Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers.

Stand der Technik

Zum Fügen zweier Fügepartner miteinander 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. Das Fügen mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht dabei eine stabile Verbindung der Fügepartner ohne zusätzlichen Materialeinsatz.

Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparente 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 bis 50 ps), in das Volumen eines Materials, so kann die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen führen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Material im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Materials erhöht werden und schließlich das Material lokal aufschmelzen. Aus der DE102018205325A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt, mit dem kontinuierliche Fügenähte erzeugt werden können. Problematisch ist hierbei jedoch, dass durch die hohen Temperaturdifferenzen beim Fügen Materialspannungen um die Fügenaht entstehen können, die eine Rissbildung begünstigen.

Aus der DE102014203845A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt, mit dem eine Punktschweißung zweier Fügepartner vorgenommen werden kann. Problematisch ist hierbei jedoch, dass durch punktförmige Fügezonen insgesamt eine deutlich niedrigere Festigkeit der Fügenaht als mit einer kontinuierlichen Fügenaht erzeugt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen 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 mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls entlang einer Fügenaht miteinander gefügt werden. Erfindungsgemäß weist die Fügenaht mindestens zwei Fügestellen und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle auf, wobei jede Fügestelle länger als 10 pm, bevorzugt länger als 50pm, ist

Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden.

Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.

Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.

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 zwischen den beiden Fügepartnern - also an der Innenseite liegenden - Grenzfläche zwischen beiden Fügepartnern lokalisiert werden kann.

Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak für die Wellenlänge des Lasers sein. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.

Der erste Fügepartner kann transparent sein, bevorzugt ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff sein. Der zweite Fügepartner kann opak sein, bevorzugt ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik sein.

Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarz, Aluminiumsilikat, Borsilikat, Saphir, Zirkoniumoxid bestehen oder dieses umfassen. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Stahl, Aluminium oder Silizium bestehen oder dieses umfassen. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Glas sein und der zweite Fügepartner kann aus einem Metall sein, oder beide Fügepartner können aus einem oder unterschiedlichen Kunststoffen sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite Fügepartner aus Aluminium bestehen.

Die Fügepartner sind aufeinander angeordnet, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche hinweg die Fügepartner miteinander gefügt werden sollen, aufeinander zeigen. Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Laserstrahls 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 beziehungsweise von Burst zu Burst kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials der Fügepartner erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führt.

Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner 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. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügestelle wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Fügeverbindung ergibt.

Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können Einzelpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachter ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts pro Laserspot N gegeben ist durch das Produkt aus Spotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG: N = SG * P / VG. Die Spotgröße beschreibt hierbei über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.

Die Größe des Fügebereichs ist dabei zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere die Größe der Fokuszone des fokussierten Laserstrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls, siehe unten.

Erfindungsgemäß weist eine Fügenaht zwei Fügestellen und eine dazwischenliegende Fügefehlstelle auf.

Eine Fügefehlstelle ist eine Stelle der Fügenaht, an der die Fügepartner nicht miteinander gefügt werden.

Indem zwischen den zwei Fügestellen eine Fügefehlstelle angeordnet ist kann ein Riss, der durch eine Materialspannung in der Fügestelle initiiert wird, nicht die gesamte Fügenaht entlang propagieren, wie etwa bei einer kontinuierlichen Fügenaht. Gewissermaßen fungieren die Fügefehlstellen als Rissstopper für Risse die Entlang der Fügestellen propagieren. Dadurch kann eine hohe Widerstandsfähigkeit der Fügenaht beispielsweise gegen Stoßbelastungen erreicht werden.

