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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserlöten, insbesondere Hartlöten, von Bauteilen,
wobei an einem Stoß von zwei Bauteilen ein Zusatzmaterial, insbesondere ein Zusatzdraht, zugeführt wird,
wobei als Zusatzmaterial ein kupferhaltiges Zusatzmaterial gewählt ist,
und wobei das Zusatzmaterial in einer Hauptprozesszone mittels Laserstrahlung entlang einer Vorschubrichtung aufgeschmolzen wird.
Ein solches Verfahren ist bekannt geworden durch die Firmenveröffentlichung „Laserlöten mit Diodenlasern“ der Laserline GmbH, Mühlheim-Kärlich, DE, abgerufen unter
https://www.laserline.com/de-int/laserloeten/
am 27.08.2019.
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Löten ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Bauteilen. Dabei wird mit einer Wärmequelle eine Schmelze an der Grenzfläche von zwei zu fügenden Bauteilen erzeugt, wobei die Bauteile in der Tiefe jedoch nicht aufgeschmolzen werden. In einer wichtigen Variante des Lötens wird ein Zusatzmaterial (auch genannt Zusatzwerkstoff oder Lot) am Stoß der Bauteile zugeführt, welches durch eine Wärmequelle aufgeschmolzen wird. Je nach Löttemperatur unterscheidet man Weichlöten (unter 450°C) und Hartlöten (über 450°C). Für das Hartlöten sind insbesondere kupferhaltige Zusatzmaterialien (Lote) bekannt geworden, vgl. deutscher Wikipedia-Eintrag „Hartlöten“, abgerufen am 19.07.2019.
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Für die Fertigung von Karosseriebauteilen im Automobilbereich mittels Hartlöten ist es bekannt, als Wärmequelle einen Diodenlaser einzusetzen, vgl.
DE 10 2015 112 537 A1 . Für einen stabilen und ruhigen Prozessverlauf kann dabei ein strahlformendes Optikmodul eingesetzt werden, welches aus einem Laserstrahl eine Fokusgeometrie mit einem Hauptlaserspot und zumindest einem Nebenlaserspot erzeugt.
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Aus der erwähnten Firmendruckschrift „Laserlöten mit Diodenlasern“ ist ein Hartlöten von verzinkten Stahlblechen mit einem Kupfer-Siliziumdraht bekannt geworden, der mit einem Diodenlaser aufgeschmolzen wird. Dabei kann ein Triple-Spot mit einem Hauptspot und zwei vorauslaufenden Nebenspots eingesetzt werden, wobei mit den Nebenspots am Rand der Lötnaht die Verzinkung abgetragen wird. Das zugehörige Verfahren ist auch in dem auf der angegebenen Internetseite verlinkten Youtube-Video „Laserlöten mit Triple Spot“, abgerufen unter https://www.youtube.comJwatch?v=pWBNHzXKrOI am 27.08.2019, gezeigt.
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Die üblicherweise beim Löten eingesetzten Diodenlaser weisen eine Wellenlänge im nahen infraroten Spektralbereich um 800nm bis 1100 nm auf. Diese Diodenlaser sind kostengünstig erhältlich. Beim Fügen von Karosseriebauteil aus Stahlblech mittels Laserlöten unter Verwendung von kupferhaltigem Zusatzmaterial ist jedoch die Prozessführung für den Erhalt einer guten Lötnaht-Qualität vergleichsweise schwierig. Zudem werden vergleichsweise große Laserleistungen benötigt.
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Aus der Firmendruckschrift „Laserline LDMblue Blaue Hochleistungsdiodenlaser“, Laserline GmbH, Mülheim-Kärlich, DE, 2019, ist ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge der Laserstrahlung von ca. 450 nm bekannt geworden. Dieser Diodenlaser soll einen spritzerfreien Schweißprozess bei der Bearbeitung von Kupfer und anderen Buntmetallen, etwa beim Schweißen von dünnen Kupferfolien und Kupferblechen, ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, beim Laserlöten von Bauteilen unter Verwendung eines kupferhaltigen Zusatzmaterials eine bessere Lötnaht-Qualität erhältlich zu machen und die Prozesseffizienz zu verbessern.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Zusatzmaterial in der Hauptprozesszone mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge λH im blauen oder grünen Spektralbereich aufgeschmolzen wird, insbesondere mit 400 nm ≤ λH ≤ 600 nm.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass sich durch Einsatz von blauer oder grüner Laserstrahlung in der Hauptprozesszone die Prozessführung beim Laserlöten, insbesondere Hartlöten, unter Verwendung eines kupferhaltigen Zusatzmaterials (Zusatzwerkstoffs, Lots) deutlich verbessern lässt. Das Aufschmelzen des Zusatzmaterials unterliegt (im Vergleich zum Einsatz von Laserstrahlung im nahen Infrarot) weniger Prozessstörungen und kann mit geringerer Laserleistung erfolgen. Insbesondere kann das Auftreten von Spritzern aus der Lotschmelze vermieden oder deutlich reduziert werden, und eine Welligkeit der Lötnaht kann beseitigt oder deutlich verringert werden. Die benötigte Laserleistung kann (im Vergleich zum Einsatz von Laserstrahlung im nahen Infrarot) reduziert werden, wodurch die energetische Prozesseffizienz ansteigt und somit Kosten gespart werden. Die Lotschmelze ist weniger dynamisch, und es kann eine besonders saubere Lötnaht erhalten werden.
