DE102020119307A1 - Process for joining at least two joining partners - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (3), wobei die mindestens zwei Fügepartner (3) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Fügelasers (1) miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner (3) im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Fügelasers (1) ist, wobei vor dem Fügen und/oder nach dem Fügen eine Materialmodifikation (20) in mindestens einen der Fügepartner (3) eingebracht wird.The present invention relates to a method for joining at least two joining partners (3), the at least two joining partners (3) being joined to one another by means of ultra-short laser pulses from a joining laser (1), with at least one joining partner (3) being essentially transparent to the ultra-short laser pulses of the Joining laser (1), a material modification (20) being introduced into at least one of the joining partners (3) before and/or after joining.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Fügelasers miteinander gefügt werden.The present invention relates to a method for joining at least two joining partners, the at least two joining partners being joined to one another by means of ultra-short laser pulses from a joining laser.
Stand der TechnikState of the art
Zum Fügen zweier Fügepartner miteinander ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet.To join two parts to be joined, it is known to apply a laser beam to the respective parts to be joined in order to generate a melt through energy absorption in the zone exposed to the laser beam, which melt forms a weld seam between the parts to be joined after the melt has solidified.
Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparente Fügepartner den Fokus oder die Fokuszone des Laserstrahls in die Grenzfläche oder in einen Bereich um die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner herum zu legen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch einen der transparenten Fügepartner hindurch und erzeugt eine Schmelze im Bereich der Grenzfläche der beiden Fügepartner.It is known to place the focus or focal zone of the laser beam in the boundary surface or in an area around the common boundary surface of the two joining partners for joining a transparent joining partner with a non-transparent joining partner or for welding two transparent joining partners. The processing laser beam passes through one of the transparent joining partners and generates a melt in the area of the interface between the two joining partners.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs -50 ps), in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, so führt die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen. In Abhängigkeit von den Laserparametern lassen sich so verschiedene Materialmodifikationen am Glas vornehmen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Glas im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Glases erhöht werden und schließlich das Glas lokal aufschmelzen.If you focus ultra-short laser pulses, i.e. laser pulses in the picosecond range or in the femtosecond range (e.g. 50 fs -50 ps), in the volume of glass, e.g. quartz glass, the high intensity in the focus leads to non-linear absorption processes. Depending on the laser parameters, various material modifications can be made to the glass. If the time between the successive ultra-short laser pulses is shorter than the heat diffusion time, this leads to heat accumulation or a temperature increase in the glass in the focus area. With each of the successive pulses, the temperature can then be increased to the melting temperature of the glass and finally the glass can be locally melted.
Beim Fügen von Fügepartnern kommt es aufgrund des starken lokalen Energieeintrags durch den fokussierten Fügestrahl zu hohen Temperaturen, welche in den umliegenden Materialbereichen nicht vorliegen. Entsprechend führt die für die Bearbeitung - beispielsweise für die Herstellung einer Schweißnaht - notwendige Wärme zu Zug- und Druckspannungen in den umgebenden Materialbereichen. Diese Zug- und Druckspannungen können je nach Glastyp beispielsweise radial und/oder orthoradial verteilt sein.When joining partners, high temperatures occur due to the strong local energy input from the focused joining beam, which are not present in the surrounding material areas. Accordingly, the heat required for processing - for example for the production of a weld seam - leads to tensile and compressive stresses in the surrounding material areas. Depending on the type of glass, these tensile and compressive stresses can be distributed radially and/or orthoradially, for example.
Diese Zug- und Druckspannungen können weiterhin die gefügten Fügepartner beispielsweise bei einer Biegebelastung schwächen. Der Grund hierfür liegt in den durch den Fügestrahl und das Aufschmelzen induzierten veränderten Materialeigenschaften im Fügepartner. So kann die Schweißnaht beispielsweise aufgrund der hohen Abkühlrate beim Fügeprozess eine veränderte Dichte gegenüber dem Ausgangsmaterial aufweisen. Es kann abhängig vom gewählten Glastyp zu einer Verdichtung bei anormalen Gläsern und einer Verdünnung bei normalen Gläsern kommen. Diese Dichteänderung erzeugt eine lokale Materialschwächung, die in Abhängigkeit von der anliegenden Belastungsart die resultierende Verbindungsfestigkeit gegenüber dem Volumenmaterial reduzieren kann.These tensile and compressive stresses can also weaken the joint partners that are joined, for example when subjected to a bending load. The reason for this lies in the changed material properties in the joining partner induced by the joining jet and the melting. For example, due to the high cooling rate during the joining process, the weld seam can have a different density compared to the starting material. Depending on the type of glass selected, there may be a compression in the case of abnormal glasses and a thinning in the case of normal glasses. This change in density creates a local weakening of the material, which, depending on the type of load applied, can reduce the resulting connection strength compared to the volume material.
In
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist somit Aufgabe der Erfindung das Verfahren zum Fügen von Fügepartnern zu verbessern.It is therefore the object of the invention to improve the method for joining joining partners.
Die oben gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The above task is solved by a method for joining at least two joining partners with the features of
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Fügelasers miteinander gefügt werden, vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Fügelasers ist. Erfindungsgemäß wird vor dem Fügen und/oder nach dem Fügen mindestens eine Materialmodifikation in mindestens einen der Fügepartner eingebracht.Accordingly, a method for joining at least two joining partners is proposed, wherein the at least two joining partners are joined together using ultra-short laser pulses of a joining laser, wherein at least one of the joining partners is essentially transparent to the ultra-short laser pulses of the joining laser. According to the invention, at least one material modification is introduced into at least one of the joining partners before and/or after joining.
Dies hat den Vorteil, dass einer Schwächung des Materials des Fügepartners durch den Fügeprozess durch die gezielte Vor- und/ oder Nachbehandlung vorgebeugt werden kann, bzw. die Materialschwächung durch den Fügeprozess verringert bzw. ausgeheilt oder kompensiert werden kann.This has the advantage that a weakening of the material of the joining partner as a result of the joining process can be prevented by the targeted pre- and/or post-treatment, or the weakening of the material can be reduced or healed or compensated for by the joining process.
Das Einbringen der Materialmodifikation vor und/oder nach dem Fügen kann Spannungen in den Fügepartnern, die von der Fügemodifikation (also der Schweißnaht) ausgehen, reduzieren und damit die Festigkeit sowohl des resultierenden gefügten Verbandes als auch der einzelnen Fügepartner verbessern. Das Verfahren ermöglicht es so, die mechanische Festigkeit von ultrakurzpuls-gefügten Fügepartnern so zu erhöhen, dass diese widerstandsfähiger gegenüber Biegungen und Zugbelastungen werden. Weiterhin wird auch die optische Qualität der Fügepartner und der Fügemodifikation verbessert, wenn dies beispielsweise beim Fügen von Gläsern von Belang sein sollte.The introduction of the material modification before and/or after the joining can reduce stresses in the joining partners, which emanate from the joining modification (i.e. the weld seam), and thus improve the strength of both the resulting joined association and the individual joining partners mend The process thus makes it possible to increase the mechanical strength of ultra-short-pulse joined joining partners so that they become more resistant to bending and tensile loads. Furthermore, the optical quality of the joining partners and the joining modification is also improved, if this should be of importance when joining glasses, for example.
Der Fügelaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich auf einer durch eine Optik des Fügelasers bestimmten Trajektorie, die im Wesentlichen der vorgegebenen Trajektorie der herzustellenden Fügeverbindung entspricht. Ein ultrakurzer Laserpuls des Fügelasers wird auch Fügepuls genannt.The joining laser provides the ultra-short laser pulses, i.e. laser pulses in the picosecond or femtosecond range. The ultra-short laser pulses move on a trajectory determined by the optics of the joining laser, which essentially corresponds to the specified trajectory of the joint to be produced. An ultra-short laser pulse from the joining laser is also called a joining pulse.
Der Laser kann auch Pulszüge, sogenannte Bursts, aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Bursts vorgesehen sein, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse beispielsweise bis zu 1000 GHz groß ist.The laser can also provide pulse trains, so-called bursts, made up of ultra-short laser pulses, with each burst comprising the emission of several laser pulses. In particular, so-called GHz bursts can also be provided, with the repetition rate of the individual laser pulses being up to 1000 GHz, for example.
Die Transparenz des mindestens einen Fügepartners hat den Vorteil, dass der Fügelaser durch den transparenten Fügepartner hindurch fokussiert werden kann, sodass der Fügebereich an der Grenzfläche beider Fügepartner lokalisiert werden kann.The transparency of the at least one joining partner has the advantage that the joining laser can be focused through the transparent joining partner, so that the joining area can be localized at the interface of both joining partners.
Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite aus Aluminium. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.The first joining partner can be transparent, for example, and the second joining partner can be opaque. For example, the first joining partner can consist of quartz glass and the second can consist of aluminum. However, both joining partners can also be transparent.
Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Fügestrahls größer ist als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion. Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners von Fügepuls zu Fügepuls kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials des Fügepartners erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials des ersten Fügepartners führt, in welchem der Fügestrahl eintritt. Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügemodifikation wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Schweißnaht ergibt.Heat is accumulated in the joining area as a result of successive absorption of the ultra-short laser pulses, provided that the pulse rate of the joining beam is greater than the rate of heat transport through material-specific heat transport mechanisms, in particular through heat diffusion. Due to the increasing temperature in the material of at least the first joining partner from joining pulse to joining pulse, the melting temperature of the material of the joining partner can finally be reached, which leads to local melting of the material of the first joining partner into which the joining beam enters. The joining area is therefore understood to be that area of the joining partner in which the ultra-short laser pulses are introduced and in which the material is melted. Alternatively, the entirety of the locally melted material in the joining area can also be referred to as a melt bubble. Irrespective of the name, the resulting melt can bridge the common interface of the joining partners and permanently connect the joining partners to one another when cooling down. In particular, the network structure of the joining partners can also change. The cooled melt, which connects the joint partners to one another or produces the weld seam, is then referred to as a joint modification.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können beispielsweise zwischen 2 und 10 ultrakurze Laserpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Mehrzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts werden für die vorgesehene Materialbearbeitung räumlich betrachtet jeweils in einem Laserspot in das Material eingebracht, also in der räumlichen Ausdehnung des jeweiligen Fokusbereichs des Lasers im Material. Bei einem Gauß-förmigen Laserstrahl ist der Laserspot beispielsweise über die doppelte Strahltallie definiert.In order to melt the material in the joining area, for example between 2 and 10 ultra-short laser pulses and/or bursts can be introduced into the material and successively absorbed. From a spatial perspective, this plurality of ultra-short laser pulses and/or bursts are introduced into the material in a laser spot for the intended material processing, i.e. in the spatial extent of the respective focus area of the laser in the material. In the case of a Gaussian laser beam, the laser spot is defined, for example, via the double beam waist.
Die Anzahl der an einem einzigen Ort eingebrachten Laserpulse wird als Pulsüberlapp bezeichnet. Der Pulsüberlapp kann als Maß der Wärmeakkumulation angesehen werden.The number of laser pulses introduced at a single location is referred to as the pulse overlap. Pulse overlap can be viewed as a measure of heat accumulation.
Findet beispielsweise kein Vorschub statt und werden alle Laserpulse am gleichen Ort des Materials eingetragen, so ist der Pulsüberlapp maximal. Findet hingegen ein Vorschub zwischen Material und Laserspot statt, kann der Pulsüberlapp je nach Verhältnis aus Pulsfrequenz (Repetitionsrate) und Vorschubgeschwindigkeit absinken. Ist die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch, findet keine Überlappung der Laserspots im Material mehr statt und die Laserspots liegen nebeneinander.For example, if there is no feed and all laser pulses are entered at the same location in the material, the pulse overlap is at a maximum. If, on the other hand, there is a feed between the material and the laser spot, the pulse overlap can decrease depending on the ratio of pulse frequency (repetition rate) and feed speed. If the feed rate is too high, the laser spots no longer overlap in the material and the laser spots lie side by side.
Die Anzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts pro Ort im Material ist gegeben durch das Produkt aus Laserspotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG. Der Pulsüberlapp wird also beispielsweise gegeben durch SG * P / VG.The number of ultra-short laser pulses and/or bursts per location in the material is given by the product of the laser spot size SG and the repetition rate P per feed rate VG. The pulse overlap is given by SG * P / VG, for example.
Der Pulsüberlapp beschreibt hierbei, über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden. Die mittlere Laserleistung kann hierbei zwischen 0,5 W und 50 W liegen, wobei die mittlere Leistung definiert ist als das Produkt aus Pulsenergie der Einzelpulse, ggf. der Anzahl der Pulse im Burst, sowie der Repetitionsrate der Pulse bzw. der Bursts. Somit wird genügend Laserleistung zur Verfügung gestellt, um das Material aufzuschmelzen.The pulse overlap describes the spatial range over which the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material. The average laser power can be between 0.5 W and 50 W, the average power being defined as the product of the pulse energy of the individual pulses, possibly the number of pulses in the burst, and the repetition rate of the pulses or bursts. This provides enough laser power to melt the material.
Die Größe des Fügebereichs ist dabei, neben dem Grad der Wärmeakkumulation und weiteren Parametern, noch zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere den Fokusdurchmesser des Fügestrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls.In addition to the degree of heat accumulation and other parameters, the size of the joining area is also determined by the beam geometry, in particular the focus diameter of the Joining beam, determined. The beam geometry describes the spatial configuration of the laser beam and other beam properties such as certain diffraction properties of the laser beam.
Ein Fügestrahl kann beispielsweise ein Gauß‘scher Laserstrahl sein. Ein Gauß‘scher Laserstrahl zeichnet sich dadurch aus, dass das Strahlprofil, also der Querschnitt durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, im Wesentlichen einer Gauß‘schen Glockenkurve entspricht.A joining beam can be a Gaussian laser beam, for example. A Gaussian laser beam is characterized by the fact that the beam profile, i.e. the cross section through the intensity distribution of the laser beam perpendicular to the direction of propagation of the laser beam, essentially corresponds to a Gaussian bell curve.
Die Fokuszone dGF 0 eines Gauß‘schen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gauß‘schen Strahls oder des Gaußprofils, ist einerseits festgelegt über die zweiten Momente beziehungsweise die Varianz der Gaußkurve. Andererseits ist die Fokuszone dGF 0 festgelegt durch die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge zR=π(dGF 0)2/4λ, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat.The focus zone d GF 0 of a Gaussian beam, the Gaussian focus, or the diameter of the Gaussian beam or the Gaussian profile, is defined on the one hand by the second moments or the variance of the Gaussian curve. On the other hand, the focal zone d GF 0 is defined by the associated characteristic length, the Rayleigh length z R =π(d GF 0 ) 2 /4λ, as the distance from the focal position at which the beam cross section has increased by a factor of 2.
Ein Fügestrahl kann aber auch ein quasi nicht-beugender Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung:
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.This approach provides different solution classes in different coordinate systems, such as Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.Experimentally, a large number of non-diffracting beams can be realized to a good approximation, i.e. quasi non-diffracting beams. In contrast to the theoretical construct, these lead only to a finite performance. The length L of the propagation invariance of these quasi non-diffracting rays is also finite.
Fernerhin definieren wir als transversale Fokuszone beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen dND 0 die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima.Furthermore, we define the transverse dimensions of local intensity maxima as the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima as the transverse focal zone or as the diameter of the beam profile for quasi-non-diffracting rays d ND 0 .
Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung.The longitudinal extent of the focal zone in the direction of beam propagation of these intensity maxima, which are almost propagation-invariant, indicates the characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. This is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction, i.e. in the direction of propagation.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für dND 0≈DGF 0, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise wenn L>10zR.A quasi-non-diffracting ray is present if and only if for d ND 0 ≈D GF 0 , i.e. similar transverse dimensions, the characteristic length L clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, for example if L>10z R .
Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Besselstrahlen oder Besselähnliche Strahlen, hier auch Besselstrahlen genannt, bekannt. Hierbei gehorcht die transversale Feldverteilung Ut(x,y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist.Quasi-Bessel rays or Bessel-like rays, also called Bessel rays here, are known as a subset of the quasi-non-diffracting rays. Here, the transversal field distribution Ut(x,y) in the vicinity of the optical axis obeys a Bessel function of the first kind of order n to a good approximation production are widespread. Thus, the illumination of an axicon in a refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam allows the formation of the Bessel-Gaussian beam. The associated transverse field distribution in the vicinity of the optical axis obeys a good approximation to a Bessel function of the first kind of order 0, which is enveloped by a Gaussian distribution.
Dadurch kann eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Fügen erreicht werden. Somit wird beispielsweise der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Entsprechend kann es von Vorteil sein einen quasi nicht-beugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zum Fügen zu verwenden, da hiermit unter anderem größere Spalte überbrückt werden können und damit die Fokuslagentoleranz größer wird. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden - beispielsweise auch dann, wenn die zu fügenden Werkstücke in dem Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht perfekt plan aufeinander aufliegen und entsprechend ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt.As a result, a significantly larger focus position tolerance can be achieved when joining. Thus, for example, the influence of local ripples in the glass and the focus adjustment is reduced. Accordingly, it can be advantageous to use a quasi-non-diffracting beam, in particular a Bessel beam, for joining, since larger gaps can be bridged with this, among other things, and the focal position tolerance thus becomes larger. The proposed method can thus be used in a further area of application - for example even when the workpieces to be joined are not perfectly flat on one another in the area of the desired weld seam and there is a corresponding gap between the workpieces.
Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zum Fügen verwendet werden können, weisen beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von dND 0=2,5 µm auf. Ein Gaußfokus mit dND 0≈dGF 0=2,5 µm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich zR≈5µm bei λ=1µm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L>>10zR gelten.Typical Bessel-Gauss beams that can be used for joining have, for example, a diameter of the central intensity maximum on the optical axis of d ND 0 =2.5 μm. A Gaussian focus with d ND 0 ≈d GF 0 =2.5 µm, on the other hand, is characterized by a focus length in air of only z R ≈5 µm at λ=1 µm. In these cases, which are relevant for material processing, even L>>10z R can apply.