Durch eine solche Fügenaht ist es insbesondere möglich auch Fügepartner zu fügen, die ein lokale Rauigkeit oder Inhomogenitäten aufweisen, da hierbei höchstens einzelne Fügestellen der Fügenaht durch die Rauigkeiten oder Inhomogenitäten verschlechtert werden, aber insgesamt durch die Gesamtzahl an verbleibenden Fügestellen eine hohe Widerstandsfähigkeit und Festigkeit der Fügenaht erreicht wird. Erfindungsgemäß ist jede Fügestelle länger als 10pm, bevorzugt länger als 50pm. Die Länge der Fügestelle wird hierbei parallel zur Erstreckung der Fügenaht gemessen. Die Länge der Fügestelle bestimmt hierbei hauptsächlich die Festigkeit der Fügestelle. Beispielsweise kann eine 10mal längere Fügestelle eine 10mal größere Festigkeit aufweisen. Allerdings ist bei einer längeren Fügestelle prinzipiell auch das Risiko einer Rissbildung größer, so dass längere Fügenähte zwar eine größere (theoretische) Festigkeit aufweisen, jedoch eine geringere Widerstandsfähigkeit. Beispielsweise kann die ideale Länge der Fügestellen in einem Versuch ermittelt werden, in dem die tatsächlich realisierte Festigkeit und Widerstandsfähigkeit in Abhängigkeit von der Länge der Fügestelle gemessen wird. Insbesondere ist eine natürliche Grenze der Länge der Fügenaht durch die längste Abmessung der Fügepartner gegeben.

Durch die Länge der Fügestelle wird somit die Festigkeit der Fügestelle eingestellt, während durch die Vielzahl an Fügestellen eine hohe Gesamtfestigkeit der Fügenaht erreicht wird.

Es kann auch sein, dass entlang der Fügenaht auf eine Fügestelle immer eine Fügefehlstelle folgt.

Das hat den Vorteil, dass geschlossene Fügenähte erzeugt werden können. Beispielsweise kann eine Fügenaht kreisförmig oder rechteckig sein. Zwischen zwei Fügestellen ist hierbei immer eine Fügefehlstelle angeordnet. Gleichzeitig wechselt sich entlang der kreisförmigen oder rechteckigen Fügenaht immer Fügestellen und Fügefehlstellen miteinander ab, so dass an keiner Stelle etwa zwei Fügestellen oder Fügefehlstellen aufeinander folgen.

Die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht kann durch das Längenverhältnis von Fügestellen und Fügefehlstellen entlang der Fügenaht eingestellt werden.

Das Längenverhältnis der Fügestellen und den Fügefehlstellen kann hierbei verstanden werden, als das Verhältnis benachbarter Fügestellen und Fügefehlstellen.

Das Längenverhältnis benachbarter Fügestellen und Fügefehlstellen kann zwischen 10:90 und 95:5 liegen, bevorzugt bei 70:30 liegen.

Beispielsweise kann eine Fügestelle 10pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 90pm lang sein. Beispielsweise kann eine Fügestelle 70pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 30pm lang sein. Beispielsweise kann eine Fügestelle 50pm lang sein und eine benachbarte Fügefehlstelle 50pm lang sein.

Somit ist es möglich durch die Länge der Fügestellen die theoretische Festigkeit der Fügestellen einzustellen, während durch die Gesamtzahl an Fügestellen entlang der Fügenaht die Gesamtfestigkeit der Fügenaht eingestellt wird. Gleichzeitig kann durch die Fügefehlstellen verhindert werden, dass die gesamte Fügenaht durch einen Riss getrennt wird. Durch das Längenverhältnis kann somit die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht an die Materialbeanspruchung oder geplante Belastung angepasst werden.

Das Längenverhältnis von Fügestellen und Fügefehlstellen kann durch einen Duty Cycle der Laserleistung eingestellt wird, wobei die Laserleistung während des Duty Cycles gemäß einer Modulationsfunktion moduliert wird, bevorzugt mit einem Funktionsgenerator moduliert wird.

Ein Duty Cycle kann verstanden werden als eine wiederkehrende Ansteuerung der Laserleistung, wobei ein Duty Cycle mindestens einen Bereich hoher Laserleistung und einen Bereich geringer Laserleistung aufweist. Insbesondere kann ein Duty Cycle auch eine Modulation der Laserleistung umfassen, so dass die Laserleistung während der Modulation größer oder kleiner werden kann. Insbesondere stehen Länge der Bereiche hoher und geringer Laserleistung in einem für den Duty Cycle fest wählbaren Zeitverhältnis zueinander.

