CN102205464A - 物质决定地连接材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过入射到第一材料上的聚焦的激光辐射借助焊接将第一材料与第二材料物质决定地相连接的方法和装置，所述激光辐射的功率与在入射激光辐射的区域中所测量的温度有关地被调节。为了尤其是表面特性不导致要测量的材料温度的显著的失真，使得能够实现可再生的具有高品质的焊接，规定，在第一材料的区域中测量温度，该区域与聚焦的激光辐射入射到第一材料上的那个区域相邻，其中温度被测量的区域和激光辐射的入射区域位于焊接处的区域中。

Description

物质决定地连接材料的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过入射到第一材料上的聚焦的激光辐射借助焊接将第一材料与第二材料物质决定地（stoffschlüssig）相连接的方法，所述激光辐射的功率根据通过热辐射所测量的温度被调节，所述热辐射由第一材料在激光辐射的方向上发射。本发明也涉及一种用于将第一材料焊接到第二材料上的装置，包括发射激光辐射的激光源、将激光辐射聚焦到第一材料上的第一光学装置、经由第一光学装置作为测量辐射检测由第一材料所发射的热辐射的传感器、以及分束器，经由该分束器可以偏转来自测量光路的光路的激光辐射或来自激光辐射的光路的测量光路。

背景技术

可以将激光器、尤其是光纤耦合的激光器用于将诸如铜带的连接器软焊接到太阳能电池上，以便将所述太阳能电池连接成太阳能模块。按照现有技术，首先使激光辐射对准，与高温计的光路结合，以便将高温计的传感器和激光点同轴地聚焦到铜带上。激光器和高温计在此形成闭合的调节回路。在此，预先给定时间可变的额定温度。调节器如此来改变激光功率，使得尽可能好地达到额定温度。激光点和高温计的测量点在此重合。由此出现以下缺点：激光辐射影响高温计测量和可能使之失真。因此可能在铜带的表面上贮藏吸收的或导热差的物质，例如灰尘、熔剂、氧化物。因此激光辐射在表面上可能产生火花或另外的局部热源，但是它们不再现材料本身的温度。尤其是在软焊接的温度范围中出现这些导致测量失真的影响，因为对于低温采用高度敏感的高温计。

从DE–A-100 64 487中可以得出构成前序的方法。为了调节激光束的功率，在焊接处上无接触地测量在激光器的入射点中的温度。为此将辐射高温计集成在激光束源中。

DE–A-10 2004 050 164的主题是一种借助激光辐射的熔焊方法。为了测量用于调节激光辐射功率的输入的能量量，借助高温计在要熔焊的材料的与熔焊处相对的侧上测量温度。

从EP-A-1 477 258中公知一种用于利用热探测器和图像处理的局部温度处理的装置和方法。在此，借助高温计来测量激光辐射到物体上的入射点中的温度。将要测量的热辐射作为反辐射从激光辐射中耦合输出。

发明内容

本发明所基于的任务在于，如此改进开始时所述类型的方法和装置，使得尤其是通过第一材料的表面特性或位于第一材料上的材料异己的（materialfremd）物质不导致要测量的材料温度的显著的失真，以致于能够实现可再生的具有高品质的焊接。

为了解决本发明建议，在第一材料的区域中测量温度，该区域相邻于聚焦的激光辐射入射到第一材料上的区域。

根据本发明，激光辐射入射的区域与温度被测量的区域在空间上分开、也就是相间隔。因而温度测量的区域和入射激光辐射的区域处于焊接处的区域中，然而在该区域之内在空间上分开、也即相间隔。

尤其是规定，在至少两个互相相间隔的焦点中将激光辐射映射在第一材料上，并由传感器将由第一材料的在焦点之间伸展的区域所发射的热辐射作为测量辐射来检测。

也存在以下的可能性，将激光辐射映射在第一材料上的环形伸展的焦点区域中，并且将第一材料的在环形焦点区域之内发射的热辐射作为测量辐射来测量。

即使不是激光辐射、而是在第一材料的环形区域所发射的热辐射被测量，该热辐射同轴地包围激光辐射的映射到第一材料上的焦点，或激光辐射在焦点中被映射在第一材料上，并且在第一材料的两个优选相反于焦点伸展的区域中所发射的热辐射作为测量辐射被测量，则也不离开本发明。

