DE102019217912A1

DE102019217912A1 - Process for laser beam soldering

Info

Publication number: DE102019217912A1
Application number: DE102019217912.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Wachsmuth; Wilfried Reimann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahllöten von zwei Bauteilen mit einer Beschichtung aus Zink-Aluminium-Magnesium. Dabei wird ein Laserstrahl mittels eines verfahrbaren Laserbearbeitungskopfs auf einen Lötbereich (5) im Bereich einer Kontaktfläche der beiden Bauteile gerichtet. Dabei wird das Verhältnis zwischen dem Durchmesser dspotdes Laserstrahls (3) im Lötbereich (5) und dem Durchmesser dZusatzdes Zusatzwerkstoffs größer als 2,5 eingestellt, um so durch den im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerten Bereich der Erwärmung eine Verbesserung der Anbindung eines Zusatzwerkstoffs (6) an die Bauteile (1, 2) und damit eine wesentlich verbesserte Verbindung zu erreichen. Zugleich wird der Zusatzwerkstoff (6) in den Lötbereich (5) mit einer Zuführgeschwindigkeit zugeführt, die mindestens dem 1,2-fachen der Geschwindigkeit des Lasers entspricht, um so ein ausreichendes Volumen des Zusatzwerkstoffs (6) sicherzustellen.The invention relates to a method for laser beam soldering of two components with a coating of zinc-aluminum-magnesium. A laser beam is directed by means of a movable laser processing head onto a soldering area (5) in the area of a contact surface between the two components. The ratio between the diameter dspot of the laser beam (3) in the soldering area (5) and the diameter dAddition of the filler material is set to be greater than 2.5 in order to improve the connection of a filler material ( 6) to the components (1, 2) and thus to achieve a significantly improved connection. At the same time, the filler material (6) is fed into the soldering area (5) at a feed speed that is at least 1.2 times the speed of the laser in order to ensure a sufficient volume of filler material (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahllöten von zumindest zwei beschichteten Bauteilen oder beschichteten Blechen miteinander mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden, auf einen Lötbereich gerichteten Laserstrahls, wobei der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der herzustellenden Lötnaht bewegt wird und ein Zusatzwerkstoff in den Lötbereich mit einer Zuführgeschwindigkeit zugeführt wird.The invention relates to a method for laser beam soldering of at least two coated components or coated sheets with one another by means of at least one laser beam which exposes the soldering area to thermal radiation and is directed onto a soldering area, the laser beam being moved at a feed rate along the soldering seam to be produced and a filler material into the soldering area is fed to a feed speed.

In der Automobilindustrie ist es Stand der Technik, im Karosseriebau, wie z. B. bei der Herstellung einer Dach-Seitenteil-Verbindung oder einer Heckklappe, als Außenhautbauteil-Bleche elektrolytisch und schmelztauchveredelte Stahlfeinbleche einzusetzen, die durch den Prozess des Laserstrahllötens mit auf einer Kupferlegierung basierendem Zusatzdraht mit makelloser optischer Nahtanmutung gefügt werden.In the automotive industry, it is state of the art, in body construction, such. B. in the production of a roof-side part connection or a tailgate, to use electrolytically and hot-dip coated steel sheets as outer skin component sheets, which are joined by the process of laser beam soldering with additional wire based on a copper alloy with a flawless optical seam appearance.

Das Laserstrahllöten ist ein Metall-Fügeverfahren, bei welchem ein Laserstrahl die Energie liefert, die zum Schmelzen eines verbrauchbaren Zusatzwerkstoffs erforderlich ist, der aus einem ausgewählten Lötmaterial besteht.Laser brazing is a metal joining process in which a laser beam supplies the energy required to melt a consumable filler material made from a selected brazing material.

In der Praxis befindet sich der Zusatzwerkstoff an einer Verbindungsnaht zwischen den beiden Metallwerkstücken, wobei ein Laserstrahl auf die Verbindungsnaht gerichtet wird, sodass ein Strahlpunkt des Laserstrahls in dem Lötbereich zumindest teilweise auf ein vorderes Ende eines Zusatzwerkstoffs trifft.In practice, the filler material is located at a connection seam between the two metal workpieces, a laser beam being directed onto the connection seam so that a beam point of the laser beam in the soldering area at least partially hits a front end of a filler material.

