EP4185434A2 - Vorrichtung und verfahren zum fügen mindestens zweier fügepartner - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum fügen mindestens zweier fügepartner

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EP4185434A2
EP4185434A2 EP21748550.7A EP21748550A EP4185434A2 EP 4185434 A2 EP4185434 A2 EP 4185434A2 EP 21748550 A EP21748550 A EP 21748550A EP 4185434 A2 EP4185434 A2 EP 4185434A2
Authority
EP
European Patent Office
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joining
coating
laser
joining partners
laser beam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21748550.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102020119307.6A external-priority patent/DE102020119307A1/de
Priority claimed from DE102020123540.2A external-priority patent/DE102020123540A1/de
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4185434A2 publication Critical patent/EP4185434A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/57—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece the laser beam entering a face of the workpiece from which it is transmitted through the workpiece material to work on a different workpiece face, e.g. for effecting removal, fusion splicing, modifying or reforming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1 ns or less
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
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    • B23K26/60—Preliminary treatment

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for joining at least two parts to be joined, the at least two parts to be joined being joined to one another by means of ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short-pulse laser.
  • the high intensity in the focus leads to non-linear absorption processes.
  • various material modifications can be made to the glass. If the time between the successive ultra-short laser pulses is shorter than the heat diffusion time, this leads to heat accumulation or a temperature increase in the glass in the focus area. With each of the successive pulses, the temperature can then be increased to the melting temperature of the glass and finally the glass can be locally melted.
  • the breaking strength of the subsequent weld seam can be determined on the one hand by the laser parameters.
  • the stability of the connection also depends on the materials and the material composition of the joining partners.
  • a method for joining at least two joining partners wherein the at least two joining partners are joined to one another by means of ultrashort laser pulses of a laser beam from an ultrashort pulse laser, wherein at least one joining partner is essentially transparent to the ultrashort laser pulses of the ultrashort pulse laser, and a coating is applied before joining at least one of the joining partners is applied and the coating is arranged between the joining partners, the coating comprising physical properties similar to at least one joining partner and/or a chemical component similar to at least one joining partner.
  • the coating here leads to an improvement in the joint connection.
  • the breaking strength of the connection of the joining partners joined with the coating can be greater than the breaking strength of the connection if it had been joined without the coating.
  • the joining laser provides the ultra-short laser pulses, i.e. laser pulses in the picosecond or femtosecond range.
  • the ultra-short laser pulses move along a trajectory determined by the optics of the joining laser, the so-called laser beam.
  • An ultra-short laser pulse from the joining laser is also called a joining pulse.
  • the laser can also provide pulse trains, so-called bursts, made up of ultra-short laser pulses, with each burst comprising the emission of several laser pulses.
  • so-called GHz bursts can also be provided, with the repetition rate of the individual laser pulses being up to 50 GHz, for example.
  • Substantially transparent means that the at least one joining partner has a transparency of more than 50% for the wavelength of the laser beam.
  • the transparency of the at least one joining partner has the advantage that the joining laser can be focused through the transparent joining partner, so that the joining area can be localized at the interface of both joining partners. In the case of two transparent joining partners, both irradiation directions are possible.
  • the first joining partner can be transparent, for example, and the second joining partner can be opaque.
  • the first joining partner can consist of quartz glass and the second can consist of aluminum.
  • both joining partners can also be transparent.
  • the coating is applied to at least one of the joining partners, for example vapor-deposited, so that the coating is firmly connected to the joining partner.
  • the coating can also be sprayed or brushed on, for example, or spun on and baked, for example, in a so-called rotary coating process.
  • the coating it is also possible for the coating to be applied only locally to the joining partner, with the coating only being applied where a welded joint of the joining partners is to be produced in the subsequent process. This can be done, for example, by masking the joining partner, so that the coating is only arranged on the unmasked areas of the joining partner.
  • the at least one joining partner with the coating is then oriented to the other joining partner in such a way that the coating comes into contact with the other joining partner.
  • the coating is thus arranged between the joining partners. In other words, the coating then lies in the interface between the two parts to be joined. The interface lies in the joining area.
  • Similar physical properties of the coating and the at least one joining partner can include, for example, similar transmission of the laser wavelength, similar melting temperature, similar thermal expansion, similar crystal structure or lattice structure, etc.
  • Similar chemical components of the coating of at least one joining partner can include, for example, a similar chemical composition, in particular elements of the same chemical group with similar electronegativity, similar chemical compounds and in particular the same elements.
  • the melting temperature of the material of the joining partner can finally be reached, which leads to local melting of the material of the first joining partner into which the joining beam enters.
  • the coating can also be melted here.
  • the joining area is understood to be that area of the joining partners and the coating in which the ultra-short laser pulses are introduced and in which the material is melted.
  • the entirety of the locally melted material in the joining area can also be referred to as a melt bubble.
  • the resulting melt can bridge the common interface of the joining partners and permanently connect the joining partners to one another when cooling down. This results in a mixing of the melted components of the joining partners and the coating, and then a bond is formed.
  • the chemical and physical structure of the joining partners can also change here, so that a particularly stable joining modification is formed.
  • the cooled melt which connects the joint partners to one another or produces the weld seam, is referred to as a joint modification.
  • ultra-short laser pulses and/or bursts can be introduced into the material and successively absorbed.
  • this plurality of ultra-short laser pulses and/or bursts are introduced into the material in a laser spot for the intended material processing, i.e. in the spatial extent of the respective focus area of the laser in the material.
  • the number of laser pulses introduced at a single location is referred to as the pulse overlap. Pulse overlap can be viewed as a measure of heat accumulation.
  • the pulse overlap is at a maximum. If, on the other hand, there is a feed between the material and the laser spot, the pulse overlap can decrease depending on the ratio of pulse frequency (repetition rate) and feed speed. If the feed rate is too high, the laser spots no longer overlap in the material and the laser spots lie side by side.
  • the number of ultra-short laser pulses and/or bursts per location in the material is given by the product of the laser spot size SG and the repetition rate P per feed rate VG.
  • the pulse overlap is given by SG * P / VG, for example.
  • the pulse overlap describes the spatial range over which the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material.
  • the average laser power can be between 0.5 W and 50 W, with the average power being defined as the product of the pulse energy of the individual pulses, possibly the number of pulses in the burst, and the repetition rate of the pulses. This provides enough laser power to melt the material.
  • At least one joining partner can be a metal or a semiconductor or an insulator or a combination thereof, in particular a glass ceramic or a crystal or a polymer.
  • the material can include a steel alloy and/or a carbon compound and/or an iron compound and/or an aluminum compound and/or a calcium fluoride compound and/or a silicon compound, in particular a silicon oxide compound or a copper compound.
  • the material can be a glass, for example a quartz glass, or a silica glass, or a Corning Eagle glass.
  • the material can be steel.
  • the material can be copper or calcium fluoride.
  • the coating can include at least one chemical component that is present in one of the joining partners.
  • a coating on a joining partner that includes a component that is present in one of the joining partners can result in the atoms on the surface of the joining partner now being exposed to different bonding forces at the interface between the coating and the volume material of the joining partner. This can result in the mixing process in the melt bubble taking place in a particularly advantageous manner, for example a homogeneous mixture of the joining partners and the coating is produced and a particularly stable joint connection or weld seam is produced as a result during cooling.
  • an aluminum coating can be applied to one of the joining partners. Since aluminum is present at least in sapphire, the aluminum layer functions, for example, as a mediator and exchange layer during the actual joining process.
  • the laser beam can have a focal zone that is elongated in the beam direction, with the focal zone being able to overlap with the coating and the focal zone being able to penetrate the two mutually facing boundary surfaces of the joining partners and/or the focal zone being able to penetrate at least one of the two mutually facing boundary surfaces of the joining partners.
  • the average power is distributed over a part of the layer system thickness, so it can also extend into the volume of the material of one or both joining partners. Since a larger area is heated overall, high thermal gradients and pressure gradients in and against the direction of jet propagation are reduced, so that cracking can be prevented as a result. In addition, it is also possible to melt a larger area of the layer system and thus join it together. This leads in particular to more stable joints.
  • Another advantage of an elongated focal zone is the increased tolerance to positional deviations. For example, the joining partners cannot lie exactly flat on top of each other, but enclose a gap. It is also possible that both joining partners have a certain surface roughness. These distances can be bridged by an elongated focal zone.
  • the focal zone overlaps with the coating, it is possible in particular for the laser energy to also be introduced into the coating and the coating to be melted as a result.
  • the focus zone penetrates the two mutually facing boundary surfaces of the joining partners, it is ensured that the laser energy can be introduced into both joining partners, so that both joining partners can be melted. This can lead to an improvement in the connection, since the joining partners mix better in the melt bubble.
  • the mutually facing boundary surfaces of the joining partners are the boundary surfaces that border on the coating.
  • the focus zone penetrates at least one interface of the joining partner that faces away, i.e. in particular penetrating an interface of the joining partner that faces away from the coating, i.e. that in particular is not in contact with the coating, it is ensured that the joining partner is heated over a larger area. This can lead to the joining partner also melting in a larger area. In particular, however, this can also lead to the thermal gradient that occurs during joining extending over a larger area and as a result the overall compressive and tensile stress in the joining partner is locally reduced and/or redistributed. In this way, in particular, cracking can be prevented.