为了***激光辐射或聚集热辐射，也即在本来意义上将传感器映射到第一材料上，使用折射光学元件（例如屋脊棱镜（Dachprisma）或旋转三棱镜（Axicon））或衍射光学元件、或反射光学元件。

虽然公知的是，在折射眼外科中借助分束器设备将激光辐射分配到多个焦点中。为此应减少治疗时间（DE-A-10 2007 019 812）。

从EP-A-1 020 249中已知，借助激光束来切割和熔焊金属。在此可能生成双点，以便能够实现在熔焊时附加金属线或在点的区域中输送气体。

根据本发明优选如此进行激光辐射的***，使得在要焊接的材料上映射至少两个焦点。在此，在本来的意义上涉及焦点区域或点（Spot）。就这方面来说，可将这些概念理解为同义词。影响材料表面特性的物质、如灰尘、熔剂和/或氧化物，不再能导致材料本身的所测量的温度的失真，因为不在点本身中、而是在点附近进行测量。

为了在点的区域中实施材料温度的极其准确的测量，直接在这些点的附近、优选在两个点之间测量热辐射。焦点区域的另外的几何形状和在所述一个激光点或多个激光点的区域中的温度测量同样是可能的，其中，借助传感器将在所述一个或多个点之外发射的热辐射作为测量辐射来检测。

根据本发明的教导，可以降低作为调节参量所使用的额定温度。引入的激光功率保持在相同的水平，其中，该激光功率从构件到构件较少地波动。而如果在激光点中测量温度，则必须如此高地调整额定温度，使得尽管传感器信号的朝显然更高的温度的可能失真却仍给构件足够地施加激光功率。在此失真在真实的构件表面上剧烈地波动。这导致过程波动。

利用本发明的教导，在闭合的调节回路中在作为调节参量的比现有技术低的额定温度下能够实现第一材料到第二材料上的焊接、尤其是诸如铜带的电连接器到诸如太阳能电池的半导体组件上的焊接，其中，但是确保不发生导致损坏的不允许地高的发热。此外还产生特别可再生的焊接结果。

尤其是规定，如此将激光辐射分配和聚焦到两个激光点上，使得在维持第一材料上的由焦点未覆盖的区域的情况下在具有0.5 mm≤D≤1.5 mm的相应焦点直径D时在两个焦点之间的中心距A为1.0 mm≤A≤2.5 mm，其中由所述区域发射的热辐射作为测量辐射被测量。

开始时所述类型的装置的特征一方面在于，在激光源和分束器之间布置***激光辐射的第二光学装置，该第二光学装置将激光辐射在至少两个互相相间隔的焦点中或在环形焦点区域中在第一材料上映射，其中，第一材料的发射要测量的热辐射的区域在至少两个焦点之间或在环形焦点区域之内伸展。该装置的特征另一方面在于，在传感器和分束器之间布置第二光学装置，经由该第二光学装置，可将由第一材料的两个互相相间隔的区域所发射的辐射或由环形区域所发射的辐射作为测量辐射映射到传感器上。在此，可将激光辐射映射在两个区域之间的区域中或在环形区域中，所述两个区域或所述环形区域发射要测量的辐射。

尤其是规定，第一材料是电连接器，第二材料是诸如太阳能电池的半导体组件。

尤其是如此设计所采用的第二光学装置，使得在维持第一材料上的由焦点未覆盖的区域的情况下可映射第一材料上的具有在1.0 mm≤A≤2.5 mm之间的中心距A和0.5 mm≤D≤1.5 m的相应焦点直径D的两个焦点。在此，尤其是第二光学装置是诸如屋脊棱镜或旋转三棱镜的折射光学元件、或衍射光学元件或反射光学元件。

