DE102020133628A1 - 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, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (5) eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (3, 8) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei alle Fügepartner (3, 8) einen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) aufweisen und mindestens einer der Fügepartner (3, 8) einen größten thermischen Expansionskoeffizienten (CTEmax) aller Fügepartner (3, 8) aufweist, wobei die Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) miteinander gefügt werden, wobei eine erste Schwelle (CTEt1) des thermischen Expansionskoeffizienten bestimmt wird, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der ersten Schwelle (CTEt1) entspricht oder diese überschreitet, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Bursts aus mindestens zwei Laserpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) die erste Schwelle (CTEt1) unterschreitet.The present invention relates to a method for joining at least two joining partners (3, 8) using ultra-short laser pulses of a laser beam (5) from an ultra-short pulse laser (4), with at least one of the joining partners (3, 8) being transparent for the laser wavelength used, with all joining partners (3, 8) have a thermal expansion coefficient (CTE) and at least one of the joining partners (3, 8) has the highest thermal expansion coefficient (CTEmax) of all joining partners (3, 8), the joining partners (3, 8) being Laser beam (5) are joined together, with a first threshold (CTEt1) of the thermal expansion coefficient being determined, and the joining partners (3, 8) are joined with a sequence of individual pulses of the laser beam (5) when the greatest thermal expansion coefficient (CTEmax) corresponds to or exceeds the first threshold (CTEt1), and the joining partners (3, 8) with a sequence of bursts of at least two Laser pulses of the laser beam (5) are added when the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) falls below the first threshold (CTEt1).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers.The present invention relates to a method for joining at least two joining partners using ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short pulse 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. Das Fügen mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht dabei eine stabile Verbindung der Fügepartner ohne zusätzlichen Materialeinsatz.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. Joining using ultra-short laser pulses enables a stable connection of the joining partners without the use of additional material.

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 bis 50 ps), in das Volumen eines Materials, so kann die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen führen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Material im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Materials erhöht werden und schließlich das Material 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 to 50 ps), in the volume of a material, the high intensity in the focus can lead to non-linear absorption processes. 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 rise in the material in the focus area. With each of the successive pulses, the temperature can then be increased to the melting temperature of the material and finally the material can be locally melted.

Beim Fügen von Fügepartnern kommt es aufgrund des starken lokalen Energieeintrags durch den fokussierten Laserstrahl 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.When joining partners, high temperatures occur due to the strong local energy input from the focused laser 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.

Diese Zug- und Druckspannungen können weiterhin zu einer Rissbildung entlang der Schweißnaht führen. Der Grund hierfür liegt in den durch den Laserstrahl und das Aufschmelzen induzierten Temperatur- und Druckgradienten, die Materialspannungen erzeugen. Die Materialspannungen relaxieren dann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in Form eines oder mehrerer Risse.These tensile and compressive stresses can also lead to cracking along the weld seam. The reason for this lies in the temperature and pressure gradients induced by the laser beam and the melting process, which create material stresses. The material stresses then relax with a certain probability in the form of one or more cracks.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zu Fügen zweier Fügepartner bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved method for joining two joining partners.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a method for joining two joining partners with the features of claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.

Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei alle Fügepartner einen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) aufweisen und mindestens einer der Fügepartner einen größten thermischen Expansionskoeffizienten (CTEmax) aller Fügepartner aufweist, wobei die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls miteinander gefügt werden, wobei eine erste Schwelle (CTEt1) des thermischen Expansionskoeffizienten ermittelt wird, und die Fügepartner mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der ersten Schwelle (CTEt1) entspricht oder diese überschreitet, und die Fügepartner mit einer Abfolge von Bursts aus mindestens zwei Laserpulsen des Laserstrahls gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) die erste Schwelle (CTEt1) unterschreitet.Accordingly, a method for joining two joining partners using ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short pulse laser is proposed, with at least one of the joining partners being transparent to the laser wavelength used, with all joining partners having a thermal expansion coefficient (CTE) and at least one of the joining partners having a maximum thermal expansion coefficient (CTEmax ) of all joining partners, with the joining partners being joined using ultra-short laser pulses of the laser beam, with a first threshold (CTEt1) of the thermal expansion coefficient being determined, and the joining partners being joined with a sequence of individual pulses of the laser beam if the greatest thermal expansion coefficient (CTEmax ) corresponds to or exceeds the first threshold (CTEt1), and the joining partners are joined with a sequence of bursts of at least two laser pulses of the laser beam if the greatest thermal expansion coefficient ficient (CTEmax) falls below the first threshold (CTEt1).

Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. The ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.

Insbesondere kann der Ultrakurzpulslaser Laserpulse mit einer Pulslänge von vorzugsweise weniger als 10ns, bevorzugt weniger als 500ps abgeben.In particular, the ultra-short pulse laser can emit laser pulses with a pulse length of preferably less than 10 ns, preferably less than 500 ps.

Anstatt einer Abfolge einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.Instead of a sequence of individual laser pulses, the laser can also provide bursts, with each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. For a certain time interval, the emission of the laser pulses can be very dense, at intervals of a few picoseconds up to hundreds of nanoseconds. The bursts can in particular be so-called GHz bursts, in which the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.

Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.A sequence of individual pulses means that the laser emits several individual pulses one after the other. A sequence of individual pulses therefore includes at least two individual pulses. A sequence of bursts means that the laser emits several bursts one after the other. A sequence of bursts therefore includes at least two bursts. In particular, the bursts or individual pulses of the sequence can each be of the same type. The bursts or individual pulses are identical if the laser pulses used have essentially the same properties, ie approximately the same pulse energy, the same pulse length and—in the case of bursts—also the same pulse spacing within the burst.

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 zwischen den beiden Fügepartnern - also an der Innenseite liegenden - Grenzfläche zwischen beiden Fügepartnern 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 between the two joining partners - i.e. on the inside - between the two joining partners.

Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak für die Wellenlänge des Lasers 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 to the wavelength of the laser. 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.

Die Fügepartner sind aufeinander angeordnet, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche hinweg die Fügepartner miteinander gefügt werden sollen, aufeinander zeigen. Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Laserstrahls 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 beziehungsweise von Burst zu Burst kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials der Fügepartner erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führt.The joining partners are arranged one on top of the other, so that the boundary surfaces of the joining partners, across which the joining partners are to be joined, face one another. In the joining area, heat is accumulated as a result of successive absorption of the ultra-short laser pulses, provided the pulse rate of the laser beam is greater than the rate of heat dissipation 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 or from burst to burst, the melting temperature of the material of the joining partner can finally be reached, which leads to local melting of the material of the joining partner.

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.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 Einzelpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachter ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts pro Laserspot N gegeben ist durch das Produkt aus Spotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG: N = SG * P / VG. Die Spotgröße beschreibt hierbei über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.In order to melt the material in the joining area, individual pulses and/or bursts can be introduced into the material and successively absorbed. This large number of ultra-short individual pulses and/or bursts introduced at a position is also called a laser spot, with the number of ultra-short individual pulses and/or bursts per laser spot N being given by the product of spot size SG and repetition rate P per feed rate VG: N = SG * P / VG. The spot size describes the spatial area over which the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material.

Die Expansion der Fügepartner pro Temperaturdifferenz ist hierbei gegeben durch den thermischen Expansionskoeffizienten CTE = ΔX / X * 1 / ΔT. Hierbei kann X ein Volumen beziehungsweise ΔX eine Volumenänderung, oder eine Fläche beziehungsweise eine Flächenänderung, oder eine Länge beziehungsweise eine Längenänderung sein. Insbesondere hat der CTE die Einheit millionstel Anteile pro Kelvin (ppm/K).The expansion of the joining partners per temperature difference is given by the thermal expansion coefficient CTE = ΔX / X * 1 / ΔT. In this case, X can be a volume or ΔX a change in volume, or an area or a change in area, or a length or a change in length. In particular, the CTE has the unit millionths of parts per Kelvin (ppm/K).

