DE102020133629A1

DE102020133629A1 - Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner

Info

Publication number: DE102020133629A1
Application number: DE102020133629.2A
Authority: DE
Inventors: Tim Hesse; Felix Zimmermann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (20, 21) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (20, 21) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist und mindestens ein dünnster Fügepartner (20) mit einer geringsten Materialdicke (D) aller Fügepartner (20, 21) vorliegt, wobei die Fügepartner (20, 21) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) entlang einer Fügetrajektorie (3) mit einer Fügenaht (30) miteinander gefügt werden, wobei die Fügetrajektorie (3) mindestens eine Krümmung mit einem kleinsten Krümmungsradius (R) aufweist und die Fügenaht (30) eine Fügenahtbreite (B) aufweist, und der kleinste Krümmungsradius (R) der Fügetrajektorie (3) größer als ein von der Materialdicke (D) des dünnsten Fügepartners (20) und/oder von der Fügenahtbreite (B) der Fügenaht (30) abhängiger Schwellwert gewählt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers.
Stand der Technik
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.
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.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs -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.
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.
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.
Solche Risse treten bevorzugt in Bereichen auf, in denen eine lineare Fügenaht unter einem Winkel auf eine andere lineare Fügenaht trifft. Zur Reduktion der Materialspannungen in solchen Bereichen ist es daher aus US2013/0344302A1 bekannt, lediglich Fügenähte mit abgerundete Ecken in die Fügepartner einzubringen, wodurch die Rissbildung verringert wird.
Jedoch werden gemäß Stand der Technik keine Rundungskriterien in Abhängigkeit von der Materialdicke und der Fügenahtbreite angegeben, mit denen eine Rissbildung vermieden werden soll.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist und mindestens ein dünnster Fügepartner mit einer geringsten Materialdicke aller Fügepartner vorliegt, wobei die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls entlang einer Fügetrajektorie mit einer Fügenaht miteinander gefügt werden, wobei die Fügetrajektorie mindestens eine Krümmung mit einem kleinsten Krümmungsradius aufweist und die Fügenaht eine Fügenahtbreite aufweist. Erfindungsgemäß wird der kleinste Krümmungsradius der Fügetrajektorie größer als ein von der Materialdicke des dünnsten Fügepartners und/oder von der Fügenahtbreite der Fügenaht abhängiger Schwellwert gewählt.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Insbesondere kann ein Ultrakurzpulslaser Laserpulse mit einer Pulslänge von vorzugsweise weniger als 10ns, bevorzugt weniger als 500ps abgeben.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Pulszüge zur Verfügung stellen, wobei jeder Pulszug das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Pulszügen kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Laserpulszugs im GHz Bereich stattfindet.
Eine Abfolge von Pulszüge oder Einzelpulsen bedeutet, dass mehrere Pulszüge oder Einzelpulse von dem Laser nacheinander abgegeben werden. Eine Abfolge von Pulszügen oder Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Pulszüge oder zwei Einzelpulse. Insbesondere können die Pulszüge oder Einzelpulse der Abfolge gleichartig sein. Gleichartig sind die Pulszüge oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Pulszügen - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Pulszugs aufweisen.
Der in Strahlrichtung oberste oder die in Strahlrichtung obersten Fügepartner können transparent sein. Die Transparenz 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 den Fügepartnern lokalisiert werden kann.
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.
Die Fügepartner weisen zudem Materialdicken auf, wobei einer oder mehrere Fügepartner die geringste Materialdicke aller Fügepartner aufweist. Beispielsweis können vier Fügepartner miteinander gefügt werden, wobei die Materialdicke des ersten Fügepartners 2mm, die Materialdicke des zweiten Fügepartners 200µm beträgt, die Materialdicke des dritten Fügepartners 200µm beträgt und die Materialdicke des vierten Fügepartners 600µm beträgt. Somit beträgt die geringste Materialdicke im Beispiel 200µm. Sowohl der zweite als auch der dritte Fügepartner weisen die geringste Materialdicke auf, so dass mindestens ein Fügepartner die geringste Materialdicke aufweist. Insbesondere ist damit der zweite als auch der dritte Fügepartner der dünnste Fügepartner. Wenn alle Fügepartner die gleiche Materialdicke aufweisen, so wird diese Materialdicke als die geringste Materialdicke verstanden. Mit anderen Worten ist es zum Auffinden der geringsten Materialdicke nicht zwingend notwendig, dass mindestens zwei unterschiedliche Materialdicken vorliegen, sondern es kann auch eine einzige Materialdicke vorliegen, die dann für alle Fügepartner gilt und die dann als die dünnste Materialdicke angesehen wird.
Die Fügepartner sind aufeinander angeordnet, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche 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 kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials des Fügepartners erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials des ersten Fügepartners führt, in welchem der Laserstrahl eintritt. Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügemodifikation wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Schweißnaht ergibt.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können Einzelpulse und/oder Pulszüge in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachten ultrakurzen Einzelpulse und/oder Pulszügen wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an ultrakurzen Einzelpulse und/oder Pulszügen 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 Laserpulszüge in das Material abgegeben werden.
