DE102018120011B4

DE102018120011B4 - Schweißverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats mit einem opaken zweiten Substrat

Info

Publication number: DE102018120011B4
Application number: DE102018120011.0A
Authority: DE
Inventors: Simone Russ; Jan Wieduwilt; Marc Sailer; Christoph Neugebauer; Benjamin Führa; Frederik Kleckner
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: CN110856886A; DE102018120011A1

Abstract

Schweißverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats (10) und eines opaken zweiten Substrats (12) umfassend oder bestehend aus Aluminium, umfassend die Schritte:- Anlegen des ersten Substrats (10) an das zweite Substrat (12); und- Bestrahlen einer Kontaktfläche (34) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (10, 12) mittels eines ultrakurz gepulsten Laserstrahls (18, 24), wobei der Laserstrahl (18, 24) durch das erste Substrat (10) hindurch in Richtung der Kontaktfläche (34) geleitet wird und in einem Brennfleck auf der Kontaktfläche (34) fokussiert wird, zum Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats (10, 12), wobei beim Bestrahlen der Kontaktfläche (34) eine kontinuierliche Schweißnaht (36) erzeugt wird, wobei eine zu der Schweißnaht (36) an der Kontaktfläche (34) parallel verlaufende weitere Schweißnaht (38) erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats und eines opaken zweiten Substrats, insbesondere umfassend oder bestehend aus Aluminium. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines derartigen Schweißverfahrens zum Befestigen einer transparenten, aluminiumoxidhaltigen Scheibe an einem Gehäuse, insbesondere einem Gehäuse aus Aluminium, eines elektronischen oder optischen Geräts.
Stand der Technik
Es ist eine Vielzahl von Produkten bekannt, deren Gehäuse sowohl aus transparenten als auch aus opaken Materialien aufgebaut sind. Typische Beispiele sind elektronische Geräte oder Geräte aus dem Bereich der Medizintechnik und der Optik. Zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Betriebs und einer ordnungsgemäßen Funktion kann eine Anforderung an derartige Geräte sein, dass die zum Einsatz kommenden unterschiedlichen Materialien flüssigkeits- und/oder gasdicht miteinander verbunden sind.
Aufgrund seines im Vergleich zu anderen Metallen relativ geringen Gewichts ist die Verwendung von Aluminium für Gehäusebauteile in den voranstehend genannten Produkten verbreitet. Auch ist es bekannt, als transparentes Material in dem Gehäuse der Produkte aluminiumoxidhaltige Scheiben einzusetzen, beispielsweise aus Korund, insbesondere synthetischem Korund, das auch als Saphirglas bezeichnet. Diese zeichnen sich durch eine hohe Härte und entsprechend durch eine hohe Kratzfestigkeit aus, was für viele Anwendungen vorteilhaft sein kann.
Zum Fügen dieser Materialien kommen überwiegend Klebeverfahren zum Einsatz, bei denen miteinander zu verbindende Oberflächen mittels eines Klebstoffs stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Die so entstehenden Klebstoffverbindungen sind jedoch üblicherweise unter Einwirkung von Umweltbedingungen, wie zum Beispiel durch thermische Belastungen oder eine sich ändernde Luftfeuchtigkeit, von einer nachlassenden Haltekraft betroffen. Auch ist die Handhabung von Klebstoffen in einem Fügeverfahren mit einem hohen Aufwand verbunden, da beispielsweise von dem Klebstoff ein hohes Risiko von Verschmutzung für die zu fügenden Materialien und eine Fügeanlage ausgeht. Gerade bei einer Anwendung in optischen Bauteilen ist eine Verschmutzung des optisch aktiven Bereichs des transparenten Substrats aber unerwünscht und muss daher in aufwändigen Nachbearbeitungsschritten wieder entfernt werden.
Weiterhin sind Lötverfahren zum Verbinden derartiger Materialien bekannt, bei denen ein Lot erwärmt und im flüssigen Zustand auf die zu verbindenden Oberflächen der Materialien aufgetragen wird. Hierbei weist das Lot üblicherweise eine Temperatur unterhalb einer Schmelztemperatur der zu verbindenden Materialien auf. Nachdem die zu verbindenden Materialien in Position gebracht werden und das Lot erstarrt ist, entsteht dann eine stoffschlüssige Verbindung.
In US 2015/0 280 767 A1 ist ein Verfahren zum Schweißen eines transparenten und eines opaken Materials offenbart. Bei diesem Verfahren wird ein angeschrägtes transparentes Material in eine angeschrägte Öffnung eines opaken Materials eingelassen und mit einem Laserstrahl, mit einer Pulsdauer im Mikrosekundenbereich bis hin zu einem cw-Laser, daran festgeschweißt.
In US 2016/0 185 081 A1 wird ebenfalls mit einem Laser eine Schweißnaht zwischen einem transparenten und einem opaken Material erzeugt. Hierbei werden beide Materialien mit Druck aufeinandergepresst, um einen physischen Kontakt beider Materialien während des Schweißvorgangs zu gewährleisten.
In CN 107 552 962 A wird ein Verfahren zum quasi-synchronen Schweißen von Saphir und Metall gezeigt. Hierbei wird ein Aktivlotwerkstoff zwischen Saphir und Metall mit einem Laser verschmolzen.
In Richard M. Carter, et al.; „Picosecond laser welding of similar and dissimilar materials“, Applied Optics, Vol. 53, No. 19, S.4233-4238, 1 Juli 2014 wird ein Verfahren zum Laserschweißen vorgestellt, bei dem die Oberflächen eine Rauheit von weniger als 60nm aufweisen müssen.
In US 2003/0 008 880 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen von zwei benachbarten, transparenten Materialien offenbart, bei der der eingesetzte Laser in der Pulsamplitude moduliert wird.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Fügeverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats und eines opaken zweiten Substrats, insbesondere aus Aluminium, bereitzustellen. Weiterhin soll eine Verwendung eines derartigen Fügeverfahrens angegeben werden.
Dies wird durch ein Schweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Entsprechend wird ein Schweißverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats und eines opaken zweiten Substrats, insbesondere umfassend oder bestehend aus Aluminium, vorgeschlagen. Das Schweißverfahren umfasst einen Schritt des Anlegens des ersten Substrats an das zweite Substrat und einen Schritt des Bestrahlens einer Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat mittels eines ultrakurz gepulsten Laserstrahls, wobei der Laserstrahl durch das erste Substrat hindurch in Richtung der Kontaktfläche geleitet wird und in einem Brennfleck auf der Kontaktfläche fokussiert wird, zum Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats, wobei beim Bestrahlen der Kontaktfläche eine kontinuierliche Schweißnaht erzeugt wird, wobei eine zu der Schweißnaht an der Kontaktfläche parallel verlaufende weitere Schweißnaht erzeugt wird.
