專利名稱：借助于振動向金屬結構施加焊料的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種向金屬結構施加粉末狀焊料的方法和裝置。這種金屬結構例如是蜂窩體，它們特別是用作用來凈化汽車內(nèi)燃機廢氣的催化器基體，存儲器基體或過濾元件。
背景技術：
例如通過堆疊和/或卷繞板層來制造金屬蜂窩體，其中至少部分是形成有結構的板層。在這方面已知各種不同的結構方案，例如在EP-A1-0245738中所述。堆疊和/或卷繞的板層至少部分地相互焊接，從而形成一整體的蜂窩體。眾所周知，蜂窩體至少部分地與一套管焊接，蜂窩體裝在此套管內(nèi)。為此在板層和套管的焊接區(qū)內(nèi)放入焊料。例如由WO89/11938，WO94/06594，WO93/25339，WO99/37432和DE-A1-2924592可以看到這種用來向包含一蜂窩體和一套管的這種金屬結構施加粘合劑和焊料的已知方法。
按照WO99/37432建議，首先通過堆疊和/或卷繞至少一部分是形成有(表面)結構的板層的板使蜂窩體做成這樣，使它具有流體可流通的通道。蜂窩體部分地裝入一套管。蜂窩體的從套管中伸出的部分在端側與粘合液相接觸。然后將蜂窩體裝入套管，接下來使之與焊料相接觸。
這種類型的蜂窩體通常在內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)受非常高的熱負荷和動態(tài)交變載荷。在排氣設備中劇烈變化的溫度造成構成蜂窩體的板層和包圍板層的套管不同的膨脹行為。為了避免危害蜂窩體結構整體性的熱應力，另一方面保證板層在套管內(nèi)長期固定，已知板層相互之間以及板層和套管僅僅部分區(qū)域焊接。這里特別重要的是，蜂窩體的待相互焊接的部分區(qū)域與可自由熱膨脹的部分區(qū)域界限清晰。
由于在蜂窩體內(nèi)部的通道壁最后還要設有催化活性的或擴大表面積的涂層，并且最新的技術發(fā)展趨向于在高的通道密度的情況下采用非常薄的薄板這樣的事實，希望通道橫截面不會由于過度堆積的焊料而減小。特別是通道只應該容納這么多焊料，使得一方面持久地確保相鄰和待相互焊接的薄板的接合/焊接技術的(fügetechnisch)連接，另一方面提供通道壁的足夠大的沒有焊料從而適宜于施加其它涂層的區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
由此出發(fā)本發(fā)明的目的是，提供一種用來向金屬結構特別是帶有通道壁和通道的蜂窩體施加焊料的方法，其中實現(xiàn)界限清晰的焊接區(qū)，減少必要的焊料量，并且即使在蜂窩體經(jīng)受高的熱負荷和動態(tài)負荷時仍能確保通道壁持久的結合。此外此方法應該可以特別方便地實現(xiàn)，并適合于大批量制造這種金屬結構。此外還應該提供一種結構特別簡單和操縱靈活的焊料施加裝置，它確保焊料在金屬結構內(nèi)部均勻分布。
這個目的通過具有權利要求1的特征的方法和具有權利要求14的特征的裝置來實現(xiàn)。本發(fā)明的方法和裝置的其它優(yōu)良的方案分別在各個從屬權利要求中說明，其中各種優(yōu)良的方案也可以相互組合。
在采用按本發(fā)明的用來向金屬結構，特別是蜂窩體施加焊料的方法中使金屬結構與粉末狀焊料這樣相接觸，使得焊料至少部分粘附。該方法的特征是，至少在接觸期間使金屬結構和/或焊料處于振動中。這例如可以通過這樣的方法實現(xiàn)，即金屬結構至少在接觸期間被一夾持器和/或一操作臂固定，這時通過夾持器或操作臂傳遞振動。作為另一種選擇也可以將焊料放在一容器內(nèi)，并通過容器傳遞振動。也許也可以借助于脈沖發(fā)生器對焊料施加外部刺激。金屬結構特別是指帶有通道和/或孔的流體可流通的結構，它們具有許多單獨的單元(殼體、板、薄膜、織物、網(wǎng)狀物、纖維、金屬絲等等)，它們借助于焊接過程相互焊接技術地連接。其中單個單元界定或限定保證結構流通性的通道或孔。
