DE10235822A1 - Prozessgas und Verfahren zum Laserstrahlhartlöten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet das Laserstahlhartlöten mit einem Prozessgas, wobei das Prozessgas den Laserstrahl ummantelt. Das Prozessgas strömt dazu vorteilhafterweise aus einer Prozessgasdüse (1) und umgibt den Laserstrahl (2), welcher das Lot (3) an der Lötstelle der zur verfügenden Bauteile (5) verflüssigt. Als Prozessgas eignen sich insbesondere Helium, Argon und/oder Stickstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zum Löten von Aluminium und Aluminiumlegieren sowie zum Fügen von heterogen Verbindungen verwendet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlhartlöten mit einem auf eine Lötstelle oder in die Nähe der Lötstelle fokussierten Laserstrahl, wobei das Lot an der Lötstelle von dem Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Prozessgas sowie die Verwendung eines Prozessgases zum Laserstrahlhartlöten.
• Das Verfahren des Hartlötens mit Lötprozess im Lötofen ist von allen Lötverfahren das am häufigsten benutzte. In jüngerer Zeit kommt auch das Hartlöten mit Lichtbogen beim Fügen von Bauteilen vermehrt zum Einsatz. Auch das Hartlöten mit Laserstrahl findet zunehmend Interesse, obwohl bei der Durchführung von diesem Verfahren noch viele Probleme zu überwinden sind. Während beim Hartlöten im Lötofen das Lot durch die Wärmezufuhr im Ofen aufschmilzt, verflüssigt es sich beim Löten mit Lichtbogen oder Laserstrahl lokal an der Stelle des Energieeintrags. Die lokale Erwärmung hat das Löten mit dem Schweißen gemeinsam.
• Hartlöten und Schweißen weisen auf den ersten Blick viele Ähnlichkeiten miteinander auf, jedoch unterscheiden sich Hartlöten und Schweißen fundamental: Beim Hartlöten wird im Gegensatz zum Schweißen der Grundwerkstoff nicht aufgeschmolzen. Lediglich das als Lot zusätzlich zugegebene Material schmilzt durch die Energieeinbringung. Durch Wechselwirkung des geschmolzenen Lots mit dem Grundwerkstoff entsteht die Verbindung. Die Schmelztemperatur des Lots liegt folglich beim Hartlöten immer unterhalb der Schmelztemperatur der zu fügenden Bauteile; jedoch liegt die Solidustemperatur des Lots beim Hartlöten deutlich über der Verflüssigungstemperatur eines Lots, welches zum Weichlöten benutzt wird. Aufgrund der im Vergleich zum Schweißen niedrigere zum Fügen notwendige Temperatur werden die Bauteile beim Löten geringer beeinflusst als beim Schweißen. Des Weiteren ermöglicht das Löten auch das Fügen von unterschiedlichen Materialien, da beim Löten nur das Lot, nicht jedoch der Grundwerkstoff aufgeschmolzen wird. Dagegen ist das Schweißen von Bauteilen aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitungskoeffizienten und unterschiedlicher Wärmekapazität äußerst problematisch, da diese Eigenschaften beim Aufschmelzen der Werkstoffe eine entscheidende Rolle spielen. Aufgrund der Unterschiede ergeben sich folglich beim Löten und beim Schweißen völlig unterschiedliche Anforderungen an die technische Ausführung.
• Laserstrahlhartlöten und Lichtbogenlöten wiederum unterscheiden sich durch die Energieeinbringung und zeigen eine unterschiedliche Problematik. Beim Lichtbogenlöten wird im Vergleich zum Laserlöten die Energie großflächig eingebracht und der Stabilität des Lichtbogens kommt eine hohe Bedeutung zu. Demgegenüber zeigt das Löten mit einem Laserstrahl als Energiequelle die Vorteile der Lasertechnik. So ist die Energieeinbringung mit dem Laserstrahl örtlich stark begrenzt und das Lot erstarrt nach dem Lötprozess sehr rasch. Dadurch wird der durch das Erwärmen des Bauteils entstehende Verzug minimiert und auch das Fügen von stark wärmeempfindlichen Materialien ist möglich. Laserfertigungsmethoden sind mit hohen Investitionskosten verbunden und werden vor allem zum Automatisieren der Fertigung eingesetzt.
