpiece holder 34 or the counter-pressing element 38.
  • a plurality of press rams 32 - four press rams 32 in the example shown in FIG. 1 - are connected to a press cylinder 24.
  • the press cylinder 24 is, for example, a hydraulic cylinder, with the press rams 32 being positioned by the press cylinder 24 via the transmission piece 26 in the direction of the workpiece 50.
  • a pressure distribution element 22 is arranged in the receiving area 6 of the housing 12 in order to distribute the pressing force of the pressing device 20 to the plurality of press rams 32.
  • a single press ram 32 can also be used if necessary.
  • the plurality of press stamps 32 e.g. B. 4, 8 or 12 press stamps 32
  • the pressing force can be distributed evenly on the pressing element 36.
  • an improved thermal seal of the heating chamber 15 can also be achieved, since each press ram 32 only requires a comparatively small opening in the insulation 16 of the heating chamber 15, so that the energy losses from the heating chamber 15 can be lower.
  • the thermal energy losses can be better equalized across the outer surface of the heating chamber 15 and, overall, an improved homogenization of the temperature distribution in the heating chamber 15 can be achieved.
  • This also applies analogously to the counter-press stamps 29 on the underside of the heating chamber 15, taking into account the considerations of the more homogeneous pressure distribution over the counter-press element 38 as well as the lower and/or more uniform heat losses.
  • a press force generator 28 in this example a hydraulic unit 28, applies pressurized hydraulic fluid to the press cylinder 24, so that it switches off or disengages from the press force generator 28 and places it on the workpiece 50.
  • motor units 3 can generate the hydraulic pressure in the press force generator 28.
  • a first sensor device 4 is arranged on the top side, by means of which the distance of the press cylinder 24 is measured.
  • the first sensor 4 therefore detects the distance of the press cylinder 24 or the distance of the press ram 32 or the extension (the stroke) of the press cylinder 24 and provides a first sensor signal therefrom.
  • a further sensor 5 can be arranged in the pressing force generator 28 and/or in the pressing cylinder 24, for example for measuring the hydraulic pressure, in order to derive information about the applied pressing force and to provide it as a sensor signal.
  • the workpiece holder 34 is arranged within the heating device 14 in order to accommodate the workpiece 50 in the heating space 15.
  • the workpiece holder 34 is provided with a plurality of counter-pressing punches 29, which distribute the force distribution as evenly as possible from the counter-pressing element 38, so that the counter-pressing element 38 is exposed to the least possible deformation. Since the counter-pressing punches 29 pass through the insulation 16 and the insulation 16 should be affected as little as possible, a comparatively small breakthrough area can be caused overall and the counter-pressing punches 29 can be better thermally sealed.
  • a second sensor device 42 is arranged further underside, which can, for example, detect the pressing force applied to the workpiece 50.
  • the second sensor device 42 is, for example, a pressure sensor.
  • a plurality of two or more pressure sensors can also be used as the second sensor device 42, for example one in each case in the area of a counter-press stamp 29, so that the pressure distribution acting on the counter-press element 38 can be detected and output as a sensor signal. It can thus be determined whether the pressure distribution on the workpiece or the batch 50 takes place in the desired manner, for example homogeneously across the workpiece or the batch 50.
  • a pressing force can be exerted on the workpiece or batch 50 from both sides.
  • the embodiment of FIG. 1 can be modified in such a way that instead of the (passive) subassembly, which in particular includes counter-pressing punch 29 and counter-pressing element 38, a further pressing device 20' can be arranged on the underside of the high-temperature joining furnace.
  • an automatic process control 44 is arranged in the area of the substructure 8 of the joining furnace 1.
  • the input device 48 and the output device 46 for example keyboard 48 and screen 46, inputs and outputs to the control device 44 and thus manual influence on the process flow or input of process parameters are made possible.
  • the two press plate heating devices 62, 64 can be similar or be constructed identically, especially if both press plate 36 and counter-press element 38 are provided in the form of press plates. If both plates 36, 38 are equipped with a press plate heating device 62, 64, the heat distribution in the workpiece 50 can be further homogenized and, if necessary, the time required to heat up the workpiece 50 can be further reduced.
  • FIG. 1 also shows the possibility of electrically contacting the press plate heating devices 62, 64 by means of contacting devices 100, the course of the current flow running via the connecting element 112, the feedthrough 114 to the external contact 116. Further details of the contacting devices 100 can be found in Figures 17 and 18.
  • the pressing device 20 is shown in an operating position, with the pressing plate 36 being fully engaged on the workpiece 50 and a pressing force being applied to the workpiece 50.
  • the press cylinder 24 or the transfer piece 26 is shown in the disengaged position.
  • the press rams 29 and 32 are each equipped with a pressure distribution piece 37, which are arranged at the angle between the press plate 36 and the respective press ram 32 and help transfer the pressing force to the press plate 36 even more homogeneously.
  • FIG. 2 also shows the electrical contacting of the press plate heating devices 62, 64 by means of electrical contacting devices 100.
  • Fig. 3 shows a first embodiment of a heating plate 62 for use in a high-temperature joining furnace 1.
  • the press plate heating device 62 has a heating element cover layer 72, in which receptacles 68 are provided for fasteners.
  • a connection projection 66 protrudes beyond the dimension of the cover layer 72, the connection projections 66 being associated with the heating element 74.
  • Fig. 4 shows a cross section of a press plate heating device 62, whereby the three-layer structure with heating element cover layer 72, heating element 74 and heating element bottom layer 76 can be seen.
  • Fig. 5 shows a side view of the press plate heating device 62, whereby the three layers 72, 74, 76 and the connection projection 66 of the heating element 74 can also be seen.
  • the heating element 74 is laterally surrounded by lateral enclosures 72a, 76a, so that it is surrounded on all sides by the cover layer 72 and the bottom layer 76, with the exception of the connection projections 66.
  • the connection projections 66 serve to introduce the energy required for heating into the heating element 74. For example, electrical contact can be established by means of the connection projections 66.
  • FIG. 6 a perspective view of a press plate heater 62 is shown.
  • the heating device 62 shown in FIG. 6 can correspond to the heating device 62 shown in FIGS. 3 to 5.
  • the same reference numbers stand for the same elements or components in all figures.
  • Fig. 7 the embodiment of Fig. 6 is shown in a step section, whereby the three-layer structure of cover layer 72, heating element 74 and bottom layer 76 can be seen, as well as the enclosure of the heating element 74 by means of the enclosures 72a, 76a.
  • a further embodiment of a press plate heating device 62 is shown with a divided heating plate 74.
  • two heating plates 74 are provided, which are jointly encompassed by the cover layer 72 and the bottom layer 76.
  • the heating elements 74 are in electrical contact with one another via the contact lips 67 and the connecting piece 78, so that from a first connection projection 66 via the first heating element 74, the contact clips 67 or the connecting piece 78, the second heating element 74a and the second connection projection 66a, an electrical one Current flow can be established.
  • 9 shows the heating element 62 of FIG. 8 in a cross section, with the connecting piece 78 being visible.
  • 10 and 11 show a single heating plate 74, in particular as a section of a divided heating plate or heating level, with the connection projection 66 and the contact lip 67 being visible.
  • the use of smaller heating plates 74, 74a, 74b, 74c has the advantage that it is easier to select for any material defects that may be present, and moreover any material defects that may be present (cracks, chips, faulty grains, pores or cavity, etc.) in the heating plate 74, 74a, 74b, 74c leads less to a break, since the bending moments that occur (and deflections during operation) are significantly smaller, and therefore more material defects can be tolerated, which leads to an overall cost reduction contributes to the production.
  • a press plate heater 62 installed in a press plate 36 is shown, the press plate having a press-side press plate element 71, a workpiece press plate element 77 and a press plate heater 62 inserted between these two layers. These layers are connected to one another by means of the fastening means 80, for example screwed.
  • FIG. 13 a top view of a press plate 36 with press plate heating devices 62 is shown.
  • the embodiment of FIG. 13 is shown in a perspective view in FIG. 14.
  • the press plate heating device 62 is enclosed between the press-side press plate element 71 and the workpiece press plate element 77 and screwed with screws 80.
  • FIG. 15 the embodiment of Figs. 13 and 14 is shown in a step section, revealing the plurality of heating elements 74, 74a, 74b, 74c.
  • the heating elements 74, 74a, 74b, 74c are electrically contacted with one another by means of connecting pieces 78.
  • FIG. 16 shows the same press plate 36 again in a further stepped section, so that the four heating elements 74, 74a, 74b, 74c become apparent.
  • the four heating elements 74 are arranged in a common heating element plane, ie lying next to each other.
  • the heating elements since they are arranged in the press plate 36, are typically subject to movement during operation. So the press plate 36 is placed on the workpiece and depending on the size of the workpiece etc. the press plate 36 is in operation at a different position of use.
  • flexible contacting devices 100 are provided, as shown in FIG.
  • the contacting device 100 has a flexible compensation element 104, which dampens and decouples oscillations and vibrations.
  • the contacting device 100 is attached to the heating element 74 with a heating element clamp 102, with the connection projection 66, 66a being clamped or enclosed. It is also possible to screw it tight to the connection projection 66.
  • the contacting device 100 On the top side, the contacting device 100 has a contact element 106, for example in order to connect a copper strip there for further current conduction.
  • two contacting devices 100 are connected to a heating element 74 for supplying and discharging power.
  • FIG. 18 shows the contacting device 100 in a sectional view, the attachment to the connection projection 66 being provided with further details, the stud bolt receptacle 108 and the stud bolt 110 being shown in cross section.
  • a contacting device 100 is connected to two heating elements 74, with only one connection side being shown for better graphic visibility.
  • a second contacting device 100 is used so that a circuit or current flow can take place through the heating element(s) 74, 74a.
  • a further embodiment of a heating device 62 wherein the heating element 74 is provided in the form of a ceramic meander.
  • the heating element 74 could, for example, also be designed as a graphite, molybdenum or CFC meander.
  • the ceramic meander 74 is electrically conductive, so that a current flow from the first connection projection 66 through the ceramic meander 74 to the second connection projection 66a can be realized.
  • the heating device 62 is enclosed in a press plate 36, the press plate having the press plate elements 71, 77.
  • the fastening means 80 are not explicitly shown in this embodiment for reasons of clarity. For example, the plates could be glued together; screwing would typically be advantageous due to the high operating temperature.
  • FIG. 20 yet another embodiment of the press plate heating element 62 is shown, wherein the heating element cover layer 72 and the heating element bottom layer 76 are designed as tiles.
  • the heating element 74 is accordingly embedded in the tiles 72, 76, 82. This has the advantage that any unevenness or bumps that may be present are compensated for and are therefore less visible as a restriction in the workpiece 50.
  • a high-temperature joining furnace 1 is shown, wherein an outer frame 7, 9, 10 is included to support the pressing device 20.
  • the pressing cylinder 24 is supported by the support frame element 10, so that the pressing force is transmitted by the pressing device 20 the workpiece 50 arranged inside the high-temperature joining furnace 1 (see, for example, FIGS. 1, 2) can be delivered.
  • the total force is absorbed by the outer frame 7, 9, 10, which can bend in a direction away from the joining furnace 1 during operation.
  • the bending of the Outer frame 7, 9, 10 provides a dynamic bearing for the pressing device 20, so that a press abutment 18 is formed by the outer frame 7, 9, 10.
  • a position sensor 5 is provided, with which the positional shift of the press abutment 18 can be detected. By means of the positional shift, a conclusion can also be drawn about the pressing force applied by the pressing device 20, and the information can be provided as a sensor signal.
  • FIGS 23 to 25 show a further embodiment of a high-temperature joining furnace 1, which is now shown complete with further attachments.
  • a vacuum generator 54 for example a turbomolecular pump, provides a vacuum suction so that the joining process in the high-temperature joining furnace 1 can be carried out in the range of a vacuum, in particular a high vacuum or an ultra-high vacuum.
  • the press force generator 28 is housed in a separate housing so that a larger unit can be accommodated there if necessary.
  • An input and/or output device 48, 46 is outsourced to a user terminal 45, which includes the PLC 44 and input/output 48, 46.
  • a flowchart of a joining method 200 is shown.
  • the system is filled with a workpiece 50 or a batch of one or more workpieces. This is typically carried out by a user, but can also be done automatically.
  • the system 1 is parameterized.
  • various specifications such as in particular the materials and joining surfaces of the workpiece or the batch 50, can be stored in the control device 44 using an input device 48.
  • the intended compression of the workpiece 50 or the batch can also be entered in percent or distance, for example in millimeters.
  • temperature specifications can also be stored.
  • the parameters entered in step 220 can be transmitted to a control device 44.
  • the controller 44 can then generate a set of control parameters.
  • the process phase 230 begins, for example with temperature parameters provided by the control device 44.
  • the press 20 is then prepared. This can include applying pre-pressure to the pressing device 20 so that the abutment 18 experiences a displacement or deformation or prestress and thus a starting position of the pressing device 20 can be assumed.
  • the workpiece 50 is heated in the heating phase 230.
  • the press plate heating device 62, 64 is heated and the heat is evenly given off to the workpiece 50 in a conductive manner.
  • the pressing process or the joining process is then carried out in step 240; if necessary, this can be monitored and adjusted by the automatic process control 44.
  • Sensors 4, 5, 42 can, if necessary, provide sensor signals which are processed by the process control 44.
  • the prepared control parameters can, if necessary, be checked or adjusted in response to the sensor signals provided by the sensors 4, 5, 42. If the control parameters are adjusted, the joining method 240 is continued in a modified manner with the adjusted control parameters. This can be implemented as a control loop and can be carried out iteratively, for example, so that an improved parameter configuration can be set in the course of the joining process and an improved joining result can be achieved. In other words, in one example, a compression of the workpiece 50 by X% is specified.
  • step 240 This happens in a certain time, which can be calculated by the control.
  • a pressing force is initially applied and the actual pressing process takes place in step 240. While the pressing process 240 is being carried out, it may be possible to check whether the corresponding distance per unit of time has been reached and, if necessary, change the pressing force.
  • an increasing pressing pressure can be stored, which can be adjusted adaptively in the course of the joining process 240.
  • a maximum or desired deflection of the press cylinder 24 to a desired final value can also already be stored in the set of original control parameters. While checking or adjusting control parameters, it can also be determined whether the desired final value for the deflection of the press cylinder 24 and/or the deformation of the workpiece can be achieved without possibly exceeding a pressing pressure with which the workpiece or the batch 50 could possibly experience damage or excessive deformation.
  • a post-treatment of the workpiece or the batch 50 can optionally follow. This can be further tempering, further heating or cooling with a defined temperature constant. Following the aftertreatment 250, the workpiece or the batch 50 has cooled down sufficiently and can be removed from the system 1 in step 260.
  • a functional solution could be presented in a large number of examples, which also contain features that can be individually combined with one another, as to how the homogeneity of the heat distribution in the press plate 36, 38 can be achieved by integrating a heating device 62, 64 directly into the press plate 36, 38, in particular by means of conductive heat transfer Workpiece 50 can be improved and/or the time period for heating the workpiece 50 can be reduced.
  • materials can now be processed using diffusion welding that were previously not open to this process due to the low temperature ranges required.
  • the heater 62 is preferably an electrical resistance heater that is integrated in an electrically insulated manner.
  • a peripheral heater 14 can be provided to even out the temperature at the edge and in the corners of the component 50.
  • the support or peripheral heating can be moved vertically. If necessary, the support heater can be divided into different temperature zones. If necessary, water-cooled pressure distribution plates 36, 38 can be used.
  • a flexible heater connection 100 can be realized, for example, using copper strips 112.
  • Efficiency refers, on the one hand, to the energy consumption per welding cycle and also to the duration of a joining cycle. This can be achieved by heating the components to be joined via conduction - i.e. contact heating.
  • One aim of the present description was the development and elaboration of design boundary conditions for a heating concept for diffusion welding, which homogenizes the heat input into the component and, if possible, realizes it through contact heating, i.e. heat conduction.
  • the aim is to achieve process temperatures of up to 900°C, for example, and the possibility of dynamic force application.
