DE1479845B2 - Verfahren zum herstellen einer ein- oder anschmelzverbindung zwischen einem metallischen leiter und einem glaskoerper durch anwendung von strahlungsenergie als waermequelle - Google Patents

Description

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läuft auf dem Kern 23 schraubenförmig. Ein Paar den, so stellt Eisenoxid ein besonders wirksames Anschlußzonen 25 und 26, die durch eine aufgestäubte Absorptionsmaterial dar. Jedoch sind auch zahlreiche Goldschicht gebildet sind, stellen den Kontakt mit der andere Zusätze bekannt, um das Absorptionsvermögen Widerstandsschicht 24 her. Ein Paar elektrisch leiten- des Glases für Infrarotstrahlung zu erhöhen, die zu der metallischer Endkappen 28 und 29 sind auf die 5 diesem Zweck verwendet werden können, z. B. Kobalt-Enden des Kernes aufgepreßt und stehen in elektri- oxid.

schem Kontakt mit den Anschlußzonen. Ein Paar Ganz allgemein kann jedes Zusatzmaterial, das das

Zuführungsleitungen 31 und 32 sind bei 34 bzw. 35 Absorptionsvermögen des Glases hinsichtlich der je-

an den Endkappen 28 bzw. 29 angeschweißt. weils verwendeten Strahlung erhöht, für den in Rede

Die Kappen 28 und 29 sind identisch ausgebildet io stehenden Zweck verwendet werden. Soll infrarote und weisen einen hohlen Teil 41 auf, der den Kern Strahlung verwendet werden, so kann jeder Zusatz, umgreift. Der Teil 41 hat einen Innendurchmesser der der Strahlen einer oberhalb 2000 Ä, insbesondere Größe α und mündet in einen nach außen aufgeboge- zwischen 8000 und 12000 Ä liegenden Wellenlänge nen Rand 42 des Außendurchmessers, der die Größe b wirksam absorbiert, hierfür verwendet werden. Der hat. Der Außendurchmesser b ist im wesentlichen 15 einschlägige Fachmann kann die geeignete Färbegleich dem Innendurchmesser der Hülse 21. Der Teil 41 substanz ohne weiteres auswählen, wenn einmal die geht in einen Hohlzylinder 43 mit einem Innendurch- Glassorte und die Art der Strahlungsenergiequelle ausmesser c und einer Endwandung 44 über. Die Länge gewählt worden sind.

des Teiles 41 wird durch die Dimension d repräsen- Die Menge oder die Konzentration derartiger dem

tiert, die des Zylinders 43 durch die Dimension e und 20 Glas der Hülse 21 beigegebener Zusätze hängt von der

die Wandstärke der Kappe durch die Dimension /. gewünschten Energieaufteilung zwischen Glas und

Die Hülse 21 ist aus einem Glas gebildet, das mit dem Körper, Kappe 28, ab, an dem das Glas angeeinem Material eingefärbt ist, das eine vorbestimmte schmolzen werden soll. Allgemein gesprochen hängt Menge infraroter Strahlung absorbiert. Wird jedoch die gewünschte Energieaufteilung zwischen Glas und die Hülse 21 aus klarem, nicht eingefärbtem Glas ge- 25 dem anzuschmelzenden oder einzuschmelzenden Körbildet und wird versucht, die Hülse mit der Kappe 28 per von den jeweils gewünschten Aufheizgraden ab, unter Verwendung infraroter Strahlen zu verschmel- denen die beteiligten Partner je unterworfen werden zen, so wurde gefunden, daß es notwendig ist, die sollen.

