DE102016002197A1

DE102016002197A1 - Prozessunterstützende Maßnahmen für das laserbasierte Fügen und Laserschweißen von Werkstoffen

Info

Publication number: DE102016002197A1
Application number: DE102016002197.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Laserbasierte Füge- und Trennprozesse wie Laserschweißen und Laserschneiden werden mittels ausgewählten Prozessparametern durchgeführt, um ein optimales Arbeitsergebnis zu erzielen. Beispielsweise soll beim Laserschweißen durch externes Anlegen eines elektrischen Feldes je nach Ausrichtung der elektrischen Feldlinien eine asymmetrisch ausgebildete Schweißnaht oder eine Gradientenschweißnaht realisiert werden, in der beispielsweise ein Konzentrationsgradient eines Elements oder eines anderen Stoffes vorliegt. Solche Schweißnähte können in der Mikrotechnik oder für Anwendungen mit einer ungleichmäßigen Belastung oder Beanspruchung eine wichtige Rolle spielen.

Description

Einleitung:
Füge- und Trennprozesse wie Laserschweißen und Laserschneiden werden mittels ausgewählten Prozessparametern durchgeführt, um ein optimales Arbeitsergebnis zu erzielen. Allerdings spielen auch die vorherrschenden externen Umgebungsbedingungen eine entscheidende Rolle. Eine Anpassung dieser externen Umgebungsbedingungen kann helfen, das Arbeitsergebnis weiter zu verbessern oder den gegebenen Anforderungen anzupassen. Beispielsweise soll beim Laserschweißen meist eine symmetrische oder homogene Schweißnaht erzielt werden. Allerdings sind auch ein paar spezielle Anwendungen denkbar, für die eine asymmetrisch ausgebildete Schweißnaht oder eine Gradientenschweißnaht vorteilhaft ist.
Stand der Technik:
Das Fügen von Werkstücken mittels Laserstrahlung wird als Laserstrahlschweißen oder kurz Laserschweißen bezeichnet. Dabei geschieht der Energieeintrag zum Aufschmelzen der entsprechend bestrahlten Bereiche der Werkstücke mittels Laserlicht. Zunächst werden die beiden zu fügenden Werkstücke (Fügestücke) zueinander in die gewünschte Lage positioniert, in der sie miteinander verbunden werden sollen. Dabei stehen sich die Randbereiche der beiden Werkstücke an der zu fügenden Stelle mit geringem Abstand gegenüber. Durch anschließende gleichzeitige Beaufschlagung der gegenüberstehenden Randbereiche mit Laserstrahlung werden diese Bereiche aufgeschmolzen, und es kommt zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen beiden Werkstücken. Bestehen die beiden Werkstücke aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, dann muss die Voraussetzung erfüllt sein, dass beide Werkstoffe miteinander mischbar sind (Phasendiagramm), so dass sich im Bereich der Schweißnaht eine Mischverbindung ausbilden kann. Ein Problem beim Laserschweißen besteht darin, dass die meisten metallischen Werkstoffe die einfallende Laserstrahlung fast vollständig reflektieren (Reflexionsgrad > 90%). Bei geringen und mittleren Strahlleistungen wird nur ein geringer Teil der einfallenden Lichtenergie in das Werkstoffmaterial eingekoppelt. Je nach Höhe des Eintrags der Laserleistungsdichte in den Werkstoff unterscheidet man zwischen Wärmeleitungsschweißen/Oberflächenschweißen und Tiefschweißen (Tiefschweißeffekt) [1]:
Beim Wärmeleitungsschweißen wird die einfallende Laserstrahlung an der Werkstoffoberfläche absorbiert, wodurch der Werkstoff an der Oberfläche lokal aufschmilzt und dadurch beide Werkstücke miteinander gefügt werden können. Dies aber läuft im Bereich der Oberfläche des behandelten Werkstückes bis in eine Tiefe von 1 mm ab. Erhöht man die einfallende Laserleistungsdichte auf einen bestimmten Wert (je nach Werkstoff unterschiedlich liegt er meist bei ca. 10⁶ W/cm²), dann wird beim Überschreiten eines Schwellwertes der sogenannte Tiefschweißeffekt ausgelöst [1]:
Wenn genügend Laserleistung in das zu bearbeitende Metallstück eingebracht werden kann, dann wird das Material nicht nur aufgeschmolzen, sondern das Metall verdampft von der Metalloberfläche und wird dann vom einfallenden Laserstrahl ionisiert: innerhalb der Schweißkuhle oder dem Dampfkanal bildet sich so eine laserinduzierte Plasmasäule oder Dampfkapillare aus, die von einem Mantel von schmelzflüssigem Material umgeben ist. Dadurch wird die Absorption der einfallenden Laserstrahlung in den Werkstoff weiter verstärkt; die Absorption des Laserstrahls steigt sprunghaft an. Da die Eindringtiefe durch diesen Effekt sehr stark erhöht wird, wird die Energie in die gesamte Tiefe des Werkstücks übertragen. Da der Tiefschweißeffekt sich nicht nur an der Oberfläche abspielt, sondern die gesamte Tiefe des Werkstoffs betrifft, spielt dieser Effekt beim laserbasierten Schweißen/Fügen oder Schneiden/Trennen von Werkstücken gegenüber dem Oberflächenschweißeffekt eine bedeutende Rolle. Der Tiefschweißeffekt wurde zuerst 1958 von K.-H. Steigerwald beim Elektronenstrahlschweißen entdeckt.
