Das Verfahren des Hartlötens mit Lötproess im Lötofen ist von allen Lötverfahren das am häufigsten verwendete. In jüngerer Zeit kommt auch das Hartlöten mit Lichtbogen beim Fügen von Bauteilen vermehrt zum Einsatz. Auch das Hartlöten mit Laserstrahl findet zunehmend Interesse, obwohl bei der Durchführung von diesem Verfahren noch viele Probleme zu überwinden sind. Während beim Hartlöten im Lötofen das Lot durch die Wärmezufuhr im Ofen aufschmilzt, verflüssigt es sich beim Löten mit Lichtbogen oder Laserstrahl an der Stelle des Energieeintrags.

Hartlöten und Schweißen weisen auf den ersten Blick viele Ähnlichkeiten miteinander auf, jedoch unterscheiden sich Hartlöten und Schweißen fundamental : Beim Hartlöten wird, im Gegensatz zum Schweißen, der Grundwerkstoff nicht aufgeschmolzen. Ledig- lich das als Lot zusätzlich zugegebene Material schmilzt durch die Energieeinbringung.

Durch Wechselwirkung des geschmolzenen Lots mit dem Grundwerkstoff entsteht die Verbindung. Die Schmelztemperatur des Lots liegt folglich beim Hartlöten immer unter- halb der Schmelztemperatur der zu fügenden Bauteile ; jedoch lie gt die Solidustem- peratur des Lots beim Hartlöten deutlich über der Verflüssigungstemperatur eines Lots, welches zum Weichlöten benutzt wird. Aufgrund der im Vergleich zum Schweißen niedrigeren Temperatur beim Löten werden die Bauteile beim Löten geringer beein- flusst als beirn Schweißen. Des Weiteren ermöglicht das Löten auch das Fügen von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitungskoeffizienten und unterschiedlicher Wärmekapazität, da beim Löten nur das Lot, nicht jedoch der Grundwerkstoff aufge- schmolzen wird. Dagegen ist das Schweißen von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien äußerst problematisch, da diese Eigenschaften beim Aufschmelzen der Werkstoffe eine entscheidende Rolle spielen. Aufgrund der Unterschiede ergeben sich folglich beim Löten und beim Schweißen völlig unterschiedliche Anforderungen an die technische Ausführung.

Laserstrahlhartlöten und Lichtbogenlöten wiederum unterscheiden sich durch die Ener- gieeinbringung und zeigen eine unterschiedliche Problematik. Beim Lichtbogenlöten wird im Vergleich zum Laserlöten die Energie großflächig eingebracht und der Stabi lität des Lichtbogens kommt eine hohe Bedeutung zu. Demgegenüber zeigt das Löten rnit einem Laserstrah) als Energiequelle die Vorteile der Lasertechnik. So ist die Energie- einbringung mit dem Laserstrahl örtlich sehr stark begrenzt und das Lot erstarrt nach dem Lötprozess sehr rasch. Dadurch wird der durch das Erwärmen des Bauteils ent- stehende Verzug minimiert und auch das Fügen von stark wärmeempfindlichen Ma- terialien ist möglich. Laserfertigungs rnethoden sind mit hohe n Investitionskosten ver- bunden und werden vor allem bei automatisierten Vorgängen in der Fertigung einge- setzt.

Beim Laserschweißen ist die Verwendung von Prozessgasen bekannt. Die Prozess ga- se dienen dazu, das beim Schweißen durch Verdampfen und lonisieren des Grund- werkstoffs entstehende Plasma zu kontrollieren und eine Ab schirmung des Laser- strahls durch die Plasmawolke zu verhindern. Weiterhin ist es bekannt, den Prozess- gasen aktive Gase als Bestandteil zu zumischen. Die aktiven Gase bewirken eine effektive Plasmakontrolle, erhöhen die Schweißgeschwindigkeit und verbessern die Qualität.