Durch Bestrahlen der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat mittels des Laserstrahls erfolgt in dem vorgeschlagenen Verfahren ein Energieeintrag und damit ein gezieltes, lokales Aufschmelzen des ersten und/oder des zweiten Substrats an der Kontaktfläche und nach dem Erstarren der auf diese Weise aufgeschmolzenen Materialien somit ein Verschweißen derselben. Genauer entsteht nach einem Aushärtevorgang des aufgeschmolzenen Materials das ersten und/oder des zweiten Substrats im Bereich der Kontaktfläche eine stoffschlüssige Verbindung.
Die durch das Verschweißen entstehende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat kann chemischer Natur und/oder mechanischer Natur sein.
Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Fügeverfahren kann so verhindert werden, dass zum Erzeugen einer stoffschlüssigen und/oder chemischen Verbindung ein zusätzliches Material, zum Beispiel in Form eines Klebstoffs oder eines Lots, zwischen die zur verbindenden Komponenten eingebracht werden muss. Auf diese Weise kann das Verfahren zum Verbinden oder Fügen des ersten und des zweiten Substrats vereinfacht werden, da eine Handhabung und ein Auftragen eines Fügemittel-Halbwerkzeugs, zum Beispiel in Form eines nicht ausgehärteten Klebstoffs oder eines flüssigen Lots, entfallen kann. Weiterhin kann so der Verfahrensschritt des Anlegens des ersten Substrats an das zweite Substrat und damit eine relative Positionierung der zur verbindenden Komponenten präziser und einfacher ausgeführt werden. Auch kann so eine durch das Fügemittel hervorgerufene Verunreinigung der zu verbindenden Komponenten verhindert werden.
Dies ist besonders vorteilhaft beim Fügen der genannten Substrate - nämlich eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats und eines opaken zweiten Substrats, insbesondere umfassend oder bestehend aus Aluminium, wodurch schließlich ein transparentes, hartes Bauteil mit einem opaken, metallischen Bauteil verschweißt werden kann. Dabei wird die optische Qualität und Integrität des transparenten ersten Substrats nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt. Insbesondere kann eine Verschmutzung des transparenten Substrats durch Klebereste vermieden werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ist entsprechend vorzugsweise zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats mit einem zweiten Substrat aus Aluminium vorgesehen.
Genauer kann das erste Substrat aus Korund hergestellt sein oder Korund umfassen. Beispielsweise kann das erste Substrat aus Saphir hergestellt sein oder Saphir umfassen. Ferner kann das erste Substrat aus synthetischem Korund hergestellt sein oder dieses umfassen, wobei der synthetische Korund auch als Saphirglas bezeichnet wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird unter dem Begriff „transparent“ die Eigenschaft des ersten Substrats bezeichnet, für Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich und/oder für den auf die Kontaktfläche auftreffenden Laserstrahl, also für Licht mit einer Wellenlänge des Laserstrahls, durchlässig oder transparent zu sein. Unter „transparent“ wird hierin jedoch nicht notwendig eine Durchlässigkeit von 100 % angesehen, sondern es kann auch ein Teil des eingestrahlten Lichts im ersten Substrat absorbiert oder reflektiert werden. Durch eine teilweise Absorption des durch das transparente Substrat geleiteten Laserstrahls kann beim Bestrahlen der Kontaktfläche mit dem Laserstrahl auch ein Wärmeeintrag in das erste Substrat erfolgen.
Entsprechend wird vorliegend unter dem Begriff „opak“ die Eigenschaft des zweiten Substrats verstanden, für Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich und/oder für die auf die Kontaktfläche auftretende Laserstrahlung nicht durchlässig oder nicht transparent zu sein. Das auf das opake Substrat auftreffende Licht wird entsprechend im Wesentlichen vollständig absorbiert oder reflektiert.
Unter dem Begriff „Substrat“ wird vorliegend allgemein ein zu behandelndes Material oder eine zu behandelnde Komponente verstanden. In dem vorgeschlagenen Schweißverfahren können das erste und das zweite Substrat eine beliebige Form aufweisen, sofern eine Zugänglichkeit der Kontaktfläche zwischen diesen für den Laserstrahl gewährleistet werden kann. Beispielsweise kann das erste Substrat plattenförmig sein und insbesondere in Form einer Scheibe, beispielsweise einer ebenen oder einer gewölbten Scheibe, bereitgestellt sein.
Das zweite Substrat kann eine zu dem ersten Substrat komplementäre Form aufweisen. Insbesondere kann das zweite Substrat eine an die Außenkontur des ersten Substrats angepasste Form aufweisen. Beispielsweise können das erste und das zweite Substrat derart bereitgestellt sein, dass sich diese in einem aneinander liegenden Zustand im Bereich der Außenkontur des ersten Substrats zumindest abschnittsweise überlappen. Die Kontaktfläche kann dabei in einem Überlappbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat gebildet sein. Damit ergibt sich beim Verschweißen dann eine Überlappschweißung, bei der die Schweißung zwischen den beiden Substraten liegt. Das erste Substrat und das zweite Substrat können zumindest einen Teil eines Gehäuses beispielsweise für ein elektronisches oder optisches Gerät ausbilden.
In dem vorgeschlagenen Schweißverfahren kann das Bestrahlen der Kontaktfläche derart erfolgen, dass der Laserstrahl durch das erste (transparente) Substrat hindurch in Richtung der Kontaktfläche geleitet wird. Auf diese Weise kann eine gute Zugänglichkeit der Kontaktfläche für den Laserstrahl sichergestellt und entsprechend ein gezieltes, lokales Aufschmelzen und Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats ermöglicht werden.
Eine Ausbildung einer Überlappschweißung kann entsprechend dadurch ausgebildet werden, dass der Laserstrahl durch das transparente Substrat hindurch an den Kontaktbereich geleitet wird.
Im Allgemeinen wird unter einem Laserstrahl ein durch einen Laser (Akronym für: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) erzeugter Lichtstrahl verstanden. Ein solcher Laserstrahl hat üblicher Weise eine große Kohhärenzlänge, ist gebündelt, liegt in einem engen Wellenlängenbereich vor und ist - zumindest bei den zur Materialbearbeitung verwendeten Lasern - hochenergetisch.
Die durch den Laser erzeugte Strahlung, die für das vorgeschlagene Schweißverfahren verwendet wird, kann von der Strahlquelle entweder kontinuierlich abgegeben werden, oder in gepulster Form.
In der hier beschriebenen Anwendung trifft der Laserstrahl nach einer zuvor erfolgten Strahlformung in einem Brennfleck auf der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat auf. Der Brennfleck beschreibt damit einem räumlich abgegrenzten Bereich der Kontaktfläche. Bereiche der Kontaktfläche, auf die der Laserstrahl nicht auftrifft, werden nicht als Brennfleck verstanden. Mit anderen Worten hat der Brennfleck typischer Weise eine geringere räumliche Ausdehnung, als die Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat, so dass eine gleichzeitige Bearbeitung der gesamten Kontaktfläche üblicher Weise nicht stattfinden kann. Vielmehr ist dann eine sequentielle Bearbeitung der Kontaktfläche notwendig, wenn eine Verbindung der beiden Substrate über die gesamte Kontaktfläche hinweg gewünscht ist. Es kann eine Verbindung des ersten und zweiten Substrats allerdings auch nur in ausgewählten Abschnitten oder Bereichen der Kontaktfläche vorgenommen werden - beispielsweise durch Punktschweißungen oder unterbrochene Linienschweißungen.
