DE102010031180A1

DE102010031180A1 - Joining two components by laser welding, where one of the component is an amorphous component used as a metallic glass in a workpiece, comprises connecting the two components to each other using a laser beam

Info

Publication number: DE102010031180A1
Application number: DE201010031180
Authority: DE
Inventors: Hagen Kuckert; Max Seitter; Markus Leimser; Felix Jasenek; Mario Matic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12

Abstract

The method comprises connecting two components (20, 22) to each other using a laser beam (14). The laser beam has a beam parameter product of = 2 mm-mrad, is used with a focus diameter of = 15 mu m and a thickness of = 1 kW, and is generated by a single-mode laser. The two components are connected with a bonding speed of 2-30 m/minute. The joining process is achieved by a weld (24) with a ratio of 2-10. An independent claim is included for a workpiece.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Komponenten durch Laserschweißen, wobei die beiden Komponenten durch das Einwirken eines Laserstrahls miteinander verbunden werden und wenigstens eine Komponente eine amorphe Komponente ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fügen von metallischen Gläsern. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkstück.The invention relates to a method for joining at least two components by laser welding, wherein the two components are connected to each other by the action of a laser beam and at least one component is an amorphous component. In particular, the present invention relates to a method for joining metallic glasses. Furthermore, the invention relates to a workpiece.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Konstruktion von Bauteilen gibt es vielfältige Möglichkeiten, zwei Komponenten, beziehungsweise Werkstücke, dauerhaft zu verbinden, also zu fügen. Im Falle von kristallinen Komponenten stehen für diese Aufgabe vielfältige verschiedene Schweißtechniken zur Verfügung, die im Wesentlichen problemlos anwendbar sind. Um ein ausreichendes Prozessverständnis aufzubauen, wurden diese in den vergangenen Jahren detailliert untersucht und weiterentwickelt.In the construction of components, there are many ways to permanently connect two components or workpieces, so to add. In the case of crystalline components, a variety of different welding techniques are available for this task, which are essentially easy to use. In order to build up a sufficient understanding of the process, these have been examined and developed in detail in recent years.

Im Gegensatz zu kristallinen Komponenten ist das Fügen von amorphen Komponenten, wie etwa von amorphen Legierungen, deutlich komplexer. Um die amorphe Struktur der Komponenten erhalten zu können, muss im Falle eines Schmelzschweißprozesses die Abkühlrate der Komponenten die kritische, zur glasartigen Erstarrung notwendige Abkühlgeschwindigkeit der bearbeiteten Komponente überschreiten. Wird diese Randbedingung nicht eingehalten, hat dies eine teilweise oder vollständige Kristallisation der ehemals amorphen Komponenten zur Folge, was tiefgreifende Auswirkungen auf deren Eigenschaften zur Folge hat.In contrast to crystalline components, the joining of amorphous components, such as amorphous alloys, is significantly more complex. In order to obtain the amorphous structure of the components, in the case of a fusion welding process, the cooling rate of the components must exceed the critical cooling rate of the machined component necessary for glassy solidification. Failure to comply with this constraint results in partial or complete crystallization of the formerly amorphous components, which has profound effects on their properties.

Metallische Gläser, wie etwa die sogenannten massiven metallischen Gläser (Bulk Metallic Glasses), beispielswiese, besitzen einzigartige mechanische, chemische und magnetische Eigenschaften. So können sie eine Festigkeit von deutlich mehr als 2000 MPa erreichen und haben exzellente Korrosionseigenschaften. Diese werden im Zuge aktueller Forschungen ständig weiterentwickelt. Dadurch wird diese Werkstoffklasse für Anwendungen in einer neuen Generation von Bauteilen in vielen Bereichen immer interessanter.Metallic glasses, such as the so-called Bulk Metallic Glasses, for example, have unique mechanical, chemical and magnetic properties. So they can reach a strength of well over 2000 MPa and have excellent corrosion properties. These are constantly being developed in the course of current research. As a result, this class of materials is becoming increasingly interesting for applications in a new generation of components in many areas.