Um den Fügebereich herum erwärmt sich der Fügepartner auch teilweise durch die Absorption des Fügestrahls und den anschließenden Wärmetransport in Abhängigkeit von der Wärmediffusionszeit, dem Laserabsorptionsvermögen des Glases und der Fügepulsrate. Durch die großen Temperaturgradienten, welche um den Fügebereich herum auftreten, kann es beim Abkühlen zu Materialspannungen kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Insbesondere können um den Fügebereich sowohl Zug- als auch Druckspannungen entstehen. Diese Spannungen können beispielsweise radial und/oder ortho-radial verteilt sein.Around the area to be joined, the part to be joined also partially heats up due to the absorption of the joining beam and the subsequent heat transport, depending on the heat diffusion time, the laser absorptivity of the glass and the joining pulse rate. Due to the large temperature gradients that occur around the joint area, material stresses can occur during cooling, which promote crack formation. In particular, both tensile and compressive stresses can arise around the joining area. These stresses can be distributed radially and/or ortho-radially, for example.
Als Fügemodifikationsbereich wird der Bereich verstanden, in dem im abgekühlten Zustand Materialspannungen vorliegen, die ursächlich vom Fügeprozess stammen. Der Fügemodifikationsbereich umfasst dabei beispielsweise den gesamten Bereich, in dem die Auswirkungen des Fügens anhand der Zug- als auch Druckspannungen messbar sind. Dies kann der Bereich sein, in dem das Material räumlich gesehen von der Fügemodifikation in der Umgebung wieder in seinen Ausgangszustand übergeht.The joint modification area is understood to be the area in which there are material stresses in the cooled state that originate from the joining process. The joint modification area includes, for example, the entire area in which the effects of the joining can be measured using the tensile and compressive stresses. This can be the area in which the material, viewed spatially, returns to its original state from the joint modification in the area.
Um eine Rissbildung bei einer mechanischen Belastung zu verhindern, wird vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen eine Materialmodifikation in mindestens einen Fügepartner eingebracht, um die entstehenden Zug- und Druckspannungen in dem Fügebereich abzubauen oder aus diesem abzuleiten oder um die Spannung umzuleiten und so lokale Spannungsspitzen zu vermeiden.In order to prevent crack formation under mechanical stress, a material modification is introduced into at least one joining partner before and/or after the actual joining in order to reduce the tensile and compressive stresses in the joining area or derive them from them or to redirect the stress and thus local to avoid voltage peaks.
Von der eigentlichen Fügemodifikation, also der zwischen und in den Fügepartnern eingebrachten Schweißnaht, ist die Materialmodifikation, welche vor und/oder nach dem Einbringen der eigentlichen Fügemodifikation eingebracht wird, zu unterscheiden.The material modification that is introduced before and/or after the introduction of the actual joining modification must be distinguished from the actual joining modification, i.e. the weld seam introduced between and in the joining partners.
Eine Materialmodifikation ist im Allgemeinen eine im thermischen Gleichgewicht permanente, strukturelle Veränderung des Fügepartners.A material modification is generally a permanent, structural change in the joining partner in thermal equilibrium.
Dabei kann durch das Einbringen der Materialmodifikation beispielsweise die Netzwerkstruktur eines Glases modifiziert werden und beispielsweise eine niedrigere fiktive Temperatur des Glases erreicht werden. Es kann auch der Brechungsindex und/oder die Dichte gegenüber dem Ausgangsmaterial modifiziert werden.By introducing the material modification, for example, the network structure of a glass can be modified and, for example, a lower fictitious temperature of the glass can be achieved. The refractive index and/or the density can also be modified compared to the starting material.
Mittels des Einbringens der Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen in mindestens einen der Fügepartner kann hierbei eine Modifikation der Struktur, insbesondere der kristallinen Struktur und/oder der amorphen Struktur und/oder der Netzwerkstruktur des Glases und/oder der chemischen Struktur und/oder der mechanischen Struktur, des Materials des Fügepartners erreicht werden.By introducing the material modification before and/or after the actual joining in at least one of the joining partners, a modification of the structure, in particular the crystalline structure and/or the amorphous structure and/or the network structure of the glass and/or the chemical structure and/or or the mechanical structure, the material of the joining partner.
Mittels des Einbringens der Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann auch eine Veränderung der Zusammensetzung, insbesondere der chemischen Zusammensetzung, des Fügepartners erreicht werden. Eine Materialmodifikation kann aber auch die Veränderung einer physikalischen Eigenschaft, beispielsweise der Festigkeit und/oder der Biegefestigkeit und/oder die Toleranz des Materials gegenüber Biegekräften und Scherkräften sowie Schub und Zugspannungen, sein.By introducing the material modification before and/or after the actual joining, a change in the composition, in particular the chemical composition, of the joining partner can also be achieved. However, a material modification can also be a change in a physical property, for example the strength and/or the flexural strength and/or the tolerance of the material to bending forces and shearing forces as well as shear and tensile stresses.
Eine Materialmodifikation kann insbesondere eine lokale Dichteänderung sein, die auch abhängig vom gewählten Material des Fügepartners, insbesondere dessen Glastyp, sein kann. Insbesondere kann eine lokale Dichteänderung im Zusammenhang mit einer Änderung der Netzwerkstruktur aufgrund schneller Materialabkühlung erfolgen.A material modification can in particular be a local change in density, which can also be dependent on the selected material of the joining partner, in particular its type of glass. In particular, a local change in density can occur in connection with a change in the network structure due to rapid material cooling.
Die vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen in den mindestens einen Fügepartner eingebrachte Materialmodifikation kann bevorzugt lokal so eingebracht sein, dass Spannungen im Fügepartner auf den Bereich um die Materialmodifikation konzentriert werden. Insbesondere kann die Materialmodifikation Spannungen im Fügepartner von der Fügemodifikation ableiten und/oder die Spannungen auf den Bereich um die Materialmodifikation herum beschränken.The material modification introduced into the at least one joining partner before and/or after the actual joining can preferably be introduced locally in such a way that stresses in the joining partner are concentrated in the area around the material modification. In particular, the material modification can divert stresses in the joining partner from the joint modification and/or limit the stresses to the area around the material modification.
Durch das Einbringen der Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann beispielsweise auch die chemische Zusammensetzung des Materials verändert werden, sodass sich durch die veränderten lokalen chemischen Bindungskräfte beispielsweise andere Biegefestigkeiten ergeben.By introducing the material modification before and/or after the actual joining, the chemical composition of the material can also be changed, for example, so that the changed local chemical bonding forces result in different flexural strengths, for example.
Eine Materialmodifikation ist dann eingebracht, wenn sie eine permanente Wirkung auf den Fügepartner und dessen innere Struktur hat. Dies schließt insbesondere Oberflächenmodifikationen und Fügemodifikationen mit ein.A material modification is introduced when it has a permanent effect on the joining partner and its internal structure. This includes in particular surface modifications and joint modifications.
Beispielsweise kann eine Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen in Form einer Beschichtung eines Fügepartners eingebracht werden und dazu führen, dass die Atome der Oberfläche des Fügepartners nun anderen Bindungskräften an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Volumenmaterial des Fügepartners ausgesetzt sind. Da die Atome der Oberfläche des Fügepartners jedoch Teil des Fügepartners sind, ist hier bereits eine Materialmodifikation eingebracht. So kann beispielsweise eine Beschichtung des Fügepartners dazu führen, dass die Biegefestigkeit des Fügepartners beeinflusst wird.For example, a material modification before and/or after the actual joining in Form a coating of a joining partner are introduced and lead to the fact that the atoms on the surface of the joining partner are now exposed to other binding forces at the interface between the coating and volume material of the joining partner. However, since the atoms on the surface of the joining partner are part of the joining partner, a material modification has already been introduced here. For example, a coating on the joining partner can affect the flexural strength of the joining partner.
Es kann beispielsweise auch ein lokales Erhitzen oder gar Aufschmelzen im Volumenmaterial des Fügepartners und ein anschließendes Abkühlen zu einer Kristallisation des Fügepartners führen.For example, local heating or even melting in the volume material of the joining partner and subsequent cooling can also lead to crystallization of the joining partner.
Es kann beispielsweise auch das lokale Einbringen von fremden Atomen oder Ionen, wie beispielsweise durch Dotieren, zu einer permanenten Modifikation der chemischen Struktur des Fügepartners führen.For example, the local introduction of foreign atoms or ions, such as by doping, can lead to a permanent modification of the chemical structure of the joining partner.
Die Materialmodifikation kann in einen der Fügepartner eingebracht werden, sie kann aber auch in beide Fügepartner oder in alle Fügepartner eingebracht werden. Insbesondere können in verschiedenen Fügepartner verschiedene Materialmodifikation eingebracht werden. Es können auch verschiedene Materialmodifikation in einen Fügepartner eingebracht werden.The material modification can be introduced into one of the joining partners, but it can also be introduced into both joining partners or into all joining partners. In particular, different material modifications can be introduced into different joining partners. Different material modifications can also be introduced into a joining partner.
Beispielsweise kann durch eine globale thermische Ausheilung der amorphen Glasstruktur eine erste Materialmodifikation in den ersten Fügepartner eingebracht werden, und anschließend durch Ionenimplantation eine zweite lokale Materialmodifikation eingebracht werden.For example, a first material modification can be introduced into the first joining partner by global thermal annealing of the amorphous glass structure, and then a second local material modification can be introduced by ion implantation.
