WO2021058392A1

WO2021058392A1 - Verfahren zum laserlöten, insbesondere von stahlkarosserieteilen

Info

Publication number: WO2021058392A1
Application number: PCT/EP2020/076107
Authority: WO
Inventors: Oliver BOCKSROCKER; Nicolai Speker; Tim Hesse
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: DE102019214891A1; CN114521160A; US20220203470A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserlöten, insbesondere Hartlöten, von Bauteilen (1, 2), wobei an einem Stoß (3) von zwei Bauteilen (1, 2) ein Zusatzmaterial (5), insbesondere ein Zusatzdraht (5a; 5b), zugeführt wird, wobei als Zusatzmaterial (5) ein kupferhaltiges Zusatzmaterial (5) gewählt ist, und wobei das Zusatzmaterial (5) in einer Hauptprozesszone (6) mittels Laserstrahlung (7) entlang einer Vorschubrichtung (VR) aufgeschmolzen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (5) in der Hauptprozesszone (6) mit einer Laserstrahlung (7) einer Wellenlänge λH im blauen oder grünen Spektralbereich aufgeschmolzen wird, insbesondere mit 400 nm ≤ λH ≤ 600 nm. Die Erfindung gestattet es, beim Laserlöten von Bauteilen unter Verwendung eines kupferhaltigen Zusatzmaterials eine bessere Lötnaht-Qualität erhältlich zu machen und die Prozesseffizienz zu verbessern.

Description

Verfahren zum Laserlöten, insbesondere von Stahlkarosserieteilen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserlöten, insbesondere Hartlöten, von Bauteilen, wobei an einem Stoß von zwei Bauteilen ein Zusatzmaterial, insbesondere ein Zusatzdraht, zugeführt wird, wobei als Zusatzmaterial ein kupferhaltiges Zusatzmaterial gewählt ist, und wobei das Zusatzmaterial in einer Hauptprozesszone mittels Laserstrahlung entlang einer Vorschubrichtung aufgeschmolzen wird.

Ein solches Verfahren ist bekannt geworden durch die Firmenveröffentlichung „Laserlöten mit Diodenlasern" der Laserline GmbH, Mühlheim-Kärlich, DE, abge rufen unter https://www.laserline.com/de-int/laserloeten/ am 27.08.2019.

Löten ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Bauteilen. Dabei wird mit einer Wärmequelle eine Schmelze an der Grenzfläche von zwei zu fügenden Bau teilen erzeugt, wobei die Bauteile in der Tiefe jedoch nicht aufgeschmolzen wer den. In einer wichtigen Variante des Lötens wird ein Zusatzmaterial (auch ge nannt Zusatzwerkstoff oder Lot) am Stoß der Bauteile zugeführt, welches durch eine Wärmequelle aufgeschmolzen wird. Je nach Löttemperatur unterscheidet man Weichlöten (unter 450°C) und Hartlöten (über 450°C). Für das Hartlöten sind insbesondere kupferhaltige Zusatzmaterialien (Lote) bekannt geworden, vgl. deutscher Wikipedia-Eintrag „Hartlöten", abgerufen am 19.07.2019.

Für die Fertigung von Karosseriebauteilen im Automobilbereich mittels Hartlöten ist es bekannt, als Wärmequelle einen Diodenlaser einzusetzen, vgl. DE 10 2015 112 537 Al. Für einen stabilen und ruhigen Prozessverlauf kann dabei ein strahl formendes Optikmodul eingesetzt werden, welches aus einem Laserstrahl eine Fokusgeometrie mit einem Hauptlaserspot und zumindest einem Nebenlaserspot erzeugt.

Aus der erwähnten Firmendruckschrift „Laserlöten mit Diodenlasern" ist ein Hart löten von verzinkten Stahlblechen mit einem Kupfer-Siliziumdraht bekannt ge worden, der mit einem Diodenlaser aufgeschmolzen wird. Dabei kann ein Triple- Spot mit einem Hauptspot und zwei vorauslaufenden Nebenspots eingesetzt wer den, wobei mit den Nebenspots am Rand der Lötnaht die Verzinkung abgetragen wird. Das zugehörige Verfahren ist auch in dem auf der angegebenen Internet seite verlinkten Youtube-Video „Laserlöten mit Triple Spot", abgerufen unter

am 27.08.2019, gezeigt. Die üblicherweise beim Löten eingesetzten Diodenlaser weisen eine Wellenlänge im nahen infraroten Spektralbereich um 800nm bis 1100 nm auf. Diese Diodenla ser sind kostengünstig erhältlich. Beim Fügen von Karosseriebauteil aus Stahl blech mittels Laserlöten unter Verwendung von kupferhaltigem Zusatzmaterial ist jedoch die Prozessführung für den Erhalt einer guten Lötnaht-Qualität vergleichs weise schwierig. Zudem werden vergleichsweise große Laserleistungen benötigt.