Die Möglichkeiten der Fügetechnik sind in diesen Bereichen jedoch sehr beschränkt. Vor allem Verbindungen mit anderen Werkstofftypen, wie etwa kristallinem Stahl, gelten als äußerst problematisch und konnten bisher nur vereinzelt durch Rührreibschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Explosionsschweißen realisiert werden.However, the possibilities of joining technology are very limited in these areas. Especially compounds with other types of materials, such as crystalline steel, are considered to be extremely problematic and could previously only be isolated by friction stir welding, electron beam welding or explosion welding.

Ein fehlstellenfreies Fügen amorpher Komponenten, wie etwa metallischer Gläser, und eine Sicherstellung der amorphen Erstarrungsstruktur im Schweißbereich ist eine unabdingbare Voraussetzung für die Qualität und Zuverlässigkeit von herzustellenden Bauteilen.Failure-free joining of amorphous components, such as metallic glasses, and ensuring the amorphous solidification structure in the weld area is an indispensable prerequisite for the quality and reliability of components to be manufactured.

Aus dem Artikel „High-power fiber laser welding and its application to metallic glass Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀”, Y. Kawahito et al., Materials Science and Engineering B 148 (2008) 105–109 , ist es bekannt, unterschiedliche Komponenten mit einem Laserstrahl zu fügen. Dabei kann durch eine vergleichsweise langsame Fügegeschwindigkeit ein sogenanntes „humping” verhindert werden. Darüber hinaus kann auch Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀ als ein metallisches Glas mit Stahl verbunden werden. Um hier eine gute Fügewirkung bei einer weitestgehenden Vermeidung von kristallinen Stellen an der Fügestelle zu vermeiden, wird ein Faserlaser unter Anwendung eines Hochgeschwindigkeitsverfahrens verwendet.From the article "High-power fiber laser welding and its application to metallic glass Zr ₅₅ Al ₁₀ Ni ₅ Cu ₃₀ ", Y. Kawahito et al., Materials Science and Engineering B 148 (2008) 105-109 , It is known to add different components with a laser beam. In this case, a so-called "humping" can be prevented by a comparatively slow joining speed. In addition, Zr ₅₅ Al ₁₀ Ni ₅ Cu ₃₀ can also be bonded as a metallic glass with steel. Here, in order to avoid a good joining effect while avoiding crystalline spots at the joint, a fiber laser is used using a high-speed method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Komponenten durch Laserschweißen, wobei die beiden Komponenten durch das Einwirken eines Laserstrahls miteinander verbunden werden und wenigstens eine Komponente eine amorphe Komponente ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von ≤ 4 mm·mrad, insbesondere ≤ 2 mm·mrad aufweist.The present invention is a method for joining at least two components by laser welding, wherein the two components are connected to each other by the action of a laser beam and at least one component is an amorphous component. According to the invention, it is provided that the laser beam has a beam parameter product of ≦ 4 mm · mrad, in particular ≦ 2 mm · mrad.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem derartig geringen Strahlparameterprodukt ermöglicht ein Fügen zweier Komponenten, wobei wenigstens eine Komponente amorph ist, bei minimaler thermischer Beeinflussung der Komponenten an der Fügestelle. Dies eröffnet neue Wege zur prozessseitigen Beeinflussung des Erstarrungsprozesses und der Eigenspannungen in der Komponente beziehungsweise im Werkstück. Zudem bietet dieses Verfahren aufgrund der möglichen Minimierung des Wärmeeintrags deutliche Vorteile bei der Bearbeitung schwer schweißbarer Stahlwerkstoffe.The inventive method using a laser beam with such a small beam parameter product allows joining of two components, wherein at least one component is amorphous, with minimal thermal influence of the components at the joint. This opens up new ways for the process-side influencing of the solidification process and the residual stresses in the component or in the workpiece. In addition, due to the possible minimization of heat input, this process offers significant advantages in the machining of difficult-to-weld steel materials.

Durch die minimale thermische Beeinflussung der bearbeiteten Komponenten werden sehr schlanke Nahtgeometrien und somit sehr hohe Erstarrungsgeschwindigkeiten erzeugt. Das Kristallisieren des amorphen Materials kann so reduziert oder ganz verhindert werden. Darüber hinaus stören die schlanken Nahtgeometrien und damit die kleinen Schweißnähte das Erscheinungsbild des gefügten Werkstücks kaum.Due to the minimal thermal influence of the machined components very slim seam geometries and thus very high solidification speeds are generated. The crystallization of the amorphous material can be reduced or completely prevented. In addition, the slim seam geometries and thus the small weld seams hardly disturb the appearance of the joined workpiece.