Bisher sind einige Maßnahmen bekannt, um den Erfolg des Tiefschweißens zu unterstützen. Andere unterstützende Maßnahmen betreffen die Anwendung von Zusatzwerkstoffen, beispielsweise eines Schweißdrahtes, der während des Verlaufs des Schweißvorganges neben dem eingekoppelten Laserstrahl entlang der Schweißnaht geführt wird und somit dosiert Material in den Schweißbereich abgibt, die die funktionalen Eigenschaften der Schweißnaht verbessern sollen. Dieses Verfahren ist industriell weit verbreitet und praktisch erprobt.
Eine weitere Technologie des Laserschweißens ist das sogenannte Laserschweißen unter einer definierten Gasatmosphäre, beispielsweise einer Schutzgasatmosphäre aus chemisch inerten Gasen oder einer Gasatmosphäre aus chemisch aktiven oder reaktionsfähigen Gasen. Im Falle der Schutzgasatmosphäre wird die Schweißstelle mit einem meist chemisch inerten Schutzgas wie Stickstoff beaufschlagt, um prozessschädigende, chemisch meist reaktive Gase wie Sauerstoff, von der Schweißstelle fernzuhalten. Damit will man ungewollte Reaktionen des erhitzten Werkstoffs mit Umgebungsgasen unterbinden, damit keine ungewünschten Verbindungen wie beispielsweise Metalloxide entstehen, die einen negativen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißnaht haben. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt.
Beim Magnetrühren wird um das Schmelzbad eine Spule implementiert, die ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch soll im Schweißbad und in der Plasmasäule eine bessere Durchmischung der geladenen Teilchen stattfinden, welches den Schweißeffekt verstärkt oder optimiert [3–4]. Eine breite industrielle Anwendung dieser Technologie ist bisher ausgeblieben.
Auch sind verschiedene Hybridschweißverfahren bekannt, die die verschiedenen Schweißtechniken miteinander kombinieren: beispielsweise Laserschweißen kombiniert mit MIG-, MAG-, WIG- und/oder UP-Schweißen oder Laserschweißen kombiniert mit Elektronenstrahlschweißen, Plasmastrahlschweißen, Protonenstrahlschweißen und/oder einer anderen Partikelschweißtechnik oder mit konventionellen Schweißtechniken (bspw. Acetylenbrennerschweißen, Plasmaschweißen).
Es ist auch bekannt, dass die Bestrahlungs- und/oder Prozessparameter während des laserbasierten Schweiß- oder Schneidevorganges mittels Feedbacks permanent ausgewertet und dadurch kontinuierlich verändert werden können, um dessen Ergebnisse noch während dessen Ablaufs zu optimieren:
Durch einen oder mehrere Detektoren wird der augenblickliche Zustand des Schweiß- oder Schneidevorgangs erfasst, indem die entsprechenden Bestrahlungs- oder Prozessparameter (z. B. momentane Fluenz, momentane Eindringtiefe des Laserstrahls, momentane Stärke des extern angelegten Magnetfeldes) kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen gemessen, registriert und in Form einer Vorgangshistorie dokumentiert werden; die aufgenommenen Messdaten werden dann permanent an eine Auswerteeinheit gesendet. Dort werden die Messdaten fortlaufend mit den vorgegebenen Sollwerten der Prozessparameter (Bestrahlungsparameter, Prozesstemperatur, externes Magnetfeld usw.) oder den Zielparametern des Schweiß- oder Schneideprozesses verglichen. Falls der Schweiß- oder Schneidevorgang von den vorgegebenen Sollwerten und/oder Zielparametern abweicht, wird an die Lasereinrichtung o. a. entsprechende Steuersignale versandt, um die Prozess- oder Bestrahlungsparameter an die vorgegebenen Sollwerte anzupassen, damit der Schweiß- oder Schneidfortschritt sich wieder den vorgegebenen Zielparametern annähern kann. Alternativ können die Bestrahlungs- und/oder Prozessparameter auch gemäß einem vorher eingegebenen Algorithmus während des Schweiß- oder Schneidevorgangs zeitlich verändert werden. Dabei kann der Algorithmus auf theoretische Modellberechnungen und/oder auf praktische Erfahrungswerte beruhen und vor dem Start des Lasers in die Steuereinheit einprogrammiert werden. So kann beispielsweise der Schneide- oder Schweißvorgang mit einer hohen Laserintensität/Laserfluenz beginnen und im Laufe des Prozesses, wenn sich der Werkstoff aufheizt, langsam abfallen, um die thermische Belastung des zu bearbeitenden Werkstücks so gering wie möglich zu halten. Der einprogrammierte Algorithmus muss nicht unbedingt fest vorgegeben werden; er kann auch in bestimmten Grenzen durch das Feedback an die momentane Prozesssituation angepasst werden.