Die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse kann zwischen 200 nm und 5000 nm liegen, insbesondere bei 1030 nm. Die Pulsdauer eines Laserpulses kann zwischen 10 fs und 50 ps liegen, insbesondere bei 400 fs. Mehrere Laserpulse können in einem Burst abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate des Bursts zwischen 1 kHz und 50 MHz liegen kann, bevorzugt bei 100 kHz bis 400 kHz, besonders bevorzugt bei 200 kHz. Die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse kann zwischen 1 kHz und 1000 GHz liegen, bevorzugt zwischen 1 MHz und 50 MHz. Die numerische Apertur des fokussierten Laserstrahls kann zwischen 0,1 und 0,7 liegen, bevorzugt bei 0,25, Die Fluenz im Fokus kann größer als 0,01 J/cm2 sein. Der Rohstrahldurchmesser kann hierbei bevorzugt 5mm groß sein.The wavelength of the ultra-short laser pulses can be between 200 nm and 5000 nm, in particular 1030 nm. The pulse duration of a laser pulse can be between 10 fs and 50 ps, in particular 400 fs. A plurality of laser pulses can be emitted in a burst, with the repetition rate of the burst being between 1 kHz and 50 MHz, preferably 100 kHz to 400 kHz, particularly preferably 200 kHz. The repetition rate of the individual laser pulses can be between 1 kHz and 1000 GHz, preferably between 1 MHz and 50 MHz. The numerical aperture of the focused laser beam can be between 0.1 and 0.7, preferably 0.25. The fluence in the focus can be greater than 0.01 J/cm 2 . In this case, the raw beam diameter can preferably be 5 mm.
Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030 nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400 fs groß ist, 2 Pulse pro Burst abgegeben werden, der Abstand der Pulse 20 ns beträgt, was einer Pulswiderholrate von 50 MHz entspricht, die Bursts eine Repetitionsrate von 200 kHz aufweisen, die numerische Apertur 0,25 beträgt und die Fluenz im Fokus zwischen 50 und 100 J/cm2, beispielsweise 75 J/cm2 liegt.For example, the wavelength of the ultra-short laser pulse can be 1030 nm, with the pulse duration of a single pulse being 400 fs, 2 pulses per burst are emitted, the pulse spacing is 20 ns, which corresponds to a pulse repetition rate of 50 MHz, the bursts have a repetition rate of 200 kHz, the numerical aperture is 0.25 and the fluence in the focus is between 50 and 100 J/cm 2 , for example 75 J/cm 2 .
Diese Parameter erlauben es, vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen eine Materialmodifikation in einen der beiden Fügepartner einzubringen.These parameters allow a material modification to be introduced into one of the two joining partners before and/or after the actual joining.
Die Rauigkeit des oberen Fügepartners kann kleiner als 200 nm sein. Beispielsweise kann der obere Fügepartner, also der Fügepartner durch den der Laserstrahl fokussiert wird, bzw. durch welchen der Laserstrahl als erstes fällt, eine Rauigkeit von weniger als 100 nm aufweisen.The roughness of the upper joining partner can be less than 200 nm. For example, the upper joining partner, ie the joining partner through which the laser beam is focused or through which the laser beam falls first, can have a roughness of less than 100 nm.
Dies hat den Vorteil, dass der durch den Fügepartner fokussierte Laserstrahl nicht oder nur wenig an den Rauigkeiten gestreut wird, so dass möglichst viel Laserenergie in den Fügepartner eingebracht werden kann.This has the advantage that the laser beam focused by the joining partner is not scattered, or only slightly, at the roughness, so that as much laser energy as possible can be introduced into the joining partner.
Der Laserstrahl kann senkrecht zur Grenzfläche der Fügepartner eingestrahlt werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl somit parallel zur Flächennormalen der Grenzfläche eingebracht werden.The laser beam can be radiated perpendicularly to the interface of the joining partners. For example, the laser beam can thus be introduced parallel to the surface normal of the interface.
Unter einem senkrechten Einfall wird die Reflexion des Laserstrahls an der oder den Grenzflächen minimiert. Somit ermöglich ein senkrechter Einfall des Laserstrahls, dass möglichst viel Laserenergie in den oder die Fügepartner eingebracht wird.Under normal incidence, the reflection of the laser beam at the interface or interfaces is minimized. A vertical incidence of the laser beam thus enables as much laser energy as possible to be introduced into the joining partner or partners.
Vor dem Fügen kann eine Materialmodifikation in Form einer Beschichtung auf mindestens einen Fügepartner aufgebracht werden, wobei bevorzugt die Beschichtung mindestens einen Bestandteil umfasst, die in einem der beiden Fügepartner vorhanden ist.Before joining, a material modification in the form of a coating can be applied to at least one joining partner, with the coating preferably comprising at least one component that is present in one of the two joining partners.
Eine Beschichtung eines Fügepartners kann dazu führen, dass die Atome der Oberfläche des Fügepartners nun anderen Bindungskräften an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Volumenmaterial des Fügepartners ausgesetzt sind. Insbesondere können aber Beschichtungen eingesetzt werden, wobei mindestens ein Bestandteil der Beschichtung auch Bestandteil eines der beiden Fügepartner ist.A coating on a joining partner can result in the atoms on the surface of the joining partner now being exposed to different bonding forces at the interface between the coating and the bulk material of the joining partner. In particular, however, coatings can be used, with at least one component of the coating also being a component of one of the two joining partners.
Beispielsweise kann vor dem Fügen von Stahl und Saphir (Al2O3) auf einen der Fügepartner eine Aluminiumbeschichtung aufgetragen werden. Indem zumindest in Saphir Aluminium vorhanden ist, fungiert die Aluminiumschicht beispielsweise als Vermittler- und Austauschschicht während des eigentlichen Fügeprozesses.For example, before joining steel and sapphire (Al 2 O 3 ), an aluminum coating can be applied to one of the joining partners. Since aluminum is present at least in sapphire, the aluminum layer functions, for example, as a mediator and exchange layer during the actual joining process.
Somit können die Fügepartner besonders einfach gefügt werden.The joining partners can thus be joined particularly easily.
Der Fügestrahl des Fügelasers kann räumlich und/oder zeitlich moduliert werden.The joining beam of the joining laser can be spatially and/or temporally modulated.
Dies hat den Vorteil, dass die in den Fügepartner eingebrachte Laserleistung den örtlichen Gegebenheiten angepasst werden kann und dass eine zusammenhängende Fügemodifikation erzeugt werden kann.This has the advantage that the laser power introduced into the joining partner can be adapted to the local conditions and that a coherent joining modification can be produced.
Räumlich moduliert bedeutet, dass der Fügestrahl sich entlang einer bestimmten Trajektorie durch oder entlang der Fügepartner mit einem Vorschub und einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt. Zeitlich moduliert bedeutet, dass der Fügestrahl sich auf einer gewissen Zeitskala verändert. Bevorzugt beinhaltet eine Modulation in beiden Fällen ein räumlich/zeitlich wiederkehrendes Muster. Bevorzugt beträgt die Modulationsfrequenz dann zwischen 50 Hz und 10 kHz.Spatially modulated means that the joining beam moves along a specific trajectory through or along the joining partner with a feed rate and a feed rate. Temporally modulated means that the joining beam changes on a certain time scale. In both cases, a modulation preferably includes a spatially/temporally recurring pattern. The modulation frequency is then preferably between 50 Hz and 10 kHz.
Beispielsweise kann eine räumliche Modulation dadurch erreicht werden, dass sich der Laserstrahl entlang einer Trajektorie bewegt. Die Trajektorie bildet dabei den Verlauf der gewünschten Fügemodifikation ab. Eine räumliche Modulation kann aber auch dadurch erreicht werden, dass der Fügestrahl die Trajektorie mehrfach überstreicht.For example, spatial modulation can be achieved by moving the laser beam along a trajectory. The trajectory depicts the course of the desired joining modification. However, a spatial modulation can also be achieved by the joining beam sweeping over the trajectory several times.
Beispielsweise kann eine zeitliche Modulation dadurch erreicht werden, dass die Intensität der Fügepulse variiert wird. Beispielsweise kann ein starker Fügepuls abgegeben werden und anschließend zwei Fügepulse mit der Hälfte der Intensität. Die zeitliche Modulation beinhaltet aber auch, dass danach wieder ein starker Fügepuls gefolgt von zwei abgeschwächten Fügepulsen vom Laser abgegeben wird.For example, a temporal modulation can be achieved by varying the intensity of the joining pulses. For example, a strong joining pulse can be emitted followed by two joining pulses with half the intensity. However, the temporal modulation also means that the laser then emits a strong joining pulse, followed by two weakened joining pulses.
Der Fügestrahl kann in der Fokuslage geregelt werden.The joining beam can be regulated in the focus position.
Dies hat den Vorteil, dass der Ort, an dem der Fügepartner aufgeschmolzen werden soll, bzw. der Fügepuls platziert werden soll, genau bestimmt werden kann. Insbesondere können hierdurch auch longitudinale Fügemodifikationen in Dickenrichtung, also parallel zur Oberflächennormale, des Fügepartners erzeugt werden.This has the advantage that the location at which the joining partner is to be melted or the joining pulse is to be placed can be precisely determined. In particular, longitudinal joint modifications in the thickness direction, ie parallel to the surface normal, of the joint partner can also be produced in this way.