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Bevorzugt gilt für die Wellenlänge λH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone im blauen Spektralbereich 400 nm ≤ λH ≤ 500 nm, besonders bevorzugt 400 nm ≤ λH ≤ 460 nm, und ganz besonders bevorzugt 402 nm < λH ≤ 408 nm oder 442 nm ≤ λH ≤ 448 nm. Im grünen Spektralbereich gilt für die Wellenlänge λH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone bevorzugt 500 nm ≤ λH ≤ 600 nm, besonders bevorzugt 512 nm ≤ λH ≤ 518 nm, ganz besonders bevorzugt λH = 515 nm.
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Die blaue oder grüne Laserstrahlung kann mit einem Diodenlaser erzeugt werden; der Diodenlaser kann eine einzelne Laserdiode oder auch eine Vielzahl von Laserdioden umfassen (insbesondere so genannte Dioden-Stacks).
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Das Zusatzmaterial kann insbesondere ein Kupfer-Silizium-Material sein. Der Kupfer-Anteil im Lot absorbiert blaues und grünes Licht besonders stark, wodurch Laserenergie leicht in das Zusatzmaterial eingekoppelt werden kann. Das Zusatzmaterial hat typischerweise einen Schmelzpunkt von 450°C oder mehr, so dass der Laserlöt-Prozess im Regime des Hartlötens liegt und eine besonders gute mechanische Festigkeit der Lötnaht ergibt. Das Zusatzmaterial wird durch die Laserstrahlung der Hauptprozesszone aufgeschmolzen, wodurch eine Lotschmelze entsteht. Im Rahmen des Laserlöt-Prozesses wird das Grundmaterial der Bauteile nicht aufgeschmolzen, d.h. das Verfahren wird so geführt, dass die Schmelztemperatur des Grundmaterials der Bauteile nicht erreicht wird. Man beachte, dass jedoch ein etwaige Beschichtungsmaterial der Bauteile in der Hauptprozesszone aufgeschmolzen werden kann; ein solches Beschichtungsmaterial kann insbesondere als Flussmittel dienen.
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Typischerweise ist die (maximale) Breite BH der Hauptprozesszone etwas größer als die Breite BZ des zugeführten Zusatzmaterials, gemessen quer zur Vorschubrichtung, bevorzugt mit BH ≥ 1,25*BZ oder BH ≥ 1,5*BZ. Typischerweise wird das Zusatzmaterial als ein Draht zugeführt, es ist aber auch möglich, das Zusatzmaterial beispielsweise als Band, Pulver oder Paste zuzuführen (Im Falle eines Pulvers oder einer Paste entspricht die Breite BZ des Zusatzmaterials der Breite, über die das Zusatzmaterial auf die Bauteile im Bereich des Stoßes aufgetragen wird). Wo die Hauptprozesszone über das Zusatzmaterial ausgreift („Ausgriffszone“), kann die Laserstrahlung der Hauptprozesszone ein etwaiges Beschichtungsmaterial auf den Bauteilen aufschmelzen und/oder eine Benetzung der Bauteil-Oberflächen mit aufgeschmolzenem Zusatzmaterial bzw. Lotschmelze erleichtern.
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Typischerweise wird das Verfahren so geführt, dass die Breite BH der Hautprozesszone der Breite BN der späteren Lötnaht am Stoß der Bauteile entspricht, jeweils gemessen quer zur Vorschubrichtung.