Gebiete des Glases und der Kappe, die miteinander Wird beispielsweise angenommen, daß ein Bauteil, verschmolzen werden sollen, der Strahlung während 3° z. B. der Widerstand 20, der einer längeren intensiven einer übermäßig großen Zeitspanne auszusetzen, bis Bestrahlung und dadurch auftretenden Erhitzung nicht beide miteinander zu verschmelzenden Oberflächen die standhalten kann, im Glas zu verkapseln ist. Es ist Einschmelztemperatur erreicht haben. Da infrarote daher diejenige Heizstrahlungs-Exposition des WiderStrahlung durch klares Glas leicht passiert, wird die Standes wünschenswert, die die einzuschmelzende Kappe wesentlich früher auf die Einschmelztemperatur 35 Oberfläche auf die Einschmelztemperatur gerade noch erhitzt, als das Glas selbst. Es wurde gefunden, daß ein bringt.

derartiges übermäßig langes Erhitzen eines Kohlen- Die gewünschte Aufteilung der absorbierten Energie

stoff schicht-Widerstandes 20 eine schädliche Agglo- zwischen dem Glas und der hiermit anzuschmelzenden

meration der Goldanschlußzonen 25 und 26 zur Folge Oberfläche hängt von den relativen Wärmekapazitäten

hat, ferner einen Abbau der Widerstandsschicht 24 und 40 des Glases und des Widerstandes ab, ferner vom rela-

ein Brüchigwerden der Schweißstellen 34 und 35. tiven Reflexions- und Sekundär-Strahlungsvermögen

Wird dagegen die Hülse 21 aus einem Glas herge- des Glases und des Widerstandes, und vom Energie-,

stellt, das im wesentlichen für infrarote Strahlung un- aufteilungsvermögen des Glases zwischen sich selbst

durchlässig ist, so würde eine mit Infrarot erfolgende und dem Widerstand. Dem einschlägigen Fachmann

Bestrahlung unmittelbar das Glas aufheizen. Hierbei 45 ist es bekannt, daß die Wärmekapazität des Wider-

aber wurde jedoch gefunden, daß so viel der Strahlung Standes, sein Reflexions- und Sekundär-Strahlungs-

durch ein derartiges Glas absorbiert wird, daß die End- vermögen von den Materialien, aus denen der Wider-

kappen unangemessen und unerwünscht lange kalt stand hergestellt ist, abhängt, ferner von seiner Masse,

bleiben. Gestalt, seinen Abmessungen und Oberflächenbeschaf-

Der Ausdruck Färbung oder Einfärbung, wie er 5° fenheiten. Das gleiche gilt für das Glas. Die Wärme-

hierin verwendet wird, soll sich auf einen Zusatz zum kapazität sowie das Reflexions- und Sekundär-Strah-

Glas beziehen, der durch eine Strahlung absorbierende lungsvermögen des Widerstandes und der Glasmasse

Substanz gebildet und in einer Konzentration beige- können berechnet oder empirisch bestimmt werden,

mischt ist, die ausreicht, einen beachtlichen Anteil der Der Ausdruck »Wärmekapazität«, wie er nachstehend

zugeführten Strahlungsenergie zu absorbieren, aber 55 verwendet wird, soll sowohl die eigentliche Wärme-

nicht in einer Menge, die dazu ausreichen würde, das kapazität als auch das Reflexions- und das Sekundär-

Glas für eine derartige Strahlung praktisch undurch- Strahlungsvermögen umfassen.

lässig zu machen. In diesem Sinne »gefärbtes« Glas ist Beim in Rede stehenden Beispiel wird das Strahdaher weder vollständig durchlässig noch vollständig lungsenergie absorbierende Material dem Glas so zuundurchlässig. 60 gemischt, daß die gesamte Strahlungsenergie, die auf

Die Fähigkeit der Hülse 21, einen Teil der Strah- das Glas einfällt, zwischen Glas und dem Widerstand lungsenergie zu absorbieren und dadurch sich selbst in genau dem richtigen Verhältnis aufgeteilt wird, das aufzuheizen, sowie einen Teil der Strahlung für einen sicherstellt, daß das Glas und die Oberflächen, an deEinfall auf die Oberfläche hindurchzulassen, mit der nen das Glas angeschmolzen werden soll, die Eindie Hülse verschmolzen werden soll, wird gesteuert 65 Schmelztemperatur im wesentlichen gleichzeitig erdurch Einfärben des Glases mit einer vorbestimmten reichen. Die gesamte Strahlungsexpositionszeit wird Menge des Strahlungsenergie absorbierendenMaterials. daher verringert und damit auch die Wahrscheinlich-SoIl beispielsweise infrarote Strahlung verwendet wer- keit, daß Beschädigungen des Widerstandes auftreten.