Es sollen nun bestimmte Maßnahmen vorgestellt werden, die den Schweißerfolg weiter optimieren können, ohne dass ein überdurchschnittlicher Aufwand betrieben werden muss.
Zielsetzung:
Es werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen und diskutiert, um den Schweißerfolg zu optimieren. Dies betrifft u. a. auch externe Umgebungsbedingungen.
Offenbarung der Erfindung und Ausführungsbeispiele:
Laserstrahlschweißen in einem extern angelegten elektrischen Feld
Beim Schweißen innerhalb eines extern angelegten elektrischen Feldes werden um die Schweißzone herum zwei Elektroden installiert, an denen extern eine Spannung angelegt wird (spannungsgestütztes Laserstrahlschweißen). In der Schweißzone befinden sich die beiden zu fügenden Werkstücke (Fügestücke). Die beiden Elektroden sind von diesen beiden Fügestücken räumlich und elektrisch getrennt. Auch sind ebenfalls die beiden Elektroden nicht miteinander verbunden, so dass weder ein Strom, auch nicht in Form eines Kriechstroms, fließt noch es einen Funkenüberschlag gibt oder sogar ein Lichtbogen ausgebildet wird. Eventuell muss deshalb dieser Laserschweißvorgang auch in einer relativ staubfreien Umgebung oder in einer gas- oder dampfförmigen Umgebung mit einer für Gase relativ hohen Dielektrizitätskonstanten durchgeführt werden. Bei den Elektroden kann es sich um Punkt-, Stab-, Flächen- oder Plattenelektroden oder um Elektroden beliebiger Form (symmetrisch, asymmetrisch, kreisförmig oder in Form von Halbkugelschalen konzentrisch um das Schweißzentrum herum positioniert) handeln, deren Form für die jeweilige Anwendung optimiert worden ist. Auch können mehr als zwei Elektroden eingesetzt werden, oder die beiden oder mehreren Elektroden können unterschiedliche Formen besitzen. Wenn man beispielsweise eine Punktschweißung durchführen muss, so bietet sich einerseits eine Kombination aus einer Stabelektrode und einer hohlkugelförmigen Elektrode an, die zueinander so positioniert sind, dass die Stabelektrode und der Schweißort in der Nähe des Fokus der hohlkugelförmigen Elektrode sich befinden. Falls mindestens ein Fügestück aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff (z. B. Metall) besteht, kann das Werkstück selber als Stabelektrode fungieren, so dass sich die elektrischen Feldlinien auf dieses stabförmige Werkstück/Elektrode konzentrieren/fokussiert werden. Die Symmetrie der beiden Elektroden hängen also stark von der Symmetrie der jeweiligen Anwendung bzw. der jeweiligen Schweißgeometrie ab. Es können auch verschiedene Arten von Spannungen angelegt werden, so z. B. Gleich- oder Wechselspannung (Nieder- oder Hochfrequenz), pulsierende Gleichspannung, Drehspannung etc.. Bei einer Drehspannung sind eventuell drei Elektroden sinnvoll. Auch zeitlich veränderbare Spannungen können angewandt werden, die auf den Schweißprozess optimal ausgelegt werden und an dem Schweißfortschritt angepasst werden, entweder zuvor auf Basis von Erfahrungswerten oder theoretischer Berechnungen einprogrammiert oder mittels Feedback gesteuert, indem ein Sensor den Schweißfortschritt und/oder Schweißerfolg detektiert und ggf. die Prozessparameter optimal an den noch laufenden Schweißprozess anpasst. So kann gegen Beendigung des Schweißvorganges das elektrische Feld allmählich abklingen; oder wenn die Dicke der zu fügenden Werkstoffe sich ändert, kann neben der Vorschubgeschwindigkeit auch die Stärke des elektrischen Feldes angepasst werden. Analoges gilt auch für magnetische Felder [3–4].