Liegen unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten vor, so ist der größte thermische Expansionskoeffizient CTEmax aller Fügepartner einfach zu bestimmen. Sind jedoch die thermischen Expansionskoeffizienten aller Fügepartner identisch, beispielsweise weil alle Fügepartner aus dem gleichen Material bestehen, so gilt hier dieser thermische Expansionskoeffizient als der größte thermische Expansionskoeffizient.If there are different thermal expansion coefficients, the highest thermal expansion coefficient CTEmax of all joining partners can be easily determined. However, if the thermal expansion coefficients of all joining partners are identical, for example because all joining partners are made of the same material, then this thermal expansion coefficient is considered to be the largest thermal expansion coefficient.

Die Größe des Fügebereichs ist dabei zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere die Größe der Fokuszone des fokussierten Laserstrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls, siehe unten.The size of the joining area is additionally determined by the beam geometry, in particular the size of the focal zone of the focused laser beam. The beam geometry describes the spatial configuration of the laser beam and other beam properties such as certain diffraction properties of the laser beam, see below.

Beispielsweise kann ein Volumen innerhalb eines Fügepartners in dem Fokus des Laserstrahls erhitzt werden. Das erhitzte Volumen dehnt sich demnach (bei positivem CTE) aus, so dass auf den das erhitze Volumen umgebenden Bereich des Fügepartners ein Druck aufgebaut wird. Dieser Druck kann insbesondere Materialspannungen erzeugen, welche eine Rissbildung begünstigen können.For example, a volume within a joining partner can be heated in the focus of the laser beam. The heated volume expands accordingly (with a positive CTE), so that the area surrounding the heated volume of the Joining partners a pressure is built up. In particular, this pressure can generate material stresses, which can promote the formation of cracks.

Überschreitet der CTEmax eine erste Schwelle, dann ist die thermische Expansion größer, als von der Schwelle erlaubt. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass die thermische Expansion zu kritischen Materialspannungen führen kann. Wenn der CTEmax der ersten Schwelle CTEt1 entspricht oder die erste Schwelle überschreitet, dann werden die Fügepartner mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls gefügt. Dies hat den Vorteil, dass zwischen den Einzelpulsen das Material abkühlen kann, so dass eine rissfreie Fügeverbindung der Fügepartner ermöglich wird.If the CTEmax exceeds a first threshold, then the thermal expansion is greater than allowed by the threshold. This can mean, for example, that thermal expansion can lead to critical material stresses. If the CTEmax corresponds to the first threshold CTEt1 or exceeds the first threshold, then the joining partners are joined with a sequence of individual pulses of the laser beam. This has the advantage that the material can cool down between the individual pulses, so that a crack-free joint of the joint partners is made possible.

Unterschreitet der CTEmax die erste Schwelle CTEt1, dann werden die Fügepartner mit einer Abfolge von Bursts gefügt. Die Verwendung von Bursts führt zu einer verbesserten Wärmeakkumulation: Je wärmer das Material ist, desto besser kann zusätzliche Wärme akkumuliert werden. Für Gläser gilt dies beispielsweise ab einer Wärme des Materials von ca. T = 1000°C. Bursts ermöglichen dementsprechend eine bessere Steuerung der Wärmeakkumulation in Glas beziehungsweise auch in opaken Materialien, so dass eine rissfreie Fügeverbindung der Fügepartner ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Wärmeakkumulation im Material durch eine Abfolge von Bursts auch dazu führen, dass die Schweißnahtlänge verlängert werden kann, im Vergleich zu einer Abfolge von Einzelpulsen bei gleicher mittlerer Leistung. Des Weiteren kann eine Änderung der Spannungsverteilung senkrecht zur Schweißnaht erreicht werden, was zu einer höheren Festigkeit der Schweißnaht führen kann.If the CTEmax falls below the first threshold CTEt1, the joining partners are joined with a sequence of bursts. The use of bursts leads to improved heat accumulation: the warmer the material, the better additional heat can be accumulated. This applies to glasses, for example, from a temperature of the material of approx. T = 1000°C. Accordingly, bursts enable better control of the heat accumulation in glass or also in opaque materials, so that a crack-free joint connection of the joint partners is made possible. For example, the heat accumulation in the material due to a sequence of bursts can also lead to the weld seam being able to be lengthened compared to a sequence of individual pulses with the same average power. Furthermore, a change in the stress distribution perpendicular to the weld can be achieved, which can lead to a higher strength of the weld.

Durch die Verwendung einer Abfolge von Bursts oder Einzelpulsen kann je nach Material (und somit je nach CTE) eine Vermeidung der Rissbildung im Material erreicht werden. Somit kann eine verbesserte Spaltüberbrückung insgesamt erreicht werden kann. Insbesondere können Materialien mit höherer Festigkeit und ohne zusätzliche Materialschichten, beispielsweise Wärmeleitschichten, gefügt werden.Depending on the material (and thus depending on the CTE), cracking in the material can be avoided by using a sequence of bursts or single pulses. Improved gap bridging can thus be achieved overall. In particular, materials with higher strength and without additional material layers, such as thermally conductive layers, can be joined.

Eine zweite Schwelle (CTEt2) kann bestimmt werden, und die Fügepartner können mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der ersten Schwelle (CTEt1) entspricht oder diese überschreitet, die Fügepartner können mit einer Abfolge von Bursts aus genau zwei Laserpulsen des Laserstrahls gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) zwischen der ersten Schwelle (CTEt1) und der zweiten Schwelle (CTEt2) liegt, und die Fügepartner können mit einer Abfolge von Bursts aus mindestens drei Laserpulsen des Laserstrahls gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der zweiten Schwelle (CTEt2) entspricht oder diese unterschreitet.A second threshold (CTEt2) can be determined and the joining partners can be joined with a sequence of single pulses of the laser beam if the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) corresponds to or exceeds the first threshold (CTEt1), the joining partners can be joined with a sequence of Bursts from exactly two laser pulses of the laser beam are joined if the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) is between the first threshold (CTEt1) and the second threshold (CTEt2), and the joining partners can be joined with a sequence of bursts from at least three laser pulses of the laser beam if the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) corresponds to or falls below the second threshold (CTEt2).

Die zweite Schwelle ist hierbei insbesondere kleiner als die erste Schwelle CTEt2 < CTEt1. Somit wird eine feinere Abstufung der Fügeparameter erreicht, so dass auch in dem Bereich zwischen CTEt1 und CTEt2 eine Verbesserung der Fügeverbindung durch das Verwenden von Bursts erreicht werden kann.In this case, the second threshold is in particular smaller than the first threshold CTEt2<CTEt1. A finer gradation of the joining parameters is thus achieved, so that an improvement in the joining connection can also be achieved in the area between CTEt1 and CTEt2 by using bursts.

Die erste Schwelle (CTEt1) kann bei 10ppm/K liegen und bevorzugt kann die zweite Schwelle (CTEt2) bei 1ppm/K liegen.The first threshold (CTEt1) can be 10 ppm/K and preferably the second threshold (CTEt2) can be 1 ppm/K.