Beim Lötvorgang wird normalerweise ein Flussmittel eingesetzt, welches in der Regel vor dem Lötprozess als Lötpaste aufgebracht wird. Das Flussmittel wirkt auf die Ober- fläche des Bauteils ein, reinigt diese und bereitet die Wechselwirkung mit dem Lot vor.

Das Flussrnittel beeinflusst somit das Zusammenwirken von Lot und Grundwerkstoff entscheidend. Es zeigen sich Auswirkungen auf die Fließfähigkeit des Lots, auf die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lots und auch auf die Fähigkeit des Grund- werkstoffs zur Benetzung. Die Verwendung von Flussmitteln bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich. Flussmittel enthalten giftige und umweltschädliche Substanzen und sind folglich problematisch im Einsatz. Nach dem Lötvorgang vorhandene Flussmittel- rückstände müssen aufwendig entfernt werden, da diese nicht nur das Aussehen, sondern auch die Qualität der Lötnaht negativ beeinflussen, da die aggressiven Be- standteile des Flussmittels auf lange Sicht hin Grundwerkstoff und Lotnaht angreifen und so die Anfälligkeit für Korrosion erhöhen.

Beim Hartlöten ist, wie beim Löten generell, die Zugabe von Lot eine immanente Not- wen digkeit. Für die Zugabe des Lots gibt es verschiedene Möglichkeiten. Das Lot liegt drahtförmig vor und dieser Draht wird mittels einer Drahtvorschubeinrichtung kontinu- ierlich an die Stelle des Lötprozesses gebracht. Auch die Verwendung von Lotformtei- len ist möglich. Dazu wird das zu verlötende Bauteil mit den Lotformteilen bestückt bevor diese mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen werden und sich die Lotnaht bildet. Weiterhin ist auch die Verwendung von Lotfolien möglich, welche ebenfalls vor dem Lötprozess angebracht werden.

Trotz der zahlreichen, postiven Perspektiven des Laserstrahilötens wird diese Technik bisher wenig eingesetzt, da sich in der Praxis erheblich Probleme ergeben. So weisen die Lotnähte häufig eine Vielzahl von Poren auf, so dass die Qualität leidet u nd die notwendige Zug-und Druckfestigkeit nicht gegeben ist. Die vorliegenden Probleme sind dabei so gravierend, däss sie den Einsatz des Laserstrahilötens stark beein- schränken und größtenteils sogar vollständig verhindern. Problematisch ist ferner der Einsatz von Flussmitteln. Auch Vor-und Nacharbeiten sollten möglichst gering sein bzw. entfallen, um einen wirtschaftlichen Einsatz des Laserhartlötens zu ermöglichen.

Der vorliegende Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Prozessgas anzugeben, welche ein qualitativ hochwertiges Laserstrahlhartläten er- möglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas-çegen- sätzlich zu den rein inerten Edelgasen-mindestens ein aktives Gas enthält. Aktive Gase im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Kohlendioxid und Sau- erstoff. Die aktiven Gase beeinflussen das Lot und den Grundwerkstoff. Die aktiven Gase emiedrigen die Oberflächenspannung des Lots und erhöhen die Fließfähigkeit des Lots. Das Lot wird dünnflüssiger und verläuft besser. Damit dringt das Lot leichter in den zu fügenden Spalt ein und verteilt sich dort gleichmäßig. Eine gleichförmige Verteilung des Lots ohne Aussparungen und Blasenbildung vor dem anschließenden Erstarren des Lots ist die wichtigste Grundvoraussetzung für porenfreie Lotnrähte. Der Grundwerkstoff wird von den aktiven Gasen während des Lötprozesses für die Ausbil- dung der Lotnaht präpariert. Die aktiven Gase reagieren mit Verunreinigungen an der Oberfläche des Grundwerkstoffs. Aufgrund dieser Reinigung des Grundwerkstoffs ergibt sich eine bessere Benetzung des Grundwerkstoffs mit dem Lot. Die bessere