Durch Anlegen einer externen Spannung entsteht ein elektrisches Feld, der einen geringeren Einfluss auf die Ausbildung des Schmelzbades besitzt, da bei diesen Temperaturen im Schmelzbad die einzelnen Atome/Moleküle des Werkstoffes noch in nicht-ionisierter Form, also in elektrisch neutraler Form, vorliegen, während das extern angelegte elektrische Feld einen größeren Effekt auf die Ausformung der Dampfkapillare bzw. Plasmasäule im Dampfkanal besitzt, da dort die Atome/Moleküle des Werkstoffs zumindest teilweise in ionisierter Form vorliegen. Bei einem statischen elektrischen Feld oder einem sich zeitlich verändernden elektrischen Feld, bei dem aber kein Wechsel der Polarität erfolgt (beispielsweise pulsierende Gleichspannung), werden die elektrisch geladenen Teilchen immer in dieselbe Richtung bewegt, d. h. die elektrisch positiv geladenen Teilchen wandern in die eine Richtung, wehrend die elektrisch negativ geladenen Teilchen in die entgegengesetzte Richtung wandern. Dadurch werden die Teilchen mit entgegengesetzter Ladung voneinander räumlich getrennt. Beim Anlegen einer Wechselspannung bewegen sich die entgegengesetzt geladenen Teilchen ebenfalls in zueinander entgegengesetzte Richtungen, allerdings immer nur so lange, bis die Phase der angelegten Wechselspannung wechselt. Danach andern die geladenen Teilchen ihre Richtung, so dass im zeitlichen und räumlichen Mittel die geladenen Teilchen sich nicht bewegen. Dies kann zu einer Durchmischung des Schmelzbades oder der Teilchen innerhalb der Plasmasäule führen. Aufgrund dieser Effekte kann man das extern angelegte elektrische Feld anstelle von Schweißen auch zum Trennen von Werkstücken (Laserschneiden) verwenden:
Soll ein Werkstück in zwei Teile geschnitten werden, so kann die Trennlinie mit einem Laserstrahl beaufschlagt werden. Auch hier bilden sich ein Schmelzbad und eine Dampfkapillare mit einer Plasmasäule aus. Wenn nun wie oben beschrieben extern ein elektrisches Feld angelegt wird, so wandern die positiv geladenen Teilchen in die eine Richtung und die negativ geladenen Teilchen in die andere Richtung. Dieses Auseinanderziehen der elektrisch entgegengesetzt aufgeladenen Teilchen voneinander trennt elektrisch entgegengesetzt aufgeladene Materialpartikel, so dass dies zur Trennung der beiden Werkstückhälften beiträgt.
Der Schweißvorgang in einem extern angelegten elektrischen Feld ist geeignet zum Erzeugen von asymmetrisch ausgebildeten Schweißnähten (sogenannten Gradientenschweißnähten), die beispielsweise einer zeitlich oder räumlich ungleichmäßigen (Kraft-)belastung oder Beanspruchung oder einem anderen ungleichmäßigen Umgebungseinfluss (z. B. in einer chemisch aggressiven Umgebung) ausgesetzt werden sollen. Eine solche Gradientenschweißnaht besitzt eine Symmetrieachse, entlang sich deren funktionalen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften (beispielsweise Konzentrationsgradient eines Elements oder eines anderen Stoffes, beispielsweise eines Metalloxids) ändern. Dabei hängt die Ausrichtung der Symmetrieachse der Schweißnaht von der Ausrichtung des elektrischen Feldes ab: die elektrisch positiv aufgeladenen Teilchen in der Plasmasäule bewegen sich in Richtung der elektrischen Feldlinien, während die elektrisch negativ aufgeladenen Teilchen sich entgegengesetzt der elektrischen Feldlinien bewegen. Sind beispielsweise die elektrischen Feldlinien entlang der Längsachse der entstehenden Schweißnaht ausgerichtet, so ist der Gradient ebenfalls entlang der Längsachse der Schweißnaht ausgerichtet; sind die elektrischen Feldlinien senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet, so ist der Gradient ebenfalls senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet; sind die elektrischen Feldlinien parallel zur Werkstückoberfläche