Beispielsweise kann in der ersten Hälfte des Duty Cycles der Laserstrahl eine hohe Laserleistung aufweisen und in der zweiten Hälfte eine verschwindende Laserleistung aufweisen, beziehungsweise keine Laserleistung aufweisen. Beispielsweise kann so in der ersten Hälfte des Duty Cycles eine Fügestelle erzeugt werden und in der zweiten Hälfte eine Fügefehlstelle.

Eine Modulationsfunktion beschreibt hierbei den mathematisch funktionalen Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf der Laserleistung während eines Duty Cycles. Eine Modulationsfunktion kann beispielsweise ein Rechteck-Funktion sein. Hierbei wird während derzeit des Rechteckpulses ein Laserstrahl mit voller Laserleistung bereitgestellt während außerhalb der Zeit des Rechteckpulses wird die Laserleistung abgeschwächt oder blockiert wird.

Eine Modulationsfunktion kann auch eine Dreiecks-Funktion oder eine Sägezahn-Funktion sein. Während der Zeit des Dreiecks oder Sägezahns wird die Laserleistung gemäß dem jeweiligen Funktionswert der Modulationsfunktion erhöht, bis die Spitze des Dreiecks oder des Sägezahns erreicht ist. Danach kann die Laserleistung des Laserstrahls wieder gemäß der Modulationsfunktion abgeschwächt werden.

Eine Modulationsfunktion kann auch eine Sinus-Funktion sein. Insbesondere kann die Modulationsfunktion auch einen sogenannten Offset aufweisen. Beispielsweise kann durch die Modulationsfunktion festgelegt werden, dass die Laserleistung des Laserstrahls immer um einen bestimmten Mittelwert (den Offset) herum moduliert wird. Durch das Zeitverhältnis der Bereiche hoher Laserleistung und niedriger Laserleistung kann das Längenverhältnis von Fügestelle und Fügefehlstellen bestimmt werden.

Wenn beispielsweise die Dauer des Abschnitts mit hoher Laserleistung des Duty Cycles 80% des Duty Cycles beträgt und die Dauer des Abschnitts mit verschwindender Laserleistung 20% des Duty Cycles beträgt, dann beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle zu Fügefehlstelle 80:20.

Der Duty Cycle kann eine Wiederholrate zwischen 1Hz und 1kHz aufweisen.

Die Wiederholrate des Duty Cycles gibt an wie oft die Laserleistung entsprechend der Modulationsfunktion des Duty Cycles moduliert wird. Durch die Wahl der Wiederholrate des Duty Cycles kann die Modulation der Laserleistung mit der Wiederholrate der ultrakurzen Laserpulse und/oder der Bursts abgestimmt werden. Zudem kann bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit mit der Wiederholrate des Duty Cycles die Länge der Fügestellen und Fügefehlstellen bestimmt werden.

Wenn sich der Duty Cycle mit einer Rate von 10Hz wiederholt, die Modulationsfunktion eine Rechteck-Funktion ist, das Rechteck - also die Zeit der hohen Laserleistung - 50% des Duty Cycles beträgt und die Vorschubgeschwindigkeit bei 1 mm/s liegt, dann überstreicht der Laserstrahl während eines Duty Cycles eine Strecke von 0,1mm, wovon in der ersten Hälfte, also 50pm, eine Fügestelle erzeugt wird und in der zweiten Hälfte keine Fügestelle, also eine Fügefehlstelle erzeugt wird.

Der Duty Cycle kann hierbei mit einem Funktionsgenerator erzeugt werden. Ein Funktionsgenerator ist hierbei eine Steuerungsvorrichtung die dazu geeignet ist die Laserleistung gemäß einer gegebenen Modulationsfunktion anzusteuern.

Beispielsweise kann die Modulationsfunktion in Form eines Spannungssignals an eine Pockels- Zelle ausgegeben werden, die die Polarisation des Laserstahls proportional zum Spannungssignal dreht. Ein anschließender Polarisationsfilter oder Polarisationsanalysator kann dann die jeweiligen Polarisationsanteile des Laserstrahls zu den Fügepartnern leiten, wodurch die Laserleistung gemäß der Modulationsfunktion moduliert ist.