Aus der Firmendruckschrift „Laserline LDMblue Blaue Hochleistungsdiodenlaser", Laserline GmbH, Mülheim-Kärlich, DE, 2019, ist ein Diodenlaser mit einer Wellen länge der Laserstrahlung von ca. 450 nm bekannt geworden. Dieser Diodenlaser soll einen spritzerfreien Schweißprozess bei der Bearbeitung von Kupfer und an deren Buntmetallen, etwa beim Schweißen von dünnen Kupferfolien und Kupfer blechen, ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, beim Laserlöten von Bauteilen unter Verwendung eines kupferhaltigen Zusatzmaterials eine bessere Lötnaht-Qualität erhältlich zu machen und die Prozesseffizienz zu verbessern.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Zusatzmaterial in der Hauptprozesszone mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge lH im blauen oder grünen Spektralbereich aufgeschmolzen wird, insbesondere mit 400 nm < lH < 600 nm.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass sich durch Einsatz von blauer oder grüner Laserstrahlung in der Hauptprozesszone die Pro zessführung beim Laserlöten, insbesondere Hartlöten, unter Verwendung eines kupferhaltigen Zusatzmaterials (Zusatzwerkstoffs, Lots) deutlich verbessern lässt. Das Aufschmelzen des Zusatzmaterials unterliegt (im Vergleich zum Ein satz von Laserstrahlung im nahen Infrarot) weniger Prozessstörungen und kann mit geringerer Laserleistung erfolgen. Insbesondere kann das Auftreten von Spritzern aus der Lotschmelze vermieden oder deutlich reduziert werden, und eine Welligkeit der Lötnaht kann beseitigt oder deutlich verringert werden. Die benötigte Laserleistung kann (im Vergleich zum Einsatz von Laserstrahlung im nahen Infrarot) reduziert werden, wodurch die energetische Prozesseffizienz an steigt und somit Kosten gespart werden. Die Lotschmelze ist weniger dynamisch, und es kann eine besonders saubere Lötnaht erhalten werden.

Bevorzugt gilt für die Wellenlänge lH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone im blauen Spektralbereich 400 nm < lH < 500 nm, besonders bevorzugt 400 nm < lH < 460 nm, und ganz besonders bevorzugt 402 nm < lH < 408 nm oder 442 nm < lH < 448 nm. Im grünen Spektralbereich gilt für die Wellenlänge lH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone bevorzugt 500 nm < lH < 600 nm, besonders bevorzugt 512 nm < lH < 518 nm, ganz besonders bevorzugt lH=515 nm.

Die blaue oder grüne Laserstrahlung kann mit einem Diodenlaser erzeugt wer- den; der Diodenlaser kann eine einzelne Laserdiode oder auch eine Vielzahl von Laserdioden umfassen (insbesondere so genannte Dioden-Stacks).

Das Zusatzmaterial kann insbesondere ein Kupfer-Silizium-Material sein. Der Kupfer-Anteil im Lot absorbiert blaues und grünes Licht besonders stark, wodurch Laserenergie leicht in das Zusatzmaterial eingekoppelt werden kann.

Das Zusatzmaterial hat typischerweise einen Schmelzpunkt von 450°C oder mehr, so dass der Laserlöt- Prozess im Regime des Hartlötens liegt und eine be sonders gute mechanische Festigkeit der Lötnaht ergibt. Das Zusatzmaterial wird durch die Laserstrahlung der Hauptprozesszone aufgeschmolzen, wodurch eine Lotschmelze entsteht. Im Rahmen des Laserlöt- Prozesses wird das Grundmate rial der Bauteile nicht aufgeschmolzen, d.h. das Verfahren wird so geführt, dass die Schmelztemperatur des Grundmaterials der Bauteile nicht erreicht wird. Man beachte, dass jedoch ein etwaige Beschichtungsmaterial der Bauteile in der Hauptprozesszone aufgeschmolzen werden kann; ein solches Beschichtungsma terial kann insbesondere als Flussmittel dienen.

Typischerweise ist die (maximale) Breite BH der Hauptprozesszone etwas größer als die Breite BZ des zugeführten Zusatzmaterials, gemessen quer zur Vorschub richtung, bevorzugt mit BH > 1,25*BZ oder BH > 1,5*BZ. Typischerweise wird das Zusatzmaterial als ein Draht zugeführt, es ist aber auch möglich, das Zusatz material beispielsweise als Band, Pulver oder Paste zuzuführen (Im Falle eines Pulvers oder einer Paste entspricht die Breite BZ des Zusatzmaterials der Breite, über die das Zusatzmaterial auf die Bauteile im Bereich des Stoßes aufgetragen wird). Wo die Hauptprozesszone über das Zusatzmaterial ausgreift („Ausgriffs zone"), kann die Laserstrahlung der Hauptprozesszone ein etwaiges Beschich tungsmaterial auf den Bauteilen aufschmelzen und/oder eine Benetzung der Bau teil-Oberflächen mit aufgeschmolzenem Zusatzmaterial bzw. Lotschmelze er- leichtern.

Typischerweise wird das Verfahren so geführt, dass die Breite BH der Hautpro zesszone der Breite BN der späteren Lötnaht am Stoß der Bauteile entspricht, je weils gemessen quer zur Vorschubrichtung.