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In der F i g. 2 ist eine zur Durchführung des Ver- Die nachstehend angeführten Beispiele wenden das

fahrens der Erfindung geeignete Vorrichtung darge- vorstehend beschriebene allgemeine Verfahren und die

stellt. Diese Vorrichtung weist einen üblichen Strah- beschriebene Vorrichtung an:

lungsenergieofen 50 auf, der eine hochreflektierende, . .

elliptisch ausgebildete Innenwandung51 aufweist, de- 5 Beispiel I

ren Brennpunkte durch die Punkte 52 und 53 reprä- Endkappe 28

sentiert werden. Eine Quelle infraroter Strahlung, eine Material:

Lampe 56, ist so angeordnet, daß ihr Glühfaden 57 Ni-Ko-Fe-Legierung mit etwa 28 % Nickel

hinsichtlich des Brennpunktes 52 zentriert ist. Zuführ- 18% Kobalt, 53% Eisen,

leitungen 58 verbinden den Glühfaden mit einer io Abmessungen:

Stromversorgungsquelle 59. Die Brennzeit der Lampe a 1,5 mm,

wird durch eine Schaltuhr 60 gesteuert. b 2,4 mm,

Eine Haltestange 61 ist mit einer axialen Bohrung 62 c 1,3 mm,

(F i g. 2 und 3) versehen, deren Durchmesser etwas d 1,0 mm,

größer ist als der Außendurchmesser der Hülse 21. 15 e 1,0 mm,

Am Grunde der Bohrung 62 ist eine weitere axiale / 0,3 mm.

Bohrung 63 vorgesehen, deren Durchmesser auf den _v

Durchmesser der Zuführungsleitungen des Wider- ^t

Standes, z. B. der Leitung 31, angepaßt ist, und dient Material: _n .. , zur Aufnahme derselben. Die Tiefe der Bohrung 62 *o Erdalkaliporzellan mit dünner Beschichtung ist so ausgedehnt, daß mit Ausnahme eines über- pyrolytischen Kohlenstoffes und mit aufgestehenden, vorbestimmten Teiles der Hülse diese gegen ,. ^staubten Goldanschlußzonen, die Strahlung durch die Wände der Haltestange 61 Abmessungen:

abgeschirmt ist. Die Tiefe der Bohrung 63 ist so ein- Durchmesser 1,5 mm,

gestellt, daß der Widerstand der gewünschten Stellung 25 Lange 7,6 mm.

innerhalb der Hülse 21 liegt. Diese gegenseitigen Zuführungsleitung 31

Stellungen sind aus den Figuren ohne weiteres ersieht- Material:

lieh. Nickel.

Es kann wünschenswert sein, eine Einstellmöglich- Abmessungen:

keit der Hülse und des Widerstandes relativ zum 3° Durchmesser 0,6 mm,

Brennpunkt 53 des Ofens vorzusehen. Erreicht wird Länge 41,2 mm.

dies durch Versehen der Haltestange 61 mit einer _n. „...

Zahnstange 71, die mit einem Ritzel 72 im Eingriff Glas-Hulse 21

steht. Das Ritzel ist auf einer mit einer Handkurbel 73 ' Material:

versehenen Welle74 befestigt. Durch Drehen an der 35 ^ * /Io 1

Handkurbel kann daher die Haltestange 61 justiert £!^a*~ 7'no/

werden. ~f^u J'"/«*

Beim Betrieb der Vorrichtung wird zunächst ein ^M^r 04 λ 0/

Widerstand 20 innerhalb einer Hülse 21 angeordnet, ATO ' 170/

und das Ganze wird in die Bohrung 62 eingesetzt, so 40 ., ^AL2O_S 1,7 J₀.

daß Widerstand und Hülse die in der Fig. 2 dar- Abmessungen:

gestellte Lage einnehmen. Die Hülse wird hierbei vom Lange .. 9,1 mm,

Grund der Bohrung 62 getragen, während die Zu- Innendurchmesser 2,4 mm,

führungsleitung 31 innerhalb der Bohrung 63 ange- Wandstarke 0,4 mm.

ordnet ist und den Widerstand in der gewünschten 45 Strahlungsenergie absorbierendes Material

Stellung hält. Die Handkurbel 73 wird dann so ge- Material:

dreht, daß Hülse und Widerstand relativ zum Brenn- Eisenoxid, 3¹J₂ Gewichtsprozent, bezogen auf

punkt 53 justiert sind. Anschließend wird die Strom- das Glas.