Der Zusatzwerkstoff absorbiert die Energie des Laserstrahls und schmilzt zu einem flüssigen Füllstoff, dessen Viskosität so niedrig ist, dass er in die Verbindungsnaht einfließen kann. Der Laserstrahl wird planmäßig entlang der Lötnaht vorgeschoben, während der Zusatzwerkstoff kontinuierlich in den Strahlpunkt des Laserstrahls eingeführt wird.The filler material absorbs the energy of the laser beam and melts into a liquid filler whose viscosity is so low that it can flow into the joint. The laser beam is systematically advanced along the solder seam, while the filler material is continuously introduced into the beam point of the laser beam.

Der geschmolzene Füllstoff, der im Zuge der Vorwärtsbewegung des Laserstrahls in die Verbindungsnaht eingebracht wird, erstarrt schließlich zu einer Lötverbindung, welche die Werkstücke miteinander verbindet. Der erstarrende, schmelzflüssige Füllstoff benetzt die gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke vor dem Verfestigen so, dass die Lötverbindung die Oberflächen der Werkstücke metallurgisch miteinander verbindet, ohne die beiden Metallwerkstücke selbst zu schmelzen.The molten filler, which is introduced into the connection seam in the course of the forward movement of the laser beam, finally solidifies to form a soldered connection which connects the workpieces to one another. The solidifying, molten filler wets the opposing surfaces of the workpieces before solidification in such a way that the soldered connection metallurgically connects the surfaces of the workpieces to one another without melting the two metal workpieces themselves.

Dabei ist die Benetzung beim Laserstrahllöten von verschiedenen Faktoren abhängig, wobei im Allgemeinen nur bei einem ideal glatten Festkörper mit homogener, konstanter Temperatur von einer guten Benetzung ausgegangen werden kann. Der Einfluss der Enthropie auf die Oberflächenspannung ist vernachlässigbar klein. Der Festkörper und die Flüssigkeit sind chemisch inert zueinander. Diese Punkte sind beim Laserstrahllöten in der Regel nicht erfüllt.The wetting during laser beam soldering is dependent on various factors, although good wetting can generally only be assumed in the case of an ideally smooth solid body with a homogeneous, constant temperature. The influence of enthropy on surface tension is negligibly small. The solid and the liquid are chemically inert to one another. These points are usually not met with laser brazing.

In bestimmten Situationen - insbesondere wenn es sich bei den Metallwerkstücken um Werkstücke aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung handelt - kann das Laserstrahllöten anfällig für Verbindungsabweichungen sein, welche die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung, das ästhetische Aussehen der Lötverbindung, vor allem an ihrer Oberseite, oder beides beeinträchtigen können.In certain situations - especially when the metal workpieces are workpieces made of steel or an aluminum alloy - laser beam soldering can be prone to connection deviations which affect the mechanical properties of the soldered joint, the aesthetic appearance of the soldered joint, especially on its upper side, or both can.

Ähnliche Probleme können beim Laserstrahllöten zweier Werkstücke aus Aluminiumlegierungen auftreten, da die Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Magnesium und Zink, häufig in den Aluminiumlegierungen enthalten sind. Diese niedrig siedenden Legierungsbestandteile können als Hochdruckdampf freigesetzt werden, wenn sie der mit dem Laserstrahllötprozess verbundenen Wärme ausgesetzt werden. Darüber hinaus ist ein unzureichender Kontakt zwischen dem geschmolzenen Füllstoff und den gegenüberliegenden Oberflächen der Metallwerkstücke sowohl bei Stahl- als auch bei Aluminiumwerkstücken ein Problem. Wenn der Kontakt zwischen dem geschmolzenen Füllstoff und den gegenüberliegenden Oberflächen der Metallwerkstücke entlang der Verbindungsnaht ungenügend ist, hat die entstehende Lötverbindung möglicherweise nicht die erwartete Festigkeit und kann die Verbindungsnaht nicht vollständig überbrücken, was ein ungünstiges Ergebnis ist.Similar problems can occur when laser brazing two workpieces made of aluminum alloys, since the alloy components, such as magnesium and zinc, are often contained in the aluminum alloys. These low-boiling alloy components can be released as high pressure steam when exposed to the heat associated with the laser beam soldering process. In addition, insufficient contact between the molten filler and the opposing surfaces of the metal workpieces is a problem with both steel and aluminum workpieces. If the contact between the molten filler and the opposing surfaces of the metal workpieces along the joint is insufficient, the resulting solder joint may not have the expected strength and cannot completely bridge the joint, which is an unfavorable result.