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.
Die Fügepartner werden entlang einer Fügetrajektorie mit einer Fügenaht miteinander gefügt. Dies kann bedeuten, dass benachbart eingebrachte Laserspots eine gemeinsame Fügenaht erzeugen. Die Ausbildung einer Fügenaht kann dadurch erreicht werden, dass der Laserspot während des Fügens entlang der Fügetrajektorie über die Fügepartner bewegt wird. Die Fügenaht hat dementsprechend eine Längenausdehnung die der Ausdehnung der Fügetrajektorie entspricht. Die Fügenaht weist jedoch auch eine Fügenahtbreite auf, wobei die Breite der Fügenaht parallel zur Grenzfläche der Fügepartner senkrecht zur Fügetrajektorie gemessen wird. Des Weiteren weist die Fügenaht auch eine Fügenahtdicke in Materialdickenrichtung auf, wobei die Fügenahtdicke ebenfalls senkrecht zur Fügetrajektorie gemessen wird. Die Fügenahtdicke ist hierbei durch die Ausgestaltung der Fokuszone des Laserstrahls gegeben, siehe unten.
Die Fügetrajektorie kann insbesondere gekrümmt sein, wobei die Krümmung der Fügetrajektorie hierbei durch den sogenannten Krümmungsradius charakterisiert wird. Der Krümmungsradius der Fügetrajektorie gibt den Radius eines Kreises an, welcher lokal an die Fügetrajektorie angepasst wird. Beispielsweise kann die gesamte Fügetrajektorie ein Kreis mit einem Radius vom 2mm sein, dann ist der Krümmungsradius der Fügetrajektorie ebenfalls 2mm. Beispielsweise können zwei senkrecht aufeinander stehende geraden Abschnitt durch einen viertel Kreis miteinander verbunden werden, wobei der viertel Kreis durch einen Radius von beispielsweise 1 mm gegeben ist. Der Krümmungsradius der Fügetrajektorie ist dann 1 mm im Bereich der Verbindung zwischen den geraden Abschnitten und ist unendlich auf den geraden Abschnitten.
Ein geradliniger Abschnitt der Fügetrajektorie kann mit einem gekrümmten Abschnitt der Fügetrajektorie verbunden werden und/oder zwei geradlinigen Abschnitte der Fügetrajektorie können mit einem gekrümmten Abschnitt der Fügetrajektorie verbunden werden, wobei die geradlinigen Abschnitte unter einem Winkel zueinander, insbesondere senkrecht zueinander orientiert sein können und/oder die Fügetrajektorie kann eine geschlossene Form aufweisen und/oder umlaufend geschlossen sein, wobei die Fügetrajektorie in den Eckbereichen gekrümmt ist.
Eine geschlossene Form kann hierbei bedeuten, dass die Fügetrajektorie keinen dezidierten Anfang und Ende hat. Umlaufend geschlossen kann bedeuten, dass die Fügetrajektorie um einen Bereich der Fügepartner herumgeführt wird und ebenfalls geschlossen ist.
Insbesondere weist die Anordnung aus Fügepartnern einen Schwellwert für den Krümmungsradius auf, bei der in Abhängigkeit von der Materialdicke des dünnsten Fügepartners und/oder in Abhängigkeit von der Fügenahtbreite ein rissfreies Fügen möglich ist. Der Krümmungsradius wird dementsprechend so gewählt, dass beim Fügen der Fügepartner ein rissfreies Fügen ermöglicht wird, wodurch die Stabilität des Materialverbunds erhöht wird.
Hintergrund des Schwellwertes ist, dass beim Verschweißen der Fügepartner entlang der Fügetrajektorie Spannungsspitzen bei geringen Krümmungsradien auftreten, die insbesondere durch die mechanische und/oder thermische Belastung beim Fügen als Sollbruchstellen wirken können. Dieser Effekt ist umso kritischer je dünner die Fügepartner sind. Um die Spannungen in den Fügepartnern zu reduzieren, wird daher die Krümmung der Fügetrajektorie entsprechend der Materialdicke und/oder der Fügenahtbreite angepasst.
Der Schwellwert kann das 0,9-fache der Fügenahtnahtbreite sein, sofern der dünnste Fügepartner eine Materialdicke größer gleich 500µm aufweist.
Beispielsweise kann ein erster Fügepartner eine Materialdicke von 1000µm aufweisen und ein zweiter Fügepartner kann eine Materialdicke von 600µm aufweisen. Der dünnste Fügepartner ist dementsprechend der zweite Fügepartner. Die Materialdicke des zweiten Fügepartners ist mit 600µm größer gleich 500µm. Die Fügenahtbreite kann beispielsweise 200µm betragen. Der Schwellwert des Krümmungsradius beträgt dann 0,9*200µm = 180µm.
Der Schwellwert kann das 2-fache der Fügenahtbreite sein, sofern der dünnste Fügepartner eine Materialdicke größer gleich 300µm und kleiner als 500µm aufweist.
