DE1958430A1 - Schweisseinrichtung - Google Patents

Description

• Schweißeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schweißen mittels optischer Strahlung, insbesondere für Mikrottberlappungsschweißungen.
• Bei derartigen Mikro-2berlappungsschweißungen werden zwei übereinander liegende Materialien dadurch verbunden, daß sie an den sich berührenden Oberflächen durch den Einfluß energiereicher optischer Strahlung aufgeschmolzen werden und die ineinander legierten Schmelzen wieder erstarren.
• Zur Zeit werden Mikroschweißungen mittels optischer Strahlung dadurch erzielt, daß man einen impulsartigen Laserstrahl auf die äußere Oberfläche des oberen zweier übereinander liegender Materialien konzentriert und dieses dadurch von diesem Punkt aus aufschmilzt. Die Schmelzzone muß sich dabei so weit ausbreiten, daß sie auf das darunter liegende Material übergreift. Die Schmelzen der beiden materialien können sich dann legieren und führen nach ihrer Erstarrung zu einer festen Verbindun£.
• Dieses zur Zeit angewandte Verfahren hat Grenzen, die durch folgende Effekte gegeben sind: Dadurch, daß das bestrahlte Material einseitig erhitzt wird, ist die bestrahlte äußere Oberfläche stets heißer als die berUhrungsflriche, an der sich die Schmelzen der PATE NTBESC HRE IBUNG beiden Materialien legieren sollen.
• Diese tiberhitzung der äußeren Oberfläche kann dazu führen, daß Verdampfungen auftreten, die so stark werden, daß Schmelze-Tropfen mitgerissen werden, die zu unerwünschten Verunreinigungen der Umgebung führen. Zu starke Verdainpfungen führen auch zur Ausbildung von unerwünschten Kratern.
• Weiterhin bewirken der Temperaturgradient und die Temperaturverteilung im angestrahlten Material eine Aufwölbung, die durch die Wärmeausdehnung des Materials bedingt ist. Dadurch entsteht ein luftspalt zwischen den zu verschweißenden Oberflächen. Der Sauerstoff im Luftspalt oxydiert stark das hoch erhitzte Material. Die Oxydhaut legt sich zwischen die zu verbindenden Oberflächen und verhindert eine einwandfreie Verbindung.
• Der Luftspalt zwischen den zu verbindenden Oberflächen ist sehr schlecht wärmeleitend, weshalb nicht genügend Wärme auf das nicht bestrahlte, untere Material übergehen kann, um dort eine ausreichende Schmelzzone zu erzeugen.
• Die für die Erschmelzung der Materialien notwendige Energie wird in einer so kurzen Zeit aufgebracht, daß radial zur Schweißstelle ein extrem hoher Temperaturgradient auftritt, das heißt, die Wärmeabfuhr durch Leitung ist äußerst intensiv. Diese extrem starke Warmeabfuhr führt nach Beendigung der Energiezufuhr zu einer so schnellen Abkühlung der Schweißstelle, daß Risse im Material auftreten können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es erlaubt, Schweißungen mittels energiereicher optischer Strahlung duczuführen, ohne daß Verdampfungen, Luftspalte zwischen den zu verschweiwenden Materialien oder Materialrisse auftreten.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden zu verschweißenden Materialien durch einen Dorn aus Quarzglas oder einem andern für die verwendete optische Strahlung durchlässigen Material mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem ärmeausdehnungskoeffizient zusammengepreßt werden. Die zum Erschmelzen notwendige optische Strahlung wird durch den Quarzdorn hindurch auf die Schweißstelle geleitet. Der Quarzdorn ist an seiner Berührungsstelle so geschliffen, daß sein Rand auf dem zu verschweißenden Material satt aufliegt. An der Berührungsfläche muß der Durchmesser des Quarzdorns größer sein als der Durchmesser der Materialschmelze.