Benetzbarkeit führt zu einer effektiven und gleichmäßigen Verteilung des Lots und unterdrückt somit das Entstehen von Poren. Des Weiteren erzeugen die aktiven Gase kleine Risse im Grundwerkstoff während des Lötprozesses an der Lötstelle, in welche das flüssige Lot eindringt. Diese durch die Risse entstehende Verklammerung von Lot und Grundwerkstoff unterstützt das Entstehen der stoffschlüssigen Verbindung, welche endgültig durch Diffusionsprozesse der beteiligten Partner entsteht. Auch aus diesem Grund erhöhen die aktiven Gase die Qualität der Lötverbindung signifikant. Negative Einflüsse auf Grundwerkstoff oder Lot zeigen sich bei der Nutzung des erfindungsge- mäßen Prozessgases nicht. Ein Teil der genannten Auswirkungen, die das erfindungs- gemäße Prozessgas auf den Lötprozess ausübt, stimmen mit der-4 Auswirkungen des Flussmittels überein. Deshalb werden die Aufgaben des Flussmittels zumindest teil- weise von dem erfindungsgemäßen Prozessgas mit übernommen. Das Prozessgas kann folglich die Menge des benötigten Flussmittel reduzieren und dieses u. U. sogar vollständig ersetzen.

Vorteilhafterweise enthält das Prozessgas als aktives Gas Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff oder eine Mischung aus diesen Gasen. Die Gase und Gasmi- schungen aus dieser Aufzählung gewährleisten die genannten Vorteile in besonderer Weise. Prinzipiell zeigen sich mit allen aktiven Gasen die genannten Vorteile, jedoch treten bei den verschiedenen Gasen unterschiedliche Effekte in den Vordergrund.

Sauerstoff beispielsweise erhöht insbesondere die Fließgeschwindigkeit des Lots und erniedrigt die Oberflächenspannung des Lots besonders effektiv, während Wasserstoff v. a. mit den Oxiden an der Oberfläche des Grundwerkstoffs reagiert und diese entfernt.

Kohlendioxid wirkt ähnlich wie Sauerstoff, jedoch ist der Einfluss auf das Lot geringer.

Stickstoff wirkt als aktives Gas und beeinflusst insbesondere den Orundwerkstoff. Wei- ches bzw. welche aktive Gase für den speziellen Anwendungsfall am besten geeignet sind, kann der Fachmann durch einfaches Ausprobieren herausfinden. Andere aktive Gase können ebenfalls im Sinne der Erfindung eingesetzt werden. Dazu zu nennen sind Stickstoffmonoxid, Distickstoffmonoxid, Flöurkohlenwasserstoffe und chlorierte Flourkohlenwasserstoffe sowie CF4 und SF6.

In vorteilhafter Ausgestaltung sind die aktiven Gase in dem Prozessgas mit 0,01 Vox.-% bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 0,1 Vol.-% bis 20 Vol.-%, besonders bevorzugt 1 Vol.-% bis 10 Vol.-% enthalten. In diesen Volurmenanteilen ist einerseits die Wirkung der akti- ven Gase sichergestellt und anderseits kommt es nicht zu schädlichen Veränderungen

in Grundwerkstoff oder Lot. Für den Wasserstoffanteil liegt die zu bevorzugende Ober- grenze aufgrund seiner Explosivität bereits bei 20 Vol.-%.

In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist als aktives Gas mindestens 35 Vol.- %, vorzugsweise mindestens 50 Vol.-% Kohlendioxid enthalten. Hohe Volumenanteile an Kohlendioxid im Prozessgas führen zu einer außerordentlich effektiven und sehr gut beherrschbaren Energieeinkopplung. Dies führt zur schnell en Verflüssigung des Lots, während hingegen der Grundwerkstoff nur in geringen Maße erwärmt wird. Möglicher- weise basiert dies auf dem Dipolcharakter des Kohlendioxid-Moleküls im Prozessgas.