Beispielsweise kann ein erster Fügepartner einen CTE von 5 ppm/K aufweisen und ein zweiter Fügepartner einen CTE von 11 ppm/k. Demnach ist CTEmax in diesem Beispiel gleich 11 ppm/K, so dass die Fügepartner mit einer Abfolge von Einzelpulsen gefügt werden können. Beispielsweise kann ein erster Fügepartner einen CTE von 4 ppm/K aufweisen und ein zweiter Fügepartner einen CTE von 6 ppm/k. Demnach ist CTEmax gleich 6 ppm/K, so dass die Fügepartner mit einer Abfolge von Bursts gefügt werden können, wobei jeder Burst zwei Laserpulse umfasst. Beispielsweise kann ein erster Fügepartner einen CTE von 0.01 ppm/K aufweisen und ein zweiter Fügepartner einen CTE von 0.5 ppm/k aufweisen. Demnach ist CTEmax gleich 0.5 ppm/K, so dass die Fügepartner mit einer Abfolge von Bursts gefügt werden können, wobei jeder Burst mehr als drei Laserpulse umfasst. Insbesondere sind in diesem Beispiel die thermischen Expansionskoeffizienten so klein, dass keine oder nur geringe Verspannung der Materialien gegeneinander zu erwarten ist.For example, a first joining partner can have a CTE of 5 ppm/K and a second joining partner a CTE of 11 ppm/k. Accordingly, CTEmax is equal to 11 ppm/K in this example, so that the joining partners can be joined with a sequence of individual pulses. For example, a first joining partner can have a CTE of 4 ppm/K and a second joining partner a CTE of 6 ppm/k. According to this, CTEmax is equal to 6 ppm/K, so that the joining partners can be joined with a sequence of bursts, each burst comprising two laser pulses. For example, a first joining partner can have a CTE of 0.01 ppm/K and a second joining partner can have a CTE of 0.5 ppm/k. According to this, CTEmax is equal to 0.5 ppm/K, so that the joining partners can be joined with a sequence of bursts, with each burst comprising more than three laser pulses. In particular, in this example, the thermal expansion coefficients are so small that little or no stressing of the materials against one another is to be expected.

Die erste Schwelle (CTEt1) und bevorzugt die zweite Schwelle (CTEt2) können auf Grundlage der Kombination der Materialien der Fügepartner bestimmt werden, bevorzugt in einem Vorversuch.The first threshold (CTEt1) and preferably the second threshold (CTEt2) can be determined based on the combination of the materials of the joining partners, preferably in a preliminary test.

Ein solcher Vorversuch kann beispielsweise darin bestehen, die jeweilige Materialkombination mit drei verschiedenen Schweißnähten zu fügen, wobei eine erste Schweißnaht durch eine Abfolge von Einzelpulsen erzeugt wird, eine zweite Schweißnaht durch eine Abfolge von Bursts mit je zwei Laserpulsen erzeugt wird und eine dritte Schweißnaht mit einer Abfolge von Bursts aus je drei Laserpulsen erzeugt wird. Sofern die dritte Schweißnaht Risse aufweist, ist CTEmax größer als CTE2. Sofern die zweite Schweißnaht Risse aufweist, ist CTEmax größer als CTE1. Sofern auch die erste Schweißnaht Risse aufweist ist die verwendete mittlere Laserleistung zu groß. Such a preliminary test can consist, for example, of joining the respective material combination with three different weld seams, with a first weld seam being produced by a sequence of individual pulses, a second weld seam being produced by a sequence of bursts with two laser pulses each, and a third weld seam with one Sequence of bursts of three laser pulses is generated. If the third weld cracks, CTEmax is greater than CTE2. If the second weld has cracks, CTEmax is greater than CTE1. If the first weld seam also shows cracks, the average laser power used is too high.

Dementsprechend kann die Laserleistung reduziert werden und der Vorversuch von neuem gestartet werden.Accordingly, the laser power can be reduced and the preliminary test can be started again.

Die erste Schwelle (CTEt1) und bevorzugt die zweite Schwelle (CTEt2) können auf Grundlage der Eingabe der beteiligten Materialien der Fügepartner automatisch aus einer Datenbank ausgewählt werden und auf dieser Grundlage kann eine automatische Führung des Fügevorgangs entweder mit Einzelpulsen oder mit Bursts durchgeführt werden.The first threshold (CTEt1) and preferably the second threshold (CTEt2) can be automatically selected from a database based on the input of the materials involved in the joining partners, and on this basis the joining process can be automatically guided either with single pulses or with bursts.

In eine solche Datenbank können insbesondere die Ergebnisse verschiedener Vorversuche eingepflegt werden. Eine automatische Führung kann hierbei bedeuten, dass die Einstellungen des Lasers automatisch, beispielsweise mit einem Computer, durchgeführt werden.In particular, the results of various preliminary tests can be entered into such a database. In this case, automatic guidance can mean that the settings of the laser are carried out automatically, for example using a computer.

Eine Datenbank kann insbesondere auch eine Tabelle oder ein Buch sein, aber auch eine elektronisch zugängliche Quelle.A database can in particular also be a table or a book, but also an electronically accessible source.

Die Fügepartner können an einer Grenzfläche aneinander anliegen, wobei das Fügen an der Grenzfläche durchgeführt wird und der Laserstrahl durch mindestens einen der Fügepartner hindurch im Bereich der Grenzfläche in Wechselwirkung mit mindestens einem der Fügepartner tritt.The joining partners can rest against one another at an interface, with the joining being carried out at the interface and the laser beam passing through at least one of the joining partners in the region of the interface and interacting with at least one of the joining partners.

Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass die erzeugte Schmelze den Spalt zwischen den Fügepartnern überbrückt.In this way it can be achieved in particular that the melt produced bridges the gap between the joining partners.

Die mittlere Leistung des Lasers kann zwischen 0,5W und 50W liegen.The average power of the laser can be between 0.5W and 50W.

Die mittlere Laserleistung L ergibt sich aus der Summe der Pulsenergien E über einen Zeitraum Δt. Die mittlere Laserleistung L wird dementsprechend berechnet als das Produkt aus Pulsenergie E und Repetitionsrate P: L = E * P.The mean laser power L results from the sum of the pulse energies E over a period of time Δt. The average laser power L is calculated accordingly as the product of the pulse energy E and the repetition rate P: L = E * P.

Die mittlere Leistung des Laserspots Ls ist bei einem Einzelpuls definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Repetitionsrate PE des Einzelpulses und Anzahl der Einzelpulse NE: LS,E = E * PE * NE The average power of the laser spot Ls is defined for a single pulse as the product of pulse energy E, repetition rate P E of the single pulse and number of single pulses N E : L S,E = E * P E * N E

Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst ist definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Anzahl der Pulse pro Burst Np, Anzahl der Bursts NE sowie aus der Repetitionsrate mit der die Bursts abgegeben werden PE: LS,P = E *NP * PE * NE. Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst wird somit im Vergleich zur mittleren Leistung beim Einzelpuls lediglich mit der Anzahl der Laserpulse pro Burst skaliert: LS,P = LS,E * NP.The average power of the laser spot in a burst is defined as the product of pulse energy E, number of pulses per burst Np, number of bursts N E and the repetition rate at which the bursts are emitted P E : L S,P = E *N P * P E * N E . The average power of the laser spot during a burst is thus scaled only with the number of laser pulses per burst compared to the average power of a single pulse: L S,P = L S,E * N P .

Die mittlere Leistung kann festgelegt werden als die Leistung, bei der bei einem Fügen der Fügepartner im Wesentlichen keine Rissbildung, insbesondere weniger als 1 Riss pro Millimeter Schweißnaht, auftritt.The average power can be defined as the power at which essentially no cracking occurs when the joining partners are joined, in particular less than 1 crack per millimeter of weld seam.

Das hat den Vorteil, dass der Fügevorgang keine Risse im Material erzeugt und somit das Material nicht beschädigt wird.This has the advantage that the joining process does not create any cracks in the material and therefore the material is not damaged.

Die Pulsenergie der Laserpulse in einem Burst kann für den jeweils nachfolgenden Laserpuls moduliert werden, wobei bevorzugt die Pulsenergie des jeweils nachfolgenden Laserpulses größer oder kleiner ist, als die Pulsenergie des jeweils vorhergehenden Laserpulses.The pulse energy of the laser pulses in a burst can be modulated for the respective subsequent laser pulse, with the pulse energy of the respective subsequent laser pulse preferably being greater or smaller than the pulse energy of the respective preceding laser pulse.

