Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen.

Stand der Technik

Aus DE 198 48 179 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von keramischen Bauteilen miteinander unter Verwendung von Laserstrahlen bekannt. Dazu werden die zu verschweißenden Bauteile von einem ersten Laserstrahl vorgewärmt. Die Erwärmung erfolgt dabei bis auf eine Temperatur, die kleiner ist als die Schmelztemperatur der zu verschweißenden Bauteile. Unmittelbar danach werden mittels eines zweiten Laserstrahles, der direkt auf die Schweißnaht fokus- siert wird, die Bauteile in der Fügezone aufgeschmolzen und eine Verschweißung herbeigeführt.

Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist, dass der Energieeintrag in die Bauteile und somit die thermische Belastung der sich in direkter Nähe zu der Fügestelle befindenden Bereiche so hoch ist, dass die Keramik zerspringen kann.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von keramischen Bauteilen zu schaffen, bei denen die thermische Belastung reduziert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Laserfügesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Fügen von keramischen Bauteilen, wobei die Bauteile mit Hilfe eines ersten Laserstrahls gelötet werden. Der Laserstrahl kann das Lot zunächst aufschmelzen. Das flüssige Lot kann daraufhin auf die zu fügenden Bauteile treffen und diese benetzen. Das wieder erstarrende Lot kann schließlich die Fügeverbindung herstellen. Die Wärmeeinbringung durch den Laserstrahl erfolgt beim Löten nicht direkt in die keramischen Bauteile. Der Laserstrahl ist insbesondere auf das Lot gerichtet und erhitzt in erster Linie nur das Lot. Dabei kann die thermische Belastung des Gesamtbauteils nur indirekt durch den Kontakt der Bauteile mit dem aufgeschmolzenen Lot erfolgen. Somit wird eine geringere thermische Belastung der Bauteile ermöglicht. Die Temperatur der keramischen Bauteile kann zu jedem Zeitpunkt unterhalb ihres Schmelzpunktes liegen. Eine wesentliche Verformung der keramischen Bauteile durch thermische Belastung und/oder Aufschmelzen und Erstarren kann somit weitgehend vermieden werden. Da die Bauteile folglich Ihre ursprüngliche Form exakter beibehalten, wird eine erhöhte Prozessgenauigkeit ermöglicht. Ebenso wird die Wahrscheinlichkeit, dass es in den keramischen Bauteilen zu Rissen bzw. Sprüngen kommt, zumindest verringert. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Prozesssicherheit. Die Erzeugung von Laserstrahlen bietet ein ausgereiftes und sehr flexibel anwendbares Verfahren, das es ermöglicht eine frei wählbare Geometrie der Fügeverbindung zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kurze Prozesszeit und es erfordert beispielsweise keine Vorverglasung, keinen Ofenprozess und/oder keine Abkühlstrecke.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Löten der keramischen Bauteile mit Hilfe von Glaslot. Die Zusammensetzung des Glaslotes kann derart ausgewählt werden, dass das Glaslot unterhalb seines Schmelzpunktes für die Laserstrahlung absorbierend ist und bei Erreichen einer bestimmten Fügetemperatur für die Laserstrahlung transparent wird. Dadurch wird eine Selbstregelung der Glaslottemperatur oberhalb der Glaslotschmelztemperatur ermöglicht. Als Glaslot können bevorzugt die Glasarten Quarzglas, Kalk-Natron-Glas, Floatglas, Bleikristallglas, Borosilikatglas und/oder Emaille verwendet werden.

Die Verwendung von Glaslot bietet den Vorteil, dass die keramischen Bauteile in einem zusätzlichen Verfahrensschritt nicht zunächst metallisiert werden müssen. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften von Keramik können durch die Verwendung von Glaslot auch in der Fügenaht beibehalten werden. Eine Korrosion des Lotes kann vermieden werden. Ein Verfahrensschritt der Metallisierung der keramischen Bauteile kann eingespart werden. Dies ermöglicht eine verkürzte

Prozesszeit.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Lot pulverförmig und/oder stabförmig zugeführt. Pulverförmiges Lot kann über ei- ne Düse der Fügestelle zugeführt werden. Die Zuführung kann dabei durch einen

Gasstrom, der zusammen mit dem pulverförmigen Lot durch die Düse strömt realisiert werden. Der erste Laserstrahl wird vorzugsweise koaxial zu einem zugeführten pulverförmigen Lot ausgerichtet. Der erste Laserstrahl kann somit zentral durch die Düse geführt sein und so das durch die Düse strömende pulverförmige Lot besser aufschmelzen. Die Gasart wird insbesondere an die Lotzusammensetzung angepasst, damit eine entsprechend ideale Benetzung der Bauteile erzielt werden kann. Das Stabförmige Lot kann über eine mechanische Zuführung der Fügezone zugeführt werden. Bei pulverförmiger und/oder stabförmigem Lot kann die Position der jeweiligen Zuführung variabel sein. Dadurch lässt sich das Verfahren sehr flexibel an einer Vielzahl von direkten Lötprozessbedingungen, aber auch den äußeren Besonderheiten wie beispielsweise den räumlichen Gegebenheiten anpassen.

Besonders bevorzugt entsteht eine Fügenaht durch eine Relativbewegung zwi- sehen den Bauteilen und dem zugeführten Lot entlang eines zu fügenden Spalts, wobei eine Bewegung des ersten Laserstrahls der Bewegung des Lotes entspricht. Dabei kann die Relativbewegung durch eine Bewegung der zu fügenden Bauteile und/oder des Lotes hervorgerufen werden. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag in das Verfahren punktuell und damit sehr kontrolliert erfolgen kann. Die beschrieben Variationsmöglichkeiten zur Realisierung der Relativbewegung ermöglicht ein sehr flexibles Verfahren mit frei wählbarer Geometrie der Lötverbindung.