Diese spezielle und zusätzliche Wirkungsweise von Kohlendioxid zeigt sich erst bei Volumenanteilen von mehr als 35 °/O und deutlicher ist sie bei Volumenanteilen von über 50 % zu bemerken. Bei Kohlendioxid sind auch bei solch hohen Volumenanteilen keine negativen Folgen für Grundwerkstoff oder Lot zu bemerken.

In Weiterbildung besteht das Prozessgas aus einem binären Gasgemisch aus Kohlen- dioxid und Sauerstoff oder Kohlendioxid und Stickstoff oder Kohlendioxid und Argon.

Durch das Mischen des Kohlendioxids mit einem dieser Gase entstehen binäre Pro- zessgase mit hervorragenden Eigenschaften. In speziellen Anwendungsfällen kornmen jedoch besser ternäre Mischungen aus diesen Gasen oder gar die quaternäre Mi- schung aus allen vier Gaskomponenten zum Einsatz.

In einer ausgewähiten Weiterbildung der Erfindung enthält das Prozessgas ein borhal- tiges Gas oder mehrere borhaltige Gase. Durch die Zugabe einer oder verschiedener Borverbindungen, beispielsweise von Borestern, wird die Oberfläche des Grundwerk- stoffs besonders gut vorbereitet. Die Oberfläche wird von Verunreinigungen befreit und die Wechselwirkung der Oberfläche mit dem geschmolzene en Lot wird optimiert. Das daraus resultierende gute Verlaufen des Lots unterdrückt die Porenbildung nahezu vollständig-Die überschüssigen Borverbindungen und auch die an der Oberfläche entstehenden Produkte entweichen mit dem verbrauchten Prozessgas in die Umge- bung. Die borhaltigen Gase dienen als ein Art Flussmittel und sind deshalb geeignet die Flussm ittel zumindest teilweise, oft aber auch vollständig zu ersetzen. Ein aufwän- diges Nacharbeiten, mit welchem das überschüssige Flussmittel nach dem Lötprozess wieder entfernt wird, entfällt deshalb.

Mit besonderem Vorteil ist das borhaltige Gas dabei in einem Anteil von 0, 01 Vol.-% bis 3 Vol.-%, vorzugsweise 0,1 Vol.-% bis 1,5 Vol.-% enthalten. In diesen Anteilen ist einerseits die Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff und anderseits die Verflüchti- gung gewährleistet.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird das erfindungsgemäße Prozessgas ver- wendet. Damit ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren die genannten Vor- teile.

Prinzipiell ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Prozessgases für alle Lotfor- men geeignet. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Prozessgas jedoch bei der Verwendung von drahtförmigen Lot.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird flussmit- telfrei gelötet. Damit entfällt das arbeitsintensive Nacharbeiten der Lotnaht zum Entfer- nen von Flussmittelresten. Weiterhin ist es von'Vorteil, das diese umweltschädlichen und giftigen Substanzen nicht mehr verwendet werden müssen. Auch nachträgliche Veränderungen der Lötverbindung aufgrund des Einwirken des Flussrnittels auf Lot und/oder Grundwerkstoff entfallen.

Das erfindungsgemäße Prozessgas eignet sich mit besonderen Vorteilen zum Fügen von beschichteten Werkstoffen, insbesondere zum Fügen von verzinkten Stählen. Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Prozessgas auch für Aluminium und Alu- miniumlegierungen.

Aber auch beim Fügen von heterogen Werkstoffverbindungen zeigt das erfindungsge- mäße Prozessgas seine Vorteile. Die gefügten Hartlotverbindungen zeigen trotz der unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie unterschiedliche Wärme) eitungskoeffi- zienten und verschiedene Wärmekapazitäten eine hervorragende Qualität. So wird mit dem erfindungsgemäßen Prozessgas beispielsweise das Fügen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit (verzinkten) Stählen oder das Fügen von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen ermöglicht.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen : Figur 1 das Verfahren zum Laserstrahlhartlöten mit einem mittels einer Düse auf die Bauteile gerichteten Prozessgasstrom und Figur 2 das Verfahren mit drahtförrniger Lotzugabe.