Dadurch kann erreicht werden, dass das Erhitzen der Fügepartner auch während eines Bursts kontrolliert stattfinden kann.In this way it can be achieved that the heating of the joining partners can also take place in a controlled manner during a burst.

Die Pulsenergie der Laserpulse kann zeitlich moduliert werden, bevorzugt bei gleichbleibender mittlerer Leistung, wobei die Modulationsfrequenz bevorzugt zwischen 100Hz und 10kHz liegt.The pulse energy of the laser pulses can be modulated over time, preferably with the average power remaining the same, with the modulation frequency preferably being between 100 Hz and 10 kHz.

Zeitlich moduliert bedeutet, dass die Pulsenergie während einer Modulationsdauer verändert wird, wobei die Modulationsdauer durch die inverse Modulationsfrequenz gegeben ist. Die Modulationsfrequenz gibt hierbei an, auf welcher Zeitskala sich die Modulationsform wiederholt. Insbesondere bedeutet eine Modulation der Pulsenergie, dass die Pulsenergie während der Modulationsdauer größer oder kleiner werden kann. Die Modulationsform gibt hierbei an, welcher mathematischen Funktion die Pulsenergie während der Modulationsdauer folgt.Temporally modulated means that the pulse energy is changed during a modulation period, the modulation period being given by the inverse modulation frequency. The modulation frequency indicates the time scale on which the modulation form is repeated. In particular, a modulation of the pulse energy means that the pulse energy can become larger or smaller during the modulation period. The modulation form indicates which mathematical function the pulse energy follows during the modulation period.

Die modulierte Pulsenergie von Puls zu Puls führt dazu, dass es Zeiten gibt, in denen weniger Pulsenergie in die oder den Fügepartner eingebracht wird und eine Temperaturrelaxation stattfinden kann. Es kann auch Zeiten geben, in denen mehr Energie eingebracht werden kann als ohne die Modulation. Damit kann eine Rissbildung gesteuert und/oder vermieden werden.The modulated pulse energy from pulse to pulse means that there are times when less pulse energy is introduced into the joining partner(s) and temperature relaxation can take place. There may also be times when more energy can be injected than without the modulation. Crack formation can thus be controlled and/or avoided.

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.

Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,02ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 2µs, bevorzugt zwischen 2µs und 1000µs, zueinander aufweisen und/oder die Einzelpulse der Abfolge von Einzelpulsen können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 0,02µs, bevorzugt zwischen 0,02µs und 1000µs, zueinander aufweisen.The laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 μs, preferably between 0.02 ns and 1000 ns, and the bursts of the sequence of bursts can each have a time interval of at least 2 μs, preferably between 2 μs and 1000 μs, and/or the individual pulses of the sequence of individual pulses can each have a time interval of at least 0.02 μs, preferably between 0.02 μs and 1000 μs.

Das hat den Vorteil, dass für viele verschiedene Materialien geeignete Fügeparameter gefunden werden können.This has the advantage that suitable joining parameters can be found for many different materials.

Die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Bursts können gleich lang sein und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Bursts für alle zum Fügen verwendeten Bursts können gleich lang sein und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen können gleich lang sein.The time intervals between the laser pulses of all bursts used for joining can be the same length and/or the time intervals between the bursts for all bursts used for joining can be the same length and/or all time intervals between all the individual pulses used for joining can be the same length.

Somit können die zeitlichen Abstände der Laserpulse durch eine feste Repetitionsfrequenz bestimmt werden. Indem eine feste Repetitionsfrequenz verwendet wird, kann insbesondere der Betrieb des Lasersystems stabilisiert werden.The time intervals between the laser pulses can thus be determined by a fixed repetition frequency. In particular, the operation of the laser system can be stabilized by using a fixed repetition frequency.

Beispielsweise können die Laserpulse eines Bursts dann eine Repetitionsfrequenz zwischen 50GHz und 1MHz aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts können eine Repetitionsfrequenz zwischen 500kHz und 1kHz aufweisen und/oder der Abfolge von Einzelpulsen können eine Repetitionsfrequenz zwischen 50 MHz und 1 kHz aufweisen.For example, the laser pulses of a burst can then have a repetition frequency between 50 GHz and 1 MHz and the bursts of the sequence of bursts can have a repetition frequency between 500 kHz and 1 kHz and/or the sequence of individual pulses can have a repetition frequency between 50 MHz and 1 kHz.

Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen. Der Laserstrahl kann in eine Fokuszone in den Fügpartnern fokussiert werden und die Fluenz in der Fokuszone kann größer als 0.01 J/cm2 für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.The laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1000 nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10 fs and 50 ps. The laser beam can be focused in a focal zone in the joining partners and the fluence in the focal zone can be greater than 0.01 J/cm 2 for a single pulse or a laser pulse of a burst.

Diese Parameter erlauben es, die Wärmeakkumulation in den Fügepartnern zu steuern, Spannungen zu reduzieren und höhere Festigkeiten der Fügeverbindung zu generieren. Insbesondere ist es so auch möglich die Prozessparameter an die jeweiligen Materialien der Fügepartner anzupassen.These parameters make it possible to control the accumulation of heat in the joint partners, to reduce stress and to generate higher strengths in the joint. In particular, it is also possible to adapt the process parameters to the respective materials of the joining partners.

Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030 nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400 fs beträgt, der Abstand der Pulse 20 ns beträgt, was einer Repetitionsrate von 50 MHz entspricht, und die Fluenz im Fokus beispielsweise 75 J/cm2 beträgt.For example, the wavelength of the ultra-short laser pulse can be 1030 nm, the pulse duration of a single pulse being 400 fs, the pulse spacing being 20 ns, which corresponds to a repetition rate of 50 MHz, and the fluence in the focus being 75 J/cm 2 , for example.

Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander bewegt und/oder positioniert werden.The laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to one another.

Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder die Fügepartner oder sowohl der Laserstrahl als auch die Fügepartner bewegt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich eine zusammenhängende Schweißnaht zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.Moving relative to each other can mean that either the laser beam or the joining partners or both the laser beam and the joining partners are moved. In this way it can be achieved that the laser beam introduces joints at different locations of the joint partners. In particular, this makes it possible to produce a continuous weld seam between the two joining partners.

Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs kontinuierlich Laserpulse oder Bursts in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Eindringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird.The movement can take place with a feed, with laser pulses or bursts being able to be introduced continuously into the joining partners during the feed. A positioning of the joining partners relative to the laser beam consists in bringing the focus zone of the laser beam into the desired penetration depth and into the desired location.

Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl ist, und der Laserstrahl kann bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweisen. Der Laserstrahl kann aber auch ein Gauß'scher Laserstrahl sein.The laser beam can be a quasi-non-diffracting laser beam, preferably a Bessel beam or a Gauss-Bessel beam, and the laser beam can preferably have a focal zone that is elongated in the beam propagation direction. However, the laser beam can also be a Gaussian laser beam.

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 Gaussian laser beam is characterized in that the beam profile, ie 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 Laserstrahl kann aber auch ein quasi nicht-beugender Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung: 2 U ( x ,y ,z ) + k 2 U ( x ,y ,z ) = 0

Figure DE102020133628A1_0001
und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form U ( x ,y ,z ) = U t ( x ,y ) exp ( ik z z )
Figure DE102020133628A1_0002
auf. Hierbei ist k=ω/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k2=kz 2+kt 2 und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: I ( x ,y ,z ) = | U ( x ,y ,z ) | 2 = I ( x ,y ,0 ) .
Figure DE102020133628A1_0003
However, a laser beam can also be a quasi non-diffracting beam. Non-diffracting rays obey the Helmholtz equation: 2 u ( x y e.g ) + k 2 u ( x y e.g ) = 0
Figure DE102020133628A1_0001
and show a clear separability into a transverse and a longitudinal dependence of the shape u ( x y e.g ) = u t ( x y ) ex ( ik e.g e.g )
Figure DE102020133628A1_0002
on. Here k=ω/c is the wave vector with its transversal and longitudinal components k 2 =k z 2 +k t 2 and Ut(x,y) is an arbitrary complex-valued function that depends only on the transversal coordinates x,y depends. The z-dependence in the direction of beam propagation in U(x,y,z) leads to a pure phase modulation, so that the associated intensity I of the solution is propagation-invariant or non-diffractive: I ( x y e.g ) = | u ( x y e.g ) | 2 = I ( x y ,0 ) .
Figure DE102020133628A1_0003

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, mit Strahlformungsoptiken realisieren, wie weiter untern beschrieben wird. 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, with beam shaping optics, as will be described further below. 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 transversal dimensions of local intensity maxima as the transversal focal zone or as the diameter of the beam profile for quasi-non-diffracting rays d ND 0 as the shortest distance of directly adjacent, opposite intensity minima.

Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nichtbeugenden 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.

Durch den quasi nicht-beugenden Strahl wird eine gegebene Laserintensität auf einen insbesondere auch in Ausbreitungsrichtung vergrößerten Bereich homogen verteilt. Dadurch wird einer Rissbildung vorgebeugt, so dass größere Anbindungsquerschnitte bzw. Schweißnähte insbesondere auch in Ausbreitungsrichtung erzeugt werden können.Due to the quasi non-diffracting beam, a given laser intensity is homogeneously distributed over an area that is enlarged in particular in the direction of propagation. This prevents the formation of cracks, so that larger connection cross sections or weld seams can be produced, especially in the direction of propagation.

Durch den quasi nicht-beugenden Strahl kann auch eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Fügen erreicht werden. Somit wird beispielsweise der Einfluss lokaler Welligkeiten des Materials und der Fokusjustage reduziert. Entsprechend kann es von Vorteil sein einen quasi nichtbeugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zum Fügen zu verwende. 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. Zur Überbrückung größerer Spalte ist die Verwendung eines quasi nichtbeugenden Strahls besonders vorteilhaft, da im Vergleich zu einem beugenden Gauss-Strahl größere Spalte überbrückt werden können. Damit können die Anforderungen an die Oberflächen der Fügepartner beispielsweise bezüglich deren Rauheit oder Ebenheit reduziert werden und dennoch das gewünschte Fügeergebnis erreicht werden.Due to the virtually non-diffracting beam, a significantly larger focus position tolerance can also be achieved during joining. Thus, for example, the influence of local ripples in the material and the focus adjustment is reduced. Accordingly, it can be advantageous to use a virtually non-diffracting beam, in particular a Bessel beam, for joining. 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. The use of a quasi non-diffracting beam is particularly advantageous for bridging larger gaps, since larger gaps can be bridged in comparison to a diffracting Gaussian beam. In this way, the requirements on the surfaces of the joining partners, for example with regard to their roughness or flatness, can be reduced and the desired joining result can still be achieved.

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. Für das Fügen werden zudem Fokuszonen mit einer Länge zwischen 150µm und 500µm bevorzugt, wobei zur Erzeugung großer Anbindungsquerschnitte bzw. zur Erzeugung breiter Schweißnähte eine Länge von 300 µm besonders bevorzugt wird.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. Focus zones with a length of between 150 μm and 500 μm are also preferred for joining, with a length of 300 μm being particularly preferred to produce large connection cross sections or to produce wide weld seams.

Insbesondere kann der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden werden, wobei die Laserenergie in einer „Fokuszone“ konvergiert. Insbesondere wird daher im Folgenden der Ausdruck „Fokus“ unabhängig von der tatsächlich verwendeten Strahlform und den Methoden zur Herbeiführung einer Intensitätsüberhöhung verwendet. Durch eine „Fokussierung“ kann auch der Ort der Intensitätserhöhung entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Intensitätsüberhöhung quasi punktförmig sein und die Fokuszone einen Gauß-förmigen Intensitätsquerschnitt aufweisen, wie er von einem Gauß'schen Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird. Die Intensitätsüberhöhung kann auch linienförmig ausgebildet sein, wobei sich um die Fokusposition eine Besselförmige Fokuszone ergibt, wie sie von einem nicht-beugenden Strahl zur Verfügung gestellt werden kann. Des Weiteren sind auch andere komplexere Strahlformen möglich, deren Fokusposition sich in drei Dimensionen erstreckt, wie beispielsweise ein Multi-Spot-Profil aus Gauß'schen Laserstrahlen.In particular, the term "focus" can be understood in general as a targeted increase in intensity, with the laser energy converging in a "focus zone". In particular, the term "focus" is therefore used in the following regardless of the beam shape actually used and the methods for bringing about an intensity increase. The location of the increase in intensity along the direction of beam propagation can also be influenced by "focusing". For example, the increase in intensity can be more or less punctiform and the focus zone can have a Gaussian intensity cross section, as is provided by a Gaussian laser beam. The increase in intensity can also be in the form of a line, with a Bessel-shaped focal zone being produced around the focal position, as can be provided by a non-diffracting beam. Furthermore, other more complex beam shapes are also possible, the focus position of which extends in three dimensions, such as a multi-spot profile of Gaussian laser beams.

Durch eine entsprechende Fokussieroptik kann der Laserstrahl entlang der Ausbreitungsrichtung fokussiert werden. Bei der Fokussierung wird die Intensität des Laserstrahls hin zur Position des Laserfokus maximiert. In Strahlausbreitungsrichtung vor oder hinter der Position der Fokuszone ist die Intensität des Laserstrahls dementsprechend geringer als in der Position der Fokuszone selbst. Dies gilt insbesondere für Gauß'sche Strahlen, die eine definierte Fokussierung ermöglichen. Bei quasi-nichtbeugenden Strahlen, beispielsweise Besselstrahlen beziehungsweise deren experimenteller Umsetzung, findet eine Fokussierung nicht oder nur in geringerem Maße statt, so dass sich hier eher eine in Strahlausbreitungsrichtung ausgedehnte Fokuszone als eine definierte Fokusposition ergibt.The laser beam can be focused along the propagation direction by means of appropriate focusing optics. During focusing, the intensity of the laser beam is maximized towards the position of the laser focus. In the direction of beam propagation in front of or behind the position of the focal zone, the intensity of the laser beam is accordingly lower than in the position of the focal zone itself. This applies in particular to Gaussian beams, which enable defined focusing. In the case of quasi-non-diffracting beams, for example Bessel beams or their experimental implementation, focusing does not take place or only to a lesser extent, so that the result here is a focus zone that is extended in the direction of beam propagation rather than a defined focus position.

Durch eine Verschiebung der Position des Laserfokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung, beziehungsweise einer Fokussierung, kann somit relativ zu einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials die Einbringtiefe des Lasers festgelegt werden, wobei die Einbringtiefe durch den Abstand der Fokusposition zur Oberfläche des Materials gegeben ist.By shifting the position of the laser focus along the beam propagation direction, or by focusing, the insertion depth of the laser can be determined relative to a surface of a material to be processed, with the insertion depth being given by the distance between the focus position and the surface of the material.

Figurenlistecharacter list

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens;
  • 2 verschiedene Laserpulskonfigurationen in Abhängigkeit vom CTE der Fügepartner;
  • 3 Schweißnähte mit und ohne an die CTEs der Fügepartner angepassten Laserpulskonfiguration;
  • 4 verschiedene mögliche Laserstrahlprofile; und
  • 5 zeitlich modulierte Laserpulskonfigurationen.
Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. show:
  • 1 a schematic structure for carrying out the method;
  • 2 different laser pulse configurations depending on the CTE of the joining partners;
  • 3 Welds with and without laser pulse configuration adapted to the CTEs of the joining partners;
  • 4 various possible laser beam profiles; and
  • 5 time-modulated laser pulse configurations.

