EP4373635A1 - Verfahren zum fügen mindestens zweier fügepartner - Google Patents

Verfahren zum fügen mindestens zweier fügepartner

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EP4373635A1
EP4373635A1 EP22753660.4A EP22753660A EP4373635A1 EP 4373635 A1 EP4373635 A1 EP 4373635A1 EP 22753660 A EP22753660 A EP 22753660A EP 4373635 A1 EP4373635 A1 EP 4373635A1
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EP
European Patent Office
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joint
laser
joining
pulses
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
EP22753660.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Führa
Sebastian HECKER
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Trumpf Laser Se
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4373635A1 publication Critical patent/EP4373635A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method for joining at least two joining partners using ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short pulse laser.
  • ultra-short laser pulses i.e. laser pulses in the picosecond range or in the femtosecond range (e.g. 50 fs to 50 ps)
  • the high intensity in the focus can lead to non-linear absorption processes.
  • the time between the successive ultra-short laser pulses is shorter than the heat diffusion time, this leads to heat accumulation or a temperature rise in the material in the focus area. With each of the successive pulses, the temperature can then be increased to the melting temperature of the material and finally the material can be locally melted.
  • a method for laser welding is known from DE102018205325A1, with which continuous seams can be produced. The problem here, however, is that the high temperature differences during joining can result in material stresses around the joining seam, which promote cracking.
  • a method for laser welding is known from DE102014203845A1, with which spot welding of two joining partners can be carried out.
  • the problem here is that a significantly lower strength of the joint seam can be generated overall by punctiform joint zones than with a continuous joint seam.
  • the joint seam has at least two joints and one joint defect in between, each joint being longer than 10 ⁇ m, preferably longer than 50 ⁇ m
  • the ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.
  • the laser can also provide bursts, with each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. For a certain time interval, the emission of the laser pulses can follow one another very closely, at intervals of a few picoseconds up to hundreds of nanoseconds.
  • the bursts can in particular be so-called GHz bursts, in which the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
  • a sequence of individual pulses means that the laser emits several individual pulses one after the other.
  • a sequence of individual pulses therefore includes at least two individual pulses.
  • a succession of bursts means that one after the other multiple bursts are emitted from the laser.
  • a sequence of bursts therefore includes at least two bursts.
  • the bursts or individual pulses of the sequence can each be of the same type.
  • the bursts or individual pulses are of the same type if the laser pulses used have essentially the same properties, ie approximately the same pulse energy, the same pulse length and—in the case of bursts—also the same pulse intervals within the burst.
  • 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 between the two joining partners - i.e. on the inside - between the two joining partners.
  • the first joining partner can be transparent, for example, and the second joining partner can be opaque to the wavelength of the laser. However, both joining partners can also be transparent.
  • the first joining partner can be transparent, preferably a glass or a crystal or a ceramic or a plastic.
  • the second joining partner can be opaque, preferably a metal or a semiconductor or a plastic or a ceramic.
  • the first joining partner can consist of or include quartz, aluminum silicate, boron silicate, sapphire, zirconium oxide.
  • the first joining partner can consist of or include steel, aluminum or silicon.
  • the first joining partner can be made of glass and the second joining partner can be made of metal, or both joining partners can be made of one or different plastics.
  • the first joining partner can consist of quartz glass and the second joining partner can consist of aluminum.
  • the joining partners are arranged one on top of the other, so that the boundary surfaces of the joining partners, across which the joining partners are to be joined, face one another.
  • heat is accumulated as a result of successive absorption of the ultra-short laser pulses, provided the pulse rate of the laser beam is greater than the rate of heat dissipation through material-specific heat transport mechanisms, in particular through heat diffusion. Due to the increasing temperature in the material of at least the first joining partner from joining pulse to joining pulse or from burst to burst, the melting temperature of the material of the joining partner can finally be reached, which leads to local melting of the material of the joining partner.
  • the joining area is therefore understood to be that area of the joining partner 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 joint area as are referred to as melt bubbles.
  • the resulting melt can bridge the common interface of the joining partners and permanently connect the joining partners to one another when cooling down.
  • the network structure of the joining partners can also change.
  • the cooled melt, which connects the joint partners to one another or results in the joint is then referred to as the joint.
  • individual pulses and/or bursts can be introduced into the material and successively absorbed.
  • the spot size describes the spatial area over which the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material.
  • the size of the joining area is additionally determined by the beam geometry, in particular the size of the focal zone of the focused laser beam.
  • the beam geometry describes the spatial configuration of the laser beam and other beam properties such as certain diffraction properties of the laser beam, see below.
  • a joint seam has two joints and one joint defect in between.
  • a joint defect is a place in the joint seam where the joint partners are not joined together.
  • the joining seam can be highly resistant to impact loads, for example.
  • each joint is longer than 10 pm, preferably longer than 50 pm.
  • the length of the joint is measured parallel to the extent of the joint seam.
  • the length of the joint mainly determines the strength of the joint. For example, a joint that is 10 times longer can have 10 times greater strength.
  • the risk of crack formation is greater with a longer joint, so that longer joint seams have greater (theoretical) strength, but lower resilience.
  • the ideal length of the joints can be determined in a test in which the actually realized strength and resistance is measured as a function of the length of the joint. In particular, a natural limit to the length of the joint seam is given by the longest dimension of the joint partners.
  • the strength of the joint is thus adjusted by the length of the joint, while a high overall strength of the joint seam is achieved by the large number of joints.
  • a seam can be circular or rectangular. There is always a joint defect between two joints. At the same time, joints and joint defects always alternate with each other along the circular or rectangular joint seam, so that there are no two joints or joint defects in succession.
  • the resilience of the joint can be adjusted by the length ratio of joints and joint defects along the joint.
  • the length ratio of the joints and the joint defects can be understood here as the ratio of adjacent joints and joint defects.
  • the length ratio of adjacent joints and joint defects can be between 10:90 and 95:5, preferably 70:30.
  • a joint can be 10 pm long and an adjacent joint defect can be 90 pm long.
  • a joint can be 70 pm long and an adjacent joint defect can be 30 pm long.
  • a joint can be 50 pm long and an adjacent joint defect can be 50 pm long.
  • the length ratio of joints and joint defects can be adjusted by a duty cycle of the laser power, the laser power being modulated according to a modulation function during the duty cycle, preferably being modulated with a function generator.