Beispielsweise kann die Fokuslage über einen höhenverstellbaren Tisch geregelt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Fokuslage über das Variieren des Fokus eines den bearbeitenden Laserstrahl abbildenden Objektivs geregelt wird. Es ist insbesondere möglich, dass die Fokuslage automatisch geregelt wird beispielsweise mit einem Abstandssensor gekoppelt ist. So können über den Abstand der Fügepartneroberfläche zu einer gewissen Referenzfläche die Fügepulse immer im selben Abstand zur Grenzfläche zwischen den Fügepartner in einem Fügepartner platziert werden.For example, the focal position can be regulated using a height-adjustable table. However, it is also possible for the focal position to be regulated by varying the focus of an objective imaging the processing laser beam. In particular, it is possible for the focal position to be regulated automatically, for example coupled with a distance sensor. In this way, the joining pulses can always be placed in a joining partner at the same distance from the interface between the joining partners via the distance between the joining partner surface and a certain reference surface.
Die Materialmodifikation kann zeitlich vor und/oder nach dem eigentlichen Fügeprozess eingebracht werden.The material modification can be introduced before and/or after the actual joining process.
Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Einbringen der Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen zeitlich und/oder räumlich getrennt vom eigentlichen Fügeprozess und/oder der Fügeprozesseinrichtung durchgeführt werden kann.This has the particular advantage that the introduction of the material modification before and/or after the actual joining can be carried out separately in time and/or space from the actual joining process and/or the joining process device.
Zeitlich vor dem Fügen bedeutet, dass die Materialmodifikation vor dem Einbringen der Fügemodifikation zum Fügen der Fügepartner abschließend eingebracht wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die Vorbehandlung des Materials vor dem Einbringen der Fügemodifikation und insbesondere vor dem Einbringen der Schweißnaht abgeschlossen ist. Dies bedeutet auch, dass ein weitgehendes Abkühlen, Aushärten, etc. bereits vor dem Einbringen der Schweißnaht abgeschlossen sein soll.Before joining means that the material modification is finally introduced before the joining modification for joining the joining partners is introduced. This means in particular that the pre-treatment of the material is completed before the joining modification is introduced and in particular before the weld seam is introduced. This also means that extensive cooling, hardening, etc. should be completed before the weld seam is made.
Zeitlich nach dem Fügen bedeutet, dass für die Nachbehandlung der Fügeprozess bereits abgeschlossen ist und die Fügemodifikation bereits eingebracht ist. Insbesondere sind die Fügepartner zu diesem Zeitpunkt bereits abschließend miteinander verbunden.Time after the joining means that the joining process has already been completed for the post-treatment and the joining modification has already been introduced. In particular, the joining partners are already finally connected to one another at this point in time.
Die Zeit vor oder nach dem Einbringen der Fügemodifikation bezieht sich bei mehrschrittigen Fügeverfahren oder der Bearbeitung mehrerer Grenzflächen auf den jeweiligen konkreten Fügeprozess. Mit anderen Worten kann ein Einbringen der Materialmodifikation vor dem jeweiligen Fügen stattfinden. Damit wird eine Nachbehandlung nach einem ersten Fügen dann eine Vorbehandlung des Fügepartners für ein zweites Fügen.In the case of multi-step joining methods or the processing of several interfaces, the time before or after the introduction of the joining modification refers to the respective concrete joining process. In other words, the material modification can be introduced before the respective joining. A post-treatment after a first joining then becomes a pre-treatment of the joining partner for a second joining.
Die Reihenfolge der Prozessschritte kann insbesondere variieren oder sich wiederholen, z.B. wenn mehrere Grenzflächen oder Fügemodifikationen separat bearbeitet oder ausgeführt werden müssen.In particular, the order of the process steps can vary or be repeated, e.g. if several interfaces or joining modifications have to be processed or carried out separately.
Beispielsweise kann eine Materialmodifikation in Form einer Beschichtung auf den ersten Fügepartner eingebracht werden. Nachdem die Beschichtung aufgebracht wurde, kann mit dem ersten Fügepartner an einer weiteren Arbeitsstation, die räumlich von der Beschichtungsstation getrennt ist, fortgefahren werden. Beispielsweise kann an der weiteren Arbeitsstation der beschichtete erste Fügepartner mit einem weiteren Fügepartner zusammengefügt werden, in dem eine entsprechende Fügemodifikation an der Grenzfläche eingebracht wird.For example, a material modification in the form of a coating can be applied to the first joining partner. After the coating has been applied, you can continue with the first joining partner at another work station that is spatially separate from the coating station. For example, the coated first joining partner can be joined to another joining partner at the further work station by introducing a corresponding joint modification at the interface.
Beispielsweise kann anschließend an einer dritten Arbeitsstation mittels Ionenimplantation eine weitere Materialmodifikation in den zweiten Fügepartner eingebracht werden. Beispielsweise kann anschließend eine weitere Materialmodifikation an einer anderen Stelle eingebracht werden, und in einem weiteren Schritt die Fügepartner an der anderen Stelle gefügt werden.For example, a further material modification can then be introduced into the second joining partner at a third work station by means of ion implantation. For example, a further material modification can then be introduced at a different point, and in a further step the joining partners can be joined at the other point.
Die Materialmodifikation kann räumlich lokalisiert im Fügepartner eingebracht werden.The material modification can be spatially localized in the joining partner.
Räumlich lokalisiert bedeutet hier, dass die Materialmodifikation in einen Teil des Fügepartners eingebracht wird. Insbesondere bedeutet räumlich lokalisiert hier, dass sich die Materialmodifikation innerhalb des Fügemodifikationsbereichs befindet oder zumindest, dass der Materialmodifikationsbereich mit dem Fügemodifikationsbereich überlappt.Spatially localized here means that the material modification is introduced into a part of the joining partner. In particular, spatially localized here means that the material modification is located within the joining modification area or at least that the material modification area overlaps with the joining modification area.
Analog zum Fügemodifikationsbereich entsteht hierbei um die Materialmodifikation herum der Materialmod ifikationsbe reich.Analogously to the joining modification area, the material modification area is created around the material modification.
Indem die Materialmodifikation räumlich lokalisiert im Fügemodifikationsbereich eingebracht wird, können die Zug- und Druckspannungen aus dem Fügeprozess auf die Materialmodifikation umgeleitet und/oder abgeleitet werden. So kann beispielsweise durch ein spezielles Muster der Materialmodifikation eine besonders große Zug- und Druckspannung aus dem Fügeprozess auf einen räumlich größeren Bereich aufgeteilt werden. Somit wird effektiv die Spannung aus dem Fügebereich entfernt, sodass die Fügepartner größeren Zug- und Druckkräften ausgesetzt werden können, bevor sie brechen oder dauerhaft deformiert werden oder beispielsweise die Fügemodifikation, bzw. die Schweißnaht, bricht.By introducing the material modification in a spatially localized manner in the joining modification area, the tensile and compressive stresses from the joining process can be redirected and/or derived from the material modification. For example, a particularly large tensile and compressive stress from the joining process can be distributed over a spatially larger area by means of a special pattern of material modification. This effectively removes the tension from the joining area so that the joining partners can be exposed to greater tensile and compressive forces before they break or are permanently deformed or, for example, the joint modification or the weld seam breaks.
In diesem Überlapp stehen die Zug- und Druckspannungen vom Fügeprozess mit der Materialmodifikation indirekt in Verbindung. Somit kann etwa über langreichweitige Wechselwirkungen Spannung von der Fügemodifikation auf einen deutlich größeren Bereich, der sich zusammensetzt aus dem Fügemodifikationsbereich und dem Materialmodifikationsbereich, entspannt werden. Dadurch, dass weniger Zug- und Druckspannung in der Fügemodifikation Fügebereich vorliegt, können die zusammengefügten Fügepartner stärkeren Belastungen ausgesetzt werden, bevor die maximale Zug- und Druckspannung im Fügebereich erreicht werden.In this overlap, the tensile and compressive stresses from the joining process are indirectly related to the material modification. Thus, for example, via long-range interactions, stress can be relieved from the joint modification to a significantly larger area, which is composed of the joint modification area and the material modification area. Due to the fact that there is less tensile and compressive stress in the joint modification, the joint area can be subjected to greater loads before the maximum tensile and compressive stress is reached in the joint area.
Die Materialmodifikation kann durch Laserbestrahlung mittels eines Bearbeitungslasers und/oder XUV oder EUV-Bestrahlung und/oder Röntgenbestrahlung und/oder chemisches Härten und/oder thermisches Härten und oder Ionenimplantation eingebracht werden.The material modification can be introduced by laser irradiation using a processing laser and/or XUV or EUV irradiation and/or X-ray irradiation and/or chemical hardening and/or thermal hardening and/or ion implantation.
Die Materialmodifikation kann durch Laserbestrahlung mittels eines Bearbeitungslasers eingebracht werden. Durch die Laserbestrahlung kann wie beim Fügeprozess ein lokales Aufschmelzen, zumindest aber ein Erhitzen des Fügepartners vorgenommen werden. Durch das lokale Aufschmelzen oder Erhitzen und anschließende Abkühlen, kann beispielsweise die amorphe Struktur oder die kristalline Struktur des Fügepartners lokal verändert werden. Ähnlich wie bei der Fügemodifikation kann es dabei zu lokalen Zug- und Druckspannungen kommen.The material modification can be introduced by laser irradiation using a processing laser. As in the joining process, the laser irradiation can cause local melting or at least heating of the joining partner. Local melting or heating and subsequent cooling can, for example, locally change the amorphous structure or the crystalline structure of the joining partner. Similar to the joining modification, local tensile and compressive stresses can occur.
