Werkstoffkundliche Berichte. Ultraschallschweißen von Glas und Glaskeramik mit Metallen sowie Erzeugung von Glas /Glas -Verbunden

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1 I I 0 Herausgeber: Werkstoffkundliche Berichte Prof. Dr.-Ing. D. Eifler Band 2 Guntram Wagner Ultraschallschweißen von Glas und Glaskeramik mit Metallen sowie Erzeugung von Glas /Glas -Verbunden Lehrstuhl für Werkstoffkunde Universität Kaiserslautern

2 INHALT I.NOMENKLATUR VIII 1.1 Lateinische Zeichen VIII 1.2 Griechische Zeichen X 1. EINLEITUNG 1 2. ALLGEMEINE GRUNDLAGEN Einordnung des Verfahrens Funktionsweise und Anwendungsgebiete der konventionellen Ultraschallschweißverfahren Funktionsweise der Ultraschallschweißanlagen für Verbünde aus sprödamorphen Werkstoffen wie Glas (Glaskeramik) mit Metall 9 3. KENNTNISSTAND ZU DEN UNTERSUCHUNGSWERKSTOFFEN Glas und Glaskeramik Glasiger Zustand Glasstruktur Gebräuchliche Glasarten Glasverarbeitung Fertigungsverfahren für Flachgläser Beschichtungsverfahren für Flachgläser Herstellung von Glaskeramiken Eigenschaften von Gläsern Dichte Härte Elastizitätsmodul Festigkeit Wärmeleitfähigkeit Optische Durchlässigkeit Metallische Werkstoffe 23

3 II 4. KENNTNISSTAND ZUM ULTRASCHALLSCHWEISSEN Ultraschallverbunde von Glas bzw. Glaskeramik und Metall Bindungsmechanismen Bindungsarten Bindungsmechanismen beim Ultraschallschweißen von spröd-amorphen Werkstoffen mit Metall Grundlegende Hypothese zu den Bindungbildungsabläufen beim Fügen in fester Phase Gültigkeit der Hypothese für die zu untersuchenden Materialkombinationen Weitere Hypothesen zur Wirkung des Ultraschalls bei der Bindungsbildung Temperaturen in der Fügezone beim Ultraschallschweißen Grundlegende Vorstellungen zur Fügezonentemperatur Modell zur Erwärmung und Bindungsbildung in der Fügezone durch Festkörperreibung Methoden zur Bestimmung der Schweißzonentemperaturen Rechnerische Methoden Experimentelle Methoden Gefügeuntersuchungen an ultraschallgeschweißten Verbindungen VERSUCHSEINRICHTUNGEN Grundsysteme Funktionsweise des Ultraschallschweißsystems mit einer Arbeitsfrequenz von 20 khz Schweißeinheit Qualitätskontrollgerät Funktionsweise des Ultraschallschweißsystems mit einer Arbeitsfrequenz von 39,5 khz Sonotroden Ergänzende Einrichtungen zum Schweißsystem Amboß Gestaltung des Ambosses für Versuche bei Raumtemperatur Gestaltung des Ambosses für Versuche mit infrarotpyrometrischer Temperaturmessung in der Fügezone 58

4 JH Gestaltung des Ambosses für Versuche bei erhöhten Probentemperaturen Meß- und Regelsysteme Meß-und Regelgrößen Maschinenspezifische Schweißparameter Meßgrößen Meßwerterfassungssystem Leistungsmeßgerät Schweißkraftaufnahme Messung der Schweißamplitude Messung der Fügeflächentemperatur Meßwerterfassung Prüfeinrichtungen Bildanalysesystem Zugscher-und Druckscher-Versuchseinrichtungen Zugschervorrichtungen Vorrichtung für Zugscherkräfte bis 800 N Vorrichtung für Zugscherkräfte über 800 N Druckscherversuche VERSUCHSWERKSTOFFE Metallische Werkstoffe Aluminium Aluminium der Dicke 0,5 mm Aluminiumfolien NiCo (KOVAR) X 5 CrNi (V2Asupra) Zirkonium Kupfer Nickel Spröd-amorphe Werkstoffe Gläser Borosilikatglas (TEMPAX) Kalk-Natron-Glas (Floatglas) Beschichtetes Kalk-Natron-Glas (CALOREX A0) Glaskeramik des Systems Lithiumoxid-Aluminiumoxid-Siliziumoxid (ROBAX) 85