Bevorzugte Varianten des erfindunasaemäßen Laserlöt-Verfahrens

Varianten betreffend die Strahlformung in der Hauptprozesszone Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die La serstrahlung in der Hauptprozesszone mit einem rechteckigen Fokus der Laser strahlung aufgeschmolzen. Mit einer solchen Geometrie können besonders scharfe seitliche Begrenzungen (Kanten) der Lötnaht erhalten werden. Der recht eckige Fokus ist dabei mit einem Paar Seitenkanten parallel zur Vorschubrichtung ausgerichtet. Man beachte, dass der rechteckige Fokus der Laserstrahlung im Rahmen dieser Variante im Bereich seiner Ecken mit Abrundungen ausgeführt sein kann, wodurch Prozessstörungen minimiert werden können. Typischerweise gilt für den Krümmungsradius KR im Bereich der Ecken im Vergleich zur Länge LKK des rechteckigen Fokus entlang der kürzesten Hauptachse (Länge der kür zesten Kante) dabei: 0,033*LKK< KR < 0,33*LKK.

Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der der rechteckige Fo- kus entlang einer großen Hauptachse länger ist als entlang einer kleinen Haupt achse, und bei der die große Hauptachse des rechteckigen Fokus entlang der Vorschubrichtung orientiert ist. Dadurch lässt sich auch bei schmalen Lötnähten die Laserenergie über eine größere Fläche verteilen, wodurch eine besonders ru hige Lotschmelze erhalten werden kann. Bevorzugt beträgt das Aspektverhältnis AV (Verhältnis der Kantenlängen des rechteckigen Fokus entlang der großen

Hauptachse zur kleinen Hauptachse) 1,5 oder mehr, bevorzugt 2 oder mehr, be sonders bevorzugt 2,5 oder mehr.

Bei einer vorteilhaften, alternativen Weiterentwicklung weist die Laserstrahlung in der Hauptprozesszone einen quadratischen Fokus auf, insbesondere wobei eine Breite BH der Hauptprozesszone mit dem quadratischen Fokus einer Naht breite BN einer gefertigten Lötnaht am Stoß der Bauteile entspricht, jeweils ge messen quer zur Vorschubrichtung. Mit anderen Worten beträgt in dieser Weiter entwicklung das Aspektverhältnis AV=1. Die Erzeugung eines quadratischen Fo- kus ist vergleichsweise einfach und kann Temperaturgradienten in der Lot schmelze begrenzen. Der quadratische Fokus der Hauptprozesszone hat sich bei der Fertigung einer Lötnaht mit BH = BN zudem besonders bewährt.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass die Hauptprozesszone eine Breite BH quer zur Vorschubrichtung aufweist, mit 1,5* BZ < BH < 2,5*BZ, bevorzugt wobei BZ 1,8*BZ < BH < 2,2*BZ, wobei BZ: Breite des Zusatzmaterials quer zur Vorschubrichtung. Wo die Haupt prozesszone über das Zusatzmaterial ausgreift („Ausgriffszone"), kann die Laser- Strahlung der Hauptprozesszone ein Beschichtungsmaterial auf den Bauteilen aufschmelzen und/oder eine Benetzung der Bauteil-Oberflächen mit aufge schmolzenem Zusatzmaterial bzw. Lotschmelze erleichtern. Im vorgesehenen Bereich der Verhältnisse von BZ und BH kann dabei ein guter Eintrag von Be schichtungsmaterial (Flussmittel) erreicht werden und gleichzeitig verhindert werden, dass die Lötnaht seitlich zu weit ausgreift, was in vielen Anwendungsfäl len die mechanische Festigkeit beeinträchtigen könnte.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der zumindest in der Hauptprozesszone eine Laserstrahlung mit einer höheren Leistungsdichte in einem Kernbereich und einer geringeren Leistungsdichte in einem Ringbereich, der den Kernbereich umgibt, eingesetzt wird, insbesondere wobei die Laserstrahlung der Hauptprozesszone mit einer Multiclad- Faser oder einem diffraktiven optischen Element erzeugt wird. Die Laserstrahlung der Hauptprozesszone weist ein doppeltes Top-hat Profil auf, mit im Wesentli chen konstanter (hoher) Laserleistung im Kernbereich und im Wesentlichen kon stanter (niedrigerer) Laserleistung im Ringbereich. Die im Ringbereich verrin gerte Laserleistung kann dazu beitragen, die Dynamik der Lotschmelze gering zu halten. Zudem kann in vielen Fügegeometrien der Wärmeeintrag in das Grund material der Bauteile reduziert werden, was die Gefahr eines Anschmelzens des Grundmaterials der Bauteile (und damit eine Verunreinigung der Lotschmelze) verringert.

Variante mit Beschichtungen auf den Bauteilen

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die zwei Bauteile mit einem Grundmaterial und einem auf dem Grundmaterial angeordneten Beschichtungs material ausgebildet sind. Die Bauteile sind typischerweise mit den Seiten, auf denen das Beschichtungsmaterial angeordnet ist, einander zugewandt, oder die Seiten, auf denen das Beschichtungsmaterial angeordnet ist, sind beide zur La- serstrahlungs-Quelle ausgerichtet. Das Beschichtungsmaterial dient typischer weise im Laserlöt- Prozess als Flussmittel, und wird zu diesem Zweck lokal aufge schmolzen. Das Grundmaterial wird jedoch im Rahmen des Laserlöt-Prozesses nicht aufgeschmolzen. Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass das Grundma terial Stahl, insbesondere Stahlblech, und/oder das Beschichtungsmaterial Zink umfasst. Diese Werkstoffkombination ist insbesondere im Karosseriebau von Fahrzeugen von besonderer Bedeutung und kann im Rahmen der Erfindung mit hoher Qualität, insbesondere hoher mechanischer Festigkeit, mit einem kupfer haltigen Zusatzmaterial (Lot) verlötet werden. Die Stahlbleche können insbeson dere feuerverzinkt sein.