Beispielsweise kann ein erster Fügepartner eine Materialdicke von 800µm aufweisen und der zweite Fügepartner eine Materialdicke von 350µm aufweisen. Der dünnste Fügepartner ist dementsprechend der zweite Fügepartner. Die Materialdicke des zweiten Fügepartners ist größer gleich 300µm und kleiner als 500µm. Die Fügenahtbreite kann beispielsweise 100µm betragen. Der Schwellwert für den Krümmungsradius der Fügenahttrajektorie beträgt somit 2*100µm = 200µm.
Der Schwellwert kann das 3-fache der Fügenahtbreite sein, sofern der dünnste Fügepartner eine Materialdicke kleiner als 300µm aufweist.
Beispielsweise kann ein erster Fügepartner eine Materialdicke von 400µm aufweisen und der zweite Fügepartner eine Materialdicke von 100µm aufweisen. Der dünnste Fügepartner ist dementsprechend der zweite Fügepartner. Die Materialdicke des zweiten Fügepartners ist kleiner als 300µm. Die Fügenahtbreite kann beispielsweise 300µm betragen. Der Schwellwert für den Krümmungsradius der Fügenahttrajektorie beträgt somit 3*300µm = 600µm.
Sofern der Krümmungsradius den Schwellwert übersteigt, ist ein rissfreies Fügen der Fügepartner möglich.
Bei einer Materialdicke des dünnsten Fügepartners von weniger als 300µm kann die mittlere Laserleistung auf das 0,95-fache der Leistung reduziert werden, bei welcher bei einer Materialdicke der gleichen Fügepartner von je mehr als 500µm beim Fügen im Wesentlichen keine Rissbildung der Fügepartner, insbesondere weniger als 1 Riss pro Millimeter Fügenaht, auftritt.
In einem Beispiel sollen etwa ein erster und ein zweiter Fügepartner miteinander gefügt werden, wobei der zweite Fügepartner eine Materialdicke von 200µm hat. Für die Materialkombination kann bekannt sein, dass bei einer Materialdicke von je mehr als 500µm ein rissfreies Fügen bei einer mittleren Laserleistung von 1W möglich ist. Sofern ein Wert für die mittlere Leistung für ein rissfreies Fügen nicht bekannt ist, so kann dieser Wert beispielsweise auch durch einen Vorversuch ermittelt werden. Da der Fügepartner eine Materialdicke von weniger als 300µm aufweist, wird die mittlere Laserleistung von 1W auf 0,95W gesenkt.
Die mittlere Leistung, bei der bei den Fügepartnern mit einer Materialdicke von mehr als 500µm ein rissfreies Fügen möglich ist, wird auch die Leistungsverträglichkeit des Bulk-Systems genannt.
Durch die Leistungsanpassung bei geringen Materialdicken wird ein rissfreies Fügen der Fügepartner ermöglicht, so dass ein stabilerer Materialverbund erzeugt wird.
Zwei 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, bevorzugt innerhalb einer Distanz von bis zu 500µm von der Grenzfläche, in Wechselwirkung mit mindestens einem der Fügepartner tritt.
Indem der Laserstrahl im Bereich der Grenzfläche mit den Fügepartnern in Wechselwirkung tritt kann eine erzeugte Schmelzblase die Grenzfläche überschreiten und somit die Fügepartner miteinander verbinden.
Es können auch mindestens drei Fügepartner aufeinanderliegen, wobei je zwei direkt aufeinanderliegende Fügepartner an einer gemeinsamen Grenzfläche anliegen und der Laserstrahl durch mindestens die in Strahlrichtung oberen Fügepartner hindurchdringt und im Bereich der gemeinsamen Grenzflächen in Wechselwirkung mit den Fügepartnern tritt.
Beispielsweise kann in Strahlrichtung ein erster Fügepartner auf einem zweiten Fügepartner liegen, so dass beide Fügepartner eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. Zudem kann der zweite Fügepartner auf einem dritten Fügepartner angeordnet sein, so dass der zweite und der dritte Fügepartner eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen.
Wenn der Laserstrahl die oberen Fügepartner durchdringt und die drei Fügepartner (oder mehr Fügepartner) miteinander gefügt werden sollen, dann ist die Absorption der oberen Fügepartner insgesamt vorzugsweise so gering, dass so viel Leistung in den in Strahlrichtung dritten (bzw. den letzten) Fügepartner eingekoppelt werden kann, so dass auch im dritten (bzw. im letzten) Fügepartner noch das Erzeugen einer Schmelzblase möglich ist.
Dadurch kann erreicht werden, dass ein Schichtsystem insgesamt gefügt werden kann, wodurch der Fügeprozess eines mehrlagigen Schichtsystems beschleunigt wird.
Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl sein, und der Laserstrahl kann bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweisen. Der Laserstrahl kann aber auch ein Gauß'scher Laserstrahl sein.
Ein Gauß'scher Laserstrahl zeichnet sich dadurch aus, dass das Strahlprofil, also der Querschnitt durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, im Wesentlichen einer Gauß'schen Glockenkurve entspricht.