Unter wenigstens zwei Komponenten im Rahmen der Erfindung werden beispielsweise wenigstens zwei unabhängige Bauteile verstanden. Zwei Komponenten im Rahmen der Erfindung sind jedoch beispielsweise auch zwei Teilbereiche eines einstückig ausgebildeten Bauteils, wobei die Teilbereiche miteinander verbunden beziehungsweise gefügt werden. Darüber hinaus können gleichermaßen mehr als zwei Komponenten mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise drei Komponenten durch geeignete Anordnung mit einem Fügeschritt miteinander verbunden werden.Under at least two components within the scope of the invention, for example understood at least two independent components. However, two components within the scope of the invention are, for example, also two subregions of an integrally formed component, wherein the subregions are connected or joined together. In addition, equally more than two components can be added with a method according to the invention, without departing from the scope of the invention. Thus, for example, three components can be connected to each other by a suitable arrangement with a joining step.

Unter einem Strahlparameterprodukt (SPP) im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei eine physikalische Kenngröße verstanden, mit der sich die Strahlqualität und die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls beschreiben lässt. Der mathematische Zusammenhang lautet: SPP = φω₀ = M²(λ/π) In the context of the present invention, a beam parameter product (SPP) is understood to mean a physical parameter with which the beam quality and the focusability of a laser beam can be described. The mathematical context is: SPP = φω ₀ = M ² (λ / π)

Dabei ist φ der halbe Öffnungswinkel im Fernfeld, ω₀ der Radius des Laserstrahls an seiner dünnsten Stelle, M² ist die Beugungsmaßzahl und λ die Wellenlänge.Where φ is half the aperture angle in the far field, ω _{0 is} the radius of the laser beam at its thinnest point, M ² is the diffraction factor and λ is the wavelength.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als die wenigstens eine amorphe Komponente ein metallisches Glas verwendet. Dabei ist sowohl die Verwendung eines massiven metallischen Glases, also eines metallischen Glases mit einer Materialstärke von mehr als etwa 1 mm, denkbar, oder auch die Verwendung von metallischen Gläsern mit geringeren Materialstärken. Ein metallisches Glas beziehungsweise ein amorphes Metall im Rahmen der Erfindung ist dabei eine Legierung, die auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweist. Diese für Metalle sehr ungewöhnliche Atomanordnung hat eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, wie etwa physikalischen Eigenschaften, zur Folge. Metallische Gläser sind häufig härter, korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle. Die für die meisten Metalle charakteristische Verformbarkeit fehlt jedoch gewöhnlich. Gerade bei metallischen Gläsern ist es dabei aufgrund ihrer bevorzugten Eigenschaften wichtig, die amorphe Struktur auch im Bereich der Schweißnaht nach einem Fügen mit einer anderen Komponente beizubehalten. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für metallische Gläser vorteilhaft.In the context of a preferred embodiment of the method according to the invention, a metallic glass is used as the at least one amorphous component. It is both the use of a solid metallic glass, ie a metallic glass with a material thickness of more than about 1 mm, conceivable, or even the use of metallic glasses with lower material thicknesses. A metallic glass or an amorphous metal in the context of the invention is an alloy which has no crystalline but an amorphous structure at the atomic level. This atomic arrangement, which is very unusual for metals, results in a unique combination of properties, such as physical properties. Metallic glasses are often harder, more corrosion resistant and stronger than ordinary metals. However, the deformability characteristic of most metals is usually lacking. Especially with metallic glasses, it is important because of their preferred properties to maintain the amorphous structure in the region of the weld after joining with another component. Therefore, the inventive method is particularly advantageous for metallic glasses.

Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser von ≤ 75 μm, insbesondere ≤ 25 μm, besonders bevorzugt ≤ 15 μm verwendet. Dadurch lassen sich besonders schlanke Nahtgeometrien beziehungsweise besonders kleine Schweißnähte erzeugen. Das ermöglicht hohe Erstarrungsgeschwindigkeiten der geschmolzenen Komponente, wodurch das Kristallisieren dieser Komponente noch weiter reduziert beziehungsweise ganz verhindert werden kann. Die zu fügende amorphe Komponente bleibt daher auch nach dem Fügevorgang an der Fügestelle amorph und behält ihre vorteilhaften Eigenschaften bei.Within the scope of a further preferred embodiment, a laser beam with a focus diameter of ≦ 75 μm, in particular ≦ 25 μm, particularly preferably ≦ 15 μm, is used. As a result, particularly slim seam geometries or particularly small weld seams can be produced. This allows high solidification rates of the molten component, whereby the crystallization of this component can be further reduced or completely prevented. The amorphous component to be joined therefore remains amorphous even after the joining process at the joint and retains its advantageous properties.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Fügegeschwindigkeit in einem Bereich ≤ 70 m/min, insbesondere ≤ 30 m/min verwendet. Unter Fügegeschwindigkeit wird im Rahmen der Erfindung die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls an der Fügestelle verstanden.In a further advantageous embodiment of the present invention, a joining speed in a range ≤ 70 m / min, in particular ≤ 30 m / min is used. In the context of the invention, joining speed is understood to mean the feed rate of the laser beam at the joint.

Dabei sollte die Fügegeschwindigkeit jedoch ausreichend hoch sein, um die thermische Belastung so gering wie möglich zu halten. Daher ist es weiter bevorzugt, wenn die Fügegeschwindigkeit in einem Bereich ≤ 2 m/min, besonders bevorzugt ≥ 4 m/min liegt. Ein besonders bevorzugter Geschwindigkeitsbereich, in dem das Fügen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist, ist daher ein Bereich ≥ 2 m/min bis ≤ 30 m/min.However, the joining speed should be high enough to keep the thermal load as low as possible. Therefore, it is further preferred if the joining speed is in a range ≦ 2 m / min, more preferably ≥ 4 m / min. A particularly preferred speed range in which the joining of the method according to the invention can be carried out is therefore a range ≥ 2 m / min to ≦ 30 m / min.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Laserstrahl durch einen Einzelmode-Laser erzeugt. Ein Einzelmode-Laserstrahl (Single-Mode-Laserstrahl), im Rahmen der Erfindung ist ein solcher Laserstrahl, bei dem lediglich der Transversal-Grundmode und ein Longitudinalmode entsprechend der Wellenlänge des aktiven Lasermediums anschwingen. Derartige Laserstrahlen weisen oftmals ein sehr geringes Strahlparameterprodukt auf und sind erfindungsgemäß besonders gut einsetzbar.In the context of a further advantageous embodiment of the present invention, the laser beam is generated by a single-mode laser. A single-mode laser beam (single-mode laser beam), within the scope of the invention, is such a laser beam in which only the transversal fundamental mode and a longitudinal mode oscillate in accordance with the wavelength of the active laser medium. Such laser beams often have a very low beam parameter product and can be used particularly well in accordance with the invention.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den Fügevorgang wenigstens eine Schweißnaht mit einem Aspektverhältnis von ≥ 2 bis ≤ 10 erzielt. Das Aspektverhältnis bezeichnet hierbei das Verhältnis von Tiefe zur kleinsten lateralen Ausdehnung der Schweißnaht. So besitzt eine Schweißnaht mit einem Aspektverhältnis von 10 eine 10-fach größere Tiefe als Breite. Dadurch kann auch bei einer großen Eindringtiefe des Lasers die thermische Belastung sehr gering gehalten werden und auch große Komponenten sind bei geringer thermischer Belastung fügbar.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, at least one weld seam with an aspect ratio of ≥ 2 to ≦ 10 is achieved by the joining process. The aspect ratio refers to the ratio of depth to the smallest lateral extent of the weld. Thus, a weld having an aspect ratio of 10 has a 10 times greater depth than width. As a result, the thermal load can be kept very low even with a large penetration depth of the laser and large components are available at low thermal stress.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Laserstrahl mit einer Leistung beziehungsweise Stärke in einem Bereich von ≤ 5 kW, insbesondere in einem Bereich von ≤ 1 kW verwendet. Dadurch kann der Laserstrahl bei einer gleichzeitig geringen thermischen Beanspruchung der zu fügenden Komponenten eine sehr große Eindringtiefe erzielen, wodurch auch tiefe Schweißnähte erzeugbar sind. Auf diese Weise lassen sich auch Komponenten mit einer großen Ausdehnung mit gutem Ergebnis fügen.Within the scope of a further embodiment of the method according to the invention, the laser beam is used with a power or intensity in a range of ≦ 5 kW, in particular in a range of ≦ 1 kW. As a result, the laser beam can achieve a very large penetration depth with simultaneously low thermal stress on the components to be joined, as a result of which even deep weld seams can be produced. In this way It is also possible to add components with a large extent with good results.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt:Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. It shows:

1 einen schematischen Vergleich einer erfindungsgemäßen Nahtgeometrie und einer Nahtgeometrie gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic comparison of a seam geometry according to the invention and a seam geometry according to the prior art;

2 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißnaht zweier gefügter Komponenten. 2 a schematic cross section through a weld according to the invention two joined components.

In 1 ist die Ausbildung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbaren Nahtgeometrie in Vergleich zu einer herkömmlichen, nach dem Stand der Technik erzeugbaren Nahtgeometrie dargestellt.In 1 the formation of a seam geometry which can be produced according to the method according to the invention is shown in comparison to a conventional seam geometry which can be produced according to the prior art.

In 1 ist ein Werkstück 10 gezeigt, in welches mittels eines Laserstrahls eine Nahtgeometrie eingefügt wird. Zu erkennen ist eine schematische Abbildung eines Laserstrahls 12, beziehungsweise dessen Strahlprofils, der gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist, sowie eine schematische Abbildung eines für das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildeten Laserstrahls 14. Der Laserstrahl 12 ist ein herkömmlicher Laserstrahl. Erzeugt werden kann dieser Laserstrahl 12 beispielsweise durch an sich bekannte Laserdioden. Tritt der Laserstrahl 12, 14 in das Werkstück 10 ein, schmilzt das Material des Werkstücks 10 in und um den Eintrittsbereich des Laserstrahls 12, 14 durch die von dem Laserstrahl 12, 14 erzeugte Hitze. In dem Bereich, in dem das Werkstück 10 schmilzt, entsteht eine Nahtgeometrie 16, 18. Das Schmelzen des Materials beziehungsweise die Nahtgeometrie 16, 18 kann dazu genutzt werden, zwei Komponenten zu fügen, wie dies mit Bezug auf 2 erläutert wird.In 1 is a workpiece 10 shown, in which by means of a laser beam, a seam geometry is inserted. Evident is a schematic illustration of a laser beam 12 , or its beam profile, which is formed according to the prior art, as well as a schematic illustration of a trained for the inventive method laser beam 14 , The laser beam 12 is a conventional laser beam. This laser beam can be generated 12 for example, by per se known laser diodes. Kick the laser beam 12 . 14 into the workpiece 10 a, melts the material of the workpiece 10 in and around the entrance area of the laser beam 12 . 14 through the laser beam 12 . 14 generated heat. In the area where the workpiece 10 melts, creates a seam geometry 16 . 18 , The melting of the material or the seam geometry 16 . 18 can be used to add two components as related to 2 is explained.

Bewegt sich der Laserstrahl 12, 14, beispielsweise bei einem Fügeprozess, durch das Werkstück 10, erstarrt das Material des Werkstücks 10 an der Stelle, von der sich der Laserstrahl 12, 14 wegbewegt hat. Insbesondere, wenn das Werkstück 10 ein amorphes Werkstück ist, können bei einem Fügeprozess an diesem Punkt Probleme auftreten, wenn eine definierte materialabhängige Erstarrungsgeschwindigkeit unterschritten wird. Denn in diesem Fall kann das Werkstück 10 im Verlaufe der Abkühlung, beziehungsweise Erstarrung, kristallisieren. Dadurch gehen oftmals die vorteilhaften Eigenschaften eines amorphen Materials, wie etwa die eines metallisches Glases, ein einem weiten Bereich verloren.Moves the laser beam 12 . 14 For example, in a joining process, by the workpiece 10 , the material of the workpiece solidifies 10 at the point from which the laser beam 12 . 14 has moved away. In particular, if the workpiece 10 is an amorphous workpiece, problems can occur at a joining process at this point, if a defined material-dependent solidification speed is exceeded. Because in this case, the workpiece can 10 in the course of cooling, or solidification, crystallize. As a result, the advantageous properties of an amorphous material, such as those of a metallic glass, are often lost over a wide range.