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Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Laserlöt-Verfahrens
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Varianten betreffend die Strahlformung in der Hauptprozesszone
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Laserstrahlung in der Hauptprozesszone mit einem rechteckigen Fokus der Laserstrahlung aufgeschmolzen. Mit einer solchen Geometrie können besonders scharfe seitliche Begrenzungen (Kanten) der Lötnaht erhalten werden. Der rechteckige Fokus ist dabei mit einem Paar Seitenkanten parallel zur Vorschubrichtung ausgerichtet. Man beachte, dass der rechteckige Fokus der Laserstrahlung im Rahmen dieser Variante im Bereich seiner Ecken mit Abrundungen ausgeführt sein kann, wodurch Prozessstörungen minimiert werden können. Typischerweise gilt für den Krümmungsradius KR im Bereich der Ecken im Vergleich zur Länge LKK des rechteckigen Fokus entlang der kürzesten Hauptachse (Länge der kürzesten Kante) dabei: 0,033*LKK≤ KR ≤ 0,33*LKK.
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Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der der rechteckige Fokus entlang einer großen Hauptachse länger ist als entlang einer kleinen Hauptachse, und bei der die große Hauptachse des rechteckigen Fokus entlang der Vorschubrichtung orientiert ist. Dadurch lässt sich auch bei schmalen Lötnähten die Laserenergie über eine größere Fläche verteilen, wodurch eine besonders ruhige Lotschmelze erhalten werden kann. Bevorzugt beträgt das Aspektverhältnis AV (Verhältnis der Kantenlängen des rechteckigen Fokus entlang der großen Hauptachse zur kleinen Hauptachse) 1,5 oder mehr, bevorzugt 2 oder mehr, besonders bevorzugt 2,5 oder mehr.
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Bei einer vorteilhaften, alternativen Weiterentwicklung weist die Laserstrahlung in der Hauptprozesszone einen quadratischen Fokus auf, insbesondere wobei eine Breite BH der Hauptprozesszone mit dem quadratischen Fokus einer Nahtbreite BN einer gefertigten Lötnaht am Stoß der Bauteile entspricht, jeweils gemessen quer zur Vorschubrichtung. Mit anderen Worten beträgt in dieser Weiterentwicklung das Aspektverhältnis AV=1. Die Erzeugung eines quadratischen Fokus ist vergleichsweise einfach und kann Temperaturgradienten in der Lotschmelze begrenzen. Der quadratische Fokus der Hauptprozesszone hat sich bei der Fertigung einer Lötnaht mit BH=BN zudem besonders bewährt.
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Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass die Hauptprozesszone eine Breite BH quer zur Vorschubrichtung aufweist, mit
1,5* BZ ≤ BH ≤ 2,5*BZ,
bevorzugt wobei BZ 1,8*BZ ≤ BH ≤ 2,2*BZ,
wobei BZ: Breite des Zusatzmaterials quer zur Vorschubrichtung. Wo die Hauptprozesszone über das Zusatzmaterial ausgreift („Ausgriffszone“), kann die Laserstrahlung der Hauptprozesszone ein Beschichtungsmaterial auf den Bauteilen aufschmelzen und/oder eine Benetzung der Bauteil-Oberflächen mit aufgeschmolzenem Zusatzmaterial bzw. Lotschmelze erleichtern. Im vorgesehenen Bereich der Verhältnisse von BZ und BH kann dabei ein guter Eintrag von Beschichtungsmaterial (Flussmittel) erreicht werden und gleichzeitig verhindert werden, dass die Lötnaht seitlich zu weit ausgreift, was in vielen Anwendungsfällen die mechanische Festigkeit beeinträchtigen könnte.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der zumindest in der Hauptprozesszone eine Laserstrahlung mit einer höheren Leistungsdichte in einem Kernbereich und einer geringeren Leistungsdichte in einem Ringbereich, der den Kernbereich umgibt, eingesetzt wird,
insbesondere wobei die Laserstrahlung der Hauptprozesszone mit einer Multiclad-Faser oder einem diffraktiven optischen Element erzeugt wird. Die Laserstrahlung der Hauptprozesszone weist ein doppeltes Top-hat Profil auf, mit im Wesentlichen konstanter (hoher) Laserleistung im Kernbereich und im Wesentlichen konstanter (niedrigerer) Laserleistung im Ringbereich. Die im Ringbereich verringerte Laserleistung kann dazu beitragen, die Dynamik der Lotschmelze gering zu halten. Zudem kann in vielen Fügegeometrien der Wärmeeintrag in das Grundmaterial der Bauteile reduziert werden, was die Gefahr eines Anschmelzens des Grundmaterials der Bauteile (und damit eine Verunreinigung der Lotschmelze) verringert.
