DE102021203664A1 - Joining method for joining at least one first joining partner with a second joining partner and sensor arrangement with these - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Fügeverfahren zum Fügen mindestens eines ersten Fügepartners 10 mit einem zweiten Fügepartner 11, wobei zumindest einer der Fügepartner 10,11 eine optische Komponente 2, 2', insbesondere eine optische Komponente 2, 2' eines Sensors 1 bildet, vorgeschlagen, bei dem der erste und der zweite Fügepartner 10, 11 in einer Fügezone 12 miteinander verbunden werden, wobei ein Materialabschnitt 7 innerhalb der Fügezone 12 durch einen Laserstrahl L einer Laserquelle aufgeheizt und aufgeschmolzen wird, wobei als Materialabschnitt 7 ein Zusatzwerkstoff 9 aus Glas oder einem transparenten Kunststoff innerhalb der Fügezone 12 zum Aufschmelzen durch den Laserstahl L und zum Umschmelzen der beiden Fügepartner 10, 11 verwendet wird. Ferner wird eine Sensoranordnung 20 mit einem mindestens einem ersten Fügepartner 10 und einem zweiten Fügepartner 11 vorgeschlagen, welche nach dem Fügeverfahren gefügt sind.A joining method is proposed for joining at least one first joining partner 10 to a second joining partner 11, with at least one of the joining partners 10, 11 forming an optical component 2, 2', in particular an optical component 2, 2' of a sensor 1, in which the first and the second joining partner 10, 11 are connected to one another in a joining zone 12, with a material section 7 within the joining zone 12 being heated and melted by a laser beam L from a laser source, with an additional material 9 made of glass or a transparent plastic inside as the material section 7 the joining zone 12 is used for melting by the laser beam L and for remelting the two joining partners 10, 11. Furthermore, a sensor arrangement 20 is proposed with at least one first joining partner 10 and one second joining partner 11, which are joined using the joining method.
Description
Stand der TechnikState of the art
Zum Fügen von mehreren Komponenten, insbesondere Glas-Glas oder Glas-Metall, stehen verschiedene Fügetechnologien zur Verfügung, beispielsweise das Kleben, das Bonding oder das Löten. Eingesetzt werden beispielsweise derartige Verbindungen bei optischen Sensoren oder Sensorsystemen, wie beispielsweise Lidar, Partikelsensoren oder Kamerasystemen, wo Linsen, Spiegel oder andere optische Komponenten in einen Strahlengang sehr präzise gefügt werden müssen.Various joining technologies are available for joining several components, in particular glass-glass or glass-metal, such as gluing, bonding or soldering. Such connections are used, for example, in optical sensors or sensor systems, such as lidar, particle sensors or camera systems, where lenses, mirrors or other optical components have to be joined very precisely in a beam path.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es wird ein Fügeverfahren zum Fügen mindestens eines ersten Fügepartners mit einem zweiten Fügepartner, insbesondere eines Sensors, mit den Merkmalen des Anspruch 1 und eine Sensoranordnung, insbesondere ein Quantensensor, mit mindestens einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruch 11 vorgeschlagen. Bevorzugte, vorteilhafte und/oder weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüche, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den Figuren.A joining method for joining at least a first joining partner with a second joining partner, in particular a sensor, with the features of
Vorgeschlagen wird eine Fügeverfahren zum Fügen mindestens eines ersten Fügepartners mit einem zweiten Fügepartner, wobei zumindest einer der Fügepartner eine optische Komponente, insbesondere eine optische Komponente eines Sensors, bildet. Bevorzugt ist die optische Komponente als eine optische Linse oder eine transparente Schicht ausgebildet, wobei die optische Komponente vorzugsweise durch das Fügeverfahren dauerhaft mit dem anderen Fügepartner, beispielsweise einem Gehäuse oder Halter, verbunden wird. Die beiden Fügepartner sind vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Beispielsweise ist die optische Komponente aus einem Glaswerkstoff und der andere Fügepartner aus Kunststoff oder Metall hergestellt. Alternativ sind beide Fügepartner aus dem gleichen Werkstoff, z.B. Glas, hergestellt. Alternativ ist die optische Komponente aus einem transparenten Kunststoff hergestellt. Die optische Komponente ist vorzugsweise geeignet, in einem Betrieb des Sensors einen Licht- und/oder Laserstrahl zu führen, bündeln, streuen und/oder umzulenken.A joining method for joining at least one first joining partner to a second joining partner is proposed, with at least one of the joining partners forming an optical component, in particular an optical component of a sensor. The optical component is preferably designed as an optical lens or a transparent layer, with the optical component preferably being permanently connected to the other joining partner, for example a housing or holder, by the joining method. The two joining partners are preferably made from different materials. For example, the optical component is made of a glass material and the other joining partner is made of plastic or metal. Alternatively, both joining partners are made of the same material, e.g. glass. Alternatively, the optical component is made of a transparent plastic. The optical component is preferably suitable for guiding, bundling, scattering and/or deflecting a light and/or laser beam when the sensor is in operation.