  • the laser beam can melt at least one of the joining partners locally, preferably melt at least one of the joining partners and the coating locally, or melt both joining partners locally, particularly preferably locally melting both the joining partners and the coating.
  • the joining partner material also mixes with the coating material, so that a particularly stable joint between the two joining partners can be produced.
  • the laser beam can be a quasi non-diffracting laser beam, preferably a Gauss-Bessel beam.
  • Non-diffracting rays obey the Helmholtz equation:
  • k 2 kz 2 +kt 2
  • Ut(x,y) is an arbitrary complex-valued function that only depends on the transversal coordinates x,y.
  • transversal dimensions of local intensity maxima as the transversal focal zone or as the diameter of the beam profile for quasi-non-diffracting rays d ND o as the shortest distance between directly adjacent, opposite intensity minima.
  • Quasi-Bessel rays or Bessel-like rays are known as a subset of the quasi-non-diffracting rays.
  • the transversal field distribution Ut(x,y) in the vicinity of the optical axis obeys a Bessel function of the first kind of order n to a good approximation production are widespread.
  • the illumination of an axicon in a refractive, diffractive or reflective design with a collimated Gaussian beam allows the formation of the Bessel-Gaussian beam.
  • Bessel-Gauss beams thus have a radially symmetrical beam cross section, so that the intensity of the laser beam perpendicular to the beam propagation direction only depends on the distance from the optical axis. This has the advantage that the properties of the joint connection are independent of the weld seam geometry.
  • a significantly larger focus position tolerance can be achieved when joining.
  • the influence of local ripples in the glass and the focus adjustment is reduced.
  • the proposed method can thus be used in a further area of application - for example even when the workpieces to be joined are not perfectly flat on one another in the area of the desired weld seam and there is a corresponding gap between the workpieces.
  • the coating can be applied to one of the joining partners, with the coating comprising at least one component that is present in the other joining partner.
  • the coating can also include components that are present in both joining partners.
  • an aluminum layer can be applied to a joining partner made of sapphire (AI2O3) and then joined with a joining partner made of a blasting alloy (comprising Fe, C and Al).
  • a layer of amorphous silicon oxide can be applied to a joining partner made of calcium fluorite (CaF 2 ) and joined to a joining partner made of quartz glass (S1O 2 ).
  • a layer of copper (Cu) can be applied to a joining partner made of Corning Eagle Class (for example alkaline earth metal boron aluminum silicate) and joined with a joining partner made of copper (Cu).
  • Corning Eagle Class for example alkaline earth metal boron aluminum silicate
  • a layer of amorphous silicon oxide (S1O 2 ) can also be applied to a joining partner made of copper (Cu) and joined with a joining partner made of Corning Eagle Class.
  • the coating can be thicker than three monolayers of coating material.
  • a monolayer is a layer that is exactly one atom or one molecule of the material of the coating thick.
  • a three monolayer thick layer is three atoms or three molecules of the coating material thick.
  • the coating can be applied to one of the joining partners by means of physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or another vaporization process.
  • a particularly uniform layer growth on the joining partner can be achieved by one of these known methods mentioned above. In particular, these processes can also be used on an industrial scale.
  • a substrate containing the chemical components of the coating is vaporized, with the vapor being deposited on the part to be joined and the coating forming on the surface of the part to be joined.
  • the absorption of the laser beam by the coating can be low, preferably less than 50%, and/or the absorption of the laser beam by the coating can be lower than by at least one joining partner.
  • the wavelength of the ultra-short laser pulses can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1030 nm, and/or the pulse duration of a laser pulse can be between 50 fs and 10 ps, preferably 400 fs, and/or several laser pulses can be emitted in one pulse train where the repetition rate of the laser pulses in the pulse train is between 1 kHz and 50 GHz, and/or individual laser pulses can be emitted, where the repetition rate of the individual laser pulses is between 1 kHz and 50 MHz, and/or the numerical aperture of the focused laser beam can be between 0.1 and 0.7 and/or the fluence in the focus can be greater than 0.01 J/cm 2 and/or the raw beam diameter can preferably be 5 mm and/or the average laser power can be between 0.5 W and 50 W lie.
  • the wavelength of the ultra-short laser pulse can be 1030 nm, with the pulse duration of a single pulse being 400 fs, 2 pulses per burst are emitted, the pulse spacing is 20 ns, which corresponds to a pulse repetition rate of 50 MHz, the bursts a Have a repetition rate of 200 kHz, the numerical aperture is 0.25, the fluence in the focus is between 5 and 100 J/cm 2 , for example 75 J/cm 2 , and the average laser power is 5W.
  • the laser pulse energy can be modulated in time from pulse to pulse, the modulation rate being between 100 Hz and 10 kHz, the modulation form preferably being sin 2 -shaped or triangular.
  • Temporally modulated means that the pulse energy is changed during a modulation period, the modulation period being given by the inverse modulation rate.
  • the modulation rate indicates the time scale on which the modulation form is repeated.
  • a modulation of the pulse energy means that the pulse energy can become larger or smaller during the modulation period.
  • the modulation form indicates which mathematical function the pulse energy follows during the modulation period.
  • the modulated pulse energy from pulse to pulse means that there are times when less pulse energy is introduced into the joining partner(s) and temperature relaxation can take place, or there are times when more energy can be introduced than without the modulation. Crack formation can thus be controlled and/or avoided.
  • a temporal modulation can be achieved by varying the intensity of the joining pulses. For example, a strong joining pulse can be emitted followed by two joining pulses with half the intensity. However, the temporal modulation also means that the laser then emits a strong joining pulse, followed by two weakened joining pulses.
  • the ultra-short laser pulses of the laser beam can be introduced into the material together with an additional laser beam, the additional laser beam being a continuous wave laser beam or carrying pulses with a pulse length between 1 ns and 100 ps.
  • the temperature in the material is increased so that the thermal gradient when joining the joining partner is smaller. This can prevent cracking.
  • the laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to one another.
  • Moving relative to one another can mean that either the laser beam or the layer system or both the laser beam and the layer system are moved. This can be achieved that the laser beam brings in joints at different locations of the joint partners. In particular, this makes it possible to produce a continuous weld seam between the two joining partners.
  • the movement can take place with a feed, with laser pulses or laser pulse trains being able to be introduced continuously into the joining partners during the feed.
  • a positioning of the joining partners relative to the laser beam consists in bringing the focus zone of the laser beam into the desired penetration depth and into the desired location.
  • a device for joining two joining partners comprising an ultra-short-pulse laser that is set up to provide a laser beam that carries ultra-short laser pulses, a feed device that is set up to move and/or move the joining partners and the laser beam relative to one another position, focusing optics that are set up to generate an intensity increase of the laser beam, the focusing optics comprising beam shaping optics that are set up to impress the laser beam with a focus zone that is elongated in the direction of beam propagation, the at least two joining partners using ultrashort laser pulses of the laser beam of the ultrashort pulse laser are joined together, wherein at least one joining partner is substantially transparent to the ultra-short laser pulses of the ultra-short pulse laser, and wherein a coating is applied to at least one of the joining partners before joining and the Coating is arranged between the joining partners, with the focal zone overlapping with the coating and the focal zone penetrating the two mutually facing boundary surfaces of the joining partners and/or the focal zone penetrating
  • a feed device is a device that can be moved in at least two spatial axes and can, for example, be an XY table or an XYZ table.
  • the feed device can, for example, have a fastening device on which the joining partners can be fixed.
  • a fixation can be accomplished, for example, by gluing or clamping.
  • a fixation can also work via negative air pressure using a suction device.
  • a feed device can be moved or shifted in an automated or motorized manner with a feed.
  • the feed here is a movement with a feed rate, the feed taking place along a feed trajectory.
  • the feed device moves the material relative to the laser beam, the laser beam is guided over the material along a feed trajectory, which makes it possible to process and in particular to join the material at the locations of the feed trajectory.
  • the beam shaping optics can comprise a spatial light modulator or a diffractive optic element or an axicon or an acousto-optic deflector.
  • a beam shaping optics can in particular also include a lens for focusing the laser beam.
  • a spatial light modulator makes it possible to fan out the process beam to a given geometry, for example round, square or star-shaped.
  • a diffractive element also allows the process beam to be fanned out spatially to a given geometry.
  • An axicon is a conically ground optical element that can impress a quasi-non-diffracting beam profile on a Gaussian laser beam as it passes through.
  • An acousto-optical deflector makes it possible to periodically deflect the process beam over time, so that in particular Lissajous figure-shaped heating patterns can be generated in the interface, so that a larger area is heated.
  • the deflection using an acousto-optical deflector also allows a randomized movement pattern, so-called random access scanning, which enables the rapid scanning of any heating pattern.
  • the focusing optics can in particular comprise an optics system which enables an enlarging or reducing imaging of the beam profile in the joining partners.
  • the lens system can be used to shift the focal zone in or against the direction of beam propagation in order to place the focal zone in the boundary layer of the two joining partners and to enable the laser pulse energy to be introduced into the boundary layer.