Die Fokuszone d^GF 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 d^GF ₀ festgelegt durch die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge z_R=π(d^GF ₀)²/4λ, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat.
Ein Laserstrahl kann aber auch ein quasi nicht-beugender Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung: $\nabla^{2} U (x, y, z) + k^{2} U (x, y, z) = 0$
und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form $U (x, y, z) = U_{t} (x, y) exp ({ik}_{z} z)$
auf. Hierbei ist K=ω/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k²=k_z ²+k_t 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: $I (x, y, z) = {| U (x, y, z) |}^{2} = I (x, y,0) .$
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
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.
Fernerhin definieren wir als transversale Fokuszone beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen d^ND ₀ die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima.
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.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für d^ND ₀≈d^GF ₀, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise wenn 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.
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.
Durch die Verwendung eines quasi nicht-beugenden Strahls 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 nicht-beugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zum Fügen zu verwenden, da hiermit unter anderem größere Spalte überbrückt werden können und damit die Fokuslagentoleranz größer wird. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden - beispielsweise auch dann, wenn die zu fügenden Werkstücke in dem Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht perfekt plan aufeinander aufliegen und entsprechend ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt.
Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zum Fügen verwendet werden können, weisen beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von d^ND ₀=2,5 µm auf. Ein Gaußfokus mit d^ND ₀=d^GF ₀=2,5 µm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich z_R=5µm bei λ=1µm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L>>10z_R 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.
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.
Durch 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.
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.
Der Wert der numerischen Apertur NA der Fokussieroptik kann zwischen 0,01 und 0,8 liegen, insbesondere zwischen 0,1 und 0,6 liegen.
Die numerische Apertur NA ergibt sich aus dem Produkt des Sinus des halben objektseitigen Öffnungswinkels sowie dem Brechungsindex n des Materials zwischen Objektiv und Fokus. Eine große numerische Apertur entspricht hierbei einem großen Öffnungswinkel der Fokussieroptik, während eine kleine numerische Apertur einem kleinen Öffnungswinkel der Fokussieroptik entspricht.
Die mittlere Leistung des Lasers kann zwischen 0,5W und 50W liegen.
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.
Die mittlere Leistung des Laserspots Ls ist bei einem Einzellaserpuls definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Repetitionsrate P_E des Einzellaserpulses und Anzahl der Einzellaserpulse N_E: L_S,_E = E * PE * NE
Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Pulszug ist definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Anzahl der Pulse pro Pulszug N_P, Anzahl der Pulszüge N_E sowie aus der Repetitionsrate mit der die Pulszüge abgegeben werden P_E: L_S,_P = E *N_P * P_E * N_E. Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Pulszug wird somit im Vergleich zur mittleren Leistung beim Einzellaserpuls lediglich mit der Anzahl der Laserpulse pro Pulszug skaliert: 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 Fügenaht, auftritt.
Beispielsweise kann bei einer gegebenen und zu großen Leistung auch auf geraden Abschnitten der Fügetrajektorien eine Rissbildung auftreten. Diese Rissbildung kann durch eine Reduktion der mittleren Leistung verringert werden.
Das hat den Vorteil, dass der Fügevorgang keine Risse im Material erzeugt und somit das Material nicht beschädigt wird.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann in einem Pulszug für den jeweils nachfolgenden Laserpuls moduliert werden, bevorzugt kann die Pulsenergie des jeweils nachfolgenden Laserpulses größer oder kleiner sein, als die Pulsenergie des jeweils vorhergehenden Laserpulses ist.
Beispielsweise kann ein erster Laserpuls eine erste Pulsenergie aufweisen und ein zweiter, nachfolgender Laserpuls eine zweite Pulsenergie aufweisen, die beispielsweise doppelt so groß ist wie die erste Pulsenergie. Die zweite Pulsenergie kann aber beispielsweise auch halb so groß wie die erste Pulsenergie sein. Insbesondere kann die verwendete Abfolge von Pulsenergien in einem Pulszug im darauffolgenden Pulszug erneut verwendet werden. Es kann aber auch sein, dass die verwendete Abfolge von Pulsenergien nicht wiederholt wird.
Dadurch kann erreicht werden, dass das Erhitzen der Fügepartner auch während eines Pulszugs kontrolliert und optimiert stattfinden kann.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann zeitlich moduliert werden, bevorzugt bei gleichbleibender mittlerer Leistung, wobei die Modulationsfrequenz bevorzugt zwischen 100Hz und 10kHz liegt.
Zeitlich moduliert bedeutet hier, 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.
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 oder es gibt Zeiten, in denen mehr Energie eingebracht werden kann als ohne die Modulation. Damit kann eine Rissbildung gesteuert und/oder vermieden werden.
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.
Die Laserpulse eines Pulszugs können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Pulszüge der Abfolge von Pulszügen 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.
Das hat den Vorteil, dass für viele verschiedene Materialien geeignete Fügeparameter gefunden werden können.