Die Materialmodifikation kann durch XUV- oder EUV-Bestrahlung und/oder Röntgenbestrahlung eingebracht werden. XUV bezeichnet hierbei elektromagnetische Strahlung im extremen ultravioletten Wellenlängenbereich (0,1 nm-10 nm). EUV bezeichnet hierbei elektromagnetische Strahlung im extremen ultravioletten Wellenlängenbereich (10 nm -121 nm). Durch die Bestrahlung des Fügepartners mit EUV-Strahlen oder Röntgenstrahlen kann beispielsweise für einen kurzen Zeitraum die chemische Reaktivität der Atome an der Fügepartneroberfläche hochgesetzt werden, sodass chemische Reaktionen mit dem Umgebungsmedium, beispielsweise der Umgebungsluft und Umgebungsfeuchtigkeit, einsetzen und beispielsweise die Atome an der Oberfläche des Fügepartners Oxidverbindungen eingehen.The material modification can be introduced by XUV or EUV irradiation and/or X-ray irradiation. XUV refers to electromagnetic radiation in the extreme ultraviolet wavelength range (0.1 nm-10 nm). EUV refers to electromagnetic radiation in the extreme ultraviolet wavelength range (10 nm -121 nm). By irradiating the joining partner with EUV rays or X-rays, for example, the chemical reactivity of the atoms on the surface of the joining partner can be increased for a short period of time, so that chemical reactions with the surrounding medium, e.g. the ambient air and ambient humidity, start and, for example, the atoms on the surface of the Joining partners enter into oxide compounds.
Die Materialmodifikation kann mittels chemischem Härten vorgenommen werden. Beim chemischen Härten wird der Fügepartner in ein chemisches Härtebad getaucht, wobei die chemische Substanz des Härtebads mit dem Material des Fügepartners reagiert und somit zu einer chemischen Veränderung des Fügepartnermaterials führt. Die chemische Veränderung kann zu einer Verfestigung und zu einer Kratzfestigkeit des Fügepartners führen.The material modification can be done by chemical hardening. With chemical hardening, the joining partner is immersed in a chemical hardening bath, whereby the chemical substance in the hardening bath reacts with the material of the joining partner and thus leads to a chemical change in the material of the joining partner. The chemical change can lead to hardening and scratch resistance of the joining partner.
Beim thermischen Härten mit der Fügepartner auf eine vordefinierte Temperatur aufgeheizt und schlagartig abgekühlt, wodurch im Fügepartner Zug- und Druckspannungen entstehen.During thermal hardening, the joining partner is heated to a predefined temperature and abruptly cooled, causing tensile and compressive stresses in the joining partner.
Die Materialmodifikation kann mittels Ionenimplantation eingebracht werden. Hierbei werden ähnlich dem Halbleiterdotierprozess Fremdatome auf die Oberfläche des Fügepartners beschleunigt, wo sie sich dann in die atomare Landschaft der Fügepartneroberfläche einfügen. Die Absorption des Ions kann insbesondere auch erst im Volumenmaterial des Fügepartners stattfinden.The material modification can be introduced by means of ion implantation. Similar to the semiconductor doping process, foreign atoms are accelerated onto the surface of the joining partner, where they then blend into the atomic landscape of the joining partner surface. The absorption of the ion can in particular only take place in the volume material of the joining partner.
Der Bearbeitungslaser kann der Fügelaser sein.The processing laser can be the joining laser.
Dies hat den Vorteil, dass lediglich ein Laser für das Fügen und das Einbringen der Materialmodifikationen eingesetzt werden muss.This has the advantage that only one laser has to be used for joining and introducing the material modifications.
Der Bearbeitungslaser kann ein separater CO2-Laser sein und kollinear zum Fügestrahl ausgerichtet sein und/oder der Bearbeitungsstrahl kann räumlich und/oder zeitlich moduliert sein und/oder in der Fokuslage geregelt werden.The processing laser can be a separate CO2 laser and aligned collinearly with the joining beam and/or the processing beam can be spatially and/or temporally modulated and/or the focus position can be regulated.
Das hat den Vorteil, dass der Bearbeitungslaser unabhängig vom Fügelaser moduliert und bewegt werden kann. Weiterhin können Vor- und/oder Nachbehandlung und eigentlicher Fügevorgang zeitlich und räumlich voneinander getrennt werden.This has the advantage that the processing laser can be modulated and moved independently of the joining laser. Furthermore, pre- and/or post-treatment and the actual joining process can be separated from one another in terms of time and space.
Kollinear kann bedeuten, dass der Bearbeitungsstrahl und der Fügestrahl parallel auf den Fügepartner auftreffen. Insbesondere kann Kollinear auch bedeuten, dass der Bearbeitungsstrahl und der Fügestrahl dieselbe Fokuslage haben, also auf dieselbe Ebene fokussiert sind.Collinear can mean that the machining beam and the joining beam hit the joining partner in parallel. In particular, collinear can also mean that the processing beam and the joining beam have the same focal position, ie are focused on the same plane.
Beispielsweise kann der Fügestrahl unter einem Winkel von beispielsweise 10° auf die Oberfläche des Fügepartners auftreffen. Bei der anschließenden Nachbearbeitung kann der Bearbeitungsstrahl ebenfalls unter einem Winkel von beispielsweise 10° auf die Oberfläche des Fügepartners auftreffen.For example, the joining jet can impinge on the surface of the joining partner at an angle of, for example, 10°. During the subsequent post-processing, the processing beam can also strike the surface of the joining partner at an angle of, for example, 10°.
Die Materialmodifikation kann durch Einbringen des Bearbeitungsstrahls entlang des Fügepfads oder entlang eines oder mehrerer parallel versetzter Fügepfade erfolgen.The material modification can take place by introducing the processing beam along the joining path or along one or more parallel offset joining paths.
Dies hat den Vorteil, dass entlang der Trajektorie des Fügestrahls gleichmäßig eine Materialmodifikation vorgenommen wird, sodass der Einfluss der Materialmodifikation auf die Fügemodifikation überall gleich ist.This has the advantage that a material modification is carried out uniformly along the trajectory of the joining beam, so that the influence of the material modification on the joining modification is the same everywhere.
Ein Bearbeitungsstrahl ist parallel versetzt zum Fügestrahl, wenn Bearbeitungsstrahl und Fügestrahl in gleicher Weise verfahren werden, jedoch von unterschiedlichen Startpunkten starten. A machining beam is offset parallel to the joining beam if the machining beam and joining beam are moved in the same way, but start from different starting points.
Beispielsweise kann der Bearbeitungsstrahl entlang der Trajektorie des Fügestrahls verfahren werden. Dann sind sowohl die Trajektorie des Bearbeitungsstrahls und des Fügestrahls, als auch der Startpunkt gleich. Es kann aber auch entlang einer parallel versetzten Trajektorie des Fügestrahls eine Materialmodifikation in den Fügepartner eingebracht werden. Dann sind zwar die Richtungsänderungen entlang der Trajektorie des Bearbeitungsstrahls zum Fügestrahl gleich, die Startpunkte sind aber unterschiedlich.For example, the processing beam can be moved along the trajectory of the joining beam. Then the trajectory of the machining beam and the joining beam as well as the starting point are the same. However, a material modification can also be introduced into the joining partner along a parallel offset trajectory of the joining beam. The changes in direction along the trajectory of the machining beam to the joining beam are then the same, but the starting points are different.
Bei der XUV- oder der EUV-Bestrahlung und/oder dem chemischen Härten und/oder bei der Ionenimplantation kann eine definierte Modifikationszeit eingesetzt werden, um die Vor- und/oder Nachbehandlung zu erreichen.A defined modification time can be used in the XUV or EUV irradiation and/or in the chemical hardening and/or in the ion implantation in order to achieve the pre- and/or post-treatment.
Die Modifikationszeit ist hierbei die Zeitspanne, die der mit der Vor- und/oder Nachbehandlung behandelte Fügepartner dem Verfahren zur Materialmodifikation ausgesetzt ist.The modification time is the period of time that the joining partner treated with the pre- and/or post-treatment is exposed to the material modification process.
Dies hat den Vorteil, dass die Eindringtiefe der Materialmodifikation kontrolliert werden kann. Das Verfahren zur Materialmodifikation kann aber auch erst ab einer gewissen Zeit eine Materialveränderung bewirken, so dass eine Mindestzeit nicht unterschritten werden soll, oder nach einer gewissen Zeit eine Materialmodifikation zum Erliegen kommt, so dass eine Weiterbehandlung dann ineffizient wäre.This has the advantage that the penetration depth of the material modification can be controlled. However, the method for material modification can only bring about a material change after a certain time, so that a minimum time should not be undercut, or after a certain time a material modification comes to a standstill, so that further treatment would then be inefficient.
