DE102016003302B4

DE102016003302B4 - Method for joining workpieces arranged at least partially one above the other by means of at least one laser beam from at least one laser

Info

Publication number: DE102016003302B4
Application number: DE102016003302.9A
Authority: DE
Inventors: Andre Streek; Robby Ebert
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2025-06-26
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: DE102016003302A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden wenigstens bereichsweise übereinander angeordneter Werkstücke (1, 2) mit unterschiedlichen Schmelz-, Siede- und/oder Zersetzungstemperaturen oder temperaturempfindlicher Werkstücke (1, 2), wobei wenigstens ein Werkstück ein heißrissempfindliches Werkstück ist, mittels wenigstens einer Laserstrahlung (3) mindestens eines Lasers, mit den folgenden Schritten:- Erzeugung wenigstens einer das erste Werkstück (1) durchbrechenden Vertiefung (4) durch vollständigem Abtrag aus der Festphase im zur Laserstrahlung (3) weisenden erstem temperaturempfindlichen oder heißrissempfindlichen Werkstück (1) und- Aufschmelzen des unter dem ersten Werkstück (1) angeordneten zweiten Werkstücks (2) aus einem gegenüber dem Material des ersten Werkstücks (1) temperaturunempfindlicheren Material durch Verminderung der Intensität mit zunehmenden Abstand vom Laserfokus und der partiellen Streuung und Absorption im Bereich der das erste Werkstück durchbrechenden Vertiefung (4), wobei durch ein gezielt erzeugtes partielles Sieden des schmelzflüssigen Materials des zweiten Werkstücks (2) gepaart mit einer definierten Scangeschwindigkeit des Lasers die Schmelze entgegen der Vorschubrichtung in die darüberliegende Vertiefung (4) getrieben wird, das erste Werkstück (1) in der Vertiefung (4) benetzt wird, die Schmelze bei Kontakt mit der Wandung der Vertiefung (4) erstarrt, so dass ein oberflächlich angeschmolzenes und mit der erstarrten Schmelze verzahntes Wandungsmaterial vorhanden ist und sich eine feste und/oder dichte Fügeverbindung (7) ausbildet.Method for joining workpieces (1, 2) arranged at least in regions one above the other, having different melting, boiling and/or decomposition temperatures or temperature-sensitive workpieces (1, 2), wherein at least one workpiece is a hot-crack-sensitive workpiece, by means of at least one laser radiation (3) of at least one laser, comprising the following steps: - producing at least one depression (4) breaking through the first workpiece (1) by complete removal from the solid phase in the first temperature-sensitive or hot-crack-sensitive workpiece (1) facing the laser radiation (3), and - melting the second workpiece (2) arranged beneath the first workpiece (1) from a material which is less temperature-sensitive than the material of the first workpiece (1) by reducing the intensity with increasing distance from the laser focus and the partial scattering and absorption in the region of the depression (4) breaking through the first workpiece, wherein the melt is produced by a targeted partial boiling of the molten material of the second workpiece (2) coupled with a defined scanning speed of the laser is driven against the feed direction into the overlying depression (4), the first workpiece (1) is wetted in the depression (4), the melt solidifies upon contact with the wall of the depression (4), so that a surface-melted wall material interlocked with the solidified melt is present and a solid and/or tight joint (7) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens bereichsweise übereinander angeordneter Werkstücke mit unterschiedlichen Schmelz-, Siede- und/oder Zersetzungstemperaturen oder temperaturempfindlicher Werkstücke, wobei wenigstens ein Werkstück ein heißrissempfindliches Werkstück ist, mittels wenigstens einer Laserstrahlung mindestens eines Lasers.The invention relates to a method for joining workpieces arranged at least partially one above the other with different melting, boiling and/or decomposition temperatures or temperature-sensitive workpieces, wherein at least one workpiece is a hot crack-sensitive workpiece, by means of at least one laser radiation from at least one laser.

Zum Fügen mit Laserstrahlung sind bereits Verfahren bekannt.Processes for joining with laser radiation are already known.

Zum Schweißen von Werkstücken werden beispielsweise Kohlendioxidlaser verwendet. Dabei erfolgt ein hoher Wärmeeintrag bei großer Einwirkzeit, so dass diese Laser zum Fügen von Werkstücken aus sprödharten oder anderen heißrissempfindlichen Materialien wenig geeignet sind. Nur durch eine zusätzliche thermische Behandlung des Werkstückes kann dieses rissfrei geschweißt werden.Carbon dioxide lasers, for example, are used to weld workpieces. These lasers generate high heat input with long exposure times, making them unsuitable for joining workpieces made of brittle, hard materials or other materials susceptible to hot cracking. Only with additional thermal treatment of the workpiece can it be welded crack-free.