  • a duty cycle can be understood as a recurring activation of the laser power, with a duty cycle having at least one area of high laser power and one area of low laser power.
  • a duty cycle can also include a modulation of the laser power, so that the laser power can increase or decrease during the modulation.
  • the length of the areas of high and low laser power are in a time ratio that can be fixedly selected for the duty cycle.
  • the laser beam can have a high laser power in the first half of the duty cycle and have a vanishing laser power in the second half, or have no laser power.
  • a joint can be created in the first half of the duty cycle and a joint defect in the second half.
  • a modulation function describes the mathematically functional relationship between the time course of the laser power during a duty cycle.
  • a modulation function can be a square wave function, for example.
  • a laser beam is provided with full laser power during the time of the square-wave pulse, while the laser power is weakened or blocked outside of the time of the square-wave pulse.
  • a modulation function can also be a triangle function or a sawtooth function. During the time of the triangle or sawtooth, the laser power is increased according to the respective function value of the modulation function until the apex of the triangle or sawtooth is reached. Thereafter, the laser power of the laser beam can be attenuated again according to the modulation function.
  • a modulation function can also be a sine function.
  • the modulation function can also have a so-called offset.
  • the modulation function can be used to specify that the laser power of the laser beam is always modulated around a specific mean value (the offset).
  • the length ratio of the joint and joint defects can be determined by the time ratio of the areas of high laser power and low laser power.
  • the length ratio of joint to joint defect is 80:20.
  • the duty cycle can have a repetition rate between 1Hz and 1kHz.
  • the repetition rate of the duty cycle indicates how often the laser power is modulated according to the modulation function of the duty cycle.
  • the modulation of the laser power can be matched to the repetition rate of the ultra-short laser pulses and/or the bursts.
  • the length of the joints and joint defects can be determined at a given feed rate with the repetition rate of the duty cycle.
  • the modulation function is a square function
  • the square - i.e. the time of high laser power - is 50% of the duty cycle and the feed rate is 1 mm/s
  • the laser beam sweeps a distance of 0.1 mm during a duty cycle, of which a joint is created in the first half, i.e. 50 pm, and no joint, i.e. a joint defect, is created in the second half.
  • the duty cycle can be generated with a function generator.
  • a function generator is a control device that is suitable for controlling the laser power according to a given modulation function.
  • the modulation function can be output in the form of a voltage signal to a Pockels cell, which rotates the polarization of the laser beam in proportion to the voltage signal.
  • a subsequent polarization filter or polarization analyzer can then direct the respective polarization components of the laser beam to the joining partners, whereby the laser power is modulated according to the modulation function.
  • the laser power can also be controlled directly at a control input of the laser, so that the laser only emits laser pulses with the intensity corresponding to the modulation function.
  • the average power of the laser spot can be between 0.1 W and 50 W.
  • the laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 ps, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, particularly preferably between 20 ns and 80 ns, with a burst comprising between 2 and 64 burst pulses, preferably between 2 and 16 burst pulses.
  • the laser pulses of a laser burst can have a time interval of 50 ns, with the laser burst comprising 10 burst pulses.
  • the repetition frequency of the individual laser pulses and/or the bursts can be between 0.5 kHz and 10 MHz, preferably between 1 kHz and 4 MHz.
  • a burst can be emitted into the material every 1ps.
  • a burst can comprise 25 laser pulses which are spaced 20 ns seconds apart.
  • a length of 10nm is covered during the burst.
  • the duty cycle has a repetition rate of 100Hz and the first 70% have a high laser power and the second 30% have a vanishing laser power then a continuous joint is created in the first half of the duty cycle, while a joint defect is created in the second half. Due to the feed speed of 10mm/s, the length of the joint is 70pm, while the joint defect has a length of 30pm.
  • the process speed can be adapted particularly well to the process conditions, such as the joining partners to be joined.
  • the outgrowth of the melt bubble can be taken into account here, which in glass-glass connections, for example, has outgrown after about 1 ms, ie no longer enlarges.
  • the laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1000 nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10 fs and 50 ps, and/or the fluence in the focal zone can be greater than 0.01 J/cm 2 for a single pulse or a laser pulse of a burst.
  • the wavelength of the ultra-short laser pulse can be 1030 nm, the pulse duration of an individual pulse being 400 fs and the fluence in the focus being 75 J/cm 2 , for example.
  • the laser beam and the joining partners can feed relative to each other with an intermediate
  • 0.01 mm/s and 1000 mm/s preferably between 0.1 mm/s and 300 mm/s and/or positioned.
  • Moving relative to each other can mean that either the laser beam or the joining partners or both the laser beam and the joining partners are moved. In this way it can be achieved that the laser beam introduces joints at different locations of the joint partners. In particular, this makes it possible to alternately produce joints and joint defects between the two joining partners.
  • the movement can take place with a feed, with laser pulses or bursts being able to be introduced 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 insertion depth and into the desired location.
  • the Joining partners can be positioned on an axis system so that the joining partners are moved relative to the laser beam.
  • it is also possible to move the laser beam over the joining partners for example the laser beam can be deflected with one or more acousto-optical deflectors or a galvanic scanner.
  • the laser beam can be a quasi non-diffracting laser beam, preferably a Bessel beam or a Gauss-Bessel beam, and the laser beam can preferably have a focal zone that is elongated in the beam propagation direction.
  • Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant.
  • a transverse intensity distribution is essentially constant along the beam propagation direction.
  • focal zone of the processing laser beam is always understood to mean that part of the intensity distribution of the processing laser beam that is greater than the modification threshold of the material.
  • the word focal zone makes it clear that this part of the intensity distribution is provided in a targeted manner and that an intensity increase in the form of the intensity distribution is achieved by focusing.
  • non-diffracting laser beams have the advantage that they can have a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the focal zone.
  • a material modification that is elongated in the beam propagation direction can be produced in this way, in order to enable a particularly strong joining of the joining partners, for example.
  • non-diffracting beams can be used to generate elliptical non-diffracting beams that have a non-radially symmetrical transverse focal zone.
  • elliptical quasi-non-diffracting rays have a main maximum that coincides with the center of the ray. The center of the ray is given by the place where the main axes of the ellipse intersect.
  • elliptical quasi-non-diffracting beams can result from the superimposition of several intensity maxima, in which If only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical. In particular, the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.
  • a non-diffracting beam can be generated from a plane wave field or from parallel partial laser beams if all partial laser beams are refracted at the same angle ⁇ to the optical axis of the laser beam.