  • the focusing optics can include a distance sensor, preferably include a confocal distance sensor, which is adapted to the distance and / or the positioning of the To regulate joining partners relative to a reference point in space.
  • the focusing optics may include a camera configured to regulate the establishment of the laser focus.
  • this makes it possible for the focus zone to be placed in the boundary layer of the two joining partners.
  • unevenness on the material surface can also be compensated for, so that the focus zone can also be guided along an inclined plane if the joining partners are not mounted exactly level with each other or are installed at an angle. This increases the tolerance range for the joining process, so that stable joints are made possible.
  • Figure 1 is a schematic representation of the method with quasi-non-diffractive
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the method with Gaussian beams
  • Figure 3A, B, C, D is a schematic representation of the quasi non-diffracting beams
  • FIG. 4A, B shows a schematic representation of the time modulation of the laser pulses
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the device for carrying out the method.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of two joining partners 30, 31 to be joined.
  • a coating 32 is applied to one of the joining partners 30, 31, with the joining partners 30, 31 being oriented in particular in such a way that the coating 32 is arranged between the two joining partners 30, 31.
  • Each joining partner 30, 31 has a thickness D0, D1.
  • the coating 32 has physical and/or chemical properties similar to those of at least one of the joining partners 30, 31.
  • the coating 32 can have a component in the form of a chemical element and/or molecule that is present in the joining partner 31 .
  • the coating 32 can be arranged on the joining partner 30 and have a thickness S that is greater than three monolayers of the material of the coating. This ensures a continuous coating 32 on the joining partner 30 .
  • the coating 32 can have been applied to the joining partner 30 in particular by means of a vapor deposition method, such as sputtering, for example.
  • the ultra-short pulse laser 1 makes the ultra-short laser pulses of the laser beam 10 available. These can be introduced into the joining partners 30, 31 and the coating 32 in the form of individual laser pulses or in the form of pulse trains.
  • the laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm and/or the repetition rate of the individual pulses can be between 100 Hz and 50 Hz and/or the repetition rate of the pulses in a pulse train can be between 1 MHz and 50 GHz and/or the number of pulses per pulse train can be between 2 and 5 and/or the laser pulse duration can be between 10fs and 50ps.
  • the average laser power can be between 0.5W and 50W.
  • the laser beam is guided through focusing optics 4 which include beam-shaping optics 2 .
  • the beam-shaping optics 2 can be, for example, an axicon or a diffractive optical element.
  • the beam-shaping optics 2 impose a quasi-non-diffracting beam shape on the laser beam 10 of the ultrashort pulse laser, for example a Bessel beam shape or a Bessel-Gaussian beam shape, as shown in more detail in FIG. What is achieved in particular is that the laser beam 10 has an elongated focal zone 100 .
  • the quasi-non-diffracting laser beam 10 is focused by suitable focusing optics 4 in such a way that the focus zone 100 , ie the area of the excess intensity of the laser beam 10 , approximately coincides with the coating 32 .
  • the fluence in the focal zone can be over 0.01 J/cm 2 .
  • the insertion depth of the focus zone 100 relative to the first joining partner 30 can be determined here by focusing.
  • the focal zone 100 overlaps with the coating 32 and penetrates the two mutually facing boundary surfaces of the joining partners.
  • the focus zone 100 does not penetrate the sides of the joining partners 30, 31 that are remote from the coating 32.
  • the focal zone 100 is therefore completely within the two joining partners 30, 31, so that the focal zone 100 is shorter in the beam propagation direction than the sum of the thicknesses D0, D1 of the joining partners 30, 31. This ensures that the ultra-short laser pulses of the ultra-short-pulse laser 1 introduce the joining modification 5 within the joining partners 30, 31 and, in particular, that the outer surfaces of the joining partners 30, 31 are not modified.
  • the first joining partner 30 in the beam propagation direction must be transparent to the wavelength of the laser 1 .
  • Both joining partners 30, 31 can also be transparent to the wavelength of the laser 1, so that the laser beam 10 can also be focused by the joining partner 31 in the beam propagation direction.
  • the coating 32 may absorb less than 50% of the laser energy of the laser beam 10, so that the laser beam 10 is transmitted through the joining partner 30 in the beam propagation direction, is then transmitted through the coating 32 and finally is transmitted into the joining partner 31. This ensures in particular that all the materials involved, namely the two joining partners 30, 31 and the coating 32, can be melted.
  • the joining partners 30, 31 can comprise a metal and/or a semiconductor and/or an insulator or a combination thereof; in particular, the joining partners can comprise a glass ceramic or a crystal or a polymer.
  • the joining partner 31 can consist of sapphire (AI203), an aluminum layer (AI) can be arranged on the joining partner 31 and the joining partner 30 can consist of a blasting alloy (comprising Fe, C and Al).
  • the joining partner 30 can consist of calcium fluorite (CaF 2 ), a layer of amorphous silicon oxide (SiO 2 ) can be arranged on the joining partner 30 and the joining partner 31 can be quartz glass (SiO 2 ).
  • successive laser pulses are absorbed in such a way that the material of the joining partners 30, 31 and the coating 32 melts and connects across the interface 32 to the other joining partner 30, 31 in each case. But it can also melt only one of the joining partners 30, 31, or only one of the joining partners 30, 31 and the coating 32, or both joining partners 30, 31, or both joining partners 30, 31 and the Coating 32 melt. As soon as the melt cools down, a permanent connection of the two joining partners 30, 31 is created.
  • the two joining partners 30, 31 are joined to one another in the area in which the focus zones 100 are positioned.
  • This area in which the melting and joining of the materials and the subsequent cooling of the melt takes place and in which the actual joining takes place, is also referred to as the joining area.
  • the cooled melt and material connection of the joining partners 30, 31 forms the joining modification 5 or the weld seam.
  • the coating 32 brings about an improvement in the connection, since, for example, the mixing processes in the melt proceed particularly advantageously.
  • the coating 32 functions as a kind of adhesion promoter between the joining partners 30, 31.
  • the breaking strength of the connection of the joining partners 30, 31 joined with the coating is greater than the breaking strength of the connection of the joining partners 30, 31 joined without the coating.
  • FIG. 2 The same structure as in FIG. 1 is shown in FIG. 2, with a Gaussian laser beam 10 being made available by focusing optics 4 .
  • a symmetrical Gaussian beam profile can thereby be achieved, as a result of which the joining modifications 5 introduced are radially symmetrical and thus do not cause any stress peaks in the joining partners 30, 31.
  • the Gaussian beam profile nevertheless shows a slightly elongated focal zone 100, which both overlaps with the coating 32 and penetrates the mutually facing boundary surfaces of the joining partners 30, 31.
  • FIG. 3A shows the intensity profile and beam cross section of a quasi-non-diffracting laser beam 10.
  • the quasi-non-diffracting beam 10 is a Bessel-Gaussian beam.
  • the Bessel-Gauss beam has radial symmetry, so that the intensity of the laser beam only depends on the distance from the optical axis.
  • the transverse beam diameter d ND o is between 0.25 pm and 10 pm.
  • FIG. 3B shows the longitudinal beam cross section, ie the beam cross section in the direction of beam propagation.
  • the beam cross-section has an elongated focal zone 100 that is about 300 pm in size.
  • the focal zone 100 is thus significantly larger in the direction of propagation than the beam cross-section in the x-y plane, so that an elongated focal zone 100 is present.
  • FIG. 3C shows a Bessel beam which has a non-radially symmetrical beam cross section. In particular, the beam cross-section appears stretched in the y-direction, almost elliptical.
  • FIG. 3D shows the longitudinal focal zone 100 of the Bessel beam, which again has an extension of about 3 pm. Accordingly, the Bessel beam also has a focal zone 100 that is elongated in the beam propagation direction.
  • FIG. 4A A temporal modulation of the laser pulse energy from pulse to pulse is shown in FIG. 4A.
  • the modulation rate can be between 100 Hz and 10 kHz.
  • the modulation form is sine 2 -shaped, so that the successive pulses differ in their pulse energy according to the sine 2 function.
  • FIG. 4B a temporal modulation of the laser pulse energy from pulse to pulse is shown in FIG. 4B, the modulation form being triangular here.
  • the laser pulse energy follows a triangular function.
  • the modulation forms shown make it possible for the joining partners 30, 31 to cool down slightly between the introduction of the pulses with the maximum power shown, so that cracking in the material of the joining partners 30, 31 is prevented.
  • a device for carrying out the method is shown schematically in FIG.
  • a feed device 6 is shown, on which the joining partners 30,31 are mounted.
  • the feed device 6 is an XY table, so that the joining partners 30, 31 mounted on it can be moved in the XY direction.
  • the feed device 6 moves the joining partners 30, 31 under the laser beam 10 with a feed V, with the laser 1 emitting laser pulses, however, with a repetition rate.
  • the focus zone 100 is thus moved and/or positioned relative to the joining partners 30,31.
  • the emission of the laser pulses consequently results in a continuous weld seam 5, through which the two joining partners 30, 31 are firmly connected to one another.