金屬結構或焊料的振動導致，焊料優(yōu)先積存在相鄰的待連接壁板的接觸區(qū)內(nèi)，并被擠入和固定在接觸區(qū)內(nèi)。這些接觸區(qū)大多是楔、邊緣、縫隙等等，其中焊料在堆積在那里的情況下優(yōu)先與兩個相鄰的通道壁同時接觸。在此確保，焊料這樣地持久固定，使得在接著在金屬結構高溫處理期間形成焊接技術的連接時焊料準確地放置在待相互連接的壁板處。
如果金屬結構是帶通道壁和通道的金屬蜂窩體，那么通道與蜂窩體的至少一個端面相鄰接，并至少在靠近這個端面處平行于一軸線分布。本焊料施加方法首先用來使蜂窩體這樣地與一種特別是粉末狀的焊料接觸，以使焊料至少部分地在通道內(nèi)附著在通道壁上。這里建議，蜂窩體和/或焊料至少在進入相互接觸期間振動。振動包括例如擺動/振蕩、旋轉、相對平移運動等等，這時焊料短時間地得到相對于金屬結構的向通道壁方向的加速度或速度。
此外振動有這樣的優(yōu)點，即沒有象上面提到的那樣卡死的，特別是僅僅和一個通道壁接觸的焊料由于還在通道內(nèi)自由運動的焊料顆粒的脈沖式的沖擊重新被撞出或松脫。這里焊料顆粒最好具有20μm至120μm，特別是25μm至100μm之間的平均顆粒大小。用這種方法防止由于焊料在對于焊接技術地連接相鄰通道壁不適合的位置處的堆積而使通道橫截面減小。這特別是在流通流體時在這種蜂窩體的壓力損失方面起有利的影響。
按本方法的另一種方案蜂窩體和焊料相互旋轉式地振動，其中蜂窩體的整個端面最好相對于焊料進行相對運動。這里應該理解為，除蜂窩體或存放在容器內(nèi)的焊料的純旋轉或旋轉振動的以外還可以疊加其它的相對運動。這里特別是產(chǎn)生封閉的并在蜂窩體端面的每個部分區(qū)域內(nèi)造成通道壁和焊料的相對運動的運動軌跡。這種實際情況特別是也應該適用于設置在蜂窩體或容器旋轉軸附近的部分區(qū)域。這種旋轉擺動形式的振動方案有這樣的優(yōu)點，即用來實現(xiàn)這種旋轉擺動的設備可以做得特別緊湊，從而這種方法特別適合于蜂窩體的大批量或大量生產(chǎn)。
按照另一種方案進行具有保持不變的振幅的振動。在這種條件下振幅理解為例如由于振動通道壁在振動方向的最大運動。特別是在進入接觸之前振動過程已經(jīng)開始，其中特別是在此之前中斷/結束(abschalten)在某些情況下存在的焊料的渦旋運動(例如借助于空氣)。優(yōu)先通過金屬結構的振動產(chǎn)生的振動過程最好在從焊料中取出金屬結構后才終止。因此振動過程尤其是僅僅持續(xù)不到5秒，特別是不到3秒或2秒，也許甚至少于1秒。這里振幅特別是在0.1至3mm之間，尤其是0.2至1.0mm之間的范圍內(nèi)。
此外建議，在振動期間改變頻率。由于特別是在粉末狀焊料時會碰到不同大小的焊料顆粒這一事實，利用改變頻率可達到焊料顆粒在相鄰通道壁的接觸區(qū)內(nèi)特別良好的積聚。這里頻率最好在20Hz至100Hz之間，特別是25Hz至50Hz之間。
按照另一種方案焊料和/或金屬結構在振動期間附加地進行軸向的沉入運動。這導致焊料和相鄰的通道壁的接觸區(qū)特別強的接觸。
特別優(yōu)選的是，在焊料施加過程之前，焊料應該附著在其上的金屬結構的區(qū)域至少局部地設有粘合劑，以確保焊料持久地固著在希望的區(qū)域內(nèi)。這里粘合劑有利地設置在金屬結構焊接區(qū)的所有通道壁上。
按照另一種方案焊料施加從金屬結構的一個端面開始只進行到可預先規(guī)定的高度。用這種方法限定一個端側焊接區(qū)，其中金屬結構位于較里面的部分區(qū)域最終并不相互焊接技術地連接，因此那里可以進行不同的熱膨脹。
對于希望在金屬結構兩側的端側施加焊料的情況，金屬結構在(與焊料)相互接觸以后相對于焊料運動，并且重復金屬結構另一個端面的施加焊料過程。在這種情況下得到靠近端面的焊接區(qū)，其中在金屬結構內(nèi)部的部分區(qū)域，例如由于熱交變應力，可以自由膨脹或收縮。
此外建議，金屬結構在相互進入接觸以后還可以在規(guī)定的時間段內(nèi)繼續(xù)振動。這里在最后還可以對通道壁進行至少局部的清潔，特別是借助于流過通道的流體。后續(xù)的振動以及流通流體確保，焊料僅僅設置在相鄰通道壁的接觸區(qū)內(nèi)或通道壁和包圍它們的套管的接觸區(qū)內(nèi)。