Bei dem Fügeverfahren werden der erste und der zweite Fügepartner in einer Fügezone miteinander verbunden. Als Fügezone sind Bereiche oder Abschnitte des ersten und des zweiten Fügepartners zu verstehen, beispielsweise Kontaktflächen und/oder Kontaktgeometrien dieser, welcher im Laufe des Fügeverfahrens eine Fügeverbindung miteinander eingehen. Beispielsweise ist die optische Komponente als die optische Linse ausgebildet, wobei diese im Fügeverfahren mit ihrem Außenumfang und/oder Außendurchmesser an dem Gehäuse als Fügepartner befestigt wird, sodass eine umlaufende Fügezone gebildet wird. Alternativ wird die Fügezone durch zwei übereinander liegenden Kontaktflächen gebildet, beispielsweise zweier transparenten Schichten, welche insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Folglich weist die Fügezone eine beliebige Form und/oder Ausgestaltung sowie Ausdehnung auf. Beispielsweise sind die beiden Fügepartner innerhalb mehreren Fügezonen miteinander verbunden.In the joining process, the first and the second joining partner are connected to one another in a joining zone. Joining zones are areas or sections of the first and second joining partners, for example contact surfaces and/or contact geometries of these, which enter into a joining connection with one another in the course of the joining process. For example, the optical component is embodied as the optical lens, with its outer circumference and/or outer diameter being fastened to the housing as a joining partner in the joining process, so that a circumferential joining zone is formed. Alternatively, the joining zone is formed by two contact surfaces lying one on top of the other, for example two transparent layers, which are connected to one another in particular in a materially bonded manner. Consequently, the joining zone has any shape and/or configuration and extent. For example, the two joining partners are connected to one another within a number of joining zones.
Ferner ist vorgesehen, dass ein Materialabschnitt innerhalb der Fügezone durch zumindest einen Laserstrahl einer Laserquelle aufgeheizt und aufgeschmolzen wird. Der Materialabschnitt ist als ein Zusatzwerkstoff, insbesondere Schweißzusatz, ausgebildet, welcher durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird, wobei eine Schmelze des Zusatzwerkstoffs beide Fügepartner umhüllt und stoffschlüssig verbindet. Die Laserquelle ist beispielsweise als ein CO2-Laser ausgebildet, wobei grundsätzlich eine beliebige geeignete Laserquelle, abhängig der zu fügenden Werkstoffe, verwendet werden kann. Vorzugsweise wird eine Schweißnaht und/oder Fügenaht aus dem Zusatzwerkstoff zwischen den beiden Fügepartnern gebildet, welche eine beliebige zwei- und/oder dreidimensionale Verlauf aufweist. Beispielsweise ist die Schweißnaht und/oder Fügenaht durch die beiden Fügepartner teilweise oder vollständig verdeckt ausgebildet.Provision is also made for a material section to be heated and melted within the joining zone by at least one laser beam from a laser source. The material section is designed as an additional material, in particular welding filler, which is melted by the laser beam, with a melt of the additional material enveloping both joining partners and connecting them in a materially bonded manner. The laser source is designed, for example, as a CO2 laser, it being possible in principle to use any suitable laser source, depending on the materials to be joined. A weld seam and/or joint seam is preferably formed from the filler material between the two joint partners, which has any two-dimensional and/or three-dimensional profile. For example, the weld seam and/or joint seam is designed to be partially or completely covered by the two joint partners.
Fermer ist vorgesehen, dass als Materialabschnitt ein Zusatzwerkstoff aus Glas oder einem transparenten Kunststoff innerhalb der Fügezone zum Aufschmelzen durch den Laserstahl und zum Umschmelzen der beiden Fügepartner verwendet wird. Bevorzugt wird der Zusatzwerkstoff in einem ersten Schritt und/oder vorangehenden Teilschritt mit dem Laserstrahl aufgeheizt und aufgeschmolzen, wobei in einem zweiten Schritt und/oder nachfolgenden Teilschritt der aufgeschmolzene Zusatzwerkstoff in Kontakt zu den beiden Fügepartnern gebracht wird. Beispielsweise ist der Zusatzwerkstoff als ein Stab oder eine Faser aus Glas oder transparentem Kunststoff ausgebildet, wobei diese durch den Laserstrahl mit einem bestimmten Wellenlängenbereich getroffen wird, wobei der Zusatzwerkstoff die Strahlungsenergie absorbiert und dadurch aufgeheizt und aufgeschmolzen wird. Vorzugsweise weist der Zusatzwerkstoff eine optimierte Zusammensetzung, z.B. Dotierung oder Additiv, oder einen optimierten Aufbau, z.B. Beschichtung oder modifizierte Oberfläche, auf, sodass, je nach Art der Laserquelle und/oder Wellenlängenbereich des Laserstrahls, ausschließlich der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird und/oder der Zusatzwerkstoff bestimmte Benetzungs- oder Schweißeigenschaften als Schweißzusatz aufweist. Optional ist vorgesehen, dass die Fügepartner, um Spannungen zu reduzieren oder ein Benetzungsverhalten des Zusatzwerkstoffs zu verbessern, mittels des Laserstrahls oder einer externen Wärmequelle erwärmt und/oder aufgeschmolzen werden.Furthermore, it is provided that an additional material made of glass or a transparent plastic is used as the material section within the joining zone for melting by the laser beam and for remelting the two joining partners. The filler material is preferably heated and melted with the laser beam in a first step and/or a preceding partial step, with the melted filler material being brought into contact with the two joining partners in a second step and/or subsequent partial step. For example, the additional material is in the form of a rod or a fiber made of glass or transparent plastic, which is cut by the laser beam is hit with a specific wavelength range, with the additional material absorbing the radiant energy and thereby being heated and melted. The filler material preferably has an optimized composition, e.g. doping or additive, or an optimized structure, e.g. coating or modified surface, so that, depending on the type of laser source and/or wavelength range of the laser beam, only the filler material and/or the filler material is melted has certain wetting or welding properties as a welding filler. It is optionally provided that the joining partners are heated and/or melted by means of the laser beam or an external heat source in order to reduce stresses or to improve wetting behavior of the additional material.