Versorgungsquelle 59 mit Hilfe der Schaltuhr über eine .

vorbestimmte Zeitspanne hinweg eingeschaltet, so daß 50 }^z ^ ^-_ „„, ~ , , ^,.,, der Glühfaden 57 aufgeheizt wird. Wie bekannt, wird ifmpe: 600 Watt Quarz-Jod-Gluhlampe, in einem Brennpunkt eines elliptischen Ofens erzeugte Lxpositionszeit: 3 /₂ Sekunden, Energie im anderen Brennpunkt, vorliegend der Stromquelle: 96 Volt Wechselspannung, Brennpunkt53, fokussiert. Wie aus der Fig. 3 Abmessungen des Ofens: Ellipsoid 200mm Durchhervorgeht, sind die nicht abgedeckten Teile der 55 ™^esser' ^im f^oßtf Kreisquerschnitt, 41,4 mm Hülse 21 direkt der infraroten Strahlung ausgesetzt. _T Brennpunktabstand, Ein Teil der Strahlung (dargestellt durch Pfeile 81 der ^LanS^{e des} exponierten Hulsenteils: 3,2 mm. F i g. 3), die auf die Hülse auffallen, werden von Beisoielll dieser absorbiert und veranlassen deren Aufheizung.

Der durchgelassene Teil dieser Strahlung (dargestellt 60 Alle Faktoren sind die gleichen geblieben wie im durch die gestrichelten Teile der Pfeile 81 der F i g. 3) Beispiel I, mit der Ausnähme, daß der Prozentsatz des trifft auf die Endkappe 29 zu deren Aufheizung auf. Eisenoxid-Zusatzes zum Glas auf 1,5 Gewichtsprozent Da die Hülse 21 entsprechend den Prinzipien der Er- erniedrigt wurde. Es wurde ein befriedigendes Einfindung, wie oben beschrieben, eingefärbt worden ist, schmelzen erreicht, erreichen die Innenwände der Hülse und die äußere 65 Beisoiellll Oberfläche der Endkappe die Einschmelztemperatur

im wesentlichen gleichzeitig und es resultiert an diesem Alle Faktoren sind wie im Beispiel I gewählt worden,

Ende des Widerstandes eine Einkapselung. mit der Ausnahme, daß der Prozentsatz des zum Glas

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zugegebenen Eisenoxides auf 4 % erhöht wurde. Auch erreicht, und zwar infolge der ungenügenden Aufhierbei wurde eine befriedigende Einscumelzung er- heizung der Endkappe. Zugleich hiermit trat ein überzielt, mäßiges Erweichen der Glashülse auf.

Beis'el jy Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen des

5 erfindungsgemäßen Verfahrens wurde angenommen,

Alle Faktoren wurden wie im Beispiel I gewählt, daß es wünschenswert sei, das Glas und den Körper, mit der Ausnahme, daß der Eisenoxidgehalt des Glases mit dem das Glas verschmolzen werden soll, gleichwesentlich kleiner als 1,5 Gewichtsprozent gehalten zeitig auf die Einschmelztemperatur zu bringen, und wurde und daß der Heizzyklus verlängert wurde, um zwar in einem Minimum an Zeit. Während diese Verein Einschmelzen zu erhalten. Der Widerstand wurde io fahrensbedingungen häufig wünschenswert sein werhierbei überhitzt und es waren schädliche Effekte auf den, und zwar insbesondere bei Verfahren, die sich mit diesem infolge der verlängerten Beheizung zu beob- der Verkapselung elektrischer Bauteile in Glas beachten, die notwendig waren, um das Glas auf die fassen, sind auch viele andere Fälle vorhanden, in Einschmelztemperatur zu bringen. denen es wünschenswert sein kann, die beiden Ober-. . _v 15 flächen auf die Einschmelztemperatur zu verschiedenen Beispiel V Zeitpunkten zu bringen, wobei diese Zeitpunkte durch

