DE102009046661B4

DE102009046661B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102009046661B4
Application number: DE102009046661.4A
Authority: DE
Inventors: Charlotte Summerer; Reiner Ramsayer; Ingo Kesel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: WO2011057851A1; DE102009046661A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen (3), wobei die Bauteile (3) mit Hilfe eines ersten Laserstrahls (1) gelötet werden und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls (2) Fügeparameter manipuliert werden, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls (2) von der des ersten Laserstrahls (1) abweicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen.
Stand der Technik
Aus DE 198 48 179 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von keramischen Bauteilen miteinander unter Verwendung von Laserstrahlen bekannt. Dazu werden die zu verschweißenden Bauteile von einem ersten Laserstrahl vorgewärmt. Die Erwärmung erfolgt dabei bis auf eine Temperatur, die kleiner ist als die Schmelztemperatur der zu verschweißenden Bauteile. Unmittelbar danach werden mittels eines zweiten Laserstrahles, der direkt auf die Schweißnaht fokussiert wird, die Bauteile in der Fügezone aufgeschmolzen und eine Verschweißung herbeigeführt.
Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist, dass der Energieeintrag in die Bauteile und somit die thermische Belastung der sich in direkter Nähe zu der Fügestelle befindenden Bereiche so hoch ist, dass die Keramik zerspringen kann.
Aus DE 10 2007 047 014 A1 ist es bekannt zwei keramische Bauteile mit Hilfe von pulverförmigen Glaslot miteinander zu verlöten, wobei das Glaslot von einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen zu schaffen, bei denen die thermische Belastung reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Laserfügesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen, wobei die Bauteile mit Hilfe eines ersten Laserstrahls gelötet werden und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls Fügeparameter manipuliert werden, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls von der des ersten Laserstrahls abweicht.
Der Laserstrahl kann das Lot zunächst aufschmelzen. Das flüssige Lot kann daraufhin auf die zu fügenden Bauteile treffen und diese benetzen. Das wieder erstarrende Lot kann schließlich die Fügeverbindung herstellen. Die Wärmeeinbringung durch den Laserstrahl erfolgt beim Löten nicht direkt in die keramischen Bauteile. Der Laserstrahl ist insbesondere auf das Lot gerichtet und erhitzt in erster Linie nur das Lot. Dabei kann die thermische Belastung des Gesamtbauteils nur indirekt durch den Kontakt der Bauteile mit dem aufgeschmolzenen Lot erfolgen. Somit wird eine geringere thermische Belastung der Bauteile ermöglicht. Die Temperatur der keramischen Bauteile kann zu jedem Zeitpunkt unterhalb ihres Schmelzpunktes liegen. Eine wesentliche Verformung der keramischen Bauteile durch thermische Belastung und/oder Aufschmelzen und Erstarren kann somit weitgehend vermieden werden. Da die Bauteile folglich Ihre ursprüngliche Form exakter beibehalten, wird eine erhöhte Prozessgenauigkeit ermöglicht. Ebenso wird die Wahrscheinlichkeit, dass es in den keramischen Bauteilen zu Rissen bzw. Sprüngen kommt, zumindest verringert. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Prozesssicherheit. Die Erzeugung von Laserstrahlen bietet ein ausgereiftes und sehr flexibel anwendbares Verfahren, das es ermöglicht eine frei wählbare Geometrie der Fügeverbindung zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kurze Prozesszeit und es erfordert beispielsweise keine Vorverglasung, keinen Ofenprozess und/oder keine Abkühlstrecke. Der zweite Laserstrahl muss dabei nicht auf das zugeführte Lot gerichtet sein, sondern kann beispielsweise dem ersten Laserstrahl etwas beabstandet folgen und auf das bereits wieder erstarrende Lot gerichtet sein. Dabei kann der zweite Laserstrahl auch eine von der Bewegung des ersten Laserstrahls abweichende Bewegungen ausführen. Durch die voneinander abweichenden Wellenlängen des ersten und des zweiten Laserstrahls kann eine gegenseitige Auslöschung durch Interferenz der Laserstrahlen verhindert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Löten der keramischen Bauteile mit Hilfe von Glaslot. Die Zusammensetzung des Glaslotes kann derart ausgewählt werden, dass das Glaslot unterhalb seines Schmelzpunktes für die Laserstrahlung absorbierend ist und bei Erreichen einer bestimmten Fügetemperatur für die Laserstrahlung transparent wird. Dadurch wird eine Selbstregelung der Glaslottemperatur oberhalb der Glaslotschmelztemperatur ermöglicht. Als Glaslot können bevorzugt die Glasarten Quarzglas, Kalk-Natron-Glas, Floatglas, Bleikristallglas, Borosilikatglas und/oder Emaille verwendet werden. Die Verwendung von Glaslot bietet den Vorteil, dass die keramischen Bauteile in einem zusätzlichen Verfahrensschritt nicht zunächst metallisiert werden müssen. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften von Keramik können durch die Verwendung von Glaslot auch in der Fügenaht beibehalten werden. Eine Korrosion des Lotes kann vermieden werden. Ein Verfahrensschritt der Metallisierung der keramischen Bauteile kann eingespart werden. Dies ermöglicht eine verkürzte Prozesszeit.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Lot pulverförmig und/oder stabförmig zugeführt. Pulverförmiges Lot kann über eine Düse der Fügestelle zugeführt werden. Die Zuführung kann dabei durch einen Gasstrom, der zusammen mit dem pulverförmigen Lot durch die Düse strömt realisiert werden. Der erste Laserstrahl wird vorzugsweise koaxial zu einem zugeführten pulverförmigen Lot ausgerichtet. Der erste Laserstrahl kann somit zentral durch die Düse geführt sein und so das durch die Düse strömende pulverförmige Lot besser aufschmelzen. Die Gasart wird insbesondere an die Lotzusammensetzung angepasst, damit eine entsprechend ideale Benetzung der Bauteile erzielt werden kann. Das Stabförmige Lot kann über eine mechanische Zuführung der Fügezone zugeführt werden. Bei pulverförmiger und/oder stabförmigem Lot kann die Position der jeweiligen Zuführung variabel sein. Dadurch lässt sich das Verfahren sehr flexibel an einer Vielzahl von direkten Lötprozessbedingungen, aber auch den äußeren Besonderheiten wie beispielsweise den räumlichen Gegebenheiten anpassen.
Besonders bevorzugt entsteht eine Fügenaht durch eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen und dem zugeführten Lot entlang eines zu fügenden Spalts, wobei eine Bewegung des ersten Laserstrahls der Bewegung des Lotes entspricht. Dabei kann die Relativbewegung durch eine Bewegung der zu fügenden Bauteile und/oder des Lotes hervorgerufen werden. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag in das Verfahren punktuell und damit sehr kontrolliert erfolgen kann. Die beschrieben Variationsmöglichkeiten zur Realisierung der Relativbewegung ermöglicht ein sehr flexibles Verfahren mit frei wählbarer Geometrie der Lötverbindung.
Bevorzugt wird eine Fügenaht mit Schutzgas zur Bereitstellung einer Lötatmosphäre beströmt. Dabei kann das Schutzgas mit Hilfe einer Schutzgasdüse zugeführt werden, deren Position bevorzugt variabel ist. Durch das Schutzgas kann die Fügestelle vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Verunreinigungen geschützt werden und so eine qualitativ hochwertigere Fügenaht erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe des zweiten Laserstrahls die Benetzung der Bauteile und/oder der Temperaturverlauf einer entstehenden Fügenaht manipuliert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Laserfügesystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, zum Fügen von mindestens zwei keramischen Bauteilen mit einer Aufnahmevorrichtung zur Positionierung der Bauteile und einem ersten Lasersystem zur Abgabe eines ersten Laserstrahls zum Löten der Bauteile und einem zweiten Lasersystem zur Abgabe eines zweiten Laserstrahls zur Manipulation von Lötparametern, insbesondere der Benetzung der Bauteile und/oder des Temperaturverlaufs einer entstehenden Fügenaht, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls abweicht.