  • the system should be designed for use in high vacuum furnace systems. Conductive heating avoids the lossy and emissivity-dependent heat transfer through radiation that occurs in a vacuum, which means that the energy input into the mostly plate-shaped parts to be joined are considerably more efficient, more homogeneous and quicker.
  • the result is a heating system that enables a significant increase in energy efficiency during diffusion welding and significantly shortened cycle times. This results in a significant reduction in the cost of the diffusion welding joining process and an increase in component quality, as well as increasing the competitiveness of the process.
  • the heat conduction or heating of the components 50 to be joined is of particular importance. Particularly for non-ferrous metals whose joining temperatures are below 1,000 C, the previously established heating by thermal radiation in a vacuum represents an inefficient process. Due to the low emissivity levels were only very Low heating speeds are possible, which has a negative impact on the cycle time and thus the costs of the process.
  • the direct (conductive) heating of the component by heat conduction via the press plate 36, 38 accelerates the energy input into the component 50 and at the same time enables a more homogeneous temperature distribution, since the heat is introduced evenly over the largest areas of a plate-shaped component, while conventional heating essentially over the outer edges takes place, so that due to the path length, a gradient arises between the outside and the component center, which, if not adjusted by waiting (extending the cycle time), leads to quality differences in the composite formation.
  • the size of the press plate area can advantageously be at least 300x500 mm or larger.
  • the cyclic load capacity of the system 1 is preferably 0.1 Hz or more, or even 0.5 Hz or more, or even 1 Hz or more. Operation in a fine or high vacuum at at least 10 5 mbar is advantageous.
  • a transferable surface pressure > 7 N/mm 2 can be achieved on the system side.
  • a surface pressure of at least 0.1 MPa, preferably of at least 0.5 MPa can be achieved on the component 50 by means of the pressure plates 36, 38.
  • the surface pressure can be achieved up to a maximum of 50 MPa, if necessary a maximum of 40 MPa.
  • a force of 1 ton or more can be exerted on the component 50 by means of the press plates 36, 38, then the system can even be used for power-assisted soldering (PAB).
  • PAB power-assisted soldering
  • a force of 5 tons or more can be exerted on the component 50 by means of the press plates 36, 38.
  • the force exerted on the component 50 by means of the press plates 36, 38 can be up to 5,000 tons, for example up to 4,000 tons.
  • Lower surface pressures of less than 0.1 MPa or force applications of less than 1 ton are not understood as pressing force or application of a pressing force within the meaning of this application.
  • processes for wafer bonding, i.e. joining semiconductor boards are not pressing processes within the meaning of this application. Rather, the field of diffusion welding or force-applied soldering in the sense of the present application is subject to the aforementioned comparatively high pressure regime.
  • Heating the components to be joined in a vacuum can in principle be done in a variety of ways, by heating using thermal radiation, laser or electron beam, convection, direct resistance heating, induction, heat conduction (conduction) or the combination of individual variants.
  • the beam-based methods laser or electron beam
  • the beam-based methods are particularly suitable for rotationally symmetrical small parts, but have the disadvantage that an additional axis must be provided in the system (rotation axis for rotating the workpiece).
  • Direct current application to the components to be joined leads to direct resistance heating, but here too the component size is limited due to the electrical variables. If the direct current is replaced by a pulsed current curve, larger currents can be implemented. Spark flashovers also occur, comparable to plasma spark sintering. Due to the direct current flow through the components, only electrically conductive materials can be joined, whereby a homogeneous distribution of the electrical field must be ensured, especially in large-format components. Induction heating is used much more frequently, especially historically. The heat is generated directly in the area of the component surface generated, causing the component to heat up quickly. Diffusion welding systems for mass production, including for valve disk sealing rings with production figures of 3.1 million pieces per year, were already equipped with induction heating in the 1970s.
  • the penetration depth can be adjusted using setting parameters such as frequency or current.
  • the component-inductor distance or the shape of the inductor also influence the heat input and thus the temperature distribution in the component.
  • the disadvantage here is that the inductor has to be adapted to the component geometry for optimal heating and not all materials can be heated inductively. Induction heating is still suitable, for example, for slim component geometries.
  • Molybdenum can be considered as a heating element material in air and in vacuum.
  • the oxide layer on the molybdenum is dissolved in a vacuum and thus a high emissivity is achieved in a vacuum, which is why the material is used for heaters.
  • two typical material groups of the components to be joined are included, aluminum and steel.
  • Cleaned steel has a comparatively high level of emissivity. This is temperature dependent and increases with temperature. In comparison, the value for aluminum is significantly lower.
  • Cleaned aluminum has very low values, whereas oxidized aluminum surfaces only have a value 2 to 3 times lower than steel. From a radiation technology perspective, oxidized surfaces are optimal in terms of absorbing thermal radiation, but from a diffusion welding perspective this is not the case because oxide layers represent a diffusion barrier.
  • Copper materials behave similarly to aluminum.
  • heating the highly thermally conductive materials via radiation alone may be insufficient.
  • heat transfer can be increased by means of partial pressure in the working chamber (additional convection component).
  • impurities contained in the gas including oxygen / nitrogen
  • Another disadvantageous aspect of the heating concepts described above is the temperature homogeneity in the component. Basically, heat transfer always takes place via the component surface and is conducted from there to the interior of the component by heat conduction. Accordingly, a temperature gradient forms in the component 50 during heating, which leads to uneven expansion and internal stresses. Depending on the thermal conductivity of the material to be joined, this circumstance must be countered by appropriately slow heating rates, also in order to avoid heat build-up and overheating of the component surface. In addition to the material, the aspect ratio of the component is of great importance.
  • the concepts described above implement the heat input predominantly via the component side surfaces. This means a maximum heat conduction path for plate-shaped components. However, such component geometries with low aspect ratios are currently in increasing demand (Plate heat exchangers, tool inserts, etc.). The introduction of heat via the ground and top surface thus shortens the conduction path and thus allows higher heating rates.
  • Press plates for diffusion welding systems fulfill the task of introducing the applied pressing force into the component and distributing this force as homogeneously as possible over the component or the joining surface. This initially results in a basic requirement for the mechanical properties of the plate 36, 38, such as a low modulus of elasticity and sufficient compressive and bending strength. Due to the use in a high vacuum furnace system, these properties must be guaranteed over the entire range of application temperatures. Furthermore, the press plate material must be suitable for use in a vacuum (high vapor pressure). In addition, the ideal press plate material has a low specific heat capacity, since from an energetic point of view the press plates represent dead mass that has to be heated up and cooled down again during the process. Another requirement is the fatigue strength under dynamic loads in the pressure threshold range.
  • titanium-zirconium-reinforced molybdenum represents a good starting point and is used in many areas as a load-bearing element in the heating area of vacuum furnace systems.
  • the behavior during machining which is comparable to that of CrNi steels, is also advantageous. Accordingly, TZM is also interesting for the present description.
  • the disadvantages of TZM are the comparatively high density of 10.2 g/cm 3 , the high thermal conductivity characteristic of metals and the high manufacturing costs.
  • All-ceramic press plates are the ideal press plate material made from a mechanical layer.
  • silicon carbide ceramic has a high modulus of elasticity of 350 - 450 GPa but also a compressive strength of over 2500 MPa, which results in a very dimensionally stable material.
  • the main disadvantage of ceramics is the high cost of processing them in the sintered state.
  • Steel materials such as heat-resistant steel 1.4828 are in principle conceivable as pressed plate materials.
  • the exclusion criterion here is the low creep strength of less than 5 N/mm 2 at the desired operating temperature of 900°C.
  • CMC ceramic-based fiber composite materials
  • carbon fibers or ceramic fibers are embedded in a ceramic matrix. This means that the outstanding properties of the ceramic, such as temperature resistance and pressure resistance, are retained, but the fiber reinforcement increases the fracture toughness required for dynamic use.
  • Carbon fiber reinforced graphite can be used in diffusion welding systems with static force application. Due to the high thermal conductivity compared to the other fiber composite materials considered here, more energy is removed from the heating zone.
  • Carbon fiber-reinforced silicon carbide is a composite material. This material has not yet been used in diffusion welding systems.
  • Alumina fiber-reinforced oxide ceramics have a very low thermal conductivity of 0.4-2.7 W/mK and a relatively small modulus of elasticity (40 GPa), which would lead to excellent insulation and very good pressure distribution.
  • this material is its low compressive strength of approx. 25 N/mm 2 .
  • heater materials for the heating device 62, 64 are essentially a high electrical resistance, a high melting temperature, which must significantly exceed the application temperature, and a low vapor pressure in order to minimize heater wear in vacuum operation. From a design perspective, a low thermal expansion coefficient should still be aimed for. In the area of metallic materials, alongside tungsten, molybdenum stands out as a heater material. With a melting temperature of 2623 °C, a specific electrical Resistance in the range of 0.056- 10-6 - 0.452- 10-6 sqm (20 - 1500 °C) and an expansion coefficient of 5.8-10-6 K-1, it is possible to reach temperatures of up to 1600 °C with very high vacuum quality realize.
  • the range of applications is limited due to the lower melting temperature (1370-1425 °C) and the comparatively high expansion coefficient of 16.9-10-6 K-1 (1000 °C).
  • Graphite is another alternative for heating furnace systems; the advantage here is the comparatively low material price and high electrical resistance.
  • graphites are only suitable to a limited extent for use in high vacuum, as evaporating carbon can contaminate the parts to be joined and cause material changes.

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Abstract

Es wird ein Hochtemperatur-Fügeofen vorgestellt, der insbesondere hergerichtet ist für das Diffusionsschweißen von Fügematerialien wie Metallen, Kunststoffen, Keramiken und entsprechende Werkstücke. Der Fügeofen umfasst einen Heizraum, eine in dem Heizraum angeordnete Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines in dem Fügeofen zu bearbeitenden Werkstücks, eine Presseinrichtung, angeordnet und hergerichtet, auf das Werkstück eine Presskraft aufzutragen, wobei die Presseinrichtung eine Pressplatte umfasst zum gleichmäßigen Aufträgen der Presskraft auf das Werkstück, und ist gekennzeichnet dadurch, dass die Pressplatte mit einer Pressplattenheizeinrichtung ausgerüstet ist zum Heizen der Pressplatte und/oder des Werkstücks.

Description

Hochtemperatur-Fügeofen
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Fügeofen, ein Verfahren zum Diffusionsschweißen sowie eine beheizbare Pressplatte.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Es ist grundsätzlich bekannt, dass metallische Werkstücke mittels Diffusionsschweißen gefügt werden können. Beispielsweise kann ein metallisches Werkstück diffusionsgeschweißt werden, wenn dies bei hoher Temperatur von einer Presse unter Druck gefügt wird. Der Vorgang des Diffusionsschweißens ist dabei ein komplexer Ablauf, welcher von verschiedenen Einflüssen abhängig ist und auch bei gleichen Prozessbedingungen nicht unbedingt zu einem vergleichbaren oder jedenfalls zufriedenstellenden Ergebnis führt.
Während des Fügevorgangs ist beispielsweise die Verformung des Werkstücks zu berücksichtigen. Beispielsweise, wenn das zu fügende Werkstück in seinem Inneren Kühlkanäle oder andere Bohrungen bzw. Öffnungen aufweist, kann die auf das Werkstück ausgeübte Presskraft lokal abweichen, so dass insgesamt eine abweichende Verformung im Vergleich zu einem in seinen Abmessungen identischen Massivkörper resultiert. Auch die Vorgeschichte der zu fügenden Materialien kann von Bedeutung hinsichtlich des Fügeergebnisses sein, hierbei können insbesondere die Korngrößen im Metallverbund und das Herstellungsverfahren der jeweiligen Metallschichten, beispielsweise durch Walzen, relevant sein. Sogar wenn verschiedene Materialien für verschiedene Werkstücke dem Grunde nach als identisch zu bezeichnen sein sollten, also mit demselben Herstellungsverfahren hergestellt, auf gleiche Temperaturen vorbehandelt, sodass ähnliche Korngrößen im Material anzunehmen sein sollten, so sind auch Streubreiten zwischen Materialien zu berücksichtigen. Dies auch dann, wenn Werkstücke aus demselben Rohmaterialstück bereitgestellt bzw. herausgeschnitten werden. Bei bestimmten Materialien und/oder Materialkombinationen kann dies weiter erschwert sein.
Eine besondere Herausforderung im Betrieb einer Diffusionsschweißanlage ist es, ein gleichmäßiges Fügeergebnis über das Bauteil zu erhalten. Neben den vorgenannten Überlegungen hinsichtlich der auszuwählenden Materialien sind auch verschiedene Prozessparameter dahingehend überprüfbar, ob die Prozessbedingungen weiter verbessert werden können, um das gleichmäßige Fügeergebnis über das zu fügende Bauteil noch weiter zu verbessern, oder überhaupt erst zufriedenstellend bereitstellbar zu machen. Ein weiter verbessertes Fügeergebnis kann das Anwendungsspektrum für weitere Materialien erweitern, die mit den bislang vorhandenen Anlagen nicht oder nur unzulänglich verarbeitet werden können. Es können mit bereits fügbaren Materialien kompliziertere Konstruktionsformen gefügt werden. Zudem kann dies helfen, Ausfall bei der Herstellung zu reduzieren.
Die Erfindung hat sich vor diesem Hintergrund Aufgabe gestellt, das Fügeergebnis über ein zu fügendes Bauteil weiter zu homogenisieren. In einem Teilaspekt der Erfindung ist auch die Aufgabe gestellt, neue Materialien bzw. komplexere Bauformen mittels Diffusionsschweißen fügen zu können, die bislang nicht oder nur unzureichend mit diesem Verfahren bearbeitbar waren. Insbesondere hat sich die Erfindung in einem weiteren Teilaspekt die Aufgabe gestellt, einen Betrieb bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen, um Materialien fügen zu können, die bei herkömmlichen Fügeverfahren zu heiß würden und daher zu stark verformen würden. In noch einem Teilaspekt der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, den Prozessablauf weiter zu beschleunigen, um Betriebskosten zu senken und den Bauteildurchsatz erhöhen zu können. Das Problem wird gelöst durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung. Abhängige Ansprüche geben Weiterbildungen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Bei einem Diffussionsschweißprozess wird eine Verformung eines Werkstücks bzw. einer Charge kontrolliert durchgeführt. Eventuell vorhandene Poren im Fügematerial, Aussparungen im Inneren des Werkstücks, die Anzahl und Größe der Fügeflächen aber auch die Vorgeschichte des Fügematerials sind Größen, die den Prozessablauf beeinflussen können. Bei der Kraftbeaufschlagung, die durch eine Presse auf das Werkstück bzw. auf die Charge aufgebracht wird, wird der Materialkontakt an den Fügeflächen verbessert. So kann eine inhärente Interdiffusion hergestellt bzw. herbeigeführt sein. Mittels Pressung wird also eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche im Bereich der Fügefläche(n) hergestellt. Diese Vorgänge unterscheiden sich von Werkstück zu Werkstück, wobei die Unterschiede so deutlich sein können, dass ein erstes Bauteil ausreichend fest gefügt werden kann, ein nächstes Bauteil, welches mit identischen Parametern gefügt werden soll, jedoch nur eine unzureichende Festigkeit bzw. Qualität erreicht. Andererseits kann unter Umständen bei einem Bauteil die Form erhalten bleiben, und beim nächstfolgenden, ansonsten identischen Bauteil, mit identischen Parametern beispielsweise eine Verformung im Bereich eines Kühlkanals durch den Pressvorgang auftreten.
Erfindungsgemäß wird ein Hochtemperatur-Fügeofen bereitgestellt, welcher insbesondere für das Diffusionsschweißen von Fügematerialien hergerichtet ist. Fügematerialien können Metalle sein und metallische Werkstücke umfassen. Metalle können dabei alle metallhaltigen Materialien bzw. Stoffe sein. Beispielsweise sind hierunter Metalle, wie Eisen, Kupfer, Aluminium, Titan zu verstehen, aber auch Legierungen, wie Edelstähle bzw. Edelstahl, Werkzeugstähle, Superlegierungen, Bronze, Zinn oder weitere. Fügematerialien können auch Nichtmetalle oderVerbundwerkstoffe sein. Beispiele für Nichtmetalle umfassen Kunststoffe oder Keramiken. Beispiele für Verbundwerkstoffe umfassen Keramikverbund mit Aluminium oder Kupfer oder dgl.