Die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Pulszüge können gleich lang sein und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Pulszügen können für alle zum Fügen verwendeten Pulszüge gleich lang sein und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen können gleich lang sein.
Somit können die zeitlichen Abstände der Laserpulse durch eine feste Repetitionsfrequenz bestimmt werden. Indem eine Repetitionsfrequenz verwendet wird, kann insbesondere der Betrieb des Lasersystems stabilisiert werden.
Beispielsweise können die Laserpulse eines Pulszugs dann eine Repetitionsfrequenz zwischen 50GHz und 1 MHz aufweisen und die Pulszüge der Abfolge von Pulszügen können eine Repetitionsfrequenz zwischen 500kHz und 1 kHz aufweisen und/oder der Abfolge von Einzelpulsen können eine Repetitionsfrequenz zwischen 50 MHz und 1 kHz aufweisen.
Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt zwischen 1000nm und 1100nm liegen, besonders bevorzugt bei 1030nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen, und/oder der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschub zwischen 0.01 und 1000 mm/s bewegt werden und/oder positioniert werden und/oder die Fluenz in der Fokuszone kann größer als 0.01 J/cm² für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Pulszugs sein.
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.
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.
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.
Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs kontinuierlich Laserpulse oder Laserpulszüge 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. Der Vorschub kann hierbei zwischen 0.01 und 1000mm/s betragen.
Das Material mindestens eines Fügepartners kann Borosilikatglas und/oder Gorillaglas und/oder Saphir und/oder Aluminium sein oder umfassen, und/oder das Material mindestens eines Fügepartners kann in einem gehärteten oder ungehärteten Zustand vorliegen, und/oder die Materialdicke mindestens eines Fügepartners kann zwischen 20µm und 2 mm groß sein.
Beispielsweise kann ein gehärtetes Borosilikatglas auf einen Aluminiumträger gefügt werden, wobei das Borosilikatglas eine Materialdicke von 500µm aufweist und der Aluminiumträger eine Dicke von 2mm aufweist. Insbesondere können also Gläser auf Metalle gefügt werden, ohne dass eine Klebeverbindung verwendet werden muss.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 A, B, C schematische Darstellung eines Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens;
2 A, B, C schematische Darstellung der Rissbildung in Abhängigkeit vom Krümmungsradius der Fügetrajektorie;
3 A, B, C, D schematische Darstellung nicht-beugender Strahlen; und
4 A, B schematische Darstellung einer zeitlichen Pulsmodulation.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1A ist schematisch ein Aufbau 1 zur Durchführung des Verfahrens gezeigt, sowie ein Querschnitt zweier zu fügender Fügepartner 20, 21. Die Fügepartner 20, 21 sind hierbei an einer gemeinsamen Grenzfläche 201 aufeinanderliegend angeordnet.
Ein Ultrakurzpulslaser 4 stellt ultrakurze Laserpulse eines Laserstrahls 5 zur Verfügung. Diese können in Form von Einzellaserpulsen oder in Form von Pulszügen in die Fügepartner 20, 21 eingebracht werden. Dabei kann die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegen und/oder die Repetitionsrate der Einzelpulse kann zwischen 1 kHz und 50 MHz liegen und/oder die Repetitionsrate der Pulse in einem Pulszug kann zwischen 1 MHz und 50GHz liegen und/oder die Repetitionsrate der Pulszüge kann zwischen 500kHz und 1 kHz. Insbesondere kann die mittlere Laserleistung eines Laserspots zwischen 0,5W und 50W liegen.
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 Grenzflächen 201 der Fügepartner 20, 21 zusammenfällt. Insbesondere kann die Fokussieroptik eine Strahlformungsoptik, beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element, enthalten, die dem Laserstrahl 5 ein nicht-beugendes Strahlprofil mit elongierter Fokuszone F aufprägt
Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone F über 0,01 J/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 aus Fügepartnern 20, 21 bestimmt werden. Um den Laserstrahl 5 beispielsweise in die gemeinsame Grenzfläche 211 der Fügepartner 21, 22 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 20 transparent für die Wellenlänge des Lasers 4 sein.
An der Grenzfläche 201 werden aus der Fokuszone F im Material der Fügepartner 20, 21 sukzessive Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 20, 21 aufschmilzt und sich die Schmelze über die Grenzfläche 201 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 21, 20 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 20, 21. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 20, 21 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 20, 21 bildet eine Fügenaht 30 aus.
Der Laserstrahl 5 und die Fügepartner 20, 21 werden relativ zueinander mit einem Vorschub VG bewegt, so dass der Laserstrahl 5 die Fügetrajektorie 3 überstreicht. Durch das Einbringen der Laserenergie in den Bereich der Grenzfläche 201 entsteht dann eine linienförmig ausgeprägte Fügenaht 30 entlang der Fügetrajektorie 3.