  • the focusing optics 4 of the device can include a distance sensor 40 which measures the distance between the joining partners 30, 31 relative to a reference point in space.
  • the focusing optics can also include a camera 42 with which the establishment of the laser focus can be regulated. Both the camera 42 and the distance sensor 40 can be connected to the feed device 6 and to the focusing optics 4, so that the distance values of the distance sensor 40 or the focus values of the camera 42 can be coupled to the focusing optics 4 and the feed device 6. This ensures that the focus zone 100 can always be placed at the desired point in the joining partner 30,31. In particular, an undesired melting of the joining partners 30, 31, for example on the surface, can thereby be avoided. This also makes it possible to produce a continuous weld seam in a desired geometry between the joining partners 30, 31.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (30, 31), wobei die mindestens zwei Fügepartner (30, 31) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers (1) miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner (30, 31) im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers (1) ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung (32) auf mindestens einen der Fügepartner (30, 31) aufgebracht wird und die Beschichtung (32) zwischen den Fügepartnern (30, 31) angeordnet wird, wobei die Beschichtung (32) zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden.
Stand der Technik
Zum Fügen mindestens zweier Fügepartner ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet.
Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparenter Fügepartner den Fokus oder die Fokuszone des Laserstrahls in die Grenzfläche oder in einen Bereich um die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner herum zu legen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch einen der transparenten Fügepartner hindurch und erzeugt eine Schmelze im Bereich der Grenzfläche der beiden Fügepartner.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs -50 ps), in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, so führt die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen. In Abhängigkeit von den Laserparametern lassen sich so verschiedene Materialmodifikationen am Glas vornehmen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Glas im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Glases erhöht werden und schließlich das Glas lokal aufschmelzen. Beim Fügen von Fügepartnern kann die Bruchfestigkeit der späteren Schweißnaht einerseits durch die Laserparameter festgelegt werden. Andererseits hängt die Stabilität der Verbindung auch von den Materialien und der Materialzusammensetzung der Fügepartner ab.
Aus der US 2015/0027168 A1 ist es bekannt, eine Beschichtung zwischen den Fügepartnern einzufügen, den Laserfokus in der Beschichtung zu positionieren und einen Fügeprozess über eine Erwärmung der Beschichtung zu initiieren. Dies hat den Nachteil, dass überdas Verfahren das Fügeverhalten der Fügepartner schlecht kontrollierbar ist.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner vorgeschlagen, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht wird und die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet wird, wobei die Beschichtung zu mindestens einem Fügepartner ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.
Die Beschichtung führt hierbei zu einer Verbesserung der Fügeverbindung. Insbesondere kann die Bruchfestigkeit der Verbindung der mit der Beschichtung gefügten Fügepartner bei den selben Prozessparametern größer sein, als die Bruchfestigkeit der Verbindung, wenn sie ohne die Beschichtung gefügt worden wäre.
Der Fügelaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich auf einer durch eine Optik des Fügelasers bestimmten Trajektorie, dem sogenannten Laserstrahl. Ein ultrakurzer Laserpuls des Fügelasers wird auch Fügepuls genannt. Der Laser kann auch Pulszüge, sogenannte Bursts, aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Bursts vorgesehen sein, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse beispielsweise bis zu 50 GHz groß ist.
Im Wesentlichen transparent bedeutet, dass der mindestens eine Fügepartner eine Transparenz von mehr als 50 % für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweist. Die Transparenz des mindestens einen Fügepartners hat den Vorteil, dass der Fügelaser durch den transparenten Fügepartner hindurch fokussiert werden kann, sodass der Fügebereich an der Grenzfläche beider Fügepartner lokalisiert werden kann. Im Falle zweier transparenter Fügepartner sind dementsprechend beide Einstrahlrichtungen möglich.
Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite aus Aluminium. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.
Die Beschichtung wird vor dem Fügeprozess auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, sodass die Beschichtung fest mit dem Fügepartner verbunden ist. Die Beschichtung kann aber auch beispielsweise aufgesprüht oder aufgestrichen werden oder beispielsweise in einem sogenannten Rotationsbeschichtungsprozess aufgesponnen und ausgebacken werden. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Beschichtung nur lokal auf dem Fügepartner aufgebracht wird, wobei die Beschichtung nur da aufgebracht wird, wo im folgenden Prozess eine Schweißverbindung der Fügepartner entstehen soll. Dies kann beispielsweise durch eine Maskierung des Fügepartners erfolgen, sodass beispielsweise die Beschichtung nur auf den unmaskierten Stellen des Fügepartners angeordnet wird.
Der mindestens eine Fügepartner mit der Beschichtung wird anschließend zum anderen Fügepartner so orientiert, dass die Beschichtung mit dem anderen Fügepartner in Kontakt kommt. Somit wird die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet. Mit anderen Worten liegt die Beschichtung dann in der zwischen den beiden Fügepartnern angeordneten Grenzfläche. Die Grenzfläche liegt dabei im Fügebereich.
Ähnliche physikalische Eigenschaften der Beschichtung und des mindestens einen Fügepartners können beispielsweise eine ähnliche Transmission der Laserwellenlänge, ähnliche Schmelztemperatur, ähnliche Wärmeausdehnung, ähnliche Kristallstruktur oder Gitterstruktur, usw. umfassen. Ähnliche chemische Bestandteile der Beschichtung des mindestens eigenen Fügepartners können beispielsweise eine ähnliche chemische Zusammensetzung, insbesondere Elemente derselben chemischen Gruppe mit ähnlicher Elektronegativität, ähnliche chemische Verbindungen und insbesondere dieselben Elemente, umfassen.
Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Fügestrahls größer ist, als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion.
Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners von Fügepuls zu Fügepuls kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials des Fügepartners erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials des ersten Fügepartners führt, in welches der Fügestrahl eintritt. Insbesondere kann hierbei auch die Beschichtung aufgeschmolzen werden.
Als Fügebereich wird derjenige Bereich der Fügepartner und der Beschichtung verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Hierbei kommt es zu einer Vermischung der geschmolzenen Bestandteile der Fügepartner und der Beschichtung und anschließend wird ein Stoffschluss ausgebildet. Dabei kann sich insbesondere auch die chemische und physikalische Struktur der Fügepartner ändern, so dass eine besonders stabile Fügungsmodifikation ausgebildet wird. Als Fügemodifikation wird dabei die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, beziehungsweise die Schweißnaht ergibt.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können beispielsweise zwischen 2 und 10 ultrakurze Laserpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Mehrzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts werden für die vorgesehene Materialbearbeitung räumlich betrachtet jeweils in einem Laserspot in das Material eingebracht, also in der räumlichen Ausdehnung des jeweiligen Fokusbereichs des Lasers im Material. Die Anzahl der an einem einzigen Ort eingebrachten Laserpulse wird als Pulsüberlapp bezeichnet. Der Pulsüberlapp kann als Maß der Wärmeakkumulation angesehen werden.
Findet beispielsweise kein Vorschub statt und werden alle Laserpulse am gleichen Ort des Materials eingetragen, so ist der Pulsüberlapp maximal. Findet hingegen ein Vorschub zwischen Material und Laserspot statt, kann der Pulsüberlapp je nach Verhältnis aus Pulsfrequenz (Repetitionsrate) und Vorschubgeschwindigkeit absinken. Ist die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch, findet keine Überlappung der Laserspots im Material mehr statt und die Laserspots liegen nebeneinander.
Die Anzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts pro Ort im Material ist gegeben durch das Produkt aus Laserspotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG. Der Pulsüberlapp wird also beispielsweise gegeben durch SG * P / VG. Der Pulsüberlapp beschreibt hierbei, über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.
Die mittlere Laserleistung kann hierbei zwischen 0,5 W und 50 W liegen, wobei die mittlere Leistung definiert ist als das Produkt aus Pulsenergie der Einzelpulse, ggf. der Anzahl der Pulse im Burst, sowie der Repetitionsrate der Pulse. Somit wird genügend Laserleistung zur Verfügung gestellt, um das Material aufzuschmelzen.
Mindestens ein Fügepartner kann ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Isolator oder eine Kombination davon sein, insbesondere eine Glaskeramik oder ein Kristall oder ein Polymer sein.
Beispielsweise kann das Material eine Stahllegierung und/oder eine Kohlenstoffverbindung und/oder eine Eisenverbindung und/oder eine Aluminiumverbindung und/oder eine Kalziumfluoridverbindung und/oder eine Siliziumverbindung, insbesondere eine Siliziumoxid- Verbindung oder eine Kupferverbindung umfassen.
Beispielsweise kann das Material ein Glas sein, beispielsweise ein Quarzglas, oder ein Kieselglas, oder ein Corning Eagle Glas. Beispielsweise kann das Material Stahl sein. Beispielsweise kann das Material Kupfer oder Kalziumfluorid sein.