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 1 ist schematisch ein Aufbau 1 zur Durchführung des Verfahrens gezeigt und sehr schematisch ein Querschnitt zweier miteinander zu fügender Fügepartner 3, 8. Die Fügepartner 3, 8 sind hierbei an einer gemeinsamen Grenzfläche 7 aufeinanderliegend angeordnet.In 1 1 is a schematic representation of a structure 1 for carrying out the method and a very schematic cross section of two joining partners 3, 8 to be joined together.

Ein Ultrakurzpulslaser 4 stellt ultrakurze Laserpulse eines Laserstrahls 5 zur Verfügung. Diese können in Form einer Abfolge von Einzelpulsen oder in Form einer Abfolge von Bursts in die Fügepartner 3, 8 eingebracht werden.An ultra-short pulse laser 4 provides ultra-short laser pulses of a laser beam 5. These can be introduced into the joining partners 3, 8 in the form of a sequence of individual pulses or in the form of a sequence of bursts.

Dabei kann die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegen und/oder die Repetitionsrate der Abfolge der Einzelpulse oder der Bursts kann zwischen 1kHz und 50 MHz liegen und/oder die Repetitionsrate der Laserpulse in einem Burst kann zwischen 1MHz und 50GHz liegen. Insbesondere kann die mittlere Laserleistung eines Laserspots zwischen 0,5W und 50W liegen.The laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm and/or the repetition rate of the sequence of individual pulses or bursts can be between 1 kHz and 50 MHz and/or the repetition rate of the laser pulses in a burst can be between 1 MHz and 50 GHz. In particular, the average laser power of a laser spot can be between 0.5W and 50W.

Der Laserstrahl 5 wird durch eine hier sehr schematisch gezeigte, geeignete Fokussieroptik 6 so fokussiert, dass die Fokuszone F, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 5, in etwa mit der gemeinsamen Grenzfläche 7 der beiden Fügepartner 3, 8 zusammenfällt.The laser beam 5 is focused by suitable focusing optics 6, shown very schematically here, in such a way that the focus zone F, i.e. the area of increased intensity of the laser beam 5, approximately coincides with the common interface 7 of the two joining partners 3, 8.

Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone F mindestens 0,01J/cm2 betragen. Durch eine Fokussierung mit der Fokussieroptik 6 kann hier insbesondere die Eintragshöhe der Fokuszone F relativ zur in Strahlrichtung ersten Oberfläche des Schichtsystems 8 bestimmt werden. Um den Laserstrahl 5 in die gemeinsame Grenzfläche 7 der Fügepartner 3, 8 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 transparent für die Wellenlänge des Lasers 4 sein. For example, the fluence in the focal zone F can be at least 0.01J/cm 2 . By focusing with the focusing optics 6, in particular the insertion height of the focal zone F can be determined here relative to the first surface of the layer system 8 in the beam direction. In order to focus the laser beam 5 in the common interface 7 of the joining partners 3 , 8 , the first joining partner 8 in the beam propagation direction must be transparent to the wavelength of the laser 4 .

An der Grenzfläche 7 werden in der Fokuszone F aufeinander folgende Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 3, 8 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 7 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 8, 3 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 3, 8. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 3, 8 in diesem Bereich miteinander durch Schweißen gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügebereich bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 3, 8 bildet eine Schweißnaht aus.At the boundary surface 7, successive laser pulses are absorbed in the focus zone F in such a way that the material of the joining partners 3, 8 melts and connects across the boundary surface 7 to the other joining partner 8, 3 in each case. As soon as the melt cools down, there is a permanent connection between the two parts to be joined 3, 8. In other words, the two parts to be joined 3, 8 are welded to one another in this area joined. This area, in which the melting and joining of the materials and the subsequent cooling of the melt takes place and in which the actual joining takes place, is also referred to as the joining area. The cooled melt and material connection of the joining partners 3, 8 forms a weld seam.

Durch die starke thermische Expansion der beiden Fügepartner 3, 8 kann es während oder nach dem Fügevorgang, insbesondere während des Abkühlvorgangs, zur Rissbildung kommen. Diese kann zum einen durch eine zu große mittlere Leistung des Lasers 4 begründet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass über die Konfiguration der Laserbestrahlung der Fügepartner 3, 8 bei gleicher mittlerer Leistung eine rissfreie Spaltüberbrückung ermöglicht werden kann.Due to the strong thermal expansion of the two joining partners 3, 8, cracks can form during or after the joining process, in particular during the cooling process. On the one hand, this can be due to the average power of the laser 4 being too great. However, it is also possible that the configuration of the laser irradiation of the joining partners 3, 8 can enable crack-free bridging of the gap with the same average power.

In 2 sind exemplarisch verschiedene Konfigurationen für die Laserbestrahlung dargestellt.In 2 different configurations for laser irradiation are shown as examples.

Beispielsweise kann der Fügepartner 3 einen ersten thermischen Expansionskoeffizienten CTE3 aufweisen und der zweite Fügepartner 8 kann einen zweiten thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen CTE8. Maßgeblich für die Art der Laserbestrahlung ist hierbei der größere der thermischen Expansionskoeffizienten CTEmax = max(CTE3, CTE8).For example, the joining partner 3 can have a first thermal expansion coefficient CTE3 and the second joining partner 8 can have a second thermal expansion coefficient CTE8. The larger of the thermal expansion coefficients CTEmax=max(CTE3, CTE8) is decisive for the type of laser irradiation.

Sofern CTEmax größer gleich einer ersten Schwelle CTEt1 ist, ist es besonders vorteilhaft die mittlere Laserleistung in Form von einer Abfolge von Einzelpulsen in die Fügepartner einzubringen. Dies ist sehr schematisch in 2 a) gezeigt.If CTEmax is greater than or equal to a first threshold CTEt1, it is particularly advantageous to introduce the average laser power into the joining partners in the form of a sequence of individual pulses. This is very schematic in 2 a) shown.

Sofern CTEmax kleiner als die erste Schwelle CTEt1 ist, ist es besonders vorteilhaft die mittlere Laserleistung mittels einer Abfolge von Bursts in das Material abzugeben. Sofern CTEmax größer als CTEt2 und kleiner als CTEt1 ist, werden bevorzugt Bursts verwendet, welche genau zwei Laserpulse umfassen. Dies ist sehr schematisch in 2 b) gezeigt.If CTEmax is smaller than the first threshold CTEt1, it is particularly advantageous to deliver the mean laser power into the material by means of a sequence of bursts. If CTEmax is greater than CTEt2 and less than CTEt1, bursts are preferably used which include exactly two laser pulses. This is very schematic in 2 B) shown.

Falls CTEmax kleiner als CTEt2 ist können auch mehr als zwei Laserpulse pro Burst verwendet werden. Dies ist sehr schematisch in 2 c) gezeigt.If CTEmax is smaller than CTEt2, more than two laser pulses per burst can also be used. This is very schematic in 2c) shown.

Beispielsweise kann CTEt1 100ppm/K groß sein und CTEt2 1ppm/K groß sein. Je nach Material der Fügepartner 3, 8 und den entsprechenden thermischen Expansionskoeffizienten CTE kann dann eine Zuordnung in das obige Schema stattfinden.For example, CTEt1 can be 100ppm/K and CTEt2 can be 1ppm/K. Depending on the material of the joining partners 3, 8 and the corresponding thermal expansion coefficients CTE, an allocation to the above scheme can then take place.

In 3A ist die Draufsicht auf die Fügepartner 3, 8 gezeigt, wobei der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 zu sehen ist. Mittels eines Vorschubsystems (nicht gezeigt) wurde eine Vielzahl an Schweißpunkten zur Ausbildung einer Schweißnaht 9 in die Grenzfläche 7 des Schichtsystems aus Fügepartnern 3, 8 eingebracht. Dabei wurden die Fügepartner und der Laserstrahl 5 relativ zueinander mit einer Vorschubgeschwindigkeit VG verschoben, um eine durchgängige Schweißnaht zu erzeugen.In 3A the top view of the joining partners 3, 8 is shown, with the first joining partner 8 in the beam propagation direction being visible. By means of a feed system (not shown), a large number of spot welds were introduced into the interface 7 of the layered system of joining partners 3, 8 in order to form a weld seam 9. The joining partners and the laser beam 5 were shifted relative to one another at a feed rate VG in order to produce a continuous weld seam.