Um die Fügepartner 20, 21 exakt entlang der Fügetrajektorie 3 zu fügen, können die Fügepartner 20, 21 und der Laserstrahl 5 relativ zueinander bewegt werden. Beispielsweise kann der Vorschub mit einer Vorschubvorrichtung 8 durchgeführt werden, insbesondere mit einem motorisierten XY- oder XYZ-Tisch. Die Vorschubvorrichtung kann des Weiteren über einen Abstandssensor verfügen, so dass die Position der Vorschubvorrichtung zu einem Referenzpunkt im Raum gemessen wird. Insbesondere können solche Abstandssensoren auch optischen Encoder sein, die mit dem Achssystem der Vorschubvorrichtung verbunden sind. Die Vorschubvorrichtung kann auch dazu genutzt werden, die Fügepartner 20, 21 beziehungsweise deren Grenzflächen 201 in der Fokuszone F des Laserstrahls 5 zu positionieren. Es ist aber auch möglich, dass die Fokussieroptik 6 verschoben wird, so dass eine exakte Positionierung der Fokuszone F in den Fügepartnern 20, 21 ermöglicht wird.
Die Fügetrajektorie 3 weist im vorliegenden Beispiel mindestens zwei verschiedene Krümmungsradien auf. Ein erster Abschnitt der Fügetrajektorie 3 verläuft linear, woran sich in Vorschubrichtung eine erste Rechtskurve anschließt. Die Rechtskurve weist hierbei einen ersten Krümmungsradius auf. Die Rechtskurve geht anschließend in eine Linkskurve über, wobei die Linkskurve einen zweiten Krümmungsradius aufweist. An die Linkskurve schließt sich in Vorschubrichtung wieder ein linearer Abschnitt der Fügetrajektorie 3 an.
Die Krümmungsradien R der Fügetrajektorie 3 werden hier so gewählt, dass ein rissfreies Fügen der Fügepartner 20, 21 möglich ist, wobei der Schwellwert, ab welchem Krümmungsradius R ein rissfreies Fügen möglich wird, durch die Materialdicke D0, D1 des dünnsten Fügepartners 20, 21 und die Fügenahtbreite B bestimmt ist.
Beispielsweise kann das Material des ersten Fügepartners 20 gehärtetes Gorillaglas sein, wobei der zweite Fügepartner 21 Aluminium umfasst.
In 1B ist ein Aufbau gezeigt, bei dem drei Fügepartner miteinander gefügt werden sollen. Zusätzlich zu den beiden Fügepartnern 20, 21 soll hier auch der Fügepartner 22 angefügt werden. Der Laserstrahl 5 weist dementsprechend bevorzugt eine elongierte Fokuszone F auf, siehe weiter unten, so dass der Laserstrahl 5 gleichzeitig Laserenergie in den Bereichen um die beiden Grenzflächen 201, 211 deponieren kann.
In 1C ist eine Draufsicht auf den Fügepartner 20 gezeigt, der mit mindestens einem weiteren Fügepartner zusammengefügt ist. Die Fügetrajektorie 3 (weiß gestrichelt) setzt sich hierbei zusammen aus vier geraden Teilstücken, wobei jedes Teilstück mit einem senkrecht dazu orientierten Teilstück über eine gekrümmte Trajektorie verbunden ist. Die Krümmung in den „Ecken“ der Fügetrajektorie entspricht dem Radius eines Kreises, welcher an die Fügetrajektorie lokal, also hier in die Ecken, eingepasst werden kann. Der Radius R des Kreises ist dann der Krümmungsradius R der Fügetrajektorie 3.
Wegen der endlichen Ausdehnung der Fokuszone und den Fließeigenschaften der Fügepartner weist die Fügenaht 30 ebenfalls eine endliche Ausdehnung auf. In der Richtung senkrecht zur Trajektorie 3 und in der Ebene des Fügepartners 20 weist die Fügenaht die sogenannte Fügenahtbreite B auf.
Der Schwellwert des minimalen Krümmungsradius R wird sowohl durch die Materialdicke D als auch durch die Fügenahtbreite B vorgegeben.
Beispielsweise ist in 1B der dünnste Fügepartner der Fügepartner 20 mit einer Materialdicke D0 von beispielsweise 600µm und einer Fügenahtbreite von 100µm. Der dünnste Fügepartner 20 ist somit dicker als 500µm, wodurch der Krümmungsradius R der Fügetrajektorie 3 auf 0,9*100µm = 90 µm beschränkt wird. Weist die Fügetrajektorie 3 lediglich größere Krümmungsradien R auf, so können die Fügepartner 20, 21, 22 rissfrei, also mit weniger als einem Riss pro Millimeter Fügenaht 30, gefügt werden.
Es kann aber auch sein, dass der zweite Fügepartner 21 der dünnste Fügepartner mit einer Dicke D1 von 400µm ist und die Fügenahtbreite B=200µm ist. Somit ist die Materialdicke D1 größer gleich 300µm und kleiner als 500µm. Dadurch wird der Krümmungsradius R der Fügetrajektorie 3 auf 400µm beschränkt.
Sollte der dünnste Fügepartner bei gleicher Fügenahtbreite B eine Materialdicke von D=100µm aufweisen, so würde der minimale Krümmungsradius 600µm betragen. Zudem kann bei solch geringen Materialdicken D1 auch die Laserleistung angepasst werden.