Aus der Druckschrift DE 197 51 195 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Laserstrahlung bekannt, welches insbesondere zum Tiefschweißen von verschiedensten Werkstoffen geeignet ist. Dazu wird ein mindestens ein Laserstrahl verwendet, der durch geeignete Strahlformung gleichzeitig zwei Bereiche verschiedener Intensität aufweist. Der Bereich höherer Intensität wird zum Aufschmelzen und der mit geringerer Intensität zur Vergrößerung des aufgeschmolzenen Bereichs verwendet. Die Bestrahlung der Werkstücke mit geringerer Intensität führt weiterhin zu verkleinerten Temperaturgradienten und damit zu einer verringerten Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze. Wärmespannungen und eine daraus resultierende Rissbildung sind nicht auszuschließen.From the printed publication DE 197 51 195 C1 A method and device for welding using laser radiation is known, which is particularly suitable for deep penetration welding of a wide variety of materials. For this purpose, at least one laser beam is used, which, through suitable beam shaping, simultaneously has two areas of different intensity. The higher intensity area is used for melting, and the lower intensity area is used to enlarge the molten area. Irradiating the workpieces with lower intensity also leads to reduced temperature gradients and thus to a reduced cooling rate of the melt. Thermal stresses and the resulting cracking cannot be ruled out.

Durch die Druckschrift DE 10 2009 051 336 A1 ist eine Einrichtung und eine Verwendung brillanter Laserstrahlung zum Schweißen, zum Verglasen oder sowohl zum Schweißen als auch zum Verglasen von Werkstücken aus sprödharten oder anderen heißrissempfindlichen Materialien bekannt. Dazu wird als Laser ein brillanter Faser- oder Scheibenlaser mit einer Leistung größer 50 W verwendet, wobei die Laserstrahlung des Lasers eine Wellenlänge im Bereich gleich/größer 0,5 µm und kleiner/gleich 2 µm besitzt. Weiterhin ist die Optik oder der Scanner mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass die Laserstrahlung mit einem Fokus kleiner 75 µm und mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min bis 300 m/min über die Bearbeitungsstelle zum rissfreien Schweißen, Verglasen oder Schweißen sowie Verglasen bewegt wird, wobei keine thermische Nachbehandlung notwendig ist. Ein spezielles Verfahren zum Verbinden von Werkstücken mit unterschiedlichen Schmelz-, Siede- und/oder Zersetzungstemperaturen, temperaturempfindlichen Werkstücken oder Werkstücken, wobei wenigstens ein Werkstück ein heißrissempfindliches Werkstück ist, ist nicht offenbart.Through the printed matter DE 10 2009 051 336 A1 A device and use of brilliant laser radiation for welding, vitrification, or both welding and vitrification of workpieces made of brittle, hard or other materials susceptible to hot cracking is known. For this purpose, a brilliant fiber or disk laser with a power greater than 50 W is used as the laser, wherein the laser radiation of the laser has a wavelength in the range equal to/greater than 0.5 µm and less than/equal to 2 µm. Furthermore, the optics or the scanner are connected to a control device such that the laser radiation is moved with a focus of less than 75 µm and at a speed of 10 m/min to 300 m/min over the processing point for crack-free welding, vitrification, or welding and vitrification, wherein no thermal post-treatment is necessary. A specific method for joining workpieces with different melting, boiling, and/or decomposition temperatures, temperature-sensitive workpieces, or workpieces wherein at least one workpiece is a workpiece susceptible to hot cracking, is not disclosed.

Durch die Druckschrift EP 0 628 376 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden eines Metallelements und eines Halbleiterelements bekannt, wobei das Metallelement ein Loch besitzt. Benachbart zum Loch des Metallelements wird ein Halbleiterelement positioniert. Durch Zuführen einer gesteuerten Wärmemenge schmilzt eine Menge des Halbleitermaterials, welches in das Loch fließt und mit dem Metallmaterial reagiert. Das Bilden des Lochs im Metallelement und die Zuführung der gesteuerten Wärmemenge kann mit einem einzigen Laserstrahl erfolgen.Through the printed matter EP 0 628 376 A1 A method for joining a metal element and a semiconductor element is known, wherein the metal element has a hole. A semiconductor element is positioned adjacent to the hole in the metal element. By applying a controlled amount of heat, a quantity of the semiconductor material melts, flows into the hole, and reacts with the metal material. The formation of the hole in the metal element and the application of the controlled amount of heat can be accomplished with a single laser beam.

Die Druckschrift JP 2007 - 287 991 A beinhaltet ein Verfahren zur Halbleiterherstellung mit einer Verbindung eines Metallelements mit einem Halbleiterelement, wobei das Halbleitermaterial aufgeschmolzen wird.The printed matter JP 2007 - 287 991 A includes a method for semiconductor production comprising connecting a metal element to a semiconductor element, wherein the semiconductor material is melted.

Durch die Druckschrift JP H08- 332 582 A ist ein Laserschweißverfahren bekannt, wobei beispielsweise Teile aus Kupfer und Aluminium miteinander verbunden werden.Through the printed matter JP H08-332 582 A A laser welding process is known in which, for example, parts made of copper and aluminum are joined together.