und senkrecht zur Längsachse der Schweißnaht ausgerichtet, so ist der Gradient ebenfalls parallel zur Werkstückoberfläche und senkrecht zur Längsachse der Schweißnaht ausgerichtet. Kurz zusammengefasst: bei horizontaler Ausrichtung des elektrischen Felds wird die Schweißnaht-Symmetrieachse ebenfalls horizontal ausgerichtet, während bei vertikaler Ausrichtung des elektrischen Feldes die Schweißnaht-Symmetrieachse ebenfalls vertikal ausgerichtet wird, da der Gradient immer parallel zu den elektrischen Feldlinien ausgerichtet ist. Beim Fügen von zwei Werkstücken bestehend aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder bei Zugabe von Fremdstoffen (beispielsweise in Form eines Schweißdrahtes, eines Pulvers oder von Gasen bzw. Dämpfen (beispielsweise metallorganischen Verbindungen)) während des Schweißvorganges kann ein Gradient der Stoffkonzentration innerhalb der Schweißnaht entstehen. Die Richtung des Gradienten hängt ebenfalls von der Ausrichtung des extern angelegten elektrischen Feldes ab: bei horizontaler Ausrichtung des elektrischen Feldes ist der Gradient der Stoffkonzentration ebenfalls horizontal ausgerichtet, während bei vertikaler Ausrichtung des elektrischen Feldes der Gradient der Stoffkonzentration ebenfalls vertikal ausgerichtet ist. Dies kann in einigen speziellen Anwendungen in der Mikrotechnik eine Rolle spielen, bei denen Mikrokomponenten geschweißt werden und danach in ihrer Anwendung einer sehr starken Beschleunigung unterliegen, so dass trotz geringer Massen relativ hohe Beschleunigungskräfte wirken.
Wie bereits oben schon angegeben, kann man neben einer konstanten Spannung auch sich zeitlich verändernde Spannungen an die Elektroden angelegen, so dass entweder ein statisches oder ein dynamisches Feld entsteht. Im letzten Fall können aufgrund der Maxwell-Gleichungen elektromagnetische Felder entstehen, die auf den Schweißprozess einwirken.
Als interessanter Nebenaspekt sei noch angemerkt, dass man auch bei anderen Schweiß- oder Schneideverfahren, die nicht auf der Einwirkung eines Laserstrahls beruhen, wie beispielsweise Schweißen und Schneiden mittels eines Schweißbrenners, Lichtbogens oder anderes oder bei gänzlich anderen Verfahren wie beispielsweise CVD (Chemical Vapour Deposition), PVD (Physikal Vapour Deposition) u. a. ein elektrisches, magnetisches oder elektromagnetisches Feld extern anlegen kann, um den im Verfahren stattfindenden Vorgang zu unterstützen, wie beispielsweise beim ECR-CVD-Verfahren (ECR: Elektron Cyclotron Resonance) oder beim bereits bekannten PVD-Verfahren zum Abscheiden von c-BN (kubisches Bornitrid) [ DE 19535560 C1 ]. Durch das Anlegen von externen elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern kann man auch bei einem CVD/PVD-Prozess (dünne) Gradientenschichten herstellen: Wie bereits oben beschrieben, bewegen sich elektrisch geladene oder magnetische Teilchen entlang von elektrischen Feldlinien und/oder unterliegen der Lorentzkraft: wenn beispielsweise die elektrischen Feldlinien senkrecht zur Substratoberfläche steht, dann bewegen sich die elektrisch geladenen Teilchen im Plasma senkrecht auf die Oberfläche zu oder von ihr weg. Bei einer Ausrichtung der elektrischen Feldlinien parallel zur Substratoberfläche bewegen sich die elektrisch geladenen Teilchen parallel zu dieser. Wenn das extern angelegte elektrische Feld nun zeitlich und/oder räumlich (d. h. Stärke und Ausrichtung der Feldlinien) verändert wird, wird auch der Fluss der geladenen Teilchen hinsichtlich Stärke und/oder Richtung zeitlich variiert und damit auch die Wachstumsrate oder Abtragsrate oder Ätzrate sowie die Schichtzusammensetzung, und somit wird ebenfalls der (Dünn-)schichtauf- oder abbau beeinflusst; somit lassen sich Gradientenschichten herstellen.