Erfindungsgemäß wird daher ein Laserstrahl 14 verwendet, der ein Strahlparameterprodukt von ≤ 4 mm·mrad, insbesondere ≤ 2 mm·mrad aufweist. Dadurch entsteht ein Laserstrahl 14 mit höchster Brillanz, also eine starke Bündelung des Laserstrahls 14.Therefore, according to the invention, a laser beam 14 having a beam parameter product of ≤ 4 mm · mrad, in particular ≤ 2 mm · mrad. This creates a laser beam 14 with highest brilliance, thus a strong bundling of the laser beam 14 ,

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Ausbildung eines Laserstrahls mit einem Strahlparameterprodukt von ≤ 4 mm·mrad, insbesondere ≤ 2 mm·mrad, Einzelmode-Laser verwendet werden. Beispielhafte Einzelmode-Laser umfassen dabei sogenannte Distributed Feedback Laser, kurz DFB-Laser. Dies sind Laserdioden, in denen das aktive Material periodisch strukturiert ist. Ferner können sogenannte Distributed Bragg Reflector Laser (DBR) verwendet werden, oder Laser mit einem zusätzlichen externen Resonator (External Cavity Diode Laser). Aber auch die Verwendung von Multimode-Laserstrahlen mit einer hohen Brillanz ist erfindungsgemäß möglich.In one embodiment of the method according to the invention, single-mode lasers can be used to form a laser beam with a beam parameter product of ≦ 4 mm.mrad, in particular ≦ 2 mm.mrad. Exemplary single-mode lasers include Distributed Feedback Lasers, DFB lasers for short. These are laser diodes in which the active material is periodically structured. Furthermore, so-called Distributed Bragg Reflector Laser (DBR) can be used, or laser with an additional external cavity (External Cavity Diode Laser). But also the use of multimode laser beams with a high brilliance is possible according to the invention.

Besonders bevorzugt wird der Laserstrahl 14 derart ausgebildet, dass er einen Fokusdurchmesser von ≤ 75 μm, insbesondere ≤ 25 μm aufweist. Insbesondere bevorzugt ist hier, wenn ein Fokusdurchmesser von ≤ 15 μm verwendet wird.Particularly preferred is the laser beam 14 formed such that it has a focus diameter of ≤ 75 microns, in particular ≤ 25 microns. Particularly preferred here is when a focus diameter of ≤ 15 microns is used.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der Laserstrahl 14 mit einer Stärke in einem Bereich von ≤ 5 kW, insbesondere in einem Bereich von ≤ 1 kW verwendet wird. Dadurch wird ermöglicht, dass die Nahtgeometrie nicht nur sehr schlank ist, sondern gleichzeitig mit einer großen Tiefe in das Material eindringen kann. Auf diese Weise ist die Anwendung nicht auf Kleinstteile begrenzt, sondern auch große Komponenten können mit einer tiefen Schweißnaht aneinander befestigt werden.In addition, it is preferable if the laser beam 14 is used with a power in a range of ≤ 5 kW, in particular in a range of ≤ 1 kW. This makes it possible that the seam geometry is not only very slim, but at the same time can penetrate into the material with a large depth. In this way, the application is not limited to micro parts, but also large components can be fastened together with a deep weld.

Es findet demnach erfindungsgemäß ein Einwirken des Laserstrahls 14 statt, das eine sehr geringe thermische Belastung des Materials des Werkstücks 10 bedingt. Dadurch wird nur ein sehr kleiner Bereich des Werkstücks 10 geschmolzen. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß sehr schlanke Nahtgeometrien 18 erzeugt. Eine derartige Nahtgeometrie 18, beziehungsweise Schweißnaht, weist erfindungsgemäß insbesondere ein Aspektverhältnis von ≥ 2 bis ≤ 10 auf. Dadurch wird ersichtlich, dass die Nahtgeometrie 18 beziehungsweise die Schweißnaht bei einer großen Tiefe sehr schlank ist.It therefore finds according to the invention an action of the laser beam 14 instead, that is a very low thermal load of the material of the workpiece 10 conditionally. This will only make a very small area of the workpiece 10 melted. In this way, according to the invention very slim seam geometries 18 generated. Such a seam geometry 18 , or weld, according to the invention has in particular an aspect ratio of ≥ 2 to ≤ 10. This shows that the seam geometry 18 or the weld at a great depth is very slim.