Alle Faktoren und Abmessungen des Beispieles I ein vorbestimmtes Zeitintervall getrennt sind. Dies

wurden beibehalten, jedoch mit der Ausnahme, daß kann einfach dadurch erhalten werden, daß die dem

der Eisenoxidgehalt des Glases der Hülse 21 auf einen Glas der Hülse 21 beigemischte Menge des Strahlung

wesentlich oberhalb 4% liegenden Wert erhöht wurde. 20 absorbierenden Zusatzes entsprechend erhöht oder

Es wurde hierbei ein unbefriedigendes Einschmelzen erniedrigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

; lungsabsorption benötigt wird. Die solcherart einge- j Patentansprüche: - führten-Temperaturunterschiede zwischen den beiderseitigen Materialien werden deshalb wegen der unter-

1. Verfahren zum Herstellen einer Ein- oder An- schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

Schmelzverbindung zwischen einem metallischen 5 zu einem verstärkten Aufbau innerer Spannungen an

Leiter und einem Glaskörper unter Verwendung der Verbindungsstelle während der nachfolgenden

" von Strahlungsenergie als Wärmequelle, da- Abkühlperiode führen, so daß die Gefahr einer Riß-

durchgekennzeichnet, daß ein Glas bildung stark vergrößert ist. Ein zusätzliches Problem

[ verwendet wird, das ein Strahlungsabsorbierendes liegt darin, daß wegen der zum Erhalt einer nicht-

t Material in einer solchen Konzentration enthält, io kalten Verbindung erforderlichen Überhitzung des

j ι daß die vom Glas absorbierte und die zum metalli- Metalls die Entstehung eines Metalloxidfilms gefördert

\ sehen Leiter durchgelassene Strahlungskompo- wird, der die Haftung des an der Metalloberfläche an-

) nente das Glas bzw. den metallischen Leiter etwa geschmolzenen Glases herabsetzt und so wiederum zu

' gleichzeitig auf die Ein- öder Anschmelztemperatur undichten Einschmelzstellen führt. Deshalb muß auch

; erhitzen. 15 eine Oxidfilmbildung nach Möglichkeit vermieden,

< 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jedenfalls aber so klein wie möglich gehalten werden.

\ zeichnet, daß ein Borsilicatglas verwendet wird, Schließlich können wegen der aus den angegebenen

^; das einen Zusatz von 1,5 bis 4 Gewichtsprozent Gründen unvermeidlichen Überhitzung des Metalls

Eisenoxid als Strahlungsabsorbierendes Material bei der Strahlungseinwirkung auch die grenzflächen-

; ' enthält. 20 nahen Glasschichten (durch Wärmeleitung) überhitzt

\ werden, so daß — wie dieses häufig beobachtet

wird — Blasen im Glas entstehen. Diese Blasen sind

aber der mechanischen Festigkeit der Einschmelzverbindung abträglich.

Γ 25 Die erfindungsgemäße Lösung des vorstehenden

Problemkreises besteht nun für ein Verfahren zum Herstellen einer Ein- oder Anschmelzverbindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum zwischen einem metallischen Leiter und einem Glas-Herstellen einer Ein- oder Anschmelzverbindung zwi- körper darin, daß ein Glas mit einem vorbestimmten sehen einem metallischen Leiter und einem Glaskörper 30 Gehalt an Strahlungsenergie absorbierendem Material durch Anwendung von Strahlungsenergie. ausgewählt, mit dem metallischen Leiter in Berührung Für die Herstellung einer Glas-Metall-Einschmelz- gebracht und dann mit Strahlungsenergie bestrahlt Verbindung sind zwei grundsätzliche Erfordernisse zu . wird, wobei der Gehalt an Strahlungsenergie absorbeachten: Erstens muß die Einschmelzung hermetisch bierendem Material in dem Glas auf einen solchen dicht sein und zweitens muß diese Verbindung im Hin- 35 Wert eingestellt wird, daß die vom Glas absorbierte blick auf den beabsichtigten Verwendungszweck aus- und die zum metallischen Leiter durchgelassene reichend mechanisch stabil sein. Um diese beiden Er- Strahlungskomponente das Glas bzw. den metallischen fordernisse zu erfüllen, muß die Einschmelzung prak- Leiter etwa gleichzeitig auf die Ein- oder Anschmelztisch frei von inneren Spannungen und von Oxidfilm- temperatur erhitzen.