Die Beschichtung kann mindestens einen chemischen Bestandteil umfassen, der in einem der Fügepartner vorhanden ist. Eine Beschichtung eines Fügepartners, die ein Bestandteil umfasst, der in einem der Fügepartner vorhanden ist, kann dazu führen, dass die Atome der Oberfläche des Fügepartners nun anderen Bindungskräften an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Volumenmaterial des Fügepartners ausgesetzt sind. Dies kann dazu führen, dass der Vermischungsprozess in der Schmelzblase besonders vorteilhaft verläuft, beispielsweise eine homogene Mischung der Fügepartner und der Beschichtung entsteht und beim Abkühlen dadurch eine besonders stabile Fügeverbindung beziehungsweise Schweißnaht entsteht.
Beispielsweise kann vor dem Fügen von Stahl und Saphir (AI2O3) auf einen der Fügepartner eine Aluminiumbeschichtung aufgetragen werden. Indem zumindest in Saphir Aluminium vorhanden ist, fungiert die Aluminiumschicht beispielsweise als Vermittler- und Austauschschicht während des eigentlichen Fügeprozesses.
Der Laserstrahl kann eine in Strahlrichtung elongierte Fokuszone aufweisen, wobei die Fokuszone mit der Beschichtung überlappen kann und die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringen kann und/oder die Fokuszone mindestens eine der beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringen kann.
Durch eine in Strahlrichtung elongierte Fokuszone wird die mittlere Leistung über einen Teil der Schichtsystemdicke verteilt, kann sich also auch in das Volumen des Materials eines oder beider Fügepartner erstrecken. Da insgesamt ein größerer Bereich erhitzt wird, werden hohe thermische Gradienten und Druckgradienten in und entgegen der Strahlausbreitungsrichtung reduziert, so dass dadurch eine Rissbildung verhindert werden kann. Zudem ist es auch möglich, einen größeren Bereich des Schichtsystems aufzuschmelzen und so miteinander zu fügen. Dies führt insbesondere zu stabileren Fügeverbindungen. Ein weiterer Vorteil einer elongierten Fokuszone ist die vergrößerte Toleranz gegenüber Positionsabweichungen. Beispielsweise können die Fügepartner nicht exakt plan aufeinander aufliegen, sondern einen Spalt einschließen. Es kann auch sein, dass beide Fügepartner eine gewisse Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Diese Abstände können durch eine elongierte Fokuszone überbrückt werden.
Indem die Fokuszone mit der Beschichtung überlappt, ist es insbesondere möglich, dass die Laserenergie ebenfalls in die Beschichtung eingebracht wird und dadurch die Beschichtung aufgeschmolzen wird.
Indem die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt, ist gewährleistet, dass die Laserenergie in beide Fügepartner eingebracht werden kann, sodass beide Fügepartner aufgeschmolzen werden können. Dies kann zu einer Verbesserung der Verbindung führen, da sich dadurch die Fügepartner in der Schmelzblase besser vermischen. Insbesondere sind die einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner die Grenzflächen, die an die Beschichtung angrenzen.
Indem die Fokuszone mindestens eine abgewandte Grenzfläche der Fügepartner durchdringt, also insbesondere eine Grenzfläche der Fügepartner durchdringt, die der Beschichtung abgewandt ist, die also insbesondere nicht in Kontakt mit der Beschichtung ist, wird gewährleistet, dass der Fügepartner über einen größeren Bereich hinweg erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass der Fügepartner auch in einem größeren Bereich aufschmilzt. Insbesondere kann dies aber auch dazu führen, dass sich der thermische Gradient, der beim Fügen entsteht, über eine größere Fläche hinweg erstreckt und dadurch insgesamt Druck- und Zugspannung im Fügepartner lokal reduziert und/oder umverteilt wird. Dadurch kann insbesondere einer Rissbildung vorgebeugt werden.
Der Laserstrahl kann mindestens einen der Fügepartner lokal aufschmelzen, bevorzugt mindestens einen der Fügepartner und die Beschichtung lokal aufschmelzen, oder beide Fügepartner lokal aufschmelzen, besonders bevorzugt sowohl die Fügepartner als auch die Beschichtung lokal aufschmelzen.
Indem lediglich ein Fügepartner aufschmilzt, wird gewährleistet, dass eine Schmelzblase entsteht, welche die Grenzfläche der Fügepartner überbrücken kann, sodass eine Verbindung der beiden Fügepartner entsteht.
Wenn ein Fügepartner und die Beschichtung lokal aufgeschmolzen werden, wird gewährleistet, dass sich das Material des Fügepartners mit der Beschichtung besser vermischt und mit dem anderen Fügepartner eine stabilere Fügeverbindung eingegangen werden kann.
Wenn beide Fügepartner lokal aufschmelzen, wird gewährleistet, dass sich die Materialien der Fügepartner vermischen, sodass eine noch stabilere Fügeverbindung der beiden Fügepartner hergestellt werden kann.
Wenn sowohl die Fügepartner als auch die Beschichtung lokal aufschmelzen vermischt sich das Fügepartnermaterial auch mit dem Beschichtungsmaterial, sodass eine besonders stabile Fügeverbindung der beiden Fügepartner hergestellt werden kann.
Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Gauß-Bessel-Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung:
V2U(x,y,z)+k2U(x,y,z)=0 und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form U(x,y,z)=Ut(x,y)exp(ikzz) auf. Hierbei ist k=oj/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k2=kz2+kt2 und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: l(x,y,z) = |U(x,y,z)|2 = l(x,y,0).
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten. Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.
Fernerhin definieren wir als transversale Fokuszone beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen dNDo die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima.
Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht- beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung. Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für dNDo=dGFo, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise, wenn L>10ZR.
Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Besselstrahlen oder Bessel- ähnliche Strahlen, hier auch Besselstrahlen genannt, bekannt. Hierbei gehorcht die transversale Feldverteilung Ut(x,y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die Bessel- Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel- Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist. Bessel-Gauß- Strahlen weisen somit einen radialsymmetrischen Strahlquerschnitt auf, so dass die Intensität des Laserstrahls senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Die hat den Vorteil, dass die Eigenschaften der Fügeverbindung unabhängig von der Schweißnahtgeometrie.
Dadurch kann eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Fügen erreicht werden. Somit wird beispielsweise der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Entsprechend kann es von Vorteil sein einen quasi nicht-beugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zum Fügen zu verwenden, da hiermit unter anderem größere Spalte überbrückt werden können und damit die Fokuslagentoleranz größer wird. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden - beispielsweise auch dann, wenn die zu fügenden Werkstücke in dem Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht perfekt plan aufeinander aufliegen und entsprechend ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt.
Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zum Fügen verwendet werden können, weisen beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von dNDo=2,5 pm auf.
Ein Gaußfokus mit dNDo=dGFo=2,5 pm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich ZR=5pm bei A=1 pm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L»10ZR gelten.
Für das Fügen werden zudem Fokuszonen mit einer Länge zwischen 150 pm und 500 pm bevorzugt, wobei zur Erzeugung großer Anbindungsquerschnitte beziehungsweise zur Erzeugung breiter Schweißnähte eine Länge von 300 pm besonders bevorzugt wird. Vor dem Fügen kann die Beschichtung auf einen der Fügepartner aufgebracht werden, wobei die Beschichtung mindestens einen Bestandteil umfasst, der in dem anderen Fügepartner vorhanden ist. Insbesondere kann die Beschichtung auch Bestandteile umfassen die in beiden Fügepartnern vorhanden sind.
Dadurch kann zwischen den Fügepartnern eine besonders stabile Verbindung hergestellt werden.
Beispielsweise kann auf einen aus Saphir (AI2O3) bestehenden Fügepartner eine Aluminiumschicht (AI) aufgebracht werden und dann mit einem Fügepartner aus einer Strahllegierung (Fe, C und AI umfassend) gefügt werden.
Beispielsweise kann auf ein Fügepartner aus Kalziumfluorit (CaF2) eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (S1O2) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Quarzglas (S1O2) gefügt werden.
Beispielsweise kann auf einen Fügepartner aus Corning Eagle Class (beispielsweise Erdalkali-Bor- Aluminiumsilikat) eine Schicht aus Kupfer (Cu) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Kupfer (Cu) gefügt werden.
Beispielsweise kann auf einen Fügepartner aus Kupfer (Cu) auch eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (S1O2) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Corning Eagle Class gefügt werden.
Die Beschichtung kann dicker als drei Monolagen des Materials der Beschichtung sein.
Dies hat den Vorteil, dass die Beschichtung flächendeckend auf den Fügepartner aufgebracht werden kann. Insbesondere entstehen hierdurch in der Beschichtung keine Löcher, sodass der Fügepartner überall gleich gut gefügt werden kann.
Eine Monolage ist hierbei eine Schicht, die genau ein Atom oder ein Molekül des Materials der Beschichtung dick ist. Eine drei Monolagen-dicke Schicht ist hierbei drei Atome oder drei Moleküle des Materials der Beschichtung dick.
Die Beschichtung kann mittels Physical Vapor Deposition, Chemical Vapor Deposition, Sputtern oder einem anderen Verdampfungsverfahren auf einen der Fügepartner aufgebracht werden. Durch eines dieser vorgenannten bekannten Verfahren kann ein besonders gleichmäßiges Schichtwachstum auf dem Fügepartner erreicht werden. Insbesondere sind diese Verfahren auch in industriellem Maßstab einsetzbar.