如果例如做成蜂窩體的金屬結構具有至少局部形成有結構的薄板，以形成帶有楔和側壁(Flanke)的通道，則進行這樣的振動，以使焊料基本上僅僅堆積在楔內(nèi)。這里楔是相鄰的至少局部形成有結構的薄板的接觸區(qū)。其中振動的方式以及其振幅和/或頻率與所用的焊料(顆粒大小、添加劑等等)相匹配。因此特別是用來積存催化活性的或擴大表面積的涂層的側壁不帶焊料。
按照本發(fā)明另一個方面推薦一種用來向金屬結構施加粉末狀焊料的裝置。該裝置包括一用來容納粉末狀焊料的容器和一用來固定金屬結構的操作臂，其中設有使金屬結構和/或粉末狀焊料產(chǎn)生振動的裝置。因此該裝置特別適合于用來實施上述方法。此裝置的結構非常簡單，由于振動的可能性即使在大批生產(chǎn)的場合內(nèi)也能保證焊料顆粒非常好地附著在金屬結構的相應區(qū)域內(nèi)，這些區(qū)域接著在焊接過程中應該相互連接。
產(chǎn)生振動的裝置可以設置和制作得非常不同。下述實施形式僅僅舉例表示一些常見的、原理性的選擇方案，而不應該理解為本發(fā)明僅僅局限于此。這里裝置不同構件的激振可以例如直接地或通過傳遞構件進行。此外建議，一振動器與容器連接。代替上述方案或與之相結合振動器也可以和金屬結構直接或間接連接。其中振動器特別是操作臂的一部分或就是屬于它的夾持器本身。如果應該避免焊料容器和/或操作臂的運動，從而為了產(chǎn)生要求的振動只需要較小的力和能量，可以設一脈沖發(fā)生器，它至少促使粉末狀焊料的振動。這種脈沖發(fā)生器可以發(fā)出例如不同的和可調(diào)整的壓力波和/或脈沖，它們保證希望的振動。
附圖的簡要說明下面借助于附圖對本發(fā)明作較詳細的說明。這里附圖表示裝置以及布局或方法步驟，它們雖然是特別優(yōu)選的，但是本發(fā)明并不局限于此。附圖表示

圖1在實施焊料施加方法期間焊料和蜂窩體布局的示意性透視圖，圖2焊料施加方法連同振動的蜂窩體的示意圖，圖3另一種焊料施加方法連同振動的焊料的方案，
圖4蜂窩體的細部視圖，圖5蜂窩體的設有焊料的通道的細部視圖，圖6根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種實施形式的示意圖。
具體的實施方式圖1以示意性透視圖表示一帶有粉末狀焊料6的容器8。為了向蜂窩體1施加焊料，該蜂窩體沿沉入方向10相對于焊料6這樣地運動，使得焊料6與蜂窩體1的通道壁2接觸。這里焊料6通過兩個端面4之一進入蜂窩體1的通道3(未畫出)。在進入接觸期間蜂窩體1沿振動方向16振動，這里該振動方向為繞軸線5的轉動。
圖2表示向帶有振動的蜂窩體1的施加焊料的過程的示意圖。蜂窩體1包含通道壁2，它們構成通道3，通道基本上平行于蜂窩體的軸線5設置。此外蜂窩體1包括一套管17，在蜂窩體1的所示實施形式中套管突出于兩個端面4。在蜂窩體1浸入填充有粉末狀焊料6的容器8內(nèi)時蜂窩體水平和/或垂直地(用箭頭16表示)以規(guī)定的振幅9和一個特別是根據(jù)所用的焊料6選擇的頻率振動。這時焊料施加過程這樣地進行，即確保蜂窩體1的通道壁2的焊料施加一直進行到高度12為止。為了支持焊料施加過程可以附加地將一氣流18引入焊料粉末，此氣流幫助焊料6進入通道3內(nèi)。
圖3示意表示這樣的焊料施加過程，其中激發(fā)容器8連同在它里面的焊料6使其振動。振動方向通過箭頭16表示。蜂窩體1通過端面4沿沉入方向10運動，直至焊料6與蜂窩體1內(nèi)部的通道壁接觸為止。一旦端面4與焊料6接觸，容器8或焊料6便開始振動。在這種情況下也可以通過氣流18幫助粉末狀焊料6進入通道3。
圖4表示一個蜂窩體1的端面4的視圖。蜂窩體1包括多個板層，它們至少局部地形成有表面(波紋)結構(strukturiert)。板層相互卷繞和/或堆疊，并設置在一套管17內(nèi)。為了形成焊接技術的連接，蜂窩體或套管17的規(guī)定的部分區(qū)域設有焊料6，其中在隨后的高溫熱處理時焊料6液化，并確保板層與套管17或板層相互之間的相應連接。這里熱處理最好在還原的氣氛(Atmosphre)特別是真空下進行。在所示實施形式中蜂窩體1的通道3通過光滑層13和波紋層14構成，接著將它們相互扭轉或卷繞成一整體的蜂窩體1。這里形成這樣的蜂窩體1通道密度，它最好在600cpsi(每平方英寸單元數(shù))以上，特別是甚至1000cpsi以上。