Bevorzugt wird eine Fügenaht mit Schutzgas zur Bereitstellung einer Lötatmo- Sphäre beströmt. Dabei kann das Schutzgas mit Hilfe einer Schutzgasdüse zugeführt werden, deren Position bevorzugt variabel ist. Durch das Schutzgas kann die Fügestelle vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Verunreinigungen geschützt werden und so eine qualitativ hochwertigere Fügenaht erreicht werden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls Lotparameter, insbesondere die Benetzung der Bauteile und/oder der Temperaturverlauf einer entstehenden Fügenaht manipuliert, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls von der des ersten Laserstrahls abweichen kann. Der zweite Laserstrahl muss dabei nicht auf das zugeführte Lot gerichtet sein, sondern kann beispielsweise dem ersten Laserstrahl etwas beabstandet folgen und auf das bereits wieder erstarrende Lot gerichtet sein. Dabei kann der zweite Laserstrahl auch eine von der Bewegung des ersten Laserstrahls abweichende Bewegungen ausführen. Durch die voneinander abweichenden Wellenlängen des ersten und des zweiten Laserstrahls kann eine gegenseitige Auslöschung durch Interferenz der Laserstrahlen verhindert wer- den.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Laserfügesystem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, mit mindestens zwei keramischen Bauteilen, einer Aufnahmevorrichtung zur Positionierung der Bauteile und einem ersten La- sersystem zur Abgabe eines ersten Laserstrahls zum Löten der Bauteile. Insbesondere kann das Lasersystem die Eignung aufweisen variable Laserstrahlen abzugeben. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Laserstahls und/oder die Fokussierung des Laserstrahls dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Die Aufnahmevorrichtung kann unbeweglich und/oder beweglich sein. Als unbewegliche Aufnahmevorrichtungen können ein Tisch, auf dem die Bauteile abgelegt werden, oder eine Einspannung, mit deren Hilfe die Bauteile in ganz speziellen Positionen fixiert werden können, eingesetzt werden. Als bewegliche Aufnahmevorrichtungen können eine Art Fließband für translatorische Bewegungen der Bauteile oder ein Roboterarm, der die Bauteile einprogrammierte kom- plexe dreidimensional Bewegungen ausführen lassen, eingesetzt werden.

In einer sehr bevorzugten Ausführungsform weist das Laserfügesystem eine Lotzuführung zum Aufbringen von pulverförmigem und/oder stabförmigem Glaslot auf, wobei das erste Lasersystem geeignet ist das Glaslot aufzuschmelzen. Je nach Anwendungsfall kann das erste Lasersystem auch dazu geeignet sein wenigstens einen Teil der Laserstrahlung dafür zu verwenden die keramischen Bau- teile selber aufzuschmelzen. Dies ist insbesondere beim Fügen vom Aluminiumoxid, welches eine schmelzflüssige Phase bildet, vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schutzgaszuführung zur Bereitstellung einer Lötatmosphäre vorgesehen. Die Schutzgaszuführung führt das Schutzgas der Fügestelle zu und ist bevorzugt in seiner Position variabel. Die Zusammensetzung des Schutzgases kann bevorzugt an die Lötbedingungen, dem Werkstoff der keramischen Bauteile oder des Lotes angepasst werden, so dass für den jeweiligen Anwendungsfall eine ideale Benetzung der Bauteile erfolgen kann. Die von der Schutzgaszuführung erzeugte Fügeatmosphäre kann insbesondere zum Schutz der Fügenstelle vor Umwelteinflüssen sein und zu einer verbesserten Qualität der Fügenaht führen.

Vorzugsweise ist bei dem Laserfügesystem ein zweites Lasersystem zur Abgabe eines zweiten Laserstrahls zur Manipulation von Lötparametern, insbesondere der Benetzung der Bauteile und/oder des Temperaturverlaufs einer entstehenden Fügenaht vorgesehen, wobei die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls abweichen kann. Der von dem zweiten Lasersystem abgegebene Laserstrahl muss dabei nicht auf das zugeführte Lot gerichtet sein, sondern kann beispielsweise dem ersten Laserstrahls etwas beabstandet folgen und auf das bereits wieder erstarrende Lot gerichtet sein. Dabei kann der von dem zweiten Lasersystem abgegebene Laserstrahl insbesondere auch von der Bewegung des ersten Laserstrahls abweichende Bewegungen ausführen. Durch die voneinander abweichenden Wellenlängen des ersten und des zweiten Laserstrahls kann eine gegenseitige Auslöschung der Laserstrahlen verhindert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.

Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems mit pul förmigem Lot. Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems mit stabförmi- gem Lot.

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

Das in Fig. 2 dargestellte Laserlötsystem 8 weist im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten Laserlötsystem 8 eine seitlich positionierte Zuführung 9 für die Zu- führung von stabförmigem Glaslot 5b auf. Der von dem ersten Lasersystem 1 1 erzeugte erste Laserstrahl 1 ist wie in Fig. 1 orthogonal zu der von den zu fügenden keramischen Bauteilen 3 gebildeten Oberfläche 14 ausgerichtet. Der erste Laserstrahl 1 schmilzt das stabförmige Glaslot 5b vor dem Auftreffen auf die zu lötenden keramische Bauteile 3 auf und stellt wie in Fig. 1 die Lötverbindung an dieser Stelle des Spalts 6 her. Ebenfalls entsprechend Fig. 1 erfolgt die Erzeugung der Fügenaht 7 durch die beschriebene Relativbewegung und weist das Laserlötsystem 8 ein zweites Lasersystem 12 zur Erzeugung eines zweiten Laserstrahls 2 auf.