DE202011051927U1

DE202011051927U1 - Laserschweißbares Verbundmaterial

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Publication number: DE202011051927U1
Application number: DE202011051927U
Authority: DE
Original assignee: Alanod Aluminium Veredlung GmbH and Co KG
Current assignee: Alanod Aluminium Veredlung GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-02-11
Anticipated expiration: 2021-11-11
Also published as: TW201328862A; DE102012110565B4; CN103101249B; DE102012110565A1; CN103101249A; DE102012110565B9; TWI487618B

Abstract

Laserschweißbares Verbundmaterial (V), insbesondere für ein Solarkollektorelement, umfassend einen bandförmigen, aus einem Metall mit hoher Reflektivität für Laserstrahlung bestehenden Träger (1), der eine erste Seite (A) und eine zweite Seite (B) aufweist, wobei sich zumindest auf der ersten Seite (A) eine keramische Beschichtung (7) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich vom Träger (1) aus gesehen über der keramischen Beschichtung (7) eine metallische Schicht (8) befindet und dass eine Dicke (D7) der keramischen Beschichtung (7) und eine Dicke (D8) der metallischen Schicht derart dimensioniert sind, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad (R) bei einem Einstrahlungswinkel (α) im Bereich von 65° bis 80° eines einfallenden Laserlichtstrahls (L) mit einer Wellenlänge (λ) von 1064 nm auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) weniger als 60 Prozent beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein laserschweißbares Verbundmaterial, insbesondere für ein Solarkollektorelement, umfassend einen bandförmigen, aus einem Metall mit hoher Reflektivität für Laserstrahlung bestehenden Träger, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei sich zumindest auf der ersten Seite eine keramische Beschichtung befindet.
Ein solches Verbundmaterial ist aus der EP 2 239 086 A1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein bekanntes Verfahren zum Laserverschweißen eines Verbundmaterials mit einem Bauteil, insbesondere zur Herstellung eines Solarkollektorelements, wobei das Verbundmaterial einen bandförmigen, aus einem Metall mit hoher Reflektivität für Laserstrahlung bestehenden Träger umfasst, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei sich zumindest auf der ersten Seite eine keramische Beschichtung befindet, und wobei zur Herstellung einer Schweißnaht ein Laserstrahl in einem spitzem Orientierungswinkel zumindest auf die mit der keramischen Beschichtung versehene erste Seite des Trägers projiziert wird. Außerdem beschreibt das Dokument ein laserschweißbares Verbundmaterial, das der Verwendung in einem derartigen Verfahren dient. Um bei hoher Funktionalität und bei möglichst aufwandsarmer Herstellbarkeit des Verbundmaterials gegenüber aus der EP 1 217 315 B1 , der US 300 591 B1 , der DE 38 27 297 A1 und der US 4 023 005 vorbekannten Verfahren, die in der EP 2 239 086 A1 gewürdigt sind, eine erhöhte Effizienz des Schweißprozesses zu erzielen, ist dabei vorgesehen, dass die keramische Beschichtung eine Dicke im Bereich von 140 nm bis 210 nm aufweist und der Laserstrahl unter einem Orientierungswinkel im Bereich von 2° bis 50° eingestrahlt wird, derart, dass die eingestrahlte Energie des Laserstrahls zu mindestens 15 Prozent absorbiert wird.
Hierbei ist zu beachten, dass sich allgemein bei einem Objekt, auf das eine Strahlung auftrifft, wie dies bei der Oberfläche des Verbundmaterials beim Laserschweißen geschieht – diese Strahlung in einen reflektierten, einen absorbierten und einen transmittierten Anteil aufteilt. Hierfür sind sowohl auf der ersten Seite, als auch auf der zweiten Seite des Verbundmaterials ein Reflexionsgrad (Reflexionsvermögen), ein Absorptionsgrad (Absorptionsvermögen) und ein Transmissionsgrad (Transmissionsvermögen) des Verbundmaterials charakteristisch. Reflexionsvermögen, Absorptionsvermögen und Transmissionsvermögen sind optische Eigenschaften, die je nach der Wellenlänge einer einfallenden Strahlung (z. B. im Ultraviolett-Bereich, im Bereich des sichtbaren Lichts, im Infrarot-Bereich und im Bereich der Wärmestrahlung) für ein- und dasselbe Material unterschiedliche Werte annehmen können. Zur Gewährleistung einer hocheffektiven Energieausnutzung wird für das Material im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung (charakteristischerweise 1,06 μm, genauer 1064 nm) auf der ersten Seite ein maximaler Absorptionsgrad gefordert. Geht man davon aus, dass die Transmission durch das Verbundmaterial gleich Null ist, dann ergänzen sich der Reflexionsgrad und der Absorptionsgrad jeweils zu 100 Prozent. Der Reflexionsgrad des aus der EP 2 239 086 A1 bekannten Verbundmaterials liegt auf der ersten Seite folglich bei minimal 85 Prozent.