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Variante mit Beschichtungen auf den Bauteilen
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Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die zwei Bauteile mit einem Grundmaterial und einem auf dem Grundmaterial angeordneten Beschichtungsmaterial ausgebildet sind. Die Bauteile sind typischerweise mit den Seiten, auf denen das Beschichtungsmaterial angeordnet ist, einander zugewandt, oder die Seiten, auf denen das Beschichtungsmaterial angeordnet ist, sind beide zur Laserstrahlungs-Quelle ausgerichtet. Das Beschichtungsmaterial dient typischerweise im Laserlöt-Prozess als Flussmittel, und wird zu diesem Zweck lokal aufgeschmolzen. Das Grundmaterial wird jedoch im Rahmen des Laserlöt-Prozesses nicht aufgeschmolzen.
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Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass das Grundmaterial Stahl, insbesondere Stahlblech, und/oder das Beschichtungsmaterial Zink umfasst. Diese Werkstoffkombination ist insbesondere im Karosseriebau von Fahrzeugen von besonderer Bedeutung und kann im Rahmen der Erfindung mit hoher Qualität, insbesondere hoher mechanischer Festigkeit, mit einem kupferhaltigen Zusatzmaterial (Lot) verlötet werden. Die Stahlbleche können insbesondere feuerverzinkt sein.
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Weiterentwicklung mit Vorprozesszone
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Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung wird in einer Vorprozesszone, die bezüglich der Vorschubrichtung vor der Hauptprozesszone liegt, mittels Laserstrahlung das Beschichtungsmaterial im Bereich des Stoßes aufgeschmolzen. Durch die Vorprozesszone kann die Bereitstellung von Flussmittel (Beschichtungsmaterial) insbesondere an einer vorderen Front der Lotschmelze verbessert werden. Da das Zusatzmaterial in der Regel bezüglich der Vorschubrichtung „von vorne“ der Lotschmelze zugeführt wird, liegt die Vorprozesszone in der Regel unterhalb eines Bereichs, über welchen das Zusatzmaterial zugeführt wird, etwa unterhalb eines Zusatzdrahtes oder unterhalb einer Zuführeinrichtung für das Zusatzmaterial. Ein von oben einstrahlender Laser, wie er typischerweise für die Hauptprozesszone verwendet wird, kann dann aufgrund von Abschattung unterhalb dieses Bereichs das Beschichtungsmaterial direkt vor der Front der Lotschmelze nicht aufschmelzen. Die Laserstrahlung für die Vorprozesszone wird daher in der Regel aus einer schrägen Richtung (oder auch mehreren, typischerweise zueinander symmetrisch ausgerichteten, schrägen Richtungen) zugeführt, etwa von seitlich des Stoßes, um eine Abschattung durch das zuzuführende Zusatzmaterial oder dessen Zuführeinrichtung zu vermeiden. Die Laserstrahlung in der Vorprozesszone kann mit einem Diodenlaser erzeugt werden; die Wellenlänge λV der Laserstrahlung der Vorprozesszone kann unabhängig von der Wellenlänge λH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone gewählt werden. Insbesondere kann die Wellenlänge λV der Vorprozesszone ebenfalls im blauen Spektralbereich (400-500 nm) oder grünen Spektralbereich (500-600 nm) oder auch im nahen infraroten Spektralbereich (800-1100 nm) gewählt werden. Typischerweise wird die Wellenlänge λV der Vorprozesszone jedoch unterschiedlich zur Wellenlänge λH der Hauptprozesszone gewählt und/oder mit einem anderen Laser erzeugt. Die Vorprozesszone liegt typischerweise separat (in Vorschubrichtung getrennt) von der Hauptprozesszone, kann aber auch an die Hauptprozesszone unmittelbar anschließen.
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Weiterentwicklungen mit Seitenprozesszonen
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Bei einer weiteren, vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass in zwei Seitenprozesszonen, die bezüglich der Vorschubrichtung vor der Hauptprozesszone und zu beiden Seiten des Stoßes der zwei Bauteile liegen, mit einer Laserstrahlung das Beschichtungsmaterial verdampft wird, so dass zwei voneinander separate, von Beschichtungsmaterial befreite Spuren auf den beiden Bauteilen entstehen. Die von Flussmittel befreiten Spuren agieren als eine Barriere für die das Fließen der Lotschmelze, und definieren und begrenzen so die Breite der erhaltenen Lötnaht. Somit kann eine seitlich scharf begrenzte Lötnaht erhalten werden. Die Laserstrahlung in den Seitenprozesszonen kann mit einem Diodenlaser erzeugt werden.