Darüber hinaus kann die Erstarrungsgeschwindigkeit auf diese Weise sehr hoch gehalten werden, wodurch das Kristallisieren von amorphem Material vermindert oder sogar ganz vermieden werden kann.In addition, the solidification rate can be kept very high in this way, whereby the crystallization of amorphous material can be reduced or even avoided altogether.

In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch zwei gefügte Komponenten 20, 22 mit einer durch den Fügevorgang erzeugten eine Nahtgeometrie 18 aufweisenden Schweißnaht 24 gezeigt. Dabei wurde beispielsweise ein Einzelmode-Laserstrahl 14 verwendet, wie oben mit Bezug zu 1 beschrieben. In 2 is a schematic cross section through two joined components 20 . 22 with a seam geometry generated by the joining process 18 having weld 24 shown. For example, a single-mode laser beam was used 14 used as above with respect to 1 described.

Gemäß der Erfindung ist wenigstens eine der beiden Komponenten 20, 22 amorph. Dabei kann nur eine Komponente 20 amorph sein, wohingegen die zweite Komponente 22 kristallin ist, oder es können beide Komponenten 20, 22 amorph sein. Ein erfindungsgemäß besonders geeignetes Beispiel für eine amorphe Komponente 20, 22 ist ein metallisches Glas. Selbstverständlich können bei einem erfindungsgemäßen Fügeverfahren zwei verschiedene metallische Gläser miteinander verbunden werden oder zwei Komponenten 20, 22, die aus dem gleichen metallischen Glas ausgeformt sind.According to the invention, at least one of the two components 20 . 22 amorphous. It can only one component 20 amorphous, whereas the second component 22 is crystalline, or it can be both components 20 . 22 be amorphous. An example of an amorphous component which is particularly suitable according to the invention 20 . 22 is a metallic glass. Of course, in a joining method according to the invention, two different metallic glasses can be connected to one another or two components 20 . 22 , which are formed from the same metallic glass.

Es ist ferner möglich, genau zwei Komponenten 20, 22 erfindungsgemäß zu fügen, oder auch mehr als zwei Komponenten 20, 22. Beispielsweise können mit einem Arbeitsschritt drei Komponenten gefügt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It is also possible to have exactly two components 20 . 22 to add according to the invention, or more than two components 20 . 22 , For example, three components can be added in one operation without departing from the scope of the invention.

Durch das Einwirken des Laserstrahls 14 werden die beiden Komponenten 20, 22 an ihrem Grenzbereich 26 erhitzt, wodurch sie schmelzen. Dadurch, dass sich der Laserstrahl 14 mit einer bestimmten Geschwindigkeit an dem zu fügenden Grenzbereich 26 entlang bewegt, kühlt der geschmolzene Bereich an dem Grenzbereich 26 der Komponenten 20, 22 ab, wodurch das Material der Komponenten 20, 22 erstarrt und sich so verbindet, beziehungsweise unter Bildung einer Schweißnaht 24 gefügt wird.By the action of the laser beam 14 become the two components 20 . 22 at its border 26 heated, causing them to melt. Because of that, the laser beam 14 at a certain speed at the boundary to be joined 26 moves along, the molten area at the boundary area cools 26 of the components 20 . 22 off, reducing the material of the components 20 . 22 solidifies and thus connects, or to form a weld 24 is added.

Durch das Verwenden eines Laserstrahls 14 mit einem Strahlparameterprodukt in einem Bereich von ≤ 4 mm·mrad, insbesondere ≤ 2 mm·mrad, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben, ist die Erstarrungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Bereichs ausreichend hoch, um ein amorphes Erstarren des amorphen Materials sicherzustellen. Ein Kristallisieren kann so weitestgehen oder sogar vollständig vermieden werden.By using a laser beam 14 with a beam parameter product in a range of ≤ 4 mm · mrad, in particular ≤ 2 mm · mrad, as described above with reference to FIG 1 described, the solidification rate of the molten area is sufficiently high to ensure amorphous solidification of the amorphous material. Crystallization can go as far as possible or even be completely avoided.