Damit wird also bekanntermaßen bereits eine erhöhte, jedoch noch verbesserungswürdige Effizienz des Laserschweißverfahrens gegenüber anderen gleichartigen Verfahren erreicht. Sowohl auf dem Markt befindliches Rohaluminium, als auch passiviertes Aluminium für Solarabsorber reflektieren bei einer Wellenlänge des Laserstrahls von 1,06 μm, die für nahezu alle zurzeit praktizierten Verfahren unter Anwendung von CO₂- und Nd:YAG-Lasersystemen charakteristisch ist, welches auch in der EP 2 239 086 A1 beschrieben wird, nämlich nur ca. 90 Prozent der einfallenden Laserenergie.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundmaterial der eingangs beschriebenen Art, insbesondere zur Verwendung in einem Solarkollektorelement, zu schaffen, das bei hoher Funktionalität und bei möglichst aufwandsarmer Herstellbarkeit eine noch weiter erhöhte Verfahrenseffizienz gewährleistet, wenn das Material mittels eines Lasers verschweißt wird.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass sich vom Träger aus gesehen über der keramischen Beschichtung eine metallische Schicht befindet und dass eine Dicke der keramischen Beschichtung und eine Dicke der metallischen Schicht derart dimensioniert sind, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad bei einem Einstrahlungswinkel im Bereich von 65° bis 80° eines einfallenden Laserlichtstrahls mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf der ersten Seite des Trägers weniger als 60 Prozent beträgt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass im Vergleich mit den bekannten Verbundmaterialien durch den Einsatz eines Verbundmaterials mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem eine Vervielfachung der beim Laserschweißen absorbierten Energie möglich ist.
Insbesondere kann dazu die keramische Beschichtung auf der ersten Seite des Trägers eine Dicke im Bereich von 20 nm bis 135 nm und die sich über dieser keramischen Beschichtung befindliche metallische Schicht eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 25 nm aufweisen.
In bevorzugter Weise kann so bei entsprechender Dimensionierung der Schichten im genannten Bereich ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm auf der ersten Seite des Trägers weniger als 50 Prozent, besonders bevorzugt 40 Prozent, betragen. D. h., der Absorptionsgrad für die Laserstrahlung beträgt dann vorteilhafterweise mindestens 50 Prozent bzw. 60 Prozent. Durch geringfügige Veränderungen der Schichtdicken im erfindungsgemäßen Bereich ist es dabei möglich, auch bei anderen Wellenlängen – falls beispielsweise beim gewünschten Einsatz eines anderen Lasers, wie eines Argon-Lasers (Wellenlänge 488 nm bzw. 515 nm) oder eines Holmium:YAG-Lasers (Wellenlänge 2123 nm), erforderlich – die Absorption in gleicher Weise zu maximieren.
In bevorzugter Ausführung kann vorgesehen sein, dass die keramische Beschichtung im Wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht. Wenn auch der Träger des Verbundmaterials aus Aluminium besteht, kann dabei das Aluminiumoxid der keramischen Beschichtung in technologisch vorteilhafter Weise insbesondere aus dem anodisch oxidierten oder elektrolytisch geglänzten und anodisch oxidierten Aluminium des Trägers gebildet sein.
Die metallische Schicht kann bevorzugt Chrom und/oder Titan enthalten oder vollständig aus diesen Materialien bestehen. Eine bevorzugte Dicke der Schicht kann dabei im Bereich von 10 nm bis 20 nm liegen und insbesondere 15 nm betragen. Die metallische Schicht kann in technologisch vorteilhafter Weise in einem kontinuierlichen Vakuum-Bandbeschichtungsprozess auf die keramische Beschichtung aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann somit eine Ausbildung als Coil, insbesondere mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm, besitzen und mit allen seinen Schichten in einem kontinuierlich ablaufenden Prozess von Rolle zu Rolle (Coil-to-coil) gefertigt werden.
Dabei kann das erfindungsgemäße Verbundmaterial, insbesondere wenn es zur Herstellung eines Solarkollektorelementes eingesetzt werden soll, auf der zweiten Seite des Trägers ein optisch wirksames Mehrschichtsystem aufweisen, das aus mindestens zwei Schichten, vorzugsweise aus mindestens drei Schichten, besteht.