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Bei einer bevorzugten Untervariante dieser Weiterentwicklung wird das Beschichtungsmaterial in den zwei Seitenprozesszonen mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge λS verdampft,
wobei die Wellenlänge λH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone und die Wellenlänge λS der Laserstrahlung der Seitenprozesszonen unterschiedlich gewählt sind. Die Wellenlängen λH und λS können somit auf das Zusatzmaterial und das Beschichtungsmaterial individuell angepasst und optimiert werden, insbesondere bezüglich des Absorptionsverhaltens und der Strahlgüte oder Leistungsdichte. Die für das Aufschmelzen des kupferhaltigen Zusatzmaterials vorgesehene Wellenlänge im blauen oder grünen Spektralbereich ist für das Verdampfen des Beschichtungsmaterials in der Regel nicht nötig; umgekehrt ist für das Verdampfen
des Beschichtungsmaterials mit definierter Kante einer erhaltenen, von Beschichtungsmaterial befreiten Spur eine hohe Strahlgüte vorteilhaft, die für das Aufschmelzen des Zusatzmaterials nicht benötigt wird.
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Bevorzugt ist dabei die Wellenlänge λ5 der Laserstrahlung in den Seitenprozesszonen im nahen infraroten Spektralbereich gewählt, insbesondere mit 800 nm ≤ λS ≤ 1100 nm. Entsprechende Diodenlaser sind kostengünstig und mit hoher Strahlgüte kommerziell erhältlich.
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Ebenso ist eine Untervariante bevorzugt, bei der die Laserstrahlung in den Seitenprozesszonen mit einem Laser erzeugt wird, der eine höhere Strahlgüte aufweist als ein Laser, mit dem die Laserstrahlung der Hauptprozesszone erzeugt wird. Dadurch kann eine besonders scharf begrenzte Lötnaht erhalten werden. Die Strahlgüte kann über das Strahlparameterprodukt verglichen werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Untervariante ist vorgesehen, dass die Seitenprozesszonen Breiten BS quer zur Vorschubrichtung aufweisen, mit
BS ≤ 0,5*BH,
bevorzugt BS ≤ 0,33*BH,
wobei BH: Breite der Hauptprozesszone quer zur Vorschubrichtung. Entsprechend geringe Breiten BS der Seitenprozesszonen reichen für eine zuverlässige Begrenzung des Fließens der Lotschmelze bzw. für die Begrenzung der Lötnaht aus. Durch geringe Breiten BS kann der Lötprozess energiesparend ausgeführt werden.
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Verwendung für Karosseriebauteile
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen von Karosseriebauteilen, insbesondere Stahl-Karosseriebauteilen, von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen. Die Karosseriebauteile können in einem vergleichsweise einfachen Prozess mit hoher Qualität, insbesondere hoher mechanischer Festigkeit, energetisch effizient gefügt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1a zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Einrichtung einer Hauptprozesszone;
- 1b zeigt die Bauteile von 1a in einem schematischen Querschnitt bei Ebene Ib von 1a;
- 1c zeigt die Bauteile von 1a in einem schematischen Längsschnitt bei Ebene Ic von 1a;
- 2a zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Einrichtung einer Hauptprozesszone, einer Vorprozesszone und zwei Seitenprozesszonen;
- 2b zeigt die Bauteile von 2a in einem schematischen Querschnitt bei Ebene IIb von 2a;
- 2c zeigt die Bauteile von 2a in einem schematischen Längsschnitt bei Ebene IIc von 2a;
- 3 zeigt in schematischer Aufsicht eine Hauptprozesszone mit einem quadratischen Fokus der Laserstrahlung für die Erfindung;
- 4 zeigt in schematischer Aufsicht eine Hauptprozesszone mit einem quadratischen Fokus der Laserstrahlung für die Erfindung, mit einem Kernbereich und einem Ringbereich;
- 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Einrichtung einer Hauptprozesszone mit einem entlang der Vorschubrichtung ausgerichteten, rechteckigen Fokus.
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Die nachfolgenden Figuren illustrieren das erfindungsgemäße Verfahren in schematischer Weise. Die Figuren sind nicht maßstäblich zu verstehen, und insbesondere sind zum besseren Verständnis einige Strukturen vergrößert illustriert.