Es ist auch bereits bekannt, die Absorptionsrate beispielsweise durch geeignete Coatingmittel wie Grafit zu verbessern.It is also already known to improve the absorption rate, for example by using suitable coating agents such as graphite.

Darüber hinaus betrifft die DE 10 2016 014 970 A1 ein Verfahren zum Laserstrahllöten mindestens zweier Bauteile oder Bleche miteinander mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls. Ein Zusatzdraht verhältnismäßig großer Dicke wird mit einer gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls langsamen Drahtfördergeschwindigkeit im Bereich des Laserstrahl-Querschnitts zugeführt. Zugleich wird ein gegenüber dem Durchmesser des Zusatzdrahts verhältnismäßig kleiner Spotdurchmesser verwendet. Dadurch wird die durch Laserbeaufschlagung entstehende Wärme in Lot und Stahlblechen in der Nahtfuge konzentriert und das Lot fließt kontrolliert mittig in die Nahtfuge.It also affects the DE 10 2016 014 970 A1 a method for laser beam soldering of at least two components or sheets to one another by means of at least one laser beam exposing the soldering area to thermal radiation. An additional wire of relatively great thickness is fed in at a slower wire feed speed than the feed speed of the laser beam in the area of the laser beam cross section. At the same time, a spot diameter that is relatively smaller than the diameter of the additional wire is used. As a result, the heat generated by laser exposure is concentrated in the solder and steel sheets in the seam joint and the solder flows in a controlled manner into the middle of the seam joint.

Um gemäß der US 10,07,799 B2 einen Verbundkörper durch eine Schweißverbindung aus ungleichen Metallelementen, beispielsweise einerseits aus einer Aluminiumlegierung, andererseits aus einem unbeschichteten Stahlblech, herzustellen, wird ein Füllmaterial als Zusatzwerkstoff mit einem Laser bestrahlt. Nach einem Ausführungsbeispiel hat der Strahl einen Durchmesser von 1,8 oder 3,0 mm bei einem Drahtdurchmesser von 1,8 mm. Die Vorschubgeschwindigkeit wurde auf 1 bis 3 m/min und die Drahtvorschubgeschwindigkeit auf 4,0 bis 8,0 m/min eingestellt.In order to comply with the US 10,07,799 B2 a composite body by a welded connection made of dissimilar metal elements, for example made of an aluminum alloy on the one hand, and on the other an uncoated steel sheet, a filler material as a filler material is irradiated with a laser. According to one embodiment, the beam has a diameter of 1.8 or 3.0 mm with a wire diameter of 1.8 mm. The feed speed was set to 1 to 3 m / min and the wire feed speed to 4.0 to 8.0 m / min.

Als nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hat sich erwiesen, dass es in der Praxis oftmals im Bereich der Nahtwurzel zu einer unzureichenden Anbindung des Zusatzwerkstoffs an den Bauteilen oder Blechen kommt, wenn die Beschichtung Anteile von Zink, Aluminium und Magnesium enthält. Eine ausreichende Anbindungsdicke und dementsprechend eine prozesssichere Fertigung ist daher bei solchen Beschichtungen nicht sichergestellt.A disadvantage of the methods known from the prior art has proven that in practice there is often inadequate bonding of the filler material to the components or sheets in the area of the seam root if the coating contains zinc, aluminum and magnesium. A sufficient connection thickness and correspondingly reliable production is therefore not ensured with such coatings.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dadurch eine zuverlässige Anbindungsdicke an Bauteilen oder Blechen mit einer Beschichtung auf der Basis von Zink, Aluminium und Magnesium erreicht wird.Against this background, the invention is based on the object of implementing a method of the type mentioned at the outset in such a way that a reliable connection thickness to components or sheets with a coating based on zinc, aluminum and magnesium is achieved.