Die Druckschrift JP S57- 91 895 A offenbart ein Schweißverfahren mit einem Laserstrahl, wobei zur Verbindung zweier Werkstücke ein Zusatzmaterial in einer Öffnung eines der Werkstücke verwendet wird. Mit dem Zusatzwerkstoff wird die Energiedichte des Laserstrahls reduziert wird.The printed matter JP S57-91 895 A discloses a welding method using a laser beam, wherein a filler material is used to join two workpieces in an opening of one of the workpieces. The filler material reduces the energy density of the laser beam.

Die Druckschrift DE 10 2013 109 588 A1 beinhaltet ein Aufschmelz-Verbindungsverfahren zweier Werkstücke, wobei einer der Werkstückbereiche zonal aufgeschmolzen wird, das entsprechende, aufgeschmolzene Material um den anderen Werkstückbereich herumfließt und ihn so durch Formschluss festhält.The printed matter DE 10 2013 109 588 A1 involves a melting joining process of two workpieces, whereby one of the workpiece areas is melted zonally, the corresponding melted material flows around the other workpiece area and thus holds it in place by form closure.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke verschiedener Materialien mittels Laserstrahlung einfach zu verbinden.The invention defined in claim 1 is based on the object of simply joining workpieces of different materials by means of laser radiation.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved by the features listed in patent claim 1.

Das Verfahren zum Verbinden wenigstens bereichsweise übereinander angeordneter Werkstücke mit unterschiedlichen Schmelz-, Siede- und/oder Zersetzungstemperaturen oder temperaturempfindlicher Werkstücke, wobei wenigstens ein Werkstück ein heißrissempfindliches Werkstück ist, mittels wenigstens einer Laserstrahlung mindestens eines Lasers zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Werkstücke einfach miteinander verbindbar und damit verbunden sind.The method for joining workpieces arranged at least partially one above the other with different melting, boiling and/or decomposition temperatures or temperature-sensitive workpieces, wherein at least one workpiece is a hot crack-sensitive workpiece, by means of at least one laser radiation of at least one laser is characterized in particular by the fact that the workpieces can be easily connected to one another and are thus connected.

Dazu erfolgen folgende Schritte:

- Erzeugung wenigstens einer das erste Werkstück durchbrechenden Vertiefung durch vollständigem Abtrag aus der Festphase im zur Laserstrahlung weisenden erstem temperaturempfindlichen oder heißrissempfindlichen Werkstück und
-Aufschmelzen des unter dem ersten Werkstück angeordneten zweiten Werkstücks aus einem gegenüber dem Material des ersten Werkstücks temperaturunempfindlicheren Material durch Verminderung der Intensität mit zunehmenden Abstand vom Laserfokus und der partiellen Streuung und Absorption im Bereich der das erste Werkstück durchbrechenden Vertiefung, wobei durch ein gezielt erzeugtes partielles Sieden des schmelzflüssigen Materials des zweiten Werkstücks gepaart mit einer definierten Scangeschwindigkeit des Lasers die Schmelze entgegen der Vorschubrichtung in die darüberliegende Vertiefung getrieben wird, das erste Werkstück in der Vertiefung benetzt wird, die Schmelze bei Kontakt mit der Wandung der Vertiefung erstarrt, so dass ein oberflächlich angeschmolzenes und mit der erstarrten Schmelze verzahntes Wandungsmaterial vorhanden ist und sich eine feste und/oder dichte Fügeverbindung ausbildet.

The following steps are taken:

- producing at least one depression breaking through the first workpiece by complete removal from the solid phase in the first temperature-sensitive or hot-crack-sensitive workpiece facing the laser radiation and
-Melting of the second workpiece arranged beneath the first workpiece, made of a material which is less sensitive to temperature than the material of the first workpiece, by reducing the intensity with increasing distance from the laser focus and the partial scattering and absorption in the region of the depression which breaks through the first workpiece, whereby a targeted partial boiling of the molten material of the second workpiece, coupled with a defined scanning speed of the laser, drives the melt against the feed direction into the depression above, the first workpiece is wetted in the depression, the melt solidifies upon contact with the wall of the depression, so that a wall material which is melted on the surface and interlocked with the solidified melt is present and a solid and/or tight joint is formed.

