CN113226626A - 用于产生功能结构的方法以及构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在铝表面上产生功能结构的方法，所述方法包括如下步骤：至少局部地对铝表面进行激光处理，以便在铝表面上产生功能结构，其中，所述激光处理借助于脉冲持续时间为10ns至100ns的脉冲激发的激光系统来实施，并且该激光系统的平均功率小于5kW。

Description

用于产生功能结构的方法以及构件
技术领域
本发明涉及一种用于在铝表面上产生功能结构的方法、一种包括功能结构的构件以及一种脉冲激发的激光系统的应用。
背景技术
为了材料锁合地连接例如两个铸铝构件，需要预先处理构件的表面，以便在随后的接合过程中实现足够的接合连接强度。此外，由现有技术已知为此的化学过程、例如化学清洗或酸洗。就此而言，也已知表面的钝化和设置阴极电泳涂装或阳极氧化过程。但已知的方案在过程技术方面通常是复杂的、不环保的并且造成高的运行和维护成本。因此，DE102011121546A1提出一种用于在表面上产生金属表面或金属合金表面或金属氧化层或金属合金氧化层的方法，其中，该方法借助于脉冲激发的激光系统来工作。但已表明，虽然可以利用这样的激光系统在铝表面上产生或提供氧化层，但是这样的氧化层通常例如不够厚或不够均匀，以致也不适合于后续的接合过程。在这方面，尤其是存在以合适的方式运行或设计脉冲激发的激光系统的问题。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种用于在铝表面上产生功能结构的方法、一种包括功能结构的构件以及一种脉冲激发的激光系统的应用，它们消除上述缺点。
所述任务通过一种根据权利要求1所述的方法、通过一种根据权利要求11所述的构件以及通过一种根据权利要求12所述的应用来解决。由从属权利要求以及说明书得出其它优点和特征。
根据本发明，用于在铝表面上产生功能结构的方法包括如下步骤：
至少局部地对铝表面进行激光处理，以便在铝表面或铝合金表面上产生功能结构，其中，所述激光处理借助于脉冲持续时间为10ns至100ns的脉冲激发的激光系统来实施，并且所述激光系统的平均功率小于5kW。
已意想不到地证实，这样制造的功能结构造成形成优化的氧化层。在此，所述氧化层尤其是非常均匀的并且比已知的要明显更厚。因此，在AlMgSi合金上的氧化层(未进行任何激光处理)的厚度低于3nm。利用上述激光处理可以达到超过5nm的厚度。根据一种优选的实施方式，上述表面是例如由铝镁(Al-Mg)合金、优选铝镁硅合金或铝镁硅镁(Al-Mg-Si-Mg)合金制成的构件的表面。优选的材料尤其是AlSi10MnMg。所述构件优选是铸造构件，根据一种实施方式例如是压铸构件。
根据一种实施方式，所述方法包括如下步骤：
经由功能结构将铝表面与接合对象以材料锁合的方式连接。
所述接合对象不具体地限制并且可以由任意材料、尤其是由金属材料、例如钢或铝或金属合金制成。作为替代性方案，可以将塑料或纤维复合材料用作用于接合对象的材料。
根据一种实施方式，所述方法包括如下步骤：
通过粘接、熔焊或钎焊进行材料锁合的连接。
已经证实该方法在与粘接过程结合的情况下是特别有利的。通常使用的粘合剂特别好地粘附在铝表面的要接合的区域的、因此尤其是功能结构的经激光处理的改性的表面拓扑结构上。
适宜地，所述功能结构形成或具有厚度在约5nm至700nm、优选在5nm至200nm的范围中的氧化层。换句话说，所述方法也可以称为用于在铝表面上产生氧化层的方法。通过激光处理和由此产生的热输入来清洁表面并且将所述表面改变成，使得随后在所述表面上形成非常均匀的氧化层。
特别优选地，所述激光系统具有在1kW至3kW之间或在1kW至2kW之间的平均功率或者说以这样的平均功率来实施激光处理。在这里，如下方法步骤被证实是特别有利的：
将激光束聚焦到直径约为500μm至3000μm。进一步优选的直径处在约900μm至1800μm的范围中。
由此，尤其是利用上述平均功率产生优化的能量输入，该能量输入导致功能结构或者说氧化层的形成。
根据一种实施方式，该方法包括如下步骤：
以20ns至40ns的脉冲持续时间进行激光处理。
在产生功能结构方面，该范围已被证实是特别有利的。就此而言，还应提到，作为射束形状，优选使用方形的射束形状，其中，但也可使用任意的其它射束形状。方形的射束形状尤其是具有如下优点，即因此以激光扫过时尤其是能够实现没有重叠区域的均匀的处理。优选地，激光处理在焦点位置中进行并且利用长的瑞利长度进行，其中，对于瑞利长度，优选的值处在10mm至25mm之间。因此，可以将表面处理设计得更稳定并且例如更容忍焦点位置的变化。
对于表面处理，已证实激光系统的1000nm至1100nm的波长是特别有利的，因为脉冲波被铝材料很好地吸收和转换。特别优选地，所述波长为1030nm和1064nm。
进一步有利地，脉冲频率为10kHz至40kHz并且尤其是为10kHz至30kHz。由此，在能量消耗降低的情况下，要接合的铸铝构件的表面拓扑结构和表面应力得以优化地改性，由此可以提高与接合对象的粘附性。
有利地，不使用化学的表面处理步骤。对应地，该方法有利地包括如下步骤：
直接在激光处理之后进行连接或者说直接在激光处理之后进行接合。
因此，有利地在激光处理之后不需要进一步的方法或过程步骤。这也适用于在进行激光处理之前的可能的预处理，所述预处理同样不是必要的。但在个别情况下，完全可以预先清洁要处理的表面，在必要情况下也可以以机械的方式清洁要处理的表面。
根据一种实施方式，该方法包括如下步骤：
在氛围的情况下进行激光处理，其中，所述氛围是真空、环境氛围或惰性气体或气体混合物。
根据一种实施方式，所述铝表面属于铝构件、尤其是铸铝构件。根据该方法所使用的铝材料不具体地限制，只要铝相对于构件总重量在质量百分比方面占主要部分。特别有利地，相对于铸铝构件的总重量，在要与接合对象连接的铸铝构件中铝的含量至少为70％的质量百分比。
本发明还涉及一种构件、尤其是铝构件、尤其是铸铝构件，其包括根据按照本发明的方法制造的功能结构，其中，所述功能结构具有或形成厚度约为5nm至700nm的氧化层。这造成优化的粘合材料粘附性和耐腐蚀性。功能结构或者说经激光处理的表面可以为可能的接合对象提供用于连接的表面活性基团，并且特点是提高的氧浓度。尤其地，氧化层是非常均一和均匀的。氧化层的均匀性表现为在经激光处理的区域上的“镜反射的”构件表面。有利地，进入到表面中或者说进入到构件中的重熔区或热影响区非常小，例如最大为10μm。
本发明还涉及一种脉冲激发的激光系统的用于在铝表面上、尤其是在铸铝构件上制造功能结构或者说氧化层的应用，所述激光系统具有10ns至100ns的脉冲持续时间和在1kW至5kW之间的平均功率。结合所述方法或结合所述构件提到的优点和特征类似地并且对应地适用于所述应用。
要使用的激光系统例如可包括辐射源、用于辐射源的冷却设备、从辐射源到扫描仪的引导光纤和扫描仪(用于偏转射束)，其中，所述扫描仪可以设置在可移动的设备上、例如设置在机器人上。