Alternativ wird der Zusatzwerkstoff als eine weitere Komponente aus Glas oder einem transparenten Kunststoff vor dem zusammensetzten der beiden Fügepartner mit einem dieser verbunden, z.B. in eine Aufnahme eingelegt oder auf eine Fläche aufgetragen. Dabei kann der Zusatzwerkstoff als ein fester Körper, als ein elastisches Band oder Ring oder als eine Flüssigkeit ausgebildet sein. Alternativ ist der Zusatzwerkstoff als lose Fasern oder als eine Suspension aus Partikeln und/oder Fasern ausgebildet. Der Zusatzwerkstoff weist vorzugsweise eine niedrigere Schmelztemperatur als die Fügepartner auf. Dadurch kann vorgesehen sein, dass lediglich der Zusatzwerkstoff durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird, um beispielsweise den Wärmeeintrag in die Fügepartner zu reduzieren. Vorteilhaft ist, dass durch die Wahl des Zusatzwerkstoffs bestimmt Fügeeigenschaften festgelegt werden können. Beispielsweise kann eine Fließeigenschaft beim Schmelzen durch ein Additiv im Zusatzwerkstoff oder die Elastizität der Fügebindung durch die Materialwahl, z.B. ein thermoplastischer Kunststoff, festgelegt werden.Alternatively, the additional material is connected as a further component made of glass or a transparent plastic to one of these before the two joining partners are assembled, e.g. placed in a holder or applied to a surface. The additional material can be designed as a solid body, as an elastic band or ring or as a liquid. Alternatively, the additional material is in the form of loose fibers or a suspension of particles and/or fibers. The filler material preferably has a lower melting temperature than the joining partners. As a result, it can be provided that only the filler material is melted by the laser beam, for example in order to reduce the heat input into the joining partners. It is advantageous that certain joining properties can be defined through the selection of the filler material. For example, a flow property during melting can be determined by an additive in the filler material or the elasticity of the bond can be determined by the choice of material, e.g. a thermoplastic.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, ein Fügeverfahren zu schaffen, bei dem eine optische Komponente, insbesondere eines Sensors, z.B. eine Linse, in einem Laserbearbeitungsschritt mit einem Fügepartner gefügt wird, wobei ein speziell eingestellter Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird, um eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Ferner soll ein Fügeverfahren geschaffen werden, bei dem Sensorkomponenten mit einer reduzierten Anforderung an dessen Bauteilpräzision gefügt werden können und eine höhere Spaltüberbrückbarkeit beim Fügen möglich ist. Vorteilhaft ist, dass durch den Zusatzwerkstoff eine höhere Spaltüberbrückbarkeit als beim Kleben möglich ist, wobei durch die Wahl des Zusatzwerkstoffes, z.B. Glas oder transparenter Kunststoff, sowie dessen Zusammensetzung, verbesserte Schweiß- und Fügeeigenschaften beim Fügen, z.B. von Glas-Glas oder Glas-Metall, einstellbar sind. Bei dem Fügeverfahren wird kein Material von der optischen Komponente und/oder dem Fügepartner entfernt, wodurch die optische Komponente auch vor einem zu hohen Wärmeeintrag geschützt wird, sodass diese ihre optischen Eigenschaften beibehält.The invention is based on the idea of creating a joining method in which an optical component, in particular a sensor, e.g. a lens, is joined to a joining partner in a laser processing step, with a specially adjusted filler material being melted in order to create a material connection. Furthermore, a joining method is to be created in which sensor components can be joined with reduced demands on their component precision and greater gap bridging capability during joining is possible. The advantage is that the additional material enables a higher gap bridging ability than with adhesives, whereby the choice of the additional material, e.g. glass or transparent plastic, and its composition, improve welding and joining properties when joining, e.g. glass-glass or glass-metal , are adjustable. During the joining process, no material is removed from the optical component and/or the joining partner, which also protects the optical component from excessive heat input so that it retains its optical properties.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Zusatzwerkstoff ein Glaslot oder eine Glasfaser oder ein Glasfilament oder eine Kunststofffaser oder ein Kunststofffilament verwendet wird, wobei der Zusatzwerkstoff beim Fügen der Fügezone zugeführt wird. Die Fügezone kann beispielsweise als eine Fuge oder Nahtstelle zwischen den beiden Fügepartnern ausgebildet sein, wobei vorzugsweise lediglich der Zusatzwerkstoff, ähnlich wie beim Auftragsschweißen, durch den Laserstrahls aufgeschmolzen wird und auf die Fügepartner aufgebracht und/oder diese damit beschichtet. Beispielsweise wird der Zusatzwerkstoff als ein Stab, Faser oder Draht der Nahstelle nach und nach zugeführt und aufgeschmolzen, wobei der erstarrt Zusatzwerkstoff die Fügenaht bildet.In a preferred embodiment of the invention it is provided that a glass solder or a glass fiber or a glass filament or a plastic fiber or a plastic filament is used as the additional material, the additional material being supplied to the joining zone during joining. The joining zone can be formed, for example, as a joint or seam between the two joining partners, wherein preferably only the filler material, similar to build-up welding, is melted by the laser beam and applied to the joining partners and/or coated with them. For example, the additional material is gradually fed to the seam in the form of a rod, fiber or wire and melted, with the solidified additional material forming the joint seam.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Zusatzwerkstoff eine Glasfolie oder eine Kunststofffolie oder eine Glasschicht oder eine Kunststoffsicht oder ein Glaseinlegeteil oder ein Kunststoffeinlegeteil verwendet wird, wobei der Zusatzwerkstoff vor dem Fügen mit dem ersten und/oder dem zweiten Fügepartner verbaut wird. Dabei erstreckt sich die Fügezone beispielsweise zwischen einer ersten Kontaktfläche der optischen Komponente und einer zweiten Kontaktfläche des Fügepartners, wobei der Zusatzwerkstoff, z.B. als ein Kunststoffring, zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche vor dem Fügen angeordnet und/oder mit diesen verbaut wird. Vorteilhaft ist, dass der Zusatzwerkstoff passgenau an die Fügezone beziehungsweise eine Nahtstelle angepasst werden kann und/oder eine Fuge komplett damit ausgefüllt werden kann, sodass Fehlstellen der Fügenaht vermieden werden.In an alternative embodiment of the invention, it is provided that a glass film or a plastic film or a glass layer or a plastic layer or a glass insert or a plastic insert is used as the additional material, with the additional material being installed before the joining with the first and/or the second joining partner. In this case, the joining zone extends, for example, between a first contact surface of the optical component and a second contact surface of the joining partner, with the additional material, e.g. as a plastic ring, being arranged between the first and the second contact surface before joining and/or being installed with them. It is advantageous that the additional material can be adapted precisely to the joining zone or a seam and/or a joint can be completely filled with it, so that defects in the joining seam are avoided.