  • the partial laser beams close to the axis overlap shortly after the processing laser beam shaping optics, for example an axicon or a diffractive optical element, on the optical axis and thus form an increased laser intensity, while off-axis beams only overlap later after the processing laser beam shaping optics and form an increased laser beam intensity.
  • a substantially constant laser intensity can thus be generated over a longitudinal length parallel to the beam propagation direction.
  • FIG. 1 shows a schematic structure for carrying out the method
  • FIG. 2A, B, C shows a schematic implementation of the method
  • FIG. 3A, B, C, D, E shows a schematic representation of possible modulation functions
  • FIG. 4A B Micrographs of joining seams according to the prior art and according to the method according to the invention.
  • FIG. 5A, B, C, D different possible laser beam profiles.
  • FIG. 1 shows a schematic of a structure 1 for carrying out the method and a very schematic cross section of two parts to be joined 3, 8 to be joined.
  • An ultra-short pulse laser 4 provides ultra-short laser pulses of a laser beam 5. These can be introduced into the joining partners 3, 8 in the form of a sequence of individual pulses or in the form of a sequence of bursts.
  • the average power of the laser spot can be between 0.1 W and 50 W.
  • the laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 ps, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, particularly preferably between 20 ns and 80 ns, with a burst comprising between 2 and 64 burst pulses, preferably between 2 and 16 burst pulses.
  • the repetition frequency of the individual laser pulses and/or the bursts can be between 0.5 kHz and 10 MHz, preferably between 1 kHz and 4 MHz.
  • the laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1000 nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10 fs and 50 ps
  • the laser beam 5 is focused by suitable focusing optics 6, shown very schematically here, in such a way that the focus zone F, i.e. the area of increased intensity of the laser beam 5, approximately coincides with the common interface 7 of the two joining partners 3, 8.
  • the fluence in the focal zone F can be at least 0.01 J/cm 2 .
  • the insertion height of the focal zone F can be determined here relative to the first surface of the joining partner 8 in the beam propagation direction.
  • the first joining partner 8 in the beam propagation direction must be transparent to the wavelength of the laser 4 .
  • the first joining partner 8 can be a glass or a crystal or a ceramic or a plastic.
  • the second joining partner 3 can be opaque or transparent.
  • the second joining partner 3 can be a metal or a semiconductor or a plastic or a ceramic.
  • the laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to one another with a feed VG between 0.01 mm/s and 1000 mm/s, preferably between 0.1 mm/s and 300 mm/s.
  • the joining partners can be positioned on a feed device 10, for example. It can thereby be achieved that the laser beam 5 is moved along a joint seam 9 over the joint partners 3 , 8 , so that the joint partners 3 , 8 can be joined along the joint seam 9 .
  • the joint seam 9 has at least two joints 900 and a joint defect 902, which is arranged between the at least two joints 900.
  • the joints 900 are longer than 10 pm, preferably longer than 50 pm. Accordingly, no continuous seam 9 is produced, but rather a seam 9 composed of seams 900 and seam defects 902. In particular, in FIG.
  • the resilience and strength of the joint seam 9 can be adjusted by the length ratio of joints 900 and joint defects 902 along the joint seam 9 .
  • Different length ratios of joints 900 and joint defects 902 are shown in FIGS. 2A to 2C.
  • the length ratio of joint 900 to joint defect 902 is approximately 40:60.
  • the length ratio of joint 900 to joint defect 902 is approximately 60:40.
  • the length ratio of joint 900 to joint defect 902 is approximately 90:10.
  • the length ratio of joint 900 and joint defect 902 along joint seam 9 can be between 10:90 and 95:5, preferably 70:30.
  • the strength of the individual joints 900 adds up along the joint seam 9 to form an overall strength, longer joints 900 theoretically having a higher strength than short joints 900 .
  • longer joints 900 in particular continuously joined joint seams 9 (which consist of only a single joint), are exposed to a greater risk of tearing, for example in the event of impact loads.
  • the joint imperfections 902 arranged between the joints 900 therefore act as crack stoppers, which increase the resistance of the joint seam 9 to impact loads, for example.
  • the joints 900 are locally limited, so that a crack formation in the joint 900 does not damage the entire joint 9 .
  • the formation of cracks in the joint 900 can end at the start of the joint defect 902, since there is no joint that could tear. Since the other joining points 900 of the joining seam 9 are not damaged by the crack stopper 902, the overall strength of the joining seam 9 is largely retained and the resistance of the joining seam 9 increases.
  • the joint seam 9 is composed of one thousand joints 900 and a single joint 902 were to break due to an impact load, then nine hundred and ninety-nine joints 902 would still be intact.
  • the overall strength of the joint seam 9 would hardly be reduced as a result—at the same time, however, the resistance of the joint seam 9 is greater, since it is not completely destroyed in the event of an impact load, but has remained largely unchanged.
  • FIG. 3 shows how the length ratio of joint 900 to joint defect 902 can be adjusted.
  • the laser power of the laser beam 5 can be controlled with a function generator, for example.
  • the modulation function with which the laser power is modulated over time can be repeated periodically. In particular, such a period is also called the Duty Cycle TDuty.
  • a trapezoidal modulation function is shown in FIG. 3A.
  • the trapezoidal modulation function is characterized by the fact that the laser power initially increases, remains at a constant laser power after the adjustable rise time and then the laser power falls again. Thereafter, the laser power is almost completely blocked for a further period of time. This modulation cycle is repeated periodically, with the repetition rate of the duty cycle being between 1Hz and 1kHz.
  • a modification threshold M of the joining partners 3, 8 is also drawn in as an example in FIG. 3A, above which the laser power is high enough to initiate a joining process. Accordingly, the joining partners are only joined if the laser power is above the modification threshold.
  • the length ratio of joint 900 and joint defect 902 thus results from the time ratio of the modulation function in which the intensity of the laser is above or below the joining threshold of the joining partners 2, 8.
  • a triangle function is shown as a modulation function
  • a saw number function is shown as a modulation function
  • a square function is shown as a modulation function
  • a sine function is shown as a modulation function.
  • the modulation functions in Figures 3C and 3D are shifted up by an offset.
  • the joining partners 3, 8 can be preheated to a certain extent with a non-vanishing laser power, or close to that Modification threshold are maintained, so that when the modification threshold is exceeded by the laser power, the material stresses introduced can be reduced by the lower thermal gradients.