附图说明

不仅从权利要求、由这些权利要求可得出的特征（本身和/或以组合的方式）、而且从由附图的以下说明中可得出的优选实施例中，得出本发明的其它细节、优点和特征。

图1示出第一激光光路，

图2示出分配给第一激光光路的测量光路，

图3示出第二激光光路，

图4示出分配给第二激光光路的测量光路，

图5示出由两个用衍射光学装置所生成的激光点的示图，和

图6示出用旋转三棱镜所生成的环形伸展的激光点。

具体实施方式

以下根据将铜带焊接到太阳能电池上用于连接成太阳能模块来说明本发明的教导，而不应由此限制本发明的教导。更确切地说，本发明教导可以到处应用在应借助激光辐射物质决定地互相连接并合方的场合。

所采用的元件、例如激光器、用于测量在焊接区域中的热辐射的高温计、以及用于下述射束分配所使用的光学装置是对于借助光纤耦合的激光器的软焊接领域的一般技术人员而言公知的商品，以致于不需要进一步阐述。

在对于相同的元件采用相同的附图标记的图1至4中，纯粹在原理上示出激光和高温计光路，以便在调节过程中将焊接处中的温度调整到所希望的温度。调节参量在此是预先给定的与要物质决定地连接的构件的材料有关的额定温度。

根据所提及的，借助将诸如铜带的导体焊接到太阳能电池12上来阐述本发明。相应的连接器10用于将太阳能电池连接成模块。

按照现有技术，将高温计光路和激光光路在焊接处14之前互相同轴地对准，尽管（gleichwenn）应该不必由此限制本发明教导。

由于简化示图的原因，对于不同的实施形式，分开示出激光光路和高温计光路。如果重叠地放置示图，则产生同轴性。

经由尤其是光纤耦合的激光器16生成激光辐射。在不仅图1而且3的光路中然后布置准直仪光学装置18、分束器20以及聚焦光学装置22。

此外，根据图1在准直仪光学装置18和分束器20之间布置尤其是屋脊棱镜或旋转三棱镜形式的折射光学元件24，以便按照图1和5如此***激光辐射，使得两个互相相间隔的焦点26、28被映射在连接器10上，所述焦点26、28在本来的意义上是点，也即具有平面延伸。在此，每一个点的有效直径可以处于0.6 mm和1.5 mm之间，优选在1.2 mm的范围中。点26、28的中点的间距A应处于1.5 mm和2.5 mm之间的范围中，其中可如此选择间距A，使得激光点不相交，也即在这些有效激光点26、28之间存在连接器10的由这些激光点26、28未覆盖的区域。在该区域中，根据本发明按照图1、2和5的实施例来测量连接器10的温度。为了确定温度，热辐射经由聚焦光学装置22和分束器20和准直仪光学装置30被映射到高温计32的传感器上。

在图2和4的绘图中如此画入射束方向，似乎高温计32的传感器被映射到连接器10上。射束路径的可反转性是可能的，因为光学装置是将连接器10的热辐射映射到高温计32的传感器上还是将传感器映射到连接器10上，在物理上是相同的。以图画方式示出传感器到连接器10上的映射，使得根据激光辐射画入射束方向。

正如图1和2的比较所说明的那样，测量辐射33从焊接处14的位于激光点之间的区域出发，使得所测量的温度由于连接器10的影响激光辐射的表面特性引起的失真被排除。在确定在焊接处14的区域中连接器10的温度时，不考虑火花或由于例如灰尘、熔剂、氧化物或表面结构而导致失真的另外的局部热源。因此与直接在激光点中测量的方法相比较，激光器16的与所测量的温度有关地要调节的功率较少地波动。因此可以制造特别可再生的物质决定的连接。同时避免要连接的构件和包围这些构件的材料的不允许的发热。