Diese Aufgabe wird mit einergemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with one according to the features of claim 1. The subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Laserstrahllöten vorgesehen, bei dem die Bauteile oder die Bleche eine Beschichtung eine ternären chemischen Verbindung von Zink-Aluminium-Magnesium (ZM) aufweisen und bei dem das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Laserstrahls im Lötbereich und dem Durchmesser des Zusatzwerkstoffs größer als 2 mit d_spot > 2 d_Zusatz insbesondere größer als 2,5 mit d_spot > 2,5 _dZusatz ist. Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Anbindung des Zusatzwerkstoffs an den beschichteten Bauteilen oder Blechen dann in einfacher Weise wesentlich verbessert werden kann, wenn der Durchmesser des Laserstrahls im Lötbereich, also die Fläche des Laserspots auf dem Bauteil oder Blech, mindestens doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Zusatzwerkstoffs. Dadurch wird die dem thermischen Energieeintrag des Lasers ausgesetzte Fläche vergrößert, wodurch es zu einem für die Anbindung besonders vorteilhaften Temperaturgradienten und Temperaturverlauf kommt. Ausgehend von einer Intensitätsverteilung des Laserstrahls im Bereich der Spotfläche auf der Oberfläche des Bauteils oder Blechs, deren Maximum im Zentrum liegt, wird so eine Erwärmung der Randbereiche mit bis zu einem zentralen Bereich stetig steigenden Temperaturkurve erreicht. Es können aber auch sogenannte Top Hat Strahlprofile mit einer homogenen Intensitätsverteilung eingesetzt werden. Dadurch kommt es beim Laserstrahllöten von beispielsweise zweiteiligen Karosseriebauteilen, wie insbesondere Heckklappen aus Stahlfeinblechen mit ternärer Zink-Aluminium-Magnesium Beschichtung, bei der Durchführung des Laserlötprozesses im Bereich der Nahtwurzel zu einer zuverlässigen, flächigen Anbindung des Lotwerkstoffs an dem beschichteten Bauteil bzw. Blech der Karosseriebauteils. Durch die Verwendung solcher ternären Beschichtungen aus Zink-Aluminium-Magnesium wird ein im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbesserter Korrosionsschutz erreicht.According to the invention, a method for laser beam soldering is provided in which the components or the sheets have a coating of a ternary chemical compound of zinc-aluminum-magnesium (ZM) and in which the ratio between the diameter of the laser beam in the soldering area and the diameter of the filler material is greater 2 with _spot d> 2 d _additional particular greater than 2.5 with d _spot> 2.5 _dZusatz. The invention is based on the surprising finding that the connection of the filler material to the coated components or sheets can be significantly improved in a simple manner if the diameter of the laser beam in the soldering area, i.e. the area of the laser spot on the component or sheet, is at least twice as high is as large as the diameter of the filler metal. As a result, the area exposed to the thermal energy input of the laser is enlarged, which results in a temperature gradient and temperature profile that is particularly advantageous for the connection. Starting from an intensity distribution of the laser beam in the area of the spot area on the surface of the component or sheet, the maximum of which is in the center, the edge areas are heated with a temperature curve that increases continuously up to a central area. So-called top hat beam profiles with a homogeneous intensity distribution can also be used. As a result, when laser soldering, for example, two-part body components, such as tailgates made of thin steel sheets with a ternary zinc-aluminum-magnesium coating, the laser soldering process in the area of the seam root results in a reliable, flat connection of the brazing material to the coated component or sheet metal of the body component . By using such ternary coatings made of zinc-aluminum-magnesium, a significantly improved corrosion protection is achieved compared to the prior art.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des eingesetzten Hauptlaserstrahls und dem Durchmesser des Zusatzwerkstoffs auf 2,5 eingestellt, sodass d_Spot= 2,5 _dZusatz. Dabei kann die Laserleistung gegenüber den üblichen Verfahren entsprechend erhöht werden, um so die in die Blechoberfläche eingekoppelte Laserintensität mit demselben Intensitätsmaximum zu ermöglichen.According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the ratio between the diameter of the main laser _{beam used and the diameter of the filler material is set to 2.5, so that d spot} = 2.5 _{d additive} . The laser power can be increased accordingly compared to the usual methods in order to enable the laser intensity coupled into the sheet metal surface with the same maximum intensity.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass der Zusatzwerkstoff aus Kupferlot, beispielsweise CuSi₂ oder CuSi₃, besteht, wobei der in der Praxis übliche Durchmesser ca.1,2 mm beträgt. Dementsprechend wird der Durchmesser des Hauptspots auf ca. 3 mm eingestellt. Durch das Vergrößern des Hauptspots wird der Laserstrahl auf eine größere Fläche der beiden Fügepartner gelenkt. Die Ausgangsleistung des Lasers wird dementsprechend erhöht, um eine ausreichende Leistungsdichte für den Lötprozess zu gewährleisten.Another particularly preferred embodiment of the method is also achieved in that the filler material consists of copper solder, for example CuSi ₂ or CuSi ₃ , the diameter customary in practice being approximately 1.2 mm. Accordingly, the diameter of the main spot is set to approx. 3 mm. By enlarging the main spot, the laser beam is directed onto a larger area of the two joining partners. The output power of the laser is increased accordingly in order to ensure a sufficient power density for the soldering process.