Beispielsweise kann die Vorschubgeschwindigkeit VG, also die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl 5 und den Fügepartnern 3, 8, zwischen 0,01 und 1000mm/s liegen. Beispielsweise war in diesem Fall die mittlere Leistung 1W, wobei CTEmax 0,5ppm/K, CTEt1 100ppm/K und CTEt2 1ppm/K betragen haben. Ferner wurde eine Abfolge von Einzelpulsen in das Material eingebracht. Es sind deutliche Risse 90 entlang der Schweißnaht 9 zu sehen.For example, the feed speed VG, ie the relative speed of movement between the laser beam 5 and the joining partners 3, 8, can be between 0.01 and 1000 mm/s. For example, in this case the average power was 1W, with CTEmax being 0.5ppm/K, CTEt1 being 100ppm/K and CTEt2 being 1ppm/K. Furthermore, a sequence of single pulses was introduced into the material. Clear cracks 90 along the weld seam 9 can be seen.

In 3B sind die gleichen Fügepartner 3, 8 in Draufsicht gezeigt, wobei wiederum mehrere Schweißnähte eingeschrieben wurden. Im Unterschied zu 3A wurde hierbei eine Abfolge von Bursts verwendet, wobei jeder Burst vier Laserpulse umfasst hat. Die mittlere Leistung des Lasers war identisch zu 3A. Es ist im Vergleich zu 3A deutlich zu sehen, dass eine Rissbildung im Bereich der Schweißnaht 9 unterblieben ist, da die veränderte Laserpulskonfiguration und Energieeinbringung eine Schädigung der Fügepartner 3, 8 vermeidet. Insbesondere weist die Fügeverbindung in 2B weniger als einen Riss pro Millimeter auf, so dass die Fügeverbindung rissfrei ist.In 3B the same joining partners 3, 8 are shown in a top view, again with several welds being inscribed. In contrast to 3A a sequence of bursts was used, each burst comprising four laser pulses. The mean power of the laser was identical too 3A . It's compared to 3A It can clearly be seen that no cracks formed in the area of the weld seam 9, since the changed laser pulse configuration and energy input prevent damage to the joining partners 3, 8. In particular, the joint connection in 2 B less than one crack per millimeter, so that the joint is free of cracks.

In 4A ist der Intensitätsverlauf und Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Laserstrahls 5 gezeigt. Insbesondere ist der quasi nicht-beugende Strahl 5 ein Bessel-Gauß-Strahl. Im Strahlquerschnitt in der x-y Ebene weist der Bessel-Gauß-Strahl eine Radialsymmetrie auf, so dass die Intensität des Laserstrahls nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Insbesondere ist der transversale Strahldurchmesser dND 0 zwischen 0,25µm und 10µm groß.In 4A the intensity profile and beam cross section of a quasi-non-diffracting laser beam 5 is shown. In particular, the quasi-non-diffractive beam 5 is a Bessel-Gaussian beam. In the beam cross-section in the xy plane, the Bessel-Gauss beam has radial symmetry, so that the intensity of the laser beam only depends on the distance from the optical axis. In particular, the transverse beam diameter d ND 0 is between 0.25 μm and 10 μm.

In 4B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also der Strahlquerschnitt in Strahlausbreitungsrichtung, gezeigt. Der Strahlquerschnitt weist eine elongierte Fokuszone auf, die etwa 300 µm groß ist. Damit ist die Fokuszone F in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als der Strahlquerschnitt in der x-y-Ebene, so dass eine elongierte Fokuszone vorliegt.In 4B shows the longitudinal beam cross-section, i.e. the beam cross-section in the direction of beam propagation. The beam cross-section has an elongated focal zone that is about 300 µm in size. The focus zone F is thus significantly larger in the direction of propagation than the beam cross section in the xy plane, so that there is an elongated focus zone.

In 4C ist analog zu 4A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in der y-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.In 4C is analogous to 4A a Bessel beam is shown which has a non-radially symmetric beam cross-section. In particular, the beam cross-section appears stretched in the y-direction, almost elliptical.

In 4D ist die longitudinale Fokuszone des Bessel-Strahls gezeigt, die erneut eine longitudinale Ausdehnung von etwa 300µm aufweist. Auch der Bessel-Strahl weist dementsprechend eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone auf.In 4D shows the longitudinal focal zone of the Bessel beam, which again has a longitudinal extension of about 300 µm. Accordingly, the Bessel beam also has a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation.

In 5A ist eine zeitliche Modulation der Pulsenergie gezeigt. Die schwarzen Balken können verstanden werden als Einzelpulse, so dass die Pulsenergie aufeinanderfolgender Einzelpulse moduliert wird. Die schwarzen Balken können auch als Bursts verstanden werden, so dass aufeinanderfolgende Bursts unterschiedliche mittlere Energien aufweisen. Insbesondere kann die Gesamtheit an schwarzen Balken auch ein Burst sein, so dass die zeitliche Modulation während eines Bursts stattfindet. Die Modulationsrate kann zwischen 100 Hz und 10 kHz betragen, bspw. 1 kHz. Beispielsweise können bei 200kHz Modulationsrate und 2 Pulse umfassenden Bursts 200 Bursts während einer Periodendauer vorgesehen sein.In 5A a temporal modulation of the pulse energy is shown. The black bars can be understood as single pulses, so that the pulse energy of consecutive single pulses is modulated. The black bars can also be understood as bursts, so that consecutive bursts have different mean energies. In particular, all of the black bars can also be a burst, so that the temporal modulation takes place during a burst. The modulation rate can be between 100 Hz and 10 kHz, for example 1 kHz. For example, with a 200 kHz modulation rate and bursts comprising 2 pulses, 200 bursts can be provided during one period.

Die Modulationsform ist Sinus2-förmig, sodass beispielsweise die auf einander folgenden Einzelpulse in ihrer Pulsenergie gemäß der Sinus2-Funktion voneinander abweichen. Analog dazu ist in 5B eine zeitliche Modulation der Pulsenergie gezeigt wobei die Modulationsform hier dreiecksförmig ist. Die Laserpulsenergie folgt hierbei einer Dreiecksfunktion.The modulation form is sine 2 -shaped, so that, for example, the pulse energy of the successive individual pulses differ from one another according to the sine 2 function. Analogous to this is in 5B a temporal modulation of the pulse energy is shown, the modulation shape being triangular here. The laser pulse energy follows a triangular function.

Durch die gezeigten Modulationsformen ist es möglich, dass die Fügepartner 30, 31 sich zwischen dem Einbringen der Pulse mit der dargestellten Maximalleistung leicht abkühlen können, so dass eine Rissbildung im Material der Fügepartner 30, 31 verhindert wird.The modulation forms shown make it possible for the joining partners 30, 31 to cool down slightly between the introduction of the pulses with the maximum power shown, so that cracking in the material of the joining partners 30, 31 is prevented.