圖5示意性地表示一蜂窩體1的通道3的細部視圖。通道3至少部分地由光滑層13和波紋層14圍成。由于形成波紋的波紋層14和基本上平的光滑層13(在板層卷曲以前)交替地相互堆疊形成楔15和側壁7。這里楔15由相鄰布置的光滑和波紋板層13、14構成。其中這些接觸區(qū)主要用來形成焊接部位。
現(xiàn)在在焊料施加方法中的振動促使焊料6優(yōu)先并幾乎僅僅布置在通道3的楔15內(nèi)。通道3的側壁7上基本上沒有焊料6。盡管整個通道3設有粘合劑11，布置在側壁7上的焊料積聚由于振動過程重新被擊出通道3，因為通道只具有比較小的結合面或附著面。用這種方法對于形成蜂窩體1的焊接技術的連接只需要非常少的焊料6。這在板層的材料性能方面也特別有利，因為焊料的過多堆積也許可能導致板層13、14的易受腐蝕性。特別是當波紋層14和/或光滑層13具有小于0.03mm，特別是小于0.025mm的厚度時。
在此這種厚度范圍對于用于汽車的排氣設備中的蜂窩體1是常用的范圍。因此蜂窩體1的由表面積決定的熱容量保持比較低，這里可以看到較好的冷起動性能，亦即迅速地加熱到確定的起動溫度。如果蜂窩體例如用作催化活性的涂層的基體，那么它在開始催化轉化包含在廢氣中的有害物質(zhì)(例如碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物)之前必須迅速達到約230℃的溫度。如果蜂窩體具有有儲存能力的涂層，特別是用來吸附氮氧化物的涂層，那么在某些情況下應該采用大于0.03mm至約0.1mm的薄板厚度，因為這里在較高溫度下涂層喪失其儲存或吸附能力。因此對于這種應用場合蜂窩體1通過流過的高溫廢氣緩慢地加熱是有利的。在將這種類型的蜂窩體用作開式或閉式過濾器時板層厚度優(yōu)先在0.08至0.02mm的范圍內(nèi)。
在緊接在焊料施加方法之后的高溫真空處理期間積聚在楔15內(nèi)的焊料6液化，并優(yōu)先進入相互鄰接的板層13、14之間。還留在通道壁3上的粘合劑11在高溫過程中蒸發(fā)?，F(xiàn)在通道3空出的側壁7用來容納催化活性的或加大表面積的涂層，例如載體涂層。
所推薦的焊料施加方法用非常簡單的方式保證，可以減少需要的焊料，然而這里仍然保證蜂窩體的相鄰通道壁持久的結合。振動促使焊料僅僅積聚在相鄰通道壁的接觸區(qū)內(nèi)，而通道壁本身基本上不帶焊料。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的裝置一種實施形式的示意圖。所示裝置適合于用來實施向金屬結構23施加焊料的方法，其中使金屬結構23與粉末狀焊料6這樣地接觸，使焊料6至少部分附著，并且至少在接觸期間使金屬結構23和/或焊料6處于振動中。為此金屬結構23至少在接觸期間由一具有夾持器20的操作臂21夾持，其中操作臂與一振動器24連接，使得振動通過夾持器20或操作臂21傳到金屬結構23上。此外振動也可以通過與容器8連接的振動器24傳遞。其次所示裝置具有一脈沖發(fā)生器22，它促使粉末狀焊料6振動。該脈沖發(fā)生器22能夠?qū)⒁粋€或多個定向脈沖發(fā)送到金屬結構23的部分區(qū)域上，而不必與它直接連接或接觸。作為這種振動器24或脈沖發(fā)生器22例如可以采用壓電晶體，固體聲發(fā)生器、聲壓發(fā)生器、機械激振器等。
附圖標記表1蜂窩體2通道壁3通道 4端面5軸線 6焊料7側壁 8容器9振幅 10沉入方向11粘合劑 12高度13光滑層 14波紋層15楔 16振動方向17套管 18氣流
19厚度 20夾持器21操作臂 22脈沖發(fā)生器23金屬結構 24振動器
權利要求
1.用來向金屬結構(23)特別是蜂窩體(1)施加焊料的方法，其使金屬結構(23)與一種粉末狀焊料(6)這樣地接觸，使得焊料至少部分地附著在其上，其特征為至少在接觸期間使金屬結構(23)和/或焊料(6)處于振動中。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，金屬結構(23)至少在接觸期間被一夾持器(20)和/或操作臂(21)保持，其中振動通過夾持器(20)或操作臂(21)傳遞。
3.按權利要求1所述的方法，其特征在于，焊料放在一容器(8)內(nèi)，所述振動通過容器(8)傳遞。
4.按權利要求之任一項所述的方法，其特征在于，金屬結構(23)是一帶有通道壁(2)和通道(3)的蜂窩體(1)，其中通道(3)與蜂窩體(1)的一個端面(4)鄰接，并平行于一軸線(5)分布，并且蜂窩體(1)和焊料(6)相互旋轉振動，其中尤其是蜂窩體(1)的整個端面(4)相對于焊料(6)作相對運動。
5.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述振動以保持不變的振幅(9)進行。
6.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在所述振動期間改變振動頻率。
7.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，焊料(6)和/或金屬結構(23)附加地作沿軸向(5)的沉入運動。
8.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，至少在金屬結構(23)的焊料(6)應該保持附著在其上的區(qū)域上在在施加焊料之前施加粘合劑(11)。
9.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在施加焊料時從金屬結構(23)的一個端面(4)出發(fā)僅僅進行到一規(guī)定的高度(12)。
10.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，金屬結構(23)在進入相互接觸以后相對于焊料(6)運動，并且從金屬結構(23)的另一個端面(4)重復施加焊料過程。
11.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，即使在進入相互接觸以后金屬結構(23)仍然在一規(guī)定時間段內(nèi)振動。
12.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，最后對金屬結構(23)進行至少局部的清潔，從金屬結構(23)中去除多余的焊料(6)，特別是借助于流過金屬結構(23)的流體。
13.按上述權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，金屬結構(23)制成一特別是帶有至少局部形成有表面結構的薄板(13，14)的蜂窩體(1)，其中通道(3)形成楔(15)，焊料(6)由于振動主要積聚在楔(15)內(nèi)。
14.用來向金屬結構(23)施加粉末狀焊料(6)的裝置，包括一用來容納粉末狀焊料(6)的容器(8)和一用來固定金屬結構(23)的操作臂(21)，其特征為設有用來使金屬結構(23)和/或粉末狀焊料(6)產(chǎn)生振動的裝置(22、24)。
15.按權利要求14所述的裝置，其特征為一個振動器(24)與容器(8)連接。
16.按權利要求14或15所述的裝置，其特征為一個振動器(24)與金屬結構(23)連接，特別是振動器(24)是操作臂(21)的一部分。
17.按權利要求14至16之任一項所述的裝置，其特征為設有一脈沖發(fā)生器(22)，它促使粉末狀焊料(6)振動。
全文摘要
用來向金屬結構(23)特別是蜂窩體(1)施加焊料的方法和裝置，其中金屬結構(23)這樣地與粉末狀焊料(6)相接觸，使得焊料(6)至少部分地保持附著，其中至少在接觸期間使金屬結構(23)和/或焊料(6)處于振動之中。
文檔編號B23K3/06GK1551813SQ02817320
公開日2004年12月1日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權日2001年9月7日
發(fā)明者H-P·卡斯帕, F·庫爾斯, A·肖爾茨, H-P 卡斯帕 申請人:排放技術有限公司