  • FIG. 4A shows the top view of the joining partners 3, 8, with the first joining partner 8 in the beam propagation direction being visible.
  • FIG. 4B also shows a top view of the joining partners 3, 8, but here the joining seam 9 is composed of joining points 900 and joint defects 902.
  • the laser power was modulated using one of the modulation functions from FIG.
  • the joining partners 3, 8 and the laser beam 5 were shifted relative to one another at a feed rate VG, so that the temporal modulation of the laser intensity could be translated into a spatial expression of the joining points 900 and joint defects 902.
  • FIG. 5A shows the intensity profile and beam cross section of a quasi-non-diffracting laser beam 5.
  • the quasi-non-diffractive beam 5 is a Bessel-Gaussian beam.
  • the Bessel-Gaussian 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. 5B 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 that is about 300 pm in size.
  • the focal zone F is thus significantly larger in the propagation direction than the beam cross-section in the x-y plane, resulting in an elongated focal zone.
  • FIG. 5C shows a Bessel beam which has a non-radially symmetrical beam cross section.
  • the beam cross-section appears stretched in the y-direction, almost elliptical.
  • FIG. 5D shows the longitudinal focal zone of the Bessel beam, which again has a longitudinal extension of about 300 pm. Accordingly, the Bessel beam also has a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (5) eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (3, 8) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) entlang einer Fügenaht (9) miteinander gefügt werden, und wobei die Fügenaht (9) mindestens zwei Fügestellen (900) und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle (902) aufweist, wobei jede Fügestelle (900) länger als 10 µm, bevorzugt länger als 50µm, ist.

Description

Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers.
Stand der Technik
Zum Fügen zweier Fügepartner miteinander ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet. Das Fügen mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht dabei eine stabile Verbindung der Fügepartner ohne zusätzlichen Materialeinsatz.
Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparente Fügepartner den Fokus oder die Fokuszone des Laserstrahls in die Grenzfläche oder in einen Bereich um die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner herum zu legen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch einen der transparenten Fügepartner hindurch und erzeugt eine Schmelze im Bereich der Grenzfläche der beiden Fügepartner.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs bis 50 ps), in das Volumen eines Materials, so kann die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen führen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Material im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Materials erhöht werden und schließlich das Material lokal aufschmelzen. Aus der DE102018205325A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt, mit dem kontinuierliche Fügenähte erzeugt werden können. Problematisch ist hierbei jedoch, dass durch die hohen Temperaturdifferenzen beim Fügen Materialspannungen um die Fügenaht entstehen können, die eine Rissbildung begünstigen.
Aus der DE102014203845A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt, mit dem eine Punktschweißung zweier Fügepartner vorgenommen werden kann. Problematisch ist hierbei jedoch, dass durch punktförmige Fügezonen insgesamt eine deutlich niedrigere Festigkeit der Fügenaht als mit einer kontinuierlichen Fügenaht erzeugt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls entlang einer Fügenaht miteinander gefügt werden. Erfindungsgemäß weist die Fügenaht mindestens zwei Fügestellen und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle auf, wobei jede Fügestelle länger als 10 pm, bevorzugt länger als 50pm, ist
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.
Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.
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 zwischen den beiden Fügepartnern - also an der Innenseite liegenden - Grenzfläche zwischen beiden Fügepartnern lokalisiert werden kann.
Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak für die Wellenlänge des Lasers sein. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.
Der erste Fügepartner kann transparent sein, bevorzugt ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff sein. Der zweite Fügepartner kann opak sein, bevorzugt ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik sein.
Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarz, Aluminiumsilikat, Borsilikat, Saphir, Zirkoniumoxid bestehen oder dieses umfassen. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Stahl, Aluminium oder Silizium bestehen oder dieses umfassen. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Glas sein und der zweite Fügepartner kann aus einem Metall sein, oder beide Fügepartner können aus einem oder unterschiedlichen Kunststoffen sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite Fügepartner aus Aluminium bestehen.
Die Fügepartner sind aufeinander angeordnet, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche hinweg die Fügepartner miteinander gefügt werden sollen, aufeinander zeigen. Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Laserstrahls größer ist als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion. Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners von Fügepuls zu Fügepuls beziehungsweise von Burst zu Burst kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials der Fügepartner erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führt.
Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügestelle wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Fügeverbindung ergibt.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können Einzelpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachter ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts pro Laserspot N gegeben ist durch das Produkt aus Spotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG: N = SG * P / VG. Die Spotgröße beschreibt hierbei über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.
Die Größe des Fügebereichs ist dabei zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere die Größe der Fokuszone des fokussierten Laserstrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls, siehe unten.
Erfindungsgemäß weist eine Fügenaht zwei Fügestellen und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle auf.
Eine Fügefehlstelle ist eine Stelle der Fügenaht, an der die Fügepartner nicht miteinander gefügt werden.
Indem zwischen den zwei Fügestellen eine Fügefehlstelle angeordnet ist kann ein Riss, der durch eine Materialspannung in der Fügestelle initiiert wird, nicht die gesamte Fügenaht entlang propagieren, wie etwa bei einer kontinuierlichen Fügenaht. Gewissermaßen fungieren die Fügefehlstellen als Rissstopper für Risse die Entlang der Fügestellen propagieren. Dadurch kann eine hohe Widerstandsfähigkeit der Fügenaht beispielsweise gegen Stoßbelastungen erreicht werden.
Durch eine solche Fügenaht ist es insbesondere möglich auch Fügepartner zu fügen, die ein lokale Rauigkeit oder Inhomogenitäten aufweisen, da hierbei höchstens einzelne Fügestellen der Fügenaht durch die Rauigkeiten oder Inhomogenitäten verschlechtert werden, aber insgesamt durch die Gesamtzahl an verbleibenden Fügestellen eine hohe Widerstandsfähigkeit und Festigkeit der Fügenaht erreicht wird. Erfindungsgemäß ist jede Fügestelle länger als 10pm, bevorzugt länger als 50pm. Die Länge der Fügestelle wird hierbei parallel zur Erstreckung der Fügenaht gemessen. Die Länge der Fügestelle bestimmt hierbei hauptsächlich die Festigkeit der Fügestelle. Beispielsweise kann eine 10mal längere Fügestelle eine 10mal größere Festigkeit aufweisen. Allerdings ist bei einer längeren Fügestelle prinzipiell auch das Risiko einer Rissbildung größer, so dass längere Fügenähte zwar eine größere (theoretische) Festigkeit aufweisen, jedoch eine geringere Widerstandsfähigkeit. Beispielsweise kann die ideale Länge der Fügestellen in einem Versuch ermittelt werden, in dem die tatsächlich realisierte Festigkeit und Widerstandsfähigkeit in Abhängigkeit von der Länge der Fügestelle gemessen wird. Insbesondere ist eine natürliche Grenze der Länge der Fügenaht durch die längste Abmessung der Fügepartner gegeben.