Eine weitere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs und der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls größer ist als 1,2, sodass V_Zusatz > 1,2v_L, insbesondere also die Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs mehr als 120 Prozent der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls beträgt. Durch die Vergrößerung des Laserspots und die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs bildet sich eine breitere Naht zwischen den Fügepartnern aus. Insbesondere wird so der Fügestelle eine größere Menge des Zusatzwerkstoffes zugeführt. Die Tiefe der Naht nimmt dabei nicht notwendigerweise in demselben Verhältnis zu, sondern kann auch im Verhältnis geringer ausfallen.Another particularly promising embodiment of the invention is also achieved in that the ratio between the feed rate of the filler material and the feed rate of the laser beam is greater than 1.2, so that V _additive > 1.2v _L , in particular the feed rate of the filler material more than 120 percent of the speed of the laser beam. By enlarging the laser spot and increasing the feed rate of the filler material, a wider seam is formed between the joining partners. In particular, a larger amount of the filler material is fed to the joint. The depth of the seam does not necessarily increase in the same proportion, but can also be proportionally smaller.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn ein Hauptlaserstrahl und zumindest ein weiterer Laserstrahl als Nebenstrahl auf die Oberfläche des Bauteils oder des Blechs gelenkt wird. Hierdurch wird durch den Nebenspot gezielt zumindest eine weitere Fläche einem thermischen Energieeintrag ausgesetzt, wodurch sich aufgrund der entsprechenden Erwärmung eine verbesserte Anbindung des Zusatzwerkstoffs an den Bauteilen oder Blechen ergibt, die variabel an die Geometrie und Anforderungen an die Verbindung entlang der herzustellenden Lötnaht angepasst werden kann.It is also particularly advantageous if a main laser beam and at least one further laser beam are directed as a secondary beam onto the surface of the component or the sheet metal. This is through the side spot is exposed to at least one additional area of thermal energy input, which results in an improved connection of the filler material to the components or sheets due to the corresponding heating, which can be variably adapted to the geometry and requirements of the connection along the soldered seam to be produced.

Obwohl es zweckmäßig sein kann, wenn zumindest ein Nebenstrahl relativ zu dem Hauptlaserstrahl auf unterschiedliche Flächenbereiche, jedoch bedarfsweise auch auf überschneidende oder auch konzentrische Flächenbereiche auf der Oberfläche des Bauteils oder Blechs abgelenkt werden kann, hat es sich bereits als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fläche des Hauptlaserstrahls im Lötbereich und die Fläche des Nebenstrahls einander nicht überschneiden, insbesondere also keine Schnittfläche aufweisen. Der Nebenstrahl kann auch dem Hauptlaserstrahl in Vorschubrichtung voraus mit einem festen oder in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit oder anderen Bearbeitungsparameter variablen Abstand auf die Blech- oder Bauteiloberfläche abgelenkt werden.Although it can be useful if at least one secondary beam can be deflected relative to the main laser beam onto different surface areas, but if necessary also onto overlapping or concentric surface areas on the surface of the component or sheet metal, it has already proven to be advantageous if the surface of the The main laser beam in the soldering area and the surface of the secondary beam do not overlap, in particular do not have a cut surface. The secondary beam can also be deflected onto the sheet metal or component surface ahead of the main laser beam in the feed direction with a fixed distance or a distance that is variable depending on the feed rate or other processing parameters.