Unter dem optischen Mehrschichtsystem kann auf dem Träger eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die einerseits einen mechanischen und korrosionshemmenden Schutz für den Träger und andererseits eine hohe Haftung für das optische Mehrschichtsystem gewährleistet. Hierbei kann es sich ebenfalls um eine keramische Beschichtung handeln, die sich jedoch auf der zweiten Seite des Trägers befindet und insbesondere gleichartig wie die auf der ersten Seite des Trägers befindliche keramische Beschichtung hergestellt ist.
Bei Vorhandensein eines aus mindestens drei Schichten bestehenden optisch wirksamen Mehrschichtsystems kann die oberste Schicht eine dielektrische Schicht sein, die mittlere Schicht eine überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende, vorzugsweise chromoxidhaltige, Schicht, und die unterste Schicht kann aus Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium und/oder Molybdän bestehen. Ein solches Schichtsystem auf einem Aluminiumträger ist unter dem Namen mirotherm® bekannt und kann durch die Erfindung ohne Beeinträchtigung seiner exzellenten optischen Eigenschaften eine signifikante Verbesserung seiner Laserschweißbarkeit erfahren.
Zur Herstellung eines Solarkollektorelementes bzw. eines Absorberteils können das erfindungsgemäße Verbundmaterial mit einem beispielsweise aus Aluminium bestehenden Trägermaterial – bei Vorhandensein einer aus Aluminiumoxid bestehenden keramischen Schicht sowie der Metallschicht auf der ersten Trägerseite – und beispielsweise ein Rohr aus Kupfer durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Dabei kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung, die einerseits durch beim Schmelzprozess geschmolzenes und wiedererstarrtes Aluminium gebildet wird und andererseits durch eine Migration des Aluminiums in das Kupfer entsteht. Zum Verschweißen kann beispielsweise Strahlung eines CO₂- oder Nd-YAG-Lasers mit hinreichender Leistung eingesetzt werden.
Insbesondere können dabei das Rohr und das Absorberteil längs ihrer Stoßstelle durch beidseitig des Rohres verlaufende, durch ein Impuls-Schweißverfahren erzeugte Punkt-Schweißnähte verbunden sein. Dabei ist bei der Festlegung der Laserleistung und Impulsfrequenz zu beachten, dass die Schweißpunktabmessungen in erster Linie von der Wärmeleitung abhängig sind, wobei Oberflächentemperatur, Bestrahlungszeit, Dicke des Absorberteils und Werkstoffart sich gegenseitig beeinflussende Faktoren darstellen. Zwischen der Aufschmelztiefe und der gemittelten Laserleistung besteht Proportionalität. Gegenüber dem an sich dabei im Wesentlichen bekannten Verfahren, wozu in vollem Umfang auf die EP 2 239 086 A1 und auf die EP 1 217 315 B1 verwiesen wird, tritt dabei aufgrund der erhöhten Absorptionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verbundmaterials eine erhebliche Leistungseinsparung beim Schweißen ein.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.
Anhand zweier durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials,
2 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials,
3 die Abhängigkeit des Reflexionsgrades einer dritten Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials von der Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls in Gegenüberstellung zu einem bekannten, nicht erfindungsgemäßen Vergleichsmaterial,
4 die Abhängigkeit des Reflexionsgrades einer vierten Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials von der Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls in Gegenüberstellung zu einem bekannten, nicht erfindungsgemäßen Vergleichsmaterial,
5 die Abhängigkeit des Reflexionsgrades der dritten Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials vom Einfallswinkel eines einfallenden Lichtstrahls.
Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile bzw. insbesondere auch funktionsgleiche Schichten stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher im Folgenden in der Regel jeweils auch nur einmal beschrieben.
Wie zunächst 1 zeigt, umfasst eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials V, das insbesondere zur Herstellung eines Solarkollektorelementes einsetzbar ist, einen bandförmigen metallischen Träger 1. Der Träger weist eine erste Seite A und eine zweite Seite B auf.
Auf der zweiten Seite B des Trägers 1 befindet sich eine optional vorhandene Zwischenschicht 2 und ein auf die Zwischenschicht 2 aufgebrachtes, optional vorhandenes optisches Mehrschichtsystem 3, das mindestens drei Schichten 4, 5, 6 umfasst. In dem optisch wirksamen Mehrschichtsystem 3 ist eine oberste Schicht 4 eine dielektrische Schicht, eine mittlere Schicht 5 ist eine überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht, und eine unterste Schicht 6 ist eine metallische Infrarot-Reflexionsschicht.