• Des weiteren ist eine zweite Strahlungsquelle vorgesehen, die kontinuierlich arbeitet und deren Intensität definiert gesteuert werden kann. Die Strahlung dieser Strahlungsquelle wird ebenfalls durch den Quarzdorn auf die Schweißstelle geleitet, wobei der Strahldurchmesser an der Schweißstelle in der Größenordnung desjenigen der zum Erschmelzen notwendigen Strahlungsquelle liegt. Vor und nach der Erschmelzung der zu verschweißenden Materialien können durch 4wendung der zweiten Strahlungsquelle Aufwärmung und Abkühlung der Schweißstelle den Erfordernissen entsprechend gesteuert werden, ohne daß dabei die Gefahr der Buftspaltbildung bestünde. Dies wird durch den Druck des Quarzdorns verhindert.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in folgendem näher beschrieben: Der aus einem Festkörperlaser (1) austretende Lichtstrahl wird durch eine Linse (2) fokussiert, derart, daß der Brennpunkt praktisch etwa auf der Schweißstelle (3) zu liegen kommt. Der Lichtstrahl tritt dann durch eine senkrecht dazu verlaufende Eintrittsfläche des Quarzdorns (4) in denselben ein und trifft auf die Schweißstelle. Der Quarzdorn wird durch eine Druckplatte (5) gegen die beiden zu verechweißenden Materialien (6) und (7) gedrückt, die auf einer Unterlage (8) liegen. Der Lichtstrahl einea als kontinuierliche Strahlungsquelle dienenden Gaslaser (9) wird durch einen Graukeil (10) gesteuert und durch eine Linse (11) auf die Schweißstelle fokussiert. Durch Bewegung des Graukeile wird zunächst so viel Energie auf die Schweißstelle gebracht, daß diese genügend vorgewärmt wird. Dann wird der Festkörperlaser gezündet und die Schweißung wird durchgeführt. Nach Abklingen des Strahlungsimpulses des Festkörperlasers wird noch durch den Gaslaser erzeugte Strahlungsenergie auf die Schweißstelle geleitet, um deren zu schnelle Abkühlung zu verhindern. Durch Bewegung des Graukeils wird diese Strahlungsenergie so langsam vermindert, daß die Abkühlung der Schweißstelle keine unzulässigen mechanischen Spannungen verursacht. Nach Beendigung dieses Vorgangs kann der Quarzdorn von den min verechweißten Materialien abgehoben werden.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch den Druck des Quarzdornes eine Luftspaltbildung zwischen den zu verschweißenden Materialien und somit Oxydbildung und schlechter Wärmeübergang, die eine schlechte Verschweißung zur Folge haben, verhindert wird. Sofern Verdampfungen an der Materialoberfläche, auf der die Strahlungsenergie absorbiert wird, auftreten, können keine Schmelzeteilchen entweichen, da sie durch den Quarzdorn zurückgehalten werden. Damit werden unerwünschte Verunreinigungen der Umgebung vermieden.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit gezielter Wärmebehandlung. der Schweißstelle mittels der kontinuierlichen Strahlungsquelle, wodurch Materialrisse vermieden werden.
• Patentansprüche: Cinrichtung zum Schweißen mittels optischer Strahlung, insbesondere für Mikro-Ubetlappungsschweißungent dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu versehweißenden Materialien durch einen Dorn aus Quarzglas oder einem anderen für die verwendete optische Strahlung durchlässigen Material mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient zusammengepreßt werden. Die zum Erschmelzen notwendige optische Strahlung wird durch den Quarzdorn hindurch auf die Schweißstelle geleitet. Der Quarzdorn ist an seiner Berührungsstelle so geschliffen, daß sein Rand auf dem zu verschweißenden Material satt aufliegt. An der Berührungsfläche muß der Durchmesser des Dornes größer sein als der Durchmesser der Materialschmelze.

Claims (1)

1. 2) Einrichtung zum Schweißen mittels optischer Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlungsquelle vorgesehen wird, die kontinuierlich arbeitet und deren Intensität definiert gesteuert werden kann. Die Strahlung dieser Strahlungsquelle wird ebenfalls durch den Quarzdorn auf die Schweißstelle geleitet, wobei der Strahldurchmesser an der Schweißstelle in der Größenordnung desjenigen der zum Erschmelzen notwendigen Strahlungsquelle liegt. Vor und nach der Erschmelzung der zu verschweißenden Materialien werden durch Anwendung der zweiten Strahlungsquelle Aufwärmung und Abkühlung der Schweißstelle den Erfordernissen entsprechend gesteuert.

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