Der Hochtemperatur-Fügeofen kann auch hergerichtet sein für ein kraftunterstütztes Löten oder ein Sintern von Bauteilen. Insgesamt ist der Hochtemperatur-Fügeofen demnach hergerichtet für eine druckkraftbeaufschlagte Werkstoffveredelung mit oder ohne Zusatzwerkstoff.
Der Hochtemperatur-Fügeofen umfasst einen Heizraum. In dem Heizraum ist das Werkstück, zumeist aber auch damit einhergehend der Ofeninnenraum, auf die Bearbeitungstemperatur aufzuheizen.
In dem Heizraum ist eine Werkstückaufnahme angeordnet zur Aufnahme eines in dem Fügeofen zu bearbeitenden Werkstücks. Typischerweise ist die Werkstückaufnahme an der Unterseite des Heizraums angeordnet. Beispielsweise kann die Werkstückaufnahme eine Platte umfassen, aber auch Halterungen, in die die zu fügenden Werkstücke einzusetzen sind. Die Werkstückaufnahme kann Teil eines Gegenpresselements sein bzw. darauf angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Werkstückaufnahme passives Gegenstück für eine Presseinrichtung sein oder selbst mit einer Presskraft von unterseitig der Werkstückaufnahme beaufschlagt werden und somit ein Gegenpresselement darstellen.
Der Fügeofen umfasst ferner die Presseinrichtung, welche angeordnet und hergerichtet ist, auf das Werkstück eine Presskraft aufzutragen. Beispielsweise ist die Presseinrichtung so angeordnet, dass ein oberes Teil, wie ein Pressstempel, von oben gegen das Werkstück presst, wobei das Werkstück gegen die Werkstückaufnahme bzw. gegen das Gegenpresselement gepresst wird. Mit anderen Worten wird das Werkstück zwischen oberem Teil bzw. Pressstempel und Gegenpresselement bzw. Werkstückaufnahme eingespannt.
Das obere Teil umfasst hierfür eine Pressplatte, mittels welcher die Presskraft gleichmäßig auf eine Fläche verteilt und aufgetragen werden kann, sodass das Werkstück gleichmäßig gepresst wird. Die Pressplatte kann - je nach Einsatzzweck bzw. Ausformung des Werkstücks - eine ebene Oberfläche aufweisen, sodass das Werkstück über die Oberfläche der Pressplatte gleichmäßig mit Presskraft beaufschlagt werden kann. Die Pressplatte kann auch Ausnehmungen, Vorsprünge oder Stufen aufweisen, um eine Anformung der Pressplatte an eine gewünschte Oberfläche des Werkstücks oder der Werkstücke aufzuweisen bzw. zu bewirken. Somit könnte die Pressplatte als „Presselement“ allgemein beschrieben werden. Im Weiteren wird hierin der Begriff „Pressplatte“ verwendet, da dieser Begriff im Lichte der vorliegenden Beschreibung für den Fachmann gebräuchlich erscheint.
Die Pressplatte ist mit einer Pressplatten-Heizeinrichtung ausgerüstet zum Heizen der Pressplatte und/oder des Werkstücks. Bei der Pressplatte handelt es sich insbesondere um eine Druckverteilplatte, da diese die von der Presseinrichtung erzeugte und auf das Werkstück beaufschlagte Presskraft über die Oberfläche des Werkstücks verteilt. Mittels der Pressplatten- Heizeinrichtung kann die Pressplatte möglichst gleichmäßig und homogen über ihre Oberfläche temperiert bzw. aufgeheizt werden. Somit ist auch eine über die Pressplatte homogene Wärmeabgabe ermöglicht, sodass auch das Werkstück gleichmäßig erwärmt werden kann. Mit anderen Worten kann mittels der Pressplatten-Heizeinrichtung das Werkstück nunmehr konduktiv erwärmt werden, was ggf. einen erheblich schnelleren Wärmeübertrag in das Werkstück und darüber hinaus einen gleichmäßigeren Wärmeeintrag über die Oberfläche des Werkstücks ermöglicht. Ferner ermöglicht der Einsatz der Pressplatten- Heizeinrichtung den Einsatz von Materialien, welche einer wesentlich niedrigere Bearbeitungstemperatur bedürfen, bei welcher ggf. Strahlungswärme nicht genügend Wärmeleistung in das Werkstück transportieren kann, sodass eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Werkstück allein durch Strahlungswärme ggf. gar nicht realisierbar wäre. Somit eröffnet die erfindungsgemäße Pressplatten-Heizeinrichtung den Einsatz von neuen Materialien als Werkstück, die vormals nicht für ein Diffusionsschweißen verfügbar waren.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann in bevorzugter Weise in die Pressplatte integriert sein, ggf. also vollständig integriert sein. Dabei kann eine Wärmemengenzuführung von außerhalb an die Pressplatte herangeführt bzw. angeschlossen sein und die Pressplatten-Heizeinrichtung mit Wärmemenge versorgen. Wenn die Pressplatten-Heizeinrichtung in die Pressplatte integriert ist, ist ein möglichst nahtloser, d.h. konduktiver Wärmeübertrag in die Pressplatte verbessert.
Die Pressplatte kann eine mehrteilige Pressplatte sein. Bei einer mehrteiligen Pressplatte kann eine werkstückseitige Schicht und eine pressenseitige Schicht umfasst sein, die Pressplatten-Heizeinrichtung kann bevorzugt zwischen der werkstückseitigen Schicht und der pressenseitigen Schicht der Pressplatte angeordnet sein.
Der Fügeofen kann flexible Anschlussverbinder aufweisen zum Verbinden der Pressplatten-Heizeinrichtung mit einer Energiequelle. Beispielsweise können die flexiblen Anschlussverbinder ein Metallbandmaterial, wie ein Kupferband, umfassen, welches Bewegungen, Stöße oder Vibrationen auszugleichen vermag und dabei den elektrischen Kontakt aufrechterhalten kann.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung stellt für die Pressplatte eine konduktive Wärmeabgabe bereit, sie ist also eine konduktive Pressplatten-Heizeinrichtung. Insbesondere ist die Pressplatten-Heizeinrichtung elektrisch betreibbar eingerichtet, sodass sie Wärme abgibt, wenn sie von der Energiequelle mit elektrischer Leistung beaufschlagt wird. Alternativ oder kumulativ kann die Pressplatten-Heizeinrichtung fluiddurchströmbar eingerichtet sein, sodass sie Wärme abgibt, wenn sie von der Energiequelle mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird.
Die Pressplatte kann verfahrbar bzw. beweglich angeordnet sein, beispielsweise wird die Pressplatte von einem oder mehreren Pressstempeln verschoben, wobei der oder die Pressstempel von einem oder mehreren Presszylindern in Bewegung gesetzt wird. Bei Beaufschlagung mit einer Presskraft wird das Werkstück sukzessive verformt bzw. gefügt.
Die Presseinrichtung kann auch so angeordnet sein, dass sie von unten auf das Werkstück presst, beispielsweise indem eine bewegliche Werkstückaufnahme vorgesehen ist und das Werkstück auf der Werkstückaufnahme beispielsweise nach oben verschoben wird. In einerweiteren Ausbildung der Erfindung können eine erste und zweite Pressplatte für eine beidseitige Kraftaufbringung vorgesehen sein, beispielsweise eine obere und eine untere Pressplatte oder eine linke und eine rechte Pressplatte. Zum Pressen des Werkstücks wird typischerweise ein wie ein Pressstempel funktionierendes Teil eingesetzt, welcher von außen mit einer Kraft beaufschlagt werden kann, und ein Gegenpresselement, welches die Presskraft gegenhält. Zwischen Pressstempel und Gegenpresselement ist das Werkstück eingespannt und wird dort gefügt bzw. verformt.
Der Fügeofen kann im Ofenraum eine wandseitige Heizeinrichtung bzw. Ofenheizeinrichtung umfassen. Die wandseitige Heizeinrichtung kann dazu hergerichtet sein, das Werkstück mittels Wärmestrahlung zu erwärmen. Da typischerweise im Ofenraum ein niedriger Druck, das heißt ein möglichst hochwertiges Vakuum, eingestellt ist, findet im Ofenraum praktisch keine Konvektion statt, so dass eine wandseitige Heizeinrichtung im Wesentlichen Strahlungsleistung übertragen kann. Dabei kann die wandseitige Heizeinrichtung ggf. Wärmeverluste ausgleichen, die daraus resultieren, dass das im Ofenraum angeordnete Werkstück durch Strahlungswärme eine Wärmemenge kontinuierlich abgibt. Die wandseitige Heizeinrichtung kann also unterstützend eingesetzt sein, um die Temperaturverteilung im Werkstück noch weiter zu homogenisieren. Die Ofenheizeinrichtung kann auch vorgesehen sein lediglich zur Abgabe von Strahlungswärme in den Ofenraum. Die beiden Heizeinrichtungen - das heißt die Pressplattenheizeinrichtung und die Ofenheizeinrichtung - können sich ergänzen dahingehend, dass die Ofenheizeinrichtung die Ausstrahlung der Wärme weg vom Werkstück kompensiert, indem Strahlungswärme in das Werkstück eingestrahlt wird. Hierbei kann insbesondere an den seitlichen Kanten eine eventuell auftretende Kaltstelle am Werkstück vermieden werden. Je nach zu pressender Bauform des Werkstücks bzw. der Anforderungen kann die Ofenheizeinrichtung allerdings ggf. entbehrlich sein, da die Pressplatten-Heizeinrichtung eine vorteilhaft gleichmäßige Wärmeleistung über die Oberfläche des Werkstücks im konduktiver Übertragungsweise bereitzustellen vermag.
Eine Sensoreinrichtung kann in dem Fügeofen vorgesehen sein, welche zumindest ein Sensorsignal bereitstellt. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung die Position oder ausgefahrene Länge des Pressstempels erfassen, oder die Position der Pressplatte. Das Sensorsignal kann an eine Steuerungseinrichtung übergeben werden bzw. von dieser verarbeitet werden, welche hergerichtet ist zur Steuerung zumindest der Presseinrichtung im Ansprechen auf das zumindest eine Sensorsignal.
Die Sensoreinrichtung des Fügeofens kann einen Prozessparameter erfassen. Ein Prozessparameter kann die Dicke des Werkstücks, die Position eines Druckstempels oder Pressstempels der Presseinrichtung sein. Ein Prozessparameter kann auch die aufgebrachte Presskraft, ein Hydraulikdruck oder eine Wegstrecke der Presseinrichtung sein. Aus der von der Sensoreinrichtung erfassten Wertebasis, also einem der genannten Prozessparameter, kann im Folgenden ein Sensorsignal erzeugt werden. Es können mehrere Sensoreinrichtungen vorgesehen sein, um gleichzeitig verschiedene Prozessparameter zu erfassen. Eine weitere Sensoreinrichtung kann einen oder weitere Prozessparameter gleichzeitig zur ersten Sensoreinrichtung erfassen und somit zumindest ein oder mehrere weitere Sensorsignale erzeugen. Zur Steuerung des Fügeprozesses bzw. des Fügeofens können die ein oder mehreren Sensorsignalen verarbeitet werden, so dass ggf. unterschiedliche Prozessparameter bei der Steuerung Berücksichtigung finden.
Die Presseinrichtung kann eine Hydraulikeinrichtung umfassen, wobei die Presskraft mittels Aufbau eines hydraulischen Drucks aufgebaut wird. Die Presseinrichtung kann auch eine Elektrospindel umfassen, welche beispielsweise durch Rotation einen Vorschub erzeugt und dabei die Presskraft auf das Werkstück beaufschlagt.
Der Fügeofen kann eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe von Prozessparametervorgaben umfassen. Bei der Eingabeeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein benutzerbedienbares Terminal handeln. Prozessparametervorgaben, die vor Beginn des Fügevorgangs hinterlegt werden können, sind beispielsweise die gewünschte Prozesstemperatur, die Prozesszeit, dass oder die Materialien des Werkstücks, Parameter oder weitere Daten zum zugrundeliegenden Werkstoff und die Anzahl und/oder Beträge der Fügefläche bzw. Fügeflächen des Werkstücks.
Beispielsweise kann das Werkstück aus einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, also beispielsweise zumindest zwei unterschiedlichen Materialien, welche aufeinandergeschichtet sind, wobei jede zu fügende Fläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien zueinander als Fügefläche beschrieben ist. Bei einem plattenartigen Werkstück, welches beispielsweise 25 Schichten umfasst, sind somit im Werkstück 24 Fügeflächen angeordnet. Bei den Prozessparametervorgaben können auch Informationen über Hohlräume im Werkstück Berücksichtigung finden.
Der Fügeofen kann ferner eine Ausgabeeinrichtung umfassen, insbesondere zur Anzeige oder zur Auswahl von Prozessparametern und/oder einem Steuerungsprogramm. Beispielsweise können auf der Ausgabeeinrichtung Informationen dazu ausgegeben werden, in welchem Prozessschritt sich der Fügeofen gerade befindet.
Die Presseinrichtung kann einen Pressstempel umfassen, mit welchem die Presskraft übertragen wird, und/oder sie kann eine Pressplatte umfassen, mit der die Presskraft auf das Werkstück aufgebracht wird.
Die Presseinrichtung kann einen Presszylinder umfassen. Der Pressstempel kann mit dem Presszylinder verbunden sein, sodass der Presszylinder auf den Pressstempel mit der Presskraft einwirkt und den Pressstempel in Richtung des Werkstücks anstellt. Die Presseinrichtung kann ggf. mehrere Presszylinder umfassen, insbesondere 2, 3 oder 4 Presszylinder.
Es ist bevorzugt, mehrere Pressstempel einzusetzen, welche gemeinsam auf das Werkstück einwirken, insbesondere über die Pressplatte, die von den zwei oder mehr Pressstempeln möglichst homogen bzw. gleichmäßig über die Fläche verteilt mit Presskraft beaufschlagt wird. Die mehreren Pressstempel können nebeneinander angeordnet sein, sodass ein Array aus Pressstempeln auf die Pressplatte wirkt. Ziel ist dabei eine möglichst homogene Verteilung der Presskraft auf das zu fügende Werkstück, denn die Presskraft, die zum Fügen nötig ist, kann anderenfalls die Pressplatte bzw. das Presselement verformen, so dass das zu fügende Werkstück nicht gleichmäßig mit Presskraft beaufschlagt wird.
Der Hochtemperatur-Fügeofen kann ein Gehäuse umfassen. Beispielsweise können Heizeinrichtung, Heizraum, Werkstückaufnahme und/oder Presseinrichtung in dem Gehäuse beherbergt sein. Die Presseinrichtung kann mittels einer Pressenaufnahme an dem Gehäuse angeordnet sein und/oder sich an dem Gehäuse abstützen. Beispielsweise ist die Pressenaufnahme an dem Gehäuse befestigt oder liegt an dem Gehäuse an, sodass sich der an der Pressenaufnahme angeschlossene Presszylinder gegen das Gehäuse des Hochtemperatur-Fügeofens abstützen kann.
Zu dem Zweck der Abstützung der Presseinrichtung an dem Gehäuse kann das Gehäuse eine Stütz- oder Haltestruktur wie einen Stützrahmen oder Stützkäfig aufweisen. Die Stütz- oder Haltestruktur kann ein von dem Gehäuse getrenntes Bauteil sein, oder integral mit dem Gehäuse ausgebildet sein.