Die oberste Schicht 4 kann insbesondere eine oxidische, fluoridische, sulfidische, nitridische, oxynitridische und/oder carboxynitridische Schicht mit einem Brechungsindex n < 1,8 sein. Sie kann insbesondere eine oxidische Schicht des Titans, Siliciums oder Zinns der chemischen Zusammensetzung TiOz, SiOw oder SnOv sein, wobei die Indizes v, w und z ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis in der oxidischen Zusammensetzung bezeichnen und im Bereich 1 < v und/oder w und/oder z ≤ 2, vorzugsweise im Bereich 1,9 ≤ v und/oder w und/oder z ≤ 2 liegen. Vorzugsweise kann es sich um eine siliciumoxidische Schicht der chemischen Zusammensetzung SiO_w handeln, wobei der Index w den Wert 2 annimmt. Die obere Schicht 4 kann bevorzugt eine Dicke D₄ im Bereich von 3 nm bis 500 nm aufweisen.
Die mittlere, überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht 5 kann insbesondere Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrOr und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrNs und/oder Chromoxynitrid der chemischen Zusammensetzung CrOrNs enthalten, wobei die Indizes r und s jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen und im Bereich 0 < r und/oder s < 3 liegen. Auch diese Schicht 5 kann optional Fluoride, Sulfide, Nitride, Oxynitride und/oder Carboxynitride auch anderer Metalle als Chrom enthalten. Sie kann insbesondere eine Dicke D₅ im Bereich von 0,01 μm bis etwa 1 µm aufweisen.
Die unterste Schicht 6 des optischen Mehrschichtsystems 3 kann vorzugsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium und/oder Molybdän bestehen. Sie kann insbesondere eine Dicke D₆ von mindestens 3 nm und maximal von etwa 500 nm aufweisen.
Auf der ersten Seite A des Trägers 1 befindet sich eine keramische Beschichtung 7, die erfindungsgemäß eine Dicke D₇ im Bereich von 20 nm bis 135 nm aufweist, wobei gleichzeitig vorgesehen ist, dass sich auf der dem Träger 1 abgewandten Seite über der keramischen Beschichtung 7 (in der figürlichen Darstellung darunter) eine metallische Schicht 8 mit einer Dicke D₈ von 5 nm bis 25 nm befindet.
Die keramische Beschichtung 7 kann bevorzugt eine Dicke D₇ im Bereich von 40 nm bis 95 nm aufweisen, während die metallische Schicht 8 eine bevorzugte Dicke D₈ im Bereich von 10 nm bis 20 nm, besonders bevorzugt von 15 nm, aufweisen kann. Die metallische Schicht 8 kann Chrom und/oder Titan enthalten oder vollständig aus diesen Materialien bestehen.
Die keramische Beschichtung 7 auf der ersten Seite A des Trägers kann im Wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehen, wobei der Träger 1 des erfindungsgemäßen Verbundmaterials V aus Aluminium besteht. So ist es in bevorzugter Weise möglich, dass das Aluminiumoxid der keramischen Beschichtung 7 aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium des Trägers 1 besteht.
Auch die auf der zweiten Seite B des Trägers 1 befindliche Zwischenschicht 2 kann bevorzugt eine keramische Beschichtung 2 sein, die insbesondere gleichartig wie die auf der ersten Seite A des Trägers 1 befindliche keramische Beschichtung 7 hergestellt ist. In dem vorstehend genannten Fall, dass die keramische Beschichtung 7 auf der ersten Seite A des Trägers aus Aluminiumoxid besteht, das durch anodische Oxidation oder durch elektrolytisches Glänzen und anodische Oxidation aus dem Aluminium des Trägers 1 gebildet wird, kann so vorteilhafterweise gleichzeitig und in einem Prozess mit der Bildung der keramischen Beschichtung 7 auf der ersten Seite A des Trägers 1 die Bildung der keramischen Beschichtung 2 auf der zweiten Seite B des Trägers 1 erfolgen. Die keramische Beschichtung 2 auf der zweiten Seite B des Trägers kann insbesondere eine Dicke D2 von weniger als 135 nm, insbesondere im Bereich 3 von bis 95 nm, bevorzugt im Bereich von 15 nm bis 45 nm, aufweisen.
Wie des Weiteren 2 zeigt, umfasst eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials V ebenfalls einen bandförmigen metallischen Träger 1, der eine erste Seite A mit einer keramischen Beschichtung 7 und eine zweite Seite B aufweist. Auch hier ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die keramische Beschichtung 7 auf der ersten Seite A des Trägers 1 eine Dicke D₇ im Bereich von 20 nm bis 135 nm aufweist und dass sich auf der dem Träger 1 abgewandten Seite über dieser keramischen Beschichtung 7 eine metallische Schicht 8 mit einer Dicke D₈ von 5 nm bis 25 nm befindet.