In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff vor dem Fügen mit dem ersten und/oder dem zweiten Fügepartner verbaut wird, wobei der erste und der zweite Fügepartner in einer Schichtanordnung und/oder einer Sandwichbauweise mit dem Zusatzwerkstoff als Zwischenschicht zusammen verbaut werden. Beispielsweise ist die Zwischenschicht zum Aufschmelzen durch eine dünne Glasschicht oder Glasfolie gebildet, welche auf die optische Komponente, z. B. Glaslinse, aufgebracht wird. Die optische Komponente wird anschließend mit der selbstklebende oder anhaftenden Glasschicht oder Glasfolie an dem Fügepartner angeordnet. Beispielsweise wird ein Randbereich der Schichtanordnung durch den Laserstrahl gefügt.In a specific embodiment of the invention, it is provided that the filler material is installed with the first and/or the second joining partner before joining, with the first and the second joining partner being installed together in a layered arrangement and/or in a sandwich construction with the filler material as an intermediate layer. For example, the intermediate layer for melting is formed by a thin glass layer or glass film, which is on the optical component, z. B. glass lens is applied. The optical component is then arranged on the joining partner with the self-adhesive or adhesive glass layer or glass foil. For example, an edge area of the layer arrangement is joined by the laser beam.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl durch ein Volumen der optischen Komponente, insbesondere durch ein Medium der optischen Komponente, im Speziellen durch einen Glas- oder transparenten Kunststoffkörper der optischen Komponente, zur Durchlichtbestrahlung des Zusatzwerkstoffs geführt wird.A preferred embodiment of the invention provides that the laser beam is guided through a volume of the optical component, in particular through a medium of the optical component, in particular through a glass or transparent plastic body of the optical component, for transmitted light irradiation of the additional material.
Der Laserstrahl wird vorzugsweise derart auf die optische Komponente gerichtet, dass dieser durch das Volumen und/oder durch das Medium, z.B. Glas oder Kunststoff, zu einer Grenzfläche zum Einkoppeln und/oder zum Einleiten in den Zusatzwerkstoff geführt wird. Der Zusatzwerkstoff liegt vorzugsweise direkt an der Grenzfläche der optischen Komponente, z.B. in der Schichtanordnung, an. Der Laserstrahl wird über die optische Komponente in den Zusatzwerkstoff zum Aufheizen und Aufschmelzen eingekoppelt. Die beiden Fügepartner werden in einem befestigten Zustand miteinander verschweißt, wobei der Laserstahl durch die optische Komponente zur Fügezone mit dem Zusatzwerkstoff geführt wird. Beispielsweise sind die optische Komponente und der Fügepartner im befestigten Zustand derart angeordnet, dass eine verdeckte Schweißnaht zwischen diesen durch den Laserstrahl erzeugt wird. Vorteilhaft ist, dass der Sensor und/oder Sensorkomponenten durch eine verdeckte Schweiß- und/oder Fügenaht vor spitzender Schmelze beim Fügen geschützt sind und insbesondere die optische Komponente nicht verunreinigt wird.The laser beam is preferably directed onto the optical component in such a way that it is guided through the volume and/or through the medium, e.g. glass or plastic, to an interface for coupling and/or for introduction into the filler material. The filler material is preferably in direct contact with the interface of the optical component, e.g. in the layer arrangement. The laser beam is coupled via the optical component into the filler material for heating and melting. The two parts to be joined are welded together in a fixed state, with the laser beam being guided through the optical component to the joining zone with the additional material. For example, the optical component and the joining partner are arranged in the fastened state in such a way that a hidden weld seam is produced between them by the laser beam. It is advantageous that the sensor and/or sensor components are protected by a covered welding and/or joining seam from spiky melt during joining and in particular the optical component is not contaminated.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff durch Absorption von Strahlungsenergie des Laserstahls erhitzt und aufgeschmolzen wird, wobei durch eine Dotierung eines Grundmaterials des Zusatzwerkstoffs oder durch eine modifizierte Oberfläche des Zusatzwerkstoffs die Absorption, vorzugsweise in einem bestimmten Wellenlängenbereich des Laserstrahls, erzeugt wird. Der Zusatzwerkstoff, insbesondere der Glaswerkstoff, ist beispielsweise mit Titan zum Absorbieren des Laserstrahls dotiert, wobei der Zusatzwerkstoff direkt oder über die optische Komponente bestrahlt wird. Bei der direkten Bestrahlung des dotierten Zusatzwerkstoffes ist dieser beispielsweise als ein Glasstab ausgebildet, wobei der Zusatzwerkstoff zunächst durch Bestrahlung erwärmt und aufgeschmolzen wird, bevor dieser zu den Fügepartner zum stoffschlüssigen Fügen zugeführt wird. Alternativ ist bei einer indirekten Bestrahlung der dotierte Zusatzwerkstoff beispielsweise als eine Glasfolie ausgebildet und wird vor der Bestrahlung an den Fügepartnern angeordnet, wobei der Laserstrahl über die optische Komponente eingeleitet, jedoch erst in der dotierten Glasfolie absorbiert wird, sodass dieser selektiv aufgeschmolzen wird und die Fügepartner stoffschlüssig verbindet.In a further embodiment