Weiterentwicklung mit Vorprozesszone

Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung wird in einer Vorprozesszone, die be züglich der Vorschubrichtung vor der Hauptprozesszone liegt, mittels Laserstrah lung das Beschichtungsmaterial im Bereich des Stoßes aufgeschmolzen. Durch die Vorprozesszone kann die Bereitstellung von Flussmittel (Beschichtungsmate rial) insbesondere an einer vorderen Front der Lotschmelze verbessert werden. Da das Zusatzmaterial in der Regel bezüglich der Vorschubrichtung „von vorne" der Lotschmelze zugeführt wird, liegt die Vorprozesszone in der Regel unterhalb eines Bereichs, über welchen das Zusatzmaterial zugeführt wird, etwa unterhalb eines Zusatzdrahtes oder unterhalb einer Zuführeinrichtung für das Zusatzmate rial. Ein von oben einstrahlender Laser, wie er typischerweise für die Hauptpro zesszone verwendet wird, kann dann aufgrund von Abschattung unterhalb dieses Bereichs das Beschichtungsmaterial direkt vor der Front der Lotschmelze nicht aufschmelzen. Die Laserstrahlung für die Vorprozesszone wird daher in der Regel aus einer schrägen Richtung (oder auch mehreren, typischerweise zueinander symmetrisch ausgerichteten, schrägen Richtungen) zugeführt, etwa von seitlich des Stoßes, um eine Abschattung durch das zuzuführende Zusatzmaterial oder dessen Zuführeinrichtung zu vermeiden. Die Laserstrahlung in der Vorprozess zone kann mit einem Diodenlaser erzeugt werden; die Wellenlänge XV der Laser strahlung der Vorprozesszone kann unabhängig von der Wellenlänge lH der La serstrahlung der Hauptprozesszone gewählt werden. Insbesondere kann die Wel lenlänge ln der Vorprozesszone ebenfalls im blauen Spektralbereich (400-500 nm) oder grünen Spektralbereich (500-600 nm) oder auch im nahen infraroten Spektralbereich (800-1100 nm) gewählt werden. Typischerweise wird die Wellen länge ln der Vorprozesszone jedoch unterschiedlich zur Wellenlänge lH der Hauptprozesszone gewählt und/oder mit einem anderen Laser erzeugt. Die Vor prozesszone liegt typischerweise separat (in Vorschubrichtung getrennt) von der Hauptprozesszone, kann aber auch an die Hauptprozesszone unmittelbar an schließen.

Weiterentwicklungen mit Seitenprozesszonen

Bei einer weiteren, vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass in zwei Seitenprozesszonen, die bezüglich der Vorschubrichtung vor der Hauptprozess zone und zu beiden Seiten des Stoßes der zwei Bauteile liegen, mit einer Laser strahlung das Beschichtungsmaterial verdampft wird, so dass zwei voneinander separate, von Beschichtungsmaterial befreite Spuren auf den beiden Bauteilen entstehen. Die von Flussmittel befreiten Spuren agieren als eine Barriere für die das Fließen der Lotschmelze, und definieren und begrenzen so die Breite der er haltenen Lötnaht. Somit kann eine seitlich scharf begrenzte Lötnaht erhalten werden. Die Laserstrahlung in den Seitenprozesszonen kann mit einem Diodenla ser erzeugt werden.

Bei einer bevorzugten Untervariante dieser Weiterentwicklung wird das Beschich tungsmaterial in den zwei Seitenprozesszonen mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge XS verdampft, wobei die Wellenlänge lH der Laserstrahlung der Hauptprozesszone und die Wel lenlänge XS der Laserstrahlung der Seitenprozesszonen unterschiedlich gewählt sind. Die Wellenlängen lH und XS können somit auf das Zusatzmaterial und das Beschichtungsmaterial individuell angepasst und optimiert werden, insbesondere bezüglich des Absorptionsverhaltens und der Strahlgüte oder Leistungsdichte.

Die für das Aufschmelzen des kupferhaltigen Zusatzmaterials vorgesehene Wel lenlänge im blauen oder grünen Spektralbereich ist für das Verdampfen des Be schichtungsmaterials in der Regel nicht nötig; umgekehrt ist für das Verdampfen des Beschichtungsmaterials mit definierter Kante einer erhaltenen, von Beschich tungsmaterial befreiten Spur eine hohe Strahlgüte vorteilhaft, die für das Auf schmelzen des Zusatzmaterials nicht benötigt wird. Bevorzugt ist dabei die Wellenlänge XS der Laserstrahlung in den Seitenprozess zonen im nahen infraroten Spektralbereich gewählt, insbesondere mit 800 nm < XS < 1100 nm. Entsprechende Diodenlaser sind kos tengünstig und mit hoher Strahlgüte kommerziell erhältlich. Ebenso ist eine Untervariante bevorzugt, bei der die Laserstrahlung in den Sei tenprozesszonen mit einem Laser erzeugt wird, der eine höhere Strahlgüte auf weist als ein Laser, mit dem die Laserstrahlung der Hauptprozesszone erzeugt wird. Dadurch kann eine besonders scharf begrenzte Lötnaht erhalten werden.