Bei einer Materialdicke des dünnsten Fügepartners von unter 300µm die Laserleistung auf das 0,95-fache der Leistung reduziert werden, bei welcher bei einer Materialdicke D der gleichen Fügepartner von je mehr als 500µm beim Fügen im Wesentlichen keine Rissbildung der Fügepartner 20, 21, 22 insbesondere weniger als 1 Riss pro Millimeter Fügenaht, auftritt.
Beispielsweise können D0=300 µm, D1 =100µm und D2=1,5mm groß sein. Die Leistung wird dann auf die 0,95-fache Leistung reduziert, bei der die gleichen Fügepartner 20, 21, 22 beispielsweise eine Materialdicke von D0 = 600µm, D1=500µm und D2=1,5mm aufweisen, und die Fügepartner 20, 21, 22 rissfrei gefügt werden.
Zur Anpassung der Leistung kann der Laser entweder intern eine Regelungselektronik aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, die Leistung des Lasers mit einer Polarisationsoptik anzupassen, die bestimmte Strahlanteile des Laserstrahl 5 herausfiltert und somit den Laserstrahl 5 abschwächt.
In 2 sind verschiedene Beispiele für mögliche Fügetrajektorien 3 gezeigt, wobei lediglich geschlossene Fügetrajektorien 3 gezeigt sind. Beispielsweise kann der dünnste Fügepartner in 2 eine Materialdicke D von 301µm aufweisen und die Fügenahtbreite B=50µm betragen. Da die Materialdicke D des dünnsten Fügepartners größer gleich 300µm ist und kleiner als 500µm ist, beträgt der minimale Krümmungsradius der Fügetrajektorie 3 in dem Beispiel somit 100µm.
In 2A ist schematisch eine Fügetrajektorie 3 mit einem Krümmungsradius R von 70µm dargestellt. Der Krümmungsradius R ist somit kleiner als der Schwellwert des minimalen Krümmungsradius R der Fügetrajektorie 3. Aufgrund des geringen Krümmungsradius R bilden sich Materialspannungen im Bereich der Krümmung aus, die bevorzugt orthogonal zur Fügetrajektorie 3 im Bereich des geringsten Krümmungsradius R relaxieren und einen Riss 7 im Material des Fügepartners ausbilden. In den 2B und 2C wurde der Krümmungsradius der Fügetrajektorien so gewählt, dass diese größer als der Schwellwert sind. Somit ist ein rissfreies Fügen der Fügepartner möglich.
3A 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 d^ND ₀ zwischen 0,25µm und 10µm groß.
In 3B 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 3C ist analog zu 3A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in der y-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.
In 3D 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. Dadurch ist es möglich eine Fokuszone F auszubilden, die sich über die gesamte Materialdicke D eines Fügepartners erstrecken kann, so dass prinzipiell auch oberhalb und unterhalb des Fügepartners noch so viel Energie transportiert wird, dass auch benachbarte Fügepartner, insbesondere darüber und darunter angeordnete Fügepartner, erhitzt werden und es zum Ausbilden einer Schmelzblase kommt. Dadurch ist es möglich auch in mehreren Grenzflächen Schmelzblasen auszubilden und mehrere Fügepartner gleichzeitig zu fügen.
In 4A ist eine zeitliche Modulation der Pulsenergie gezeigt. Die schwarzen Balken können verstanden werden als Einzellaserpulse, so dass die Pulsenergie aufeinanderfolgender Einzellaserpulse moduliert wird. Die schwarzen Balken können auch als Pulszüge verstanden werden, so dass aufeinanderfolgende Pulszüge unterschiedliche mittlere Energien aufweisen. Insbesondere kann die Gesamtheit an schwarzen Balken auch ein Pulszug sein, so dass die zeitliche Modulation während eines Pulszugs stattfindet. Die Modulationsrate kann zwischen 100 Hz und 10 kHz betragen, bspw. 1 kHz. Die Modulationsform ist Sinus²-förmig, sodass beispielsweise die auf einander folgenden Einzellaserpulse in ihrer Pulsenergie gemäß der Sinus²-Funktion voneinander abweichen. Analog dazu ist in 4B eine zeitliche Modulation der Pulsenergie gezeigt wobei die Modulationsform hier dreiecksförmig ist. Die Laserpulsenergie folgt hierbei einer Dreiecksfunktion.