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 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
Vorrichtungcontraption
33
Fügepartnerjoining partner
44
Laserlaser
55
Laserstrahllaser beam
66
Fokussieroptikfocusing optics
77
Grenzflächeinterface
88th
Fügepartnerjoining partner
99
SchweißnahtWeld
9090
Riss Crack
Ff
Fokuszonefocus zone
VGVG
Vorschubgeschwindigkeitfeed rate

Claims (15)

Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (5) eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (3, 8) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei alle Fügepartner (3, 8) einen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) aufweisen und mindestens einer der Fügepartner (3, 8) einen größten thermischen Expansionskoeffizienten (CTEmax) aller Fügepartner (3, 8) aufweist, wobei die Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) miteinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schwelle (CTEt1) des thermischen Expansionskoeffizienten ermittelt wird, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der ersten Schwelle (CTEt1) entspricht oder diese überschreitet, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Bursts aus mindestens zwei Laserpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) die erste Schwelle (CTEt1) unterschreitet.Method for joining at least two joining partners (3, 8) using ultra-short laser pulses of a laser beam (5) from an ultra-short pulse laser (4), with at least one of the joining partners (3, 8) being transparent for the laser wavelength used, with all joining partners (3, 8) have a thermal expansion coefficient (CTE) and at least one of the joining partners (3, 8) has the highest thermal expansion coefficient (CTEmax) of all joining partners (3, 8), the joining partners (3, 8) being connected to one another by means of ultra-short laser pulses of the laser beam (5). are joined, characterized in that a first threshold (CTEt1) of the thermal expansion coefficient is determined, and the joining partners (3, 8) are joined with a sequence of individual pulses of the laser beam (5) if the greatest thermal expansion coefficient (CTEmax) of the first Threshold (CTEt1) corresponds to or exceeds it, and the joining partners (3, 8) with a sequence of bursts of at least two laser pulses de s laser beam (5) are joined when the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) falls below the first threshold (CTEt1). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schwelle (CTEt2) bestimmt wird, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Einzelpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der ersten Schwelle (CTEt1) entspricht oder diese überschreitet, die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Bursts aus genau zwei Laserpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) zwischen der ersten Schwelle (CTEt1) und der zweiten Schwelle (CTEt2) liegt, und die Fügepartner (3, 8) mit einer Abfolge von Bursts aus mindestens drei Laserpulsen des Laserstrahls (5) gefügt werden, wenn der größte thermische Expansionskoeffizient (CTEmax) der zweiten Schwelle (CTEt2) entspricht oder diese unterschreitet.procedure after claim 1 , characterized in that a second threshold (CTEt2) is determined and the joining partners (3, 8) are joined with a sequence of individual pulses of the laser beam (5) when the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) corresponds to the first threshold (CTEt1). or exceeds this, the joining partners (3, 8) are joined with a sequence of bursts of exactly two laser pulses of the laser beam (5) if the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) between the first threshold (CTEt1) and the second threshold (CTEt2) and the joining partners (3, 8) are joined with a sequence of bursts of at least three laser pulses of the laser beam (5) if the largest thermal expansion coefficient (CTEmax) corresponds to or falls below the second threshold (CTEt2). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwelle (CTEt1) bei 10ppm/K liegt und bevorzugt die zweite Schwelle (CTEt2) bei 1ppm/K liegt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the first threshold (CTEt1) is 10ppm/K and the second threshold (CTEt2) is preferably 1ppm/K. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwelle (CTEt1) und bevorzugt die zweite Schwelle (CTEt2) auf Grundlage der Kombination der Materialien der Fügepartner (3, 8) bestimmt werden, bevorzugt in einem Vorversuch.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first threshold (CTEt1) and preferably the second threshold (CTEt2) based on the combination of the materials of the joining partners (3, 8) are determined, preferably in a preliminary test. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwelle (CTEt1) und bevorzugt die zweite Schwelle (CTEt2) auf Grundlage der Eingabe der beteiligten Materialien der Fügepartner (3, 8) automatisch aus einer Datenbank ausgewählt werden und auf dieser Grundlage eine automatische Führung des Fügevorgangs entweder mit Einzelpulsen oder mit Bursts durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first threshold (CTEt1) and preferably the second threshold (CTEt2) based on the input of the materials involved in the joining partners (3, 8) are automatically selected from a database and on this basis a automatic guidance of the joining process is carried out either with single pulses or with bursts. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (3, 8) an einer Grenzfläche (7) aneinander anliegen, wobei das Fügen an der Grenzfläche (7) durchgeführt wird und der Laserstrahl (5) durch mindestens einen der Fügepartner (3, 8) hindurch im Bereich der Grenzfläche (7) in Wechselwirkung mit mindestens einem der Fügepartner (3, 8) tritt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the joining partners (3, 8) rest against one another at an interface (7), the joining being carried out at the interface (7) and the laser beam (5) passing through at least one of the joining partners ( 3, 8) interacts with at least one of the joining partners (3, 8) in the region of the interface (7). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des Lasers (4) zwischen 0,5W und 50W liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the average power of the laser (4) is between 0.5W and 50W. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung festgelegt wird als die Leistung, bei der bei einem Fügen der Fügepartner (3, 8) im Wesentlichen keine Rissbildung, insbesondere weniger als 1 Riss (90) pro Millimeter Schweißnaht (9), auftritt.procedure after claim 7 , characterized in that the average power is defined as the power at which essentially no cracking occurs when the joining partners (3, 8) are joined, in particular less than 1 crack (90) per millimeter of the weld seam (9). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserpulse in einem Burst für den jeweils nachfolgenden Laserpuls moduliert wird, bevorzugt die Pulsenergie des jeweils nachfolgenden Laserpulses größer oder kleiner ist, als die Pulsenergie des jeweils vorhergehenden Laserpulses ist.procedure after claim 7 or 8th , characterized in that the pulse energy of the laser pulses is modulated in a burst for the respective subsequent laser pulse, preferably the pulse energy of the respective subsequent laser pulse is greater or smaller than the pulse energy of the respective preceding laser pulse. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserpulse zeitlich moduliert wird, bevorzugt bei gleichbleibender mittlerer Leistung, wobei die Modulationsfrequenz bevorzugt zwischen 100Hz und 10kHz liegt.procedure after claim 9 , characterized in that the pulse energy of the laser pulses is modulated in time, preferably with the average power remaining the same, the modulation frequency preferably being between 100 Hz and 10 kHz. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laserpulse eines Bursts jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 2µs, bevorzugt zwischen 2µs und 1000µs, zueinander aufweisen und/oder - die Einzelpulse der Abfolge von Einzelpulsen jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 0,02µs, bevorzugt zwischen 0,02µs und 1000µs, zueinander aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the laser pulses of a burst each have a time interval of at most 1 µs, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, and the bursts of the sequence of bursts each have a time interval of at least 2 µs, preferably between 2 μs and 1000 μs to one another and/or the individual pulses of the sequence of individual pulses each have a time interval of at least 0.02 μs, preferably between 0.02 μs and 1000 μs, to one another. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Bursts gleich lang sind und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Bursts für alle zum Fügen verwendeten Bursts gleich lang sind und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen gleich lang sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the time intervals between the laser pulses of all bursts used for joining are the same length and/or the time intervals between the bursts are the same length for all bursts used for joining and/or all time intervals between all of them single pulses used for joining are of the same length. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegt, bevorzugt bei 1000nm, und/oder - die Pulsdauer der Laserpulse zwischen 10fs und 50ps liegt, und/oder - der Laserstrahl (5) und die Fügepartner (3, 8) relativ zueinander bewegt und/oder positioniert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the laser wavelength is between 200nm and 5000nm, preferably 1000nm, and/or - the pulse duration of the laser pulses is between 10fs and 50ps, and/or - the laser beam (5) and the joining partners (3, 8) are moved and/or positioned relative to one another. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) in eine Fokuszone (F) in den Fügepartnern (3, 8) fokussiert ist und die Fluenz in der Fokuszone (F) größer als 0.01 J/cm2 für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (5) is focused in a focal zone (F) in the joining partners (3, 8) and the fluence in the focal zone (F) is greater than 0.01 J/cm 2 for a individual single pulse or a laser pulse of a burst. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) ein quasi nicht-beugender Laserstrahl (5) ist, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl ist, und der Laserstrahl (5) bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (F) aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (5) is a quasi non-diffracting laser beam (5), preferably a Bessel beam or a Gauss-Bessel beam, and the laser beam (5) is preferably elongated in the direction of beam propagation Focus zone (F) has.
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