Beispielsweise kann der Fügepartner fünf Minuten dem chemischen Härtebad ausgesetzt sein. Je nach Materialkombination kann es sein, dass das chemische Härtebad erst nach einer Minute Wirkung zeigt und eine Materialmodifikationen bewirkt. Es kann dabei auch sein, dass das chemische Härtebad nach zwei weiteren Minuten keine weitere Wirkung mehr hat. Eine Modifikationszeit von fünf Minuten ist dann ausreichend, um die maximal mögliche Materialmodifikation zu erreichen.For example, the joining partner can be exposed to the chemical hardening bath for five minutes. Depending on the combination of materials, it may be that the chemical hardening bath only takes effect after one minute and causes material modifications. It is also possible that the chemical hardening bath has no further effect after two more minutes. A modification time of five minutes is then sufficient to achieve the maximum possible material modification.
Bei der XUV-oder der EUV-Bestrahlung und/oder der Röntgenbestrahlung und/oder dem chemischen Härten und/oder bei der Ionenimplantation kann durch eine Bearbeitungsmaske eine Materialmodifikation lokalisiert eingebracht werden. Die Lokalisierung wird bevorzugt im Fügeberich vorgesehen.During XUV or EUV irradiation and/or x-ray irradiation and/or chemical hardening and/or during ion implantation, a material modification can be introduced in a localized manner through a processing mask. The localization is preferably provided in the joining area.
Eine Bearbeitungsmaske kann eine fotolithographische Belichtungsmaske und/oder eine chemische Lackmaske und/oder eine mechanische Maske sein.A processing mask can be a photolithographic exposure mask and/or a chemical resist mask and/or a mechanical mask.
Bei einer fotolithografischen Belichtungsmaske wird auf einem Maskenträger, beispielsweise ein Glas, beispielsweise eine abschirmende Beschichtung überall dort aufgetragen, wo die XUV- oder die EUV-Strahlen und/oder die Röntgenstrahlen nicht auf den Fügepartner treffen sollen. Wenn die fotolithografische Belichtungsmaske auf den Fügepartner gelegt und anschließend mit einer der zuvor genannten Strahlarten bestrahlt, dann treten die Strahlen durch die freien Stellen der Belichtungsmaske in den Fügepartner und bewirken dort eine Materialmodifikation.In the case of a photolithographic exposure mask, a shielding coating, for example, is applied to a mask carrier, for example a glass, wherever the XUV or EUV rays and/or the X-rays should not impinge on the joining partner. If the photolithographic exposure mask is placed on the joining partner and then irradiated with one of the aforementioned types of radiation, the rays then pass through the free areas of the exposure mask into the joining partner and cause a material modification there.
Die fotolithografische Belichtungsmaske hat den Vorteil, dass die Bearbeitungsmaske nur einmal angefertigt werden muss und dann bei einer Vielzahl von Fügepartnern eingesetzt werden kann.The photolithographic exposure mask has the advantage that the processing mask only once has to be made and can then be used with a large number of joining partners.
Eine chemische Lackmaske ist beispielsweise eine Maske, die durch einen sogenannten Fotolack und ein entsprechendes Schreibverfahren, beispielsweise mithilfe eines Elektronenstrahls, direkt auf den Fügepartner aufgetragen werden kann. In einem anschließenden Ätzverfahren können die beschriebenen Stellen entfernt werden.A chemical resist mask is, for example, a mask that can be applied directly to the joining partner using a so-called photoresist and a corresponding writing process, for example using an electron beam. The areas described can be removed in a subsequent etching process.
Dies hat den Vorteil, dass durch die so freiwerdenden Stellen in der Maske nun auch Ionen oder ein chemisches Härtebad direkt auf den Fügepartner treffen können.This has the advantage that ions or a chemical hardening bath can now also hit the joining partner directly through the areas in the mask that are freed up in this way.
Eine mechanische Maske ist analog zur chemischen Lackmaske zu verstehen, sie weist also mechanisch freie Stellen für das Passieren von Ionen oder Strahlen auf. Im Unterschied zur Lackmaske, ist die Maske jedoch nicht an den Fügepartner gebunden, sondern kann ähnlich der fotolithografischen Belichtungsmaske abgenommen werden.A mechanical mask is to be understood analogously to a chemical paint mask, i.e. it has mechanically free areas for the passage of ions or rays. In contrast to the resist mask, however, the mask is not tied to the joining partner, but can be removed, similar to the photolithographic exposure mask.
Dies hat den Vorteil, dass die Maske für eine Vielzahl von Fügepartnern eingesetzt werden kann.This has the advantage that the mask can be used for a large number of joining partners.
Das thermische Härten kann mit einer räumlich und/oder zeitlich modulierten Heizquelle, bevorzugt einem Ofen oder einem Bearbeitungslaser, durchgeführt werden.The thermal curing can be carried out with a spatially and/or temporally modulated heat source, preferably an oven or a processing laser.
Beispielsweise kann der Ofen einen Temperaturgradienten aufweisen, sodass die Materialmodifikation des Fügepartners räumlich variabel und somit moduliert ist. Die Heizquelle kann aber auch zeitlich moduliert sein. Beispielsweise kann mittels Wärmewellen ein tieferes Eindringen der Wärme in den Fügepartner erreicht werden. Bei einem beispielsweise teilweise metallischen Fügepartner, kann durch entgegenlaufende Wärmewellen eine stehende Wärmewelle erzeugt werden, sodass die Materialmodifikation nur dort eingebracht wird, wo die Schwingungsbäuche der Wärmewelle konstruktiv interferieren.For example, the oven can have a temperature gradient, so that the material modification of the joining partner is spatially variable and therefore modulated. However, the heating source can also be modulated in time. For example, a deeper penetration of the heat into the joining partner can be achieved by means of heat waves. In the case of a joining partner that is partially metallic, for example, a standing heat wave can be generated by heat waves running in opposite directions, so that the material modification is only introduced where the antinodes of the heat wave interfere constructively.
Es kann aber auch sein das die Materialmodifikation eingebracht wird, indem der Fügepartner auf eine heiße Platte gelegt wird, sodass sich dessen Oberfläche modifiziert. Es kann auch sein, dass der Fügepartner global durch den Ofen aufgeheizt wird und so insgesamt seine amorphe oder kristalline Struktur verändert.However, it is also possible that the material modification is introduced by placing the joining partner on a hot plate so that its surface is modified. It is also possible that the joining partner is heated up globally by the oven and thus changes its overall amorphous or crystalline structure.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 zeigt einen schematischen Querschnitt zweier zu fügender Fügepartner mit dem fokussierten Fügestrahl; -
2A,B zeigen schematisch einen Fügemodifikationsbereich; -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Trajektorie eines Fügestrahls und eines Bearbeitungsstrahls; und -
4A,B zeigen einen schematischen Querschnitt verschiedener Fügepartner mit eingebrachten Materialmodifikationen.
-
1 shows a schematic cross section of two joining partners to be joined with the focused joining beam; -
2A,B schematically show a joint modification area; -
3 shows a schematic representation of a trajectory of a joining beam and a machining beam; and -
4A,B show a schematic cross-section of various joining partners with introduced material modifications.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
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.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Die sich ergebenden Fügemodifikationsbereiche sind schematisch in den
Um den Fügebereich 10 und die Fügemodifikation 11 herum kann sich beim Abkühlen ein Fügemodifikationsbereich 12 in den jeweiligen Fügepartnern 3 ausbilden, in welchem Zug- und Druckspannungen 6 vorliegen. Diese Zug- und Druckspannungen 6 können sich beispielsweise in dem Materialvolumen eines oder beider Fügepartner 3 durch die während des Fügevorgangs örtlich begrenzt eingebrachte Wärme und das nachfolgende Abkühlen ausbilden. Auch das Fügen selbst kann Zug- und Druckspannungen 6 im Materialvolumen eines oder beider Fügepartner 3 hervorrufen, wenn das beim Fügen aufgeschmolzene Material beispielsweise eine andere Volumenforderung hat, als das nicht aufgeschmolzene Material.Around the joint area 10 and the
Dies ergibt sich beispielsweise bereits durch den zwischen den Fügepartnern 3 an der Grenzfläche 5 auftretenden Spalt, welcher mit aufgeschmolzenem Material überbrückt wird.This already results, for example, from the gap occurring between the joining
Um das Auftreten von Zug- und Druckspannungen 6 im Materialvolumen eines oder beider Fügepartner 3 gegenüber den herkömmlichen Verfahren zu verringern, wird vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen der Fügepartner 3 eine Materialmodifikation 20 in zumindest einem der Fügepartner 3 eingebracht.In order to reduce the occurrence of tensile and
Wird die Materialmodifikation 20 vor dem eigentlichen Fügen in einen der Fügepartner 3 eingebracht, so wird unter dem Fügebereich 10 oder der Fügemodifikation 11 der Bereich des jeweiligen Fügepartners 3 verstanden, in welchem nachfolgend das eigentliche Fügen mittels des Fügestrahls 1 stattfinden soll, bzw. die Fügemodifikation 11 entstehen soll. Der Fügebereich 10 und die Fügemodifikation 11 sind daher auch als „geplanter“ Fügebereich 10 bzw. „geplante“ Fügemodifikation 11 anzusehen. Ebenso gilt für den Fügemodifikationsbereich 12, dass dieser als der „geplante“ Fügemodifikationsbereich 12 angesehen werden kann.If the
In
Eine Materialmodifikation 20 kann auf verschiedene Weisen in den Fügepartner 3 eingebracht werden. Die Materialmodifikation 20 kann beispielsweise nach dem eigentlichen Fügen durch das lokale Erwärmen des Fügepartners 3 mit einem Bearbeitungslaserstrahl 2 eingebracht werden, so dass die fiktive Temperatur des Fügepartners 3, welche als Maß für den Zustand der Netzwerkstruktur dient, gesenkt wird und so Spannungen innerhalb der Fügemodifikation und um die Fügemodifikation herum reduziert werden.A
Die Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann auch durch Ionenimplantation eingebracht werden. Durch die Ionenimplantation verändert sich lokal das elektrochemische Gefüge beispielsweise durch langreichweitige Bindungskräfte.The material modification before and/or after the actual joining can also be introduced by ion implantation. The ion implantation changes the electrochemical structure locally, for example due to long-range binding forces.