Figur 1 und 2 zeigen eine Prozessgasdüse 1, einen Laserstrahl 2, einen Lotdraht 3, eine Lotnaht 4 und zu verlötende Bauteile 5. Des Weiteren zeigt Figur 2 eine Draht- lenkeinrichtung 6 und eine Drahtvorschubeinrichtung 7.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird eine Fuge mit dem Laserstahl hartge- lötet. Dazu sind die Bauteile 5 so angeordnet, dass sich eine V-förmige Fuge ergibt.

Der Laserstahl 2 wird auf die Oberseite der Bauteil fokussiert und verflüssigt das draht- förmig zugegebene Lot 3. Sollte der Brennfleck zu klein oder die Energiedichte im Brennfleck zu hoch sein, muss ein defokussierter Laserstrahl verwendet werden. Der Fokus des Lasers liegt dann vorzugsweise oberhalb des Bauteils. Das Lot 3 verflüssigt sich an der Lötstelle durch die Energie des Laserstrahls 2. Hinter der Lötstelle erstarrt das Lot und die Lotnaht 4 bildet sich aus. Vorteilhafterweise wird das Lot in einem Winkel von 15° bis 45° dem Lötprozess zugeführt. Der Prozessgasstrom wird mittels der Prozessgasdüse 1 auf die Lötstelle gelenkt. Der Prozessgasstrom ummantelt dabe i den Laserstrahl. Als Quelle für den Laserstrahl dient vorzugsweise ein Diodenlaser, aber auch ein Festkörperlaser (beispielsweise ein Nd : YAG Laser) oder ein COz-Laser wird eingesetzt Die Einkopplung des Laserstrahls in die Prozessgasdüse wird durch den Lasertyp bestimmt. Bei Verwendung eines Diodenlasers wird dieser vorzugsweise direkt mit der Prozessgasdüse verbunden sein. Wird hingegen eine Glasfaser für den Transport der Laserstrahlung in die Prozessgasdüse verwendet, endet die Faser vor- teilhafterweise in oder nahe an der Prozessgasdüse. Die Prozessgasdüse 1 sorgt für das Strömen des Prozessgases an die Lötstelle. Als Prozessgas wird mit besonderem Vorteil eine Mischung aus 3 Vol.-% Sauerstoff und 97 Vol.-% Argon verwendet. Diese Gasmischung eignet sich insbesondere zum Fügen von verzinkten Stählen. Die Kom- ponenten des Prozessgases werden vorzugsweise als Gasmischung in die Prozess- gasdüse geführt. Es ist jedoch auch möglich, die Komponenten in der Prozessgasdüse

zu verwirbeln. Die Lotnähte sind frei von Spritzern und Unregelmäßigkeiten, so dass ein Nacharbeiten nicht notwendig ist.

Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Verwendung von drahtförmigen Lot. Der Lotdraht 3 wird von der Drahtvorschubein richtung 7 kontinuierlich gefördert und von der Drahtlenkeinrichtung 6 an die Bearbeitungsstelle geführt. Dort schmilzt der Lotdraht 3 im Laserstrahl 2 und bildet nach Erstarrung die Lotnaht 4. Das Prozessgas wird mit der Prozessgasdüse 1 an die Lötstelle geführt und wechselwirkt dort mit dem geschmolzenen Lot und dem Grundwerkstoff. Die Bauteile 5 bestehen in einer Aus- gestaltung aus unterschiedlichen Materialien. Die Lotnaht 4 entsteht so beispielsweise zwischen einem Aluminium-und einem Stahlbauteil. Als Prozessgas wird vorteilhafter- weise eine Mischung aus 85 Vol.-% Kohlendioxid und 15 Vol.-% Argon verwendet.