借助图5纯粹在原理上说明，利用作为折射光学元件24的屋脊棱镜，存在以下的可能性，有微小标称直径并处于互相微小间距的两个激光点可以被映射到焊接区域上。然后在激光点之间借助高温计测量温度。在图5中用34标记相应的区域。在此温度测量区域与点相间隔地、但是在焊接处14的区域之内伸展。

图3和4的实施例与图1和2的区别在于，不借助折射光学元件24***激光辐射，而是***高温计光路，也即从两个互相相间隔的区域来测量焊接处14的温度。在图1中用附图标记36、38标记相应的测量点。在测量点36、38之间，聚焦的激光束入射到连接器10上。在图3中用附图标记40配备相应的激光点。为了进行高温计射束的***或从测量点36、38所发射的热辐射的并合，按照图4，在分束器20和准直仪光学装置30之间布置屋脊棱镜或旋转三棱镜形式的折射光学元件，该折射光学元件24对应于图1的折射光学元件并因此配备有附图标记24。

但是也存在以下的可能性，借助旋转三棱镜形式的衍射光学元件如此***激光辐射或高温计辐射，使得在激光辐射的情况下产生环形激光点，正如该激光点可纯粹在原理上从图6中可得出的那样。如果给焊接处14施加相应的环形激光点42，则作为用于温度确定的测量点测量环形激光点42之内的焊接区域，该焊接区域在图6中用附图标记44来标记。

借助相应的光学装置可以生成具有1.5 mm至4.0 mm的外直径和在0.5 mm和1.0 mm之间的范围中的内直径的环几何形状。这些尺寸能够实现在环形激光点42之内温度的可靠检测，而连接器10的表面特性不使测量失真。

如果借助两个点和在焊接处14的区域中在所述点之间的一个测量点、或两个测量点和在焊接处14的区域中在所述测量点之间映射的一个激光点、或通过激光点或测量区域的环几何形状来阐述本发明教导，则不由此限制本发明教导。更确切地说，通过采用相应适当的光学装置可以使用多于两个的激光点或测量点，以便根据所测量的温度如此调节激光功率，使得可以获得良好的焊接结果，而不必调准过高的功率。

在焊接处14中或在其区域中测量温度，在所述区域中借助激光辐射进行在并合方之间的物质决定的连接。

在实施例中借助将铜带焊接到太阳能电池上来说明本发明。本发明不由此受限制。还示范性地提及将镀锡的铜带焊接到另外的镀锡的铜带上。

总之，本发明涉及用于通过入射到第一材料上的聚焦的激光辐射借助焊接将第一材料与第二材料物质决定地相连接的方法和装置，所述激光辐射的功率与在入射激光辐射的区域中所测量的温度有关地被调节。为了尤其是表面特性不导致要测量的材料温度的显著的失真，使得能够实现可再生的具有高品质的焊接，规定，在第一材料的区域中测量温度，该区域与聚焦的激光辐射入射到第一材料上的那个区域相邻，其中在温度被测量的区域和激光辐射的入射区域位于焊接处的区域中。

附图标记列表

10   连接器

12   太阳能电池

14   焊接处

16   激光器

18   准直仪光学装置

20   分束器

22   聚焦光学装置

24   折射光学元件

26   焦点

28   焦点

30   准直仪光学装置

32   高温计

33   测量辐射

36   测量点

38   测量点

40   激光点

42   激光点

44   焊接区域

Claims (14)

1.用于通过入射到第一材料上的聚焦的激光辐射借助焊接将第一材料（10）与第二材料（12）物质决定地相连接的方法，所述激光辐射的功率与通过由第一材料在激光辐射的方向发射的热辐射所测量的温度有关地被调节，其特征在于，在第一材料（10）的区域（14）中测量温度，该区域（14）相邻于聚焦的激光辐射入射到第一材料上的区域。