Bei allen vorgenannten Verfahren wird ein Substrat, welches die chemischen Bestandteile der Beschichtung enthält, verdampft, wobei der Dampf auf den Fügepartner abgeschieden wird und sich an der Oberfläche des Fügepartners die Beschichtung bildet.
Die Absorption des Laserstrahls durch die Beschichtung kann gering, bevorzugt weniger als 50%, sein und/oder die Absorption des Laserstrahls durch die Beschichtung kann geringer sein als durch mindestens einen Fügepartner.
Das hat den Vorteil, dass der Laserstrahl durch die Beschichtung zumindest teilweise transmittiert werden kann und den anderen Fügepartner erreichen kann, um den anderen Fügepartner zu erhitzen. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass beide Fügepartner aufgeschmolzen werden, um so eine stabile Verbindung der beiden Fügepartner zu erreichen.
Es kann jedoch eine endliche Absorption des Laserstrahls in der Beschichtung vorhanden sein, sodass auch die Beschichtung erhitzt und aufgeschmolzen wird. Dadurch wird erreicht, dass sich die Materialien der beiden Fügepartner und die Beschichtung miteinander in der Schmelzblase vermischen und so eine besonders stabile Verbindung der Fügepartner erreicht wird.
Die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse kann zwischen 200 nm und 5000 nm liegen, bevorzugt 1030 nm sein, und/oder die Pulsdauer eines Laserpulses kann zwischen 50 fs und 10 ps liegen, bevorzugt 400 fs sein, und/oder mehrere Laserpulse können in einem Pulszug abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der Laserpulse im Pulszug zwischen 1 kHz und 50 GHz liegt, und/oder einzelne Laserpulse können abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse zwischen 1 kHz und 50 MHz liegt, und/oder die numerische Apertur des fokussierten Laserstrahls kann zwischen 0,1 und 0,7 liegen und/oder die Fluenz im Fokus kann größer als 0,01 J/cm2 sein, und/oder der Rohstrahldurchmesser kann bevorzugt 5 mm groß sein und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 0,5 W und 50 W liegen.
Diese Parameter erlauben es den Fügeprozess für zahlreiche Materialkombinationen zu optimieren.
Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030 nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400 fs groß ist, 2 Pulse pro Burst abgegeben werden, der Abstand der Pulse 20 ns beträgt, was einer Pulswiderholrate von 50 MHz entspricht, die Bursts eine Repetitionsrate von 200 kHz aufweisen, die numerische Apertur 0,25 beträgt, die Fluenz im Fokus zwischen 5 und 100 J/cm2, beispielsweise 75 J/cm2 liegt und die mittlere Laserleistung 5W beträgt.
Die Laserpulsenergie kann von Puls zu Puls zeitlich moduliert sein, wobei die Modulationsrate zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt, wobei die Modulationsform bevorzugt sin2-förmig oder dreiecksförmig ist.
Zeitlich moduliert bedeutet, dass die Pulsenergie während einer Modulationsdauer verändert wird, wobei die Modulationsdauer durch die inverse Modulationsrate gegeben ist. Die Modulationsrate gibt hierbei an, auf welcher Zeitskala sich die Modulationsform wiederholt. Insbesondere bedeutet eine Modulation der Pulsenergie, dass die Pulsenergie während der Modulationsdauer größer oder kleiner werden kann. Die Modulationsform gibt hierbei an, welcher mathematischen Funktion die Pulsenergie während der Modulationsdauer folgt.
Die modulierte Pulsenergie von Puls zu Puls führt dazu, dass es Zeiten gibt, in denen weniger Pulsenergie in die oder den Fügepartner eingebracht wird und eine Temperaturrelaxation stattfinden kann oder es gibt Zeiten, in denen mehr Energie eingebracht werden kann als ohne die Modulation. Damit kann eine Rissbildung gesteuert und/oder vermieden werden.
Beispielsweise kann eine zeitliche Modulation dadurch erreicht werden, dass die Intensität der Fügepulse variiert wird. Beispielsweise kann ein starker Fügepuls abgegeben werden und anschließend zwei Fügepulse mit der Hälfte der Intensität. Die zeitliche Modulation beinhaltet aber auch, dass danach wieder ein starker Fügepuls gefolgt von zwei abgeschwächten Fügepulsen vom Laser abgegeben wird.
Die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls können zusammen mit einem weiteren Laserstrahl in das Material eingebracht werden, wobei der weitere Laserstrahl ein Dauerstrichlaserstrahl ist oder Pulse mit einer Pulslänge zwischen 1 ns und 100 ps führt.
Indem ein weiterer Laserstrahl das Material des oder der Fügepartner beaufschlagt, wird die Temperatur im Material erhöht, sodass der thermische Gradient beim Fügen der Fügepartner kleiner ist. Dadurch kann einer Rissbildung vorgebeugt werden.
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander bewegt und/oder positioniert werden.
Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder das Schichtsystem oder sowohl der Laserstrahl als auch das Schichtsystem bewegt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich eine zusammenhängende Schweißnaht zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.
Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs kontinuierlich Laserpulse oder Laserpulszüge in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Eindringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zur Verfügung zu stellen, der ultrakurze Laserpulse führt, eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist die Fügepartner und den Laserstrahl relativ zueinander zu verschieben und/oder zu positionieren, eine Fokussieroptik, die dazu eingerichtet ist, eine Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls zu erzeugen, wobei die Fokussieroptik eine Strahlformoptik umfasst, die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufzuprägen, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls des Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht ist und die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet ist, wobei die Fokuszone mit der Beschichtung überlappt und die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt und/oder die Fokuszone mindestens eine die beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt, wobei die Beschichtung zu mindestens einem Fügepartner ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.
Eine Vorschubvorrichtung ist eine in mindestens zwei Raumachsen bewegliche Vorrichtung und kann beispielsweise XY-Tisch oder ein XYZ-Tisch sein. Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise eine Befestigungsvorrichtung aufweisen, auf der das die Fügepartner fixiert werden können. Eine Fixierung kann beispielsweise durch Kleben oder Verklemmen bewerkstelligt werden. Eine Fixierung kann aber auch über einen negativen Luftdruck mittels einer an Saugvorrichtung funktionieren.
Eine Vorschubvorrichtung kann des Weiteren automatisiert, beziehungsweise motorisiert mit einem Vorschub bewegt oder verschoben werden. Der Vorschub ist hierbei eine Bewegung mit einer Vorschubgeschwindigkeit, wobei der Vorschub entlang einer Vorschubtrajektorie stattfindet.
Indem die Vorschubvorrichtung das Material relativ zum Laserstrahl bewegt, wird der Laserstrahl entlang einer Vorschubtrajektorie über das Material geführt, wodurch es möglich ist, das Material an den Orten der Vorschubtrajektorie zu bearbeiten und insbesondere zu fügen.
Die Strahlformoptik kann einen räumlichen Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon oder einen akusto-optischen Deflektor umfassen. Eine Strahlformoptik kann hier insbesondere auch ein Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls umfassen.
Ein räumlicher Lichtmodulator ermöglich es, den Prozessstrahl auf eine vorgegebene Geometrie aufzufächern, beispielsweise rund, quadratisch oder sternförmig. Ein diffraktives Element erlaubt ebenfalls, die räumliche Auffächerung des Prozessstrahls auf eine vorgegebene Geometrie vorzunehmen. Ein Axicon ist hierbei ein konisch geschliffenes optisches Element, welches einem Gauß’schen Laserstrahl beim Hindurchtreten ein quasi nicht-beugendes Strahlprofil aufprägen kann.
Durch einen akusto-optischen Deflektor wird es möglich, den Prozessstrahl periodisch in der zeit abzulenken, so dass insbesondere Lissajous-Figur-förmige Heizmuster in der Grenzfläche erzeugt werden können, so dass eine größere Fläche beheizt wird. Die Ablenkung mittels akusto-optischen Deflektors erlaubt zusätzlich ein randomisiertes Bewegungsmuster, sogenanntes random access scanning, wodurch das schnelle Abscannen eines beliebigen Heizmusters ermöglicht wird.
Die Fokussieroptik kann hier insbesondere ein Optiksystem umfassen, welches eine vergrößernde oder verkleinernde Abbildung des Strahlprofils in die Fügepartner ermöglicht. Insbesondere kann über das Linsensystem die Fokuszone in oder entgegen der Strahlausbreitungsrichtung verschoben werden, um so die Fokuszone in der Grenzschicht der beiden Fügepartner zu platzieren und ein Einbringen der Laserpulsenergie in die Grenzschicht zu ermöglichen.
Die Fokussieroptik kann einen Abstandssensor umfassen, vorzugsweise einen konfokalen Abstandssensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, den Abstand und/oder die Positionierung der Fügepartner relativ zu einem Referenzpunkt im Raum zu regulieren. Die Fokussieroptik kann eine Kamera umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Einrichtung des Laserfokus zu regulieren.