Entgegen den bekannten Laserschweißverfahren als Wärmeleitschweißen oder Tiefschweißen wird bei diesem Verbinden nicht versucht in beiden Fügepartnern eine schmelzflüssige Phase zu etablieren, da dies beispielsweise bei heißrissempfindlichen Materialien unweigerlich zum Bruch des temperaturempfindlichen Fügepartners infolge thermischer Spannungen oder Volumenänderungen bei Festphasenübergängen verschiedener Modifikationen des Grundwerkstoffes führt. Vielmehr liegt hier zu Grunde, den temperaturempfindlichen Fügepartner mittels geeigneter Laserparameter mit möglichst geringer thermischer Belastung aus der Festphase abzutragen und bis zum darunterliegenden temperaturunempfindlicheren Material entlang einer definierten Struktur/Geometrie vollständig zu entfernen. Beim nachfolgenden Eintritt von Laserstrahlung in das unterliegende Material wird lediglich dieses infolge der Verminderung der Intensität mit zunehmenden Abstand vom Laserfokus und der partiellen Streuung und Absorption im Bereich der das erste Werkstück durchbrechenden Vertiefung aufgeschmolzen. Ein gezielt erzeugtes partielles Sieden des schmelzflüssigen Untergrundmaterials gepaart mit einer definierten Scangeschwindigkeit des Lasers treibt die Schmelze entgegen der Vorschubrichtung in die darüberliegende Vertiefung und benetzt das erste Werkstück in der Vertiefung. Die Schmelze erstarrt bei Kontakt mit der Wandung der Vertiefung. Das führt zu einem oberflächlich angeschmolzenen und mit der erstarrten Schmelze verzahnten Wandungsmaterial und/oder einer Ausbildung einer Oberflächenlegierung und/oder Übergangsphase der Materialien der Werkstücke. Es bildet sich eine dichte und/oder belastbare Verbindung zwischen den Werkstücken ohne Spannungsrisse aus.In contrast to known laser welding processes such as thermal conduction welding or deep penetration welding, this type of joining does not attempt to establish a molten phase in both joining partners, as this would inevitably lead to fracture of the temperature-sensitive joining partner, for example in the case of materials susceptible to hot cracking, due to thermal stresses or volume changes during solid phase transitions of various modifications of the base material. Rather, the principle here is to ablate the temperature-sensitive joining partner from the solid phase using suitable laser parameters with the lowest possible thermal stress and to completely remove it down to the underlying, less temperature-sensitive material along a defined structure/geometry. When laser radiation subsequently penetrates the underlying material, only the underlying material is melted due to the reduction in intensity with increasing distance from the laser focus and the partial scattering and absorption in the area of the depression penetrating the first workpiece. A targeted partial boiling of the molten substrate material, coupled with a defined laser scanning speed, drives the melt against the feed direction into the cavity above and wets the first workpiece in the cavity. The melt solidifies upon contact with the cavity wall. This leads to a surface melted wall material that interlocks with the solidified melt and/or the formation of a surface alloy and/or transition phase of the workpiece materials. A tight and/or resilient connection is formed between the workpieces without stress cracks.

Damit eignet sich das Verfahren beispielsweise zum Fügen von Werkstücken aus schwerfügbaren Materialien, wie das zum Beispiel Metall und Keramik sind, oder zum Fügen zweier gleichartiger Materialien, wobei ein Fügepartner temperaturempfindlich ist. So können keramische Sensoren, beispielsweise Drucksensoren für reaktive Atmosphären, mit einer dünnwandigen und leichtbrüchigen Abdeckung mit einem Grundkörper aus massiver Keramik gefügt werden.This makes the process suitable, for example, for joining workpieces made of difficult-to-join materials, such as metal and ceramic, or for joining two similar materials where one of the joining partners is temperature-sensitive. This allows ceramic sensors, such as pressure sensors for reactive atmospheres, to be joined with a thin-walled and easily brittle cover to a solid ceramic base body.

Bei der Verbindung weist dazu das erste Werkstück wenigstens eine durch Abtrag mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers hervorgerufene und das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung auf. Weiterhin befindet sich in der Vertiefung erstarrte Schmelze des zweiten Werkstücks, wobei das durch Beaufschlagen des zweiten Werkstücks im Bereich der Vertiefung mit Laserstrahlung des Lasers oder eines weiteren Lasers hervorgerufene Schmelze ist, so dass die Verbindung durch Verzahnung der Werkstücke und/oder durch Ausbildung einer Oberflächenlegierung aus den Materialien der Werkstücke und/oder durch Ausbildung einer Übergangsphase aus den Materialien der Werkstücke in der Vertiefung ausgebildet ist.For this purpose, the first workpiece has at least one recess in the first workpiece, which is caused by ablation using laser radiation from at least one laser and penetrates the first workpiece. Furthermore, solidified melt from the second workpiece is located in the recess, wherein the melt is caused by exposing the second workpiece in the region of the recess to laser radiation from the laser or another laser, so that the connection is formed by interlocking the workpieces and/or by forming a surface alloy from the materials of the workpieces and/or by forming a transition phase from the materials of the workpieces in the recess.

Das erste Werkstück und das zweite Werkstück bilden dabei vorzugsweise eine Überlappfügeverbindung aus.The first workpiece and the second workpiece preferably form an overlap joint.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2 to 12.

Der zweite Schritt kann nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 unmittelbar nach dem ersten Schritt oder zeitlich nach dem ersten Schritt erfolgen. Das Aufschmelzen des zweiten Werkstücks kann damit unmittelbar nach dem Abtrag des ersten Werkstücks oder zeitlich nach dem Abtrag erfolgen.According to the embodiment of patent claim 2, the second step can take place immediately after the first step or after the first step. The melting of the second workpiece can thus take place immediately after the removal of the first workpiece or after the removal.

Zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein Mittel zur Verbesserung der Benetzung in die das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung eingebracht. Damit kann insbesondere die Oberflächenspannung der Schmelze verringert werden, so dass die Fließfähigkeit der Schmelze vergrößert wird.Between the first step and the second step, according to the embodiment of claim 3, a means for improving wetting is introduced into the recess breaking through the first workpiece. This can in particular the surface tension of the melt is reduced, so that the flowability of the melt is increased.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 wird die Laserstrahlung eines Lasers zur Ausbildung der Vertiefung als Durchbruch des ersten Werkstücks und zum darauffolgenden Aufschmelzen des zweiten Werkstücks im Durchbruch verwendet.According to the development of patent claim 4, the laser radiation of a laser is used to form the recess as an opening in the first workpiece and to subsequently melt the second workpiece in the opening.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 werden die Laserstrahlung eines ersten Lasers zur Ausbildung der Vertiefung als Durchbruch des ersten Werkstücks und die Laserstrahlung eines zweiten Lasers zum Aufschmelzen des zweiten Werkstücks im Durchbruch verwendet.According to the development of patent claim 5, the laser radiation of a first laser is used to form the recess as an opening in the first workpiece and the laser radiation of a second laser is used to melt the second workpiece in the opening.

Im ersten Werkstück wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein Graben oder Loch als das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung erzeugt, so dass eine linienförmige oder punktuelle Fügeverbindung vorhanden ist.According to the embodiment of patent claim 6, a trench or hole is created in the first workpiece as a depression breaking through the first workpiece, so that a linear or punctiform joining connection is present.

Mehrere beabstandet zueinander angeordnete Fügeverbindungen werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 erzeugt. Die Werkstücke werden mit einer Folge von linienförmigen und/oder punktuellen Fügeverbindungen miteinander verbunden.Several joints arranged at a distance from one another are produced according to the embodiment of patent claim 7. The workpieces are connected to one another with a sequence of linear and/or point-like joints.

Mehrere beabstandet zueinander angeordnete erste Fügeverbindungen werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 erzeugt. Weiterhin wird zwischen den ersten Fügeverbindungen jeweils mindestens eine zweite Fügeverbindung so hergestellt, dass sich die ersten Fügeverbindungen und die weiteren Fügeverbindungen bereichsweise überlappen. Es entsteht eine linienförmige dichte Fügeverbindung.According to the embodiment of claim 8, a plurality of first joints arranged at a distance from one another are produced. Furthermore, at least one second joint is produced between each of the first joints such that the first joints and the further joints overlap in some areas. This creates a linear, tight joint.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 werden mindestens eine Fügeverbindung mit einer sinusförmigen, rechteckförmigen, dreieckförmigen oder sägezahnförmigen Form und wenigstens eine linienförmige Fügeverbindung so erzeugt, dass sich die Fügeverbindungen schneiden. Damit wird die Dichtheit der Fügeverbindung erhöht. Stochastisch auftretende Fügefehler werden dadurch in Inseln zwischen den Fügeverbindungen isoliert.According to the embodiment of claim 9, at least one joint with a sinusoidal, rectangular, triangular, or sawtooth shape and at least one linear joint are created such that the joints intersect. This increases the tightness of the joint. Stochastically occurring joint defects are thus isolated in islands between the joints.

Mindestens zwei Fügeverbindungen werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 jeweils mit einer sinusförmigen, rechteckförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen Form oder einer Kombination davon so erzeugt, dass sich die Maxima und die Minima der Schwingungen wenigstens berühren oder sich die Schwingungen schneiden. Damit wird die Dichtheit der Fügeverbindung erhöht. Stochastisch auftretende Fügefehler werden dadurch in Inseln zwischen den Fügeverbindungen isoliert.According to the embodiment of patent claim 10, at least two joints are created, each with a sinusoidal, rectangular, triangular, sawtooth shape, or a combination thereof, such that the maxima and minima of the vibrations at least touch or intersect. This increases the tightness of the joint. Stochastically occurring joint defects are thus isolated in islands between the joints.

Die Intensität der einwirkenden brillanten Laserstrahlung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 nach Durchtritt durch die das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung so klein, dass das Material des zweiten Werkstückes nicht überwiegend abgetragen wird.According to the embodiment of patent claim 11, the intensity of the brilliant laser radiation acting upon it is so small after passing through the recess penetrating the first workpiece that the material of the second workpiece is not predominantly removed.

Die Fluenz oder die Streckenenergie der einwirkenden brillanten Laserstrahlung ist nach Durchtritt durch die das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 so groß, dass das Material des zweiten Werkstücks aufgeschmolzen und in die das erste Werkstück durchbrechende Vertiefung getrieben wird.The fluence or the energy per unit length of the brilliant laser radiation acting is so great after passing through the recess penetrating the first workpiece according to the embodiment of patent claim 12 that the material of the second workpiece is melted and driven into the recess penetrating the first workpiece.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in principle in the drawings and is described in more detail below.

Es zeigen:

1 zwei sich durch das Einwirken von Laserstrahlung miteinander verbindende Werkstücke,
2 eine Fügeverbindung mit der Form einer sinusförmigen Schwingung und eine linienförmige Fügeverbindung und
3 zwei Fügeverbindungen jeweils mit der Form einer sinusförmigen Schwingung.