Die Strahlgüte kann über das Strahlparameterprodukt verglichen werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Untervariante ist vorgesehen, dass die Seitenpro zesszonen Breiten BS quer zur Vorschubrichtung aufweisen, mit BS < 0,5*BH, bevorzugt BS < 0,33*BH, wobei BH: Breite der Hauptprozesszone quer zur Vorschubrichtung. Entspre chend geringe Breiten BS der Seitenprozesszonen reichen für eine zuverlässige Begrenzung des Fließens der Lotschmelze bzw. für die Begrenzung der Lötnaht aus. Durch geringe Breiten BS kann der Lötprozess energiesparend ausgeführt werden.

Verwendung für Karosseriebauteile

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen von Karosseriebautei- len, insbesondere Stahl-Karosseriebauteilen, von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen. Die Karosseriebauteile können in einem vergleichsweise einfa chen Prozess mit hoher Qualität, insbesondere hoher mechanischer Festigkeit, energetisch effizient gefügt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. la zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Ein richtung einer Hauptprozesszone;

Fig. lb zeigt die Bauteile von Fig. la in einem schematischen Querschnitt bei Ebene Ib von Fig. la;

Fig. lc zeigt die Bauteile von Fig. la in einem schematischen Längsschnitt bei Ebene Ic von Fig. la;

Fig. 2a zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Ein richtung einer Hauptprozesszone, einer Vorprozesszone und zwei Seiten prozesszonen;

Fig. 2b zeigt die Bauteile von Fig. 2a in einem schematischen Querschnitt bei Ebene Ilb von Fig. 2a; Fig. 2c zeigt die Bauteile von Fig. 2a in einem schematischen Längsschnitt bei Ebene IIc von Fig. 2a;

Fig. 3 zeigt in schematischer Aufsicht eine Hauptprozesszone mit einem quadra- tischen Fokus der Laserstrahlung für die Erfindung;

Fig. 4 zeigt in schematischer Aufsicht eine Hauptprozesszone mit einem quadra tischen Fokus der Laserstrahlung für die Erfindung, mit einem Kernbe reich und einem Ringbereich;

Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf zwei Bauteile während einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten, mit Ein richtung einer Hauptprozesszone mit einem entlang der Vorschubrichtung ausgerichteten, rechteckigen Fokus.

Die nachfolgenden Figuren illustrieren das erfindungsgemäße Verfahren in sche matischer Weise. Die Figuren sind nicht maßstäblich zu verstehen, und insbeson dere sind zum besseren Verständnis einige Strukturen vergrößert illustriert.

Die Fig. la in schematischer Aufsicht, die Fig. lb in schematischem Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Lötnaht im Bereich der Hauptprozesszone und Fig. lc in einem schematischen Längsschnitt entlang der Lötnaht bzw. des Stoßes illust rieren eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten von Bauteilen. Die Schnittebenen der Fig. lb und Fig. lc sind in Fig. la mit den Ebenenmarkierungen lb und lc angedeutet.

Ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 sind im Bereich eines Stoßes 3 an einander liegend angeordnet und sollen miteinander verlötet werden. Die Bau- teile 1, 2 sind hier aus Stahlblech gefertigt und gehören zu einer Karosserie für ein Fahrzeug (letzteres nicht näher dargestellt). Der Lötprozess erfolgt in der ge zeigten Variante von einer Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 aus. Im Bereich der Oberseite 4 bildet der Stoß 3 aufgrund der Abrundung der dortigen Kanten der Bauteile 1, 2 eine Senke 3a aus, die mit Lot verfüllt werden soll. Die Bauteile 1, 2 sind hier an der Oberseite 4 und im Bereich der Senke 3a mit einem Beschich tungsmaterial 8 (einfach schraffiert dargestellt) beschichtet; zusätzlich kann auch Beschichtungsmaterial im Stoß 3 bzw. der Kontaktfläche der Bauteile 1, 2 vorge- sehen sein (nicht dargestellt). Das Beschichtungsmaterial 8 enthält hier Zink, beispielsweise mit einem Anteil von wenigstens 20 Gew%, und dient als Fluss mittel für den Lötprozess.

Das Verfahren sieht die Zuführung eines Zusatzmaterials 5 vor, hier in Form ei- nes Zusatzdrahts 5a. Das Zusatzmaterial 5 enthält Kupfer, beispielsweise mit ei nem Anteil von wenigstens 20 Gew%. Man beachte, dass das Zusatzmaterial 5 in Fig. la-lc transparent dargestellt ist, um die darunter liegenden Strukturen bes ser erkennbar zu machen. In einer Hauptprozesszone 6, durch die der Stoß 3 mittig verläuft und die hier mit einem quadratischen Fokus 30 ausgebildet ist, wird das Zusatzmaterial 5 mit einer Laserstrahlung 7 aufgeschmolzen. Dabei schreitet die Hauptprozesszone 6 im Rahmen des Verfahrens relativ zu den Bau teilen 1, 2 in einer Vorschubrichtung VR voran, die entlang des Stoßes 3 verläuft. Man beachte, dass zu diesem Zweck beispielsweise die Bauteile 1, 2 gegenüber einer ortsfesten Löteinheit (nicht näher dargestellt) verfahren werden können, o- der auch die Löteinheit gegenüber ortsfesten Bauteilen 1, 2 verfahren werden kann, oder sowohl die Bauteile 1, 2 als auch die Löteinheit gleichzeitig geeignet synchronisiert verfahren werden können.