Um ein lokal begrenztes und somit gezieltes Aufschmelzen der Materialien zu ermöglichen, kann der Brennfleck eine Breite von 3 µm bis 35 µm, beispielsweise 4 µm bis 12 µm, bevorzugt 8 µm oder 32 µm aufweisen. Alternativ kann der Brennfleck auch eine Breite größer 35 µm aufweisen. Die Breite des Brennflecks kann insbesondere in Abhängigkeit einer gewünschten Intensität der Laserstrahlung auf der Kontaktfläche und der gewünschten Größe des Schweißpunkts oder der Breite der gewünschten Schweißnaht eingestellt werden. Dabei weist der Brennfleck vorzugsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Kontur auf. Die tatsächliche Form des Brennflecks ergibt sich aber aus der Strahlformung des Laserstrahls, insbesondere durch Kollimierung und/oder Aufweitung und/oder Fokussierung des Laserstrahls, der geometrischen Beziehung zwischen auftreffendem, geformtem Laserstrahl und der Kontaktfläche zwischen den Substraten, sowie der Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktfläche.
In einer Weiterentwicklung des Schweißverfahrens kann ein Schritt des Fokussierens des Laserstrahls vorgesehen sein. Dieses Fokussieren des Laserstrahls erfolgt mit einer optischen Einheit bevor der Laserstrahl auf die Kontaktfläche auftrifft und/oder bevor er durch das erste Substrat geleitet wird. Auf diese Weise lässt sich die Energie des Laserstrahls auf den Brennfleck konzentrieren, so dass eine präzise und schnelle Bearbeitung ermöglicht wird und so die Präzision des Schweißverfahrens verbessert wird.
Der Fokus des Laserstahls wird dabei bevorzugt in die durch die Kontaktfläche ausgebildete Ebene gelegt, so dass der Energieeintrag an der Kontaktfläche am größten ist. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann der Fokus des Laserstrahls aber auch in das das erste oder das zweite Substrat herein gelegt werden.
Die optische Einheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die fokussierten Laserstrahlen in einem Brennfleck in der Ebene der Kontaktfläche zwischen den Substraten zu bündeln und so in dem Brennfleck einen Laserstrahl mit einer hohen Intensität bereit zu stellen. Der Brennfleck ist durch die strukturelle Ausgestaltung der optischen Einheit vorgegeben und weist einen definierten Abstand zu der optischen Einheit auf. Genauer befindet sich der Brennfleck im Strahlengang der Laserstrahlen in der Strahlenrichtung hinter der optischen Einheit. Der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche erfolgt vorzugsweise derart, dass der Brennfleck mit der Kontaktfläche zusammenfällt.
Die optische Einheit kann ein Objektiv, also ein Linsensystem, oder eine Sammellinse umfassen. Genauer kann das Objektiv eine 2-fache bis 20-fache, beispielsweise eine 10-fache Vergrößerung oder Verkleinerung bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Objektiv eine numerische Apertur zwischen 0,25 und 0,75 aufweisen, beispielsweise von im Wesentlichen 0,5. Alternativ oder zusätzlich kann das Objektiv eine Brennweite zwischen 10 mm und 50 mm, beispielsweise von im Wesentlichen 20 mm umfassen. Je nach gewünschter Größe und Intensität des Brennflecks, kann auch ein Objektiv verwendet werden, das eine Brennweite größer als 50 mm aufweist, beispielsweise eine Brennweite von 56 mm oder 100 mm oder größer als 100 mm.
Die optische Einheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen in diese einfallenden, vorzugsweise bereits kollimierten, Laserstrahl, derart zu fokussieren, dass der fokussierte Laserstrahl in einem Brennfleck auftrifft, der eine im Wesentlichen kreisförmige Brennfleckquerschnittsfläche mit einem gewünschten Durchmesser aufweist, beispielsweise mit einem Durchmesser zwischen 3 µm bis 35 µm, beispielsweise 32 µm.
Um die gewünschte Breite oder den gewünschten Durchmesser der Brennfleckquerschnittsfläche einzustellen, kann die optische Einheit, insbesondere eine Brennweite des Objektivs, in Abhängigkeit des darin einfallenden Laserstrahls entsprechend eingestellt werden. Beispielsweise kann das in die optische Einheit einfallende Licht einen im Wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitt (Rohstrahldurchmesser) aufweisen mit einem Durchmesser zwischen 4,5 mm und 10 mm.
Der auf die optische Einheit eintreffende Laserstrahl kann auch vor dem Durchtreten durch das Objektiv aufgeweitet werden, beispielsweise um einen Faktor von 1,1 bis 10, bevorzugt um einen Faktor 2. Durch die Aufweitung kann dann ein anderes Objektiv verwendet werden - bei einer Aufweitung um den Faktor 2 beispielsweise ein Objektiv mit einer doppelt so großen Brennweite - um die gleichen Eigenschaften des Brennflecks zu erhalten.
Zusätzlich oder als Alternative kann eine Aufweitung des Laserstrahls vorgenommen werden, um auf diese Weise eine Beeinflussung der Dimensionen des Brennflecks vorzunehmen.
In einer Weiterentwicklung kann das Bestrahlen der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat mittels eines gepulsten Laserstrahls erfolgen. Mit anderen Worten kann zum lokalen Aufschmelzen und somit zum Verschweißen der zu verbindenden Substrate ein gepulster Laserstrahl zum Einsatz kommen. Unter dem Begriff „gepulster Laserstrahl“ wird ein Laserstrahl verstanden, der nicht kontinuierlich auf die Kontaktfläche auftrifft, sondern intermittierend. Mit anderen Worten trifft der Laserstrahl auf die Kontaktfläche während vordefinierten Bestrahlungszeitfenstern auf, sogenannten Pulsen, die durch vordefinierte Ruhezeiträume unterbrochen sind, in denen keine Bestrahlung der Kontaktfläche erfolgt.
Der Einsatz eines gepulsten Laserstrahls ermöglicht, dass das Aufschmelzen des Materials des ersten und/oder des zweiten Substrats besonders gezielt erfolgen kann. Ein Wärmeeintrag in die zu verbindenden Substrate kann so besser gesteuert und entsprechend eine Größe von durch die Bestrahlung zu erzeugenden Schweißblasen in dem ersten und/oder zweiten Substrat lokal begrenzt werden.
Weiterhin können durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrahlquelle auch Lasertypen verwendet werden, die einen kontinuierlichen Betrieb (Dauerstrichlaser) nicht erlauben. Damit können beispielsweise gütegeschaltete Laser, modengekopppelte Laser oder pulsierend gepumpte Laser für das vorliegend vorgeschlagene Schweißverfahren als Strahlquelle verwendet werden.