Die Laserleistung kann jedoch auch direkt an einem Steuereingang des Lasers angesteuert werden, so dass der Laser lediglich Laserpulse mit der der Modulationsfunktion entsprechenden Intensität ausgibt.

Die mittlere Leistung des Laserspots kann zwischen 0,1 W und 50W liegen. Die mittlere Leistung des Laserspots Ls ist bei einem Einzelpuls definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Repetitionsrate PE des Einzelpulses und Anzahl der Einzelpulse NE: LS,E = E * PE * NE Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst ist definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Anzahl der Pulse pro Burst Np, Anzahl der Bursts NE sowie aus der Repetitionsrate mit der die Bursts abgegeben werden PE: LS,P = E *Np * PE * NE. Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst wird somit im Vergleich zur mittleren Leistung beim Einzelpuls lediglich mit der Anzahl der Laserpulse pro Burst skaliert: Ls.p = LS,E * Np.

Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulsen umfasst.

Das hat den Vorteil, dass für viele verschiedene Materialien geeignete Fügeparameter gefunden werden können, so dass die Festigkeit der Fügeverbindung besonders einfach eingestellt werden kann. Insbesondere werden durch die zeitlichen Abstände die Abkühlphasen der Fügepartner, beziehungsweise die Wärmeakkumulation in dem Fügebereich gesteuert, so dass besonders hochwertige und insbesondere spannungs- und rissfreie Fügenähte und Fügeverbindungen erzeugt werden können.

Beispielsweise können die Laserpulse eines Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 50ns aufweisen, wobei der Laserburst 10 Burstpulse umfasst.

Die Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts kann zwischen 0,5kHz und 10MHz liegen, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegen.

Beispielsweise kann bei einer Repetitionsfrequenz von 1MHz alle 1ps ein Burst in das Material abgegeben werden. Beispielsweise kann ein Burst 25 Laserpulse umfassen die einen Abstand von 20ns Sekunden zueinander aufweisen. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 10mm/s wird während des Bursts eine Länge von 10nm überstrichen.

Diese 10nm sind typischerweise deutlich kleiner als der Strahldurchmesser des Laserstrahls, so dass hier angenommen werden kann, dass die Pulse innerhalb des Bursts alle an den selben Ort im Material eingebracht werden. Gleichzeitig sind die 10nm auch so klein, dass angenommen werden kann, dass auch aufeinanderfolgende Bursts zumindest teilweise überlappen.

Wenn beispielsweise der Duty Cycle eine Wiederholrate von 100Hz aufweist und die ersten 70% eine hohe Laserleistung aufweisen und die zweiten 30% eine verschwindende Laserleistung aufweisen, dann wird in der ersten Hälfte des Duty Cycles eine kontinuierliche Fügestelle erzeugt, während in der zweiten Hälfte eine Fügefehlstelle erzeugt wird. Durch die Vorschubgeschwindigkeit von 10mm/s beträgt die Länge der Fügestelle 70pm, während die Fügefehlstelle eine Länge von 30pmaufweist.

Durch die Wahl und Abstimmung der Repetitionsfrequenzen kann die Prozessgeschwindigkeit besonders gut an die Prozessbedingungen, wie beispielsweise die zu fügenden Fügepartner angepasst werden. Insbesondere kann hierbei das Auswachsen der Schmelzblase berücksichtigt werden, die beispielsweise bei Glas-Glas-Verbindungen nach etwa 1 ms ausgewachsen ist, sich also nicht mehr vergrößert.

Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen, und/oder die Fluenz in der Fokuszone kann größer als 0,01 J/cm ² für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.

Diese Parameter erlauben es, die Wärmeakkumulation in den Fügepartnern zu steuern, Spannungen zu reduzieren und widerstandsfähigere Fügenähte zu generieren. Insbesondere ist es so auch möglich die Prozessparameter an die jeweiligen Materialien der Fügepartner anzupassen.

Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400fs beträgt und die Fluenz im Fokus beispielsweise 75 J/cm ² beträgt.

Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschubzwischen

0,01 mm/s und 1000mm/s, bevorzugt zwischen 0,1 mm/s und 300mm/s bewegt und/oder positioniert werden.

Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder die Fügepartner oder sowohl der Laserstrahl als auch die Fügepartner bewegt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich abwechselnd Fügestellen und Fügefehlstellen zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.

Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs Laserpulse oder Bursts in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Einbringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird. Beispielsweise können die Fügepartner auf einem Achsensystem positioniert sein, so dass die Fügepartner relativ zu dem Laserstrahl bewegt werden. Es ist aber auch möglich den Laserstrahl über die Fügepartner zu bewegen, beispielsweise kann der Laserstrahl mit einem oder mehreren akustooptischen Deflektoren oder einem Galvano-Scanner abgelenkt werden.

Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl sein, und der Laserstrahl kann bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweist.

Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.

Zudem wird unter der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls stets der Teil der Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Das Wort Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.

Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.

Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein besonders festes Fügen der Fügepartner zu ermöglichen.

Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht- beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.

Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel ß zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik, beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element, auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

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

Figur 1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens;

Figur 2A, B, C eine schematische Durchführung des Verfahrens;

Figur 3A, B, C, D, E eine schematische Darstellung möglicher Modulationsfunktionen;

Figur 4A, B Mikroskopaufnahmen von Fügenähten nach dem Stand der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und

Figur 5A, B, C, D verschiedene mögliche Laserstrahlprofile.

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 Aufbau 1 zur Durchführung des Verfahrens gezeigt und sehr schematisch ein Querschnitt zweier miteinander zu fügender Fügepartner 3, 8. Die Fügepartner 3, 8 sind hierbei an einer gemeinsamen Grenzfläche 7 aufeinanderliegend angeordnet.

Ein Ultrakurzpulslaser 4 stellt ultrakurze Laserpulse eines Laserstrahls 5 zur Verfügung. Diese können in Form einer Abfolge von Einzelpulsen oder in Form einer Abfolge von Bursts in die Fügepartner 3, 8 eingebracht werden.

Dabei kann die mittlere Leistung des Laserspots zwischen 0,1 W und 50W liegen. Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1ps, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, besonders bevorzugt zwischen 20ns und 80ns zueinander aufweisen, wobei ein Burst zwischen 2 und 64 Burstpulsen, bevorzugt zwischen 2 und 16 Burstpulse umfasst. Die Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse und/oder der Bursts kann zwischen 0,5kHz und 10MHz liegen, bevorzugt zwischen 1kHz und 4MHz liegen. Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen

Der Laserstrahl 5 wird durch eine hier sehr schematisch gezeigte, geeignete Fokussieroptik 6 so fokussiert, dass die Fokuszone F, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 5, in etwa mit der gemeinsamen Grenzfläche 7 der beiden Fügepartner 3, 8 zusammenfällt.

Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone F mindestens 0,01 J/cm ² betragen. Durch eine Fokussierung mit der Fokussieroptik 6 kann hier insbesondere die Eintragshöhe der Fokuszone F relativ zur in Strahlausbreitungsrichtung ersten Oberfläche des Fügepartners 8 bestimmt werden. Um den Laserstrahl 5 in die gemeinsame Grenzfläche 7 der Fügepartner 3, 8 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 transparent für die Wellenlänge des Lasers 4 sein. Beispielsweise kann der erste Fügepartner 8 ein Glas oder ein Kristall oder eine Keramik oder ein Kunststoff sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 3 opak oder transparent sein. Beispielsweise kann der zweite Fügepartner 3 ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Kunststoff oder eine Keramik sein.

An der Grenzfläche 7 werden in der Fokuszone F aufeinander folgende Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 3, 8 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 7 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 8, 3 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 3, 8. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 3, 8 in diesem Bereich miteinander durch Schweißen 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 Fügestelle bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 3, 8 bildet eine Schweißnaht aus.

Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschub VG zwischen 0,01mm/s und 1000mm/s, bevorzugt zwischen 0,1mm/s und 300mm/s, bewegt und/oder positioniert werden. Hierfür können die Fügepartner beispielsweise auf einer Vorschubvorrichtung 10 positioniert werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl 5 entlang einer Fügenaht 9 über die Fügepartner 3, 8 verfahren wird, so dass die Fügepartner 3, 8 entlang der Fügenaht 9 gefügt werden können.