Durch die Länge der Fügestelle wird somit die Festigkeit der Fügestelle eingestellt, während durch die Vielzahl an Fügestellen eine hohe Gesamtfestigkeit der Fügenaht erreicht wird.
Es kann auch sein, dass entlang der Fügenaht auf eine Fügestelle immer eine Fügefehlstelle folgt.
Das hat den Vorteil, dass geschlossene Fügenähte erzeugt werden können. Beispielsweise kann eine Fügenaht kreisförmig oder rechteckig sein. Zwischen zwei Fügestellen ist hierbei immer eine Fügefehlstelle angeordnet. Gleichzeitig wechselt sich entlang der kreisförmigen oder rechteckigen Fügenaht immer Fügestellen und Fügefehlstellen miteinander ab, so dass an keiner Stelle etwa zwei Fügestellen oder Fügefehlstellen aufeinander folgen.
Die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht kann durch das Längenverhältnis von Fügestellen und Fügefehlstellen entlang der Fügenaht eingestellt werden.
Das Längenverhältnis der Fügestellen und den Fügefehlstellen kann hierbei verstanden werden, als das Verhältnis benachbarter Fügestellen und Fügefehlstellen.
Das Längenverhältnis benachbarter Fügestellen und Fügefehlstellen kann zwischen 10:90 und 95:5 liegen, bevorzugt bei 70:30 liegen.
Beispielsweise kann eine Fügestelle 10pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 90pm lang sein. Beispielsweise kann eine Fügestelle 70pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 30pm lang sein. Beispielsweise kann eine Fügestelle 50pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 50pm lang sein.
Somit ist es möglich durch die Länge der Fügestellen die theoretische Festigkeit der Fügestellen einzustellen, während durch die Gesamtzahl an Fügestellen entlang der Fügenaht die Gesamtfestigkeit der Fügenaht eingestellt wird. Gleichzeitig kann durch die Fügefehlstellen verhindert werden, dass die gesamte Fügenaht durch einen Riss getrennt wird. Durch das Längenverhältnis kann somit die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht an die Materialbeanspruchung oder geplante Belastung angepasst werden.
Das Längenverhältnis von Fügestellen und Fügefehlstellen kann durch einen Duty Cycle der Laserleistung eingestellt wird, wobei die Laserleistung während des Duty Cycles gemäß einer Modulationsfunktion moduliert wird, bevorzugt mit einem Funktionsgenerator moduliert wird.
Ein Duty Cycle kann verstanden werden als eine wiederkehrende Ansteuerung der Laserleistung, wobei ein Duty Cycle mindestens einen Bereich hoher Laserleistung und einen Bereich geringer Laserleistung aufweist. Insbesondere kann ein Duty Cycle auch eine Modulation der Laserleistung umfassen, so dass die Laserleistung während der Modulation größer oder kleiner werden kann. Insbesondere stehen Länge der Bereiche hoher und geringer Laserleistung in einem für den Duty Cycle fest wählbaren Zeitverhältnis zueinander.
Beispielsweise kann in der ersten Hälfte des Duty Cycles der Laserstrahl eine hohe Laserleistung aufweisen und in der zweiten Hälfte eine verschwindende Laserleistung aufweisen, beziehungsweise keine Laserleistung aufweisen. Beispielsweise kann so in der ersten Hälfte des Duty Cycles eine Fügestelle erzeugt werden und in der zweiten Hälfte eine Fügefehlstelle.
Eine Modulationsfunktion beschreibt hierbei den mathematisch funktionalen Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf der Laserleistung während eines Duty Cycles. Eine Modulationsfunktion kann beispielsweise ein Rechteck-Funktion sein. Hierbei wird während derzeit des Rechteckpulses ein Laserstrahl mit voller Laserleistung bereitgestellt während außerhalb der Zeit des Rechteckpulses wird die Laserleistung abgeschwächt oder blockiert wird.
Eine Modulationsfunktion kann auch eine Dreiecks-Funktion oder eine Sägezahn-Funktion sein. Während der Zeit des Dreiecks oder Sägezahns wird die Laserleistung gemäß dem jeweiligen Funktionswert der Modulationsfunktion erhöht, bis die Spitze des Dreiecks oder des Sägezahns erreicht ist. Danach kann die Laserleistung des Laserstrahls wieder gemäß der Modulationsfunktion abgeschwächt werden.
Eine Modulationsfunktion kann auch eine Sinus-Funktion sein. Insbesondere kann die Modulationsfunktion auch einen sogenannten Offset aufweisen. Beispielsweise kann durch die Modulationsfunktion festgelegt werden, dass die Laserleistung des Laserstrahls immer um einen bestimmten Mittelwert (den Offset) herum moduliert wird. Durch das Zeitverhältnis der Bereiche hoher Laserleistung und niedriger Laserleistung kann das Längenverhältnis von Fügestelle und Fügefehlstellen bestimmt werden.
Wenn beispielsweise die Dauer des Abschnitts mit hoher Laserleistung des Duty Cycles 80% des Duty Cycles beträgt und die Dauer des Abschnitts mit verschwindender Laserleistung 20% des Duty Cycles beträgt, dann beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle zu Fügefehlstelle 80:20.
Der Duty Cycle kann eine Wiederholrate zwischen 1Hz und 1kHz aufweisen.
Die Wiederholrate des Duty Cycles gibt an wie oft die Laserleistung entsprechend der Modulationsfunktion des Duty Cycles moduliert wird. Durch die Wahl der Wiederholrate des Duty Cycles kann die Modulation der Laserleistung mit der Wiederholrate der ultrakurzen Laserpulse und/oder der Bursts abgestimmt werden. Zudem kann bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit mit der Wiederholrate des Duty Cycles die Länge der Fügestellen und Fügefehlstellen bestimmt werden.