Der gepulste Laserstrahl kann mittels eines Kurzpulslasers zum Erzeugen von Laserpulsen mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich erzeugt werden. Der so erzeugte gepulste Laserstrahl kann insbesondere eine Pulsdauer kleiner 1 ns aufweisen. Alternativ kann der gepulste Laserstrahl auch eine Pulsdauer größer oder gleich 1 ns aufweisen.
Bei dem vorgeschlagenen Schweißverfahren erfolgt ein Aufschmelzen des ersten und/oder zweiten Substrats, indem die gepulsten Laserstrahlen von dem ersten und/oder dem zweiten Substrat absorbiert werden. Die Absorption in dem zweiten (opaken) Substrat kann hierbei im Wesentlichen linear erfolgen, sodass auch höhere Pulsdauern vorgesehen sein können, beispielsweise eine Pulsdauer von 100 ns.
Vorzugsweise wird der gepulste Laserstrahl mittels eines Ultrakurzpulslasers zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Pulsdauer im Piko- oder Femtosekundenbereich bereitgestellt. Der so erzeugte gepulste Laserstrahl kann insbesondere eine Pulsdauer kleiner 10 ps, bevorzugt kleiner 1ps oder kleiner 1 fs aufweisen. Beispielsweise kann der gepulste Laserstrahl eine Pulsdauer von höchstens 400 fs, beispielsweise 300 fs aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Pulsdauer aber auch bei 6ps liegen.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl eine Laserleistung von 20 W oder weniger auf, insbesondere eine Laserleistung zwischen 2 W und 15 W, beispielsweise 6 W. Alternativ kann der Laserstrahl eine Laserleistung größer als 20 W aufweisen, beispielsweise 50 W. Alternativ oder zusätzlich stellt der gepulste Laserstrahl vorzugsweise eine Pulsenergie von maximal 20 µJ bereit, insbesondere eine Pulsenergie zwischen 2 µJ und 12 µJ, kann aber auch eine Pulsenergie größer 20 µJ bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich, kann der gepulste Laserstrahl eine Repetitionsrate zwischen 250 kHz und 1000 kHz, insbesondere 500 kHz, aufweisen.
Wie vorangehend beschrieben, kann der auf die Kontaktfläche einwirkende Laserstrahl durch eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter definiert oder beeinflusst werden, wie zum Beispiel durch die Größe des Brennflecks auf der Kontaktfläche, die Pulsdauer, die Laserleistung, die Pulsenergie, die Repetitionsrate, etc. Diese Parameter können einzeln oder gleichzeitig, insbesondere abhängig voneinander, variiert werden, um den Vorgang des Aufschmelzens des ersten und/oder zweiten Substrats zu beeinflussen. Beispielsweise können die Parameter in Abhängigkeit des ersten und zweiten Substrats, beispielsweise in Abhängigkeit deren materiellen Ausgestaltung, oder in Abhängigkeit einer Zeitvorgabe für das Schweißverfahren variiert werden.
Beispielsweise kann ein Verschweißen des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat auch mit einer Laserleistung von 50 W bei 6 ps Laserpulsen und einem Brennfleck mit 32 µm Durchmesser erreicht werden.
Das Schweißverfahren kann derart ausgeführt werden, dass zum Aufschmelzen des ersten und/oder des zweiten Substrats an der Kontaktfläche mehrere hundert aufeinanderfolgende Pulse auf den Brennfleck auftreffen. Dadurch wird das Material des ersten und/oder des zweiten Substrats oberhalb deren jeweiliger Schmelztemperatur erwärmt und entsprechend aufgeschmolzen, wobei beim darauffolgenden Erstarren des aufgeschmolzenen Materials die stoffschlüssige und/oder chemische Verbindung entsteht. Da beim Durchqueren des ersten Substrats ein Teil der Strahlungsenergie absorbiert werden kann, kann auch ein Aufschmelzen des ersten Substrats in einem Bereich erfolgen, der in Strahlenrichtung vor dem Brennfleck angeordnet ist.
In einer Weiterentwicklung kann das Bestrahlen der Kontaktfläche derart erfolgen, dass eine mittlere Laserleistung für eine Pulssequenz, umfassend eine vordefinierte Anzahl von Laserstrahlpulsen, insbesondere ein einzelner Laserstrahlpuls oder vier oder acht Laserstrahlpulse, im Vergleich zu daran zeitlich angrenzenden Pulsen erhöht wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Pulsdauer der Laserstrahlpulse einer Pulssequenz erhöht wird, wobei eine Pulsenergie konstant bleibt. Auf diese Weise wird ermöglicht, die mittlere Laserleistung zumindest kurzzeitig, also für eine begrenzte Anzahl von Pulssequenzen, zu erhöhen, um so die benötigte Zeit zum Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats zu verringern. Ein derartiger Betriebsmodus einer den Laserstrahl emittierenden Lasereinheit ist auch unter dem Begriff „Burst-Funktion“ bekannt.
Wie vorangehend beschrieben umfasst das Verfahren den Schritt des Anlegens des ersten Substrats an das zweite Substrat. Auf diese Weise können das erste und das zweite Substrat in berührenden Kontakt gebracht und insbesondere relativ zueinander positioniert werden, bevor das Verschweißen derselben erfolgt. Der Schritt des Anlegens des ersten und des zweiten Substrats kann durch Ansprengen von aneinander anzulegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats erfolgen.
Unter dem Begriff „Ansprengen“ wird allgemein ein Fügeverfahren verstanden, bei dem zu verbindende Komponenten, insbesondere deren Oberflächen, über molekulare Anziehungskräfte, insbesondere Adhäsionskräfte, miteinander verbunden oder aneinander befestigt werden. Der Schritt des Ansprengens kann insbesondere einen Schritt des Reinigens der zu verbindenden Oberflächen umfassen, bevor diese in berührenden Kontakt miteinander gebracht werden. Auf diese Weise kann eine stärkere Anziehung zwischen den zu verbindenden Komponenten erreicht werden.
Vorliegend wurde erkannt, dass die Güte der durch Verschweißen entstehenden Verbindung von einer Größe eines Spalts zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat beim Bestrahlen der Kontaktfläche abhängen kann. Insbesondere kann ein geringer Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat einen positiven Einfluss auf die Güte der Verbindung haben.
Entsprechend können die zu verbindenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats vorzugsweise glatt, also mit einer geringen mittleren Rauheit, bereitgestellt sein. Beispielsweise kann die zu verbindende Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Substrats eine mittlere Rauheit von 10 µm oder weniger aufweisen. Die zu verbindende Oberfläche des ersten Substrats weist vorzugsweise eine mittlere Rauheit von höchstens 20 nm oder 5 nm auf. Die zu verbindende Oberfläche des zweiten Substrats kann insbesondere eine mittlere Rauheit von höchstens 300 nm, vorzugsweise höchstens 180 nm aufweisen. Auf diese Weise lässt sich die Größe des Spalts zwischen den aneinander anliegenden Substraten verringern. Weiterhin kann so das Ansprengen des ersten und des zweiten Substrats verbessert werden, da durch den geringeren Spalt und den damit einhergehenden geringeren Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat eine durch molekulare Anziehungskräfte hervorgerufene Verbindung fester ausgeprägt sein kann.