Des Weiteren ist in Übereinstimmung mit der ersten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass sich auch auf der zweiten Seite B des Trägers 1 eine keramische Beschichtung 2 befindet, die insbesondere eine Zwischenschicht 2 bildet, und dass sich darüber auf der zweiten Seite B des Trägers 1 ein optisch wirksames Mehrschichtsystem 3 befindet, das jedoch nur aus mindestens zwei Schichten 4, 5 besteht.
Es handelt sich dabei wiederum um eine obere Schicht 4, die eine oxidische, fluoridische, sulfidische, nitridische, oxynitridische und/oder carboxynitridische Schicht mit einem Brechungsindex n < 1,8 sein kann, und eine darunter liegende, überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht 5, die in diesem Fall die unterste Schicht bildet. Diese Schicht 5 kann insbesondere ein Titan-Aluminium-Mischoxid TiAlqOx und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid TiAlqNy und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxynitrid TiAlqOxNy enthalten, wobei die Indizes q, x und y jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen und im Bereich 0 < q und/oder x und/oder y < 3 liegen. Auch mit einer solchen Schicht kann – wie auch mit einer chromhaltigen Schicht 5 gemäß der ersten Ausführung der Erfindung – ein Verbundmaterial mit einer besonderen Eignung für Solarabsorber geschaffen werden, das sich durch eine vereinfachte Herstellung auszeichnet und eine hohe spektrale Selektivität aufweist.
Sowohl die metallische Schicht 8 auf der ersten Seite A des Trägers 1, als auch alle Schichten des optischen Mehrschichtsystems 3 auf der anderen Trägerseite B können bei beiden Ausführungen bevorzugt Sputterschichten, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, CVD- oder PECVD-Schichten oder durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schichten sein und bevorzugt in Vakuumfolge in einem kontinuierlichen Verfahren erzeugt und insbesondere auf die keramische Beschichtung 2, 7 aufgebracht werden. Das Aufbringen einer metallischen Ti/Cr-Schicht 8 kann beispielsweise bevorzugt unter Einsatz von maximal zweier planarer Magnetrone erfolgen.
Im Hinblick auf die auch bei der zweiten Ausführung der Erfindung vorhandene Zwischenschicht 2 zwischen dem Träger 1 und dem optisch wirksamen Mehrschichtsystem 3 ist speziell Folgendes festzustellen: Wenn diese Zwischenschicht 2 auf einem Aluminiumträger liegt und aus Aluminiumoxid besteht, ist – unabhängig davon, ob die untere, lichtabsorbierende Schicht ein Titan-Aluminium-Mischoxid TiAlqOx und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid TiAlqNy und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxynitrid TiAlqOxNy enthält, und ob die obere Schicht eine oxidische Schicht des Titans, Siliciums oder Zinns der chemischen Zusammensetzung TiOz, SiOw oder SnOv ist – das Merkmal von Bedeutung sein, dass die Dicke D2 der Zwischenschicht nicht größer als 30 nm ist. Es genügt hier, dass die obere Schicht eine dielektrische Schicht mit einem Brechungsindex von weniger als 1,7 ist. Dieser kann jedoch auch höher liegen, wie z. B. im Falle einer Zinnoxidschicht bei etwa 1,9 oder bei einer Titandioxidschicht bei etwa 2,55 (Anatas) bzw. 2,75 (Rutil).
Es wurde nämlich gefunden, dass die Zwischenschicht 2, wenn sie aus Aluminiumoxid besteht, das nur eine extrem geringe Dicke im Bereich von nicht mehr als 30 nm, insbesondere eine Dicke von mindestens 3 nm, bevorzugt eine Dicke im Bereich von 15 nm bis 25 nm, aufweist, nicht nur die bekannte Wirkung des mechanischen und korrosionshemmenden Schutzes für den Träger 1 bewahrt und eine hohe Haftung für das darüber liegende optische Mehrschichtsystem 3 gewährleistet, sondern dass die Zwischenschicht 2 und der Träger 1 dadurch auch selbst optisch wirksam werden. Die Zwischenschicht 2 besitzt dann vorteilhafterweise ein derartig hohes Transmissionsvermögen und der Träger 1 ein derartig hohes, durch die Transmission der Zwischenschicht 2 wirksam werdendes Reflexionsvermögen, dass auf die unterste metallische Schicht 6 des optischen Mehrschichtsystems 3 der ersten Ausführung ohne Effizienzeinbuße verzichtet werden kann. Damit entfällt einerseits der technologische Schritt der Auftragung einer Schicht und andererseits tritt außerdem eine Materialersparnis ein, insbesondere an den für die bekanntermaßen für die unterste metallische Schicht bevorzugt eingesetzten Edelmetallen Gold und Silber bzw. auch für das ebenfalls kostenintensive Molybdän.