of the invention, it is provided that the additional material is heated and melted by absorbing radiant energy of the laser beam, with the absorption, preferably in a specific wavelength range of the laser beam, being produced by doping a base material of the additional material or by a modified surface of the additional material becomes. The additional material, in particular the glass material, is doped with titanium, for example, to absorb the laser beam, with the additional material being irradiated directly or via the optical component. When the doped filler material is directly irradiated, it is designed, for example, as a glass rod, with the filler material first being heated and melted by irradiation before it is fed to the joining partner for material-to-material joining. Alternatively, in the case of indirect irradiation, the doped additional material is designed as a glass film, for example, and is arranged on the joining partners before irradiation, with the laser beam being introduced via the optical component but only being absorbed in the doped glass film, so that it is selectively melted and the joining partners materially connected.
Alternativ oder optional ergänzend zu der Dotierung des Zusatzwerkstoffes ist dieser mit einer modifizierten Oberfläche versehen. Bevorzugt ist die modifizierte Oberfläche als eine mikrostrukturierte Fläche an den Zusatzwerkstoff ausgebildet, diese kann beispielsweise durch ein mechanisches Verfahren, z.B. Sandstrahlen oder mechanisches Aufrauen, erzeugt werden. Zweck der modifizierten Oberfläche ist es, beim Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes die Einkopplung des Laserstrahls zu verbessern. Insbesondere bei transparenten Werkstoffen, z.B. Glas oder transparenter Kunststoff, welche grundsätzlich nur wenig Strahlungsenergie absorbieren kann, verbessert die modifizierte Oberfläche die Absorption der Strahlungsenergie des Laserstrahls, sodass kürzere Einwirkzeiten zum Aufschmelzen möglich sind.As an alternative or optionally in addition to the doping of the filler material, it is provided with a modified surface. The modified surface is preferably designed as a microstructured surface on the additional material, which can be produced, for example, by a mechanical process, e.g. sandblasting or mechanical roughening. The purpose of the modified surface is to improve the coupling of the laser beam when melting the filler material. Particularly in the case of transparent materials, e.g. glass or transparent plastic, which in principle can only absorb little radiation energy, the modified surface improves the absorption of the radiation energy of the laser beam, so that shorter exposure times for melting are possible.
Alternativ oder optional ergänzend ist vorgesehen, dass die modifizierte Oberfläche durch eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere in einem Laserstrukturierungsverfahren hergestellte Oberflächenstrukturierung, erzeugt wird. Beispielsweise wird als modifizierte Oberfläche eine mikrostrukturierte Fläche am Zusatzwerkstoff, z.B. der Glasschicht, durch Selektives-Laser-Etching als Laserstrukturierungsverfahren hergestellt. Insbesondere können durch dieses Verfahren feine und einheitliche Oberflächenstrukturen geschaffen werden, welche beispielsweise an einen Wellenlängenbereich des Laserstrahls angepasst werden können, um die Absorption der Strahlungsenergie des Laserstrahls zu verbessern.Alternatively or optionally in addition, it is provided that the modified surface is produced by surface structuring, in particular surface structuring produced in a laser structuring process. For example, a microstructured surface on the additional material, e.g. the glass layer, is produced as a modified surface using selective laser etching as a laser structuring process. In particular, fine and uniform surface structures can be created by this method, which can be adapted, for example, to a wavelength range of the laser beam in order to improve the absorption of the radiation energy of the laser beam.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die modifizierte Oberfläche durch eine Beschichtung erzeugt wird. Beispielsweise ist die Beschichtung lediglich auf dem Zusatzwerkstoff oder selektiven Bereichen der Fügezone aufgebracht, wobei die Beschichtung die Absorptionseigenschaften, wie zuvor beschreiben, verbessern soll.As an alternative to this, it can be provided that the modified surface is produced by a coating. For example, the coating is only applied to the filler material or to selective areas of the joining zone, with the coating being intended to improve the absorption properties, as described above.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Hinterschnittgeometrie des ersten und/oder des zweiten Fügepartners von dem geschmolzenen Zusatzwerkstoff und/oder einer Schmelze aus einem Grundmaterial des Zusatzwerkstoffs zur form- und stoffschlüssigen Fügeverbindung der Fügepartner umschmolzen wird. Die Hinterschnittgeometrie ist vorzugsweise als eine Nut oder ein Hinterschnitt ausgebildet. Beispielsweise ist ein im Querschnitt eckiger oder runder Hinterschnitt in den ersten und/oder zweiten Fügepartner eingebracht, wobei die Hinterschnittgeometrie zum Füllen mit Schmelze des Zusatzwerkstoffs geöffnet ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Zusatzwerkstoff als eine Glasschicht oder Glasfolie zwischen den beiden Fügepartnern ausgebildet, wobei in einem oder in beiden Fügepartnern die Hinterschnittgeometrien mit einer geöffneten Seite zu dem Zusatzwerkstoff ausgebildet ist, wobei beispielsweise bei der Durchlichtbestrahlung des Zusatzwerkstoffs dieser aufgeschmolzen wird und zumindest ein Teil der Schmelze in die Hinterschnittgeometrien hineinfließt und erstarrt, sodass eine form- und stoffschlüssigen Fügeverbindung der Fügepartner geschaffen wird. Bevorzugt ist die Hinterschnittgeometrie derart ausgebildet, dass beim Verflüssigen des Zusatzwerkstoffes, die Schmelze durch die Kapillarkraft in die Hinterschnittgeometrie gezogen wird. Alternativ ist die Hinterschnittgeometrie als ein Labyrinth ausgebildet.