Die Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 wird mit einem Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt und hat hier eine Wellenlänge von ca. 450 nm, liegt also im blauen Spektralbereich. Dadurch kann die Laserstrahlung 7 vom kupfer haltigen Zusatzmaterial 5 energetisch besonders effizient absorbiert werden. Im Bereich der Hauptprozesszone 6 bildet sich eine Lotschmelze 9 (mit Kreuzschraf fur dargestellt) aus, die aufgeschmolzenes Zusatzmaterial 5 und auch aufge- schmolzenes Beschichtungsmaterial 8 (Flussmittel) enthält. Bezüglich der Vor schubrichtung VR hinter der Hauptprozesszone 6 erstarrt die Lotschmelze 9 wie der (die Erstarrungsfront ist zur Vereinfachung nicht näher dargestellt). Dadurch bildet sich hinter der Hauptprozesszone 6 eine Lötnaht 10 (ebenfalls mit Kreuz schraffur dargestellt) aus, deren Breite BN hier der Breite BH der Hauptprozess zone 6 entspricht, jeweils gemessen quer zur Vorschubrichtung VR. Das Verfahren ermöglicht eine vergleichsweise geringe Dynamik der Lotschmelze 9, so dass vergleichsweise scharfe Kanten 11 der Lötnaht 10 erhalten werden können und Prozessstörungen wie Spritzer oder eine Welligkeit der Lötnaht 10 minimiert werden können. Das Zusatzmaterial 5 bzw. der Zusatzdraht 5a werden hier bezüglich der Vor schubrichtung VR von schräg vorne zugeführt. Man beachte, dass die Zuführge schwindigkeit des Zusatzdrahts 5a dabei von der Vorschubgeschwindigkeit des Lötprozesses (d.h. von der Relativgeschwindigkeit von Bauteilen und Hauptpro zesszone) abweichen kann. Die Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 wird hier näherungsweise senkrecht zur Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 von oben einge strahlt.

Die Breite BH der Hauptprozesszone 6, gemessen quer (senkrecht) zur Vorschub richtung VR, ist hier ca. 2-mal so groß wie die Breite BZ des Zusatzdrahtes 5a. Soweit die Hauptprozesszone 6 bzw. die Laserstrahlung 7 über den Zusatzdraht 5a ausgreift, kann in dieser „Ausgriffszone" das Beschichtungsmaterial 8 aufge schmolzen werden. Man beachte aber, dass das Grundmaterial 12 (hier Stahl) der Bauteile 1, 2, auf welchem das Beschichtungsmaterial 8 aufgebracht ist, im Rahmen des Lötprozesses nicht aufgeschmolzen wird.

Die Fig. 2a in schematischer Aufsicht, die Fig. 2b in schematischem Querschnitt senkrecht zum Verlauf der Lötnaht im Bereich der Hauptprozesszone und Fig. 2c in einem schematischen Längsschnitt entlang der Lötnaht bzw. des Stoßes illust rieren eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten von Bauteilen. Die Schnittebenen der Fig. 2b und Fig. 2c sind in Fig. 2a mit den Ebenenmarkierungen Ilb und IIc angedeutet. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede zum Verfahren von Fig. la-lc erläutert. In dieser Variante wird Laserstrahlung 7 in der Hauptprozesszone 6 eingesetzt, und weiterhin in einer Vorprozesszone 20 eine Laserstrahlung 21, und in zwei Seitenprozesszonen 22a, 22b eine Laserstrahlung 23a, 23b. All diese Prozesszo nen 6, 20, 22a, 22b bewegen sich gemeinsam in Vorschubrichtung VR relativ zu den zu verlötenden (zu fügenden) Bauteilen 1, 2.

Die Seitenprozesszonen 22a, 22b liegen bezüglich der Vorschubrichtung VR vor der Hauptprozesszone 6 und weiterhin zu beiden Seiten der Hauptprozesszone 6. Die zugehörige Laserstrahlung 23a, 23b der Seitenprozesszonen 22a, 22b ist von hoher Leistungsdichte und verdampft das Beschichtungsmaterial 8 auf der Ober seite 4 der Bauteile 1, 2. Dadurch hinterlassen die Seitenprozesszonen 22a, 22b von Beschichtungsmaterial 8 befreite Spuren 24a, 24b auf der Oberseite 4 der Bauteile 1, 2; an den Spuren 24a, 24b liegt somit das Grundmaterial 12 an der Oberseite 4 frei. Diese Spuren 24a, 24b werden von der Lotschmelze 9 praktisch nicht benetzt, wodurch die Kanten 11 der Lötnaht 10 besonders scharf ausgebil det werden können. Der innere Abstand zwischen den Seitenprozesszonen 22a, 22b entspricht der Breite BH der Hauptprozesszone 6. Die Breite BS der Seiten prozesszonen beträgt hier jeweils 1/3 der Breite BH der Hauptprozesszonen, also BS=0,33*BH.