Beispielsweise mit den beiden beschriebenen Ausführungen des optisch wirksamen Mehrschichtsystems 3 ist es möglich, ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial V herzustellen, bei dem ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Absorptionsgrad auf der zweiten Seite B des Trägers 1 im Wellenlängenbereich von etwa 300 bis 2500 nm Maximalwerte von mehr als 90 Prozent und im Wellenlängenbereich über 2500 nm Minimalwerte von weniger als 15 Prozent aufweist. Ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad kann auf der zweiten Seite B des optischen Mehrschichtsystems 3 bei weniger als 5 Prozent liegen.
In den in 3 und 4 dargestellten Grafiken, die die Abhängigkeit des Reflexionsgrades R einer dritten und einer vierten Ausführung eines erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials V von der Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls L in Gegenüberstellung zu einem bekannten nicht erfindungsgemäßen Vergleichsmaterial wiedergeben, bezeichnet die Kurve RV jeweils den Reflexionsgrad R des erfindungsgemäßen Verbundmaterials V und die Kurve R0 den Reflexionsgrad R des Vergleichsmaterials.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial V gemäß der dritten Ausführung handelt es sich um ein solches, bei dem auf einem Träger 1 aus Aluminium auf der ersten Seite A eine keramische Schicht 7 aus Al₂O₃ mit einer Dicke D₇ von 95 nm und unmittelbar darüber eine metallische Schicht 8 aus Chrom mit einer Dicke D8 von 10 nm abgeschieden wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial V gemäß der vierten Ausführung handelt es sich um ein solches, bei dem auf einem Träger 1 aus Aluminium auf der ersten Seite A eine keramische Schicht 7 aus Al₂O₃ mit einer Dicke D₇ von 40 nm und unmittelbar darüber eine metallische Schicht 8 aus Chrom mit einer Dicke D8 von 20 nm abgeschieden wurde. Bei dem Vergleichsmaterial war auf einem Träger 1 aus Aluminium auf der ersten Seite A eine keramische Schicht 7 aus Al₂O₃ mit einer Dicke D₇ von 95 nm abgeschieden.
Der Einfallswinkel α des einfallenden Lichtstrahls L wurde dabei gemessen – wie dies den zeichnerischen Darstellungen zu entnehmen ist – als der Winkel α, der von dem Laserlichtstrahl L und einem auf die Oberfäche des Trägers 1 gefälltem Lot, dem Normalenvektor N, eingeschlossen wird. Der Einstrahlungswinkel α des Laserlichtstrahls L lag in allen Fällen bei 75°.
Es ist zu erkennen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial V gemäß 3 ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad R einer Laserstrahlung L mit einer Wellenlänge λ von 1064 nm auf der ersten Seite A des Trägers 1 weniger als 50 Prozent beträgt, wobei er insbesondere etwa bei 40 Prozent liegt. Der Reflexionsgrad R des Vergleichsmaterials liegt unter den gleichen Bedingungen um etwa 50 Prozent höher, bei etwa 90 Prozent. Im gesamten untersuchten Bereich der Wellenlänge λ bewegt sich der Reflexionsgrad R des erfindungsgemäßen Verbundmaterials V – wie 3 zu entnehmen ist – zwischen etwa 48 Prozent bei 500 nm und 42 Prozent bei etwa 1200 nm, wobei ein Minimum des Reflexionsgrades R von 40 Prozent etwa bei einer Wellenlänge λ von 1000 nm liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial V gemäß 4 liegt ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad R einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ von 1064 nm auf der ersten Seite A des Trägers 1 ebenfalls bei weniger als 50 Prozent, ist jedoch im Durchschnitt im Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1200 nm um etwa 5 Prozent bis 8 Prozent höher als bei der Ausführung nach 3.