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that an undercut geometry of the first and/or the second joining partner is melted around by the molten filler material and/or a melt of a base material of the filler material for the form-fitting and material-locking joint connection of the joining partner. The undercut geometry is preferably designed as a groove or an undercut. For example, an undercut with an angular or round cross section is introduced into the first and/or second joining partner, with the undercut geometry being designed to be open for filling with melt of the additional material. For example, the additional material is designed as a glass layer or glass foil between the two parts to be joined, with the undercut geometries being opened in one or both parts to be joined th side is formed to the filler material, wherein, for example, during the transmitted light irradiation of the filler material, this is melted and at least part of the melt flows into the undercut geometries and solidifies, so that a form-fitting and material-locking joint connection of the joint partners is created. The undercut geometry is preferably designed in such a way that when the filler material liquefies, the melt is drawn into the undercut geometry by the capillary force. Alternatively, the undercut geometry is designed as a labyrinth.
In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hinterschnittgeometrie in einem Laserbearbeitungsverfahren, insbesondere in einem Selektiven-Laser-Etching-Verfahren (SLE), vor dem Fügen der Fügepartner erzeugt wird. Beim SLE wird durch laserinduziertes Ätzen Strukturen in den Fügepartner erzeugt. Insbesondere ist das SLE-Verfahren zur Erzeugung von Strukturen in Glas geeignet. Beispielsweise werden mehrskalige Strukturen, z.B. Strukturen in einem µm-Bereich mit überlagerten Strukturen in einem Sub-µm-Bereich, erzeugt. Vorteilhaft ist, dass durch ein Laserbearbeitungsverfahren Hinterschnittgeometrien geschaffen werden, welche ein zuverlässiges Verkrallen der Schmelze auf engsten Raum mit den Fügepartner ermöglicht. Dadurch können insbesondere besonders kleine Sensoren hergestellt werden.In a specific embodiment of the invention, it is provided that the undercut geometry is produced in a laser processing method, in particular in a selective laser etching method (SLE), before the joining partners are joined. With SLE, structures are created in the joining partner by laser-induced etching. In particular, the SLE process is suitable for producing structures in glass. For example, multi-scale structures, e.g. structures in a µm range with superimposed structures in a sub-µm range, are generated. It is advantageous that undercut geometries are created by a laser processing process, which enables reliable clawing of the melt with the joining partners in the smallest of spaces. As a result, particularly small sensors can be produced.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Fügepartner beim Aufschmelzen des Zusatzmaterials aufgeheizt werden, wobei zum Aufheizen des ersten und/oder zweiten Fügepartners der Laserstrahl oder eine externe Wärmequelle verwendet wird. Insbesondere wird einer oder beide Fügepartner erwärmt, um eine verbesserte Benetzung der Schmelze innerhalb der Fügezone und/oder an den Oberflächen der Fügepartner zu erzeugen. Beispielsweise wird der Laserstrahl bis zu einer bestimmten Temperatur der Fügepartner auf die Fügezone und/oder Oberflächen innerhalb der Fügezone gerichtet. Alternativ wird zumindest die optische Komponente bei der Durchlichtbestrahlung durch Absorption und Wärmeübertragung mit aufgeheizt. Alternativ oder optional ergänzend werden die Fügepartner wären des gesamten Fügeverfahrens oder zumindest während der Bestrahlung durch eine externe Wärmequelle, z.B. eine elektrische Heizung oder eine Infrarotlampe, beheizt.A further embodiment of the invention provides that the first and/or the second joining partner are heated when the additional material is melted, the laser beam or an external heat source being used to heat the first and/or second joining partner. In particular, one or both joining partners is heated in order to produce improved wetting of the melt within the joining zone and/or on the surfaces of the joining partners. For example, the laser beam is directed onto the joining zone and/or surfaces within the joining zone up to a certain temperature of the joining partners. Alternatively, at least the optical component is also heated during the transmitted light irradiation through absorption and heat transfer. Alternatively or optionally in addition, the joining partners are heated by an external heat source, e.g. an electric heater or an infrared lamp, during the entire joining process or at least during the irradiation.