Um eine derartige Oberflächenbeschaffenheit des ersten und des zweiten Substrats zu gewährleisten, kann das vorgeschlagene Verfahren einen Schritt des Glättens der aneinander anzulegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats umfassen. Entsprechend kann der Schritt des Glättens derart erfolgen, dass die zu verbindende Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Substrats eine mittlere Rauheit von 10 µm oder weniger aufweisen. Die zu verbindende Oberfläche des ersten Substrats weist dabei vorzugsweise eine mittlere Rauheit von höchstens 20 nm oder 5 nm auf und/oder die zu verbindende Oberfläche des zweiten Substrats weist vorzugsweise eine mittlere Rauheit von höchstens 300 nm, vorzugsweise höchstens 180 nm, auf.
Im Allgemeinen kann das Bestrahlen der Kontaktfläche derart erfolgen, dass wenigstens eine entlang der Kontaktfläche verlaufende Schweißnaht ausgebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Bestrahlen der Kontaktfläche derart erfolgen, dass das erste und das zweite Substrat entlang der Kontaktfläche punktuell miteinander verschweißt werden.
In einer Weiterentwicklung kann das Schweißverfahren ferner einen Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate und dem Laserstrahl oder des Brennflecks relativ zueinander umfassen. Hierzu können die zu verschweißenden Substrate zusammen relativ zu dem Laserstrahl und/oder dem Brennfleck bewegt werden.
Genauer kann die relative Bewegung zwischen den zu verschweißenden Substraten und dem Laserstrahl in einer Richtung quer zu der Strahlenrichtung des Laserstrahls im Bereich der Kontaktfläche erfolgen. Auf diese Weise kann der Brennfleck entlang der Kontaktfläche verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die relative Bewegung zwischen den zu verschweißenden Substraten und dem Laserstrahl in einer Richtung entlang der Strahlenrichtung erfolgen. Auf diese Weise kann eine relative Position zwischen der Kontaktfläche und dem Brennfleck verändert oder eingestellt werden. Auch können die zu verschweißenden Substrate und der Laserstrahl oder der Brennfleck relativ zueinander rotatorisch bewegt werden. Mit anderen Worten, die zu verschweißenden Substrate und der Laserstrahl oder der Brennfleck können relativ zueinander verdreht oder gekippt werden.
Die relative Bewegung, insbesondere die rotatorische und/oder translatorische Bewegung, zwischen den Substraten und den Laserstrahlen oder dem Brennfleck können mittels einer CNC (engl.: Computerized Numerical Control)-Steuerung erfolgen. Eine derartige CNC-Steuerung ist dem Fachmann bekannt und wird somit in der vorliegenden Offenbarung nicht näher erläutert.
Um eine sich entlang der Kontaktfläche erstreckende Schweißnaht zu erzeugen, können der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche und der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate und dem Laserstrahl oder des Brennfleckes relativ zueinander gleichzeitig erfolgen. Dabei können beim Bestrahlen der Kontaktfläche die zu verschweißenden Substrate und der Laserstrahl relativ zueinander kontinuierlich bewegt werden. Hierbei kann eine Geschwindigkeit der relativen Bewegung zwischen den zu verschweißenden Substraten und dem Laserstrahl in Abhängigkeit einer mittleren Leistung des Laserstrahls und/oder dessen Repetitionsrate eingestellt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein für die stoffschlüssige und/oder chemische Verbindung genügend hoher Energieeintrag in das Material des ersten und/oder des zweiten Substrats erfolgt, insbesondere eine ausreichende Anzahl von Pulsen auf das Material einwirkt.
Alternativ oder zusätzlich können der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche und der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate und des Laserstrahls oder des Brennfleckes relativ zueinander sukzessiv erfolgen. Mit anderen Worten, der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate und des Laserstrahls oder des Brennfleckes relativ zueinander kann erfolgen, ohne dass gleichzeitig der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche erfolgt.
Beim punktuellen Verschweißen der Substrate miteinander können einzelne Schweißpositionen an der Kontaktfläche zunächst einzeln angefahren werden, sodass diese mit dem Brennfleck zusammenfallen. Hierzu werden die Substrate relativ zu dem Brennfleck bewegt. Beim Bestrahlen der einzelnen Schweißpositionen bleibt eine relative Position zwischen den Substraten und dem Laserstrahl oder dem Brennfleck konstant. Zum Erzeugen einer entsprechenden Schweißblase an den einzelnen Schweißpositionen, können auf diese mehrere hundert aufeinanderfolgende Pulse einwirken. Hierzu kann die mit dem Brennfleck zusammenfallende Schweißposition mehrere Millisekunden mittels des gepulsten Laserstrahls bestrahlt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Fokus des Laserstrahls immer mit der gewünschten Bestrahlungsposition zusammenfällt und beispielsweise immer genau in der durch die Kontaktfläche ausgebildeten Ebene liegt oder in einer vorgegebenen Eindringtiefe in dem ersten oder zweiten Substrat, um auf diese Weise eine über die Länge der Schweißnaht oder die Anzahl der Schweißpunkte hinweg konsistente Verschweißung zu erreichen.
In einer Weiterentwicklung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Bestimmens einer Lage der zu verschweißenden Substrate, insbesondere der Kontaktfläche, relativ zu dem Brennfleck und/oder dem Laserstrahl umfassen. Dies kann beispielsweise unter Verwendung eines konfokalen Sensors erfolgen. Dabei kann der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate und des Laserstrahls oder des Brennflecks relativ zueinander derart erfolgen, dass der Brennfleck mit einem zu bestrahlenden Bereich an der Kontaktfläche zusammenfällt.
Weiterhin kann der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche derart erfolgen, dass eine kontinuierliche, insbesondere geschlossene Schweißnaht, beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht, zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat erzeugt wird. Um die Sicherheit der Verbindung zwischen den Substraten zu erhöhen, kann in einem weiteren Schritt eine zu der Schweißnaht an der Kontaktfläche parallel verlaufende weitere Schweißnaht erzeugt werden.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Verwendung des voranstehend beschriebenen Schweißverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Verwendung eines Schweißverfahrens mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen bereitgestellt. Die im Zusammenhang mit dem Schweißverfahren voranstehend beschriebenen Merkmale gelten entsprechend für die vorgeschlagene Verwendung als offenbart.
Die Verwendung des Schweißverfahrens ist zum Befestigen einer transparenten, aluminiumoxidhaltigen Scheibe an einem Gehäuse, insbesondere umfassend oder bestehend aus Aluminium, eines elektronischen Geräts und/oder eines optischen Geräts vorgesehen. Das elektronische Gerät kann beispielsweise ein Mobiltelefon oder ein Computer, vorzugsweise ein Laptop oder ein Tabletcomputer sein. Das optische Gerät kann beispielsweise eine Kamera, ein Endoskop oder ein Objektiv sein.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen schematisch:

1 ein in Form eines Flussdiagramms veranschaulichtes Schweißverfahren;
2 eine perspektivische Ansicht auf eine Schweißvorrichtung, die in dem in 1 veranschaulichten Schweißverfahren zur Anwendung kommt;
3 eine Längsschnittansicht auf ein durch das in 1 gezeigte Schweißverfahren und die in 2 gezeigte Schweißvorrichtung hergestelltes Bauteil; und
4 eine Draufsicht auf das in 3 gezeigte Bauteil.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Schweißverfahren veranschaulicht. Das Schweißverfahren ist beispielhaft zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats 10 und eines opaken zweiten Substrats 12 aus Aluminium vorgesehen, wie in 2 gezeigt.
Genauer kann das erste Substrat 10 Korund, insbesondere synthetischer Korund, beispielsweise Saphir, umfassen beziehungsweise aus diesen Materialien hergestellt sein und beispielsweise die Form einer Scheibe aufweisen, die mit einem durch das zweite Substrat 12 gebildeten Gehäusebauteil stoffschlüssig und/oder chemisch zu verbinden ist. Das Gehäusebauteil in der Form des zweiten Substrats 12 bildet beispielsweise ein Gehäuse eines elektronischen Geräts und/oder eines optischen Geräts aus. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 können entsprechend durch das nachfolgend beschriebene stoffschlüssige und/oder chemische Verbinden zu einem Gehäuseteil verbunden werden, das eine transparente Scheibe aufweist, beispielsweise zur Herstellung eines Gehäuses für ein Display, ein Smartphone oder ein Tablet.
Im Folgenden wird ein Schweißverfahren offenbart, mit dem die transparente, aluminiumoxidhaltige Scheibe in Form des ersten Substrats 10 an dem Gehäusebauteil aus Aluminium in Form des zweiten Substrats 12 stoffschlüssig befestigt werden kann. Das Schweißverfahren kann beispielsweise dafür verwendet werden, eine transparente, aluminiumoxidhaltige Scheibe in einem Mobiltelefongehäuse derart einzubetten und mit diesem zu verschweißen, dass die Scheibe als Schutz für eine Kameralinse des Mobiltelefons dient. Hierbei kann die Scheibe in dem Gehäuse derart eingebettet und mit diesem verschweißt werden, dass Licht über die Scheibe in die Kameralinse einfällt. Die Scheibe kann auch als Abdeckung für ein darunterliegendes Display des Mobiltelefons ausgebildet sein.
In einem ersten Schritt S1 des Schweißverfahrens erfolgt ein Bereitstellen des ersten und des zweiten Substrats 10, 12. Darauffolgend erfolgt in einem Schritt S2 ein Glätten von miteinander zu verbindenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats 10, 12. Hierzu können die entsprechenden Oberflächen beispielsweise mittels Polieren, Läppen und/oder Honen behandelt werden und so deren Oberflächengüte verbessert werden. Das erste und das zweite Substrat 10, 12 werden in dem Verfahrensschritt S2 des Glättens derart behandelt, dass nach Abschluss des Glättens an der zu verbindenden Oberfläche des ersten Substrats 10 eine mittlere Rauheit von höchstens 5 nm vorliegt und an der zu verbindenden Oberfläche des zweiten Substrats 12 eine mittlere Rauheit von höchstens 180 nm vorliegt. Alternativ kann an den zu verbindenden Oberflächen des ersten und zweiten Substrats 10, 12 eine größere mittlere Rauheit vorliegen, beispielsweise eine mittlere Rauheit von 10 µm.
In einem nächsten Schritt S3 wird das erste Substrat 10 an das zweite Substrat 12 bündig angelegt und an diesem lagestabil gehalten. Dies kann besonders bevorzugt durch Ansprengen der zu verbindenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats 10, 12 erreicht werden, wodurch diese mittels molekularer Anziehungskräfte, insbesondere Adhäsionskräfte, bereits lagestabil miteinander verbunden werden.
Die so relativ zueinander positionierten Substrate 10, 12 werden dann in einem Verfahrensschritt S4 des Bestrahlens einer Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 miteinander verschweißt. Dies erfolgt unter Verwendung der in 2 gezeigten Schweißvorrichtung 14, die im Folgenden spezifiziert wird.
Die Schweißvorrichtung 14 umfasst eine Lasereinheit 16 beispielsweise in Form eines Ultrakurzpulslasers zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls 18. In einem ersten Betriebsmodus erzeugt die Lasereinheit einen gepulsten Laserstrahl mit einer Pulsdauer von im Wesentlichen 300 fs. Alternativ kann die Pulsdauer auch größer sein. Der so erzeugte gepulste Laserstrahl 18 hat eine Laserleistung zwischen 2 W und 20 W, eine Pulsenergie zwischen 2 µJ und 12 µJ und eine Repetitionsrate von im Wesentlichen 500 kHz. Alternativ können/kann die Laserleistung, die Pulsenergie und/oder die Repetitionsrate auch niedriger oder höher sein.
Die Lasereinheit 16 kann weiterhin in einem Burst-Betriebsmodus betrieben werden, in dem im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus eine mittlere Laserleistung erhöht wird. Dies erfolgt, indem für eine Pulssequenz, umfassend ein bis acht Laserstrahlpulse, die Pulsdauer erhöht wird, wobei die Pulsenergie konstant bleibt. Dies ermöglicht, die mittlere Laserleistung zumindest kurzzeitig, also für eine begrenzte Anzahl von Pulssequenzen, zu erhöhen und damit die benötigte Zeit zum Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats 10, 12 zu verringern.
Der von der Lasereinheit 16 erzeugte Laserstrahl 18 wird über eine Umlenkeinheit 20 in Richtung einer optischen Einheit 22 in Form eines Objektivs zum Fokussieren des Laserstrahls 18 geleitet. Das Objektiv hat in der beispielhaften Konfiguration eine 10-fache Vergrößerung, eine numerische Apertur von 0,5 und eine Brennweite von 22 mm. Alternativ kann die Brennweite des Objektivs größer sein. Beispielsweise kann die Brennweite im Wesentlich 100 mm betragen. Der auf das Objektiv auftreffende Laserstrahl 18 hat beispielsweise einen kreisförmigen Strahlenquerschnitt mit einem Durchmesser zwischen 4,5 mm und 5,5 mm.
Beim Durchqueren der optischen Einheit 22 wird der Laserstrahl 18 auf einen Brennfleck fokussiert, der in Richtung des Strahlengangs hinter der optischen Einheit 22 liegt. Im Brennfleck hat der fokussierte Laserstrahl 24 einen kreisförmigen Strahlenquerschnitt mit einem Durchmesser zwischen 3 µm bis 35 µm. Alternativ kann der Durchmesser auch größer 35 µm oder kleiner 3 µm sein.
Beispielsweise kann ein Verschweißen des ersten Substrats 10 mit dem zweiten Substrat 12 auch mit einer Laserleistung von 50 W bei 6 ps Laserpulsen und einem Brennfleck mit 32 µm Durchmesser erreicht werden.
Die optische Einheit 22 und entsprechend der Brennfleck sind relativ zu einem die zu verbindenden Substrate 10, 12 aufnehmenden Träger 26 entlang einer Z-Achse translatorisch verschiebbar, wie in 2 durch den Pfeil Z angedeutet. Hierzu ist ein über eine Steuereinheit 28 betätigbarer erster Aktuator vorgesehen. Die Steuereinheit 28 ist vorzugsweise eine CNC-Steuereinheit, die den ersten Aktuator derart betätigt, dass der Brennfleck mit der Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats 10, 12 zusammenfällt.
Die Schweißvorrichtung 14 ist dazu eingerichtet, die Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 mittels des gepulsten und fokussierten Laserstrahls 24 zu bestrahlen, um so ein lokales Aufschmelzen des ersten und/oder des zweiten Substrats 10, 12 und damit entsprechend ein Verschweißen zu ermöglichen. Dabei wird der Laserstrahl 24 durch das erste (für den Laserstrahl transparente) Substrat 10 in Richtung der Kontaktfläche geleitet. Der Laserstrahl 24 trifft dabei mit seinem Brennfleck auf der Kontaktfläche auf.
Wie voranstehend beschrieben, ist der Träger 26 zur Aufnahme der zu verbindenden Substrate 10, 12 eingerichtet. Die Substrate 10, 12 werden dabei relativ zu dem Träger 26 fixiert. Der Träger 26 ist translatorisch entlang einer X-Achse und einer dazu senkrechten Y-Achse bewegbar, wie in 2 durch die Pfeile X und Y angedeutet, die senkrecht zu der Z-Achse sind. Ferner ist der Träger 26 um die X-Achse und die Y-Achse rotatorisch betätigbar, also verkippbar. Hierzu ist wenigstens ein zweiter Aktuator vorgesehen, der mit der Steuereinheit 28 verbunden ist.
Die Schweißvorrichtung 14 umfasst ferner einen konfokalen Sensor 30, der dazu eingerichtet ist, eine Lage der zu verbindenden Substrate 10, 12, insbesondere eine Lage der Kontaktfläche zwischen diesen, zu bestimmen. Auf diese Weise kann über einen in Z-Richtung wirkenden Aktuator die Lage des Fokus des Laserstrahls 24 kontrolliert werden und entsprechend nachgeführt werden.
Das Bestrahlen der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 mittels des gepulsten und fokussierten Laserstrahls 24 kann derart erfolgen, dass die Substrate 10, 12 punktuell miteinander verschweißt werden. Hierzu können unterschiedliche vorgegebene Schweißpositionen entlang der Kontaktfläche zwischen den Substraten 10, 12 nacheinander angefahren werden, sodass der Brennfleck nacheinander mit den jeweiligen Schweißpositionen zusammenfällt.
Das Anfahren der Schweißpositionen erfolgt mithilfe der Steuereinheit 28, die den ersten Aktuator und den wenigstens einen zweiten Aktuator derart betätigt, dass die zu verbindenden Substrate 10, 12 relativ zu dem Brennfleck bewegt werden. Sobald eine Schweißposition angefahren ist, steuert die Steuereinheit 28 die Schweißvorrichtung 14 derart, dass der von der Lasereinheit 16 erzeugte gepulste Laserstrahl 18 durch die optische Einheit 22 geleitet werden und die Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 an der jeweiligen Schweißposition bestrahlt. Während des Bestrahlens der jeweiligen Schweißposition wird die relative Position zwischen den zu bearbeitenden Substraten 10, 12 und dem Brennfleck beibehalten. Mit anderen Worten, das Bestrahlen der Kontaktfläche und das Bewegen der zu verbindenden Substrate 10, 12 relativ zu dem Brennfleck erfolgt nacheinander, also sukzessiv.
Alternativ oder zusätzlich kann das Bestrahlen der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 mittels des gepulsten und fokussierten Laserstrahls 24 derart erfolgen, dass entlang der Kontaktfläche eine Schweißnaht 32 erzeugt wird, wie in 2 angedeutet. Zum Erzeugen einer derartigen Schweißnaht 32 erfolgt in dem Schweißverfahren gleichzeitig ein Bestrahlen der Kontaktfläche und ein Bewegen der zu verbindenden Substrate 10, 12 relativ zu dem Brennfleck. Genauer werden beim Bestrahlen der Kontaktfläche die zu verbindenden Substrate 10, 12 relativ zu dem Brennfleck oder dem Laserstrahl 24 kontinuierlich bewegt. Die Steuereinheit 28 ist dazu eingerichtet, eine Geschwindigkeit dieser relativen Bewegung in Abhängigkeit einer mittleren Leistung des Laserstrahls 24 und dessen Repetitionsrate einzustellen.
In dem Schweißverfahren können die zu verbindenden Substrate 10, 12 zusammen mit dem Träger 26 relativ zu dem Laserstrahl 24 oder dem Brennfleck mittels des wenigstens einen zweiten Aktuators entlang der X-Achse und der Y-Achse, also in einer Richtung quer zu der Strahlenrichtung des Laserstrahls 24, und mittels des ersten Aktuators entlang der Z-Achse, also entlang der Strahlenrichtung des Laserstrahls 24, bewegt werden. Die Steuereinheit 28 ist dazu eingerichtet, den Schritt des relativen Bewegens der Substrate 10, 12 relativ zu dem Laserstrahl 24 oder dem Brennfleck relativ zueinander in Abhängigkeit einer durch den konfokalen Sensor 30 bestimmten Lage der Kontaktfläche auszuführen. Die Steuereinheit 28 betätigt die entsprechenden Aktuatoren derart, dass der Brennfleck mit einem zu bestrahlenden Bereich an der Kontaktfläche zwischen den Substraten 10, 12 zusammenfällt.
3 zeigt einen Längsschnitt auf ein durch das Schweißverfahren und die Schweißvorrichtung 14 hergestelltes Bauteil, in dem ein transparentes, aluminiumoxidhaltiges erstes Substrat 10 mit einem zweiten Substrat 12 aus Aluminium verschweißt ist.
Wie in 4 gezeigt, wurde das Schweißverfahren derart ausgeführt, dass durch das Bestrahlen der Kontaktfläche 34 zwischen den Substraten 10, 12 eine geschlossene, kreisförmige erste Schweißnaht 36 und eine dazu parallele geschlossene zweite Schweißnaht 38 erzeugt wurde.