Die Stütz- oder Haltestruktur und/oder die Pressenaufnahme kann dabei beweglich und/oder verformbar ausgestaltet sein. So kann die Presseinrichtung beim Beaufschlagen des Werkstücks mit einer Presskraft sich gegen die Pressenaufnahme gegenstützen und dabei die Pressenaufnahme verschieben und/oder verformen, beispielsweise indem die Stütz- oder Haltestruktur verformt wird. Hierbei kann zwischen der Pressenaufnahme und der Presseinrichtung, insbesondere dem Presszylinder mit Pressstempel, eine Speicherkraft aufgenommen werden, ähnlich wie der Vorspannung einer Feder, sodass insbesondere bei Erhöhung der Presskraft auch die Presswirkung auf das Werkstück gleichmäßig bzw. sanfter erhöht werden kann. Durch die bewegliche und/oder verformbare Ausgestaltung der Pressenaufnahme bzw. der Stütz- oder Haltestruktur, kann ein Vorbereiten der Presseinrichtung geschehen, bei welchem die Presseinrichtung in eine Ausgangsposition vorbereitet wird, in welcher bereits eine Vorpresskraft auf das Werkstück aufgebracht wird.
Der Fügeofen kann derart hergerichtet sein, dass mittels der Beaufschlagung der Druckkraft durch die Presseinrichtung auf das Werkstück eine laterale Verschiebung und/oder Verformung der Pressenaufnahme erfolgt. Mit anderen Worten erzeugt das Beaufschlagen der Druckkraft auf die Pressenaufnahme, die als Widerlager für die Presse fungiert, das laterale Verschieben und/oder Verformen der Pressenaufnahme. Durch die Aufnahme von Druckkraft in der oder im Bereich der Pressenaufnahme wird dadurch eine Federwirkung erzeugt zwischen Pressenaufnahme und Presseinrichtung bzw. zwischen Pressenaufnahme, Presszylinder und Pressstempel.
Die Presseinrichtung kann dabei derart hergerichtet sein, dass zwischen Pressstempel und Gehäuse während eines Pressvorgangs bzw. dann, wenn eine Presskraft aufgebaut ist, eine Vorspannkraft aufbaubar ist. Das Vorhandensein einer Vorspannkraft in der Presseinrichtung erlaubt ein feineres Dosieren und somit genaueres Erfassen und/oder Nachführen der Stempelposition während des Pressvorgangs. Ferner erlaubt das Aufbauen der Vorspannkraft das genauere Einstellen bzw. Dosieren von Druckkorrekturen bzw. Presskraftkorrekturen.
Beispielsweise kann die Pressenaufnahme bei Beaufschlagung mit einer Druckkraft um mehr als 1 mm verschoben bzw. verformt werden, insbesondere mehr als 3 mm, weiter insbesondere mehr als 5 mm, oder auch mehr als 10 mm. Hierbei kann eine Art „Federspeicher“ gebildet werden, also eine Vorspannkraft. Die Pressenaufnahme kann im Übrigen weniger als 3 mm, bevorzugt weniger als 6 mm, weiter bevorzugt weniger als 12 mm verschoben bzw. verformt werden, wenn eine Druckkraft beaufschlagt wird; Mindest- und Maximalangaben der Auslenkung können als Intervall miteinander kombiniert werden, beispielsweise mehr als 3 mm und weniger als 6 mm als „im Bereich zwischen 3 bis 6 mm“.
Die Sensoreinrichtung kann hergerichtet sein, die Position des Druckstempels zu erfassen. Die Sensoreinrichtung kann auch dazu hergerichtet sein, die Presskraft zu erfassen, die auf das Werkstück beaufschlagt wird.
Die Steuerungseinrichtung kann hergerichtet sein, mittels Erfassung und Auswertung des oder der Sensorsignale, eine für das eingelegte Werkstück für einen Fügevorgang benötigte Presskraft zu ermitteln. Ferner kann die Steuerungseinrichtung die Presseinrichtung anhand der ermittelten benötigten Presskraft automatisch steuern. Mit anderen Worten steuert die Steuerungseinrichtung die Presseinrichtung unter Berücksichtigung der erfassten bzw. ausgewerteten Sensorsignale.
Die Steuerungseinrichtung kann gegebenenfalls ferner die Heizeinrichtung regeln bzw. steuern, sodass im Verlauf des Fügevorgangs zu verschiedenen Zeiten auch unterschiedliche Temperaturen vorgehalten werden können in der Heizkammer.
Der Fügeofen kann eine Befüll- und Entnahmeöffnung aufweisen. In einem Beispiel ist die Befüll- und Entnahmeöffnung mit einer Sicherheitsschaltung verbunden, die den Zustand der Öffnung erfasst.
Die Werkstückaufnahme kann in vorteilhafter Weise als Gegenpresselement für die Pressvorrichtung dienen. Die Presseinrichtung kann das Werkstück also gegen die Werkstückaufnahme pressen, sodass das Werkstück zwischen Presseinrichtung und Werkstückaufnahme eingespannt wird.
Die Steuerungseinrichtung kann zumindest ein wählbares Steuerungsprogramm bereitstellen. Das wählbare Steuerungsprogramm kann grundlegende Parameter vorwählen, beispielsweise eine typische Druckkraft, die für eine bestimmte Materialkombination häufig anwendbar ist, oder aber eine Mindestpressspannung, mit welcher der Fügevorgang begonnen werden kann. Das wählbare Steuerungsprogramm kann ein Vorbehandlungsprogramm und/oder ein Pressdurchführungsprogramm umfassen.
Die Steuerungseinrichtungen ist bevorzugt dazu hergerichtet, ein ausgewähltes Steuerungsprogramm im Ansprechen auf zumindest ein Sensorsignal vor allem während der Durchführung des Steuerungsprogramms anzupassen. Die Anpassung des Steuerungsprogramms kann dergestalt erfolgen, dass Prozessparameter, wie insbesondere die Presskraft, Temperatur und/oder Wegstrecke der Pressvorrichtung während des Fügevorgangs geändert bzw. beeinflusst werden.
Das zumindest ein Steuerungsprogramm kann auf einem Programmspeicher des Hochtemperatur-Fügeofens abgelegt sein. Die Steuerungseinrichtung kann eine speicherprogrammierbare Steuerung umfassen.
Der Fügeofen ist bevorzugt hergerichtet zur Durchführung von Fügeverfahren, beispielsweise im Falle von Metallen bzw. metallischen Werkstücken, bei Temperaturen von 1200 °C oder niedriger, bevorzugt 1000 °C oder niedriger, weiter bevorzugt 950 °C oder niedriger. Damit ist der Hochtemperatur-Fügeofen in der Lage, bei niedrigeren Temperaturen als bislang für Metalle bzw. metallische Werkstücke bekannt Diffusionsschweißverfahren durchzuführen und somit neue Materialien dem Diffusionsschweißen zuzuführen, welche bislang nicht mit diesem Verfahren bearbeitbar waren. Bei den niedrigeren Temperaturen ist einerseits der Zeitbedarf deutlich größer, um genügend Strahlungsenergie in das zu bearbeitende Werkstück einzutragen, andererseits kann es sogar sein, dass Einstrahlung und Ausstrahlung die Waage halten bzw. im Inneren des Werkstücks keine homogene Temperaturverteilung realisierbar war. Diese Probleme werden mit der hier vorgestellten Pressplatten-Heizeinrichtung gelöst. Der Fügeofen kann ferner hergerichtet sein zur Durchführung von Fügeverfahren bei Temperaturen von 450 °C oder höher, beispielsweise von 500 °C oder höher, bevorzugt von 550 °C oder höher und weiter bevorzugt von 600 °C oder höher.
Der Fügeofen kann auch hergerichtet sein zur Durchführung von Fügeverfahren, beispielsweise im Falle von Nicht- Metallen wie Kunststoffen, Keramiken oder entsprechenden Werkstücken, bei Temperaturen von 350 °C oder niedriger, bevorzugt 300 °C oder niedriger, weiter bevorzugt 250 °C oder niedriger, oder auch bei 200 °C oder niedriger. Auch dieser Temperaturbereich eröffnet somit den Zugang zu neuen Materialien für das Diffusionsschweißverfahren. Der Fügeofen kann ferner hierbei auch hergerichtet sein zur Durchführung von Fügeverfahren bei Temperaturen von 80 °C oder höher, beispielsweise von 100 °C oder höher, bevorzugt von 120 °C oder höher und weiter bevorzugt von 140 °C oder höher.
Die Erfindung beschreibt ferner ein Verfahren zum Diffusionsschweißen in einem Hochtemperatur-Fügeofen, insbesondere wie er vorstehend beschrieben wurde. Das Verfahren zum Diffusionsschweißen umfasst die Schritte: Befüllen des Fügeofens mit einem Werkstück; Anlegen zumindest einer Pressplatte einer Presseinrichtung an das Werkstück; Aufheizen des Werkstücks zum überwiegenden Teil mittels einer Pressplatten-Heizeinrichtung auf eine Fügetemperatur; Pressen des Werkstücks mit einer Presseinrichtung zur Durchführung insbesondere des Diffusionsschweißprozesses.
Das Verfahren kann weiter ausgebildet werden durch den Schritt: während des Pressens Temperieren oder Heizen der Pressplatte mittels der Pressplatten-Heizeinrichtung zur Homogenisierung der Temperaturverteilung im Werkstück.
Weiter kann das Verfahren ausgebildet werden durch den Schritt: während des Pressens Erfassen oder Ermitteln der für den Fügevorgang benötigten Presskraft, insbesondere mit einer automatischen Steuerungseinrichtung wie beispielsweise einer Speicherprogrammierbaren Steuerungseinrichtung (SPS); und Steuern der Presseinrichtung in Ansprechen auf die erfasste oder ermittelte, für den Fügevorgang benötigte Presskraft. Beispielsweise kann die benötigte Presskraft über den Pressweg ermittelt werden mittels Wegstreckenmessung.
Das Verfahren kann ferner weiter ausgebildet werden durch den Schritt wiederholtes Erfassen oder Ermitteln der für den Fügevorgang benötigten Presskraft, insbesondere in festen Zeitintervallen, und adaptives Steuern der Presseinrichtung in Ansprechen auf die wiederholt erfassten oder ermittelten Presskräfte.
Das Verfahren kann auch ferner mit dem Schritt weiter ausgebildet werden kontinuierliches Überwachen des Fügevorgangs mittels zumindest einer Sensoreinrichtung, und kontinuierliches Anpassen des Fügevorgangs bei Feststellung einer Abweichung eines überwachten Wertes von einem Sollwert.
Das Verfahren kann auch weiter ausgebildet werden mit dem Schritt vor dem Pressen des Werkstücks eingeben von Prozessparametervorgaben, insbesondere durch einen Benutzer.
Überdies kann auch der Schritt Berücksichtigen der Prozessparametervorgaben bei der Bereitstellung von Sollwerten für die automatisierte Prozesssteuerung eine Weiterbildung des Verfahrens darstellen.
In der vorliegenden Beschreibung ist auch eine beheizbare Pressplatte, insbesondere für einen Hochtemperatur- Fügeofen beschrieben, wie dieser vorstehend erläutert wurde. Die Pressplatte ist hergerichtet zum gleichmäßigen Aufträgen einer Presskraft auf ein in dem Hochtemperatur-Fügeofen eingelegtes Werkstück. Die Pressplatte ist gekennzeichnet dadurch, dass die Pressplatte mit einer integrierten Pressplatten-Heizeinrichtung ausgerüstet ist zum Heizen der Pressplatte und/oder des Werkstücks.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pressplatten-Heizeinrichtung in die Pressplatte integriert, bevorzugt vollständig integriert. Die Pressplatte kann eine mehrteilige Pressplatte sein, wobei insbesondere eine werkstückseitige Schicht und eine pressenseitige Schicht der Pressplatte umfasst ist. Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann zwischen der werkstückseitigen Schicht und der pressenseitigen Schicht angeordnet sein. Jedes Teil der Pressplatte, also insbesondere werkstückseitige Schicht, pressenseitige Schicht und ggf. Pressplatten- Heizeinrichtung kann aus einem gleichen Grundstoff bestehen, aber voneinander verschiedene Dotierungen aufweisen. Die Pressplatte kann Keramikmaterial umfassen. Die werkstückseitige Schicht und/oder die pressenseitige Schicht kann Keramikmaterial umfassen oder aus Keramikmaterial bestehen. Ferner kann die Pressplatten-Heizeinrichtung Keramikmaterial umfassen oder auch Metallmaterial oder aus Keramikmaterial oder Metallmaterial bestehen.
Das Keramikmaterial der beheizbaren Pressplatte kann zumindest eines aus kohlefaserverstärktem Graphit, kohlefaserverstärktem Siliziumcarbid, Titan-Zirkon-verstärktes Molybdän, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxidfaser verstärkte Oxidkeramik umfassen. Auch kann die werkstückseitige Schicht und/oder die pressenseitige Schicht aus einem der vorgenannten Materialien bestehen.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung der beheizbaren Pressplatte kann zumindest eines aus Wolfram, Molybdän, einer Nickelbasislegierung, wie Microfer, eine Nichtoxidkeramik, wie Siliziumcarbid oder Graphit, oder auch kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFG) umfassen oder daraus bestehen.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann plattenförmig ausgebildet sein. Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann auch mäanderförmig ausgebildet sein. Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann Kanäle oder Bahnen aufweisen. Die Kanäle oder Bahnen können die Pressplatte so gleichmäßig durchsetzen, dass das Material der Pressplatte höchstens einen Abstand zu einem der Kanäle oder Bahnen aufweist, der dem Doppelten einer Breite der Kanäle oder Bahnen oder weniger entspricht. Eine solche Verteilung der Kanäle oder Bahnen in der Pressplatte stellt eine möglichst homogene Wärmeverteilung für die Pressplatte bereit.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann elektrisch betreibbar eingerichtet sein, sodass sie Wärme abgibt, wenn sie mit Strom beaufschlagt wird. Alternativ oder kumulativ kann die Pressplatten-Heizeinrichtung fluiddurchströmbar eingerichtet sein, sodass sie Wärme abgibt, wenn sie mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird.
Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann vorzugsweise zwei oder mehr Heizplatten aufweisen. Die Pressplatten- Heizeinrichtung kann auch ein Verbindungsstück aufweisen zum Verbinden von zwei oder mehreren Teilbereichen, wie z.B. Heizplatten, wobei das Verbindungsstück insbesondere Graphit umfasst oder daraus besteht.
Das Verbindungsstück kann reversibel verformbar ausgelegt sein, sodass es sich unter Beaufschlagung einer Druckkraft verformt, insbesondere breiter wird, und den elektrischen Kontakt zwischen den Teilbereichen der Pressplatten- Heizeinrichtung verbessert oder herstellt. Mit anderen Worten ist das Verbindungsstück so in der Pressplatten-Heizeinrichtung angeordnet, dass in dem Moment, wenn auf die Pressplatte eine Druckkraft beaufschlagt wird, vermittels des Verbindungsstücks der elektrische Kontakt zwischen den Teilbereichen der Pressplatten-Heizeinrichtung verbessert wird oder gar erst hergestellt wird und somit die Betriebssicherheit der Pressplatten-Heizeinrichtung verbessert. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass die auf die Pressplatte aufgetragenen Druckkräfte sehr groß sind und geeignete Materialien einerseits dadurch gekennzeichnet sind, dass sie in den gegebenen Bedingungen von Druck und Temperatur Bestand halten und andererseits die eingesetzten Materialien im Fügeergebnis nicht abgezeichnet werden. Beispielsweise sind unterschiedlich dichte Materialien oft dadurch erkennbar, dass sich diese wie bei einem Stempel auf das zu bearbeitende Werkstück einprägen und man im fertigen Werkstück die Anordnung von verschieden dichtem Material oder jedenfalls unterschiedlich hartem Material wiedererkennen kann. Dies soll möglichst verhindert werden. Auch dies kann mit der hier vorgestellten Pressplatten-Heizeinrichtung erreicht werden.
Die beheizbare Pressplatte kann genau zu diesem Aspekt ferner eine Druckausgleichsschicht umfassen. Die Druckausgleichsschicht kann vollflächig ausgelegt sein und ggf. flexibel oder kompressibel eingerichtet sein. Die Druckausgleichsschicht kann benachbart zur Pressplatten-Heizeinrichtung angeordnet sein, also beispielsweise auf die Pressplatten-Heizeinrichtung aufgelegt und ggf. die Pressplatten-Heizeinrichtungen vollständig abdecken. Die Druckausgleichsschicht kann eine Graphitfolie sein. Die Druckausgleichsschicht ermöglicht eine weitere Homogenisierung der Druckkraft über die Pressplatte, wobei lokale Unterschiede der Härte bzw. Dichte der eingesetzten Materialien für die Pressplatten-Heizeinrichtung nicht oder wesentlich weniger zu einem stempelartigen Abdruck im zu fügenden Werkstück führen.
Die pressenseitige Schicht und/oder die werkstückseitige Schicht kann als Kachelteppich, insbesondere als Keramik- Kachelteppich ausgebildet sein. Der Einsatz von kleinteiligen Komponenten, wie insbesondere einem Kachelteppich, kann dazu führen, dass Unebenheiten, beispielsweise Ränder der Heizeinrichtung, ausgeglichen werden können und eine Kraftverteilung über die Kacheln des Kachelteppichs und somit über die Pressplatte erfolgen kann. Die Pressplatten-Heizeinrichtung kann in einer Heizebene angeordnet sein, d.h. mit anderen Worten, dass die Pressplatten-Heizeinrichtung sich auf einen vertikalen Bereich in der Pressplatte beschränkt und unterseits wie auch oberseits von Pressplattenmaterial umschlossen ist. Zwischen Komponenten der Pressplatten-Heizeinrichtung können Keramikkacheln angeordnet sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Hochtemperatur-Fügeofens in Seiten-Schnittansicht mit eingelegtem Werkstück, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Hochtemperatur-Fügeofens in Seiten-Schnittansicht, wobei die Presseinrichtung an das Werkstück angelegt ist bzw. eine Presskraft ausübt,
Fig. 3 Draufsicht auf eine Heizplatte eine Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 4 Seiten-Schnittansicht einer Heizplatte,
Fig.5 Seitenansicht einer Heizplatte,
Fig. 6 perspektivische Ansicht einer durchgehenden Heizplatte,
Fig. 7 perspektivische Stufen-Schnittansicht einer durchgehenden Heizplatte,
Fig. 8 perspektivische Teilschnittansicht einer Pressplatten-Heizeinrichtung mit geteilter Heizplatte,
Fig. 9 Seiten-Schnittansicht der Ausführungsform der Fig. 8,
Fig. 10 Aufsicht auf eine geteilte Heizplatte,
Fig. 11 Seitenansicht einer Heizplatte,
Fig. 12 Seitenansicht auf eine Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 13 Aufsicht auf eine Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 14 perspektivische Ansicht einer Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 15 perspektivische Teil-Schnittansicht einer Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 16 weitere perspektivische Teil-Schnittansicht einer Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 17 perspektivische Ansicht eines flexiblen Verbinders für eine Pressplatten-Heizeinrichtung,
Fig. 18 Seitenansicht auf einen flexiblen Verbinder,
Fig. 19 perspektivische Teil-Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung mit Keramikmäander,
Fig. 20 perspektivische Teil-Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Pressplatte mit Pressplatten-Heizeinrichtung mit Keramikkacheln,
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines Hochtemperatur-Fügeofens,
Fig. 22 eine weitere perspektivische Ansicht eines Hochtemperatur-Fügeofens,
Fig. 23 eine perspektivische Ansicht eines Hochtemperatur-Fügeofens mit Peripherieanbauten, Fig. 24 Draufsicht auf einen Hochtemperatur-Fügeofen,
Fig. 25 perspektivische Ansicht eines Hochtemperatur-Fügeofens, Fig. 26 ein Ablaufdiagramm für ein Fügeverfahren.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Hochtemperatur-Fügeofens 1 mit einer im Inneren des Gehäuses 12 angeordneten Heizkammer 15, in welchem ein Werkstück 50 für einen späteren Pressvorgang angeordnet ist. Der Fügeofen 1 weist eine Befüll- bzw. Entnahmeöffnung 11 auf, durch welches das Werkstück 50 - oder auch mehrere Werkstücke 50 bzw. eine Charge - in die Heizkammer 15 eingebracht oder aus dieser herausgeholt werden kann. Das Werkstück 50 liegt auf der Werkstückaufnahme 34, die an der Unterseite der Heizkammer 15 angeordnet ist. Die Werkstückaufnahme 34 kann das Gegenpresselement 38 sein bzw. als Gegenpresselement 38 ausgebildet sein oder an dem Gegenpresselement 38 angeordnet sein. Im Beispiel der Figur 1 liegt das Werkstück 50 direkt auf dem Gegenpresselement 38 auf, welches zugleich die Werkstückaufnahme 34 ausbildet. Je nach Ausgestaltung des Werkstücks 50 kann die Werkstückaufnahme 34 auf dem Gegenpresselement 38 aufgesetzt sein.
Die Presseinrichtung 20 ist in dieser Ausführungsform an der Oberseite des Gehäuses 12 des Fügeofens 1 angeordnet, um von oben auf das Werkstück 50 und gegen die Werkstückaufnahme 34 bzw. das Gegenpresselement 38 eine Presskraft entfalten zu können. Eine Mehrzahl von Pressstempeln 32 - im gezeigten Beispiel der Figur 1 vier Presstempel 32 - sind mit einem Presszylinder 24 verbunden. Der Presszylinder 24 ist beispielsweise ein Hydraulikzylinder, wobei die Pressstempel 32 von dem Presszylinder 24 über das Übertragungsstück 26 in Richtung des Werkstücks 50 angestellt werden. Ein Druckverteilelement 22 ist in dem Aufnahmebereich 6 des Gehäuses 12 angeordnet, um die Presskraft der Presseinrichtung 20 auf die Mehrzahl von Presstempeln 32 zu verteilen.
Anstelle der Mehrzahl von Pressstempeln 32 kann ggf. auch ein einziger Pressstempel 32 eingesetzt sein. Mittels der Mehrzahl von Pressstempeln 32, z. B. 4, 8 oder 12 Pressstempel 32, kann einerseits die Presskraft gleichmäßig(er) auf das Presselement 36 verteilt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe der Mehrzahl von Pressstempeln 32 auch eine verbesserte thermische Abdichtung der Heizkammer 15 erreicht werden, da jeder Pressstempel 32 nur eine vergleichsweise kleine Öffnung in der Isolierung 16 der Heizkammer 15 bedarf, so dass die Energieverluste aus der Heizkammer 15 geringer ausfallen können. Zudem können mittels des Einsatzes der Mehrzahl von Pressstempeln 32 auch die thermischen Energieverluste besser über die Außenoberfläche der Heizkammer 15 egalisiert werden und insgesamt eine verbesserte Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Heizkammer 15 erreicht werden. Dies gilt sinngemäß auch für die Gegenpressstempel 29 auf der Unterseite der Heizkammer 15, wobei die Erwägungen der homogeneren Druckverteilung über das Gegenpresselement 38 wie auch der geringeren und/oder gleichmäßigeren Wärmeverluste Berücksichtigung finden.
Ein Presskrafterzeuger 28, in diesem Beispiel eine Hydraulikeinheit 28, beaufschlagt den Presszylinder 24 mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit, sodass dieser von dem Presskrafterzeuger 28 abstellt bzw. ausrückt und an das Werkstück 50 anstellt. Beispielsweise können Motoreinheiten 3 den Hydraulikdruck im Presskrafterzeuger 28 erzeugen.
Oberseitig ist eine erste Sensoreinrichtung 4 angeordnet, mittels welcher eine Wegmessung des Presszylinders 24 erfolgt. Der erste Sensor 4 erfasst demnach den Abstand des Presszylinders 24 oder den Abstand des Pressstempels 32 oder das Ausfahren (den Hub) des Presszylinders 24 und stellt daraus ein erstes Sensorsignal bereit. Im Presskrafterzeuger 28 und/oder im Presszylinder 24 kann ein weiterer Sensor 5 angeordnet sein, beispielsweise zur Messung des Hydraulikdrucks, um daraus eine Information über die aufgebrachte Presskraft abzuleiten und als Sensorsignal bereitzustellen. Die Werkstückaufnahme 34 ist innerhalb der Heizeinrichtung 14 angeordnet, um das Werkstück 50 im Heizraum 15 aufzunehmen. Auch um die den Heizraum 15 beherbergende Isolierung 16 möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist die Werkstückaufnahme 34 mit einer Mehrzahl von Gegenpressstempeln 29 versehen, die die Kraftverteilung möglichst gleichmäßig von dem Gegenpresselement 38 abführen, so dass das Gegenpresselement 38 einer möglichst geringen Verformung ausgesetzt ist. Da die Gegenpressstempel 29 durch die Isolierung 16 hindurchführen, und die Isolierung 16 möglichst wenig beeinträchtigt werden soll, kann insgesamt eine vergleichsweise geringe Durchbruchsfläche verursacht werden bzw. die Gegenpressstempel 29 besser thermisch abgedichtet werden.
Weiter unterseitig ist eine zweite Sensoreinrichtung 42 angeordnet, die beispielsweise die auf das Werkstück 50 beaufschlagte Presskraft erfassen kann. So handelt es sich bei der zweiten Sensoreinrichtung 42 beispielsweise um einen Drucksensor. Es kann auch eine Mehrzahl von zwei oder mehr Drucksensoren als zweite Sensoreinrichtung 42 eingesetzt sein, beispielsweise jeweils eine im Bereich einer Gegenpressstempel 29, so dass die auf das Gegenpresselement 38 wirkende Druckverteilung erfassbar und als Sensorsignal ausgebbar ist. Somit kann erfasst werden, ob die Druckverteilung auf das Werkstück bzw. die Charge 50 in der gewünschten Weise erfolgt, also beispielsweise homogen über das Werkstück bzw. die Charge 50.
In einer alternativen Ausführungsform kann auf das Werkstück bzw. die Charge 50 von beiden Seiten aus eine Presskraft ausgeübt werden. Beispielsweise kann die Ausführungsform der Fig. 1 so modifiziert werden, dass anstelle der (passiven) Unterbaugruppe, die insbesondere Gegenpressstempel29 und Gegenpresselement 38 umfasst, eine weitere Presseinrichtung 20' an der Unterseite des Hochtemperatur-Fügeofens angeordnet sein.
Eine automatische Prozesssteuerung 44 ist in diesem Beispiel im Bereich der Unterkonstruktion 8 des Fügeofens 1 angeordnet. Mittels der Eingabeeinrichtung 48 und der Ausgabeeinrichtung 46, beispielsweise Tastatur 48 und Bildschirm 46, sind Ein- und Ausgaben an die Steuerungseinrichtung 44 und somit eine manuelle Einflussnahme auf den Prozessablauf bzw. Eingabe von Prozessparametern ermöglicht.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Hochtemperatur-Fügeofen 1, bei welchem die oberseitige Pressplatte 36 die Pressplatten- Heizeinrichtung 62 und das Gegenpresselement 38 die Pressplatten-Heizeinrichtung 64 aufweist, können die beiden Pressplatten-Heizeinrichtungen 62, 64 in Form und Funktion ähnlich bzw. identisch aufgebaut sein, vor allem dann, wenn sowohl Pressplatte 36 als auch Gegenpresselement 38 in Form von Pressplatten bereitgestellt werden. Wenn beide Platten 36, 38 mit einer Pressplattenheizeinrichtung 62, 64 ausgerüstet sind, kann die Wärmeverteilung im Werkstück 50 noch weiter homogenisiert werden und ggf. die Zeitdauer zum Aufheizen des Werkstücks 50 weiter verringert werden.
Ferner zeigt Fig. 1 auch die Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung der Pressplatten-Heizeinrichtungen 62, 64 mittels Kontaktierungseinrichtungen 100, wobei der Verlauf des Stromflusses über das Verbindungselement 112, der Durchführung 114 zum externen Kontakt 116 verläuft. Weitere Details der Kontaktierungseinrichtungen 100 sind in Figuren 17 und 18 zu finden.
Bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Presseinrichtung 20 in einer Betriebsposition dargestellt, wobei die Pressplatte 36 an das Werkstück 50 vollständig angestellt ist und eine Presskraft auf das Werkstück 50 beaufschlagt wird. Der Presszylinder 24 bzw. das Übertragungsstück 26 ist hierbei in ausgerückter Position dargestellt. Die Pressstempel 29 und 32 sind in dieser Ausführungsform mit je einem Druckverteilstück 37 ausgerüstet, die in dem Winkel zwischen Pressplatte 36 und jeweiligem Pressstempel 32 angeordnet sind und dabei unterstützen, die Presskraft noch homogener auf die Pressplatte 36 zu übertragen.
Die von der Presseinrichtung 20 auf das Werkstück 50 beaufschlagten Presskraft kann von dem bzw. den Drucksensor(en) 42 detektiert werden, wobei dies als Sensorsignal 170 an die Steuereinrichtung 44 übermittelt wird. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform der Fig. 2 derjenigen, welche mit Fig. 1 gezeigt und beschrieben ist. Auch Fig. 2 zeigt die elektrische Kontaktierung der Pressplattenheizeinrichtungen 62, 64 mittels elektrischer Kontaktierungseinrichtungen 100. Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Heizplatte 62 zum Einsatz in einem Hochtemperatur-Fügeofen 1. Die Pressplatten-Heizeinrichtung 62 weist in der gezeigten Draufsicht eine Heizelement-Deckschicht 72 auf, in welcher Aufnahmen 68 für Befestigungsmittel vorgesehen sind. Seitlich stehen auf beiden Seiten je ein Anschlussüberstand 66 über das Maß der Deckschicht 72 über, wobei die Anschlussüberstände 66 zum Heizelement 74 zugehörig sind.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer Pressplatten-Heizeinrichtung 62, wobei der dreischichtige Aufbau mit Heizelement- Deckschicht 72, Heizelement 74 und Heizelement-Bodenschicht 76 erkennbar ist.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht der Pressplatten-Heizeinrichtung 62, wobei ebenfalls die drei Schichten 72, 74, 76 und der Anschlussüberstand 66 des Heizelements 74 erkennbar sind. Das Heizelement 74 wird seitlich von seitlichen Umfassungen 72a, 76a eingefasst, sodass es mit Ausnahme der Anschlussüberstände 66 allseits von Deckschicht 72 und Bodenschicht 76 umschlossen ist. Die Anschlussüberstände 66 dienen dazu, die zum Heizen nötige Energie in das Heizelement 74 einzubringen. Beispielsweise kann vermittels der Anschlussüberstände 66 ein elektrischer Kontakt hergestellt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer Pressplatten-Heizeinrichtung 62 gezeigt. Beispielsweise kann die in Fig. 6 gezeigte Heizeinrichtung 62 der mit Fig. 3 bis 5 gezeigten Heizeinrichtung 62 übereinstimmen. Gleiche Bezugszeichen stehen in allen Figuren für gleiche Elemente bzw. Bauteile. Bezugnehmend auf Fig. 7 ist die Ausführungsform der Fig. 6 in einem Stufenschnitt gezeigt, wobei der dreilagige Aufbau aus Deckschicht 72, Heizelement 74 und Bodenschicht 76 erkennbar ist, wie auch die Umfassung des Heizelements 74 vermittels der Umfassungen 72a, 76a.
Mit Bezug auf Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform einer Pressplatten-Heizeinrichtung 62 gezeigt mit einer geteilten Heizplatte 74. Mit anderen Worten sind zwei Heizplatten 74 vorgesehen, welche gemeinsam von der Deckschicht 72 und der Bodenschicht 76 umfasst sind. Die Heizelemente 74 stehen miteinander über die Kontaktlippen 67 und dem Verbindungsstück 78 im elektrischen Kontakt miteinander, sodass von einem ersten Anschlussüberstand 66 über das erste Heizelement 74, die Kontaktklippen 67 bzw. das Verbindungsstück 78, das zweite Heizelement 74a und dem zweiten Anschlussüberstand 66a ein elektrischer Stromfluss aufgebaut werden kann. Fig. 9 zeigt das Heizelement 62 der Fig. 8 in einem Querschnitt, wobei das Verbindungsstück 78 ersichtlich ist. Fig. 10 und 11 zeigen eine einzelne Heizplatte 74, insbesondere als Teilstück einer geteilten Heizplatte bzw. Heizebene, wobei der Anschlussüberstand 66 und die Kontaktlippe 67 erkennbar sind.
Die Aufteilung auf mehrere kleinere Heizplatten 74, 74a, 74b, 74c anstelle einer durchgehenden großen Heizplatte kann mehrere Gründe haben. Einerseits wurde festgestellt, dass eine durchgehende große Heizplatte 74 im Betrieb eher zu Bruch neigt und somit früher ausfallen kann als bei Einsatz mehrerer kleinerer Heizplatten 74, 74a, 74b, 74c. Des Weiteren können eventuell gewünschte Materialien zur Herstellung der Pressplatten 74, 74a, 74b, 74c zum Zeitpunkt der Erstellung der vorliegenden Anmeldung gar nicht in Größen hergestellt werden, die einem Vollformat einer aktuellen Pressplatte 36 entsprechen. Schließlich wurde auch im Rahmen der vorliegenden Erfindungslegung festgestellt, dass der Einsatz kleinerer Heizplatten 74, 74a, 74b, 74c den Vorteil aufweist, dass besser nach eventuell vorhandenen Materialfehlern selektiert werden kann, und überdies ein eventuell vorhandener Materialfehler (Riss, Abplatzung, Fehlkörnung, Pore bzw. Hohlraum, etc.) in der Heizplatte 74, 74a, 74b, 74c weniger zu einem Bruch führt, da die auftretenden Biegemomente (und Auslenkungen im Betrieb) deutlich kleiner sind, und somit mehr Materialfehler toleriert werden können, was insgesamt zu einer Kostensenkung bei der Herstellung beiträgt.
Bezugnehmend auf Fig. 12 ist eine in eine Pressplatte 36 eingebaute Pressplatten-Heizeinrichtung 62 dargestellt, wobei die Pressplatte ein pressenseitiges Pressplattenelement 71 , ein Werkstück-Pressplattenelement 77 und eine zwischen diesen beiden Schichten eingesetzte Pressplatten-Heizeinrichtung 62 aufweist. Diese Schichten sind miteinander mittels der Befestigungsmittel 80 verbunden, beispielsweise verschraubt.
Bezugnehmend auf Fig. 13 ist eine Aufsicht auf eine Pressplatte 36 mit Pressplatten-Heizeinrichtungen 62 dargestellt. Die Ausführungsform der Fig. 13 ist in Fig. 14 in perspektivischer Darstellung wiedergegeben. Die Pressplatten-Heizeinrichtung 62 ist zwischen dem pressenseitigen Pressplattenelement 71 und dem Werkstück-Pressplattenelement 77 eingefasst und mit Schrauben 80 verschraubt. Bezugnehmend auf Fig. 15 ist die Ausführungsform der Fig. 13 und 14 in einem Stufenschnitt gezeigt, wobei die mehreren Heizelemente 74, 74a, 74b, 74c zutage treten. Die Heizelemente 74, 74a, 74b, 74c sind mittels Verbindungsstücken 78 miteinander elektrisch kontaktiert. Fig. 16 zeigt dieselbe Pressplatte 36 noch einmal in einem weiteren Stufenschnitt, sodass die vier Heizelemente 74, 74a, 74b, 74c zutage treten. Die vier Heizelemente 74 sind in einer gemeinsamen Heizelement-Ebene angeordnet, d.h. nebeneinanderliegend.
Die Heizelemente sind, da sie in der Pressplatte 36 angeordnet sind, im Betrieb typischerweise einer Bewegung ausgesetzt. So wird die Pressplatte 36 an das Werkstück angestellt und je nach Größe des Werkstücks etc. ist die Pressplatte 36 in Betrieb an einer unterschiedlichen Einsatzposition. Um die unterschiedliche Position bzw. Bewegung der Heizelemente 74 auszugleichen, sind wie in Fig. 17 gezeigte flexible Kontaktierungseinrichtungen 100 vorgesehen, welche nicht nur Positionsänderungen ausgleichen können, sondern auch Bewegungen, wie Stoßbewegungen oder Vibrationsbewegungen der Pressplatte bzw. der Presseinrichtung 20 auszugleichen vermag. Hierfür weist die Kontaktierungseinrichtung 100 ein flexibles Ausgleichselement 104 auf, welches Schwingungen und Vibrationen dämpft und entkoppelt. Die Kontaktierungseinrichtung 100 ist mit einer Heizelementklemme 102 am Heizelement 74 befestigt, wobei der Anschlussüberstand 66, 66a geklemmt bzw. umschlossen wird. Auch ein Festschrauben am Anschlussüberstand 66 ist möglich. Oberseitig weist die Kontaktierungseinrichtung 100 ein Kontaktelement 106 auf, beispielsweise um dort ein Kupferband zur weiteren Stromführung anzuschließen. In dieser Ausführungsform sind an einem Heizelement 74 zwei Kontaktierungseinrichtungen 100 angeschlossen zur Stromzu- und -abführung.
Fig. 18 zeigt die Kontaktierungseinrichtung 100 in einer Schnittdarstellung, wobei die Befestigung an dem Anschlussüberstand 66 mit weiteren Details versehen ist, wobei die Stehbolzenaufnahme 108 und der Stehbolzen 110 im Querschnitt dargestellt sind. In Fig. 18 ist eine Kontaktierungseinrichtung 100 an zwei Heizelemente 74 angeschlossen, wobei zur besseren graphischen Sichtbarkeit nur eine Anschlussseite dargestellt ist. Typischerweise wird eine zweite Kontaktierungseinrichtung 100 eingesetzt, so dass ein Stromkreis bzw. Stromfluss durch das bzw. die Heizelemente 74, 74a erfolgen kann.
Bezugnehmend auf Fig. 19 ist eine weitere Ausführungsform einer Heizeinrichtung 62 dargestellt, wobei das Heizelement 74 in Form eines Keramikmäanders bereitgestellt ist. Das Heizelement 74 könnte beispielsweise auch als ein Graphit-, Molybdän oder CFC-mäander ausgeführt sein. Das Keramikmäander 74 ist elektrisch leitfähig, sodass ein Stromfluss vom ersten Anschlussüberstand 66 durch das Keramikmäander 74 zum zweiten Anschlussüberstand 66a realisiert werden kann. Die Heizeinrichtung 62 ist in eine Pressplatte 36 eingefasst, wobei die Pressplatte die Pressplattenelemente 71 , 77 aufweist. Die Befestigungsmittel 80 sind in dieser Ausführungsform aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt. Beispielsweise könnten die Platten miteinander verklebt sein, typischerweise wird aufgrund der hohen Einsatztemperatur eine Verschraubung vorteilhaft sein.
Bezugnehmend auf Fig. 20 ist noch eine weitere Ausführungsform des Pressplatten-Heizelements 62 dargestellt, wobei die Heizelement-Deckschicht 72 und die Heizelement-Bodenschicht 76 als Kacheln ausgeführt sind. Das Heizelement 74 ist entsprechend in die Kacheln 72, 76, 82 eingebettet. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass ggf. vorhandene Unebenheiten oder Stöße ausgeglichen werden und dementsprechend weniger stark als Einschränkung im Werkstück 50 sichtbar sind.
Bezugnehmend auf Fig. 21 und 22 ist ein Hochtemperatur-Fügeofen 1 dargestellt, wobei ein Außenrahmen 7, 9, 10 umfasst ist zur Abstützung der Presseinrichtung 20. Der Presszylinder 24 wird von dem Stützrahmenelement 10 gelagert, so dass die Presskraft von der Presseinrichtung 20 auf das im Inneren des Hochtemperatur-Fügeofens 1 angeordnete Werkstück 50 (vgl. z.B. Fig. 1 , 2) abgegeben werden kann. Bei Beaufschlagung mit der Presskraft wird die Gesamtkraft vom Außenrahmen 7, 9, 10 aufgenommen, der sich in Betrieb in eine Richtung weg vom Fügeofen 1 aufbiegen kann. Das Aufbiegen des Außenrahmens 7, 9, 10 stellt eine dynamische Lagerung für die Presseinrichtung 20 bereit, so dass von dem Außenrahmen 7, 9, 10 ein Pressenwiderlager 18 gebildet ist. In Fig. 23 ist ein Lagesensor 5 vorgesehen, mit welchem die Lageverschiebung des Pressenwiderlagers 18 erfasst werden kann. Mittels der Lageverschiebung kann ebenfalls ein Rückschluss auf die mit der Presseinrichtung 20 beaufschlagte Presskraft gezogen werden, und die Information als Sensorsignal bereitgestellt werden.
Figuren 23 bis 25 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Hochtemperatur-Fügeofens 1 , welcher nun mit weiteren Anbauteilen vervollständigt dargestellt ist. Ein Unterdruckerzeuger 54 beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, stellt eine Unterdruckabsaugung bereit, so dass der Fügeprozess im Hochtemperatur-Fügeofen 1 im Bereich eines Vakuums, insbesondere eines Hochvakuums oder eines Ultrahochvakuums, durchgeführt werden kann. Der Presskrafterzeuger 28 ist in ein separates Gehäuse ausgelagert, so dass dort ggf. eine größere Einheit untergebracht werden kann. Eine Eingabe- und/oder Ausgabeeinrichtung 48, 46 ist in ein Benutzerterminal 45 ausgelagert, welches die SPS 44 sowie Eingabe/Ausgabe 48, 46 umfasst.
Bezugnehmend auf Fig. 26 ist ein Ablaufdiagramm eines Fügeverfahrens 200 gezeigt. In einem ersten Schritt 210 wird die Anlage mit einem Werkstück 50 bzw. einer Charge aus einem oder mehreren Werkstücken befüllt. Dies wird typischerweise von einem Anwender durchgeführt, kann aber auch automatisiert erfolgen. In einem Schritt 220 erfolgt die Parametrisierung der Anlage 1. Hierbei können mit einer Eingabeeinrichtung 48 verschiedene Vorgaben, wie insbesondere die Materialien und Fügeflächen des Werkstücks bzw. der Charge 50, in der Steuereinrichtung 44 hinterlegt werden. Beispielsweise kann auch die beabsichtigte Stauchung des Werkstücks 50 bzw. der Charge in Prozent oder Wegstrecke, z.B. in Millimetern, eingegeben werden. Es können beispielsweise auch Temperaturvorgaben hinterlegt werden. Die eingegebenen Parameter des Schritts 220 können an eine Steuerungseinrichtung 44 übertragen werden. Die Steuerungseinrichtung 44 kann dann einen Satz von Steuerparametern erzeugen. Nach dem Verschließen der Befüllöffnung 11 ist der Fügeofen 1 nunmehr betriebsbereit. Es beginnt die Prozessphase 230, z.B. mit von der Steuerungseinrichtung 44 bereitgestellten Temperaturparametern. Hernach erfolgt eine Vorbereitung der Presse 20. Dies kann beinhalten, einen Vordruck auf die Pressvorrichtung 20 zu geben, sodass das Widerlager 18 eine Verschiebung bzw. Verformung oder Vorspannung erfährt und somit eine Ausgangsstellung der Pressvorrichtung 20 eingenommen werden kann. Währenddessen, oder auch davor oder danach, erfolgt das Aufheizen des Werkstücks 50 in der Heizphase 230. Hierbei wird die Pressplatten-Heizeinrichtung 62, 64 erhitzt und die Wärme an das Werkstück 50 gleichmäßig konduktiv abgegeben.
Anschließend wird der Pressvorgang bzw. der Fügevorgang in Schritt 240 durchgeführt, ggf. kann dies von der automatischen Prozesssteuerung 44 überwacht und angepasst werden. Sensoren 4, 5, 42 können hierbei ggf. Sensorsignale bereitstellen, welche von der Prozesssteuerung 44 verarbeitet werden. Die vorbereiteten Steuerparameter können ggf. in Ansprechen auf die von den Sensoren 4, 5, 42 bereitgestellten Sensorsignale überprüft bzw. angepasst werden. Sofern es zu einer Anpassung der Steuerparameter kommt, wird mit den angepassten Steuerparametern das Fügeverfahren 240 modifiziert weiter fortgeführt. Dies kann als Regelschleife ausgeführt sein und beispielsweise iterativ durchgeführt werden, sodass im Laufe des Fügeverfahrens eine verbesserte Parameterkonfiguration eingestellt werden kann und ein verbessertes Fügeergebnis erzielt werden kann. Mit andere Worten wird in einem Beispiel eine Stauchung des Werkstücks 50 um X % vorgegeben. Dies geschieht in einer gewissen Zeit, welche von der Steuerung berechnet werden kann. Es erfolgt eine Anfangsbeaufschlagung einer Presskraft und mit Schritt 240 der eigentliche Pressvorgang. Während der Durchführung des Pressvorgangs 240 kann ggf. überprüft werden, ob die entsprechende Strecke pro Zeiteinheit erreicht wurde und verändert ggf. die Presskraft.
Hierbei kann z.B. ein ansteigender Pressdruck hinterlegt sein, welcher im Laufe des Fügeverfahrens 240 adaptiv nachgeführt werden kann. Auch eine maximale oder gewünschte Auslenkung des Presszylinders 24 auf einen gewünschten Endwert kann im Satz der ursprünglichen Steuerparameter bereits hinterlegt sein. Während der Überprüfung bzw. Anpassung von Steuerparametern kann auch festgestellt werden, ob der gewünschte Endwert für die Auslenkung des Presszylinders 24 und/oder die Verformung des Werkstücks erreicht werden kann, ohne gegebenenfalls einen Pressdruck zu überschreiten, mit welchem das Werkstück bzw. die Charge 50 möglicherweise eine Beschädigung oder übermäßige Verformung erfahren könnte.
In einem Schritt 250 kann sich gegebenenfalls eine Nachbehandlung des Werkstücks bzw. der Charge 50 anschließen. Dies kann ein weiteres Temperieren, weiteres Erhitzen oder ein Abkühlen mit einer definierten Temperaturkonstante sein. Im Anschluss an die Nachbehandlung 250 ist das Werkstück bzw. die Charge 50 ausreichend abgekühlt und kann in Schritt 260 aus der Anlage 1 entnommen werden.
In der vorliegenden Beschreibung konnte somit in einer Vielzahl von Beispielen, die auch einzeln miteinander kombinierbare Merkmale enthalten, eine funktionsfähige Lösung dargelegt werden, wie mittels Integration einer Heizeinrichtung 62, 64 direkt in die Pressplatte 36, 38 insbesondere mittels konduktiver Wärmeübertragung die Homogenität der Wärmeverteilung im Werkstück 50 verbessert werden kann und/oder die Zeitdauer zur Erwärmung des Werkstücks 50 verringert werden kann. Zudem können hiermit nunmehr Materialien mittels Diffusionsschweißens verarbeitet werden, die zuvor aufgrund der notwendigen niedrigen Temperaturbereiche diesem Verfahren nicht offenstanden.
Eine konduktive Beheizung der Pressplatten 36, 38 durch ein oder mehrere Heizelemente, 74, 74a, 74b, 74c, die ggf. aus Keramik oder auch aus einem anderen Heizerwerkstoff hergerichtet sein können, hat sich hierfür als vorteilhaft erwiesen. Die Heizung 62 ist bevorzugt eine elektrische Widerstandsheizung die elektrisch isoliert integriert ist. Zur Unterstützung kann eine Umfangsheizung 14 vorgesehen sein, um die Temperatur am Rand und in den Ecken des Bauteils 50 zu vergleichmäßigen. Die Stütz- bzw. Umfangsheizung kann vertikal verschoben werden. Die Stützheizung kann ggf. in unterschiedliche Temperaturzonen aufgetei It werden. Es können ggf. wassergekühlte Druckverteilplatten 36, 38 eingesetzt werden. Ein flexibler Heizeranschluss 100 kann z.B. über Kupferbänder 112 realisiert werden.
Eine Zielsetzung ist es, das Diffusionsschweißen von großformatigen Bauteilen (ggf. größer als DIN A3-Format) effizienter gestalten zu können. Effizienz bezieht sich dabei zum einen auf den Energiekonsum pro Schweißzyklus sowie auch auf die Dauer eines Fügezyklus. Realisiert werden kann dies durch ein Erwärmen der zu fügenden Bauteile über Konduktion - d.h. Kontakterwärmung.