Insbesondere wird hierdurch ermöglicht, dass die Fokuszone in der Grenzschicht der beiden Fügepartner platziert werden kann. Zudem können damit auch Unebenheiten auf der Materialoberfläche ausgeglichen werden, sodass die Fokuszone auch entlang einer schiefen Ebene geführt werden kann, sofern die Fügepartner nicht genau plan zueinander oder schief montiert wurden. Dadurch ist der Toleranzbereich für den Fügeprozess vergrößert, sodass stabile Fügeverbindungen ermöglicht werden.
Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit quasi nicht-beugenden
Strahlen;
Figur 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit Gauß'schen Strahlen; Figur 3A, B, C, D eine schematische Darstellung der quasi nicht beugenden Strahlen;
Figur 4A, B eine schematische Darstellung der zeitlichen Modulation der Laserpulse; und
Figur 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt zweier zu fügender Fügepartner 30, 31 gezeigt. Auf einem der Fügepartner 30, 31 ist eine Beschichtung 32 aufgebracht, wobei die Fügepartner 30, 31 insbesondere so orientiert sind, dass die Beschichtung 32 zwischen den beiden Fügepartnern 30, 31 angeordnet ist. Jeder Fügepartner 30, 31 weist hierbei eine Dicke DO, D1 auf. Die Beschichtung 32 weist hierbei ähnliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf wie mindestens einer der Fügepartner 30, 31 .
Beispielsweise kann die Beschichtung 32 einen Bestandteil in Form eines chemischen Elements und/oder Moleküls aufweisen, welches in dem Fügepartner 31 vorhanden ist. Insbesondere kann die Beschichtung 32 auf dem Fügepartner 30 angeordnet sein und eine Dicke S aufweisen, die größer als drei Monolagen des Materials der Beschichtung ist. Dadurch wird eine durchgängige Beschichtung 32 auf dem Fügepartner 30 gewährleistet. Die Beschichtung 32 kann hierbei insbesondere durch ein Aufdampfverfahren, wie beispielsweise Sputtern, auf den Fügepartner 30 aufgebracht worden sein.
Der Ultrakurzpulslaser 1 stellt die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls 10 zur Verfügung. Diese können in Form von Einzellaserpulsen oder in Form von Pulszügen in die Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32 eingebracht werden. Dabei kann die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegen und/oder die Repetitionsrate der Einzelpulse kann zwischen 100Hz und 50 Hz liegen und/oder die Repetitionsrate der Pulse in einem Pulszug kann zwischen 1 MHz und 50GHz liegen und/oder die Pulszahl pro Pulszug kann zwischen 2 und 5 liegen und/oder die Laserpulsdauer kann zwischen 10fs und 50ps liegen. Insbesondere kann die mittlere Laserleistung zwischen 0,5W und 50W liegen.
Der Laserstrahl wird durch eine Fokussieroptik 4 geleitet, die eine Strahlformungsoptik 2 umfasst. Die Strahlformungsoptik 2 kann hierbei beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element sein. Durch die Strahlformungsoptik 2 wird dem Laserstrahl 10 des Ultrakurzpulslasers eine quasi nicht-beugende Strahlform aufgeprägt, beispielsweise eine Besselstrahlform oder eine Bessel-Gauß-Strahlform, wie in Figur 3 näher gezeigt. Insbesondere wird dadurch bewerkstelligt, dass der Laserstrahl 10 eine elongierte Fokuszone 100 aufweist.
Der quasi nicht-beugende Laserstrahl 10 wird durch eine geeignete Fokussieroptik 4 so fokussiert, dass die Fokuszone 100, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 10, in etwa mit der Beschichtung 32 zusammenfällt. Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone über 0,01 J/cm2 betragen. Durch eine Fokussierung kann hier insbesondere die Einbringtiefe der Fokuszone 100 relativ zum ersten Fügepartner 30 bestimmt werden.
Die Fokuszone 100 überlappt mit der Beschichtung 32 und durchdringt die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner. Insbesondere bedeutet dies, dass die Fokuszone 100 zumindest teilweise im Volumenmaterial der Fügepartner 30, 31 liegt, sodass in beide Fügepartner 30, 31 Energie des Lasers 1 deponiert werden kann. Die Fokuszone 100 durchdringt jedoch nicht die von der Beschichtung 32 abgewandten Seiten der Fügepartner 30, 31 . Insbesondere liegt die Fokuszone 100 somit vollständig innerhalb der beiden Fügepartner 30, 31 , so dass die Fokuszone 100 in Strahlausbreitungsrichtung kürzer als die Summe der Dicken DO, D1 der Fügepartner 30, 31 . Dadurch ist gewährleistet, dass die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers 1 innerhalb der Fügepartner 30, 31 die Fügemodifikation 5 einbringen und insbesondere keine Modifikation der äußeren Oberflächen der Fügepartner 30, 31 stattfindet.
Um den Laserstrahl 10 mit der Beschichtung 32 zum Überlapp zu bringen, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 30 transparent für die Wellenlänge des Lasers 1 sein. Beide Fügepartner 30, 31 können auch transparent für die Wellenlänge des Lasers 1 sein, so dass der Laserstrahl 10 in Strahlausbreitungsrichtung auch durch den Fügepartner 31 fokussiert werden kann. Insbesondere kann es sein, dass die Beschichtung 32 weniger als 50% der Laserenergie des Laserstrahls 10 absorbiert, so dass der Laserstrahl 10 in Strahlausbreitungsrichtung durch den Fügepartner 30 transmittiert wird, anschließend durch die Beschichtung 32 transmittiert wird und schließlich in den Fügepartner 31 transmittiert wird. Dadurch ist insbesondere gewährleistet, dass alle beteiligten Materialien, nämlich die beiden Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32, aufgeschmolzen werden können.
Die Fügepartner 30, 31 können hierzu ein Metall und/oder einen Halbleiter und/oder einen Isolator oder einer Kombination davon umfassen, insbesondere können die Fügepartner eine Glaskeramik oder ein Kristall oder ein Polymer umfassen.
Beispielsweise kann der Fügepartner 31 aus Saphir (AI203) bestehen, eine Aluminiumschicht (AI) kann auf dem Fügepartner 31 angeordnet sein und der Fügepartner 30 kann aus einer Strahllegierung (Fe, C und AI umfassend) bestehen.
Beispielsweise kann der Fügepartner 30 aus Kalziumfluorit (CaF2) bestehen, eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (Si02) kann auf dem Fügepartner 30 angeordnet sein und der Fügepartner 31 kann ein Quarzglas (Si02) sein.
In der Fokuszone 100 werden sukzessive Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 30, 31 und der Beschichtung 32 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 32 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 30, 31 verbindet. Es kann aber auch lediglich einer der Fügepartner 30, 31 aufschmelzen, oder lediglich einer der Fügepartner 30, 31 aufschmelzen und die Beschichtung 32, oder beide Fügepartner 30, 31 , oder beide Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32 aufschmelzen. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 30, 31 .
Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 30, 31 in dem Bereich, in dem die Fokuszonen 100 positioniert wird, miteinander gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügebereich bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 30, 31 bildet die Fügemodifikation 5 oder die Schweißnaht aus. Insbesondere wird hierbei durch die Beschichtung 32 eine Verbesserung der Verbindung herbeigeführt, da beispielsweise die Vermischungsprozesse in der Schmelze besonders vorteilhaft verlaufen. Die Beschichtung 32 funktioniert hierbei als eine Art Haftvermittler zwischen den Fügepartnern 30, 31.
Insbesondere ist die Bruchfestigkeit der Verbindung der mit der Beschichtung gefügten Fügepartner 30, 31 bei den selben Prozessparametern größer, als die Bruchfestigkeit der Verbindung der ohne die Beschichtung gefügten Fügepartner 30, 31.
In Figur 2 ist derselbe Aufbau wie in Figur 1 gezeigt, wobei durch Fokussieroptik 4 ein Gauß’scher Laserstrahl 10 zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere kann dadurch ein symmetrisches Gauß'sches Strahlprofil erreicht werden, wodurch die eingebrachten Fügemodifikationen 5 radialsymmetrisch sind und dadurch keine Spannungsspitzen in den Fügepartnern 30, 31 verursachen. Insbesondere zeigt das Gauß'sche Strahlprofil dennoch eine leicht elongierte Fokuszone 100 auf, die sowohl mit der Beschichtung 32 überlappt, als auch die einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner 30, 31 durchdringt.
In Figur 3A ist der Intensitätsverlauf und Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Laserstrahls 10 gezeigt. Insbesondere ist der quasi nicht-beugende Strahl 10 ein Bessel-Gauß- Strahl. Im Strahlquerschnitt in der x-y Ebene weist der Bessel-Gauß-Strahl eine Radialsymmetrie auf, so dass die Intensität des Laserstrahls nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Insbesondere ist der transversale Strahldurchmesser dNDo zwischen 0,25pm und lOpm groß.
In Figur 3B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also der Strahlquerschnitt in Strahlausbreitungsrichtung, gezeigt. Der Strahlquerschnitt weist eine elongierte Fokuszone 100 auf, die etwa 300 pm groß ist. Damit ist die Fokuszone 100 in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als der Strahlquerschnitt in derx-y-Ebene, so dass eine elongierte Fokuszone 100 vorliegt. In Figur 3C ist analog zu Figur 3A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in der y-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.