Die in 5 dargestellte Abhängigkeit des Reflexionsgrades R der dritten Ausführung des erfindungsgemäßen laserschweißbaren Verbundmaterials V vom Einfallswinkel α eines einfallenden Laserlichtstrahls L wurde für eine Wellenlänge λ von 1064 nm bestimmt. Der durch einen Kreis markierte Wert des Reflexionsgrades R in 5 ist folglich identisch mit dem ebenso markierten Wert in 3. Im Winkelbereich α von 65° bis 80° steigt der Reflexionsgrad R stetig von etwa 30 Prozent auf etwa 40 Prozent an. Die in 4 dargestellte Probe zeigt bezüglich der Winkelabhängigkeit ein gleichartiges Verhalten, wobei der Wert des Reflexionsgrades R – wie vorstehend erwähnt – um weniger als 10 Prozent nach oben verschoben ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So ist es beispielsweise auch möglich, die keramische Beschichtung der Zwischenschicht 2 aus einem anderen Material als Aluminiumoxid herzustellen. Was die im Rahmen der Erfindung vorteilhaft mögliche Ausbildung des optischen Mehrschichtsystems 3 und die optimale technologische Verfahrensführung bei der Laserverschweißung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials V betrifft, wird hinsichtlich weiterer Details in vollem Umfang auf die Dokumente EP 1 217 394 B1 , EP 1 217 315 B1 , EP 2 239 086 A1 , EP 2 336 811 und WO 2011/076448 A1 verwiesen.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Was insbesondere die im erfindungsgemäßen Verbundmaterial vorhandenen Schichten betrifft, so schließt die exemplarisch beschriebene Schichtfolge, bei der die Schichten unmittelbar aneinander grenzen und materialeinheitlich aufgebaut sind, nicht aus, dass in dem Schichtsystem noch weitere Zwischen-, Ober- und/oder Unterschichten vorgesehen sein können bzw. dass die Schichten und/oder Teilschichten, insbesondere die metallische Schicht 8 auf der ersten Seite A des Trägers 1 sowie die Infrarot-Reflexionsschicht 4 und die überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht 5 auf der zweiten Seite B des Trägers 1, selbst wiederum als Multilayer (mehrschichtig) aufgebaut sind. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Träger
2: Zwischenschicht auf 1, keramische Schicht auf Seite B
3: optisch wirkendes Mehrschichtsystem
4: Infrarot-Reflexionsschicht von 3
5: absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht von 3
6: obere Schicht von 3
7: keramische Schicht auf 1 (Seite A)
8: metallische Schicht auf 7 (Seite A)
A: erste Seite von 1 (mit 7, 8)
B: zweite Seite von 1 (mit 2, 3)
D: (Gesamt-)Dicke von V
D1: Dicke von 1
D2: Dicke von 2
D3: Dicke von 3
D4: Dicke von 4
D5: Dicke von 5
D6: Dicke von 6
D7: Dicke von 7
D8: Dicke von 8
L: Laserlichtstrahl
N: Normalenvektor auf V
R: Reflexionsgrad
R0: Kurve von R für Vergleichsmaterial
RV: Kurve von R für V
V: Verbundmaterial
α: Einfallswinkel
λ: Wellenlänge

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

EP 2239086 A1 [0002, 0002, 0003, 0004, 0017, 0049]
EP 1217315 B1 [0002, 0017, 0049]
US 300591 B1 [0002]
DE 3827297 A1 [0002]
US 4023005 [0002]
EP 1217394 B1 [0049]
EP 2336811 [0049]
WO 2011/076448 A1 [0049]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 5036 [0006]
DIN 5036 [0009]
DIN 5036 [0042]
DIN 5036 [0042]
DIN 5036 [0046]
DIN 5036 [0047]

Claims

Laserschweißbares Verbundmaterial (V), insbesondere für ein Solarkollektorelement, umfassend einen bandförmigen, aus einem Metall mit hoher Reflektivität für Laserstrahlung bestehenden Träger (1), der eine erste Seite (A) und eine zweite Seite (B) aufweist, wobei sich zumindest auf der ersten Seite (A) eine keramische Beschichtung (7) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich vom Träger (1) aus gesehen über der keramischen Beschichtung (7) eine metallische Schicht (8) befindet und dass eine Dicke (D₇) der keramischen Beschichtung (7) und eine Dicke (D₈) der metallischen Schicht derart dimensioniert sind, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Gesamtreflexionsgrad (R) bei einem Einstrahlungswinkel (α) im Bereich von 65° bis 80° eines einfallenden Laserlichtstrahls (L) mit einer Wellenlänge (λ) von 1064 nm auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) weniger als 60 Prozent beträgt.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (7) auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) eine Dicke (D₇) im Bereich von 20 nm bis 135 nm, vorzugsweise im Bereich von 40 nm bis 95 nm, aufweist.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (8) auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) eine Dicke (D₈) im Bereich von 5 nm bis 25 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm bis 20 nm, besonders bevorzugt von 15 nm, aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (7) auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) aus Aluminiumoxid besteht.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) des Verbundmaterials aus Aluminium besteht.