Claims (12)

1.一种用于在铝表面上产生功能结构的方法，所述方法包括如下步骤：至少局部地对铝表面进行激光处理，以便在铝表面上产生功能结构，其中，所述激光处理借助于脉冲持续时间为10ns至100ns的脉冲激发的激光系统来实施，并且该激光系统的平均功率小于5kW。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括如下步骤：经由所述功能结构将铝表面与接合对象以材料锁合的方式连接。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括如下步骤：通过粘接、熔焊或钎焊进行材料锁合的连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述功能结构具有或形成厚度在5nm至700nm的范围中的氧化层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光系统具有在1kW至2kW之间的平均功率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：将激光束聚焦到直径为500μm至3000μm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：以20ns至40ns的脉冲持续时间进行激光处理。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：直接在激光处理之后进行连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：在氛围的情况下进行激光处理，其中，所述氛围是真空、环境氛围或惰性气体或气体混合物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述铝表面属于铝构件、尤其是铸铝构件。
11.一种构件，所述构件包括根据按照前述权利要求中任一项所述的方法制造的功能结构，其中，所述功能结构具有厚度为5nm至700nm的氧化层。
12.一种脉冲激发的激光系统用于在铝表面上制造功能结构的应用，所述激光系统具有10ns至100ns的脉冲持续时间和在1kW至5kW之间的平均功率。
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