Die Fügenaht 9 weist mindestens zwei Fügestellen 900 und eine Fügefehlstelle 902 auf, die zwischen den mindestens zwei Fügestellen 900 angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die Fügestellen 900 länger als 10pm, bevorzugt länger als 50pm. Dementsprechend wird keine kontinuierliche Fügenaht 9 erzeugt, sondern eine durch Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 zusammengesetzte Fügenaht 9. Insbesondere folgt in Figur 1 der Fügenaht 9 auf eine Fügestelle 900 immer eine Fügefehlstelle 902, so dass besonders einfach eine geschlossene Fügenaht 9 erzeugt werden kann.

Durch das Längenverhältnis von Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 entlang der Fügenaht 9 kann die Widerstandsfähigkeit und die Festigkeit der Fügenaht 9 eingestellt werden. Verschiedene Längenverhältnisse von Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 sind in Figuren 2A bis 2C dargestellt. In Figur 2A beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 40:60. In Figur 2B beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 60:40. In Figur 2C beträgt das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 etwa 90:10. Beispielsweise kann das Längenverhältnis von Fügestelle 900 und Fügefehlstelle 902 entlang der Fügenaht 9 aber zwischen 10:90 und 95:5 liegt, bevorzugt bei 70:30 liegen.

Die Festigkeit der einzelnen Fügestellen 900 summiert sich entlang der Fügenaht 9 zu einer Gesamtfestigkeit, wobei längere Fügestellen 900 theoretisch eine höhere Festigkeit auf als kurze Fügestellen 900 aufweisen. Hierbei sind längere Fügestellen 900, insbesondere kontinuierlich gefügte Fügenähte 9 (die nur aus einer einzigen Fügestelle bestehen) einem größeren Rissrisiko beispielsweise bei Stoßbelastungen ausgesetzt.

Daher fungierten die zwischen den Fügestellen 900 angeordneten Fügefehlstellen 902 als Rissstopper, die die Widerstandsfähigkeit beispielsweise gegen Stoßbelastungen der Fügenaht 9 erhöhen. Die Fügestellen 900 sind lokal begrenzt, so dass eine Rissbildung in der Fügestelle 900 nicht die gesamte Fügenaht 9 schädigt. Insbesondere kann die Rissbildung der Fügestelle 900 beim Beginn der Fügefehlstelle 902 enden, da dort keine Fügestelle existiert, die Reißen könnte. Da die anderen Fügestellen 900 der Fügenaht 9 durch den Rissstopper 902 nicht beschädigt werden, bleibt die Gesamtfestigkeit der Fügenaht 9 weitgehend erhalten und die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht 9 steigt.

Wenn beispielsweise die Fügenaht 9 aus eintausend Fügestellen 900 zusammengesetzt ist und eine einzelne Fügestelle 902 aufgrund einer Stoßbelastung brechen würde, dann wären immer noch neunhundertneunundneunzig Fügestellen 902 intakt. Die Gesamtfestigkeit der Fügenaht 9 würde dadurch kaum herabgesetzt - gleichzeitig ist die Widerstandsfähigkeit der Fügenaht 9 aber größer, da sie bei einer Stoßbelastung nicht komplett zerstört wird, sondern weitgehend unverändert bestand hat.

In Figur 3 ist gezeigt, wie das Längenverhältnis von Fügestelle 900 zu Fügefehlstelle 902 eingestellt werden kann. Hierzu kann beispielsweise mit einem Funktionsgenerator die Laserleistung des Laserstrahls 5 gesteuert werden. Um eine Fügenaht 9 zu erzeugen kann hierbei die Modulationsfunktion, mit der die Laserleistung zeitlich moduliert wird, periodisch wiederholt werden. Insbesondere wird eine Periode solche Periode auch der Duty Cycle TDuty genannt.