Der von dem zweiten Lasersystem abgegebene Laserstrahl muss dabei nicht auf das zugeführte Lot gerichtet sein, sondern kann beispielsweise dem ersten Laserstrahls etwas beabstandet folgen und auf das bereits wieder erstarrende Lot gerichtet sein. Dabei kann der von dem zweiten Lasersystem abgegebene Laserstrahl insbesondere auch von der Bewegung des ersten Laserstrahls abweichende Bewegungen ausführen. Durch die voneinander abweichenden Wellenlängen des ersten und des zweiten Laserstrahls kann eine gegenseitige Auslöschung der Laserstrahlen verhindert werden. Insbesondere kann das Lasersystem die Eignung aufweisen variable Laserstrahlen abzugeben. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Laserstahls und/oder die Fokussierung des Laserstrahls dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Die Aufnahmevorrichtung kann unbeweglich und/oder beweglich sein. Als unbewegliche Aufnahmevorrichtungen können ein Tisch, auf dem die Bauteile abgelegt werden, oder eine Einspannung, mit deren Hilfe die Bauteile in ganz speziellen Positionen fixiert werden können, eingesetzt werden. Als bewegliche Aufnahmevorrichtungen können eine Art Fließband für translatorische Bewegungen der Bauteile oder ein Roboterarm, der die Bauteile einprogrammierte komplexe dreidimensional Bewegungen ausführen lassen, eingesetzt werden.
In einer sehr bevorzugten Ausführungsform weist das Laserfügesystem eine Lotzuführung zum Aufbringen von pulverförmigem und/oder stabförmigem Glaslot auf, wobei das erste Lasersystem geeignet ist das Glaslot aufzuschmelzen. Je nach Anwendungsfall kann das erste Lasersystem auch dazu geeignet sein wenigstens einen Teil der Laserstrahlung dafür zu verwenden die keramischen Bauteile selber aufzuschmelzen. Dies ist insbesondere beim Fügen vom Aluminiumoxid, welches eine schmelzflüssige Phase bildet, vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schutzgaszuführung zur Bereitstellung einer Lötatmosphäre vorgesehen. Die Schutzgaszuführung führt das Schutzgas der Fügestelle zu und ist bevorzugt in seiner Position variabel. Die Zusammensetzung des Schutzgases kann bevorzugt an die Lötbedingungen, dem Werkstoff der keramischen Bauteile oder des Lotes angepasst werden, so dass für den jeweiligen Anwendungsfall eine ideale Benetzung der Bauteile erfolgen kann. Die von der Schutzgaszuführung erzeugte Fügeatmosphäre kann insbesondere zum Schutz der Fügenstelle vor Umwelteinflüssen sein und zu einer verbesserten Qualität der Fügenaht führen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems mit pulverförmigem Lot.
2: eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems mit stabförmigem Lot.

Das in 1 dargestellte Laserlötsystem 8 weist eine Düse 9 zur Zuführung von pulverförmigem Glaslot 5a auf. Die Düse 9 ist orthogonal zu einer von den zu fügenden keramischen Bauteilen 3 gebildeten Oberfläche 14 ausgerichtet. Ein Gasstrom 4, der zusammen mit dem pulverförmigen Glaslot 5a durch die Düse 9 strömt, realisiert die Zuführung des Glaslots 5a. Ein von einem ersten Lasersystem 11 erzeugter erster Laserstrahl 1, der koaxial zum pulverförmigen Glaslot 5a geführt wird, schmilzt das pulverförmige Glaslot 5a auf. Der erste Laserstrahl 1 führt somit zentral durch die Düse 9 hindurch. In flüssiger Form trifft das Glaslot 5a auf die zu lötenden keramische Bauteile 3, benetzt die keramischen Bauteile 3 und stellt an dieser Stelle die Lötverbindung an dieser Stelle eines Spalts 6 her. Durch eine Relativbewegung zwischen dem zugeführten Glaslot 5a und den keramischen Bauteilen 3 wird entlang des zu lötenden Spalts 6 eine Fügenaht 7 hergestellt. Dabei wird die Fügenaht 7 während des Lötens durch eine seitlich positionierte Schutzgaszuführung 10 mit Schutzgas 13 beströmt. Durch das Schutzgas 13 wird eine Fügeatmosphäre bereitgestellt. Zur Verbesserung des Lötprozesses insbesondere zur Verbesserung der Benetzung und/oder zur kontrollierten Abkühlung des flüssigen Glaslotes weist das Laserlötsystem 8 ein zweites Lasersystem 12 zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls 2 auf. Der zweite Laserstrahl 2 ist seitlich positioniert und etwas beabstandet von dem ersten Laserstrahl 1 auf das bereits wieder erstarrende Lot gerichtet. Die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls 2 weicht von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls 1 ab um eine Auslöschung durch Interferenz der beiden Laserstrahlen 1, 2 zu vermeiden.
Das in 2 dargestellte Laserlötsystem 8 weist im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Laserlötsystem 8 eine seitlich positionierte Zuführung 9 für die Zuführung von stabförmigem Glaslot 5b auf. Der von dem ersten Lasersystem 11 erzeugte erste Laserstrahl 1 ist wie in 1 orthogonal zu der von den zu fügenden keramischen Bauteilen 3 gebildeten Oberfläche 14 ausgerichtet. Der erste Laserstrahl 1 schmilzt das stabförmige Glaslot 5b vor dem Auftreffen auf die zu lötenden keramische Bauteile 3 auf und stellt wie in 1 die Lötverbindung an dieser Stelle des Spalts 6 her. Ebenfalls entsprechend 1 erfolgt die Erzeugung der Fügenaht 7 durch die beschriebene Relativbewegung und weist das Laserlötsystem 8 ein zweites Lasersystem 12 zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls 2 auf.

Claims

Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen (3), wobei die Bauteile (3) mit Hilfe eines ersten Laserstrahls (1) gelötet werden und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls (2) Fügeparameter manipuliert werden, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls (2) von der des ersten Laserstrahls (1) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Löten mit Hilfe von Glaslot erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Lot pulverförmig (5a) und/oder stabförmig (5b) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Fügenaht (7) durch eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen und dem zugeführten Lot entlang eines zu fügenden Spalts (6) entsteht, wobei eine Bewegung des ersten Laserstrahls (1) der des Lotes entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Fügenaht (7) mit Schutzgas (13) zur Bereitstellung einer Lötatmosphäre beströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mit Hilfe des zweiten Laserstrahls (2) die Benetzung der Bauteile und/oder der Temperaturverlauf einer entstehenden Fügenaht (7) manipuliert werden.
Laserfügesystem (8) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Fügen von mindestens zwei keramischen Bauteilen (3), mit einer Aufnahmevorrichtung zur Positionierung der Bauteile (3), einem ersten Lasersystem (11) zur Abgabe eines ersten Laserstrahls (1) zum Löten der Bauteile (3) und einem zweiten Lasersystem (12) zur Abgabe eines zweiten Laserstrahls (2) zur Manipulation von Lötparametern, insbesondere der Benetzung der Bauteile (3) und/oder des Temperaturverlaufs einer entstehenden Fügenaht (7), wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls (2) von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls (1) abweicht.
Laserfügesystem (8) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserfügesystem (8) eine Lotzuführung (9) zum Aufbringen von pulverförmigem (5a) und/oder stabförmigem (5b) Glaslot aufweist, wobei das erste Lasersystem (11) geeignet ist das Glaslot aufzuschmelzen.
Laserfügesystem (8) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzgaszuführung (10) zur Bereitstellung einer Lötatmosphäre vorgesehen ist.