Stromgestütztes Laserstrahlschweißen:
Falls der Werkstoff ein elektrischer Leiter ist wie beispielsweis Metall, dann kann man die beiden Fügestücke als Elektroden verwenden. Dabei wird während des Laser-Schweißvorgangs an beide Fügestücke eine Spannung angelegt, indem der eine Pol der externen Spannungsquelle an das erste Fügestück und der Gegenpol an das zweite Fügestück gelegt wird. Dadurch wird in den beiden Fügestücken ein Stromfluss induziert, wenn beide nicht allzu weit auseinander liegen oder bereits mittels eines Schmelzbades miteinander verbunden sind. Durch den Stromfluss kommt es zu einer Wärmeentwicklung, die den Laser-Schweißprozess unterstützt. Bei einer sehr hohen angelegten Spannung kann es auch bei einem größeren Abstand zwischen beiden Fügestücken zu einem Funkenüberschlag oder sogar zu einer Ausbildung eines (zeitlich stabilen) Lichtbogens kommen, der ebenfalls zum Laser-Schweißprozess beiträgt. Aber auch lediglich durch den Stromfluss heizt sich das Werkstück auf, und es kann somit auf eine definierte Temperatur gebracht werden, um das Schweißergebnis zu optimieren. Notfalls kann man auch durch andere Mittel eine genau definierte Temperatur der Werkstücke einstellen, indem man es von oben in ein Wärme- oder Kältebad einsetzt oder mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluidum mit einer bestimmten Temperatur beaufschlagt. Alternativ kann man auch eine Partikelstrahlung zur (punktuellen) Erwärmung einsetzen; oder man kann eine erste Laserstrahlquelle zum (punktuellen) Erwärmen oder zu einer anders gearteten Vorbehandlung der Fügestücke einsetzen und mit einer zweiten Laserstrahlquelle (dabei kann es sich um denselben oder um einen anderen Lasertyp mit denselben oder anderen Prozessparametern, wie z. B. Wellenlänge, Intensität/Fluenz, gesamte Bestrahlungsenergie oder -dosis, handeln) kann der eigentliche Schweißvorgang durchgeführt werden. Analog zum oben beschriebenen stromgestützten Laserstrahlschweißen kann man auch ein stromgestütztes Laserstrahlschneiden durchführen. Dabei wird der oben beschriebene Prozess durchgeführt, nur mit dem Unterschied, dass die beiden Fügestücke nicht zusammengeführt werden; sondern das zu schneidende Werkstück wird geschnitten, indem die beiden Hälften des Werkstücks (genannt Schneidstücke) auseinandergezogen werden.
Im Verfahren nach DE 10 2006 036 599 B4 werden die zu schweißenden Komponenten ebenfalls mit einem Strom durchflossen; dies dient aber nicht dazu, das zu fügende Werkstück zu erwärmen, um den eigentlichen Schweißprozess zu unterstützen, sondern um den Abstand der Elektroden durch Wärmeausdehnung genau einzustellen.
Auch in diesem Fall kann man zwischen zeitlich konstantem oder zeitlich sich veränderndem Gleichstrom oder Wechselstrom unterscheiden. Bei einem sich zeitlich veränderlichen Strom wird zusätzlich ein magnetisches Feld induziert, so dass ein elektromagnetisches Feld auf die Schweißzone einwirkt und somit zusätzlich auf die geladenen Teilchen die Lorentzkraft wirkt.
Den Vorgang des stromgestützten Laserschweißenverfahrens kann man auch zum laserbasierten Schneiden von elektrisch leitfähigen Werkstücken (beispielsweise Metall) verwenden: an das zu schneidende oder trennende Werkstück wird extern eine Spannung angelegt, so dass durch das elektrisch leitende Werkstück ein Strom fließt. Dadurch erwärmt sich das Werkstück und unterstützt die schneidende Wirkung des Laserstrahls.
Besonders ist dieses stromgestützte Laserschweißverfahren für das Schweißen von Mikrokomponenten, beispielsweise Drähten in der Mikrotechnik, geeignet, da der Widerstand R umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche A des Drahtes ist (R = ρ·L/A, mit R als der Draht-Widerstand und ρ als spezifischer Widerstand und L als Länge des Drahtes und A als Querschnitt des Drahtes). Wegen P = I·R² (mit P als Leistung und I als Stromstärke) steigt die Wärmeentwicklung mit steigendem Widerstand und mit kleiner werdendem Querschnitt A, so dass gerade wie in der Mikrotechnik üblich Drähte mit geringem Querschnitt für das stromgestützte Laserschweißverfahren geeignet erscheinen. So ist es beispielsweis denkbar, dass bereits ein geringer Stromfluss genügt, um den zu schweißenden oder schneidenden Draht vorzuglühen, um dann mit einem Laserpuls geringer Intensität oder geringer Fluenz den restlichen Schweiß- oder Schneidevorgang zu bewirken.
Auch ist jede Kombination der einzelnen Schweiß- oder Schneideverfahren miteinander zu einem Hybridschweiß- oder Schneideverfahren möglich, beispielsweise das erfindungsgemäße spannungs- oder stromgestützte Laserschweißverfahren mit einem MIG- oder einem Elektronen- oder einem anderen konventionellen (Partikel-)schweiß- oder Schneideverfahren.
