DE19756110C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auftrennen von Glaslot-Verbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftrennen von Glaslot-Verbindungen mittels Laserstrahlung.

Unter Glaslot sollen im weitesten Sinne auch glaslotähnliche Lotwerkstoffe oder Verbundlote mit Glasanteilen verstanden werden.

Unter Verfahren zum Auftrennen sollen in den nachfolgenden Betrachtungen sowohl alle die Verfahren verstanden werden, die die Lotnaht tatsächlich nur auftrennen, als auch die, welche das Lot entfernen.

Der wirtschaftlichen Bedeutung Rechnung tragend, sind die meisten bekannten Verfahren zum Auftrennen von Glaslot-Verbindungen in der Fach- und Patentliteratur in der Anwendung auf die Auftrennung von Katodenstrahlröhren in ihre Bestandteile beschrieben. Sie sind im wesentlichen auch auf die Auftrennung anderer Bauteile übertragen.

Bekannt sind mechanische Verfahren, wie Diamantsägen oder Ritzen. Die Einwirkung mechanischer Kräfte erfordert ein sicheres Fixieren des Werkstückes. Das Werkzeug unterliegt dem Verschleiß und es ist problematisch, die Trennungslinie auf die Lotnaht so zu beschränken, daß es zu keiner Schädigung der angrenzenden Bestandteile kommt.

In der EP 0 222 948 A2 ist ein chemisches Verfahren beschrieben, bei welchem fehlerhafte Farbbildröhren durch die Einwirkung verdünnter Salpetersäure unter zusätzlicher Verwendung von Ultraschall zerstörungsfrei getrennt werden. Dieses Verfahren hat ebenso wie andere naßchemische Verfahren den Nachteil, daß sie zeitaufwendig sind, eine erhebliche Umweltbelastung darstellen und die Rückstände einer Sonderaufbereitung zugeführt werden müssen.

In der DE 195 41 299 C1 ist ein Verfahren offenbart, bei welchem ein ausgehärtetes Glaslot aufgelöst wird. Um beispielsweise hochwertige Brennstoffzellen dem Recyclingprozeß zuzuführen, werden diese in einer Schmelze aus Hydroxid erwärmt, wodurch das Glaslot aufgelöst und die Brennstoffzellen in ihre einzelnen Elemente zerlegt werden. Dieses Verfahren erfordert einen Zeitaufwand von mehreren Stunden.

Die DE 44 17 877 C2 betrifft ein Verfahren, bei dem eine Glaslot-Verbindung, gezielt durch einen fokussierten Laserstrahl, bis zum Verdampfen erhitzt wird. Damit das Glaslot vollständig verdampft wird, wird die Laserstrahleinrichtung örtlich definiert und mit entsprechender Geschwindigkeit geführt. Das verdampfte Glaslot wird durch Absaugen entfernt. Mit dem Ziel, die Dauer der Einwirkung der Laserenergie zu verringern, wird vorgeschlagen, vorteilhafterweise zwei oder mehrere Laserstrahleinrichtungen einzusetzen, um die Geschwindigkeit der Glaslotentfernung zu vergrößern.

Nachteilig ist hier, daß die zur vollständigen Verdampfung erforderliche Einwirkung der Laserenergie in den angrenzenden Teilen zu einem unkontrollierten Spannungszustand und zum Anschmelzen deren Randbereiche führt, wodurch eine nicht reproduzierbare Qualität der wiederzuverwendenden Teile in den Randbereichen entsteht oder die Teile überhaupt unbrauchbar werden.

Die verschiedenen bekannten Thermoschockverfahren unterscheiden sich im wesentlichen durch die unterschiedlich verwendeten Wärmequellen, wie beispielsweise Wasser, Gas, IR-Strahlung oder Laserstrahlung.

So ist in der EP 0 665 190 A2 ein Verfahren zum Trennen von Bildschirm-Glasröhren beschrieben, bei dem mittels einer Düsenanordnung die Lotnaht mit vorgewärmten Wasser besprüht und im Anschluß durch einen Kühlmittelstrahl schockartig abgekühlt wird. Da die Einwirkung der beiden Flüssigkeitsstrahlen nicht sicher auf die Lotnaht beschränkt werden kann, werden auch die angrenzenden Bestandteile thermisch belastet, was zu Rissen in diesen führen kann.

Das Erhitzen der Lotnaht mittels IR-Strahler, Gasbrenner oder Laser wird in dem Artikel: "Recycling of cathode ray tubes", Research Disclosure, January 1994/5 genannt.

Aus diesem Artikel und der dazugehörigen Prinzipskizze ist entnehmbar, daß die Katodenstrahlröhre auf einem drehbar gelagerten Tisch so angeordnet ist, daß sie bei Rotation des Tisches um ihre Achse rotiert. Die Strahlung bzw. der Strom zum Erhitzen der Lotnaht wird radial zur Drehachse, an zwei um 180° zueinander versetzten Stellen auf die Lotnaht gerichtet. Durch das anschließende Abschrecken wird das Bildschirmteil vom Konusteil abgesprengt. Mit der Wirkungsweise dieser Anordnung ist ein gegenüber allen vorher beschriebenen Trennverfahren schnelleres Auftrennen von Glaslot-Verbindungen, hier speziell an Katodenstrahlröhren möglich.

Für den Fall der anschließenden Entsorgung, d. h. der Zerstörung der separierten Bestandteile, ist diese einfache Anordnung daher vorteilhaft.

Sollen jedoch die separierten Bestandteile einer Wiederverwendung zugeführt werden, ist ihre Anwendung ungeeignet.

Nachteilig ist dann, daß der Wärmeeintrag ungeregelt und nicht in Abhängigkeit von der tatsächlichen Erwärmung der Lotnaht erfolgt. Dadurch entstehen in Abhängigkeit von den Schwankungen der Lotnahtgeometrie, insbesondere deren Breite und Tiefe, zeitgleich Temperaturdifferenzen, die ein inhomogenes Spannungsfeld in der Lotnaht entstehen lassen, welches dazu führen kann, daß die Rißbildung unkontrolliert erfolgt und die angrenzenden Bestandteile beschädigt werden.

Überhaupt stellen alle sogenannten Thermoschockverfahren durch den abrupten Temperatursturz eine erhebliche thermische Belastung auch für die an die Lotnaht angrenzenden Bestandteile dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, mit welchem zwei durch ein Glaslot verbundene Teile schnell und mit einer reproduzierbaren Qualität in deren Randzonen voneinander getrennt und einer Wiederverwendung zugeführt werden können. Das Verfahren soll geeignet sein, Teile unterschiedlicher Geometrie und aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehend zu trennen.

Darüber hinaus ist es die Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu finden, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Erfindungswesentlich ist, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 die sich während der Einwirkung der Laserstrahlung zeitlich und örtlich verändernde Temperatur innerhalb der Lotnaht erfaßt wird und eine Ansteuerung der wesentlichen Prozeßparameter in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur so erfolgt, daß die Lotnaht durch ein definiertes Temperaturregime homogen erwärmt wird und bei Erreichen der Loterweichungstemperatur ein Initialriß initiiert wird. Dabei kann in Abhängigkeit von der Länge und der Geometrie der Lotnaht sowie deren Materialeigenschaften die Relativgeschwindigkeit zwischen Lotnaht und Laserstrahlung, die Anzahl der einwirkenden Laserstrahlungsbündel und deren Verteilung entlang der Lotnaht, der Strahlungsquerschnitt im Fokus in seiner Größe und Form, die Fokuslage, die Laserleistung sowie das Beenden der Erwärmung und Auslösen der Initialrißerzeugung gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung betreffend ist es erfindungswesentlich, daß eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6 einen Temperaturaufnehmer aufweist, der die sich zeitlich und örtlich verändernde Temperatur in der Lotnaht erfaßt und zur Weiterleitung von temperaturabhängigen Signalen mit dem Eingang einer Prozeßsteuerung verbunden ist, die ausgangsseitig mit dem Laser, strahlformenden und strahlführenden Elementen sowie einem Sollbruchstellenerzeuger in Verbindung steht.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Unterstützung von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Vorrichtung

Fig. 2 eine beispielhafte Ausführung für die strahlformenden Elemente, um die Fokuslage verschieben zu können

Fig. 3 eine beispielhafte Ausführung für die Anordnung der strahlführenden Elemente, um die Laserstrahlung vierfach einwirken zu lassen

Fig. 4 die Verwendung von Diodenlaserstacks als Laserlichtquelle

Fig. 5 eine Detaildarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes nachfolgend erläutert werden. Bei dem aufzutrennenden Bauteil handelt es sich hier um eine Katodenstrahlröhre 1. Diese besteht bekanntlich aus den zwei Bestandteilen, Konusteil 1.1 und Bildschirmteil 1.2, welche miteinander mittelbar über eine Lotnaht 2 verbunden sind. Diese Katodenstrahlröhre 1 ist auf einem Drehtisch 3 so befestigt, daß sie sich bei Rotation des Drehtisches 3 um ihre Achse dreht. Der Antrieb des Drehtisches 3 erfolgt über einen Motor mit regelbarer Drehzahl, womit eine Optimierung der Relativbewegung zwischen der Lotnaht 2 und einer einwirkenden Laserstrahlung 5 möglich ist. In Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie kann die Bewegungseinrichtung, hier durch den motorisch angetriebenen Drehtisch gebildet, auch anders ausgebildet sein, um z. B. eine translatorische Relativbewegung oder eine zusammengesetzte Relativbewegung zu erzeugen. Ebenso kann diese Relativbewegung auch durch die Bewegung der Laserstrahlung, beispielsweise mittels schnell bewegten Scannerspiegeln erzeugt werden. Katodenstrahlröhren 1 haben gewöhnlicherweise eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken. Dadurch weist die Lotnaht 2 über ihren Umfang einen unterschiedlichen Abstand zur Drehachse 4 auf, was für die Erläuterung der Vorteile der Erfindung an späterer Stelle noch von Bedeutung sein wird.

Auf die Lotnaht 2 wird eine Laserstrahlung 5 an wenigstens einer Stelle am Umfang gerichtet. Dazu muß wenigstens eine Laserstrahlungsquelle (Laser) 6 vorhanden sein, deren emittiertes Laserstrahlungsbündel über strahlführende Elemente 7, zu denen auch strahlteilende Elemente gehören können, und strahlformende Elemente 8 beeinflußt wird. Entsprechend dem Absorptionsgrad des jeweiligen Glaslotes kann z. B. die Wellenlänge eines CO₂-Lasers, eines Nd: YAG-Lasers oder aber eines Diodenlasers eingesetzt werden. Vorteilhaft kann auch die Verwendung einer Wellenlängenkombination sein.

Während der Einwirkung der Laserstrahlung 5 auf die Lotnaht 2 wird die Temperatur in der Lotnaht 2 mittels eines Temperaturaufnehmers 9 erfaßt. Dieser kann beispielsweise eine Thermografiekamera sein. Die erfaßten Zeit- und ortsabhängigen Temperaturwerte werden an eine Prozeßsteuerung 10 weitergeleitet, welche entsprechende Steuersignale an den Laser 6, die strahlführenden Elemente 7 und die strahlformenden Elemente 8 gibt. So kann über den Laser 6 die Strahlungsleistung und über die strahlführenden Elemente 7 sowie die strahlformenden Elemente 8 der Strahlungsquerschnitt in seiner Form und Größe sowie die Fokuslage gesteuert werden.

Eine Veränderung der Laserleistung ist dann für eine homogene Erwärmung der Lotnaht 2 sinnvoll, wenn die Lotnahttiefe schwankt.

Damit die Laserstrahlung 5 stets auf die Lotnaht 2 fokussiert wird, macht es sich erforderlich, die Fokuslage zu verschieben, wenn die Lotnaht 2 nicht rotationssymmetrisch um die Drehachse 4 verläuft, wie es im konkreten Ausführungsbeispiel einer Katodenstrahlröhre 1 der Fall ist. Durch die Steuerung der Fokuslage können mit der gleichen Vorrichtung Bauteile gleicher Form aber unterschiedlicher Größe oder auch im begrenzten Maße Bauteile anderer Form aufgetrennt werden.

Die Veränderung des Strahlungsquerschnittes ermöglicht insbesondere eine Anpassung an die Lotnahtbreite, aber auch eine längere Einwirkzeit bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit durch eine Streckung des Strahlungsquerschnitts in Verlaufsrichtung der Lotnaht 2.

Die Erwärmung erfolgt schneller und auch homogener, wenn die Laserstrahlung nicht nur an einer Stelle auf die Lotnaht 2 einwirkt, sondern an mehreren Stellen, die möglichst gleichmäßig um die Lotnaht 2 verteilt sein sollten. Bei entsprechend vielen Einwirkstellen kann sogar auf die Relativbewegung verzichtet werden.

Meldet der Temperaturaufnehmer 9 das Erreichen der Loterweichungstemperatur an die Prozeßsteuerung 10, so löst diese ein Signal an einen Sollbruchstellenerzeuger 11 aus. Dieser kann beispielsweise ein Ultraschallsender oder ein piezoelektrischer Geber sein. Die Einwirkung der kurzzeitig ausgesendeten Wellen verursacht in dem durch die Erwärmung erzeugten Spannungsfeld einen Initialriß, der sich schlagartig in der homogen erwärmten Lotnaht 2 ausbreitet und zur Auftrennung der Lotverbindung führt.

Ohne einen zusätzlichen Sollbruchstellenerzeuger 11 kann der Initialriß auch durch einen zusätzlich erzeugten Laserimpuls, unmittelbar nach Abschalten der Laserstrahlungsquelle erzeugt werden.

Entscheidend für die optimale Anpassung der Strahlparameter, insbesondere der Intensitätsverteilung und des Strahlquerschnitts, an die Lotnahtgeometrie ist die Strahlformung des emittierten Laserstrahles. In Fig. 2 ist ein Beispiel der Strahlformung mit dynamischer Fokussierung ausgeführt. Die strahlformenden Elemente 8 sind hier eine Zylinderlinse 8.1 und eine Teleskopanordnung nach Kepler mit zwei kurzbrennweitigen Meniskuslinsen 8.2 und 8.3. Durch die Teleskopverstimmung mit der Verschiebung der Meniskuslinse 8.2 kann der Strahldurchmesser beim Auftreffen auf die Zylinderlinse 8.1 beeinflußt werden, so daß am Ort der Lotnaht 2 die Strahlausdehnung senkrecht zu deren Verlaufsrichtung angepaßt werden kann. Parallel zur Lotnaht 2 wird der Linienfokus durch die Brennweite der Zylinderlinse 8.1 und deren Abstand zur Lotnahtoberfläche bestimmt. Aufgenommen werden die strahlformenden Elemente 8 auf einer Justierplatte 12, die mit einer linearen Stelleinheit 13 verbunden ist. Die lineare Stelleinheit 13 wird durch einen Servomotor angetrieben, der eine Ausgleichsbewegung ausführt, um die Fokuslage der geometrischen Lotnahtposition nachzuführen.

Als strahlformende Elemente bieten sich auch auf die Lotnaht abgestimmte diffraktive optische Elemente an.

Zum Auftrennen von breiten Lotnähten kann die Strahlformung mit einem vergleichsweise einfacheren Aufbau der strahlformenden Elemente 8 erfolgen. Anstelle der Teleskopanordnung und der Zylinderlinse 8.1 kann eine langbrennweitige Fokussieroptik eingesetzt werden. Wenn zusätzlich die Brennweite so gewählt wird, daß die Rayleighlänge hinreichend groß ist gegenüber der maximalen Lotnahtpositionsänderung, so kann auf eine dynamische Fokussierung verzichtet werden.

Insbesondere bei großen Bauteilen, d. h. langen Lotnähten, macht es sich zum Erreichen einer homogenen Erwärmung erforderlich, die Lotnaht 2 zeitgleich mit mehreren Laserstrahlungsbündeln zu beaufschlagen. In Fig. 3 ist eine Anordnungsmöglichkeit dargestellt, mit welcher vier äquidistante Laserstrahlungsbündel, gleichmäßig um die Lotnaht 2 verteilt angeordnet, auf diese einwirken. Über drei Strahlteiler 14 mit einem Teilungsverhältnis von 50%/50% werden mit Hilfe von Umlenkspiegeln 15 und Fokussierspiegeln 16 die Laserstrahlungsbündel auf die Lotnaht 2 gelenkt und fokussiert.

Anstatt die Laserstrahlung durch Strahlteilung in mehrere Laserstrahlungsbündel zu zerlegen, können zwecks zeitgleicher Beaufschlagung der Lotnaht 2 mit Laserstrahlung an mehreren Stellen auch mehrere Laser verwendet werden. Hier bieten sich insbesondere Diodenlaser an, die bei entsprechender Zusammenstellung zu Diodenstacks und deren Anordnung um die Lotnaht 2, diese ganzflächig bestrahlen, wodurch sich sogar die ansonsten erforderliche Relativbewegung erübrigt. In Fig. 4 ist eine vorteilhafte Anordnung dieser Art für die Auftrennung einer Katodenstrahlröhre 1 dargestellt. Insbesondere in der Bildröhrenfertigung, wo als Glaslot ein hoch bleihaltiges, niedrigschmelzendes kristallisierendes Glaslotkomposit Verwendung findet, ist der Einsatz von Diodenlasern vorteilhaft. Die meisten Gläser weisen eine Transmissionscharakteristik auf, nach welcher die Wellenlänge von Diodenlaserstrahlung nicht absorbiert wird. Damit wird eine Rißbildung in von aus solchen Gläsern bestehenden Bauteilen weitestgehend ausgeschlossen.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.

Die in einem Strahlerzeuger erzeugte Laserstrahlung wird über eine Glasfaser in eine Strahlformungseinheit geführt und von dieser auf die Lotnaht 2 des Bauteiles gerichtet.

In diesem Ausführungsbeispiel soll die Lotnaht 2 zwei Platten miteinander verbinden. Zur Auftrennung der Lotnaht 2 bedarf es deshalb einer reinen translatorischen Bewegung. Der Strahlerzeuger soll Strahlung zweier unterschiedlicher Wellenlängen zeitgleich oder nacheinander emittieren. Vorzugsweise ist das die Strahlung eines Nd : YAG-Lasers von λ = 1,06 µm und eines Diodenlasers von λ = 808 nm. Für viele Anwendungen ist auch die CO₂- Laserstrahlung in Kombination mit einer Diodenlaserstrahlung vorteilhaft. Dabei wird im wesentlichen durch die jeweils längere Wellenlänge, die üblicherweise auf der Lotnaht 2 befindliche Lotwulst abgetragen, wodurch für die kurzwelligere Strahlung bessere Ankoppelbedingungen entstehen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Auftrennen von Glaslot-Verbindungen, bei welchem Laserstrahlung auf die Lotnaht gerichtet wird und eine Relativbewegung zwischen der Lotnaht und der Laserstrahlung in Verlaufsrichtung der Lotnaht stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß
die sich in der Lotnaht Zeit- und ortsabhängig ändernde Temperatur erfaßt wird, aus den Temperaturwerten Steuersignale gebildet werden, welche die Strahlparameter der Laserstrahlung, wie Strahlungsintensität, Strahlungsquerschnitt und Fokuslage so steuern, daß die Lotnaht durch ein definiertes Temperaturregime homogen bis an die Loterweichungstemperatur erwärmt wird und
bei Erreichen der Loterweichungstemperatur ein Initialriß erzeugt wird, der sich schlagartig in der Lotnaht ausbreitet und die Lotverbindung vollständig auftrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung an einer Vielzahl von Stellen gleichmäßig verteilt entlang der Lotnaht in diese eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stellen zur Lotnahtlänge bzw. ihrem Umfang so abgestimmt wird, daß eine flächige Bestrahlung der Lotnaht erfolgt, wodurch auf die erforderliche Relativbewegung verzichtet werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Initialriß durch das Einbringen von Schwingungen erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge zeitgleich oder zeitlich nacheinander auf die Lotnaht einwirkt.

6. Vorrichtung zum Auftrennen von Glaslot-Verbindungen mit wenigstens einer Laserstrahlungsquelle (1), die wenigstens ein Laserstrahlungsbündel emittiert und einer Bewegungseinheit, mit welcher das Bauteil mit der aufzutrennenden Lotnaht (2) zum Laserstrahlungsbündel relativ bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturaufnehmer (9) vorhanden ist, welcher die zeitlich und örtlich unterschiedlichen Temperaturen in der Lotnaht (2) erfaßt und temperaturabhängige Signale über eine Verbindung zu einer Prozeßsteuerung (10) weiterleitet und diese Prozeßsteuerung (10) ausgangsseitig mit der Laserstrahlungsquelle (1), strahlführenden Elementen (7), strahlformenden Elementen (8) und einem Sollbruchstellenerzeuger (11) verbunden ist, um die Strahlparameter temperaturabhängig zu steuern und bei Erreichen der Loterweichungstemperatur den Sollbruchstellenerzeuger (11) anzusteuern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturaufnehmer eine Thermografiekamera ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollbruchstellenerzeuger ein Schwingungen aussendender Sender ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender die Laserstrahlungsquelle (1) selber ist oder durch eine weitere Laserstrahlungsquelle gleicher oder anderer Wellenlänge gebildet wird, wobei das Erzeugen eines definierten, energiereichen Impulses zum Erlangen des Initialrisses führt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlführenden Elemente (7) und die strahlformenden Elemente (8) durch eine bewegliche Teleskopanordnung, sowie strahlteilende und strahlumlenkende Komponenten gebildet werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch (6), dadurch gekennzeichnet, daß als strahlformende Elemente (8) Zylinderlinsen oder -spiegel verwendet werden, um einen Linienfokus zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch (6), dadurch gekennzeichnet, daß als strahlformende Elemente (8) auf die Lotnahtgeometrie abgestimmte optische Komponenten verwendet werden.