5 7. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Probengeometrien Glas (Glaskeramik)/Metall-Verbünde Glas/Glas-Verbunde Probenvorbereitung Grundlagen zur Auswertung der Schweißversuche Bestimmung der Schweißwahrscheinlichkeit Größe der Schweißfläche Zugscherfestigkeit Verbindungsfestigkeit VERSUCHSERGEBNISSE Grundlegende Versuche Abgleichung des Infrarot-Temperaturmeßsystems Abgleich der Temperatur in der Schweißzone bei Probenvorwärmung Bestimmung der Schweißenergie Glas (Glaskeramik)/Aluminium-Verbünde Seh weiß verhalten von Glas (Glaskeramik)/Aluminium-Verbünden Einfluß der Härte des Aluminiums auf das Schweißverhalten bei TEMPAX/-, Aluminium-Verbunden Einfluß der Härte auf die sich ergebenden Schweißwahrscheinlichkeiten Einfluß der Härte auf die Größe der sich ergebenden Schweißflächen Einfluß der Probenvorwärmtemperatur auf das Schweißverhalten bei TEMPAX/Aluminium-Verbünden Einfluß des nichtmetallischen Fügepartners auf das Seh weiß verhalten der Verbünde Vergleich und Analyse der sich ergebenden Schweißwahrscheinlichkeiten bei ROBAX/Aluminium- und TEMPAX/Aluminium-Verbunden Vergleich und Analyse der sich ergebenden Schweißflächen Festigkeiten von Glas (Glaskeramik)/Aluminium-Verbunden Einfluß der Härte des Aluminiums auf die Festigkeiten von TEMPAX/- Aluminium-Verbunden 114

6 V Einfluß der Härte auf die sich ergebenden Zugscherfestigkeiten Einfluß der Härte auf die sich ergebenden Verbindungsfestigkeiten Einfluß der Probenvorwärmung auf die Festigkeiten von TEMPAX/- Aluminium-Verbunden Einfluß des nichtmetallischen Fügepartners auf die Festigkeiten der Verbünde Vergleich und Analyse der sich ergebenden Zugscherfestigkeiten bei ROBAX/Aluminium- und TEMPAX/Aluminium-Verbunden Vergleich und Analyse der sich ergebenden Verbindungsfestigkeiten bei ROBAX/Aluminium- und TEMPAX/Aluminium-Verbunden Korrelation der einzelnen Kenngrößen bei Glas (Glaskeramik)/Aluminium- Verbunden Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/Aluminium-Verbünde mit Aluminium der Härte 20 HV Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/Aluminium-Verbunde mit Aluminium der Härte 30 HV Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/Aluminium-Verbunde bei einer Schweißfrequenz von 40 khz mit Probenvorwärmung Bestimmung günstiger Schweißbereiche für ROBAX/Aluminium-Verbünde mit Aluminium der Härte 20 HV Abschließende Interpretation des Ultraschallschweißvorgangs bei Glas (GlaskeramikVMetall-Verbunden unter Berücksichtigung der gewählten Einflußgrößen Glas (Glaskeramik)/Aluminium/Metall-Verbünde Schweißverhalten von Glas (Glaskeramik)/Aluminium/Metall-Verbunden Einfluß unterschiedlicher Aluminiumfoliendicken auf das Schweißverhalten von TEMPAX/Aluminium/Metall-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Schweißverhalten von TEMPAX/Al/V2Asupra-Verbunden Schweißverhalten von TEMPAX/Al/KOVAR-Verbunden Einfluß einer Probenvorwärmung auf das Schweißverhalten von TEMPAX/- Aluminium/V2Asupra-Verbunden Einfluß unterschiedlicher Aluminiumfoliendicken auf das Schweißverhalten von ROBAX/Alumimum/Metall-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Schweißverhalten von ROBAX/Al/V2Asupra-Verbunden Schweißverhalten von ROBAX/Al/KOVAR-Verbunden Einfluß der Flamm- und der Badseite von Floatglas auf das Schweißverhalten von Floatglas/Aluminium/V2Asupra-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N 142