• Beim Lötvorgang wird normalerweise ein Flussmittel eingesetzt, welches in der Regel vor dem Lötprozess als Lötpaste aufgebracht wird. Das Flussmittel wirkt auf die Oberfläche des Bauteils ein, reinigt diese und bereitet die Wechselwirkung mit dem Lot vor. Das Flussmittel beeinflusst somit das Zusammenwirken von Lot und Grundwerkstoff entscheidend. Es zeigen sich Auswirkungen auf die Fließfähigkeit des Lots, auf die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots und auch auf die Fähigkeit des Grundwerkstoffs zur Benetzung. Die Verwendung von Flussmitteln bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich. Flussmittel enthalten giftige und umweltschädliche Substanzen und sind folglich problematisch im Einsatz. Nach dem Lötvorgang vorhandene Flussmittelrückstände müssen aufwendig entfernt werden, da diese nicht nur das Aussehen, sondern auch die Qualität der Lötnaht negativ beeinflussen, da die aggressiven Bestandteile des Flussmittels auf lange Sicht hin Grundwerkstoff und Lotnaht angreifen und so die Anfälligkeit für Korrosion erhöhen.
• Ein besonderes Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen mit Laserstrahlung, welches eine besondere Ausgestaltung für das Flussmittel vorsieht, ist in der DE 100 32 975 angegeben. Dort werden Lotkügelchen, die mit einem Flussmittel, welches die Oxidschicht des Aluminiums reduziert, beschichtet sind, in der Lötnaht fixiert und anschließend mittels eines Laserstrahls zur Bildung der Lotnaht aufgeschmolzen.
• Beim Hartlöten ist, wie beim Löten generell, die Zugabe von Lot eine immanente Notwendigkeit. Für die Zugabe des Lots gibt es verschiedene Möglichkeiten. Das Lot liegt drahtförmig vor und dieser Draht wird mittels einer Drahtvorschubeinrichtung kontinuierlich an die Stelle des Lötprozesses gebracht. Auch die Verwendung von Lotformteilen ist möglich. Dazu wird das zu verlötende Bauteil mit den Lotformteilen bestückt, bevor diese mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen werden und sich die Lotnaht bildet. Weiterhin ist auch die Verwendung von Lotfolien möglich, welche ebenfalls vor dem Lötprozess angebracht werden.
• Trotz der zahlreichen positiven Perspektiven des Laserstrahllötens wird diese Technik bisher wenig eingesetzt, da sich in der Praxis erheblich Probleme ergeben. So weisen die Lotnähte eine Vielzahl von Poren auf, so dass die Qualität leidet und die notwendige Zug- und Druckfestigkeit nicht gegeben ist. Die vorliegenden Probleme sind dabei so gravierend, dass sie den Einsatz des Laserstrahllötens nahezu vollständig verhindern. Ausnahmen bilden Laserstrahllötverfahren, die speziellen Vorgehensweisen angepasst wurden, wie beispielsweise in der genannten DE 100 32 975 , und das Bilden von Lotnähten, welchen keinerlei Erfordernissen an ihre Qualität auferlegt sind. Problematisch ist ferner der Einsatz von Flussmitteln. Auch Vor- und Nacharbeiten sollten möglichst gering sein bzw. entfallen, um einen wirtschaftlichen Einsatz des Laserhartlötens zu ermöglichen.
• Der vorliegende Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Prozessgas anzugeben, welche ein qualitativ hochwertiges Laserstrahlhartlöten ermöglichen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Laserstrahl von einem auf die Lötstelle gerichteten Prozessgasstrom ummantelt wird. Umgibt der Prozessgasstrom den Laserstrahl direkt und gleichmäßig von allen Seiten, ist eine gezielte Beeinflussung des Verflüssigungsvorgangs des Lots möglich. Des Weiteren wird die Oberfläche des Grundwerkstoffs gezielt an der Lötstelle beeinflusst. Da der Prozessgasstrom die Lötstelle umfasst, ist diese vor der Umgebung geschützt. Ein wesentlicher Nachteil der Umgebungsluft ist neben den aggressiven Bestandteilen die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit, da diese die Bildung von qualitätsmindernden Poren begünstigt. Wichtig ist deshalb, dass das Prozessgas entsprechend frei von Verunreinigungen ist. Auch zeigen sich vorteilhaften Wechselwirkungen von Prozessgases und Lot beziehungsweise Grundwerkstoff. Der Prozessgasstrom erhöht die Fließfähigkeit des Lots und die Benetzbarkeit des Grundwerkstoffs. Das gleichmäßige und zügige Verlaufen des Lots in den zu fügenden Spalt ist entscheidend für das Entstehen einer porenfreien Lotnaht. Da das Lot nur unter der Einwirkung des Laserstrahls flüssig ist, ist es wichtig, dass auch das Prozessgas an der Lötstelle wirkt. Von entscheidender Bedeutung ist weiterhin, dass der Laserstrahl in der Oberfläche des Grundwerkstoffs kleine Risse verursacht, in welche das flüssige Lot eindringt. Durch die kleinen Risse wird die Verklammerung der Lotnaht deutlich erhöht und auch die Diffusionsprozesse, welche für die stoffschlüssige Verbindung sorgen, werden dadurch unterstützt. Die beschriebenen Vorgänge werden von dem Prozessgasstrom des erfindungsgemäßen Verfahrens äußert wirksam unterstützt.