Die Vorprozesszone 20 liegt bezüglich der Vorschubrichtung VR ebenfalls vor der Hauptprozesszone 6 (jedoch etwas näher an der Hauptprozesszone 6 als die Sei tenprozesszonen 22a, 22b) und wird vom Stoß 3 mittig durchlaufen. Die Vorpro zesszone 20 liegt auf der Oberseite 4 der Bauteile 1, 2 unterhalb des kupferhalti gen Zusatzdrahts 5a, so dass die Vorprozesszone 20 nicht von oben her mit La serstrahlung bestrahlt werden kann; die Laserstrahlung 21 der Vorprozesszone 20 wird daher von der Seite, hier von der Seite des ersten Bauteils 1 (von links in Fig. 2a) unter den Zusatzdraht 5a auf die Bauteiloberfläche an der Oberseite 4 gerichtet. In der Vorprozesszone 20 wird das Beschichtungsmaterial 8 lediglich aufgeschmolzen; das aufgeschmolzene Beschichtungsmaterial ist gepunktet dar gestellt. Dadurch wird auch an einer vorderen Front 25 der Hauptprozesszone 6 Flussmittel (aufgeschmolzenes Beschichtungsmaterial) zur Verfügung gestellt, was den Lötprozess verbessert. Die Breite der Vorprozesszone entspricht hier der Breite BH der Hauptprozesszone 6, gemessen quer zur Vorschubrichtung VR.

Die Wellenlänge XS der Laserstrahlung 23a, 23b der Seitenprozesszonen 22a, 22b ist hier zu 1030 nm gewählt und liegt somit im nahen Infrarot. Sie wird mit einem zweiten Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt, der eine bessere Strahlgüte aufweist als der erste Diodenlaser für die Laserstrahlung 7 der Haupt prozesszone 6. Zur Erzeugung der beiden Seitenprozesszonen 22a, 22b kann ein Ursprungslaserstrahl aufgeteilt werden, etwa mit einem Strahlteiler (nicht näher dargestellt).

Die Wellenlänge ln der Laserstrahlung 21 der Vorprozesszone 20 ist hier eben falls zu 1030 nm gewählt und liegt somit auch im nahen Infrarot. Sie wird mit ei nem dritten Diodenlaser (nicht näher dargestellt) erzeugt.

Die Wellenlänge lH der Laserstrahlung 7 der Hauptprozesszone 6 liegt wiederum im blauen Spektralbereich bei ca. 450 nm.

Die Fig. 3 illustriert einen rechteckigen, hier quadratischen Fokus 30 der Laser- Strahlung einer Hauptprozesszone 6, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Die quadratische Fokus 30 weist vier Kanten auf, die an vier Ecken leicht abgerundet zusammenlaufen. Der Krümmungsradius KR an den Ecken beträgt hier ca. das 0,2-fache der Länge LKK der kürzesten Kante des Fo kus 30, wobei beim quadratischen Fokus 30 alle Kantenlängen gleich lang sind.

Die Fig. 4 illustriert ebenfalls einen quadratischen Fokus 30 der Laserstrahlung einer Hauptprozesszone 6 für die Erfindung. Der Fokus 30 weist hier einen quad ratischen Kernbereich 42 auf, der von einem Ringbereich 41 ringförmig umgeben ist. Die Leistungsdichte der Laserstrahlung weist im Ringbereich 41 einen ersten, näherungsweise konstanten Wert auf, und weist im Kernbereich 42 einen zwei ten, näherungsweise konstanten Wert auf, wobei der erste Wert kleiner ist als der zweite Wert, typischerweise um einen Faktor von 2 oder mehr. Die Fig. 5 illustriert in schematischer Aufsicht eine dritte Variante eines erfin dungsgemäßen Verfahrens von Löten zweier Bauteile 1, 2. Es werden wiederum nur die Unterschiede zum Verfahren von Fig. la-lc erläutert. Die Hauptprozesszone 6 ist hier mit einem rechteckförmigen Fokus 50 ausgebil det, wobei die große Hauptachse 51 des Fokus 50 entlang des Stoßes 3 bzw. pa rallel zur Vorschubrichtung VR ausgerichtet ist. Die kleine Hauptachse 52 liegt quer zur Vorschubrichtung VR. Der rechteckige Fokus 50 weist hier ein Aspekt verhältnis AV, also ein Verhältnis der Längen des Fokus 50 entlang der großen Hauptachse 51 und entlang der kleinen Hauptachse 52, von ca. AV=2 auf.

Weiterhin sind die Bauteile 1, 2 hier nicht mit einem Beschichtungsmaterial be schichtet. Stattdessen ist hier ein Flussmittel in das Zusatzmaterial 5 bzw. den Zusatzdraht 5b integriert, hier als Füllung 53 in einem Kern des Zusatzdrahtes 5b.