They show:

1 two workpieces joined together by the action of laser radiation,
2 a joint with the shape of a sinusoidal oscillation and a line-shaped joint and
3 two joints each with the shape of a sinusoidal oscillation.

Bei einem Verfahren zum Verbinden wenigstens bereichsweise übereinander angeordneter Werkstücke 1, 2 mit unterschiedlichen Schmelz-, Siede- und/oder Zersetzungstemperaturen oder temperaturempfindlicher Werkstücke 1, 2, wobei wenigstens ein Werkstück ein heißrissempfindliches Werkstück ist, mittels wenigstens einer Laserstrahlung 3 mindestens eines Lasers wird in einem ersten Schritt durch Abtrag im zur Laserstrahlung 3 weisenden erstem Werkstück 1 wenigstens eine das erste Werkstück 1 durchbrechende Vertiefung 4 erzeugt und in einem zweiten Schritt das unter dem ersten Werkstück 1 angeordnete zweite Werkstück 2 im Bereich der Vertiefung 4 aufgeschmolzen. Die Verbindung basiert damit auf einem Schneidschweißverfahren.In a method for joining workpieces 1, 2 arranged at least partially one above the other and having different melting, boiling and/or decomposition temperatures or temperature-sensitive workpieces 1, 2, wherein at least one workpiece is a workpiece susceptible to hot cracking, by means of at least one laser radiation 3 from at least one laser, in a first step at least one depression 4 breaking through the first workpiece 1 is created by ablation in the first workpiece 1 facing the laser radiation 3 and in a second step the second workpiece 2 arranged below the first workpiece 1 is melted in the region of the depression 4. The connection is therefore based on a cutting and welding process.

Die 1 zeigt zwei sich durch das Einwirken von Laserstrahlung 3 miteinander verbindende Werkstücke 1, 2 in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows two workpieces 1, 2 joined together by the action of laser radiation 3 in a schematic representation.

Entgegen bekannter Laserschweißverfahren als Wärmeleitschweißen oder Tiefschweißen wird beim Schneidschweißen nicht versucht in beiden Fügepartnern eine schmelzflüssige Phase zu etablieren. Das würde zum Beispiel bei einer Verbindung von sehr dünnwandiger Funktionskeramik mit keramischen Gehäuseteilen zum Bruch des temperaturempfindlichen Fügepartners infolge thermischer Spannungen oder Volumenänderungen bei Festphasenübergängen verschiedener Modifikationen des Grundwerkstoffes führen. Bei einem artungleichen Fügen von Metall und Keramik, bei welchem sich bedingt durch die stark unterschiedlichen Schmelz- und Siede- oder Zersetzungstemperaturen häufig keine Mischphase an schmelzflüssigem Material beider Fügepartner erzielen lässt, existiert keine gemeinsame Schmelzphase.In contrast to known laser welding processes such as thermal conduction welding or deep penetration welding, cutting welding does not attempt to establish a molten phase in both joining partners. This would, for example, lead to fracture of the temperature-dependent sensitive joining partner due to thermal stresses or volume changes during solid-phase transitions of various modifications of the base material. In dissimilar joining of metal and ceramic, where a mixed phase of molten material of both joining partners cannot be achieved due to the greatly differing melting, boiling, or decomposition temperatures, no common melting phase exists.

Vielmehr liegt dem Verfahren zu Grunde, den temperaturempfindlichen Fügepartner mittels geeigneter Laserparameter als kurze Wechselwirkungszeiten bei hochintensiven Pulsen mit möglichst geringer thermischer Belastung aus der Festphase zu ablatieren und bis zum darunterliegenden zweiten Werkstück 2 aus einem temperaturunempfindlicheren Material entlang eine definierten Struktur/Geometrie vollständig zu entfernen. Beim nachfolgenden Eintritt der Laserstrahlung 3 in das unterliegende und temperaturempfindlichere Material des zweiten Werkstücks 2 wird lediglich dieses infolge der Verminderung der Intensität mit zunehmenden Abstand vom Laserfokus, welcher sich in einem geeigneten Abstand zu den Fügepartnern befindet, und der partiellen Streuung im unterliegenden Material und in der primär das obenliegende erste Werkstück 1 durchbrechende Vertiefung 4 aufgeschmolzen. Der Abstand kann sich durch die Dicke des ersten Werkstücks 1 ergeben. Ein gezielt partielles Sieden mit Entstehen eines Dampfes 6 des schmelzflüssigen Untergrundmaterials gepaart mit einer definierten Scangeschwindigkeit des Lasers treibt die Schmelze 5 entgegen der Vorschubrichtung in die darüberliegende Vertiefung und benetzt diese. Die Schmelze 5 erstarrt bei Kontakt mit der Wandung der Vertiefung 4. Das führt zu einem mechanisch verzahnten oder oberflächlich angeschmolzenen und mit der erstarrten Schmelze 5 verzahnten Wandungsmaterial und somit zu einer dichten und belastbaren Verbindung zwischen den Werkstücken 1, 2 ohne Spannungsrisse.Rather, the method is based on ablating the temperature-sensitive joining partner from the solid phase using suitable laser parameters such as short interaction times with high-intensity pulses with the lowest possible thermal stress and completely removing it along a defined structure/geometry down to the underlying second workpiece 2 made of a less temperature-sensitive material. When the laser radiation 3 subsequently enters the underlying and more temperature-sensitive material of the second workpiece 2, only the latter is melted as a result of the reduction in intensity with increasing distance from the laser focus, which is located at a suitable distance from the joining partners, and the partial scattering in the underlying material and in the depression 4 that primarily breaks through the upper first workpiece 1. The distance can be determined by the thickness of the first workpiece 1. Targeted partial boiling with the formation of a vapor 6 of the molten underlying material, coupled with a defined scanning speed of the laser, drives the melt 5 against the feed direction into the overlying depression and wets it. The melt 5 solidifies upon contact with the wall of the recess 4. This leads to a mechanically interlocked or superficially melted wall material interlocked with the solidified melt 5 and thus to a tight and resilient connection between the workpieces 1, 2 without stress cracks.