sowie von anderen Verunreinigungen sein. Diese Er- 40 Auf diese Weise kann sehr einfach die Wärmezufuhr

fordernisse sind schwierig zu erfüllen, weil Metall und zu beiden Teilen auf das unbedingt erforderliche Min-

Glas sehr unterschiedliche mechanische und thermi- destmaß reduziert werden, so daß die oben erläuterten

sehe Eigenschaften haben. So ist Glas von amorpher Nachteile nicht mehr zu verzeichnen sind.

Struktur, während Metall kristalline Struktur besitzt. Der metallische Leiter kann beispielsweise durch die

Glas und Metalle haben sehr unterschiedliche Kenn- 45 metallische Endkappe eines elektrischen Bauteils ge-

größen, soweit deren Schmelz- und Erweichungs- bildet sein, und das gefärbte Glas kann in Form einer

temperaturen betroffen sind, was zu unterschiedlichen Hülse vorliegen, die zum Einkapseln des Bauteils,

Wärmeausdehnungseigenschaften führt. beispielsweise eines Widerstandes, bemessen ist.

Demnach liegt das beim Herstellen einer Glas- Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren

Metall-Einschmelzung hauptsächlich auftretende Pro- 5° an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es

blem darin, diejenigen Nachteile zu beseitigen, welche zeigt

von den wesentlich unterschiedlichen Zeitspannen F i g. 1 ein in einer eingefärbten Glashülse einzu-

herrühren, die das Glas und das Metall jeweils benöti- schmelzendes elektrisches Bauteil,

gen, um von der einfallenden Strahlungsenergie auf F i g. 2 eine schematische Darstellung einer ge-

die Einschmelztemperatur erhitzt zu werden, ebenso 55 eigneten Vorrichtung zum Erhitzen der Anordnung

diejenigen Nachteile zu vermeiden, welche vom unter- nach F i g. 1 und

schiedlichen Wärmeausdehnungsvermögen der beiden F i g. 3 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt

jI ' Materialien herrühren, also zu Spannungen an der in Richtung der Pfeile 3-3 der Fig. 2 gesehen, zur

ir Grenzfläche der Glas-Metall-Verbindung führen. Erläuterung der Wirkung der eingefärbten Glashülse

Glas neigt dazu, Strahlungsenergie wesentlich schwä- 60 auf die Strahlungsenergie-Aufteilung zwischen Glas

eher als Metall zu absorbieren, das sowohl elektrisch und dem einzuschmelzenden Bauteil,

als auch thermisch hiergegen ein guter Leiter ist. Folg- In der F i g. 1 ist ein elektrisches Bauteil, nämlich

lieh ist einerseits eine Tendenz zur Entstehung einer ein Kohleschichtwiderstand 20 dargestellt, der zum

sogenannten kalten Verbindung vorhanden, und soll Zweck einer Verkapselung in eine zylindrische Glas-

diese vermieden werden, so besteht andererseits die 65 hülse 21 eingeschoben ist. Der Widerstand 20 weist

Tendenz einer Überhitzung des Metalleiters während einen keramischen Kern 23 auf, der seinerseits eine

derjenigen Zeit, welche vom Glas selbst bis zu dessen hierauf abgeschiedene, als Widerstandsschicht dienende

Erhitzung auf Einschmelztemperatur durch Strah- Kohleschicht 24 trägt. Die Widerstandsschicht 24 ver-