Besonders praxisgerecht ist es dabei auch, wenn ein multifokales, insbesondere trifokales, Laserstrahllötverfahren eingesetzt wird. Durch den Einsatz der Nebenstrahlen des multifokalen Lötprozesses kann die Anmutung der Lötnaht positiv beeinflusst werden, weshalb der Einsatz der multifokalen Laserlötprozesse empfohlen wird.It is also particularly practical if a multifocal, in particular trifocal, laser beam soldering process is used. By using the secondary beams of the multifocal soldering process, the appearance of the soldered seam can be positively influenced, which is why the use of multifocal laser soldering processes is recommended.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Laserstrahllöten von zwei Bauteilen;
2 eine Darstellung des Verbindungsbereichs der Bauteile während des Laserstrahllötens in einer Draufsicht.

The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and is described below. This shows in

1 a device for performing the method for laser beam soldering of two components;
2 a representation of the connection area of the components during the laser beam soldering in a plan view.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserstrahllöten von zwei beschichteten Bauteilen 1, 2 mit einer nicht dargestellten Beschichtung aus Zink-Aluminium-Magnesium wird nachstehend anhand der 1 und 2 verdeutlicht. Hierzu wird ein Laserstrahl 3 mittels eines verfahrbaren Laserbearbeitungskopfs 4 auf einen Lötbereich 5 im Bereich einer Kontaktfläche der beiden Bauteile 1, 2 gerichtet. Dabei wird das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d_spot des Laserstrahls 3 im Lötbereich 5 und dem Durchmesser d_Zusatz des Zusatzwerkstoffs größer als 2,5 eingestellt, um so durch den im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerten Bereich der Erwärmung eine Verbesserung der Anbindung eines Zusatzwerkstoffs 6 auf Kupferbasis, beispielsweise aus CuSi₂ oder CuSi₃, an die Bauteile 1, 2 und damit eine wesentlich verbesserte Verbindung zu erreichen. Hierzu wird der Zusatzwerkstoff 6 in den Lötbereich 5 mit einer Zuführgeschwindigkeit V_Zusatz zugeführt, die etwa dem 1,2-fachen der Geschwindigkeit des Lasers V_L entspricht, um so ein ausreichendes Füllvolumen des Zusatzwerkstoffs 6 sicherzustellen. Dabei werden neben dem als Hauptlaserstrahl dienenden Laserstrahl 3 auch zwei lediglich andeutungsweise dargestellte weitere Laserstrahlen 7 als zu dem Hauptspot beabstandete Nebenspots auf die Oberfläche der Bauteile 1, 2 gelenkt. Das multifokale Laserlöten kann auf verschiedenen Wegen realisiert werden. Einerseits können optische Elemente in den Strahlengang in die Optik eingesetzt werden, andererseits kann eine Prozessfaser mit drei einzelnen Kernen eingesetzt werden. Durch den Einsatz der Nebenspots des multifokalen Laserbearbeitungskopfs 4 können die Eigenschaften der Lötnaht wesentlich verbessert und eine optimale Verbindung zwischen dem Zusatzwerkstoff 6 und den beschichteten Bauteilen 1, 2 erreicht werden.The inventive method for laser beam soldering of two coated components 1 , 2 with a coating (not shown) of zinc-aluminum-magnesium is explained below with reference to the 1 and 2 made clear. This is done using a laser beam 3 by means of a movable laser processing head 4th on a soldering area 5 in the area of a contact surface between the two components 1 , 2 directed. This is the ratio between the diameter d _spot of the laser beam 3 in the soldering area 5 and the diameter d _addition of the filler material is set to be greater than 2.5, in order to improve the connection of a filler material due to the increased area of the heating compared to the prior art 6th on a copper basis, for example made of CuSi ₂ or CuSi ₃ , to the components 1 , 2 and thus to achieve a significantly improved connection. For this purpose, the filler material 6th in the soldering area 5 at a feed rate V _addition fed, which is about 1.2 times the speed of the laser V _L corresponds to a sufficient fill volume of the filler metal 6th to ensure. In addition to the laser beam serving as the main laser beam 3 also two further laser beams, which are merely indicated 7th as secondary spots spaced apart from the main spot on the surface of the components 1 , 2 steered. The multifocal laser soldering can be realized in different ways. On the one hand, optical elements can be used in the beam path in the optics, on the other hand, a process fiber with three individual cores can be used. By using the secondary spots of the multifocal laser processing head 4th the properties of the solder seam can be significantly improved and an optimal connection between the filler material 6th and the coated components 1 , 2 can be achieved.