Bezuaszeichenliste

1 Bauteil

2 Bauteil

3 Stoß

3a Senke

4 Oberseite

5 Zusatzmaterial

5a Zusatzdraht

5b Zusatzdraht (mit Füllung im Kern)

6 Hauptprozesszone

7 Laserstrahlung (Hauptprozesszone)

8 Beschichtungsmaterial

9 Lotschmelze

10 Lötnaht

11 Kante 12 Grundmaterial

20 Vorprozesszone

21 Laserstrahlung (Vorprozesszone)

22a Seitenprozesszone 22b Seitenprozesszone

23a Laserstrahlung (Seitenprozesszone)

23b Laserstrahlung (Seitenprozesszone)

24a Spur

24b Spur 25 Front

30 quadratischer Fokus

41 Ringbereich

42 Kernbereich

50 rechteckiger Fokus 51 große Hauptachse

52 kleine Hauptachse

53 Füllung

BH Breite der Hauptprozesszone

BN Breite der Lötnaht BZ Breite des Zusatzmaterials/Zusatzdrahts

KR Krümmungsradius (am Eck eines Fokus)

LKK Länge kürzeste Kante

VR Vorschubrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Laserlöten, insbesondere Hartlöten, von Bauteilen (1, 2), wobei an einem Stoß (3) von zwei Bauteilen (1, 2) ein Zusatzmaterial (5), insbesondere ein Zusatzdraht (5a; 5b), zugeführt wird, wobei als Zusatzmaterial (5) ein kupferhaltiges Zusatzmaterial (5) gewählt ist, und wobei das Zusatzmaterial (5) in einer Hauptprozesszone (6) mittels Laserstrahlung (7) entlang einer Vorschubrichtung (VR) aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (5) in der Hauptprozesszone (6) mit einer Laser strahlung (7) einer Wellenlänge lH im blauen oder grünen Spektralbereich aufgeschmolzen wird, insbesondere mit 400 nm < lH < 600 nm.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrah lung (7) in der Hauptprozesszone (6) mit einem rechteckigen Fokus (40) der Laserstrahlung (7) aufgeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rechteckige Fokus (7) entlang einer großen Hauptachse (51) länger ist als entlang ei ner kleinen Hauptachse (52), und dass die große Hauptachse (51) des rechteckigen Fokus (50) entlang der Vorschubrichtung (VR) orientiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrah lung (7) in der Hauptprozesszone (6) einen quadratischen Fokus (30) auf weist, insbesondere wobei eine Breite BH der Hauptprozesszone (6) mit dem quadratischen Fokus (30) einer Nahtbreite BN einer gefertigten Lötnaht (10) am Stoß (3) der Bauteile (1, 2) entspricht, jeweils gemessen quer zur Vorschubrichtung (VR).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Hauptprozesszone (6) eine Breite BH quer zur Vorschub richtung (VR) aufweist, mit

1,5* BZ < BH < 2,5*BZ, bevorzugt wobei BZ 1,8*BZ < BH < 2,2*BZ, wobei BZ: Breite des Zusatzmaterials (5) quer zur Vorschubrichtung (VR).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest in der Hauptprozesszone (6) eine Laserstrahlung

(7) mit einer höheren Leistungsdichte in einem Kernbereich (42) und einer geringeren Leistungsdichte in einem Ringbereich (41), der den Kernbereich (42) umgibt, eingesetzt wird, insbesondere wobei die Laserstrahlung (7) der Hauptprozesszone (6) mit einer Multiclad-Faser oder einem diffraktiven optischen Element erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die zwei Bauteile (1, 2) mit einem Grundmaterial (12) und einem auf dem Grundmaterial (12) angeordneten Beschichtungsmaterial

(8) ausgebildet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundma terial (12) Stahl, insbesondere Stahlblech, und/oder das Beschichtungsma terial (8) Zink umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vorprozesszone (20), die bezüglich der Vorschubrichtung (VR) vor der Hauptprozesszone (6) liegt, mittels Laserstrahlung (21) das Beschich tungsmaterial (8) im Bereich des Stoßes (3) aufgeschmolzen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei Seitenprozesszonen (22a, 22b), die bezüglich der Vorschub richtung (VR) vor der Hauptprozesszone (6) und zu beiden Seiten des Sto ßes (3) der zwei Bauteile (1, 2) liegen, mit einer Laserstrahlung (23a, 23b) das Beschichtungsmaterial (8) verdampft wird, so dass zwei voneinander separate, von Beschichtungsmaterial (8) befreite Spuren (24a, 24b) auf den beiden Bauteilen (1, 2) entstehen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschich tungsmaterial (8) in den zwei Seitenprozesszonen (22a, 22b) mit einer La serstrahlung (23a, 23b) einer Wellenlänge XS verdampft wird, wobei die Wellenlänge lH der Laserstrahlung (7) der Hauptprozesszone (6) und die Wellenlänge XS der Laserstrahlung (23a, 23b) der Seitenprozess zonen (22a, 22b) unterschiedlich gewählt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen länge XS der Laserstrahlung (23a, 23b) in den Seitenprozesszonen (22a, 22b) im nahen infraroten Spektralbereich gewählt ist, insbesondere mit 800 nm < XS < 1100 nm.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (23a, 23b) in den Seitenprozesszonen (22a, 22b) mit einem Laser erzeugt wird, der eine höhere Strahlgüte aufweist als ein Laser, mit dem die Laserstrahlung (7) der Hauptprozesszone (6) erzeugt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenprozesszonen (22a, 22b) Breiten BS quer zur Vorschubrich tung (VR) aufweisen, mit BS < 0,5*BH, bevorzugt BS < 0,33*BH, wobei BH: Breite der Hauptprozesszone (6) quer zur Vorschubrichtung (VR).

15. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fügen von Karosseriebauteilen, insbesondere Stahl-Karosseriebautei len, von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.