Verbundmaterial (V) nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid der keramischen Beschichtung (7) auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium des Trägers (1) besteht.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (8) auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) Chrom und/oder Titan enthält oder vollständig aus diesen Materialien besteht.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D₇) der keramischen Beschichtung (7) und die Dicke (D₈) der metallischen Schicht derart dimensioniert sind, dass der nach DIN 5036, Teil 3 bestimmte Gesamtreflexionsgrad (R) bei dem Einstrahlungswinkel (α) im Bereich von 65° bis 80° des einfallenden Laserlichtstrahls (L) mit der Wellenlänge (λ) von 1064 nm auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) weniger als 50 Prozent, vorzugsweise weniger als 40 Prozent beträgt.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) eine keramische Beschichtung (2) befindet, die insbesondere eine Zwischenschicht (2) bildet.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (2) auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) gleichartig wie die auf der ersten Seite (A) des Trägers (1) befindliche keramische Beschichtung (7) hergestellt ist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) ein optisch wirksames Mehrschichtsystem (3) befindet, das aus mindestens zwei Schichten (4, 5), vorzugsweise aus mindestens drei Schichten (4, 5, 6), besteht.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (8) und/oder gegebenenfalls das optisch wirksame Mehrschichtsystem (3), zumindest teilweise, in einem kontinuierlichen Vakuum-Bandbeschichtungsprozess auf der keramischen Beschichtung (7, 2) aufgebracht ist, die sich auf der ersten Seite (A) und gegebenenfalls auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) befindet.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch wirksame Mehrschichtsystem (3) zwei dielektrische und/oder oxidische Schichten (4, 5) umfasst, eine obere Schicht (4), die eine oxidische, fluoridische, sulfidische, nitridische, oxynitridische und/oder carboxynitridische Schicht mit einem Brechungsindex n < 1,8 ist, und eine darunter liegende, überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht (5).
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch wirksame Mehrschichtsystem (3) drei Schichten (4, 5, 6) umfasst, wobei eine/die obere Schicht (4) eine dielektrische und/oder oxidische Schicht ist, wobei eine/die überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht (5) eine mittlere Schicht bildet, und wobei eine unterste Schicht (6) eine metallische Infrarot-Reflexionsschicht ist, die vorzugsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium und/oder Molybdän besteht.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Schicht (6) eine Dicke (D₆) im Bereich von 3 nm bis 500 nm aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht (5) ein Titan-Aluminium-Mischoxid TiAlqOx und/oder ein Titan-Aluminium-Mischnitrid TiAlqNy und/oder ein Titan-Aluminium-Mischoxynitrid TiAlqOxNy enthält, wobei die Indizes q, x und y jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen und im Bereich 0 < q und/oder x und/oder y < 3 liegen.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht (5) Chromoxid der chemischen Zusammensetzung CrOr und/oder Chromnitrid der chemischen Zusammensetzung CrNs und/oder Chromoxynitrid der chemischen Zusammensetzung CrOrNs enthält, wobei die Indizes r und s jeweils ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis bezeichnen und im Bereich 0 < r und/oder s < 3 liegen.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) eine oxidische Schicht des Titans, Siliciums oder Zinns der chemischen Zusammensetzung TiOz, SiOw oder SnOv ist, wobei die Indizes v, w und z ein stöchiometrisches oder nichtstöchiometrisches Verhältnis in der oxidischen Zusammensetzung bezeichnen und im Bereich 1 < v und/oder w und/oder z ≤ 2, vorzugsweise im Bereich 1,9 ≤ v und/oder w und/oder z ≤ 2 liegen.
Verbundmaterial (V) nach Anspruch 9 oder 10 und nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (2) auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium des Trägers (1) besteht, und unter dem optisch wirksamen Mehrschichtsystem (3) auf dem Träger (1) eine Zwischenschicht (2) bildet, die insbesondere eine Dicke (D2) von weniger als 135 nm, bevorzugt im Bereich 3 von bis 95 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 15 nm bis 45 nm, oder insbesondere von weniger als 30 nm, bevorzugt im Bereich von 15 nm bis 25 nm, aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) des optischen Mehrschichtsystems (3) eine Dicke (D₄) im Bereich von 3 nm bis 500 nm aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die überwiegend absorptiv für sichtbares Licht wirkende Schicht (5) des optischen Mehrschichtsystems (3) eine Dicke (D₅) im Bereich von 0,01 μm bis 1,00 µm aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Absorptionsgrad auf der zweiten Seite (B) des Trägers (1) im Wellenlängenbereich von etwa 300 bis 2500 nm Maximalwerte von mehr als 90 Prozent und im Wellenlängenbereich über 2500 nm Minimalwerte von weniger als 15 Prozent aufweist.
Verbundmaterial (V) nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach DIN 5036, Teil 3 bestimmter Licht-Gesamtreflexionsgrad auf der zweiten Seite (B) des optischen Mehrschichtsystems (3) weniger als 5 Prozent beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm.