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 mm ³ 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 10 ⁵ mbar ist vorteilhaft. Eine übertragbare Flächenpressung > 7 N/mm ² 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/cm ³ , 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/mm ² 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/mm ² .

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