In Figur 3A ist eine trapezförmige Modulationsfunktion gezeigt. Die trapezförmige Modulationsfunktion zeichnet sich dadurch aus, dass die Laserleistung zunächst ansteigt, nach der einstellbaren Anstiegszeit auf einer konstanten Laserleistung verbleibt und anschließend die Laserleistung wiederabfällt. Danach wird die Laserleistung für einen weiteren Zeitbereich quasi vollständig blockiert. Dieser Modulationszyklus wird periodisch immer wieder durchfahren, wobei die Wiederholrate des Duty Cycles zwischen 1Hz und 1kHz liegen kann. Exemplarisch ist in der Figur 3A auch eine Modifikationsschwelle M der Fügepartner 3, 8 eingezeichnet, ab der die Laserleistung hoch genug ist, um einen Fügeprozess zu initiieren. Demensprechend werden die Fügepartner nur gefügt, wenn die Laserleistung oberhalb der Modifikationsschwelle ist. Das Längenverhältnis von Fügestelle 900 und Fügefehlstelle 902 ergibt sich somit aus dem Zeitverhältnis der Modulationsfunktion bei der die Intensität des Lasers oberhalb oder unterhalb der Fügeschwelle der Fügepartner 2, 8 liegt.

In Figur 3B ist eine Dreiecks-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt, in Figur 3C ist eine Sägezahl-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt in Figur 3D ist eine Rechteck-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt und in Figur 3E ist eine Sinus-Funktion als Modulationsfunktion gezeigt.

Insbesondere sind die Modulationsfunktionen in Figuren 3C und 3D um einen Offset nach oben hin verschoben. Dadurch können die Fügepartner 3, 8 gewissermaßen mit einer nicht verschwindenden Laserleistung vorgewärmt werden, beziehungsweise nahe der Modifikationsschwelle gehalten werden, so das beim Überschreiten der Modifikationsschwelle durch die Laserleistung die eingebrachten Materialspannungen durch die geringeren thermischen Gradienten reduziert werden können.

In Figur 4A ist die Draufsicht auf die Fügepartner 3, 8 gezeigt, wobei der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 zu sehen ist. Mittels eines Vorschubsystems (nicht gezeigt) wurde hierbei eine kontinuierliche Fügenaht 9 erzeugt, die die beschriebenen Nachteile, wie beispielsweise eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen aufweist.

In Figur 4B ist ebenfalls eine Draufsicht auf die Fügepartner 3, 8 gezeigt, jedoch ist hier die Fügenaht 9 zusammengesetzt auf Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902. Hierzu wurde die Laserleistung mittels einer der Modulationsfunktionen aus Figur 3 moduliert. Gleichzeitig wurden die Fügepartner 3, 8 und der Laserstrahl 5 relativ zueinander mit einer Vorschubgeschwindigkeit VG verschoben, so dass die zeitliche Modulation der Laserintensität in eine räumliche Ausprägung der Fügestellen 900 und Fügefehlstellen 902 übersetzt werden konnte.

In Figur 5A ist der Intensitätsverlauf und Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Laserstrahls 5 gezeigt. Insbesondere ist der quasi nicht-beugende Strahl 5 ein Bessel-Gauß-Strahl. Im Strahlquerschnitt in derx-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 5B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also der Strahlquerschnitt in Strahlausbreitungsrichtung, gezeigt. Der Strahlquerschnitt weist eine elongierte Fokuszone auf, die etwa 300 pm groß ist. Damit ist die Fokuszone F in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als der Strahlquerschnitt in derx-y-Ebene, so dass eine elongierte Fokuszone vorliegt.

In Figur 5C ist analog zu Figur 5A ein Bessel-Strahl gezeigt, der einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt aufweist. Insbesondere erscheint der Strahlquerschnitt in dery-Richtung gestreckt, nahezu elliptisch.

In Figur 5D ist die longitudinale Fokuszone des Bessel-Strahls gezeigt, die erneut eine longitudinale Ausdehnung von etwa 300pm aufweist. Auch der Bessel-Strahl weist dementsprechend eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone auf.

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 Vorrichtung

3 Fügepartner

4 Laser 5 Laserstrahl

6 Fokussieroptik

7 Grenzfläche

8 Fügepartner

9 Fügeverbindung 9 Fügenaht

900 Fügestelle

902 Fügefehlstelle

F Fokuszone VG Vorschubgeschwindigkeit

M Modifikationsschwelle