In Figur 3D ist die longitudinale Fokuszone 100 des Bessel-Strahls gezeigt, die erneut eine Ausdehnung von etwa 3pm aufweist. Auch der Bessel-Strahl weist dementsprechend eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone 100 auf.
In Figur 4A ist eine zeitliche Modulation der Laserpulsenergie von Puls zu Puls gezeigt. Insbesondere kann hierbei die Modulationsrate zwischen 100 Hz und 10 kHz betragen. Die Modulationsform ist Sinus2-förmig, sodass die auf einander folgenden Pulse in ihrer Pulsenergie gemäß der Sinus2-Funktion voneinander abweichen. Analog dazu ist in Figur 4B eine zeitliche Modulation der Laserpulsenergie von Puls zu Puls gezeigt wobei die Modulationsform hier dreiecksförmig ist. Die Laserpulsenergie folgt hierbei einer Dreiecksfunktion.
Durch die gezeigten Modulationsformen ist es möglich, dass die Fügepartner 30, 31 sich zwischen dem Einbringen der Pulse mit der dargestellten Maximalleistung leicht abkühlen können, so dass eine Rissbildung im Material der Fügepartner 30, 31 verhindert wird.
In Figur 5 ist schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Insbesondere ist eine Vorschubvorrichtung 6 dargestellt, auf der die Fügepartner 30,31 montiert sind. Die Vorschubvorrichtung 6 ist hierbei ein XY-Tisch, so das darauf montierte Fügepartner 30, 31 in XY- Richtung bewegt werden können. Die Vorschubvorrichtung 6 bewegt die Fügepartner 30,31 unter dem Laserstrahl 10 mit einem Vorschub V hinweg, wobei der Laser 1 jedoch mit einer Repetitionsrate Laserpulse abgibt. Insbesondere wird somit die Fokuszone 100 relativ zu den Fügepartnern 30,31 bewegt und oder positioniert. Durch die Abgabe der Laserpulse ergibt sich demzufolge eine zusammenhängende Schweißnaht 5, durch die die beiden Fügepartner 30,31 miteinander fest verbunden sind.
Die Fokussieroptik 4 der Vorrichtung kann einen Abstandssensor 40 umfassen, der den Abstand der Fügepartner 30, 31 relativ zu einem Referenzpunkt im Raum vermisst. Insbesondere kann die Fokussieroptik auch eine Kamera 42 umfassen, mit der die Einrichtung des Laserfokus reguliert werden kann. Sowohl die Kamera 42 als auch der Abstandssensor 40 können mit der Vorschubvorrichtung 6 als auch mit der Fokussieroptik 4 verbunden sein, sodass eine Kopplung der Abstandswerte des Abstandssensors 40 beziehungsweise der Fokuswerte der Kamera 42 an die Fokussieroptik 4 als auch die Vorschubvorrichtung 6 möglich ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Fokuszone 100 stets an der gewünschten Stelle in den Fügepartner 30,31 platziert werden kann. Insbesondere kann dadurch ein unerwünschtes aufschmelzen der Fügepartner 30, 31 beispielsweise an der Oberfläche vermieden werden. Auch ist es dadurch möglich eine durchgehende Schweißnaht in einer gewünschten Geometrie zwischen den Fügepartnern 30, 31 zu erzeugen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
1 Laser
10 Laserstrahls
100 Fokuszone 2 Strahlformungsoptik
30 Fügepartner
31 Fügepartner
32 Beschichtung
4 Fokussieroptik 40 Abstandssensor
42 Kamera
5 Fügemodifikation
6 Vorschubvorrichtung DO Dicke des Fügepartners
D1 Dicke des Fügepartners
S Dicke der Beschichtung

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (30, 31), wobei die mindestens zwei Fügepartner (30, 31) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers (1) miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner (30, 31) im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen
Laserpulse des Ultrakurzpulslasers (1) ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung (32) auf mindestens einen der Fügepartner (30, 31) aufgebracht wird und die Beschichtung (32) zwischen den Fügepartnern (30, 31) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fügepartner (30, 31) ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Isolator oder eine Kombination davon ist, insbesondere eine Glaskeramik oder ein Kristall oder ein Polymer ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) mindestens einen chemischen Bestandteil umfasst, der in einem Fügepartner (30, 31) vorhanden ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Laserstrahl (10) eine in Strahlrichtung elongierte Fokuszone (100) aufweist, die Fokuszone (100) mit der Beschichtung (32) überlappt und die Fokuszone (100) die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner (30, 31) durchdringt und/oder die Fokuszone (100) mindestens eine der beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner (30 , 31) durchdringt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) mindestens einen der Fügepartner (30, 31) lokal aufschmilzt, bevorzugt mindestens einen der Fügepartner (30, 31) und die Beschichtung (32) lokal aufschmilzt, oder beide Fügepartner (30, 31) lokal aufschmilzt, besonders bevorzugt sowohl die Fügepartner (30, 31) als auch die Beschichtung (32) lokal aufschmilzt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) ein quasi nicht-beugender Laserstrahl ist, bevorzugt ein Gauß-Bessel- Strahl ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen die Beschichtung (32) auf einen Fügepartner (30, 31) aufgebracht wird, wobei die Beschichtung (32) mindestens einen Bestandteil umfasst, der in dem anderen Fügepartner (30, 31) vorhanden ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (32) dicker als drei Monolagen des Materials der Beschichtung (32) ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Physical Vapor Deposition, Chemical Vapor Deposition, Sputtern oder einem anderen Verdampfungsverfahren auf einen der Fügepartner (30, 31) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchfestigkeit der Verbindung der mit der Beschichtung gefügten Fügepartner (30, 31) bei den selben Prozessparametern größer ist, als die Bruchfestigkeit der Verbindung der ohne die Beschichtung gefügten Fügepartner (30, 31).
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Absorption des Laserstrahls (10) durch die Beschichtung (32) gering ist, bevorzugt weniger als 50% ist und/oder die Absorption des Laserstrahls (10) durch die Beschichtung (32) geringer ist als durch mindestens einen Fügepartner (30, 31).
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, - die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse zwischen 200 nm und 5000 nm liegt, bevorzugt 1030 nm ist, und/oder
- die Pulsdauer eines Laserpulses zwischen 50 fs und 10 ps liegt, bevorzugt 400 fs ist, und/oder - mehrere Laserpulse in einem Pulszug abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der Laserpulse im Pulszug zwischen 1 kHz und 50 GHz liegt, und/oder
- einzelne Laserpulse abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse zwischen 1 kHz und 50 MHz liegt, und/oder
- die numerische Apertur des fokussierten Laserstrahls zwischen 0,1 und 0,7 liegt und/oder
- die Fluenz im Fokus größer als 0,01 J/cm2 ist, und/oder
- der Rohstrahldurchmesser bevorzugt 5 mm groß ist,
- die mittlere Laserleistung zwischen 0,5 W und 50 W liegt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie von Puls zu Puls zeitlich moduliert ist, wobei die Modulationsrate zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt, wobei die Modulationsform bevorzugt Sinus2-förmig oder dreiecksförmig ist.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls (10) zusammen mit einem weiteren Laserstrahl (101) in das Material eingebracht werden, wobei der weitere Laserstrahl ein Dauerstrichlaserstrahl ist oder Pulse mit einer Pulslänge zwischen 1 ns und 100 ps führt.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) und die Fügepartner (30, 31) relativ zueinander bewegt und/oder positioniert werden.
16. Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner (30, 31), umfassend einen Ultrakurzpulslaser (1) der dazu eingerichtet ist einen Laserstrahl (10) zur Verfügung zu stellen, der ultrakurze Laserpulse führt, eine Vorschubvorrichtung (6), die dazu eingerichtet ist die Fügepartner (30, 31) und den Laserstrahl (10) relativ zueinander zu verschieben und/oder zu positionieren, eine Fokussieroptik (4), die dazu eingerichtet ist eine Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls zu erzeugen, wobei die Fokussieroptik (4) eine Strahlformoptik (2) umfasst, die dazu eingerichtet ist dem Laserstrahl (10) eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufzuprägen, wobei die mindestens zwei Fügepartner (30, 31) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (10) des Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner (30, 31) im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen
Laserpulse des Ultrakurzpulslasers (1) ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung (32) auf mindestens einen der Fügepartner (30, 31) aufgebracht ist und die Beschichtung (32) zwischen den Fügepartnern (30, 31) angeordnet ist, wobei die Fokuszone (100) mit der Beschichtung (32) überlappt und die Fokuszone (100) die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner (32) durchdringt und/oder die Fokuszone (100) mindestens eine die beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner (30, 31) durchdringt dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnliche physikalische
Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner (30, 31) ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (4) einen Abstandssensor (40) umfasst, vorzugsweise einen konfokalen Abstandssensor umfasst, der dazu eingerichtet ist den Abstand und/oder die Positionierung der Fügepartner
(30, 31) relativ zu einem Referenzpunkt im Raum zu regulieren.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (4) eine Kamera (42) umfasst, die dazu eingerichtet ist die Einrichtung des Laserfokus zu regulieren.
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