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Die 1a in schematischer Aufsicht, die 1b in schematischem Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Lötnaht im Bereich der Hauptprozesszone und 1c in einem schematischen Längsschnitt entlang der Lötnaht bzw. des Stoßes illustrieren eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten von Bauteilen. Die Schnittebenen der 1b und 1c sind in 1a mit den Ebenenmarkierungen Ib und Ic angedeutet.
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Ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 sind im Bereich eines Stoßes 3 aneinander liegend angeordnet und sollen miteinander verlötet werden. Die Bauteile 1, 2 sind hier aus Stahlblech gefertigt und gehören zu einer Karosserie für ein Fahrzeug (letzteres nicht näher dargestellt). Der Lötprozess erfolgt in der gezeigten Variante von einer Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 aus. Im Bereich der Oberseite 4 bildet der Stoß 3 aufgrund der Abrundung der dortigen Kanten der Bauteile 1, 2 eine Senke 3a aus, die mit Lot verfüllt werden soll. Die Bauteile 1, 2 sind hier an der Oberseite 4 und im Bereich der Senke 3a mit einem Beschichtungsmaterial 8 (einfach schraffiert dargestellt) beschichtet; zusätzlich kann auch Beschichtungsmaterial im Stoß 3 bzw. der Kontaktfläche der Bauteile 1, 2 vorgesehen sein (nicht dargestellt). Das Beschichtungsmaterial 8 enthält hier Zink, beispielsweise mit einem Anteil von wenigstens 20 Gew%, und dient als Flussmittel für den Lötprozess.
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Das Verfahren sieht die Zuführung eines Zusatzmaterials 5 vor, hier in Form eines Zusatzdrahts 5a. Das Zusatzmaterial 5 enthält Kupfer, beispielsweise mit einem Anteil von wenigstens 20 Gew%. Man beachte, dass das Zusatzmaterial 5 in 1a-1c transparent dargestellt ist, um die darunter liegenden Strukturen besser erkennbar zu machen. In einer Hauptprozesszone 6, durch die der Stoß 3 mittig verläuft und die hier mit einem quadratischen Fokus 30 ausgebildet ist, wird das Zusatzmaterial 5 mit einer Laserstrahlung 7 aufgeschmolzen. Dabei schreitet die Hauptprozesszone 6 im Rahmen des Verfahrens relativ zu den Bauteilen 1, 2 in einer Vorschubrichtung VR voran, die entlang des Stoßes 3 verläuft. Man beachte, dass zu diesem Zweck beispielsweise die Bauteile 1, 2 gegenüber einer ortsfesten Löteinheit (nicht näher dargestellt) verfahren werden können, oder auch die Löteinheit gegenüber ortsfesten Bauteilen 1, 2 verfahren werden kann, oder sowohl die Bauteile 1, 2 als auch die Löteinheit gleichzeitig geeignet synchronisiert verfahren werden können.
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Die Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 wird mit einem Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt und hat hier eine Wellenlänge von ca. 450 nm, liegt also im blauen Spektralbereich. Dadurch kann die Laserstrahlung 7 vom kupferhaltigen Zusatzmaterial 5 energetisch besonders effizient absorbiert werden. Im Bereich der Hauptprozesszone 6 bildet sich eine Lotschmelze 9 (mit Kreuzschraffur dargestellt) aus, die aufgeschmolzenes Zusatzmaterial 5 und auch aufgeschmolzenes Beschichtungsmaterial 8 (Flussmittel) enthält. Bezüglich der Vorschubrichtung VR hinter der Hauptprozesszone 6 erstarrt die Lotschmelze 9 wieder (die Erstarrungsfront ist zur Vereinfachung nicht näher dargestellt). Dadurch bildet sich hinter der Hauptprozesszone 6 eine Lötnaht 10 (ebenfalls mit Kreuzschraffur dargestellt) aus, deren Breite BN hier der Breite BH der Hauptprozesszone 6 entspricht, jeweils gemessen quer zur Vorschubrichtung VR.
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Das Verfahren ermöglicht eine vergleichsweise geringe Dynamik der Lotschmelze 9, so dass vergleichsweise scharfe Kanten 11 der Lötnaht 10 erhalten werden können und Prozessstörungen wie Spritzer oder eine Welligkeit der Lötnaht 10 minimiert werden können.
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Das Zusatzmaterial 5 bzw. der Zusatzdraht 5a werden hier bezüglich der Vorschubrichtung VR von schräg vorne zugeführt. Man beachte, dass die Zuführgeschwindigkeit des Zusatzdrahts 5a dabei von der Vorschubgeschwindigkeit des Lötprozesses (d.h. von der Relativgeschwindigkeit von Bauteilen und Hauptprozesszone) abweichen kann. Die Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 wird hier näherungsweise senkrecht zur Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 von oben eingestrahlt.
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Die Breite BH der Hauptprozesszone 6, gemessen quer (senkrecht) zur Vorschubrichtung VR, ist hier ca. 2-mal so groß wie die Breite BZ des Zusatzdrahtes 5a. Soweit die Hauptprozesszone 6 bzw. die Laserstrahlung 7 über den Zusatzdraht 5a ausgreift, kann in dieser „Ausgriffszone“ das Beschichtungsmaterial 8 aufgeschmolzen werden. Man beachte aber, dass das Grundmaterial 12 (hier Stahl) der Bauteile 1, 2, auf welchem das Beschichtungsmaterial 8 aufgebracht ist, im Rahmen des Lötprozesses nicht aufgeschmolzen wird.
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Die 2a in schematischer Aufsicht, die 2b in schematischem Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Lötnaht im Bereich der Hauptprozesszone und 2c in einem schematischen Längsschnitt entlang der Lötnaht bzw. des Stoßes illustrieren eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten von Bauteilen. Die Schnittebenen der 2b und 2c sind in 2a mit den Ebenenmarkierungen IIb und IIc angedeutet. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede zum Verfahren von 1a-1c erläutert.
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In dieser Variante wird Laserstrahlung 7 in der Hauptprozesszone 6 eingesetzt, und weiterhin in einer Vorprozesszone 20 eine Laserstrahlung 21, und in zwei Seitenprozesszonen 22a, 22b eine Laserstrahlung 23a, 23b. All diese Prozesszonen 6, 20, 22a, 22b bewegen sich gemeinsam in Vorschubrichtung VR relativ zu den zu verlötenden (zu fügenden) Bauteilen 1, 2.
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Die Seitenprozesszonen 22a, 22b liegen bezüglich der Vorschubrichtung VR vor der Hauptprozesszone 6 und weiterhin zu beiden Seiten der Hauptprozesszone 6. Die zugehörige Laserstrahlung 23a, 23b der Seitenprozesszonen 22a, 22b ist von hoher Leistungsdichte und verdampft das Beschichtungsmaterial 8 auf der Oberseite 4 der Bauteile 1, 2. Dadurch hinterlassen die Seitenprozesszonen 22a, 22b von Beschichtungsmaterial 8 befreite Spuren 24a, 24b auf der Oberseite 4 der Bauteile 1, 2; an den Spuren 24a, 24b liegt somit das Grundmaterial 12 an der Oberseite 4 frei. Diese Spuren 24a, 24b werden von der Lotschmelze 9 praktisch nicht benetzt, wodurch die Kanten 11 der Lötnaht 10 besonders scharf ausgebildet werden können. Der innere Abstand zwischen den Seitenprozesszonen 22a, 22b entspricht der Breite BH der Hauptprozesszone 6. Die Breite BS der Seitenprozesszonen beträgt hier jeweils 1/3 der Breite BH der Hauptprozesszonen, also BS=0,33*BH.
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Die Vorprozesszone 20 liegt bezüglich der Vorschubrichtung VR ebenfalls vor der Hauptprozesszone 6 (jedoch etwas näher an der Hauptprozesszone 6 als die Seitenprozesszonen 22a, 22b) und wird vom Stoß 3 mittig durchlaufen. Die Vorprozesszone 20 liegt auf der Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 unterhalb des kupferhaltigen Zusatzdrahts 5a, so dass die Vorprozesszone 20 nicht von oben her mit Laserstrahlung bestrahlt werden kann; die Laserstrahlung 21 der Vorprozesszone 20 wird daher von der Seite, hier von der Seite des ersten Bauteils 1 (von links in 2a) unter den Zusatzdraht 5a auf die Bauteiloberfläche an der Oberseite 4 gerichtet. In der Vorprozesszone 20 wird das Beschichtungsmaterial 8 lediglich aufgeschmolzen; das aufgeschmolzene Beschichtungsmaterial ist gepunktet dargestellt. Dadurch wird auch an einer vorderen Front 25 der Hauptprozesszone 6 Flussmittel (aufgeschmolzenes Beschichtungsmaterial) zur Verfügung gestellt, was den Lötprozess verbessert. Die Breite der Vorprozesszone entspricht hier der Breite BH der Hauptprozesszone 6, gemessen quer zur Vorschubrichtung VR.