7 VI Schweißverhalten von ultraschallgefugten CALOREX A0/A1/KOVAR- Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Festigkeiten von Glas (Glaskeramik)/Aluminium/Metall-Verbunden Einfluß unterschiedlicher Aluminiumfoliendicken auf die Festigkeiten von TEMPAX/Aluminium/Metall-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Festigkeiten von TEMPAX/Al/V2Asupra-Verbunden Festigkeiten von TEMPAX/Al/KOVAR-Verbunden Einfluß einer Probenvorwärmung auf die Festigkeiten von TEMPAX/- Aluminium/V2Asupra- Verbunden Einfluß unterschiedlicher Aluminiumfoliendicken auf die Festigkeiten von ROBAX/Aluminium/Metall-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Festigkeiten von ROBAX/Al/V2Asupra-Verbunden Festigkeiten von ROBAX/Al/KOVAR-Verbunden Einfluß der Flamm- und der Badseite von Floatglas auf die Festigkeiten von Floatglas/Aluminium/V2Asupra-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Festigkeiten von CALOREX A0/Aluminium/KOVAR-Verbunden bei einer Fügekraft von 250 N Korrelation der einzelnen Kenngrößen bei Glas (Glaskeramik)/Aluminium/- Metall- Verbunden Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/AluminiunV- V2Asupra-Verbünde bei einer Fügekraft von 250 N Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/Aluminium/- KOVAR-Verbunde bei einer Fügekraft von 250 N Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/Aluminium/- V2Asupra-Verbünde bei einer Probenvorwärmung Bestimmung günstiger Schweißbereiche für ROBAX/Aluminium/- V2Asupra-Verbunde bei einer Fügekraft von 250 N Bestimmung günstiger Schweißbereiche für ROBAX/Aluminium/- KOVAR-Verbünde bei einer Fügekraft von 250 N Bestimmung günstiger Schweißbereiche für Floatglas/Aluminium/- VZAsupra-Verbunde bei einer Fügekraft von 250 N Bestimmung günstiger Schweißbereiche für CALOREX A0/Aluminium/- KOVAR-Verbünde bei einer Fügekraft von 250 N Weitere durch Ultraschall zu fugende Glas/Aluminium/Metall-Verbunde Abschließende Interpretation des Ultraschailschweißvorgangs bei Glas (Glaskeramik)/Aluminium/Metall-Verbunden unter Berücksichtigung der gewählten Einflußgrößen 159

8 VII 8.4 Glas/Glas-Verbünde Grundlagen Schweißverhalten von Glas/Glas-Verbunden Schweißverhalten von TEMPAX/TEMPAX-Verbunden mit einer Glasdicke von 3,3 mm Schweißverhalten von CALOREX AO/CALOREX AO-Verbunden mit einer Glasdicke von 2,4 mm Festigkeiten von Glas/Glas-Verbunden Festigkeiten von TEMPAX/TEMPAX-Verbunden mit einer Glasdicke von 3,3 mm Festigkeiten von CALOREX AO/CALOREX AO-Verbunden mit einer Glasdicke von 2,4 mm Korrelation der einzelnen Kenngrößen bei Glas/Glas-Verbunden Bestimmung günstiger Schweißbereiche für TEMPAX/TEMPAX-Verbunde mit einer Glasdicke von 3,3 mm Bestimmung günstiger Schweißbereiche für CALOREX AO/CALOREX A0- Verbunde mit einer Glasdicke von 2,4 mm Abschließende Interpretation des Ultraschallschweißvorgangs bei Glas/Glas- Verbunden unter Berücksichtigung der gewählten Einflußgrößen UNTERSUCHUNGEN ZUM BINDUNGSMECHANISMUS ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS 184

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