• Mit besonderen Vorteilen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren flussmittelfrei gelötet. Dies ist möglich, da die Aufgaben des Flussmittels vollständig von dem Prozessgasstrom übernommen werden. Durch Einwirken auf die Benetzbarkeit des Grundwerkstoffs und die Oberflächenspannung des Lots beeinflusst das Flussmittel das Verlaufen des Lots auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs. Diese Eigenschaft wird nun erfindungsgemäß durch den den Laserstahl ummantelnden Prozessgasstrom erfüllt. Möglich wird dies durch die Tatsache, dass der Prozessgasstrom zusammen mit dem Laser auf Lot und Grundwerkstoff gerichtet wird. Auch die Zusammensetzung des Prozessgases spielt dabei eine Rolle. Wenn flussmittelfrei hartgelötet wird, entfällt das arbeitsintensive Nacharbeiten der Lotnaht zum Entfernen von Flussmittelresten. Weiterhin ist es von Vorteil, das diese umweltschädlichen und giftigen Substanzen nicht mehr verwendet werden müssen. Auch nachträgliche Veränderungen der Lötverbindung aufgrund des Einwirken des Flussmittels auf Lot und/oder Grundwerkstoff entfallen.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird dass der Lötstelle drahtförmiges Lot zugeführt wird. Drahtförmiges Lot wird direkt und kontinuierlich in die Lotstelle geführt. Diese geschieht gleichzeitig zum Löten; ein dem Lötprozess vorgelagerter Arbeitsschritt zum Aufbringen des Lots entfällt daher. Aufgrund der kontinuierlichen Lotzugabe eignet sich drahtförmiges Lot besonders zum automatisierten Laserstrahlhartlöten. Dies ist deshalb von Bedeutung, da Laseranlagen aufgrund ihrer hohen Investitionskosten v.a. bei automatisierten Fertigungen eingesetzt werden.
• Mit besonderem Vorteil enthält der Prozessgasstrom Argon, Helium und/oder Stickstoff. Argon schützt die Lötstelle vor schädlichen Einflüssen aus der Umgebung und wirkt auf die Benetzbarkeit der Oberfläche des Grundwerkstoffs ein und unterstützt das Verlaufen des Lots. Helium unterstützt ebenfalls das Verlaufen des Lots und konzentriert dabei aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit den Wärmeintrag in die Lötstelle, so dass das Lot sehr rasch schmilzt. Stickstoff schützt die Lötstelle und unterstützt die Rissbildung durch den Laserstrahl. Neben den reinen Gasen und den binären Mischungen zeigt auch die ternäre Mischung die Vorteile der Erfindung. Auch mit anderen Gasen, wie beispielsweise mit Kohlendioxid, stellen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ein.
• Vorteilhafterweise ist im Prozessgasstrom entweder Helium und Argon oder Helium und Stickstoff enthalten. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere, wenn binäre Gasmischungen verwendet werden, welche Helium enthalten.
• Der Prozessgasstrom enthält dabei vorteilhafterweise 1 Vol.-% bis 60 Vol.-% Helium, vorzugsweise 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% Helium, besonders bevorzugt 10 Vol.-% bis 20 Vol.-% Helium.
• Die Aufgabe wird hinsichtlich des Prozessgases dadurch gelöst, dass das Prozessgas Argon, Helium und/oder Stickstoff enthält. Diese Gase und Gasmischungen zeigen die genannten Vorteile.
• Mit besonderen Vorteilen enthält das Prozessgas entweder Helium und Argon oder Helium und Stickstoff.
• Das Prozessgas enthält vorteilhafterweise 1 Vol.-% bis 60 Vol.-% Helium, vorzugsweise 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% Helium, besonders bevorzugt 10 Vol.-% bis 20 Vol.-% Helium.
• Das erfindungsgemäße Prozessgas eignet sich mit besonderen Vorteilen zum Fügen von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Prozessgas auch für beschichtete Werkstoffe, insbesondere für verzinkte Stähle.
• Aber auch beim Fügen von heterogen Werkstoffverbindungen zeigt das erfindungsgemäße Prozessgas seine Vorteile. Die gefügten Hartlotverbindungen zeigen trotz der unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten und verschiedene Wärmekapazitäten eine hervorragende Qualität. So wird mit dem erfindungsgemäßen Prozessgas insbesondere das Fügen von Aluminium mit Aluminiumlegierungen und von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen miteinander ermöglicht.
• Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 das Verfahren zum Laserstrahlhartlöten mit einem mittels einer Düse auf die Bauteile gerichteten Prozessgasstrom und
• 2 das Verfahren mit drahtförmiger Lotzugabe.