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Die Wellenlänge λS der Laserstrahlung 23a, 23b der Seitenprozesszonen 22a, 22b ist hier zu 1030 nm gewählt und liegt somit im nahen Infrarot. Sie wird mit einem zweiten Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt, der eine bessere Strahlgüte aufweist als der erste Diodenlaser für die Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6. Zur Erzeugung der beiden Seitenprozesszonen 22a, 22b kann ein Ursprungslaserstrahl aufgeteilt werden, etwa mit einem Strahlteiler (nicht näher dargestellt).
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Die Wellenlänge λV der Laserstrahlung 21 der Vorprozesszone 20 ist hier ebenfalls zu 1030 nm gewählt und liegt somit auch im nahen Infrarot. Sie wird mit einem dritten Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt.
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Die Wellenlänge λH der Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 liegt wiederum im blauen Spektralbereich bei ca. 450 nm.
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Die 3 illustriert einen rechteckigen, hier quadratischen Fokus 30 der Laserstrahlung einer Hauptprozesszone 6, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Die quadratische Fokus 30 weist vier Kanten auf, die an vier Ecken leicht abgerundet zusammenlaufen. Der Krümmungsradius KR an den Ecken beträgt hier ca. das 0,2-fache der Länge LKK der kürzesten Kante des Fokus 30, wobei beim quadratischen Fokus 30 alle Kantenlängen gleich lang sind.
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Die 4 illustriert ebenfalls einen quadratischen Fokus 30 der Laserstrahlung einer Hauptprozesszone 6 für die Erfindung. Der Fokus 30 weist hier einen quadratischen Kernbereich 42 auf, der von einem Ringbereich 41 ringförmig umgeben ist. Die Leistungsdichte der Laserstrahlung weist im Ringbereich 41 einen ersten, näherungsweise konstanten Wert auf, und weist im Kernbereich 42 einen zweiten, näherungsweise konstanten Wert auf, wobei der erste Wert kleiner ist als der zweite Wert, typischerweise um einen Faktor von 2 oder mehr.
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Die 5 illustriert in schematischer Aufsicht eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens von Löten zweier Bauteile 1, 2. Es werden wiederum nur die Unterschiede zum Verfahren von 1a-1c erläutert.
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Die Hauptprozesszone 6 ist hier mit einem rechteckförmigen Fokus 50 ausgebildet, wobei die große Hauptachse 51 des Fokus 50 entlang des Stoßes 3 bzw. parallel zur Vorschubrichtung VR ausgerichtet ist. Die kleine Hauptachse 52 liegt quer zur Vorschubrichtung VR. Der rechteckige Fokus 50 weist hier ein Aspektverhältnis AV, also ein Verhältnis der Längen des Fokus 50 entlang der großen Hauptachse 51 und entlang der kleinen Hauptachse 52, von ca. AV=2 auf.
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Weiterhin sind die Bauteile 1, 2 hier nicht mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet. Stattdessen ist hier ein Flussmittel in das Zusatzmaterial 5 bzw. den Zusatzdraht 5b integriert, hier als Füllung 53 in einem Kern des Zusatzdrahtes 5b.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Bauteil
- 3
- Stoß
- 3a
- Senke
- 4
- Oberseite
- 5
- Zusatzmaterial
- 5a
- Zusatzdraht
- 5b
- Zusatzdraht (mit Füllung im Kern)
- 6
- Hauptprozesszone
- 7
- Laserstrahlung (Hauptprozesszone)
- 8
- Beschichtungsmaterial
- 9
- Lotschmelze
- 10
- Lötnaht
- 11
- Kante
- 12
- Grundmaterial
- 20
- Vorprozesszone
- 21
- Laserstrahlung (Vorprozesszone)
- 22a
- Seitenprozesszone
- 22b
- Seitenprozesszone
- 23a
- Laserstrahlung (Seitenprozesszone)
- 23b
- Laserstrahlung (Seitenprozesszone)
- 24a
- Spur
- 24b
- Spur
- 25
- Front
- 30
- quadratischer Fokus
- 41
- Ringbereich
- 42
- Kernbereich
- 50
- rechteckiger Fokus
- 51
- große Hauptachse
- 52
- kleine Hauptachse
- 53
- Füllung
- BH
- Breite der Hauptprozesszone
- BN
- Breite der Lötnaht
- BZ
- Breite des Zusatzmaterials/Zusatzdrahts
- KR
- Krümmungsradius (am Eck eines Fokus)
- LKK
- Länge kürzeste Kante
- VR
- Vorschubrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015112537 A1 [0003]