Der wesentliche Erfindungsgedanke ist dabei der verhältnismäßig große Spotdurchmesser des Hauptlaserstrahls (d_spot>=2_dzusatz), in Verbindung mit einer vergleichsweise hohen Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs (V_Zusatz > v_L). Durch diese Modifikation des Laserlötprozesses wird eine größere Fläche der mit Zink-Aluminium-Magnesium beschichteten Fügepartner der Laserstrahlung ausgesetzt und somit erwärmt. Die Wärme ermöglicht das Benetzen der Fügepartner mit dem Zusatzwerkstoff 6, sodass eine Anbindungsdicke mit vorbestimmten Eigenschaften und eine optimale Verbindung zwischen dem Zusatzwerkstoff 6 und den beschichteten Bauteilen 1, 2 erreicht wird.The main idea of the invention is the relatively large spot diameter of the main laser beam (d _spot > = 2 _{d additional} ), in connection with a comparatively high feed rate of the additional material (V _additional > v _L ). This modification of the laser soldering process exposes a larger area of the zinc-aluminum-magnesium-coated joining partners to the laser radiation and thus heats them up. The heat enables the joining partners to be wetted with the filler metal 6th , so that a connection thickness with predetermined properties and an optimal connection between the filler material 6th and the coated components 1 , 2 is achieved.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BauteilComponent
22: BauteilComponent
33: Laserstrahllaser beam
44th: LaserbearbeitungskopfLaser processing head
55: Lötbereich Soldering area
66th: ZusatzwerkstoffFiller material
77th: Laserstrahl laser beam
dspotdspot: Durchmesser des LaserstrahlsDiameter of the laser beam
dZusatzdAdd: Durchmesser des ZusatzwerkstoffsDiameter of the filler metal
vZusatzvAddition: Zuführgeschwindigkeit des ZusatzwerkstoffsFeed rate of the filler metal
vLvL: Geschwindigkeit des LasersSpeed of the laser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016014970 A1 [0011]
US 1007799 B2 [0012]

Claims

Method for laser beam soldering of at least two coated components (1, 2) or coated metal sheets with one another by means of at least one laser beam (3) directed onto a soldering area (5), the laser beam (3) _{moving at a feed rate (v L} ) along the soldering seam to be produced and a filler material (6) is fed into the soldering area (5) at a feed speed (v _additive ), characterized in that the components (1, 2) or the sheets have a coating with a chemical compound of zinc-aluminum-magnesium and that the ratio between the diameter (d _spot ) of the laser beam (3) in the soldering area (5) and the diameter (d _additive ) of the filler material (6) is set greater than 2.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the ratio between the diameter (d _spot ) of the laser beam (6) in the soldering area (5) and the diameter (d _addition ) of the filler material (6) is set greater than 2.5.

Procedure according to the Claims 1 or 2 , characterized in that the filler material (6) _{contains copper, in particular CuSi 3} , as an essential material component.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ratio between the feed rate (v _addition ) of the filler material (6) and the feed rate (V _L ) of the laser beam (3) is greater than 1.2.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a laser beam (3) as the main laser beam and at least one further laser beam (7) as a secondary beam is directed onto the surface of the component (1, 2) or the sheet metal.

Procedure according to Claim 5 , characterized in that the surface of the laser beam (3) as the main laser beam in the soldering area (5) and the surface of the laser beam (7) as the secondary beam are spaced apart from one another.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a multifocal, in particular trifocal, laser beam soldering process is used.

Procedure according to Claim 6 or 7th , characterized in that the laser beam (3) serving as the main laser beam and the laser beam (7) serving as the secondary beam are set independently of one another.