4 zeigt eine Draufsicht auf das Bauteil, wobei aufgrund der transparenten Eigenschaft des ersten Substrats 10 die Schweißnähte 36, 38 und die Kontaktfläche 34 sichtbar sind. Die erste und die zweite Schweißnaht 36, 38 stellen eine stoffschlüssige und/oder chemische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 10, 12 bereit. Das erste Substrat 10 bedeckt einen Innenraum 40 des Bauteils. Indem zwei zueinander parallele geschlossene Schweißnähte 36, 38 bereitgestellt sind, weist die durch die Schweißnähte 36, 38 gebildete Verbindung eine Redundanz und somit eine erhöhte Sicherheit auf.
In 3 sind die in der 4 in der Draufsicht gezeigten Schweißnähte 36, 38 im Querschnitt dargestellt. Die Schweißnähte wurden derart erzeugt, dass die Kontaktfläche zwischen den Substraten 10, 12 mittels des durch das erste Substrat 10 geleiteten gepulsten Laserstrahls 24 bestrahlt wurde. Beim Durchqueren des ersten Substrats wurde ein Teil der Strahlungsenergie von dem ersten Substrat 10 absorbiert, was in der in 3 gezeigten Darstellung zu einem Aufschmelzen des Materials des ersten Substrats 10 oberhalb der Schweißnähte 36, 38 geführt hat. Dies ist an einer in 3 dargestellten Schmelzzone 42 sichtbar, die oberhalb der Schweißnähte 36, 38 angeordnet ist und durch Aushärten des derart aufgeschmolzenen Materials des ersten Substrats 10 oberhalb der Schweißnähte 36, 38 erzeugt wurde.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: erstes Substrat
12: zweites Substrat
14: Schweißvorrichtung
16: Lasereinheit
18: gepulste Laserstrahlen
20: Umlenkeinheit
22: optische Einheit
24: fokussierte und gepulste Laserstrahlen
26: Träger
28: CNC-Steuereinheit
30: konfokaler Sensor
32: Schweißnaht
34: Kontaktfläche
36: erste geschlossene Schweißnaht
38: zweite geschlossene Schweißnaht
40: Innenraum
42: Schmelzzone in dem ersten Substrat

Claims

Schweißverfahren zum Verbinden eines transparenten, aluminiumoxidhaltigen ersten Substrats (10) und eines opaken zweiten Substrats (12) umfassend oder bestehend aus Aluminium, umfassend die Schritte: - Anlegen des ersten Substrats (10) an das zweite Substrat (12); und - Bestrahlen einer Kontaktfläche (34) zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat (10, 12) mittels eines ultrakurz gepulsten Laserstrahls (18, 24), wobei der Laserstrahl (18, 24) durch das erste Substrat (10) hindurch in Richtung der Kontaktfläche (34) geleitet wird und in einem Brennfleck auf der Kontaktfläche (34) fokussiert wird, zum Verschweißen des ersten und des zweiten Substrats (10, 12), wobei beim Bestrahlen der Kontaktfläche (34) eine kontinuierliche Schweißnaht (36) erzeugt wird, wobei eine zu der Schweißnaht (36) an der Kontaktfläche (34) parallel verlaufende weitere Schweißnaht (38) erzeugt wird.
Schweißverfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Substrat (10) Korund, oder synthetisches Korund oder Saphir umfasst oder daraus besteht.
Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Laserstrahl (24) in einen Brennfleck auf der Kontaktfläche (34) mit einem Durchmesser von 3 µm bis 35 µm, bevorzugt einen Durchmesser von 8 µm oder 32 µm, fokussiert ist.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (18) durch eine optische Einheit (22) zum Fokussieren des Laserstrahls (18) auf einen Brennfleck in der Kontaktfläche (34) geführt wird, wobei die optische Einheit (22) ein Objektiv mit einer 2- bis 20-fachen Vergrößerung und/oder ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von zwischen 0,25 und 0,75 und/oder ein Objektiv mit einer Brennweite von 10 mm bis 100 mm aufweist.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der ultrakurz gepulste Laserstrahl (24) eine Pulsdauer von höchstens 400 fs aufweist.
Schweißverfahren nach Anspruch 5, bei dem der Laserstrahl (18, 24) eine Laserleistung von höchstens 20 W und/oder eine Laserenergie von 20 W bis 60 W und/oder eine Pulsenergie von maximal 20 µJ bereitstellt, und/oder eine Repetitionsrate zwischen 250 kHz bis 1000 kHz aufweist.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Bestrahlen der Kontaktfläche (34) derart erfolgt, dass eine mittlere Laserleistung für eine Pulssequenz, umfassend eine vordefinierte Anzahl von Laserstrahlpulsen, insbesondere ein Laserpuls oder vier oder acht Laserstrahlpulse, im Vergleich zu daran zeitlich angrenzenden Pulsen durch Erhöhung der Pulsamplitude und/oder durch Erhöhung der Pulsdauer erhöht wird.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Anlegens des ersten und des zweiten Substrats (10, 12) ein Ansprengen von aneinander anzulegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats (10, 12) erfolgt.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Glättens der aneinander anzulegenden Oberflächen des ersten und des zweiten Substrats (10, 12), wobei der Schritt des Glättens derart erfolgt, dass eine zu verbindende Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Substrats (10, 12) eine mittlere Rauheit von höchstens 10 µm aufweist.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (18, 24) derart auf die Kontaktfläche (34) einwirkt, dass eine Schweißnaht (32; 36, 38) entlang der Kontaktfläche (34) erzeugt wird und/oder das erste und das zweite Substrat (10, 12) entlang der Kontaktfläche punktuell verschweißt werden.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate (10, 12) und des Laserstrahls (24) oder des Brennfleckes relativ zueinander wobei der Schritt des Bestrahlens der Kontaktfläche (34) und der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate (10, 12) und des Laserstrahls (24) oder des Brennfleckes gleichzeitig und/oder sukzessiv erfolgen.
Schweißverfahren nach Anspruch 11, bei dem beim Bestrahlen der Kontaktfläche (34) die zu verschweißenden Substrate (10, 12) und der Laserstrahl (24) relativ zueinander kontinuierlich bewegt werden, wobei eine Geschwindigkeit der relativen Bewegung zwischen den zu verschweißenden Substraten (10, 12) und dem Laserstrahl (24) in Abhängigkeit einer mittleren Leistung des Laserstrahls (24) und/oder dessen Repetitionsrate eingestellt wird.
Schweißverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schritt des Bestimmens einer Lage der zu verschweißenden Substrate (10, 12) relativ zu dem Brennfleck, wobei insbesondere der Schritt des Bewegens der zu verschweißenden Substrate (10, 12) und des Laserstrahls (24) oder des Brennflecks relativ zueinander derart erfolgt, dass der Brennfleck mit einem zu bestrahlenden Bereich an der Kontaktfläche (34) zusammenfällt.
Verwendung eines Schweißverfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Befestigen einer transparenten, aluminiumoxidhaltigen Scheibe (10) an einem Gehäuse (12), eines elektronischen Geräts und/oder eines optischen Geräts.