Durch die gezeigten Modulationsformen ist es möglich, dass die Fügepartner 20, 21 sich zwischen dem Einbringen der Pulse mit der dargestellten Maximalleistung leicht abkühlen können, so dass eine für den Fügeprozess optimale Energieeinbringung gewährleistet wird.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Aufbau
20: Fügepartner
21: Fügepartner
22: Fügepartner
201: Grenzfläche
211: Grenzfläche
3: Fügetrajektorie
30: Fügenaht
4: Ultrakurzpulslaser
5: Laserstrahl
6: Fokussieroptik
7: Riss
8: Vorschubvorrichtung
D: Materialdicke
B: Fügenahtbreite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0344302 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (20, 21) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (20, 21) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist und mindestens ein dünnster Fügepartner (20) mit einer geringsten Materialdicke (D) aller Fügepartner (20, 21) vorliegt, wobei die Fügepartner (20, 21) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) entlang einer Fügetrajektorie (3) mit einer Fügenaht (30) miteinander gefügt werden, wobei die Fügetrajektorie (3) mindestens eine Krümmung mit einem kleinsten Krümmungsradius (R) aufweist und die Fügenaht (30) eine Fügenahtbreite (B) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Krümmungsradius (R) der Fügetrajektorie (3) größer als ein von der Materialdicke (D) des dünnsten Fügepartners (20) und/oder von der Fügenahtbreite (B) der Fügenaht (30) abhängiger Schwellwert gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Schwellwert das 0,9-fache der Fügenahtnahtbreite (B) ist, sofern der dünnste Fügepartner (20) eine Materialdicke (D) größer gleich 500µm aufweist, - der Schwellwert das 2-fache der Fügenahtbreite (B) ist, sofern der dünnste Fügepartner (20) eine Materialdicke (D) größer gleich 300µm und kleiner als 500µm aufweist, oder - der Schwellwert das 3-fache der Fügenahtbreite (B) ist, sofern der dünnste Fügepartner (20) eine Materialdicke (D) kleiner als 300µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Materialdicke (D) des dünnsten Fügepartners (20) von weniger als 300µm die mittlere Laserleistung auf das 0,95-fache der Leistung reduziert wird, bei welcher bei einer Materialdicke (D) der gleichen Fügepartner (20, 21) von je mehr als 500µm beim Fügen im Wesentlichen keine Rissbildung der Fügepartner (20, 21), insbesondere weniger als 1 Riss pro Millimeter Fügenaht (30), auftritt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Fügepartner (20, 21) an einer Grenzfläche (201) aneinander anliegen, wobei das Fügen an der Grenzfläche (201) durchgeführt wird und der Laserstrahl (5) durch mindestens einen der Fügepartner (20, 21) hindurch im Bereich der Grenzfläche (201), bevorzugt innerhalb einer Distanz von bis zu 500µm von der Grenzfläche (201), in Wechselwirkung mit mindestens einem der Fügepartner (20, 21) tritt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Fügepartner (20, 21, 22) aufeinanderliegen, wobei je zwei direkt aufeinanderliegende Fügepartner (20, 21, 22) an einer gemeinsamen Grenzfläche (201, 211) anliegen und der Laserstrahl (5) durch mindestens die in Strahlrichtung oberen Fügepartner (20, 21, 22) hindurchdringt und im Bereich der gemeinsamen Grenzflächen (201, 211) in Wechselwirkung mit den Fügepartnern (20, 21, 22) tritt.
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.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des Lasers zwischen 0,5W und 50W liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung festgelegt wird als die Leistung, bei der bei einem Fügen der Fügepartner (20, 21) im Wesentlichen keine Rissbildung, insbesondere weniger als 1 Riss pro Millimeter Fügenaht, auftritt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserpulse in einem Pulszug 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.
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.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laserpulse eines Pulszugs jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Pulszüge der Abfolge von Pulszügen 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.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Pulszüge gleich lang sind und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Pulszügen für alle zum Fügen verwendeten Pulszüge gleich lang sind und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen gleich lang sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegt, bevorzugt zwischen 1000nm und 1100nm liegt, besonders bevorzugt bei 1030nm liegt, und/oder - die Pulsdauer der Laserpulse zwischen 10fs und 50ps liegt, und/oder - der Laserstrahl und die Fügepartner relativ zueinander mit einem Vorschub zwischen 0.01 und 1000 mm/s bewegt und/oder positioniert werden und/oder - die Fluenz in der Fokuszone größer als 0.01 J/cm² für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Pulszugs ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Material mindestens eines Fügepartners (20, 21) Borosilikatglas und/oder Gorillaglas und/oder Saphir und/oder Aluminium ist oder umfasst, und/oder - das Material mindestens eines Fügepartners (20, 21) in einem gehärteten oder ungehärteten Zustand vorliegt, und/oder - die Materialdicke mindestens eines Fügepartners (20, 21) zwischen 20µm und 2 mm groß ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein geradliniger Abschnitt der Fügetrajektorie (3) mit einem gekrümmten Abschnitt der Fügetrajektorie verbunden wird und/oder - zwei geradlinigen Abschnitten der Fügetrajektorie (3) mit einem gekrümmten Abschnitt der Fügetrajektorie (3) verbunden werden, wobei die geradlinigen Abschnitte unter einem Winkel zueinander, insbesondere senkrecht zueinander orientiert sein können und/oder - die Fügetrajektorie (3) eine geschlossene Form aufweist und/oder umlaufend geschlossen ist, wobei die Fügetrajektorie (3) in den Eckbereichen gekrümmt ist.