Die Materialmodifikation vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann beispielsweise durch eine XUV- und/oder EUV- und/oder Röntgenbestrahlung durchgeführt werden, welche die chemische Reaktivität der Fügepartneroberfläche für kurze Zeit heraufgesetzt und der nunmehr reaktive Fügepartner durch Wechselwirkung mit der Umgebungsluft Oxidverbindungen an seiner Oberfläche erzeugt.The material modification before and/or after the actual joining can be carried out, for example, by XUV and/or EUV and/or X-ray irradiation, which increases the chemical reactivity of the joining partner surface for a short time and the now reactive joining partner forms oxide compounds through interaction with the ambient air generated on its surface.
Um diese Materialmodifikation 20 können sich nun analog zum Fügemodifikationsbereich 12 ebenfalls Zug- und Druckspannungen 6 ausbilden, die sich dann im Materialmodifikationsbereich 22 im Fügepartner 3 ausbreiten. Im Materialmodifikationsbereich 22 geht das Material des Fügepartners 3 nach und nach von seinem durch die Materialmodifikation 20 modifizierten Zustand in seinen Ursprungszustand in dem umliegenden Material über. Erst in genügend großem Abstand zur Materialmodifikation 20, befindet sich das Material des Fügepartners 3 daher in seinem Ursprungszustand.Around this
Der Materialmodifikationsbereich 22 um die Materialmodifikation 20 überlappt mit dem Fügemodifikationsbereich 12. In diesem Überlapp 4 stehen also die Zug- und Druckspannungen 6 von der Fügemodifikation 11 mit der Materialmodifikation 20 indirekt in Verbindung. Über den Überlapp 4 kann so beispielsweise Zug- und Druckspannung auf die veränderte elektrochemische Bindung im Bereich 22 übertragen werden. Somit wird die Spannung vom Fügepartner 3 auf einen deutlich größeren Bereich, der sich zusammensetzt aus dem Fügemodifikationsbereich 12 und dem Materialmodifikationsbereich 22 aufgeteilt. Somit wird Zug- und Druckspannung 6 auch aus dem Fügemodifikationsbereich 12 abgeleitet und/oder umgeleitet. Dadurch, dass weniger Zug- und Druckspannung 6 um den Fügemodifikationsbereich 12 vorliegt, können die zusammengefügten Fügepartner 3 stärkeren Belastungen ausgesetzt werden, bevor die maximale Zug- und Druckspannung der Fügemodifikation 11 erreicht ist.The
Insbesondere kann die Materialmodifikation 20 auch direkt in den Fügemodifikationsbereich 12 eingebracht werden. Dies ist schematisch in
Insbesondere kann die Materialmodifikation 20 auch direkt in oder an der Fügemodifikation 11 eingebracht werden (nicht gezeigt). Beispielsweise kann die Fügemodifikation 11 mit einem Bearbeitungslaserstrahl 2 erwärmt werden, so dass sich die Zug- und Druckspannungen 6 in der Fügemodifikation 11 und im Fügemodifikationsbereich 12 verringern und somit die Fügeverbindung auch unter Belastungen haltbarer machen.In particular, the
Um eine möglichst große Umleitung und/oder Ableitung der Zug- und Druckspannungen 6 aus der Fügemodifikation 11 und dem Fügemodifikationsbereich 12 zu realisieren, ist es sinnvoll, die Form und/oder die Ausbreitung der Fügemodifikation 11 im Fügepartner 3 mit der Form und/oder der Ausbreitung der Materialmodifikation 20 im Fügepartner zu korrelieren.In order to achieve the greatest possible diversion and/or derivation of the tensile and
In
Das Einbringen der Materialmodifikation in den Fügepartner 3 vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann mit dem gleichen Ultrakurzpulslaser wie beim Fügeprozess vorgenommen werden. Hierfür müssen gegebenenfalls andere Prozessparameter wie beispielsweise die Fokussierung, der Vorschub entlang der Trajektorie, sowie die Leistung/Pulsenergie oder auch die Strahlform entsprechend angepasst werden.The introduction of the material modification into the joining
Der Fügepartner 3 kann beispielsweise Fused Silica kann sein. Zum Einbringen der Materialmodifikation in den Fügepartner 3 vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers beispielsweise 15 W betragen, wobei pro Burst vier Laserpulse mit einem Abstand von 20 ns abgegeben werden können, wobei die Repetitionsrate des Bursts 200 kHz beträgt. Die numerische Apertur bei der Fokussierung kann beispielsweise 0,1-0,7 betragen und beträgt typischerweise 0,25. Der Vorschub kann beispielsweise 1 mm/s bis zu 50 mm/s betragen.The joining
Der Fügepartner 3 kann auch Borosilikatglas sein. Zum Einbringen der Materialmodifikation in den Fügepartner 3 vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers 3 W betragen, wobei pro Burst zwei Laserpulse mit einem Abstand von 20 ns abgegeben werden können, wobei die Repetitionsrate des Bursts 100 kHz bis 400 kHz betragen kann. Die numerische Apertur bei der Fokussierung kann beispielsweise 0,1-0,6 betragen und beträgt typischerweise 0,25. Der Vorschub kann beispielsweise 5 mm/s bis zu 50 mm/s betragen.The joining
Der Fügepartner 3 kann auch Saphir sein. Zum Einbringen der Materialmodifikation in den Fügepartner 3 vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers 6 W betragen, wobei die Repetitionsrate der Einzelpulse 200kHz bis 500kHz betragen kann. Die numerische Apertur bei der Fokussierung kann beispielsweise 0,1-0,6 betragen und beträgt typischerweise 0,25. Der Vorschub kann beispielsweise 50 mm/s betragen.The joining
Der Fügepartner 3 kann auch Corning Eagle Glass sein, wohingegen der andere Fügepartner Kupfer sein kann. Zum Einbringen der Materialmodifikation in den Fügepartner 3 vor und/oder nach dem eigentlichen Fügen kann die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers 1,5 W betragen, wobei die Repetitionsrate der Einzelpulse 500kHz betragen kann. Die numerische Apertur bei der Fokussierung kann beispielsweise 0,1-0,6 betragen und beträgt typischerweise 0,25. Der Vorschub kann beispielsweise 1 mm/s betragen.The joining
Es sind vielfältige Ausformungen der Materialmodifikation 20 möglich. Insbesondere sind durch die verschiedenen Modifikationsmethoden, wie beispielsweise Laserbestrahlung, XUV-, EUV- und Röntgenbestrahlung, sowie chemisches Härten und Ionenimplantation, verschiedene Ausprägungen und insbesondere verschiedene Einbringtiefen in den Fügepartner 3 möglich.A variety of configurations of the
In der
Gezeigt ist insbesondere eine Vorbehandlung der Fügepartner in der oberen Figurenzeile, da die Materialmodifikationen 20 bereits in den Fügepartner eingebracht sind und noch keine Fügemodifikation 11 vorhanden ist. In der unteren Figurenhälfte wird das Einbringen der Fügemodifikation 11 in die vorbehandelten Fügepartner 3 gezeigt. Der Fügestrahl 1 kann hierbei beispielsweise entlang der y-Achse senkrecht zur Bildebene bewegt werden. Das Verfahren für die Nachbehandlung der Fügepartner 3 ergibt sich analog.In particular, a pretreatment of the joining partner is shown in the top line of the figure, since the
In
In
In
In
In
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.As far as applicable, all of the individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Fügestrahljoining beam
- 1010
- Fügebereichjoining area
- 1111
- Fügemodifikationjoint modification
- 1212
- Fügemodifikationsbereichjoint modification area
- 22
- Bearbeitungsstrahlmachining beam
- 2020
- Materialmodifikationmaterial modification
- 2222
- Materialmodifikationsbereichmaterial modification area
- 33
- Fügepartnerjoining partner
- 44
- Überlappoverlap
- 55
- Grenzflächeinterface
- 66
- Zug- und Druckspannungtensile and compressive stress
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 8314359 B2 [0007]US8314359B2 [0007]
- US 9625713 B2 [0007]US 9625713 B2 [0007]
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-
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-
2021
- 2021-07-15 WO PCT/EP2021/069681 patent/WO2022017892A2/en active Application Filing
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WO2022017892A2 (en) | 2022-01-27 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KUEMMEL, FELIX, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |