Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden.

Stand der Technik

Zum Fügen mindestens zweier Fügepartner ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet.

Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparenter Fügepartner den Fokus oder die Fokuszone des Laserstrahls in die Grenzfläche oder in einen Bereich um die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner herum zu legen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch einen der transparenten Fügepartner hindurch und erzeugt eine Schmelze im Bereich der Grenzfläche der beiden Fügepartner.

Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs -50 ps), in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, so führt die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen. In Abhängigkeit von den Laserparametern lassen sich so verschiedene Materialmodifikationen am Glas vornehmen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Glas im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Glases erhöht werden und schließlich das Glas lokal aufschmelzen. Beim Fügen von Fügepartnern kann die Bruchfestigkeit der späteren Schweißnaht einerseits durch die Laserparameter festgelegt werden. Andererseits hängt die Stabilität der Verbindung auch von den Materialien und der Materialzusammensetzung der Fügepartner ab.

Aus der US 2015/0027168 A1 ist es bekannt, eine Beschichtung zwischen den Fügepartnern einzufügen, den Laserfokus in der Beschichtung zu positionieren und einen Fügeprozess über eine Erwärmung der Beschichtung zu initiieren. Dies hat den Nachteil, dass überdas Verfahren das Fügeverhalten der Fügepartner schlecht kontrollierbar ist.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner vorgeschlagen, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht wird und die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet wird, wobei die Beschichtung zu mindestens einem Fügepartner ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.

Die Beschichtung führt hierbei zu einer Verbesserung der Fügeverbindung. Insbesondere kann die Bruchfestigkeit der Verbindung der mit der Beschichtung gefügten Fügepartner bei den selben Prozessparametern größer sein, als die Bruchfestigkeit der Verbindung, wenn sie ohne die Beschichtung gefügt worden wäre.

Der Fügelaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich auf einer durch eine Optik des Fügelasers bestimmten Trajektorie, dem sogenannten Laserstrahl. Ein ultrakurzer Laserpuls des Fügelasers wird auch Fügepuls genannt. Der Laser kann auch Pulszüge, sogenannte Bursts, aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Bursts vorgesehen sein, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse beispielsweise bis zu 50 GHz groß ist.

Im Wesentlichen transparent bedeutet, dass der mindestens eine Fügepartner eine Transparenz von mehr als 50 % für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweist. Die Transparenz des mindestens einen Fügepartners hat den Vorteil, dass der Fügelaser durch den transparenten Fügepartner hindurch fokussiert werden kann, sodass der Fügebereich an der Grenzfläche beider Fügepartner lokalisiert werden kann. Im Falle zweier transparenter Fügepartner sind dementsprechend beide Einstrahlrichtungen möglich.

Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite aus Aluminium. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.

Die Beschichtung wird vor dem Fügeprozess auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, sodass die Beschichtung fest mit dem Fügepartner verbunden ist. Die Beschichtung kann aber auch beispielsweise aufgesprüht oder aufgestrichen werden oder beispielsweise in einem sogenannten Rotationsbeschichtungsprozess aufgesponnen und ausgebacken werden. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Beschichtung nur lokal auf dem Fügepartner aufgebracht wird, wobei die Beschichtung nur da aufgebracht wird, wo im folgenden Prozess eine Schweißverbindung der Fügepartner entstehen soll. Dies kann beispielsweise durch eine Maskierung des Fügepartners erfolgen, sodass beispielsweise die Beschichtung nur auf den unmaskierten Stellen des Fügepartners angeordnet wird.

Der mindestens eine Fügepartner mit der Beschichtung wird anschließend zum anderen Fügepartner so orientiert, dass die Beschichtung mit dem anderen Fügepartner in Kontakt kommt. Somit wird die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet. Mit anderen Worten liegt die Beschichtung dann in der zwischen den beiden Fügepartnern angeordneten Grenzfläche. Die Grenzfläche liegt dabei im Fügebereich.

Ähnliche physikalische Eigenschaften der Beschichtung und des mindestens einen Fügepartners können beispielsweise eine ähnliche Transmission der Laserwellenlänge, ähnliche Schmelztemperatur, ähnliche Wärmeausdehnung, ähnliche Kristallstruktur oder Gitterstruktur, usw. umfassen. Ähnliche chemische Bestandteile der Beschichtung des mindestens eigenen Fügepartners können beispielsweise eine ähnliche chemische Zusammensetzung, insbesondere Elemente derselben chemischen Gruppe mit ähnlicher Elektronegativität, ähnliche chemische Verbindungen und insbesondere dieselben Elemente, umfassen.

Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Fügestrahls größer ist, als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion.

Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners von Fügepuls zu Fügepuls kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials des Fügepartners erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials des ersten Fügepartners führt, in welches der Fügestrahl eintritt. Insbesondere kann hierbei auch die Beschichtung aufgeschmolzen werden.

Als Fügebereich wird derjenige Bereich der Fügepartner und der Beschichtung verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Hierbei kommt es zu einer Vermischung der geschmolzenen Bestandteile der Fügepartner und der Beschichtung und anschließend wird ein Stoffschluss ausgebildet. Dabei kann sich insbesondere auch die chemische und physikalische Struktur der Fügepartner ändern, so dass eine besonders stabile Fügungsmodifikation ausgebildet wird. Als Fügemodifikation wird dabei die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, beziehungsweise die Schweißnaht ergibt.

Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können beispielsweise zwischen 2 und 10 ultrakurze Laserpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Mehrzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts werden für die vorgesehene Materialbearbeitung räumlich betrachtet jeweils in einem Laserspot in das Material eingebracht, also in der räumlichen Ausdehnung des jeweiligen Fokusbereichs des Lasers im Material. Die Anzahl der an einem einzigen Ort eingebrachten Laserpulse wird als Pulsüberlapp bezeichnet. Der Pulsüberlapp kann als Maß der Wärmeakkumulation angesehen werden.

Findet beispielsweise kein Vorschub statt und werden alle Laserpulse am gleichen Ort des Materials eingetragen, so ist der Pulsüberlapp maximal. Findet hingegen ein Vorschub zwischen Material und Laserspot statt, kann der Pulsüberlapp je nach Verhältnis aus Pulsfrequenz (Repetitionsrate) und Vorschubgeschwindigkeit absinken. Ist die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch, findet keine Überlappung der Laserspots im Material mehr statt und die Laserspots liegen nebeneinander.

Die Anzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts pro Ort im Material ist gegeben durch das Produkt aus Laserspotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG. Der Pulsüberlapp wird also beispielsweise gegeben durch SG * P / VG. Der Pulsüberlapp beschreibt hierbei, über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.

Die mittlere Laserleistung kann hierbei zwischen 0,5 W und 50 W liegen, wobei die mittlere Leistung definiert ist als das Produkt aus Pulsenergie der Einzelpulse, ggf. der Anzahl der Pulse im Burst, sowie der Repetitionsrate der Pulse. Somit wird genügend Laserleistung zur Verfügung gestellt, um das Material aufzuschmelzen.

Mindestens ein Fügepartner kann ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Isolator oder eine Kombination davon sein, insbesondere eine Glaskeramik oder ein Kristall oder ein Polymer sein.

Beispielsweise kann das Material eine Stahllegierung und/oder eine Kohlenstoffverbindung und/oder eine Eisenverbindung und/oder eine Aluminiumverbindung und/oder eine Kalziumfluoridverbindung und/oder eine Siliziumverbindung, insbesondere eine Siliziumoxid- Verbindung oder eine Kupferverbindung umfassen.

Beispielsweise kann das Material ein Glas sein, beispielsweise ein Quarzglas, oder ein Kieselglas, oder ein Corning Eagle Glas. Beispielsweise kann das Material Stahl sein. Beispielsweise kann das Material Kupfer oder Kalziumfluorid sein.

Die Beschichtung kann mindestens einen chemischen Bestandteil umfassen, der in einem der Fügepartner vorhanden ist. Eine Beschichtung eines Fügepartners, die ein Bestandteil umfasst, der in einem der Fügepartner vorhanden ist, kann dazu führen, dass die Atome der Oberfläche des Fügepartners nun anderen Bindungskräften an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Volumenmaterial des Fügepartners ausgesetzt sind. Dies kann dazu führen, dass der Vermischungsprozess in der Schmelzblase besonders vorteilhaft verläuft, beispielsweise eine homogene Mischung der Fügepartner und der Beschichtung entsteht und beim Abkühlen dadurch eine besonders stabile Fügeverbindung beziehungsweise Schweißnaht entsteht.

Beispielsweise kann vor dem Fügen von Stahl und Saphir (AI2O3) auf einen der Fügepartner eine Aluminiumbeschichtung aufgetragen werden. Indem zumindest in Saphir Aluminium vorhanden ist, fungiert die Aluminiumschicht beispielsweise als Vermittler- und Austauschschicht während des eigentlichen Fügeprozesses.

Der Laserstrahl kann eine in Strahlrichtung elongierte Fokuszone aufweisen, wobei die Fokuszone mit der Beschichtung überlappen kann und die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringen kann und/oder die Fokuszone mindestens eine der beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringen kann.

Durch eine in Strahlrichtung elongierte Fokuszone wird die mittlere Leistung über einen Teil der Schichtsystemdicke verteilt, kann sich also auch in das Volumen des Materials eines oder beider Fügepartner erstrecken. Da insgesamt ein größerer Bereich erhitzt wird, werden hohe thermische Gradienten und Druckgradienten in und entgegen der Strahlausbreitungsrichtung reduziert, so dass dadurch eine Rissbildung verhindert werden kann. Zudem ist es auch möglich, einen größeren Bereich des Schichtsystems aufzuschmelzen und so miteinander zu fügen. Dies führt insbesondere zu stabileren Fügeverbindungen. Ein weiterer Vorteil einer elongierten Fokuszone ist die vergrößerte Toleranz gegenüber Positionsabweichungen. Beispielsweise können die Fügepartner nicht exakt plan aufeinander aufliegen, sondern einen Spalt einschließen. Es kann auch sein, dass beide Fügepartner eine gewisse Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Diese Abstände können durch eine elongierte Fokuszone überbrückt werden.

Indem die Fokuszone mit der Beschichtung überlappt, ist es insbesondere möglich, dass die Laserenergie ebenfalls in die Beschichtung eingebracht wird und dadurch die Beschichtung aufgeschmolzen wird.

Indem die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt, ist gewährleistet, dass die Laserenergie in beide Fügepartner eingebracht werden kann, sodass beide Fügepartner aufgeschmolzen werden können. Dies kann zu einer Verbesserung der Verbindung führen, da sich dadurch die Fügepartner in der Schmelzblase besser vermischen. Insbesondere sind die einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner die Grenzflächen, die an die Beschichtung angrenzen.

Indem die Fokuszone mindestens eine abgewandte Grenzfläche der Fügepartner durchdringt, also insbesondere eine Grenzfläche der Fügepartner durchdringt, die der Beschichtung abgewandt ist, die also insbesondere nicht in Kontakt mit der Beschichtung ist, wird gewährleistet, dass der Fügepartner über einen größeren Bereich hinweg erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass der Fügepartner auch in einem größeren Bereich aufschmilzt. Insbesondere kann dies aber auch dazu führen, dass sich der thermische Gradient, der beim Fügen entsteht, über eine größere Fläche hinweg erstreckt und dadurch insgesamt Druck- und Zugspannung im Fügepartner lokal reduziert und/oder umverteilt wird. Dadurch kann insbesondere einer Rissbildung vorgebeugt werden.

Der Laserstrahl kann mindestens einen der Fügepartner lokal aufschmelzen, bevorzugt mindestens einen der Fügepartner und die Beschichtung lokal aufschmelzen, oder beide Fügepartner lokal aufschmelzen, besonders bevorzugt sowohl die Fügepartner als auch die Beschichtung lokal aufschmelzen.

Indem lediglich ein Fügepartner aufschmilzt, wird gewährleistet, dass eine Schmelzblase entsteht, welche die Grenzfläche der Fügepartner überbrücken kann, sodass eine Verbindung der beiden Fügepartner entsteht.

Wenn ein Fügepartner und die Beschichtung lokal aufgeschmolzen werden, wird gewährleistet, dass sich das Material des Fügepartners mit der Beschichtung besser vermischt und mit dem anderen Fügepartner eine stabilere Fügeverbindung eingegangen werden kann.

Wenn beide Fügepartner lokal aufschmelzen, wird gewährleistet, dass sich die Materialien der Fügepartner vermischen, sodass eine noch stabilere Fügeverbindung der beiden Fügepartner hergestellt werden kann.

Wenn sowohl die Fügepartner als auch die Beschichtung lokal aufschmelzen vermischt sich das Fügepartnermaterial auch mit dem Beschichtungsmaterial, sodass eine besonders stabile Fügeverbindung der beiden Fügepartner hergestellt werden kann.

Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Gauß-Bessel-Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung:

V ² U(x,y,z)+k ² U(x,y,z)=0 und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form U(x,y,z)=Ut(x,y)exp(ikzz) auf. Hierbei ist k=oj/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k ² =kz ² +kt ² und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: l(x,y,z) = |U(x,y,z)| ² = l(x,y,0).

Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten. Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.

Fernerhin definieren wir als transversale Fokuszone beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen d ^ND o die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima.

Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht- beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung. Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für d ^ND o=d ^GF o, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise, wenn L>10ZR.

Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Besselstrahlen oder Bessel- ähnliche Strahlen, hier auch Besselstrahlen genannt, bekannt. Hierbei gehorcht die transversale Feldverteilung Ut(x,y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die Bessel- Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel- Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist. Bessel-Gauß- Strahlen weisen somit einen radialsymmetrischen Strahlquerschnitt auf, so dass die Intensität des Laserstrahls senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Die hat den Vorteil, dass die Eigenschaften der Fügeverbindung unabhängig von der Schweißnahtgeometrie.

Dadurch kann eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Fügen erreicht werden. Somit wird beispielsweise der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Entsprechend kann es von Vorteil sein einen quasi nicht-beugenden Strahl, insbesondere einen Besselstrahl, zum Fügen zu verwenden, da hiermit unter anderem größere Spalte überbrückt werden können und damit die Fokuslagentoleranz größer wird. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Anwendungsbereich verwendet werden - beispielsweise auch dann, wenn die zu fügenden Werkstücke in dem Bereich der gewünschten Schweißnaht nicht perfekt plan aufeinander aufliegen und entsprechend ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt.

Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zum Fügen verwendet werden können, weisen beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von d ^ND o=2,5 pm auf.

Ein Gaußfokus mit d ^ND o=d ^GF o=2,5 pm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich Z _R =5pm bei A=1 pm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L»10ZR gelten.

Für das Fügen werden zudem Fokuszonen mit einer Länge zwischen 150 pm und 500 pm bevorzugt, wobei zur Erzeugung großer Anbindungsquerschnitte beziehungsweise zur Erzeugung breiter Schweißnähte eine Länge von 300 pm besonders bevorzugt wird. Vor dem Fügen kann die Beschichtung auf einen der Fügepartner aufgebracht werden, wobei die Beschichtung mindestens einen Bestandteil umfasst, der in dem anderen Fügepartner vorhanden ist. Insbesondere kann die Beschichtung auch Bestandteile umfassen die in beiden Fügepartnern vorhanden sind.

Dadurch kann zwischen den Fügepartnern eine besonders stabile Verbindung hergestellt werden.

Beispielsweise kann auf einen aus Saphir (AI2O3) bestehenden Fügepartner eine Aluminiumschicht (AI) aufgebracht werden und dann mit einem Fügepartner aus einer Strahllegierung (Fe, C und AI umfassend) gefügt werden.

Beispielsweise kann auf ein Fügepartner aus Kalziumfluorit (CaF ₂ ) eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (S1O ₂ ) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Quarzglas (S1O ₂ ) gefügt werden.

Beispielsweise kann auf einen Fügepartner aus Corning Eagle Class (beispielsweise Erdalkali-Bor- Aluminiumsilikat) eine Schicht aus Kupfer (Cu) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Kupfer (Cu) gefügt werden.

Beispielsweise kann auf einen Fügepartner aus Kupfer (Cu) auch eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (S1O ₂ ) aufgebracht werden und mit einem Fügepartner aus Corning Eagle Class gefügt werden.

Die Beschichtung kann dicker als drei Monolagen des Materials der Beschichtung sein.

Dies hat den Vorteil, dass die Beschichtung flächendeckend auf den Fügepartner aufgebracht werden kann. Insbesondere entstehen hierdurch in der Beschichtung keine Löcher, sodass der Fügepartner überall gleich gut gefügt werden kann.

Eine Monolage ist hierbei eine Schicht, die genau ein Atom oder ein Molekül des Materials der Beschichtung dick ist. Eine drei Monolagen-dicke Schicht ist hierbei drei Atome oder drei Moleküle des Materials der Beschichtung dick.

Die Beschichtung kann mittels Physical Vapor Deposition, Chemical Vapor Deposition, Sputtern oder einem anderen Verdampfungsverfahren auf einen der Fügepartner aufgebracht werden. Durch eines dieser vorgenannten bekannten Verfahren kann ein besonders gleichmäßiges Schichtwachstum auf dem Fügepartner erreicht werden. Insbesondere sind diese Verfahren auch in industriellem Maßstab einsetzbar.

Bei allen vorgenannten Verfahren wird ein Substrat, welches die chemischen Bestandteile der Beschichtung enthält, verdampft, wobei der Dampf auf den Fügepartner abgeschieden wird und sich an der Oberfläche des Fügepartners die Beschichtung bildet.

Die Absorption des Laserstrahls durch die Beschichtung kann gering, bevorzugt weniger als 50%, sein und/oder die Absorption des Laserstrahls durch die Beschichtung kann geringer sein als durch mindestens einen Fügepartner.

Das hat den Vorteil, dass der Laserstrahl durch die Beschichtung zumindest teilweise transmittiert werden kann und den anderen Fügepartner erreichen kann, um den anderen Fügepartner zu erhitzen. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass beide Fügepartner aufgeschmolzen werden, um so eine stabile Verbindung der beiden Fügepartner zu erreichen.

Es kann jedoch eine endliche Absorption des Laserstrahls in der Beschichtung vorhanden sein, sodass auch die Beschichtung erhitzt und aufgeschmolzen wird. Dadurch wird erreicht, dass sich die Materialien der beiden Fügepartner und die Beschichtung miteinander in der Schmelzblase vermischen und so eine besonders stabile Verbindung der Fügepartner erreicht wird.

Die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse kann zwischen 200 nm und 5000 nm liegen, bevorzugt 1030 nm sein, und/oder die Pulsdauer eines Laserpulses kann zwischen 50 fs und 10 ps liegen, bevorzugt 400 fs sein, und/oder mehrere Laserpulse können in einem Pulszug abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der Laserpulse im Pulszug zwischen 1 kHz und 50 GHz liegt, und/oder einzelne Laserpulse können abgegeben werden, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse zwischen 1 kHz und 50 MHz liegt, und/oder die numerische Apertur des fokussierten Laserstrahls kann zwischen 0,1 und 0,7 liegen und/oder die Fluenz im Fokus kann größer als 0,01 J/cm ² sein, und/oder der Rohstrahldurchmesser kann bevorzugt 5 mm groß sein und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 0,5 W und 50 W liegen.

Diese Parameter erlauben es den Fügeprozess für zahlreiche Materialkombinationen zu optimieren.

Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030 nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400 fs groß ist, 2 Pulse pro Burst abgegeben werden, der Abstand der Pulse 20 ns beträgt, was einer Pulswiderholrate von 50 MHz entspricht, die Bursts eine Repetitionsrate von 200 kHz aufweisen, die numerische Apertur 0,25 beträgt, die Fluenz im Fokus zwischen 5 und 100 J/cm ² , beispielsweise 75 J/cm ² liegt und die mittlere Laserleistung 5W beträgt.

Die Laserpulsenergie kann von Puls zu Puls zeitlich moduliert sein, wobei die Modulationsrate zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt, wobei die Modulationsform bevorzugt sin ² -förmig oder dreiecksförmig ist.

Zeitlich moduliert bedeutet, dass die Pulsenergie während einer Modulationsdauer verändert wird, wobei die Modulationsdauer durch die inverse Modulationsrate gegeben ist. Die Modulationsrate gibt hierbei an, auf welcher Zeitskala sich die Modulationsform wiederholt. Insbesondere bedeutet eine Modulation der Pulsenergie, dass die Pulsenergie während der Modulationsdauer größer oder kleiner werden kann. Die Modulationsform gibt hierbei an, welcher mathematischen Funktion die Pulsenergie während der Modulationsdauer folgt.

Die modulierte Pulsenergie von Puls zu Puls führt dazu, dass es Zeiten gibt, in denen weniger Pulsenergie in die oder den Fügepartner eingebracht wird und eine Temperaturrelaxation stattfinden kann oder es gibt Zeiten, in denen mehr Energie eingebracht werden kann als ohne die Modulation. Damit kann eine Rissbildung gesteuert und/oder vermieden werden.

Beispielsweise kann eine zeitliche Modulation dadurch erreicht werden, dass die Intensität der Fügepulse variiert wird. Beispielsweise kann ein starker Fügepuls abgegeben werden und anschließend zwei Fügepulse mit der Hälfte der Intensität. Die zeitliche Modulation beinhaltet aber auch, dass danach wieder ein starker Fügepuls gefolgt von zwei abgeschwächten Fügepulsen vom Laser abgegeben wird.

Die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls können zusammen mit einem weiteren Laserstrahl in das Material eingebracht werden, wobei der weitere Laserstrahl ein Dauerstrichlaserstrahl ist oder Pulse mit einer Pulslänge zwischen 1 ns und 100 ps führt.

Indem ein weiterer Laserstrahl das Material des oder der Fügepartner beaufschlagt, wird die Temperatur im Material erhöht, sodass der thermische Gradient beim Fügen der Fügepartner kleiner ist. Dadurch kann einer Rissbildung vorgebeugt werden.

Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander bewegt und/oder positioniert werden.

Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder das Schichtsystem oder sowohl der Laserstrahl als auch das Schichtsystem bewegt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich eine zusammenhängende Schweißnaht zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.

Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs kontinuierlich Laserpulse oder Laserpulszüge in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Eindringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird.

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Fügen zweier Fügepartner vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zur Verfügung zu stellen, der ultrakurze Laserpulse führt, eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist die Fügepartner und den Laserstrahl relativ zueinander zu verschieben und/oder zu positionieren, eine Fokussieroptik, die dazu eingerichtet ist, eine Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls zu erzeugen, wobei die Fokussieroptik eine Strahlformoptik umfasst, die dazu eingerichtet ist, dem Laserstrahl eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufzuprägen, wobei die mindestens zwei Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls des Ultrakurzpulslasers miteinander gefügt werden, wobei mindestens ein Fügepartner im Wesentlichen transparent für die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers ist, und wobei vor dem Fügen eine Beschichtung auf mindestens einen der Fügepartner aufgebracht ist und die Beschichtung zwischen den Fügepartnern angeordnet ist, wobei die Fokuszone mit der Beschichtung überlappt und die Fokuszone die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt und/oder die Fokuszone mindestens eine die beiden einander abgewandten Grenzflächen der Fügepartner durchdringt, wobei die Beschichtung zu mindestens einem Fügepartner ähnliche physikalische Eigenschaften und/oder einen zu mindestens einem Fügepartner ähnlichen chemischen Bestandteil umfasst.

Eine Vorschubvorrichtung ist eine in mindestens zwei Raumachsen bewegliche Vorrichtung und kann beispielsweise XY-Tisch oder ein XYZ-Tisch sein. Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise eine Befestigungsvorrichtung aufweisen, auf der das die Fügepartner fixiert werden können. Eine Fixierung kann beispielsweise durch Kleben oder Verklemmen bewerkstelligt werden. Eine Fixierung kann aber auch über einen negativen Luftdruck mittels einer an Saugvorrichtung funktionieren.

Eine Vorschubvorrichtung kann des Weiteren automatisiert, beziehungsweise motorisiert mit einem Vorschub bewegt oder verschoben werden. Der Vorschub ist hierbei eine Bewegung mit einer Vorschubgeschwindigkeit, wobei der Vorschub entlang einer Vorschubtrajektorie stattfindet.

Indem die Vorschubvorrichtung das Material relativ zum Laserstrahl bewegt, wird der Laserstrahl entlang einer Vorschubtrajektorie über das Material geführt, wodurch es möglich ist, das Material an den Orten der Vorschubtrajektorie zu bearbeiten und insbesondere zu fügen.

Die Strahlformoptik kann einen räumlichen Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon oder einen akusto-optischen Deflektor umfassen. Eine Strahlformoptik kann hier insbesondere auch ein Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls umfassen.

Ein räumlicher Lichtmodulator ermöglich es, den Prozessstrahl auf eine vorgegebene Geometrie aufzufächern, beispielsweise rund, quadratisch oder sternförmig. Ein diffraktives Element erlaubt ebenfalls, die räumliche Auffächerung des Prozessstrahls auf eine vorgegebene Geometrie vorzunehmen. Ein Axicon ist hierbei ein konisch geschliffenes optisches Element, welches einem Gauß’schen Laserstrahl beim Hindurchtreten ein quasi nicht-beugendes Strahlprofil aufprägen kann.

Durch einen akusto-optischen Deflektor wird es möglich, den Prozessstrahl periodisch in der zeit abzulenken, so dass insbesondere Lissajous-Figur-förmige Heizmuster in der Grenzfläche erzeugt werden können, so dass eine größere Fläche beheizt wird. Die Ablenkung mittels akusto-optischen Deflektors erlaubt zusätzlich ein randomisiertes Bewegungsmuster, sogenanntes random access scanning, wodurch das schnelle Abscannen eines beliebigen Heizmusters ermöglicht wird.

Die Fokussieroptik kann hier insbesondere ein Optiksystem umfassen, welches eine vergrößernde oder verkleinernde Abbildung des Strahlprofils in die Fügepartner ermöglicht. Insbesondere kann über das Linsensystem die Fokuszone in oder entgegen der Strahlausbreitungsrichtung verschoben werden, um so die Fokuszone in der Grenzschicht der beiden Fügepartner zu platzieren und ein Einbringen der Laserpulsenergie in die Grenzschicht zu ermöglichen.

Die Fokussieroptik kann einen Abstandssensor umfassen, vorzugsweise einen konfokalen Abstandssensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, den Abstand und/oder die Positionierung der Fügepartner relativ zu einem Referenzpunkt im Raum zu regulieren. Die Fokussieroptik kann eine Kamera umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Einrichtung des Laserfokus zu regulieren.

Insbesondere wird hierdurch ermöglicht, dass die Fokuszone in der Grenzschicht der beiden Fügepartner platziert werden kann. Zudem können damit auch Unebenheiten auf der Materialoberfläche ausgeglichen werden, sodass die Fokuszone auch entlang einer schiefen Ebene geführt werden kann, sofern die Fügepartner nicht genau plan zueinander oder schief montiert wurden. Dadurch ist der Toleranzbereich für den Fügeprozess vergrößert, sodass stabile Fügeverbindungen ermöglicht werden.

Kurze Beschreibung der Figuren Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit quasi nicht-beugenden

Strahlen;

Figur 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit Gauß'schen Strahlen; Figur 3A, B, C, D eine schematische Darstellung der quasi nicht beugenden Strahlen;

Figur 4A, B eine schematische Darstellung der zeitlichen Modulation der Laserpulse; und

Figur 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.

In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt zweier zu fügender Fügepartner 30, 31 gezeigt. Auf einem der Fügepartner 30, 31 ist eine Beschichtung 32 aufgebracht, wobei die Fügepartner 30, 31 insbesondere so orientiert sind, dass die Beschichtung 32 zwischen den beiden Fügepartnern 30, 31 angeordnet ist. Jeder Fügepartner 30, 31 weist hierbei eine Dicke DO, D1 auf. Die Beschichtung 32 weist hierbei ähnliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf wie mindestens einer der Fügepartner 30, 31 .

Beispielsweise kann die Beschichtung 32 einen Bestandteil in Form eines chemischen Elements und/oder Moleküls aufweisen, welches in dem Fügepartner 31 vorhanden ist. Insbesondere kann die Beschichtung 32 auf dem Fügepartner 30 angeordnet sein und eine Dicke S aufweisen, die größer als drei Monolagen des Materials der Beschichtung ist. Dadurch wird eine durchgängige Beschichtung 32 auf dem Fügepartner 30 gewährleistet. Die Beschichtung 32 kann hierbei insbesondere durch ein Aufdampfverfahren, wie beispielsweise Sputtern, auf den Fügepartner 30 aufgebracht worden sein.

Der Ultrakurzpulslaser 1 stellt die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls 10 zur Verfügung. Diese können in Form von Einzellaserpulsen oder in Form von Pulszügen in die Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32 eingebracht werden. Dabei kann die Laserwellenlänge zwischen 200nm und 5000nm liegen und/oder die Repetitionsrate der Einzelpulse kann zwischen 100Hz und 50 Hz liegen und/oder die Repetitionsrate der Pulse in einem Pulszug kann zwischen 1 MHz und 50GHz liegen und/oder die Pulszahl pro Pulszug kann zwischen 2 und 5 liegen und/oder die Laserpulsdauer kann zwischen 10fs und 50ps liegen. Insbesondere kann die mittlere Laserleistung zwischen 0,5W und 50W liegen.

Der Laserstrahl wird durch eine Fokussieroptik 4 geleitet, die eine Strahlformungsoptik 2 umfasst. Die Strahlformungsoptik 2 kann hierbei beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element sein. Durch die Strahlformungsoptik 2 wird dem Laserstrahl 10 des Ultrakurzpulslasers eine quasi nicht-beugende Strahlform aufgeprägt, beispielsweise eine Besselstrahlform oder eine Bessel-Gauß-Strahlform, wie in Figur 3 näher gezeigt. Insbesondere wird dadurch bewerkstelligt, dass der Laserstrahl 10 eine elongierte Fokuszone 100 aufweist.

Der quasi nicht-beugende Laserstrahl 10 wird durch eine geeignete Fokussieroptik 4 so fokussiert, dass die Fokuszone 100, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 10, in etwa mit der Beschichtung 32 zusammenfällt. Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone über 0,01 J/cm ² betragen. Durch eine Fokussierung kann hier insbesondere die Einbringtiefe der Fokuszone 100 relativ zum ersten Fügepartner 30 bestimmt werden.

Die Fokuszone 100 überlappt mit der Beschichtung 32 und durchdringt die beiden einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner. Insbesondere bedeutet dies, dass die Fokuszone 100 zumindest teilweise im Volumenmaterial der Fügepartner 30, 31 liegt, sodass in beide Fügepartner 30, 31 Energie des Lasers 1 deponiert werden kann. Die Fokuszone 100 durchdringt jedoch nicht die von der Beschichtung 32 abgewandten Seiten der Fügepartner 30, 31 . Insbesondere liegt die Fokuszone 100 somit vollständig innerhalb der beiden Fügepartner 30, 31 , so dass die Fokuszone 100 in Strahlausbreitungsrichtung kürzer als die Summe der Dicken DO, D1 der Fügepartner 30, 31 . Dadurch ist gewährleistet, dass die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers 1 innerhalb der Fügepartner 30, 31 die Fügemodifikation 5 einbringen und insbesondere keine Modifikation der äußeren Oberflächen der Fügepartner 30, 31 stattfindet.

Um den Laserstrahl 10 mit der Beschichtung 32 zum Überlapp zu bringen, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 30 transparent für die Wellenlänge des Lasers 1 sein. Beide Fügepartner 30, 31 können auch transparent für die Wellenlänge des Lasers 1 sein, so dass der Laserstrahl 10 in Strahlausbreitungsrichtung auch durch den Fügepartner 31 fokussiert werden kann. Insbesondere kann es sein, dass die Beschichtung 32 weniger als 50% der Laserenergie des Laserstrahls 10 absorbiert, so dass der Laserstrahl 10 in Strahlausbreitungsrichtung durch den Fügepartner 30 transmittiert wird, anschließend durch die Beschichtung 32 transmittiert wird und schließlich in den Fügepartner 31 transmittiert wird. Dadurch ist insbesondere gewährleistet, dass alle beteiligten Materialien, nämlich die beiden Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32, aufgeschmolzen werden können.

Die Fügepartner 30, 31 können hierzu ein Metall und/oder einen Halbleiter und/oder einen Isolator oder einer Kombination davon umfassen, insbesondere können die Fügepartner eine Glaskeramik oder ein Kristall oder ein Polymer umfassen.

Beispielsweise kann der Fügepartner 31 aus Saphir (AI203) bestehen, eine Aluminiumschicht (AI) kann auf dem Fügepartner 31 angeordnet sein und der Fügepartner 30 kann aus einer Strahllegierung (Fe, C und AI umfassend) bestehen.

Beispielsweise kann der Fügepartner 30 aus Kalziumfluorit (CaF2) bestehen, eine Schicht aus amorphem Siliziumoxid (Si02) kann auf dem Fügepartner 30 angeordnet sein und der Fügepartner 31 kann ein Quarzglas (Si02) sein.

In der Fokuszone 100 werden sukzessive Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 30, 31 und der Beschichtung 32 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 32 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 30, 31 verbindet. Es kann aber auch lediglich einer der Fügepartner 30, 31 aufschmelzen, oder lediglich einer der Fügepartner 30, 31 aufschmelzen und die Beschichtung 32, oder beide Fügepartner 30, 31 , oder beide Fügepartner 30, 31 und die Beschichtung 32 aufschmelzen. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 30, 31 .

Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 30, 31 in dem Bereich, in dem die Fokuszonen 100 positioniert wird, miteinander gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügebereich bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 30, 31 bildet die Fügemodifikation 5 oder die Schweißnaht aus. Insbesondere wird hierbei durch die Beschichtung 32 eine Verbesserung der Verbindung herbeigeführt, da beispielsweise die Vermischungsprozesse in der Schmelze besonders vorteilhaft verlaufen. Die Beschichtung 32 funktioniert hierbei als eine Art Haftvermittler zwischen den Fügepartnern 30, 31.

Insbesondere ist die Bruchfestigkeit der Verbindung der mit der Beschichtung gefügten Fügepartner 30, 31 bei den selben Prozessparametern größer, als die Bruchfestigkeit der Verbindung der ohne die Beschichtung gefügten Fügepartner 30, 31.

In Figur 2 ist derselbe Aufbau wie in Figur 1 gezeigt, wobei durch Fokussieroptik 4 ein Gauß’scher Laserstrahl 10 zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere kann dadurch ein symmetrisches Gauß'sches Strahlprofil erreicht werden, wodurch die eingebrachten Fügemodifikationen 5 radialsymmetrisch sind und dadurch keine Spannungsspitzen in den Fügepartnern 30, 31 verursachen. Insbesondere zeigt das Gauß'sche Strahlprofil dennoch eine leicht elongierte Fokuszone 100 auf, die sowohl mit der Beschichtung 32 überlappt, als auch die einander zugewandten Grenzflächen der Fügepartner 30, 31 durchdringt.

In Figur 3A ist der Intensitätsverlauf und Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Laserstrahls 10 gezeigt. Insbesondere ist der quasi nicht-beugende Strahl 10 ein Bessel-Gauß- Strahl. Im Strahlquerschnitt in der x-y Ebene weist der Bessel-Gauß-Strahl eine Radialsymmetrie auf, so dass die Intensität des Laserstrahls nur vom Abstand zur optischen Achse abhängt. Insbesondere ist der transversale Strahldurchmesser d ^ND o zwischen 0,25pm und lOpm groß.

In Figur 3B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also der Strahlquerschnitt in Strahlausbreitungsrichtung, gezeigt. Der Strahlquerschnitt weist eine elongierte Fokuszone 100 auf, die etwa 300 pm groß ist. Damit ist die Fokuszone 100 in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als der Strahlquerschnitt in derx-y-Ebene, so dass eine elongierte Fokuszone 100 vorliegt. In Figur 3C ist analog zu Figur 3A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in der y-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.

In Figur 3D ist die longitudinale Fokuszone 100 des Bessel-Strahls gezeigt, die erneut eine Ausdehnung von etwa 3pm aufweist. Auch der Bessel-Strahl weist dementsprechend eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone 100 auf.

In Figur 4A ist eine zeitliche Modulation der Laserpulsenergie von Puls zu Puls gezeigt. Insbesondere kann hierbei die Modulationsrate zwischen 100 Hz und 10 kHz betragen. Die Modulationsform ist Sinus ² -förmig, sodass die auf einander folgenden Pulse in ihrer Pulsenergie gemäß der Sinus ² -Funktion voneinander abweichen. Analog dazu ist in Figur 4B eine zeitliche Modulation der Laserpulsenergie von Puls zu Puls gezeigt wobei die Modulationsform hier dreiecksförmig ist. Die Laserpulsenergie folgt hierbei einer Dreiecksfunktion.

Durch die gezeigten Modulationsformen ist es möglich, dass die Fügepartner 30, 31 sich zwischen dem Einbringen der Pulse mit der dargestellten Maximalleistung leicht abkühlen können, so dass eine Rissbildung im Material der Fügepartner 30, 31 verhindert wird.

In Figur 5 ist schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Insbesondere ist eine Vorschubvorrichtung 6 dargestellt, auf der die Fügepartner 30,31 montiert sind. Die Vorschubvorrichtung 6 ist hierbei ein XY-Tisch, so das darauf montierte Fügepartner 30, 31 in XY- Richtung bewegt werden können. Die Vorschubvorrichtung 6 bewegt die Fügepartner 30,31 unter dem Laserstrahl 10 mit einem Vorschub V hinweg, wobei der Laser 1 jedoch mit einer Repetitionsrate Laserpulse abgibt. Insbesondere wird somit die Fokuszone 100 relativ zu den Fügepartnern 30,31 bewegt und oder positioniert. Durch die Abgabe der Laserpulse ergibt sich demzufolge eine zusammenhängende Schweißnaht 5, durch die die beiden Fügepartner 30,31 miteinander fest verbunden sind.

Die Fokussieroptik 4 der Vorrichtung kann einen Abstandssensor 40 umfassen, der den Abstand der Fügepartner 30, 31 relativ zu einem Referenzpunkt im Raum vermisst. Insbesondere kann die Fokussieroptik auch eine Kamera 42 umfassen, mit der die Einrichtung des Laserfokus reguliert werden kann. Sowohl die Kamera 42 als auch der Abstandssensor 40 können mit der Vorschubvorrichtung 6 als auch mit der Fokussieroptik 4 verbunden sein, sodass eine Kopplung der Abstandswerte des Abstandssensors 40 beziehungsweise der Fokuswerte der Kamera 42 an die Fokussieroptik 4 als auch die Vorschubvorrichtung 6 möglich ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Fokuszone 100 stets an der gewünschten Stelle in den Fügepartner 30,31 platziert werden kann. Insbesondere kann dadurch ein unerwünschtes aufschmelzen der Fügepartner 30, 31 beispielsweise an der Oberfläche vermieden werden. Auch ist es dadurch möglich eine durchgehende Schweißnaht in einer gewünschten Geometrie zwischen den Fügepartnern 30, 31 zu erzeugen.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezuqszeichenliste

1 Laser

10 Laserstrahls

100 Fokuszone 2 Strahlformungsoptik

30 Fügepartner

31 Fügepartner

32 Beschichtung

4 Fokussieroptik 40 Abstandssensor

42 Kamera

5 Fügemodifikation

6 Vorschubvorrichtung DO Dicke des Fügepartners

D1 Dicke des Fügepartners

S Dicke der Beschichtung