In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Fügepartner durch Absorption von Strahlungsenergie des Laserstahls aufgeheizt und/oder teilweise aufgeschmolzen werden, wobei durch eine Dotierung eines Grundmaterials oder durch eine modifizierte Oberfläche des ersten und/oder zweiten Fügepartners innerhalb der Fügezone weniger Strahlungsenergie des Laserstrahls von dem ersten und/oder zweiten Fügepartner als von dem Zusatzwerkstoff zum Aufheizen und Aufschmelzen absorbiert wird. Der Zusatzwerkstoff absorbiert durch die Dotierung oder modifizierte Oberfläche mehr Strahlungsenergie bei der Bestrahlung als die Fügepartner, z.B. durch ihr Grundmaterial, bei gleicher Bestrahlungsart oder - dauer absorbieren können. Dadurch soll insbesondere bei der Durchlichtbestrahlung und/oder beim der Schichtanordnung die Fügepartner zur verbesserten Benetzung erwärmt werden, jedoch nur der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden. Durch die einstellbaren Absorptionseigenschaften des Zusatzwerkstoffs kann der Wärmeeintrag in die Fügepartner festgelegt werden, sodass beispielsweise eine zu hohe thermische Belastung vermieden wird, jedoch ein gleichzeitiges thermisches Erwärmen der Fügepartner mit dem Laserstrahl möglich wird.In a specific embodiment of the invention, it is provided that the first and/or the second joining partner are heated and/or partially melted by absorbing radiant energy from the laser beam, with doping of a base material or a modified surface of the first and/or second joining partner being the joining zone, less radiant energy of the laser beam is absorbed by the first and/or second joining partner than by the additional material for heating and melting. Due to the doping or modified surface, the additional material absorbs more radiation energy during irradiation than the joining partners, e.g. through their base material, can absorb with the same type or duration of irradiation. As a result, in particular in the case of transmitted light irradiation and/or in the case of the layer arrangement, the joining partners are to be heated for improved wetting, but only the additional material is to be melted. Due to the adjustable absorption properties of the filler material, the heat input into the joining partners can be defined so that, for example, excessive thermal stress is avoided, but simultaneous thermal heating of the joining partners with the laser beam is possible.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet eine Sensoranordnung, z.B. eine Lidarsensoranordnung oder eine Partikelsensoranordnung, insbesondere einen Quantensensor, mit mindestens einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner, wobei mindestens einer der Fügepartner als eine optische Komponente ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Sensoranordnung eine Glas- oder Kunststofflinse als optische Komponente auf, wobei der Fügepartner der optischen Komponente vorzugsweise als ein Gehäuse oder ein Halter aus einem Kunststoff oder einem Metall, z.B. Aluminium oder Stahl, ausgebildet ist. Ferner weist die Sensoranordnung eine Fügenaht zum stoffschlüssigen Verbinden des ersten Fügepartners mit dem zweiten Fügepartner innerhalb einer Fügezone auf, wobei die Fügenaht durch das Fügeverfahren, wie zuvor beschrieben, gebildet ist. Folglich ist die Fügenaht zumindest aus Glas oder einem transparenten Kunststoff eines Zusatzwerkstoffes gebildet. Quantensensoren sind Sensoren, die ausgestaltet sind, auf der Basis eines Quanteneffekts physikalische Größen wie Frequenz, Beschleunigung, Rotationsraten, elektrische und magnetische Felder oder die Temperatur zu messen, insbesondere mit hoher Genauigkeit zu messen.Another subject of the invention is a sensor arrangement, e.g. a lidar sensor arrangement or a particle sensor arrangement, in particular a quantum sensor, with at least a first joining partner and a second joining partner, with at least one of the joining partners being designed as an optical component. The sensor arrangement preferably has a glass or plastic lens as the optical component, with the joining partner of the optical component preferably being designed as a housing or a holder made of a plastic or a metal, e.g. aluminum or steel. Furthermore, the sensor arrangement has a joining seam for materially connecting the first joining partner to the second joining partner within a joining zone, the joining seam being formed by the joining method as described above. Consequently, the joint seam is formed at least from glass or a transparent plastic of an additional material. Quantum sensors are sensors that are designed to measure physical quantities such as frequency, acceleration, rotation rates, electric and magnetic fields or temperature on the basis of a quantum effect, in particular to measure them with high accuracy.
Weitere Vorteile, Wirkungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren und deren Beschreibung. Dabei zeigen:
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1a eine schematische Schnittdarstellung einer Sensoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Fügepartner in einem Fügeverfahren mit einem zugeführten Zusatzwerkstoff zum Fügen als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel; -
1b eine schematische Schnittdarstellung der Sensoranordnung in dem Fügeverfahren aus1a mit einer Fügenaht aus dem Zusatzwerkstoff als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel; -
2a ,2b schematische Schnittdarstellungen der Sensoranordnung mit alternativen Einstrahlungen eines Laserstrahls in den Zusatzwerkstoff als ein weiteres Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Schnittdarstellung der Sensoranordnung mit den Fügepartnern und dem Zusatzwerkstoff in einer Schichtanordnung als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Schnittdarstellung der Sensoranordnung mit einer Hinterschnittgeometrie an einem der Fügepartner als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
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1a a schematic sectional view of a sensor arrangement with a first and a second joining partner in a joining method with a supplied filler material for joining as a preferred embodiment; -
1b a schematic sectional view of the sensor arrangement in the joining process out1a with a seam made of the filler material as a preferred embodiment; -
2a ,2 B schematic sectional representations of the sensor arrangement with alternative irradiation of a laser beam into the additional material as a further exemplary embodiment; -
3 a schematic sectional view of the sensor arrangement with the joining partners and the additional material in a layered arrangement as a preferred exemplary embodiment; -
4 a schematic sectional view of the sensor arrangement with an undercut geometry on one of the joining partners as a preferred embodiment.
In der
Ferner weist der Sensor 1 eine weitere Sensorkomponente 4 beispielsweise ein Gehäuse auf. Die Sensorkomponente 4 weist mindestens eine Anschlagfläche 6 zur Aufnahme der optischen Komponente 2 auf. Die Sensorkomponente 4 beziehungsweise das Gehäuse ist beispielsweise aus Kunststoff oder einem Metall, z.B. Aluminium, hergestellt.Furthermore, the
Die optische Komponente 2 und die Sensorkomponente 4 werden in einem Fügeverfahren gefügt, sodass diese dauerhaft miteinander verbunden sind. Somit kann im Rahmen des Fügeverfahrens von einem ersten Fügepartner 10, der optische Komponente 2, und einem zweiten Fügepartner 11, der Sensorkomponente 4, gesprochen werden, wobei der erste und der zweite Fügepartner 10, 11 innerhalb einer Fügezone 12 verbunden werden. Die Fügezone 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in
In den Fügeverfahren wird ein Laserstrahl L einer Laserquelle (nicht gezeigt) zum Aufheizen und Aufschmelzen des Materialabschnitts 7 verwendet. Die Laserquelle ist beispielsweise als ein Kohlenstoffdioxidlaser ausgebildet. Der Materialabschnitt 7 ist als ein Zusatzwerkstoff 9 aus einem Glaswerkstoff oder transparenten Kunststoff ausgebildet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Zusatzwerkstoff 9 als ein Stab, Draht oder eine Faser aus Glas oder transparenten Kunststoff ausgebildet, wobei der Zusatzwerkstoff 9 beim Fügen der Fügezone 12 nach und nach als Schweißzusatz zugeführt wird. Beispielsweise wird zunächst der Zusatzwerkstoff 9 mit dem Laserstrahl L direkt bestrahlt, wobei der Zusatzwerkstoff 9 durch eine Strahlungsenergie des Laserstrahls L erwärmt und aufgeschmolzen wird. Nachfolgend wird der aufgeschmolzene und/oder zumindest erweichte Zusatzwerkstoff 9 der Fügezone 12 zugeführt, um nach Erstarren des Zusatzwerkstoffes 9 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern 10, 11 zu erzeugen. Beispielsweise sind die dritte Oberfläche 3c und die Anschlagfläche 6 senkrecht zueinander angeordnet, wobei der aufgeschmolzene und/oder erweichte Zusatzwerkstoff 9 entlang einer Übergangskante innerhalb der Fügezone 12 oberflächlich aufgetragen wird. In der
Durch das Fügeverfahren wird eine Fügenaht N zwischen den beiden Fügepartner 10, 11 zur stoffschlüssigen Verbindung gebildet. In der
In den
Der Laserstrahl L wird gemäß dem Ausführungsbeispiel in
In der
In der
Der Laserstrahl L wird, wie in
In der
Der Laserstrahl L wird beispielsweise über die erste Oberfläche 3a in die optische Komponente 2 zur Durchlichtbestrahlung eingeleitet, wobei der Laserstrahl L über das Volumen V1 zur Hinterschnittgeometrie 13 geführt wird. Beispielsweise wird der Laserstrahl L über die Hinterschnittgeometrie 13 in die Zwischenschicht 8 eingekoppelt. Die Zwischenschicht 8 wird durch den Laserstrahl L aufgeschmolzen, wobei eine Schmelze M aus dem Zusatzwerkstoff 9 beziehungsweise der Zwischenschicht 8 in die Hinterschnittgeometrie 13 eingeformt und/oder eingebettet wird. Die Schmelze M verteilt sich beispielsweise in der gesamten Hinterschnittgeometrie 13 und passt sich dessen Geometrie an, wobei beim Erstarren der Schmelze M die Fügenaht N als eine form- und stoffschlüssige Fügeverbindung erzeugt wird. Beispielsweise formt sich die Schmelze M und/oder die Fügenaht N im erstarrten Zustand zu einem Widerhaken und/oder weist eine T-förmigen Querschnitt auf, um einen Formschluss mit der Hinterschnittgeometrie 13 einzugehen. Die Hinterschnittgeometrie 13 kann beispielsweise an beiden Fügepartnern 10, 11 ausgebildet sein. Beispielsweise liegen sich diese mit den geöffneten Seiten gegenüber, sodass die Schmelze M und/oder die Fügenaht N zweiseitig einen Formschluss eingehen. Die Hinterschnittgeometrie 13 ist beispielsweise derart ausgebildet, dass die Schmelze M durch die Kapillarkraft in einen Hohlraum der Hinterschnittgeometrie 13 gezogen wird. Beispielsweise sind die Hinterschnittgeometrie 13 als flächige Mikrostrukturen ausgebildet, sodass besonders kleine Komponenten 2, 4 des Sensors 1 form- und stoffschlüssig gefügt werden können.The laser beam L is introduced, for example, via the
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DE102006025865A1 (en) | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Robert Bosch Gmbh | Element e.g. substrate, bonding method, involves applying liquid glass solder or glass solder suspension on one of elements, where sealing glass suspension is utilized as glass solder sealing glass or glass solder suspension |
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- 2021-04-14 DE DE102021203664.3A patent/DE102021203664A1/en active Pending
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