Mit den zunehmenden Freiheitsgraden bezüglich des Designs, aufgrund von additiven Bauweisen, besteht auch der Wunsch, die bisherigen Größen der Bauteilvolumina nach oben zu skalieren. Die Bauräume von Pulverbett-Anlagen sind zwar in den letzten Jahren auch gewachsen, so sind aktuell Anlagen mit 500 x 280 x 850 mm3 kommerziell verfügbar, jedoch sind die Aufbauraten noch gering, insbesondere wenn es sich um massive Komponenten wie Formwerkzeuge handelt. Als alternativen additiven Aufbauprozess kann der Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung (DED - directed energy deposition) mit Lichtbogen und Draht als Zusatzwerkstoff angesehen werden. Es sind hohe Aufbauraten im Bereich von mehreren Kilogramm pro Stunde damit möglich. Nachteilig ist dabei aber die nur ungenügende Möglichkeit der Herstellung von Innenkanälen zu sehen. Diese sind grundsätzlich zwar realisierbar, wenngleich die Formgenauigkeit und Maßhaltigkeit bisher maximal für Kühlkanäle ausreichend sind. Funktionen wie beispielsweise das Verteilen von Kunststoffmasse oder Wärmetauscherstruktur sind damit derzeit nicht umsetzbar. Daher wird für entsprechende Komponenten bereits heute das Diffusionsschweißen eingesetzt. Die Größenskalierung von Diffusionsschweißanlagen hinsichtlich der Pressplatten, die aktuell am Markt verfügbar sind, liegen im Bereich über einem Meter.
Ein Ziel der vorliegenden Beschreibung war die Entwicklung sowie die Erarbeitung von Auslegungsrandbedingungen für ein Beheizungskonzept für das Diffusionsschweißen, welches die Wärmeinbringung in das Bauteil homogenisiert und wenn möglich durch Kontakterwärmung, also Wärmeleitung, realisiert. Dabei werden Prozesstemperaturen beispielsweise bis 900°C und die Möglichkeit der dynamischen Kraftaufbringung angestrebt. Weiterhin soll die Auslegung des Systems für den Einsatz in Hochvakuumofenanlagen umgesetzt werden. Durch die konduktive Beheizung wird der im Vakuum auftretende verlustbehaftete und emissionsgradabhängige Wärmeübergang durch Strahlung vermieden, wodurch der Energieeintrag in die zumeist plattenförmigen Fügeteile erheblich effizienter, homogener und schneller erfolgt. Im Ergebnis steht ein Heizsystem, welches eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz beim Diffusionsschweißen und signifikant verkürzte Zykluszeiten ermöglicht. Damit wird eine deutliche Kostensenkung des Fügeverfahrens Diffusionsschweißen und eine Steigerung der Bauteilqualität erzielt, sowie die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens gesteigert.
Von besonderer Bedeutung ist die Wärmeführung bzw. das Erwärmen der zu fügenden Bauteile 50. Insbesondere für Nichteisenmetalle, deren Fügetemperaturen unterhalb von 1.000 C liegen, stellt die bisher etablierte Erwärmung durch Wärmestrahlung im Vakuum einen ineffizienten Prozess dar. Bedingt durch die geringen Emissionsgrade waren nur sehr geringe Aufheizgeschwindigkeiten möglich, was sich negativ auf die Zykluszeit und damit die Kosten für das Verfahren auswirkt. Die direkte (konduktive) Bauteilerwärmung durch Wärmeleitung über die Pressplatte 36, 38 beschleunigt die Energieeintrag in das Bauteil 50 und ermöglicht gleichzeitig eine homogenere Temperaturverteilung, da die Wärme gleichmäßig über die größten Flächen eines Plattenförmigen Bauteiles eingebracht wird, Während die konventionelle Erwärmung wesentlichen über die Außenkanten erfolgt, sodass weglängenbedingt ein Gradient zwischen Außenseite und Bauteilzentrum entsteht, welcher bei Nichtangleichung durch Warten (Zykluszeit verlängern) zu Qualitätsunterschieden in der Verbundausbildung führt.
Die Größe der Pressplattenfläche kann vorteilhaft zumindest 300x500 mm oder größer betragen. Die zyklische Belastbarkeit der Anlage 1 liegt bevorzugt bei 0, 1 Hz oder mehr, oder auch 0,5 Hz oder mehr, oder auch 1 Hz oder mehr. Ein Betrieb im Fein- oder Hochvakuum bei zumindest 105 mbar ist vorteilhaft. Eine übertragbare Flächenpressung > 7 N/mm2 sind anlagenseitig erreichbar. Beispielsweise kann mittels der Pressplatten 36, 38 auf das Bauteil 50 eine Flächenpressung von zumindest 0,1 MPa erzielt werden, bevorzugt von zumindest 0,5 MPa. Beispielsweise kann die Flächenpressung bis maximal 50 MPa erzielt werden, gegebenenfalls maximal 40 MPa. Alternativ oder kumulativ kann mittels der Pressplatten 36, 38 auf das Bauteil 50 eine Kraft von 1 Tonne oder mehr ausgeübt werden, dann kann die Anlage sogar zum kraftunterstützten Löten (PAB) eingesetzt werden. Bevorzugt kann mittels der Pressplatten 36, 38 auf das Bauteil 50 eine Kraft von 5 Tonnen oder mehr ausgeübt werden. Gegebenenfalls kann die mittels der Pressplatten 36, 38 auf das Bauteil 50 ausgeübte Kraft bis 5.000 Tonnen sein, beispielsweise auch bis 4.000 Tonnen. Geringere Flächenpressdrücke von kleiner als 0,1 MPa oder Kraftbeaufschlagungen geringer als 1 Tonne werden im Sinne dieser Anmeldung nicht als Presskraft oder Beaufschlagung einer Presskraft verstanden. So sind beispielsweise Verfahren zum Waferbonden, also dem Fügen von Halbleiterplatinen, keine Pressverfahren im Sinne dieser Anmeldung. Vielmehr unterliegt das Gebiet des Diffusionsschweißens oder des kraftbeaufschlagten Lötens im Sinne der vorliegenden Anmeldung dem vorgenannten vergleichsweise hohen Druckregime.
Für den Diffusionsschweißprozess sind anlagenseitig drei wesentliche Faktoren von Bedeutung: die Atmosphäre in der gefügt wird, die Art und Weise der Kraftaufbringung sowie das Erwärmungskonzept. Wird neben dem Prozess auch die Bauteilgeometrie miteinbezogen, ist auch das Systemkonzept, d. h. der Aufbau der Schweißanlage, zu berücksichtigen. Das Erwärmen der zu fügenden Bauteile im Vakuum kann prinzipiell dabei auf verschiedenste Art und Weise erfolgen, durch Erwärmung mittels Wärmestrahlung, Laser- bzw. Elektronenstrahl, Konvektion, direkte Widerstandserwärmung, Induktion, Wärmeleitung (Konduktion) bzw. der Kombination von einzelnen Varianten. Die strahlbasierten Verfahren (Laser- bzw. Elektronenstrahl) eignen sich besonders für rotationssymmetrische Kleinteile, haben jedoch den Nachteil, dass eine weitere Achse in der Anlage vorzusehen ist (Rotationsachse zum Drehen des Werkstücks). Eine direkte Strombeaufschlagung der zu fügenden Bauteile führt zu einer direkten Widerstanderwärmung, jedoch ist auch hier die Bauteilgröße begrenzt aufgrund der elektrischen Größen. Wird der Gleichstrom durch einen gepulsten Stromverlauf ersetzt können größere Ströme umgesetzt werden. Dabei treten dann auch Funkenüberschläge auf, vergleichbar mit dem Plasma-Spark-Sintering. Aufgrund des direkten Stromflusses durch die Bauteile können somit nur elektrisch leitende Werkstoffe gefügt werden wobei eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes, speziell bei großformatigen Bauteilen sichergestellt werden muss. Deutlich häufiger, insbesondere historisch gesehen, kommt die Induktionserwärmung zum Einsatz. Dabei wird die Wärme direkt im Bereich der Bauteiloberfläche erzeugt wodurch das Bauteil schnell erwärmt wird. Diffusionsschweißanlagen für die Massenproduktion, u. a. für Ventiltellerdichtringe mit Produktionszahlen von 3,1 Millionen Stück pro Jahr, waren bereits in den 70er Jahren mit einer Induktionserwärmung ausgerüstet. Über Einstellparameter wie Frequenz oder Strom kann die Eindringtiefe angepasst werden. Aber auch der Bauteil— Induktor-Abstand oder die Form des Induktors beeinflussen die Wärmeeinbringung und damit die Temperaturverteilung im Bauteil. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass für die optimale Erwärmung der Induktor an die Bauteilgeometrie anzupassen ist und nicht alle Werkstoffe induktiv erwärmt werden können. Die Induktionserwärmung eignet sich dennoch z.B. für schlanke Bauteilgeometrien.
Der aktuelle Trend hinsichtlich der Bauteildimensionen geht jedoch zu massiven flächigen Komponenten mit großer Ausdehnung in mindestens zwei Raumrichtungen, z. B. Plattenwärmetauscher oder Spritzgießwerkzeuge. Daher sind die Diffusionsschweißanlagen neuerer Generationen typischerweise nach dem „Ofenprinzip“ aufgebaut. Das bedeutet, dass ein Vakuumofensystem die Basis für die Schweißanlage darstellt, in welche zusätzlich ein „Presssystem“ 20 zu integrieren ist. Die Erwärmung findet über Wärmestrahlung, am häufigsten über widerstandsbeheizte Elemente, statt. Bei Kleinteilen können auch Infrarotstrahler zum Einsatz kommen. Da im Vakuum keine Konvektion auftritt, ist der Wärmeübergang allein auf Strahlungserwärmung zwischen Heizelement und Bauteil beschränkt. Den wesentlichen Einflussfaktor bei der Strahlungserwärmung stellt der Absorptionsgrad für Wärmestrahlung in Abhängigkeit des Bauteiloberflächenzustands dar. Nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz, welches besagt, dass Strahlungsabsorption und -emission bei gegebener Wellenlänge einander entsprechen, werden häufig nur die Emissionsgrade angegeben.
Als Heizelementwerkstoff an Luft und im Vakuum kann Molybdän in Betracht kommen. Die Oxidschicht auf dem Molybdän wird im Vakuum aufgelöst und somit wird ein hoher Emissionsgrad im Vakuum erzielt, weshalb der Werkstoff für Heizer eingesetzt wird. Weiterhin sind zwei typische Werkstoffgruppen der zu fügenden Komponenten enthalten, Aluminium und Stahl. Gereinigter Stahl weist einen vergleichsweise hohen Emissionsgrad auf. Dieser ist temperaturabhängig und steigt mit der Temperatur. Im Vergleich dazu ist der Wert für Aluminium deutlich geringer. Gereinigtes Aluminium weist sehr geringe Werte auf, wohingegen oxidierte Aluminiumoberflächen einen nur noch um den Faktor 2 bis 3 geringeren Wert im Vergleich zu Stahl aufweisen. Aus strahlungstechnischer Sicht sind oxidierte Oberflächen hinsichtlich der Aufnahme von Wärmestrahlung optimal, aus Sicht des Diffusionsschweißens jedoch nicht, da Oxidschichten eine Diffusionsbarriere darstellen. Kupferwerkstoffe verhalten sich ähnlich wie Aluminium. Daraus folgt für den Schweißprozess, dass eine alleinige Erwärmung der hochwärmeleitfähigen Werkstoffe über Strahlung ungenügend sein kann. Bei Werkstoffen mit geringer Neigung zur Reaktion mit der Umgebung kann zusätzlich neben der reinen Strahlungserwärmung die Wärmeübertragung mittels Partialdruck in der Arbeitskammer gesteigert werden (zusätzlicher Konvektionsanteil). Bei Aluminium- und Titanlegierungen führen im Gas enthaltene Verunreinigungen (u. a. Sauerstoff / Stickstoff) zu einer Reaktion mit der Oberfläche und dem Ausbilden von Schichten, die wiederum diffusionshemmend wirken und die mechanisch-technologischen Eigenschaften negativ beeinflussen können.
Ein weiterer nachteiliger Aspekt der zuvor beschriebenen Beheizungskonzepte stellt die Temperaturhomogenität im Bauteil dar. Grundsätzlich erfolgt die Wärmeübertragung immer über die Bauteiloberfläche und wird von dort durch Wärmeleitung ins Bauteilinnere geleitet. Dementsprechend bildet sich während des Aufheizens ein Temperaturgradient im Bauteil 50 aus, welcher zu ungleichmäßiger Ausdehnung und inneren Spannungen führt. Diesem Umstand muss, abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des zu fügenden Werkstoffs, durch entsprechend langsame Aufheizraten begegnet werden, auch um einen Wärmestau und ein Überhitzen der Bauteiloberfläche zu vermeiden. Neben dem Werkstoff kommt hierbei dem Aspektverhältnis des Bauteils eine wesentliche Bedeutung zu. Die oben beschriebenen Konzepte realisieren die Wärmeinbringung überwiegend über die Bauteilseitenflächen. Dies bedeutet für plattenförmige Bauteile einen maximalen Wärmeleitungsweg. Gerade solche Bauteilgeometrien mit niedrigem Aspektverhältnis werden aber aktuell verstärkt nachgefragt (Plattenwärmetauscher, Werkzeugeinsätze, etc.). Die Wärmeinbringung über Grund und Deckfläche verkürzt somit den Leitungsweg und erlaubt damit höhere Aufheizgeschwindigkeiten.
Pressplatten für Diffusionsschweißanlagen erfüllen die Aufgabe, die eingebracht Presskraft in das Bauteil einzuleiten und dies Kraft möglichst homogen auf das Bauteil bzw. die Fügefläche verteilen. Daraus ergibt sich zunächst eine Grundanforderung an die mechanischen Eigenschaften der Platte 36, 38 wie ein niedriges Elastizitätsmodul sowie eine hinreichende Druck- und Biegefestigkeit. Bedingt durch den Einsatz in einer Hochvakuumofenanlage müssen diese Eigenschaften über den gesamten Bereich der Anwendungstemperaturen gewährleistet. Weiterhin muss der Pressplattenwerkstoff für den Einsatz im Vakuum geeignet sein (hoher Dampfdruck). Darüber hinaus verfügt der ideale Pressplattenwerkstoff über eine geringe spezifische Wärmekapazität, da die Pressplatten aus energetischer Sicht tote Masse darstellen, die im Prozess aufgeheizt und wieder abgekühlt werden muss. Eine weitere Anforderung ist die Dauerfestigkeit bei dynamischer Belastung im Druckschwellbereich.
Im Bereich der metallischen Werkstoffe stellt Titan-Zirkon-verstärktes Molybdän (TZM) eine gute Ausgangsbasis dar und wird in vielen Bereichen als lasttragendes Element im Heizbereich von Vakuumofenanlagen genutzt. Vorteilhaft ist neben den thermischen und mechanischen Eigenschaften auch das mit CrNi-Stählen vergleichbare Verhalten bei der spanenden Bearbeitung. Dementsprechend ist TZM auch für die vorliegende Beschreibung interessant. Nachteilig an TZM sind die vergleichsweise hohe Dichte von 10,2 g/cm3, die für Metalle charakteristische hohe Wärmeleitfähigkeit und die herstellungsbedingt hohen Kosten.
Vollkeramische Pressplatten bieten stellen aus mechanischer Schicht den idealen Pressplattenwerkstoff dar, so verfügt z.B. Siliziumcarbidkeramik zwar über ein hohes E-Modul von 350 - 450 GPa aber auch eine Druckfestigkeit von über 2500 MPa woraus sich ein sehr formstabiler Werkstoff ergibt. Wesentlicher Nachteil der Keramiken sind die hohen Kosten für die Bearbeitung im gesinterten Zustand.
Stahlwerkstoffe wie z.B. der warmfeste Stahl 1.4828 sind zwar grundsätzlich als Pressplattenwerkstoff denkbar. Ausschlusskriterium hier ist jedoch die geringe Zeitstandfestigkeit von unter 5 N/mm2 bei der angestrebten Einsatztemperatur von 900°C.