Wenn sich der Duty Cycle mit einer Rate von 10Hz wiederholt, die Modulationsfunktion eine Rechteck-Funktion ist, das Rechteck - also die Zeit der hohen Laserleistung - 50% des Duty Cycles beträgt und die Vorschubgeschwindigkeit bei 1 mm/s liegt, dann überstreicht der Laserstrahl während eines Duty Cycles eine Strecke von 0,1mm, wovon in der ersten Hälfte, also 50pm, eine Fügestelle erzeugt wird und in der zweiten Hälfte keine Fügestelle, also eine Fügefehlstelle erzeugt wird.
Der Duty Cycle kann hierbei mit einem Funktionsgenerator erzeugt werden. Ein Funktionsgenerator ist hierbei eine Steuerungsvorrichtung die dazu geeignet ist die Laserleistung gemäß einer gegebenen Modulationsfunktion anzusteuern.
Beispielsweise kann die Modulationsfunktion in Form eines Spannungssignals an eine Pockels- Zelle ausgegeben werden, die die Polarisation des Laserstahls proportional zum Spannungssignal dreht. Ein anschließender Polarisationsfilter oder Polarisationsanalysator kann dann die jeweiligen Polarisationsanteile des Laserstrahls zu den Fügepartnern leiten, wodurch die Laserleistung gemäß der Modulationsfunktion moduliert ist.
Die Laserleistung kann jedoch auch direkt an einem Steuereingang des Lasers angesteuert werden, so dass der Laser lediglich Laserpulse mit der der Modulationsfunktion entsprechenden Intensität ausgibt.
Die mittlere Leistung des Laserspots kann zwischen 0,1 W und 50W liegen. Die mittlere Leistung des Laserspots Ls ist bei einem Einzelpuls definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Repetitionsrate PE des Einzelpulses und Anzahl der Einzelpulse NE: LS,E = E * PE * NE Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst ist definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Anzahl der Pulse pro Burst Np, Anzahl der Bursts NE sowie aus der Repetitionsrate mit der die Bursts abgegeben werden PE: LS,P = E *Np * PE * NE. Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst wird somit im Vergleich zur mittleren Leistung beim Einzelpuls lediglich mit der Anzahl der Laserpulse pro Burst skaliert: Ls.p = LS,E * Np.
Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulsen umfasst.
Das hat den Vorteil, dass für viele verschiedene Materialien geeignete Fügeparameter gefunden werden können, so dass die Festigkeit der Fügeverbindung besonders einfach eingestellt werden kann. Insbesondere werden durch die zeitlichen Abstände die Abkühlphasen der Fügepartner, beziehungsweise die Wärmeakkumulation in dem Fügebereich gesteuert, so dass besonders hochwertige und insbesondere spannungs- und rissfreie Fügenähte und Fügeverbindungen erzeugt werden können.
Beispielsweise können die Laserpulse eines Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 50ns aufweisen, wobei der Laserburst 10 Burstpulse umfasst.
Die Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts kann zwischen 0,5kHz und 10MHz liegen, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegen.
Beispielsweise kann bei einer Repetitionsfrequenz von 1MHz alle 1ps ein Burst in das Material abgegeben werden. Beispielsweise kann ein Burst 25 Laserpulse umfassen die einen Abstand von 20ns Sekunden zueinander aufweisen. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 10mm/s wird während des Bursts eine Länge von 10nm überstrichen.
Diese 10nm sind typischerweise deutlich kleiner als der Strahldurchmesser des Laserstrahls, so dass hier angenommen werden kann, dass die Pulse innerhalb des Bursts alle an den selben Ort im Material eingebracht werden. Gleichzeitig sind die 10nm auch so klein, dass angenommen werden kann, dass auch aufeinanderfolgende Bursts zumindest teilweise überlappen.
Wenn beispielsweise der Duty Cycle eine Wiederholrate von 100Hz aufweist und die ersten 70% eine hohe Laserleistung aufweisen und die zweiten 30% eine verschwindende Laserleistung aufweisen, dann wird in der ersten Hälfte des Duty Cycles eine kontinuierliche Fügestelle erzeugt, während in der zweiten Hälfte eine Fügefehlstelle erzeugt wird. Durch die Vorschubgeschwindigkeit von 10mm/s beträgt die Länge der Fügestelle 70pm, während die Fügefehlstelle eine Länge von 30pmaufweist.
Durch die Wahl und Abstimmung der Repetitionsfrequenzen kann die Prozessgeschwindigkeit besonders gut an die Prozessbedingungen, wie beispielsweise die zu fügenden Fügepartner angepasst werden. Insbesondere kann hierbei das Auswachsen der Schmelzblase berücksichtigt werden, die beispielsweise bei Glas-Glas-Verbindungen nach etwa 1 ms ausgewachsen ist, sich also nicht mehr vergrößert.
Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen, und/oder die Fluenz in der Fokuszone kann größer als 0,01 J/cm2 für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.
Diese Parameter erlauben es, die Wärmeakkumulation in den Fügepartnern zu steuern, Spannungen zu reduzieren und widerstandsfähigere Fügenähte zu generieren. Insbesondere ist es so auch möglich die Prozessparameter an die jeweiligen Materialien der Fügepartner anzupassen.
Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400fs beträgt und die Fluenz im Fokus beispielsweise 75 J/cm2 beträgt.
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschubzwischen
0,01 mm/s und 1000mm/s, bevorzugt zwischen 0,1 mm/s und 300mm/s bewegt und/oder positioniert werden.
Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder die Fügepartner oder sowohl der Laserstrahl als auch die Fügepartner bewegt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich abwechselnd Fügestellen und Fügefehlstellen zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.
Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs Laserpulse oder Bursts in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Einbringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird. Beispielsweise können die Fügepartner auf einem Achsensystem positioniert sein, so dass die Fügepartner relativ zu dem Laserstrahl bewegt werden. Es ist aber auch möglich den Laserstrahl über die Fügepartner zu bewegen, beispielsweise kann der Laserstrahl mit einem oder mehreren akustooptischen Deflektoren oder einem Galvano-Scanner abgelenkt werden.
Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl sein, und der Laserstrahl kann bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweist.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.
Zudem wird unter der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls stets der Teil der Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Das Wort Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein besonders festes Fügen der Fügepartner zu ermöglichen.
Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht- beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.
Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel ß zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik, beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element, auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens;
Figur 2A, B, C eine schematische Durchführung des Verfahrens;
Figur 3A, B, C, D, E eine schematische Darstellung möglicher Modulationsfunktionen;
Figur 4A, B Mikroskopaufnahmen von Fügenähten nach dem Stand der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
Figur 5A, B, C, D verschiedene mögliche Laserstrahlprofile.
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 Aufbau 1 zur Durchführung des Verfahrens gezeigt und sehr schematisch ein Querschnitt zweier miteinander zu fügender Fügepartner 3, 8. Die Fügepartner 3, 8 sind hierbei an einer gemeinsamen Grenzfläche 7 aufeinanderliegend angeordnet.
Ein Ultrakurzpulslaser 4 stellt ultrakurze Laserpulse eines Laserstrahls 5 zur Verfügung. Diese können in Form einer Abfolge von Einzelpulsen oder in Form einer Abfolge von Bursts in die Fügepartner 3, 8 eingebracht werden.
Dabei kann die mittlere Leistung des Laserspots zwischen 0,1 W und 50W liegen. Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulse umfasst. Die Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts kann zwischen 0,5kHz und 10MHz liegen, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegen. Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen
Der Laserstrahl 5 wird durch eine hier sehr schematisch gezeigte, geeignete Fokussieroptik 6 so fokussiert, dass die Fokuszone F, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 5, in etwa mit der gemeinsamen Grenzfläche 7 der beiden Fügepartner 3, 8 zusammenfällt.
Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone F mindestens 0,01 J/cm2 betragen. Durch eine Fokussierung mit der Fokussieroptik 6 kann hier insbesondere die Eintragshöhe der Fokuszone F relativ zur in Strahlausbreitungsrichtung ersten Oberfläche des Fügepartners 8 bestimmt werden. Um den Laserstrahl 5 in die gemeinsame Grenzfläche 7 der Fügepartner 3, 8 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 transparent für die Wellenlänge des Lasers 4 sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner 8 ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 3 opak oder transparent sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 3 ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik sein.
An der Grenzfläche 7 werden in der Fokuszone F aufeinander folgende Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 3, 8 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 7 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 8, 3 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 3, 8. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 3, 8 in diesem Bereich miteinander durch Schweißen gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügestelle bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 3, 8 bildet eine Schweißnaht aus.
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschub VG zwischen 0,01mm/s und 1000mm/s, bevorzugt zwischen 0,1mm/s und 300mm/s, bewegt und/oder positioniert werden. Hierfür können die Fügepartner beispielsweise auf einer Vorschubvorrichtung 10 positioniert werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl 5 entlang einer Fügenaht 9 über die Fügepartner 3, 8 verfahren wird, so dass die Fügepartner 3, 8 entlang der Fügenaht 9 gefügt werden können.
Die Fügenaht 9 weist mindestens zwei Fügestellen 900 und eine Fügefehlstelle 902 auf, die zwischen den mindestens zwei Fügestellen 900 angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die Fügestellen 900 länger als 10pm, bevorzugt länger als 50pm. Dementsprechend wird keine kontinuierliche Fügenaht 9 erzeugt, sondern eine durch Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 zusammengesetzte Fügenaht 9. Insbesondere folgt in Figur 1 der Fügenaht 9 auf eine Fügestelle 900 immer eine Fügefehlstelle 902, so dass besonders einfach eine geschlossene Fügenaht 9 erzeugt werden kann.
Durch das Längenverhältnis von Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 entlang der Fügenaht 9 kann die Widerstandsfähigkeit und die Festigkeit der Fügenaht 9 eingestellt werden. Verschiedene Längenverhältnisse von Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 sind in Figuren 2A bis 2C dargestellt. In Figur 2A beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 40:60. In Figur 2B beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 60:40. In Figur 2C beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 90:10. Beispielsweise kann das Längenverhältnis von Fügestelle 900 und Fügefehlstelle 902 entlang der Fügenaht 9 aber zwischen 10:90 und 95:5 liegt, bevorzugt bei 70:30 liegen.
Die Festigkeit der einzelnen Fügestellen 900 summiert sich entlang der Fügenaht 9 zu einer Gesamtfestigkeit, wobei längere Fügestellen 900 theoretisch eine höhere Festigkeit auf als kurze Fügestellen 900 aufweisen. Hierbei sind längere Fügestellen 900, insbesondere kontinuierlich gefügte Fügenähte 9 (die nur aus einer einzigen Fügestelle bestehen) einem größeren Rissrisiko beispielsweise bei Stoßbelastungen ausgesetzt.
Daher fungierten die zwischen den Fügestellen 900 angeordneten Fügefehlstellen 902 als Rissstopper, die die Widerstandsfähigkeit beispielsweise gegen Stoßbelastungen der Fügenaht 9 erhöhen. Die Fügestellen 900 sind lokal begrenzt, so dass eine Rissbildung in der Fügestelle 900 nicht die gesamte Fügenaht 9 schädigt. Insbesondere kann die Rissbildung der Fügestelle 900 beim Beginn der Fügefehlstelle 902 enden, da dort keine Fügestelle existiert, die Reißen könnte. Da die anderen Fügestellen 900 der Fügenaht 9 durch den Rissstopper 902 nicht beschädigt werden, bleibt die Gesamtfestigkeit der Fügenaht 9 weitgehend erhalten und die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht 9 steigt.
Wenn beispielsweise die Fügenaht 9 aus eintausend Fügestellen 900 zusammengesetzt ist und eine einzelne Fügestelle 902 aufgrund einer Stoßbelastung brechen würde, dann wären immer noch neunhundertneunundneunzig Fügestellen 902 intakt. Die Gesamtfestigkeit der Fügenaht 9 würde dadurch kaum herabgesetzt - gleichzeitig ist die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht 9 aber größer, da sie bei einer Stoßbelastung nicht komplett zerstört wird, sondern weitgehend unverändert bestand hat.
In Figur 3 ist gezeigt, wie das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 eingestellt werden kann. Hierzu kann beispielsweise mit einem Funktionsgenerator die Laserleistung des Laserstrahls 5 gesteuert werden. Um eine Fügenaht 9 zu erzeugen kann hierbei die Modulationsfunktion, mit der die Laserleistung zeitlich moduliert wird, periodisch wiederholt werden. Insbesondere wird eine Periode solche Periode auch der Duty Cycle TDuty genannt.