• 1 und 2 umfassen eine Prozessgasdüse 1, einen Laserstrahl 2, einen Lotdraht 3, eine Lotnaht 4 und zu verlötende Bauteile 5. Des Weiteren zeigt 2 eine Drahtlenkeinrichtung 6 und eine Drahtvorschubeinrichtung 7.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird eine Fuge mit dem Laserstahl hartgelötet. Dazu sind die Bauteile 5 so angeordnet, dass sich eine V-förmige Fuge ergibt. Der Laserstahl 2 wird auf die Oberseite der Bauteil fokussiert und verflüssigt das drahtförmig zugegebene Lot 3. Sollte der Brennfleck zu klein oder die Energiedichte im Brennfleck zu hoch sein, muss ein defokussierter Laserstrahl verwendet werden. Der Fokus des Lasers liegt dann vorzugsweise oberhalb des Bauteils. Das Lot 3 verflüssigt sich an der Lötstelle durch die Energie des Laserstahls 2. Hinter der Lötstelle erstarrt das Lot und die Lotnaht 4 bildet sich aus. Vorteilhafterweise wird das Lot in einem Winkel von 15° bis 45° dem Lötprozess zugeführt. Der Prozessgasstrom wird mittels der Prozessgasdüse 1 auf die Lötstelle gelenkt. Der Prozessgasstrom ummantelt dabei den Laserstrahl. Als Quelle für den Laserstrahl dient vorzugsweise ein Diodenlaser, aber auch ein Festkörperlaser (beispielsweise ein Nd:YAG Laser) oder ein CO₂-Laser wird eingesetzt. Die Einkopplung des Laserstrahls in die Prozessgasdüse wird durch den Lasertyp bestimmt. Bei Verwendung eines Diodenlasers wird dieser vorzugsweise direkt mit der Prozessgasdüse verbunden sein. Wird hingegen eine Glasfaser für den Transport der Laserstrahlung in die Prozessgasdüse verwendet, endet die Faser vorteilhafterweise in oder nahe an der Prozessgasdüse. Die Prozessgasdüse 1 sorgt für das Strömen des Prozessgases an die Lötstelle. Als Prozessgas wird mit besonderem Vorteil eine Mischung aus 90 Vol.-% Stickstoff und 10 Vol.-% Helium verwendet. Die Komponenten des Prozessgases werden vorzugsweise als Gasmischung in die Prozessgasdüse geführt. Es ist jedoch auch möglich, die Komponenten in der Prozessgasdüse zu verwirbeln. Die Lotnähte sind frei von Spritzern und Unregelmäßigkeiten, so dass ein Nacharbeiten nicht notwendig ist.
• 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Verwendung von drahtförmigen Lot. Der Lotdraht 3 wird von der Drahtvorschubeinrichtung 7 kontinuierlich gefördert und von der Drahtlenkeinrichtung 6 an die Bearbeitungsstelle geführt. Dort schmilzt der Lotdraht 3 im Laserstrahl 2 und bildet nach Erstarrung die Lotnaht 4. Das Prozessgas wird mit der Prozessgasdüse 1 an die Lötstelle geführt und wechselwirkt dort mit dem geschmolzenen Lot und dem Grundwerkstoff. Die Bauteile 5 bestehen in einer Ausgestaltung aus unterschiedlichen Materialien. Die Lotnaht 4 entsteht so beispielsweise zwischen einem Aluminium- und einem Stahlbauteil. Als Prozessgas wird vorteilhafterweise eine Mischung aus 15 Vol.-% Helium und 85 Vol.-% Argon verwendet.

Claims (11)

1. Verfahren zum Laserstrahlhartlöten mit einem auf eine Lötstelle oder in die Nähe der Lötstelle fokussierten Laserstrahl, wobei das Lot an der Lötstelle von dem Laserstrahl aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl von einem auf die Lötstelle gerichteten Prozessgasstrom ummantelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass flussmittelfrei gelötet wird.
3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötstelle drahtförmiges Lot zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom Argon, Helium und/oder Stickstoff enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom Helium und Argon/Stickstoff enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom 1 Vol.-% bis 60 Vol.-% Helium, vorzugsweise 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% Helium, besonders bevorzugt 10 Vol.-% bis 20 Vol.-% Helium enthält.
7. Prozessgas zum Laserstrahlhartlöten dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas Argon, Helium und/oder Stickstoff enthält.
8. Prozessgas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas Helium und Argon/Stickstoff enthält.
9. Prozessgas nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas 1 Vol.-% bis 60 Vol.-% Helium, vorzugsweise 5 Vol.-% bis 40 Vol.-% Helium, besonders bevorzugt 10 Vol.-% bis 20 Vol.-% Helium enthält.
10. Verwendung eines Prozessgases nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und/oder Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Laserstahlhartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen.
11. Verwendung eines Prozessgases nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und/oder Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Laserstahlhartlöten von heterogen Werkstoffverbindungen.