In einer ersten Ausführungsform werden so Werkstücke 1, 2 aus Aluminiumoxidkeramik 99% und Aluminiumoxidkeramik 96% miteinander im Überlapp verbunden.In a first embodiment, workpieces 1, 2 made of 99% aluminum oxide ceramic and 96% aluminum oxide ceramic are joined together in an overlap.

Das erste Werkstück 1 aus Aluminiumoxidkeramik 99% ist eine Membran mit einer Dicke von 300 µm, die mit dem zweiten Werkstück 2 als Grundkörper aus Aluminiumoxidkeramik 96% gefügt wird. Die Intensität der einwirkenden brillanten Laserstrahlungspulse ist so hoch und die Pulsdauer so kurz, dass das Material der Membran überwiegend abgetragen wird. Dabei können die Pulsdauer 30 ns und die Intensität 1,5 * 10⁹ W/cm² betragen. Die Intensität ist nach Durchtritt durch die Membran aber wiederum so stark abgeschwächt, dass das Grundmaterial lediglich überwiegend aufgeschmolzen und in den Fügespalt getrieben wird. Die mittlere Leistung des gepulsten Lasers beträgt vorzugsweise 300 W bei einer Scangeschwindigkeit von 3 bis 9 m/min und einem Fokusdurchmesser von 20 µm. Mittels der Laserstrahlung 3 entstehen so feste Fügebereiche, die beabstandet sind. Durch mehrere Bestrahlungen werden die Fügebereiche so aufgefüllt, dass es zur Überlappung kommt. Es entsteht eine durchgehende feste und dichte Fügeverbindung 7.The first workpiece 1, made of 99% aluminum oxide ceramic, is a membrane with a thickness of 300 µm, which is joined to the second workpiece 2, which forms the base body of 96% aluminum oxide ceramic. The intensity of the brilliant laser radiation pulses is so high and the pulse duration so short that the material of the membrane is largely removed. The pulse duration can be 30 ns and the intensity 1.5 * 10 ⁹ W/cm ² . However, after passing through the membrane, the intensity is so greatly reduced that the base material is only largely melted and driven into the joining gap. The average power of the pulsed laser is preferably 300 W at a scanning speed of 3 to 9 m/min and a focus diameter of 20 µm. The laser radiation 3 thus creates solid, spaced-apart joining areas. Through multiple irradiations, the joining areas are filled so that an overlap occurs. This creates a continuous, solid and tight joint 7.

In einer zweiten Ausführungsform werden so Werkstücke 1, 2 aus Aluminiumoxidkeramik 96% und Metall miteinander verbunden. Das erste Werkstück 1 aus Aluminiumoxidkeramik 96% ist eine Membran mit einer Dicke von 300 µm, die mit dem zweiten Werkstück 2 als ein Grundkörper gefügt wird. Der Grundkörper besteht aus Edelstahl. Die Intensität der einwirkenden brillanten Laserstrahlung 3 ist so hoch und die Streckenenergie so niedrig, dass das obenliegende erste Werkstück 1 aus Keramik überwiegend abgetragen wird. Die Intensität ist nach Durchtritt durch die Membran als ersten Körper 1 aber wiederum so niedrig, dass der Grundkörper aus Edelstahl lediglich überwiegend aufgeschmolzen und in den Fügespalt getrieben wird. Die Schmelze benetzt die durchbrechende Vertiefung 4 der Membran und es entsteht eine durchgehende feste und dichte Fügeverbindung 7.In a second embodiment, workpieces 1, 2 made of 96% aluminum oxide ceramic and metal are joined together. The first workpiece 1 made of 96% aluminum oxide ceramic is a membrane with a thickness of 300 µm, which is joined to the second workpiece 2 as a base body. The base body is made of stainless steel. The intensity of the brilliant laser radiation 3 applied is so high and the heat energy so low that the upper first ceramic workpiece 1 is predominantly ablated. However, after passing through the membrane as the first body 1, the intensity is again so low that the stainless steel base body is only predominantly melted and driven into the joining gap. The melt wets the perforated recess 4 of the membrane, creating a continuous, solid and tight joint 7.