Durch die minimale thermische Belastung sind dabei sehr enge Nahtgeometrien 18 der Schweißnaht 24 möglich. Darüber hinaus können durch die geringe thermische Belastung geringe Fügegeschwindigkeiten verwendet werden, die weit unterhalb denen eines Hochgeschwindigkeitsschweißens liegen. So können erfindungsgemäß Fügegeschwindigkeiten in einem Bereich ≤ 70 m/min, insbesondere ≤ 30 m/min verwendet werden. Dabei werden jedoch zweckmäßigerweise Fügegeschwindigkeiten verwendet, durch die die thermische Belastung gering gehalten wird. Vorzugsweise sollte die Fügegeschwindigkeit somit Werte annehmen, die in einem Bereich ≥ 2 m/min, insbesondere in einem Bereich ≥ 4 m/min liegen. Daher liegen erfindungsgemäß besonders vorteilhafte Fügegeschwindigkeiten in einem Bereich von ≥ 2 m/min bis ≤ 30 m/min. Durch eine derartige Fügegeschwindigkeit können ferner auch Kleinstkomponenten mit einer hohen Genauigkeit gefügt werden.Due to the minimal thermal load are very close seam geometries 18 the weld 24 possible. In addition, the low thermal load low joining speeds can be used, which are far below those of a high-speed welding. Thus, according to the invention, joining speeds in a range of ≦ 70 m / min, in particular ≦ 30 m / min, can be used. However, joining speeds are expediently used, by which the thermal load is kept low. The joining speed should therefore preferably assume values which lie in a range ≥ 2 m / min, in particular in a range ≥ 4 m / min. Therefore, according to the invention, particularly advantageous joining speeds are in a range of ≥ 2 m / min to ≦ 30 m / min. By virtue of such a joining speed, it is also possible to join even minute components with a high degree of accuracy.

In einem besonders bevorzugten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Laserstrahl 14 mit einem Strahlparameterprodukt von 2 mm·mrad, einem Fokusdurchmesser von 50 μm, einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min und einer Laserleitung von 400 W verwendet.In a particularly preferred example of the method according to the invention is a laser beam 14 with a beam parameter product of 2 mm · mrad, a focus diameter of 50 μm, a feed rate of 10 m / min and a laser line of 400 W used.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit ein qualitativ hochwertiges Fügen von Komponenten, von denen wenigstens eine amorph ist, wie etwa einem metallischen Glas. Das Verfahren kann an die jeweiligen konstruktiven und technologischen Randbedingungen und Anforderungen angepasst werden. Eingesetzt werden kann dieses Verfahren überall dort, wo eine Verwendung und Verarbeitung amorpher Materialien, wie etwa metallischer Gläser, notwendig ist.The inventive method thus enables a high-quality joining of components, of which at least one is amorphous, such as a metallic glass. The process can be adapted to the respective design and technological constraints and requirements. This method can be used wherever the use and processing of amorphous materials, such as metallic glasses, is necessary.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Y. Kawahito et al., Materials Science and Engineering B 148 (2008) 105-109 [0007]

Claims

Method for joining at least two components ( 20 . 22 ) by laser welding, the two components ( 20 . 22 ) by the action of a laser beam ( 14 ) and at least one component ( 20 ) is an amorphous component, characterized in that the laser beam ( 14 ) has a beam parameter product of ≤ 4 mm · mrad, in particular ≤ 2 mm · mrad.

Method according to claim 1, characterized in that as the at least one amorphous component ( 20 ) a metallic glass is used.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that a laser beam ( 14 ) is used with a focus diameter of ≤ 75 microns, in particular ≤ 25 microns, more preferably ≤ 15 microns.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a joining speed in a range ≤ 70 m / min, in particular ≤ 30 m / min is used.

A method according to claim 4, characterized in that a joining speed in a range ≥ 2 m / min to ≤ 30 m / min is used.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser beam ( 14 ) is generated by a single-mode laser.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that by the joining process at least one weld ( 24 ) is achieved with an aspect ratio of ≥ 2 to ≤ 10.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the laser beam ( 14 ) with a thickness in a range of ≤ 5 kW, in particular in a range ≤ 1 kW is used.

Workpiece ( 10 ) consisting of at least two components ( 20 . 22 ), wherein at least one component ( 20 ) an amorphous component, characterized in that the at least two components ( 20 . 22 ) were joined by means of the method according to one of the preceding claims.

Workpiece ( 10 ) according to claims 9, characterized in that the amorphous component is a metallic glass.