Eine Alternative zu den Vorgenannten stellen Faserverbundwerkstoffe auf keramischer Basis dar (CMC). Vergleichbar mit Kohlefaserverstärkten Kunstoffen werden hier Kohlefasern oder auch keramische Faser in eine Keramikmatrix eingebettet. Damit lassen bleiben die herausragenden Eigenschaften der Keramik, wie Temperaturbeständigkeit und Druckfestigkeit erhalten, durch die Faserverstärkung steigt jedoch die für den dynamischen Einsatz erforderliche Bruchzähigkeit.
Kohlefaserverstärktes Graphit (CFC) kann in Diffusionsschweißanlagen mit einer statischen Kraftaufbringung eingesetzt werden. Bedingt durch die hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit den Anderen hier betrachteten Faserverbundwerkstoffen wird der Heizzone entsprechend mehr Energie entzogen.
Bei kohlefaserverstärktem Siliziumkarbid handelt es sich um einen Verbundwerkstoff.. Dieser Werkstoff fand bisher keine Anwendung in Diffusionsschweißanlagen.
Aluminiumoxidfaserverstärkte Oxidkeramiken weisen eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,4- 2,7 W/mK und ein relativ kleines E-Modul (40 GPa) auf, was zu einer hervorragenden Isolation und zu einer sehr guten Druckverteilung führen würde. Kritisch an diesem Werkstoff ist jedoch die geringe Druckfestigkeit von ca. 25 N/mm2.
Die allgemeinen Anforderungen von Heizerwerkstoffen für die Heizeinrichtung 62, 64 sind im Wesentlichen ein hoher elektrischer Widerstand, eine hohe Schmelztemperatur, welche die Anwendungstemperatur deutlich übersteigen muss und ein geringer Dampfdruck um den Heizerverschleiß im Vakuumbetrieb zu minimieren. Aus konstruktiver Sicht ist weiterhin ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient anzustreben. Im Bereich der metallischen Werkstoffe ragt hierbei neben Wolfram vor allem Molybdän als Heizerwerkstoff heraus. Mit einer Schmelztemperatur von 2623 °C, einem spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,056- 10-6 - 0,452- 10-6 Qm (20 - 1500 °C) und einem Ausdehnungskoeffizienten von 5, 8-10-6 K-1 ist es möglich bei sehr hoher Vakuumqualität Temperaturen bis 1600°C zu realisieren.
Eine Alternative hierzu stellen Nickelbasislegierungen dar, welche über eine höhere mechanische Festigkeit und Zähigkeit bei vergleichbaren elektrischen Wiederstand (z.B.: Nicrofer® 0,103- 10-6 - 0,114 10-6 Qm (20 - 1000 °C) verfügen. Das Einsatzspektrum ist jedoch aufgrund der geringeren Schmelztemperatur (1370-1425 °C) und dem vergleichsweisen hohen Ausdehnungskoeffizienten von 16,9-10-6 K-1 (1000 °C) limitiert.
Neben metallischen Werkstoffen besteht auch die Möglichkeit eine Widerstanderwärmung mit Nichtoxidkeramiken wie SiC zu realisieren. Diese sind für Temperaturen bis 1100 °C inzwischen auch als Heizplatte kommerziell verfügbar womit sich eine homogene Temperaturverteilung realisieren lässt. Kritisch hinsichtlich der geplanten Anwendung ist jedoch die hohe Sprödigkeit und Empfindlichkeit gegen Biegebeanspruchung zu bewerten.
Graphit ist eine weitere Alternative für die Beheizung von Ofenanalgen, vorteilhaft hier ist der im Vergleich niedrige Werkstoffpreis und ein hoher elektrischer Widerstand. Graphite sind jedoch nur eingeschränkt für den Einsatz im Hochvakuum geeignet, da abdampfender Kohlenstoff die Fügeteile kontaminieren und Werkstoffveränderungen hervorrufen kann.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände dar, so dass Beschreibungen von Gegenständen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchem der Gegenstand in der Beschreibung nicht explizit beschrieben ist.
1 Hochtemperatur-Fügeofen
3 Motoreinheit
4 erste Sensoreinrichtung
5 weitere Sensoreinrichtung
6 Pressenaufnahmebereich des Gehäuses 12
7 Stützrahmenelement (waagrecht, unten)
8 Unterkonstruktion
9 Stützrahmenelement (senkrecht)
10 Stützrahmenelement (waagrecht, oben)
11 Befüll- und/oder Entnahmeöffnung
12 Gehäuse
14 Ofenheizeinrichtung
15 Heizkammer
16 thermische Isolierung
18 Pressenwiderlager
20 Presseinrichtung
22 Druckverteilelement
24 Presszylinder
26 Übertragungsstück
28 Presskrafterzeuger
29 Gegenpressstempel
32 Pressstempel
34 Werkstückaufnahme
36 Pressplatte
37 Druckverteilstück
38 Gegenpresselement
42 zweite Sensoreinrichtung
44 Speicherprogrammierbare Steuerung
45 Benutzerterminal mit SPS, Eingabe- und Ausgabeeinrichtung
46 Ausgabeeinrichtung
48 Eingabeeinrichtung
50 Werkstück
54 Unterdruckerzeuger (Vakuumpumpe)
62 Pressplattenheizeinrichtung in Pressplatte
64 Pressplattenheizeinrichtung in Werkstückaufnahme
66, 66a Anschlussüberstand, Überstandskragen
67, 67a Kontaktlippe
68 Aufnahme für Befestigungsmittel 71 Pressenseitiges Pressplattenelement
72 Heizelement-Deckschicht
72a Seitliche Umfassung des Heizelements 74
74, 74a, 74b, 74c Heizelement
76 Heizelement-Bodenschicht
76a Seitliche Umfassung des Heizelements 74
77 Werkstück-Pressplattenelement
78 Verbindungsstück
80 Befestigungsmittel, Schraube
82 Kachel
100 Kontaktierungseinrichtung
102 Heizelement- Klemme
104 Flexibles Ausgleichselement
106 Kontaktelement
108 Stehbolzenaufnahme
110 Stehbolzen
112 Verbindungselement, z.B. Kupferband
114 Durchführung
116 Externer Kontakt
200 Fügeverfahren
210 Befüllen
220 Parametrisierung
230 Prozessphase
240 Pressung bzw. Fügeschritt
250 Ggf. Nachbehandlung
260 Entladen der Anlage

Claims

Hochtemperatur-Fügeofen (1), insbesondere hergerichtet für das Diffusionsschweißen von Fügematerialien wie Metallen und metallischen Werkstücken (50), umfassend: einen Heizraum (15), eine in dem Heizraum angeordnete Werkstückaufnahme (34) zur Aufnahme eines in dem Fügeofen zu bearbeitenden Werkstücks (50), eine Presseinrichtung (20), angeordnet und hergerichtet, auf das Werkstück eine Presskraft aufzutragen, wobei die Presseinrichtung eine Pressplatte (36) umfasst zum gleichmäßigen Aufträgen der Presskraft auf das Werkstück, gekennzeichnet dadurch, dass die Pressplatte mit einer Pressplattenheizeinrichtung (62) ausgerüstet ist zum Heizen der Pressplatte und/oder des Werkstücks.
2. Fügeofen (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) in die Pressplatte (36) integriert ist, insbesondere vollständig integriert ist, und/oder wobei die Pressplatte (36) eine mehrteilige Pressplatte ist, wobei also insbesondere die Pressplatte eine werkstückseitiges Element (77) und ein pressenseitiges Element (71) umfasst, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) zwischen einerwerkstückseitigen Schicht (77) und einer pressenseitigen Schicht (71) angeordnet ist.
3. Fügeofen ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend flexible Anschlussverbinder (100) zum Verbinden der Pressplattenheizeinrichtung (62) mit einer Energiequelle.
4. Fügeofen ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) eine konduktive Wärmeabgabe bereitstellt, also eine konduktive Pressplattenheizeinrichtung ist, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) elektrisch betreibbar eingerichtet ist, so dass sie Wärme abgibt wenn sie von der Energiequelle mit elektrischer Leistung beaufschlagt wird, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) fluiddurchströmbar eingerichtet ist, so dass sie Wärme abgibt, wenn sie von der Energiequelle mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird.
5. Fügeofen ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Presseinrichtung (20) eine Hydraulikeinrichtung als Presskrafterzeuger (28) umfasst und die Presskraft mittels Aufbau eines hydraulischen Drucks aufbaut und/oder wobei die Presseinrichtung (20) eine Elektrospindel umfasst, und/oder wobei die Presseinrichtung (20) einen Presszylinder (24) umfasst, und/oder wobei die Presseinrichtung (20) mehrere Pressstempel (24) umfasst, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr Pressstempel. Fügeofen (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hochtemperatur-Fügeofen einen Außenrahmen (7, 8, 10) umfasst, und wobei die Presseinrichtung (20) an dem Außenrahmen angeordnet ist und/oder sich an dem Außenrahmen abstützt, und/oder wobei der Außenrahmen (7, 8, 10) beweglich und/oder verformbar ausgestaltet ist. Fügeofen (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Pressenwiderlager (18), welches derart hergerichtet ist, dass mittels der Beaufschlagung der Druckkraft durch die Presseinrichtung (20) auf das Werkstück (50) eine laterale Verschiebung und/oder Verformung des Pressenwiderlagers (18) erfolgt, und/oder wobei die Presseinrichtung (20) derart hergerichtet ist, dass zu einem Stützrahmenelement (10) während eines Pressvorgangs eine Vorspannkraft aufbaubar ist, und/oder wobei die Werkstückaufnahme (34) als Gegenpresselement (38) dient, und/oder wobei die Presseinrichtung (20) das Werkstück (50) gegen die Werkstückaufnahme (34) presst. Fügeofen ( 1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, hergerichtet zur Durchführung von Fügeverfahren, vorzugsweise von Metall bzw. metallischen Werkstücken, bei Temperaturen von 1200 °C oder niedriger, bevorzugt 1000 °C oder niedriger, weiter bevorzugt 950 °C oder niedriger, und/oder bei Temperaturen von 450 °C oder höher, bevorzugt von 500 °C oder höher, weiter bevorzugt von 550 °C oder höher, oder auch von 600 °C oder höher, und/oder hergerichtet zur Durchführung von Fügeverfahren, vorzugsweise von Nicht-Metallen wie Kunststoffen, Keramiken oder entsprechenden Werkstücken, bei Temperaturen von 350 °C oder niedriger, bevorzugt 300 °C oder niedriger, weiter bevorzugt 250 °C oder niedriger, oder auch bei 200 °C oder niedriger, und/oder bei Temperaturen von 80 °C oder höher, beispielsweise von 100 °C oder höher, bevorzugt von 120 °C oder höher und weiter bevorzugt von 140 °C oder höher. Fügeofen (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Ofenheizeinrichtung (14) zur Abgabe von Strahlungswärme in die Heizkammer (15) . Verfahren zum Diffusionsschweißen in einem Hochtemperatur-Fügeofen (1), insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten:
Befüllen des Fügeofens mit einem Werkstück (50),
Anlegen zumindest einer Pressplatte (36) einer Presseinrichtung (20) an das Werkstück,
Aufheizen des Werkstücks zum überwiegenden Teil mittels einer Pressplattenheizeinrichtung (62) auf eine Fügetemperatur,
Pressen des Werkstücks mit einer Presseinrichtung (20) zur Durchführung des Diffusionsschweißprozesses. 11. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, ferner mit dem Schritt während des Pressens Temperieren oder Heizen der Pressplatte (36) mittels der Pressplattenheizeinrichtung (62) zur Homogenisierung der Temperaturverteilung im Werkstück (50).
12. Beheizbare Pressplatte (36) für einen Hochtemperatur-Fügeofen (1), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplatte hergerichtet ist zum gleichmäßigen Aufträgen einer Presskraft auf ein in dem Hochtemperatur-Fügeofen eingelegtes Werkstück (50), gekennzeichnet dadurch, dass die Pressplatte mit einer integrierten Pressplattenheizeinrichtung (62) ausgerüstet ist zum Heizen der Pressplatte und/oder des Werkstücks.
13. Beheizbare Pressplatte (36) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) in die Pressplatte integriert ist, insbesondere vollständig integriert ist, und/oder wobei die Pressplatte eine mehrteilige Pressplatte ist, wobei also insbesondere die Pressplatte ein werkstückseitiges Element (77) und ein pressenseitiges Element (71) umfasst, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) zwischen einerwerkstückseitigen Schicht (77) und einer pressenseitigen Schicht (71) angeordnet ist.
14. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit der mehrteiligen Pressplatte nach dem vorstehenden Anspruch, wobei jedes Teil der Pressplatte aus einem gleichen Grundstoff besteht, und lediglich voneinander verschiedene Dotierungen aufweist.
15. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplatte Keramikmaterial umfasst, und/oder wobei die werkstückseitige Schicht (77) und/oder die pressenseitige Schicht (71) Keramikmaterial umfasst oder aus Keramikmaterial besteht, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) Keramikmaterial oder Metallmaterial umfasst oder aus Keramikmaterial oder Metallmaterial besteht.
16. Beheizbare Pressplatte (36) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Keramikmaterial zumindest eines aus kohlefaserverstärktes Graphit, kohlefaserverstärktes Siliziumkarbid, Titan-Zirkon-verstärktes Molybdän, Siliziumkarbid oder aluminiumoxidfaserverstärkte Oxidkeramik umfasst oder die werkstückseitige Schicht (77) und/oder die pressenseitige Schicht (71) aus einem der vorgenannten Materialien besteht, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) zumindest eines aus Wolfram, Molybdän, einer Nickelbasislegierung wie Nicrofer®, eine Nichtoxidkeramik wie Siliziumkarbid oder Graphit oder einen kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff umfasst oder daraus besteht.
17. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) plattenförmig ausgebildet ist, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) mäanderförmig ausgebildet ist, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) Kanäle oder Bahnen aufweist und die Kanäle oder Bahnen die Pressplatte so gleichmäßig durchsetzen, dass das Material der Pressplatte höchstens einen Abstand zu einem der Kanäle oder Bahnen aufweist, der dem doppelten einer Breite der Kanäle oder Bahnen oder weniger entspricht.
18. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) elektrisch betreibbar eingerichtet ist, so dass sie Wärme abgibt, wenn sie mit Strom beaufschlagt wird, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) fluiddurchströmbar eingerichtet ist, so dass sie Wärme abgibt, wenn sie mit einem heißen Fluid beaufschlagt wird.
19. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) zumindest zwei Heizplatten (74, 74a, 74b, 74c) aufweist, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) ein Verbindungsstück (78) aufweist zum Verbinden von zwei oder mehreren Teilbereichen wie Heizplatten (74, 74a, 74b, 74c), wobei das Verbindungsstück insbesondere Graphit umfasst oder daraus besteht.
20. Beheizbare Pressplatte (36) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Verbindungsstück (78) reversibel verformbar ausgelegt ist, so dass es sich unter Beaufschlagung einer Druckkraft verformt, insbesondere breiter wird, und den elektrischen Kontakt zwischen den Teilbereichen (74, 74a, 74b, 74c) der Pressplattenheizeinrichtung (62) verbessert oder herstellt.
21. Beheizbare Pressplatte (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Druckausgleichsschicht (104), wobei die Druckausgleichsschicht vollflächig ausgelegt ist und flexibel oder kompressibel eingerichtet ist, und/oder wobei die Druckausgleichsschicht benachbart zur Pressplattenheizeinrichtung (62) angeordnet ist, und/oder wobei die Druckausgleichsschicht eine Graphitfolie ist.
22. Beheizbare Pressplatte (36) nach ei nem der Ansprüche 13 bis 21 , wobei die pressenseitige Schicht (71) als Kachelteppich, insbesondere Keramik-Kachelteppich, ausgebildet ist, und/oder wobei die Pressplattenheizeinrichtung (62) in einer Heizebene angeordnet ist, und/oder wobei zwischen Komponenten der Pressplattenheizeinrichtung (62) Keramikkacheln (82) angeordnet sind.
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