DE102017100497B4 - Process for beam-based joining of metallic base materials - Google Patents

Abstract

Verfahren zum strahlbasierten Fügen von metallischen Grundwerkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffes, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur, im Wesentlichen gleich der Schmelztemperatur oder oberhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegt, wobei ein Strahl für einen Energieeintrag so geformt und zugeführt wird, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf die Oberfläche des Zusatzwerkstoffes begrenzt ist und der Strahl mit einer Leistungsdichte auftrifft, mittels derer eine Dampfkapillare im Zusatzwerkstoff erzeugt wird, wobei die Dampfkapillare auf den Zusatzwerkstoff begrenzt erzeugt wird und durch Steuerung des Energieeintrags mittels des Strahls ein Temperaturgradient oder -gradientbereich entlang einer sich ausbildenden Kontaktfläche des geschmolzenen Zusatzwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff gezielt erzeugt wird, der zu keinem Anschmelzen des Grundwerkstoffes führt.Method for beam-based joining of metallic base materials using a molten filler material whose melting temperature is below the melting temperature, essentially the same as the melting temperature or above the melting temperature of the base material, with a beam for an energy input being shaped and supplied in such a way that the point of impact of the beam is on the surface of the filler material is limited and the jet impinges with a power density by means of which a vapor capillary is generated in the filler material, the vapor capillary being generated limited to the filler material and by controlling the energy input by means of the jet a temperature gradient or temperature gradient area along a contact surface that is formed of the molten filler material is specifically generated with the base material, which does not lead to the base material melting.

Description

Beim Löten werden nach heutigem Stand der Technik Lotwerkstoffe eingesetzt, die eine geringere Schmelztemperatur als die zu fügenden Grundwerkstoffe haben DIN07. Grundsätzlich grenzt sich das Löten vom Schweißen dadurch ab, dass die Grundwerkstoffe nicht aufschmelzen Müller, W: Müller, J. U.: Löttechnik: Leitfaden für die Praxis. Dt. Verlag für Schweißtechnik, DVS-Verlag (1995). Die Grundwerkstoffe werden durch eine Lotschmelze verbunden, während sie im festen Zustand verbleiben. In der Grenzschicht zwischen den Fügepartnern bildet sich beim Löten eine stoffschlüssige Verbindung aus. Bei bestimmten Materialkombinationen wird in der Industrie ggf. je nach Anwendung ein gewisses Anschmelzen toleriert.According to the current state of the art, brazing materials are used for brazing that have a lower melting temperature than the base materials to be joined DIN07. In principle, soldering differs from welding in that the base materials do not melt. Müller, W: Müller, J. U.: Löttechnik: Handbuch für die Praxis. German publishing house for welding technology, DVS publishing house (1995). The base materials are joined by a solder melt while remaining in the solid state. During soldering, a material connection is formed in the boundary layer between the joining partners. With certain material combinations, a certain degree of melting may be tolerated in the industry, depending on the application.

Beim Laserstrahllöten wird in der Regel ein Zusatzwerkstoff (Lotwerkstoff), häufig in Form von Draht oder seltener auch als Fülldraht mit Pulver zugeführt; aber auch Einleger sind möglich. Drähte haben typischerweise eine kreisrunde Querschnittsfläche. Dies ist aber nicht zwingend. Nach dem Stand der Technik werden beim Laserstrahllöten oder auch kurz Laserlöten defokussierte Laserstrahlen verwendet, wobei die Größe von deren Spot 10 auf dem Werkstück größer als beispielsweise der Durchmesser des Drahtes 12 aus einem Lotwerkstoff ist, sodass neben dem direkten Energieeintrag in den Lotwerkstoff auch ein direkter Energieeintrag in den Grundwerkstoff erfolgt (siehe 1a) (Stand der Technik) 14 = Schmelze, 16 = Lotnaht). Alternativ werden fokussierte Laserstrahlen verwendet, welche aufgrund des optischen Linsensystems den benötigten großen Fokusdurchmesser erreichen. Die verwendeten Strahldurchmesser auf der Werkstoffoberfläche betragen in der Regel 2 mm bis 4 mm Donst, D.: Entwicklung eines Zweistahlverfahrens zum flussmittelfreien Laserstrahlhartloeten von Aluminiumblechwerkstoffen. Apprimus-Verlag Aachen (2012). Beim konventionellen Laserlöten wird die Energie über Fresnel-Absorption an den Oberflächen des festen und flüssigen Lotes und des festen Grundwerkstoffes eingebracht.In laser beam brazing, an additional material (soldering material) is usually added, often in the form of wire or, more rarely, as flux-cored wire; but depositors are also possible. Wires typically have a circular cross-sectional area. But this is not mandatory. According to the prior art, laser beam soldering, or laser soldering for short, uses defocused laser beams, with the size of their spot 10 on the workpiece being larger than, for example, the diameter of the wire 12 made of a soldering material, so that in addition to the direct energy input into the soldering material, there is also a direct energy input into the base material (see 1a ) (prior art) 14 = melt, 16 = solder seam). Alternatively, focused laser beams are used, which achieve the required large focus diameter due to the optical lens system. The beam diameters used on the material surface are usually 2 mm to 4 mm Donst, D.: Development of a two-beam process for flux-free laser beam brazing of aluminum sheet materials. Apprimus-Verlag Aachen (2012). With conventional laser soldering, the energy is introduced via Fresnel absorption on the surfaces of the solid and liquid solder and the solid base material.

Das Ausnutzen einer Dampfkapillare, die sich bei hohen Leistungsdichten in einem durch einen Laserstrahl bestrahlten Werkstück ausbildet, ist beim Schweißen (Elektronenstrahlsowie Laserstrahlschweißen) Stand der Technik und wird Tiefschweißen genannt. Die Dampfkapillare wird auch Keyhole genannt Katayama, S.: Introduction: fundamentals of laser welding. In: Handbook of laser welding technologies. Woodhead Publishing (2013), 3-16. Um ausreichende hohe Leistungsdichten (in der Lasertechnik als Intensität bezeichnet) zu erreichen, wird im Gegensatz zum konventionellen Löten eher mit einem auf der Werkstückoberfläche fokussierten Laserstrahl mit hoher Strahlqualität gearbeitet. (Grundsätzlich wird der Fokus des Laserstrahls dabei häufig nicht exakt auf der Oberfläche positioniert, sondern mit einer Fokuslage, dessen Abstand von der Werkstückoberfläche typischerweise innerhalb einer Rayleigh-Länge liegt.) Beispielsweise Single-Mode-Faserlaser können heutzutage Fokusdurchmesser und somit minimale Spotdurchmesser auf dem Werkstück von wenigen Mikrometern aufweisen Naeem, M. „Developments in laser microwelding technology“ Handbook of Laser Welding Technologies. Woodhead Publishing, 2013. 163-211. Typischerweise liegen die Fokus- bzw. Spotdurchmesser beim Nutzen eines Keyholes im Fall des Laserstrahls im Bereich zwischen 10 µm und 500 µm, wobei je nach Werkstoff unterschiedlich hohe Leistungen erforderlich sind, um die Keyholebildung zu erreichen. Bei Aluminiumwerkstoffen liegt die erforderliche Leistungsdichte beispielsweise im Fall von Festkörperlasern mit einer Wellenlänge von circa 1064 nm bei circa 10E7 W/cm² und bei Stählen bei circa 10E6 W/cm². Die Einheit ist traditionell W/cm². Single-Mode-Laser weisen im Fokus in der Regel (näherungsweise) eine Gaußverteilung der Intensität auf. Daher ist die Leistungsdichte im Spot nicht konstant, sodass die Schwellwerte für die Keyholebildung nur Größenordnungen widerspiegeln. Der Durchmesser der Dampfkapillare entspricht in der Regel näherungsweise dem Spotdurchmesser des Lasers auf dem Werkstück.The use of a vapor capillary, which forms at high power densities in a workpiece irradiated by a laser beam, is state of the art in welding (electron beam and laser beam welding) and is called deep-penetration welding. The vapor capillary is also called keyhole Katayama, S.: Introduction: fundamentals of laser welding. In: Handbook of laser welding technologies. Woodhead Publishing (2013), 3-16. In order to achieve sufficiently high power densities (referred to as intensity in laser technology), in contrast to conventional soldering, a laser beam with high beam quality is focused on the workpiece surface. (Basically, the focus of the laser beam is often not positioned exactly on the surface, but with a focus position whose distance from the workpiece surface is typically within a Rayleigh length.) For example, single-mode fiber lasers today can have focus diameters and thus minimal spot diameters on the workpiece of a few micrometers Naeem, M. "Developments in laser microwelding technology" Handbook of Laser Welding Technologies. Woodhead Publishing, 2013. 163-211. Typically, the focus or spot diameter when using a keyhole in the case of the laser beam is in the range between 10 µm and 500 µm, with different levels of power being required depending on the material in order to achieve keyhole formation. In the case of aluminum materials, for example in the case of solid-state lasers with a wavelength of approximately 1064 nm, the required power density is approximately 10E7 W/cm ² and in the case of steel it is approximately 10E6 W/cm ² . The unit is traditionally W/cm ² . Single-mode lasers generally have (approximately) a Gaussian intensity distribution in the focus. Therefore, the power density in the spot is not constant, so that the threshold values for keyhole formation only reflect orders of magnitude. The diameter of the vapor capillary usually corresponds approximately to the spot diameter of the laser on the workpiece.

Beim konventionellen Laserlöten wird durch die eingebrachte Energie zum einen der Lotwerkstoff aufgeschmolzen und zum anderen der Grundwerkstoff erwärmt. Beim Löten von beispielsweise Aluminium ist in der Industrie der Einsatz von Weichloten, zum Beispiel auf Zinkbasis, Stand der Technik, wobei die Festigkeit des Lotwerkstoffes deutlich unter derjenigen des Grundwerkstoffes liegt. Höherfeste Aluminiumbasislote sind durch das sogenannte Wärmeleitungslöten nur sehr bedingt einsetzbar, da die Liquidustemperatur des Lotwerkstoffes nur geringfügig oder nicht über der Solidustemperatur des Aluminiumgrundwerkstoffes liegt Klocke, F.: Castell-Codesal, A.; Senster, P.: Laserstrahlhartlöten von Aluminium. Wt Werkstattstechnik Online 93 (2003), 447-451, wodurch es häufig zu Anschmelzungen des Grundwerkstoffes kommt. Auch beim Löten von Stahl weisen die heute zur Verfügung stehenden Lotwerkstoffe in der Regel geringere Festigkeiten als die Grundwerkstoffe auf.With conventional laser soldering, the energy introduced melts the soldering material and heats the base material. When soldering aluminum, for example, the use of soft solders, for example based on zinc, is state of the art in industry, the strength of the solder material being significantly lower than that of the base material. High-strength aluminum base solders can only be used to a very limited extent due to so-called heat conduction soldering, since the liquidus temperature of the solder material is only slightly or not above the solidus temperature of the aluminum base material Klocke, F.: Castell-Codesal, A.; Senster, P.: Laser beam brazing of aluminium. Wt workshop technology Online 93 (2003), 447-451, which often leads to melting of the base material. Even when brazing steel, the brazing materials available today are generally less strong than the base materials.

Die US 2011/0095003 A1 betrifft ein Schmelzschweißverfahren und eine Schmelzschweißvorrichtung.The U.S. 2011/0095003 A1 relates to a fusion welding method and apparatus.

Die EP 2 281 657 A1 offenbart ein Verbindungsverfahren für Metallelemente und eine verbundene Struktur daraus.Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, beim strahlbasierten Fügen, insbesondere Elektronenstrahl- und Laserstrahllöten, von metallischen Grundwerkstoffen die Verwendung von Zusatzwerkstoffen, deren Schmelztemperaturen nahe oder über der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegen, zu ermöglichen.The EP 2 281 657 A1 discloses a joining method for metal elements and a joined structure thereof. The present invention is therefore based on the object of beam-based joining, in particular electron beam and Laser beam brazing, to enable the use of additional materials for metallic base materials, the melting temperatures of which are close to or above the melting temperature of the base material.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum strahlbasierten Fügen, von metallischen Grundwerkstoffen gemäß Anspruch 1 gelöst. Als Auftreffpunkt wird hier die Spotfläche des Strahls auf der Werkstoffoberfläche bezeichnet. Vorteilhafterweise wird die Ausprägung der Dampfkapillare gesteuert bzw. kontrolliert. Für einen direkten Energieeintrag in den Zusatzwerkstoff wird also der Tiefschweißeffekt (Keyholebildung) verwendet. Dadurch kann die Energieeffizienz auch schon bei Schmelztemperaturen des Zusatzwerkstoffes unterhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes deutlich gesteigert werden, da bei vielen Werkstoffen die Absorption mittels Dampfkapillare (Keyhole) um ein vielfaches höher ist als die Absorption beim konventionellen auf Fresnel-Absorption an der Werkstückoberfläche basierenden Strahllöten. Beispielsweise können bei Einsatz eines Lasers mit einer Wellenlänge von circa 1064 nm die Absorptionsgrade bei vorhandenem Keyhole bei Aluminium über 90 % betragen, während sie sonst auch bei Berücksichtigung von Oberflächenvorbehandlungen, wie Aufrauhen, in der Regel deutlich unter 20 % liegen. Dies gilt grundsätzlich für die klassischen Werkstoffkombinationen aus Lot- und Grundwerkstoff, die heutzutage mittels Laserlöten gefügt werden, bei denen die Liquidustemperatur des Lotwerkstoffes kleiner als die Solidustemperatur des Grundwerkstoffes ist.According to the invention, this object is achieved by a method for beam-based joining of metallic base materials according to claim 1. The spot area of the jet on the material surface is referred to as the point of impact. Advantageously, the shape of the vapor capillary is controlled or monitored. The deep welding effect (keyhole formation) is used for a direct energy input into the filler material. As a result, the energy efficiency can be significantly increased even when the melting temperature of the filler material is below the melting temperature of the base material, since with many materials the absorption by means of a vapor capillary (keyhole) is many times higher than the absorption in conventional beam soldering based on Fresnel absorption on the workpiece surface. For example, when using a laser with a wavelength of around 1064 nm, the degree of absorption with an existing keyhole in aluminum can be over 90%, while otherwise they are usually well below 20%, even if surface pretreatments such as roughening are taken into account. This basically applies to the classic material combinations of solder and base material, which are nowadays joined using laser soldering, where the liquidus temperature of the solder material is lower than the solidus temperature of the base material.

Das Verfahren kann insbesondere zum Elektronenstrahl- und Laserstrahllöten dienen.The method can be used in particular for electron beam and laser beam soldering.

Die Dampfkapillare wird auf den Zusatzwerkstoff begrenzt erzeugt. Mit anderen Worten soll sich die Dampfkapillare nicht in den Grundwerkstoff hinein erstrecken.The vapor capillary is generated limited to the filler material. In other words, the vapor capillary should not extend into the base material.

Vorteilhafterweise wird der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Zusatzwerkstoff räumlich verfahren, um den Energieeintrag räumlich zu steuern. Dazu können beispielsweise geeignete Ablenkeinrichtungen wie beim Lasereinsatz z. B. in Form von Scannersystemen verwendet werden.Advantageously, the point of impact of the beam on the filler material is moved spatially in order to spatially control the energy input. For this purpose, for example, suitable deflection devices such as when using a laser, e.g. B. be used in the form of scanner systems.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit des räumlichen Verfahrens des Auftreffpunkts des Strahls auf dem Zusatzwerkstoff, insbesondere in Abhängigkeit von der Position auf der Oberfläche des Zusatzwerkstoffes, variiert wird.In particular, it can be provided that the speed of the spatial movement of the impact point of the jet on the filler material is varied, in particular depending on the position on the surface of the filler material.

Alternativ kann eine Multi-Spot-Strahlquelle mit mehreren räumlich verteilten Spots verwendet werden, um den Energieeintrag räumlich zu steuern.Alternatively, a multi-spot beam source with multiple spatially distributed spots can be used to spatially control the energy input.

Vorteilhafterweise wird die Leistung des Strahls zeitlich variiert.Advantageously, the power of the beam is varied over time.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Leistung des Strahls in Abhängigkeit von der Position auf der Oberfläche des Zusatzwerkstoffes moduliert wird.In particular, it can be provided that the power of the beam is modulated as a function of the position on the surface of the filler material.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Zusatzwerkstoff in Drahtform zugeführt. Alternativ kann der Zusatzwerkstoff als Formteil zugeführt oder vorpositioniert werden. Der Draht und das Formteil können verschiedene Querschnittsformen aufweisen.According to a further special embodiment of the present invention, the filler material is supplied in wire form. Alternatively, the additional material can be supplied as a molded part or pre-positioned. The wire and the shaped part can have different cross-sectional shapes.

Weiterhin kann der Grundwerkstoff vorteilhafterweise gekühlt werden.Furthermore, the base material can advantageously be cooled.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff mindestens eine Zwischenschicht zur gezielten Beeinflussung des Spreitungsverhaltens und/oder des Fließverhaltens und/oder des Benetzungsverhaltens des Zusatzwerkstoffes auf dem Grundwerkstoff und/oder der Kontakttemperatur existiert oder aufgebracht wird.Finally, it can be provided that at least one intermediate layer exists or is applied between the base material and the filler material to specifically influence the spreading behavior and/or the flow behavior and/or the wetting behavior of the filler material on the base material and/or the contact temperature.

Das neue Verfahren beinhaltet den neuen Ansatz einer Keyhole-Bildung beim Strahllöten, der bisher im Stand der Technik oder Stand der Forschung nicht dokumentiert ist. Da eine Keyholebildung das Überschreiten der Verdampfungstemperatur des Zusatzwerkstoffes voraussetzt, soll diese auf den Zusatzwerkstoff begrenzt sein, da es sonst zum Anschmelzen der Grundwerkstoffe kommen würde. Das Verfahren umfasst in einer besonderen Ausführungsform eine Kombination eines Strahlspots auf der Zusatzwerkstoffoberfläche, dessen Leistungsdichte die unter anderem werkstoffspezifische Intensitätsschwelle zur Keyholebildung übersteigt, mit einer räumlichen Strahl- (der dabei maximal mögliche Modulationsbereich ist auf den Zusatzwerkstoff begrenzt, s. 18 in 1b) sowie zeitlichen Leistungsmodulation. Bei der räumlichen Strahlmodulation wird der Fügegeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsoptik und Grundwerkstoff) eine lokale Bewegung des Strahls auf dem Zusatzwerkstoff überlagert. Die räumliche Modulation kann dabei längs und/oder quer zur Nahtlängsachse ausgeführt werden. Bei der Leistungsmodulation wird die Strahlleistung in Abhängigkeit der Zeit und somit insbesondere in Abhängigkeit der Spotlage auf dem Zusatzwerkstoff variiert. Die Fügegeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsoptik und Grundwerkstoff ist während des Fügeprozesses konstant. Durch dieses Verfahren wird einerseits die Keyholebildung im Zusatzwerkstoff sichergestellt. Anderseits wird in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Keyholebildung durch die Anpassung der Relativgeschwindigkeit zwischen Zusatzwerkstoff und Strahl, die insbesondere die Tiefe des Keyholes beeinflusst, auf den Zusatzwerkstoff begrenzt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ermöglicht das räumliche Bewegen des Strahls bei gleichzeitiger Geschwindigkeits- und Leistungsanpassung in Abhängigkeit von der lokalen Position auf dem Zusatzwerkstoff dabei die Steuerung des Energieeintrages in dem Maße, dass entlang der sich ausbildenden Kontaktfläche des, insbesondere vollständig geschmolzenen Zusatzwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff gezielt ein Temperaturgradient oder -gradientbereich hervorgerufen wird, der im Fall der jeweiligen Fügepartnerkombination (Werkstoffe und Bauform) und Stoßanordnung zu keinem Anschmelzen des Grundwerkstoffes führt.The new method involves the new approach of keyhole formation in jet soldering, which has not been previously documented in the prior art or research. Since keyhole formation requires the evaporation temperature of the filler material to be exceeded, this should be limited to the filler material, as otherwise the base materials would begin to melt. In a special embodiment, the method includes a combination of a beam spot on the filler material surface, whose power density exceeds the material-specific intensity threshold for keyhole formation, among other things, with a spatial beam (the maximum possible modulation range is limited to the filler material, see 18 in 1b ) and temporal power modulation. With spatial beam modulation, a local movement of the beam on the filler material is superimposed on the joining speed (relative speed between processing optics and base material). The spatial modulation can be performed along and/or across the longitudinal axis of the seam. With power modulation, the beam power is varied as a function of time and thus in particular as a function of the spot position on the filler material. The joining speed as the relative speed between the processing optics and the base material is constant during the joining process. On the one hand, this process ensures that keyholes are formed in the filler metal. On the other hand, in a particular embodiment of the invention, the key Hole formation is limited to the filler material by adjusting the relative speed between the filler material and the jet, which particularly affects the depth of the keyhole. According to a particular embodiment, the spatial movement of the beam with simultaneous speed and power adjustment depending on the local position on the filler material allows the control of the energy input to the extent that along the forming contact surface of the, in particular completely melted filler material with the base material, a temperature gradient or gradient area is specifically caused, which in the case of the respective combination of joining partners (materials and design) and joint arrangement does not lead to any melting of the base material.

Da die resultierende Temperatur in der Grenzschicht zwischen den Ausgangstemperaturen des Grundwerkstoffes und des Zusatzwerkstoff vor dem Kontakt liegt, kann gemäß einer besonderen Ausführungsform das Lot vor dem Kontakt sogar eine höhere Temperatur gehabt haben als die Solidustemperatur des Grundwerkstoffes, ohne dass ein Anschmelzen des Grundwerkstoffes resultiert. Dadurch ist dieses Verfahren dazu in der Lage, Zusatzwerkstoff-Grundwerkstoff-Kombinationen zu nutzen, bei denen der Zusatzwerkstoff gleich oder höherschmelzend ist als der Grundwerkstoff, womit der Anwendungsbereich des Lötens signifikant erweitert wird. Solange die resultierende Kontakttemperatur unterhalb der Solidustemperatur (Schmelztemperatur) des Grundwerkstoffes bleibt, findet kein Anschmelzen dessen statt. Die Kontakttemperatur wird neben dem lokalen Temperaturunterschied zwischen Zusatz- und Grundwerkstoff vor dem Kontakt von den Werkstoffeigenschaften (insbesondere Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität) sowie den räumlichen Bedingungen (z.B. Materialdicke des Grundwerkstoffes und Schmelzbadvolumen des Lotes), wodurch die Wärmesenke oder der Wärmestau beeinflusst werden, bestimmt. Dünnere Grundbleche überhitzen beispielsweise eher als dickere. Zudem existiert ein Kontaktwiderstand, der einen Temperatursprung zwischen zwei Körpern hervorruft. Hier spielt die Oberflächenbeschaffenheit eine entscheidende Rolle. Aufgrund der beabsichtigten stoffschlüssigen Verbindung zwischen Zusatz- und Grundwerkstoff wird dieser Temperatursprung in der folgenden Beschreibung vernachlässigt und nicht näher darauf eingegangen. Es ist dabei zu betonen, dass dieser Temperatursprung das Verfahren grundsätzlich positiv beeinflusst.Since the resulting temperature in the boundary layer is between the initial temperatures of the base material and the filler material before contact, according to a special embodiment, the solder can even have had a higher temperature than the solidus temperature of the base material before contact, without the base material melting. As a result, this process is able to use filler material-base material combinations in which the filler material has the same or higher melting point than the base material, which significantly expands the scope of brazing. As long as the resulting contact temperature remains below the solidus temperature (melting temperature) of the base material, it does not melt. The contact temperature is determined not only by the local temperature difference between the filler metal and the base material before contact, but also by the material properties (in particular thermal conductivity, thermal conductivity and specific heat capacity) and the spatial conditions (e.g. material thickness of the base material and volume of the solder melt pool), which influence the heat sink or heat accumulation. For example, thinner base plates are more likely to overheat than thicker ones. In addition, there is a contact resistance that causes a jump in temperature between two bodies. The surface quality plays a decisive role here. Due to the intended material connection between the filler and base material, this temperature jump is neglected in the following description and not discussed in detail. It should be emphasized that this jump in temperature fundamentally has a positive effect on the process.

Als Strahlquellen sind grundsätzlich Laser- und Elektronenstrahlen geeignet. Bei beiden Strahlquellen können Dampfkapillaren (Keyholes) erzeugt und durch das Material bewegt werden. Bei Nutzung eines Elektronenstrahls ermöglichen konventionelle Anlagen grundsätzlich eine ausreichend schnelle Ablenkung des Strahls. Beim Laserstrahleinsatz erlauben heute Scannersysteme ebenfalls eine räumliche Modulation des Laserspots auf der Werkstückoberfläche, wobei ein-, zwei- oder eingeschränkt sogar dreidimensionale Bewegungsmuster möglich sind (siehe exemplarische 1D- und 2D-Modulationsfiguren in 2). Es existieren 1D-Scannersysteme, die ein Pendeln oder Bewegen in einer Achse ermöglichen (siehe 2a)-b)) und 2D-Systeme, die eine Strahlablenkung in zwei Achsen erlauben, sodass durch eine Steuerung des Spots auf der Oberfläche geometrische Formen wie Achten und Kreise (siehe 2 c), 2 d) und 2 e)) oder beliebige Freiformen (siehe 2 f)) eingesetzt werden können. Derartige Systeme nutzen in der Regel mittels Galvanometerantrieb bewegte Spiegel. Sie erlauben hohe Bewegungsgeschwindigkeiten des Laserspots auf der Oberfläche des Werkstücks. Grundsätzlich weist das neue Verfahren keine direkte Beschränkung bezüglich der Geschwindigkeit auf. Typischerweise werden die Bewegungsgeschwindigkeiten des Laserspots im Bereich zwischen 10 mm/s und 5000 mm/s liegen, was durch heutige Scannersysteme abgedeckt wird. Innerhalb einer Scangeometrie kann die Geschwindigkeit variiert werden. Im Fall des erfundenen Verfahrens wird diese Möglichkeit wie oben beschrieben genutzt, um das Keyhole, insbesondere dessen Tiefe, zu kontrollieren. Zudem kann lokal die Leistung angepasst werden.In principle, laser and electron beams are suitable as beam sources. With both beam sources, vapor capillaries (keyholes) can be generated and moved through the material. When using an electron beam, conventional systems generally allow the beam to be deflected sufficiently quickly. When using a laser beam, scanner systems today also allow a spatial modulation of the laser spot on the workpiece surface, whereby one-, two- or even three-dimensional movement patterns are possible to a limited extent (see exemplary 1D and 2D modulation figures in Fig 2 ). There are 1D scanner systems that enable oscillation or movement in one axis (see 2a)-b )) and 2D systems that allow beam deflection in two axes, so that by controlling the spot on the surface, geometric shapes such as figure eights and circles (see 2c), 2d) and 2e) ) or arbitrary free forms (see 2 f) ) can be used. Such systems usually use mirrors that are moved by means of a galvanometer drive. They allow the laser spot to move at high speeds on the surface of the workpiece. In principle, the new method has no direct limitation in terms of speed. Typically, the movement speeds of the laser spot will be in the range between 10 mm/s and 5000 mm/s, which is covered by today's scanner systems. The speed can be varied within a scan geometry. In the case of the invented method, this possibility is used, as described above, to control the keyhole, in particular its depth. In addition, the power can be adjusted locally.

Der Grundwerkstoff besteht in der Regel aus Blechen, Halbzeugen, Bauteilen oder Baugruppen mit einer Materialdicke zwischen 0,1 mm und 10 mm (insbesondere zwischen 0,5 mm und 3 mm). Der Zusatzwerkstoff besteht in der Regel aus Drähten unterschiedlicher Querschnittsformen (insbesondere kreisrunde und dreieckige Querschnittsformen) und Querschnittsflächen zwischen 0,04 mm² und 100 mm² (insbesondere zwischen 0,25 mm² und 10 mm²). Der Zusatzwerkstoff kann als Vollmaterial oder als Fülldraht mit Pulverfüllung ausgeführt sein. Es können auch andere Querschnittsformen genutzt werden, wobei die Form sich in der Regel an der späteren Nahtform orientiert. Anstelle von Drähten können ebenso Formteile zugeführt oder vorpositioniert werden.The base material usually consists of sheet metal, semi-finished products, components or assemblies with a material thickness between 0.1 mm and 10 mm (in particular between 0.5 mm and 3 mm). The filler material usually consists of wires with different cross-sectional shapes (in particular circular and triangular cross-sectional shapes) and cross-sectional areas between 0.04 mm ² and 100 mm ² (in particular between 0.25 mm ² and 10 mm ² ). The additional material can be solid material or flux-cored wire with powder filling. Other cross-sectional shapes can also be used, with the shape generally being based on the subsequent shape of the seam. Instead of wires, molded parts can also be fed in or pre-positioned.

Zusatz- und Grundwerkstoffe sind Metalle (insbesondere Aluminiumlegierungen, Stahlsorten, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Nickellegierungen und Formgedächtnislegierungen). Die metallischen Zusatzwerkstoffe können gleich- oder andersartig wie die Grundwerkstoffe sein.Additional and base materials are metals (especially aluminum alloys, types of steel, titanium alloys, copper alloys, nickel alloys and shape memory alloys). The metallic filler materials can be the same as or different from the base materials.

Das Verfahren ist dabei grundsätzlich als diskontinuierlicher sowie kontinuierlicher Prozess durchführbar. Es können einzelne Fügepunkte (z. B. über Tropfen) oder Nähte erzeugt werden. Nähte können dabei durch eine kontinuierliche Zusatzwerkstoffzuführung erstellt werden, oder mittels aufeinanderfolgenden Tropfen. Die Zuführgeschwindigkeit des Zusatzwerkstoffes kann von der Fügegeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsoptik und Grundwerkstoff) abweichen. Dies ist sogar eher der Regelfall. Die Zuführgeschwindigkeit muss nicht konstant über die Zeit sein.In principle, the process can be carried out as a discontinuous or continuous process. Individual joining points (e.g. via drops) or seams. Seams can be created by a continuous feed of filler material, or by means of successive drops. The feeding speed of the additional material can deviate from the joining speed (relative speed between processing optics and base material). This is even more the norm. The feed rate does not have to be constant over time.

Grundsätzlich sind alle bekannten Stoßarten des Strahl- bzw. insbesondere des Laserlötens denkbar (insbesondere: Stumpfstoß mit V-Naht, Kehlnaht am Überlappstoß, Kehlnaht am T-Stoß, Kehlnaht am Bördelstoß (siehe 3)). 3 zeigt Löten mit fokussiertem Strahl 20 unter Verwendung von Strahlmodulation am Beispiel einer Kehlnaht 22 an einem Bördelstoß 24, in dem zwei Teile 26, 28 aus Grundwerkstoffen) aneinander gefügt werden sollen. Die Vorgänge an den Positionen x1 bis x5 werden in 4 anhand von Schnittbildern detailliert beschrieben.In principle, all known types of beam or, in particular, laser soldering are conceivable (in particular: butt joint with V-seam, fillet weld at lap joint, fillet weld at T-joint, fillet weld at flanged joint (see 3 )). 3 shows soldering with a focused beam 20 using beam modulation using the example of a fillet weld 22 on a flanged joint 24 in which two parts 26, 28 made of base material(s) are to be joined together. The operations at positions x1 to x5 are in 4 described in detail using cross-sectional images.

Die dabei ablaufenden Vorgänge sind exemplarisch für einen Fall in 4 anhand von Schnittbildern (schematische Skizzen) dargestellt. Ein Draht (30) aus Zusatzwerkstoff wird vom räumlich modulierten Strahl 20 unter Ausnutzung der Keyholebildung teilweise aufgeschmolzen (Position x = x₁). Der Bereich unter der eingezeichneten Soliduslinie ist noch fest. Bei weiterem Energieeintrag wird weiterer Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen (Position x = x₂), bis die gesamte Querschnittsfläche auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des Zusatzwerkstoffes erwärmt ist (Position x = x₃). Die Linien 32 sollen hier Isothermen gleicher Temperatur exemplarisch darstellen. Ab diesem Zeitpunkt wird die dargestellte Querschnittsfläche in diesem Beispielfall nicht mehr vom räumlich modulierten Strahl bestrahlt, sodass er in der Schnittfläche nicht mehr zu sehen ist. Dies soll hier nicht implizieren, dass der Strahl ausgeschaltet ist. Es handelt sich in diesem Beispiel um einen kontinuierlichen Prozess. Bei x = x₃ trifft der flüssige Zusatzwerkstoff auf den Grundwerkstoff, aus dem die Teile 26 und 28 bestehen, wodurch ein erster Kontakt entsteht. Es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung, wobei der Prozess auf Diffusionsvorgängen beruht. An der Kontaktstelle erstarrt die Lotschmelze instantan (siehe Beschreibung der 5). Der weitere Benetzungsvorgang beruht darauf, dass die Lotschmelze den bereits erstarrten Bereich überfließt und sich die Kontaktfläche (= Grenzschicht = stoffschlüssige Verbindungsfläche) somit stetig vergrößert (Position x = x₄). Die final ausgebildete Naht zeigt Position x = x₅.The processes that take place are exemplary for a case in 4 represented by sectional images (schematic sketches). A wire (30) made of additional material is partially melted by the spatially modulated beam 20 using keyhole formation (position x=x ₁ ). The area under the drawn solidus line is still fixed. With further input of energy, further filler material is melted (position x=x ₂ ) until the entire cross-sectional area has been heated to a temperature above the liquidus temperature of the filler material (position x=x ₃ ). The lines 32 are intended to represent isotherms of the same temperature as an example here. From this point in time, the cross-sectional area shown in this example is no longer irradiated by the spatially modulated beam, so that it can no longer be seen in the cut area. This is not intended to imply here that the beam is off. This example is a continuous process. At x=x ₃ the liquid filler material meets the base material from which the parts 26 and 28 are made, as a result of which an initial contact occurs. A material connection is created, whereby the process is based on diffusion processes. At the contact point, the solder melt solidifies instantaneously (see description of the 5 ). The further wetting process is based on the fact that the molten solder flows over the area that has already solidified and the contact surface (= boundary layer = materially bonded connection surface) thus steadily increases (position x = x ₄ ). The final seam shows position x = x ₅ .

Der grundsätzliche Zusammenhang, der dem Verfahren zugrunde liegt und das daraus resultierende Prozessfenster sind in 5 dargestellt. Der flüssige Zusatzwerkstoff hat initial vor dem Kontakt die Temperatur T_vor,L, welche oberhalb der Liquidustemperatur des Zusatzwerkstoffes T,_Liq,L liegt, die wiederum über der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes T_Sol,G liegen kann. Der Grundwerkstoff hat vor dem Kontakt die Temperatur T_vor,G. Unmittelbar bei Kontakt bildet sich aufgrund des Temperaturgradienten die Kontakttemperatur T_Kontakt in der Grenzschicht aus. Diese muss zum Löten unterhalb der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes T_Sol,G liegen, damit dieser im festen Zustand verbleibt. Aus der Temperatur des Grundwerkstoffs vor dem Kontakt T_vor,G sowie der Solidustemperatur des Grundwerkstoffs T_Sol,G ergibt sich der Temperaturbereich, der bei dem neuen Verfahren in der Grenzschicht auftreten darf und somit das Prozessfenster darstellt. Neben den Ausgangstemperaturen beeinflussen insbesondere die Werkstoffeigenschaften (insbesondere die Wärmeleitfähigkeiten, Temperaturleitfähigkeiten und spezifischen Wärmekapazitäten) die Kontakttemperatur, da sie die Steigungen innerhalb der zwei Werkstoffbereiche beeinflussen.The basic context on which the process is based and the resulting process window are in 5 shown. Before contact, the liquid filler material initially has the temperature T _vor,L , which is above the liquidus temperature of the filler material T, _Liq,L , which in turn can lie above the solidus temperature of the base material T _Sol,G . Before contact, the base material has the temperature T _vor,G . Immediately upon contact, the contact temperature T _contact forms in the boundary layer due to the temperature gradient. For soldering, this must be below the solidus temperature of the base material T _Sol,G so that it remains in the solid state. The temperature of the base material before contact T _vor,G and the solidus temperature of the base material T _Sol,G result in the temperature range that may occur in the boundary layer with the new process and thus represents the process window. In addition to the initial temperatures, the material properties (particularly the thermal conductivities, thermal diffusivities and specific heat capacities) influence the contact temperature, since they influence the gradients within the two material areas.

Neben Scannersystemen ist es denkbar, einen Multi-Spot-Ansatz umzusetzen, indem Multi-Spot-Strahlquellen eingesetzt werden, wobei der Wärmeeintrag nicht durch die räumliche Modulation eines Strahls sondern durch die räumliche Verteilung mehrerer stationärer Strahlen (mindestens zwei Strahlen, wahrscheinlich zwischen 6 und 36 Strahlen) räumlich gesteuert werden kann. Hierbei - aber auch generell - ist es zudem denkbar, dass die Keyholetiefen durch Keyhole-Tiefenmesssysteme während des Prozesses gemessen und angepasst werden, sodass eine online-Regelung möglich wird. Die Strahlleistung kann für jeden Spot unabhängig voneinander gewählt werden.In addition to scanner systems, it is conceivable to implement a multi-spot approach by using multi-spot beam sources, where the heat input can be spatially controlled not by the spatial modulation of a beam but by the spatial distribution of several stationary beams (at least two beams, probably between 6 and 36 beams). Here - but also in general - it is also conceivable that the keyhole depths are measured and adjusted by keyhole depth measuring systems during the process, so that online control is possible. The beam power can be selected independently for each spot.

Ebenfalls kann das Verfahren mit einer Prozessregelung in Form einer Online-Temperaturmessung gekoppelt werden, um Prozessparameter wie z. B. Strahlleistung oder Bewegungsgeschwindigkeit des Strahls zu regeln.The method can also be coupled with process control in the form of online temperature measurement in order to process parameters such as e.g. B. to regulate beam power or speed of movement of the beam.

Die resultierende Kontakttemperatur verschiebt sich zu niedrigeren Werten mit fallender Ausgangstemperatur des Grundwerkstoffes, sodass eine zusätzliche Kühlung des Grundwerkstoffes dazu führen kann, das Prozessfenster bzw. den Bereich fügbarer Werkstoffkombinationen auszuweiten.The resulting contact temperature shifts to lower values as the initial temperature of the base material falls, so that additional cooling of the base material can lead to an expansion of the process window or the range of joinable material combinations.

Zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff können Zwischenschichten existieren oder extra aufgebracht werden, die das Spreitungs- und/oder Fließ- und/oder Benetzungsverhalten des Lotes auf dem Grundwerkstoff beeinflussen. Die Zwischenschicht(en) könnte(n) beispielsweise als Beschichtung auf dem Grundwerkstoff oder als zugeführte Folie in den Prozess eingebracht werden. Niedrig schmelzende Schichten wie Zinkbeschichtungen können das Spreitungsverhalten positiv beeinflussen. Derartige Zwischenschichten beeinflussen ungewollt oder gewollt zudem die Wärmeübertragung und die Ausbildung der Kontakttemperatur. Dadurch kann der Prozess positiv beeinflusst werden. Der Einsatz von Flussmitteln zwischen Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff hat dieselbe Wirkung wie beim konventionellen Laserlöten. Flussmittel entfernen Oxidschichten und verhindern oder verringern deren Neubildung während des Prozesses. Dies fördert den Benetzungsprozess bzw. die Bildung der stoffschlüssigen Verbindung.Between the base material and the additional material, intermediate layers can exist or be applied separately, which influence the spreading and/or flow and/or wetting behavior of the solder on the base material. The intermediate layer(s) could, for example, be a coating on the base material or a foil fed into the process be introduced. Layers with a low melting point, such as zinc coatings, can have a positive effect on the spreading behavior. Intermediate layers of this type also influence the heat transfer and the development of the contact temperature, either intentionally or unintentionally. This can have a positive influence on the process. The use of flux between filler material and base material has the same effect as with conventional laser soldering. Fluxes remove oxide layers and prevent or reduce their formation during the process. This promotes the wetting process or the formation of the material connection.

Die in der oben genannten Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the above description, in the claims and in the drawings can be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Claims (11)

Verfahren zum strahlbasierten Fügen von metallischen Grundwerkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffes, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur, im Wesentlichen gleich der Schmelztemperatur oder oberhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegt, wobei ein Strahl für einen Energieeintrag so geformt und zugeführt wird, dass der Auftreffpunkt des Strahls auf die Oberfläche des Zusatzwerkstoffes begrenzt ist und der Strahl mit einer Leistungsdichte auftrifft, mittels derer eine Dampfkapillare im Zusatzwerkstoff erzeugt wird, wobei die Dampfkapillare auf den Zusatzwerkstoff begrenzt erzeugt wird und durch Steuerung des Energieeintrags mittels des Strahls ein Temperaturgradient oder -gradientbereich entlang einer sich ausbildenden Kontaktfläche des geschmolzenen Zusatzwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff gezielt erzeugt wird, der zu keinem Anschmelzen des Grundwerkstoffes führt.Method for jet-based joining of metallic base materials using a molten filler material, the melting temperature of which is below the melting temperature, essentially the same as the melting temperature or above the melting temperature of the base material, with a jet for an energy input being shaped and fed in such a way that the point of impact of the jet is limited to the surface of the filler material and the jet strikes with a power density by means of which a vapor capillary is generated in the filler material, the vapor capillary being generated limited to the filler material and by controlling the energy input by means of the jet, a temperature gradient or gradient area is specifically generated along a forming contact surface of the molten filler material with the base material, which does not lead to any melting of the base material. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auftreffpunkt des Strahls auf dem Zusatzwerkstoff räumlich variiert wird, um den Energieeintrag räumlich zu steuern.procedure after claim 1 , whereby the point of impact of the beam on the filler material is spatially varied in order to spatially control the energy input. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Geschwindigkeit des räumlichen Variierens des Auftreffpunkts des Strahls variiert wird.procedure after claim 2 , where the rate of spatially varying the point of impingement of the jet is varied. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Multi-Spot-Strahlquelle mit mehreren räumlich verteilten Spots verwendet wird, um den Energieeintrag räumlich zu steuern.procedure after claim 1 or 2 , where a multi-spot beam source with multiple spatially distributed spots is used to spatially control the energy input. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leistung des Strahls zeitlich variiert wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein the power of the beam is varied over time. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leistung des Strahls in Abhängigkeit von der Position auf der Oberfläche des Zusatzwerkstoffes moduliert wird.A method according to any one of the preceding claims, wherein the power of the beam is modulated as a function of position on the surface of the filler material. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zusatzwerkstoff in Drahtform zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the filler material is supplied in wire form. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zusatzwerkstoff als Formteil zugeführt oder vorpositioniert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , whereby the additional material is supplied as a molded part or pre-positioned. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundwerkstoff gekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the base material is cooled. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff mindestens eine Zwischenschicht zur gezielten Beeinflussung des Spreitungsverhaltens und/oder des Fließverhaltens und/oder des Benetzungsverhaltens des Zusatzwerkstoffes auf dem Grundwerkstoff und/oder der Kontakttemperatur existiert oder aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein at least one intermediate layer exists or is applied between the base material and the filler material for the targeted influencing of the spreading behavior and/or the flow behavior and/or the wetting behavior of the filler material on the base material and/or the contact temperature. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Strahl ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, in which an electron beam or a laser beam is used as the beam.

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