Ausblick
Viele den Laserschweißvorgang oder Laserschneidevorgang unterstützende Maßnahmen kann man auch auf andere materialbearbeitende Vorgänge, u. a. auch auf die Mikromaterialbearbeitung anwenden. Als Beispiele kann die lasergestützte Ablation angewandt werden:
Unter der laserbasierten Ablation versteht man den genau definierten Materialabtrag an der Oberfläche eines Werkstoffs unter Einwirkung eines Laserstrahls. Dabei bleiben die Kanten am Rande der Ablationszone unbeschädigt, so dass man mittels eines laserbasierten Lithographieverfahrens kleine Strukturen im Mikrometermaßstab mit scharfen Kanten herstellen kann. Wichtige Prozessparameter bei der lasergestützten Ablation sind die Bestrahlungsparameter wie Wellenlänge, Fluenz bei einem gepulsten Laser oder Leistung bei einem kontinuierlich abstrahlenden cw-Laser, Repetitionsrate, gesamte Pulszahl bei einem gepulsten Laser und gesamte Bestrahlungsdosis. Wichtige externe Umgebungsbedingungen (bspw. Temperatur), die einen Einfluss auf das Ergebnis haben können, sind folgende Parameter:

– Prozesstemperatur des mit Laserstrahlung zu ablatierenden Substrats (Umgebungstemperatur, Substrattemperatur) [5]
– Umgebungsmedium, beispielsweise Gase oder Flüssigkeiten [6–7]
– extern angelegte elektrische oder magnetische oder elektromagnetische Felder um die Ablationsstelle herum; bei zeitlicher Variation der extern angelegten Felder lässt sich die Ablationsrate zeitlich verändern
– zusätzliche Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung auf das zu ablatierende Substrat durch eine weitere Laserquelle desselben oder anderen Typs mit denselben oder anderen Bestrahlungsparametern
– eine an das zu ablatierende Substrat angelegte elektrische Spannung (analog zum oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren); dabei kann es sich bei dem Substrat um einen Isolator, Halbleiter oder elektrischen Leiter (z. B. Metall) handeln
– durch das zu ablatierende Substrat gehender Stromfluss (analog zum oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren); dabei muss das zu bearbeitende Substrat elektrisch leitfähig sein, beispielsweise Metall
– chemische Behandlung des mit Laserstrahlung zu bearbeitende Substrat vor, während oder nach der Laserstrahleinwirkung möglich ist auch eine Kombination von Vor- und Nachbehandlung.

Alle diese Maßnahmen können entweder vor der Ablation (Vorbehandlung), während des Ablationsvorganges oder nach erfolgter Ablation (Nachbehandlung) stattfinden oder können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge miteinander kombiniert werden oder können gleichzeitig stattfinden.
Wie bereits oben angedeutet, können zur ablativen Bearbeitung eines Substrates auch zwei oder mehrere Laserquellen eingesetzt werden. Dabei können die Laserquellen vom denselben Typ oder unterschiedlichen Typs sein und die Bestrahlungsparameter (Wellenlänge, Intensität/Fluenz, gesamte Strahlungsenergie, Repetitionsrate) können dieselben oder teilweise oder komplett unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die zu ablatierende Stelle an der polymeren Substratoberfläche mit einem Nd:YAG Laser punktuell bis kurz unterhalb der Glastemperatur erwärmt werden, um dann mittels eines einzigen oder wenigen ns-UV-Laserpulse eines Excimerlasers den eigentlichen Ablationsvorgang zu vollziehen. So benötigt man nur sehr wenige Laserpulse für die eigentliche Ablation. Auch Mehrphotonprozesse mit zwei Laserstrahlen kommend aus zwei verschiedenen Laserquellen, die jeweils mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, erscheinen möglich: Beispielsweise kann man sich folgenden Versuch vorstellen:
Eine +1/–1-Phasenmaske liegt direkt auf ein schwarz gefärbtes PMMA-Substrat auf, so dass in die Oberfläche des schwarzen PMMA-Substrates ein Oberflächengitter (ein Gitter, bei der die Oberflächentopographie der Substratoberfläche periodisch mit einer Gitterkonstanten von ca. 1 μm strukturiert worden ist) mittels Bestrahlung der Phasenmaske mit UV-Excimerlaserstrahlung geschrieben werden kann [8–9]. Zu Kalibrierungszwecken ist ein roter HeNe-Laserstrahl eines cw-HeNe-Lasers (hohe zeitliche Kohärenz) auf die Phasenmaske gerichtet. Der Einfall des HeNe-Laserstrahls auf die Phasenmaske ist leicht schräg, so dass der HeNe-Laserstrahl innerhalb des Quarzglaskörpers merhfach reflektiert wird und sich so ein zeitlich nicht veränderndes streifenförmiges Interferenzmuster innerhalb des Quarzglaskörpers der Phasenmaske ausbildet: man kann mit bloßem Auge die innerhalb des Quarzglaskörpers der Phasenmaske auftretenden Interferenzmaxima (helle rot leuchtende Streifen) und Interferenzminima (dunkle Streifen) des Beugungsmusters, verursacht durch den roten HeNe-Laserstrahleinfall, deutlich erkennen. Die hellen Streifen des Interferenzmusters haben zueinander einen Abstand von wenigen mm. Bei darauffolgender Bestrahlung mittels eines UV-Excimerlasers (Wellenlänge: 248 nm, 20 ns Pulsdauer) bildet sich nur im Bereich des Interferenzmaxima (helle rot leuchtende Streifen) ein Oberflächengitter an der Oberfläche des schwarzen PMMA-Substrates aus; in den Bereichen des Interferenzminima (dunkle Steifen) bildet sich kein Oberflächengitter an der Oberfläche des schwarzen PMMA-Substrates aus (1). Dies kann eventuell durch einen Mehrphotonen-Prozess zwischen sichtbarer roter HeNe-Laserstrahlung und ns-UV-Excimerlaserstrahlung erklärt werden, die im Bereich der hellen rot leuchtenden Streifen einen Mehrphotonenprozess an der Oberfläche des schwarzen PMMA-Substratmaterials auslösen: das Interferenzmuster des roten HeNe-Laserstrahls hat sozusagen das Oberflächengitter an der schwarzen PMMA-Substratoberfläche während seiner Entstehung mittels UV-Laserstrahlung moduliert.
Analog zu dem im Stand der Technik beschriebenen Feedback während des laserbasierten Schweiß- oder Schneidevorgangs ist es auch denkbar, dass die Prozess- oder Bestrahlungsparameter während des Ablationsvorganges verändert werden, um den Prozess zu optimieren:
Durch einen Detektor wird der momentane Ablationsvorgang beobachtet, indem die Prozessparameter (Bestrahlungsparameter, Prozesstemperatur, momentane Ablationstiefe usw.) kontinuierlich gemessen und dokumentiert werden; und die Messdaten werden permanent an eine Auswerteeinheit gesendet. Falls der Ablationsvorgang von den vorgegebenen Sollwerten für die Prozessparameter oder Zielparameter des Ablationsvorgangs abweicht, werden an die Lasereinrichtung entsprechende Steuersignale versandt, um die Prozess-/Bestrahlungsparameter anzupassen, damit der Ablationsfortschritt sich wieder den vorgegebenen Zielparametern annähern kann. So kann beispielsweise der Ablationsvorgang mit einer hohen Laserintensität/Laserfluenz und/oder Repetitionsrate beginnen und im Laufe des Prozesses, wenn sich der Werkstoff aufheizt, können die Fluenz/Repetitionsrate langsam abfallen, um die thermischen Schädigungen des Materials möglichst gering zu halten. Alle Merkmale des im Stand der Technik beschriebenen Feedbacks für den laserbasierten Schweiß- oder Schneidevorgang wie beispielsweise die Implementierung eines fest vorgegebenen oder veränderlichen Algorithmus, der vor der Bestrahlung in die Steuereinheit der Laservorrichtung einprogrammiert worden ist, ist auch auf den Ablationsvorgang übertragbar, falls dies für die Anwendung sinnvoll erscheint.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19535560 C1 [0014]
DE 102006036599 B4 [0016]

Claims

Verfahren zum laserbasierten Schweißen oder Schneiden von Werkstücken, bei dem extern ein elektrisches Feld angelegt wird.
Laserschweißnaht erzeugt durch ein Verfahren nach Anspruch 1, die asymmetrisch ausgebildet worden ist, und zwar in Abhängigkeit von der Ausrichtung der elektrischen Feldlinien des extern angelegten elektrischen Feldes.
Laserschweißnaht erzeugt durch ein Verfahren nach Anspruch 1, die als Gradientenschweißnaht ausgebildet worden ist, und zwar in Abhängigkeit von der Ausrichtung der elektrischen Feldlinien des extern angelegten elektrischen Feldes.
Laserschweißnaht nach Anspruch 3, bei der ein Konzentrationsgradient eines Elements oder eines anderen Stoffes, beispielsweise eines Metalloxids, vorliegt.
Verwendung einer Laserschweißnaht nach Anspruch 2 bis 4 zum Einsatz in der Mikrotechnik oder zum Einsatz für eine ungleichmäßige Beanspruchung.