Die 2 zeigt eine Fügeverbindung mit der Form einer sinusförmigen Schwingung 7a und eine linienförmige Fügeverbindung 7b in einer prinzipiellen Draufsicht.The 2 shows a joint with the shape of a sinusoidal oscillation 7a and a linear joint 7b in a basic plan view.

In einer weiteren Ausführungsform schneiden sich eine Fügeverbindung 7a mit der Form der sinusförmigen Schwingung und eine linienförmige Fügeverbindung 7b.In a further embodiment, a joint connection 7a with the shape of the sinusoidal oscillation and a line-shaped joint connection 7b intersect.

Die 3 zeigt zwei Fügeverbindungen 7a, 7c jeweils mit der Form einer sinusförmigen Schwingung in einer prinzipiellen Draufsicht.The 3 shows two joints 7a, 7c each with the shape of a sinusoidal oscillation in a basic plan view.

In einer weiteren Ausführungsform berühren sich die Maxima und die Minima sinusförmiger Schwingungen der Fügeverbindungen 7a, 7c. Natürlich können die Fügeverbindungen 7a, 7c auch so ausgebildet werden und damit sein, dass sich die Schwingungen schneiden.In a further embodiment, the maxima and minima of sinusoidal oscillations of the joints 7a, 7c touch each other. Of course, the joints 7a, 7c can also be designed in such a way that the oscillations intersect.

Stochastisch auftretende Fügefehler werden dadurch in Inseln zwischen den Fügeverbindungen 7 isoliert. Die Fügeverbindung 7 weist eine statistisch erhöhte Dichtheit auf.Stochastically occurring joining defects are thus isolated in islands between the joints 7. The joint 7 exhibits a statistically increased tightness.

Claims

Method for joining workpieces arranged at least partially one above the other corners (1, 2) with different melting, boiling and/or decomposition temperatures or temperature-sensitive workpieces (1, 2), wherein at least one workpiece is a hot-crack-sensitive workpiece, by means of at least one laser radiation (3) of at least one laser, comprising the following steps: - producing at least one depression (4) breaking through the first workpiece (1) by complete removal from the solid phase in the first temperature-sensitive or hot-crack-sensitive workpiece (1) facing the laser radiation (3), and - melting the second workpiece (2) arranged below the first workpiece (1) from a material that is less temperature-sensitive than the material of the first workpiece (1) by reducing the intensity with increasing distance from the laser focus and the partial scattering and absorption in the region of the depression (4) breaking through the first workpiece, wherein by means of a specifically generated partial boiling of the molten material of the second workpiece (2) coupled with a defined scanning speed of the laser, the melt is directed counter to the feed direction into the depression above (4) is driven, the first workpiece (1) is wetted in the recess (4), the melt solidifies upon contact with the wall of the recess (4), so that a surface-melted wall material is present which is interlocked with the solidified melt and a solid and/or tight joint (7) is formed.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that the second step takes place immediately after the first step or that the second step takes place after the first step.

Procedure according to the Patent claims 1 and 2 , characterized in that between the first step and the second step, an agent for improving wetting is introduced into the recess (4) breaking through the first workpiece (1).

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that the laser radiation (3) of a laser is used to form the recess as an opening in the first workpiece (1) and for the subsequent melting of the second workpiece (2) in the opening (4).

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that laser radiation (3) of a first laser is used to form the recess (4) as an opening in the first workpiece (1) and laser radiation (3) of a second laser is used to melt the second workpiece (2) in the opening.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that a trench or a hole is created in the first workpiece (1) as a depression (4) breaking through the first workpiece (1), so that a linear or punctiform joining connection (7) is present.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that several joining connections (7) arranged at a distance from one another are produced.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that a plurality of first joining connections arranged at a distance from one another are produced and that between the first joining connections at least one second joining connection is produced in such a way that the first joining connections and the further joining connections overlap in regions and a continuous joining connection (7) is present.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that at least one joining connection (7a) with a sinusoidal, rectangular, triangular or sawtooth shape and at least one linear joining connection (7b) are produced in such a way that the joining connections (7a, 7b) intersect.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that at least two joint connections (7a, 7c) each having a sinusoidal, rectangular, triangular, sawtooth-shaped shape or a combination thereof are produced in such a way that the maxima and the minima of the oscillations at least touch or the oscillations intersect.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that the intensity of the brilliant laser radiation (3) acting after passing through the recess (4) penetrating the first workpiece (1) is so small that the material of the second workpiece (2) is not predominantly removed.

Procedure according to Patent claim 1 , characterized in that the fluence or the energy per unit length of the brilliant laser radiation (3) acting after passing through the depression (4) penetrating the first workpiece (1) is so great that the material of the second workpiece (2) is melted and driven into the depression (4) penetrating the first workpiece (1).