2.按照权利要求1的方法，其中，使用测量热辐射的传感器（32）用于测量温度，所述传感器（32）的测量光路在入射到第一材料（10）上之前平行于或同轴于激光光路伸展，其特征在于，激光辐射在至少两个互相相间隔的焦点（26，28）中被映射在第一材料（10）上，并且由第一材料的在焦点之间伸展的区域所发射的热辐射作为测量辐射由传感器（32）检测。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，由第一材料（10）的环形区域所发射的热辐射作为测量辐射被检测，所述热辐射同轴地包围激光辐射的映射到第一材料上的焦点。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，激光辐射在焦点中被映射在第一材料（10）上，并且在第一材料的至少两个优选相反于焦点伸展的区域中所发射的热辐射作为测量辐射被测量。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，激光辐射在环形伸展的焦点区域（42）中被映射在第一材料（10）上，并且第一材料的在环形焦点区域之内所发射的热辐射作为测量辐射被测量。

6.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，经由诸如屋脊棱镜或旋转三棱镜的折射光学元件（24）、或衍射光学元件、或反射光学元件分配激光辐射或测量辐射。

7.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，将分束器（20）布置到传感器的测量光路中，该分束器（20）一方面由测量辐射通过，和另一方面偏转激光辐射或反之亦然。

8.按照权利要求2的方法，其特征在于，分配和聚焦激光辐射，使得在维持在第一材料（10）上的由焦点未覆盖的区域的情况下在具有0.5 mm≤D≤1.5 mm的相应焦点直径D时在两个焦点（26，28）之间的中心距A为1.0 mm≤A≤2.5 mm，其中由所述区域所发射的热辐射作为测量辐射被测量。

9.按照权利要求1的方法，其特征在于，将诸如铜带的连接器采用为第一材料（10），和将诸如太阳能电池的半导体组件采用为第二材料（12）。

10.用于将第一材料（10）焊接到第二材料（12）上的装置，包括发射激光辐射的激光源（16）、将激光辐射聚焦到第一材料上的第一光学装置（18，22）、经由第一光学装置将由第一材料所发射的热辐射作为测量辐射检测的传感器（32）、以及分束器（20），经由所述分束器（20）可偏转来自测量光路的光路的激光辐射或来自激光辐射的光路的测量辐射，其特征在于，在激光源（16）和分束器（20）之间布置***激光辐射的第二光学装置（24），所述第二光学装置（24）将激光辐射在至少两个互相相间隔的焦点（26，28）中或在环形焦点区域（42）中映射在第一材料上，其中，第一材料（10）的发射要测量的热辐射的区域在至少两个焦点之间或在环形焦点区域之内伸展。

11.用于将第一材料（10）焊接到第二材料（12）上的装置，包括发射激光辐射的激光源（16）、将激光辐射聚焦到第一材料上的第一光学装置（18，22）、经由第一光学装置将由第一材料所发射的热辐射作为测量辐射检测的传感器（32）、以及分束器（20），经由所述分束器（20）可偏转来自测量光路的光路的激光辐射或来自激光辐射的光路的测量辐射，其特征在于，在传感器（32）和分束器（20）之间布置第二光学装置（24），经由所述第二光学装置（24）可将由第一材料的两个互相相间隔的区域（36，38）所发射的辐射或由环形区域所发射的辐射作为测量辐射映射到所述传感器上，其中可在两个区域之间或在环形区域之内映射激光辐射。

12.按照权利要求10或11的装置，其特征在于，第一材料是电连接器（10）和第二材料是诸如太阳能电池的半导体组件（12）。

13.按照权利要求10或11的装置，其特征在于，在维持在第一材料上的由焦点未覆盖的区域的情况下借助第二光学装置（24）可映射第一材料（10）上的具有在1.0 mm≤A≤2.5 mm之间的中心距A和0.5 mm≤D≤1.5 mm的相应焦点直径D的两个焦点（26，28），或借助光学装置可将具有在1.5 mm和4.0 mm之间的外直径和在0.5 mm和1.0 mm之间的内直径的环形焦点区域映射在第一材料上。

14.按照权利要求11的装置，其特征在于，第二光学装置（24）是折射光学元件、尤其是屋脊棱镜或旋转三棱镜、或衍射光学元件、或反射光学元件。

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