In Figur 3A ist eine trapezförmige Modulationsfunktion gezeigt. Die trapezförmige Modulationsfunktion zeichnet sich dadurch aus, dass die Laserleistung zunächst ansteigt, nach der einstellbaren Anstiegszeit auf einer konstanten Laserleistung verbleibt und anschließend die Laserleistung wiederabfällt. Danach wird die Laserleistung für einen weiteren Zeitbereich quasi vollständig blockiert. Dieser Modulationszyklus wird periodisch immer wieder durchfahren, wobei die Wiederholrate des Duty Cycles zwischen 1Hz und 1kHz liegen kann. Exemplarisch ist in der Figur 3A auch eine Modifikationsschwelle M der Fügepartner 3, 8 eingezeichnet, ab der die Laserleistung hoch genug ist, um einen Fügeprozess zu initiieren. Demensprechend werden die Fügepartner nur gefügt, wenn die Laserleistung oberhalb der Modifikationsschwelle ist. Das Längenverhältnis von Fügestelle 900 und Fügefehlstelle 902 ergibt sich somit aus dem Zeitverhältnis der Modulationsfunktion bei der die Intensität des Lasers oberhalb oder unterhalb der Fügeschwelle der Fügepartner 2, 8 liegt.
In Figur 3B ist eine Dreiecks-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt, in Figur 3C ist eine Sägezahl-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt in Figur 3D ist eine Rechteck-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt und in Figur 3E ist eine Sinus-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt.
Insbesondere sind die Modulationsfunktionen in Figuren 3C und 3D um einen Offset nach oben hin verschoben. Dadurch können die Fügepartner 3, 8 gewissermaßen mit einer nicht verschwindenden Laserleistung vorgewärmt werden, beziehungsweise nahe der Modifikationsschwelle gehalten werden, so das beim Überschreiten der Modifikationsschwelle durch die Laserleistung die eingebrachten Materialspannungen durch die geringeren thermischen Gradienten reduziert werden können.
In Figur 4A ist die Draufsicht auf die Fügepartner 3, 8 gezeigt, wobei der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 zu sehen ist. Mittels eines Vorschubsystems (nicht gezeigt) wurde hierbei eine kontinuierliche Fügenaht 9 erzeugt, die die beschriebenen Nachteile, wie beispielsweise eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen aufweist.
In Figur 4B ist ebenfalls eine Draufsicht auf die Fügepartner 3, 8 gezeigt, jedoch ist hier die Fügenaht 9 zusammengesetzt auf Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902. Hierzu wurde die Laserleistung mittels einer der Modulationsfunktionen aus Figur 3 moduliert. Gleichzeitig wurden die Fügepartner 3, 8 und der Laserstrahl 5 relativ zueinander mit einer Vorschubgeschwindigkeit VG verschoben, so dass die zeitliche Modulation der Laserintensität in eine räumliche Ausprägung der Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 übersetzt werden konnte.
In Figur 5A ist der Intensitätsverlauf und Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Laserstrahls 5 gezeigt. Insbesondere ist der quasi nicht-beugende Strahl 5 ein Bessel-Gauß-Strahl. Im Strahlquerschnitt in derx-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 5B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also der Strahlquerschnitt in Strahlausbreitungsrichtung, gezeigt. Der Strahlquerschnitt weist eine elongierte Fokuszone auf, die etwa 300 pm groß ist. Damit ist die Fokuszone F in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als der Strahlquerschnitt in derx-y-Ebene, so dass eine elongierte Fokuszone vorliegt.
In Figur 5C ist analog zu Figur 5A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in dery-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.
In Figur 5D ist die longitudinale Fokuszone des Bessel-Strahls gezeigt, die erneut eine longitudinale Ausdehnung von etwa 300pm aufweist. Auch der Bessel-Strahl weist dementsprechend eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone auf.
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 Vorrichtung
3 Fügepartner
4 Laser 5 Laserstrahl
6 Fokussieroptik
7 Grenzfläche
8 Fügepartner
9 Fügeverbindung 9 Fügenaht
900 Fügestelle
902 Fügefehlstelle
F Fokuszone VG Vorschubgeschwindigkeit
M Modifikationsschwelle

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (5) eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (3, 8) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) entlang einer Fügenaht (9) miteinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügenaht (9) mindestens zwei Fügestellen (900) und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle (902) aufweist, wobei jede Fügestelle (900) länger als 10 pm, bevorzugt länger als 50pm, ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erster Fügepartner (8, 3) transparent ist, bevorzugt ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff ist.
- ein zweiter Fügepartner (3, 8) opak ist, bevorzugt ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik ist,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht (9) durch das Längenverhältnis von Fügestelle (900) und Fügefehlstelle (902) entlang der Fügenaht (9) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis von Fügestelle (900) und Fügefehlstelle (902) entlang der Fügenaht (9) zwischen 10:90 und 95:5 liegt, bevorzugt bei 70:30 liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis von Fügestellen (900) und Fügefehlstellen (902) durch einen Duty Cycle der Laserleistung eingestellt wird, wobei die Laserleistung während des Duty Cycles gemäß einer Modulationsfunktion moduliert wird, bevorzugt mit einem Funktionsgenerator moduliert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfunktion eine Rechteck-Funktion ist odereine Sägezahn-Funktion ist odereine Dreieck-Funktion ist oder eine Sinus-Funktion ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle eine Wiederholrate zwischen 1 Hz und 1 kHz aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Fügenaht (9) auf eine Fügestelle (900) immereine Fügefehlstelle (902) folgt
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des Laserspots zwischen 0,1 W und 50W liegt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Laserpulse eines Bursts jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulse umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts zwischen 0,5kHz und 10MHz liegt, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegt.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegt, bevorzugt bei 1000nm, und/oder - die Pulsdauer der Laserpulse zwischen 10fs und 50ps liegt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl und die Fügepartner relativ zueinander mit einem Vorschub zwischen 0,01 mm/s und 1000mm/s, bevorzugt zwischen 0,1 mm/s und 300mm/s bewegt und/oder positioniert werden, bevorzugt mit einem Achssystem und/oder einem Galvanometer-Scanner und/oder einem akustooptischen Deflektor bewegt und/oder positioniert werden.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) in eine Fokuszone (F) in den Fügepartnern (3, 8) fokussiert ist und die Fluenz in der Fokuszone (F) größer als 0.01 J/cm2 für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) ein quasi nicht-beugender Laserstrahl ist, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl ist, und der Laserstrahl (5) bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (F) aufweist.
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