Patent DE-102015014060-B4 (DE)
Title: Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen im Bereich einer Fügezone mittels mindestens einem Laserstrahl sowie Verfahren zum Erzeugen einer durchgehenden Fügenaht
Inventor: OLOWINSKY ALEXANDER
IPC: B23K26/062
Filed: 2015-11-02
Granted: 2018-05-09
Abstract: Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen (1, 2) im Bereich einer Fügezone, die die zu verbindenden freien Flächen der beiden Bauteile (1, 2) definiert, mittels mindestens einem Laserstrahl (7) mit folgenden Verfahrensschritten:
 Positionieren eines ersten Bauteils (1) im Bereich der Fügezone thermisch getrennt mit Abstand zu einem zweiten Bauteil (2), in Richtung (3) deren Dicke gesehen, einen Fügespalt (4) bildend, wobei das zweite Bauteil (2) auf der dem ersten Bauteil (1) zugewandten Seite eine metallische Schicht (5) aufweist,
 in einer ersten Phase Richten des Laserstrahls (7) in Richtung der Dicke (11, 12) der Bauteile (1, 2) auf das erste Bauteil (1) auf dessen dem zweiten Bauteil (2) abgewandten Oberfläche (8), wobei die durch den Laserstrahl (7) bestrahlte Oberfläche als Einstrahlfläche (A L ) bezeichnet wird, und Aufschmelzen des ersten Bauteils (1) lokal, zumindest entsprechend der Größe der Fügezone, über dessen gesamte Dicke (11), wobei die hierdurch über den Laserstrahl (7) in dem ersten Bauteil (1) absorbierte Energie (Q L,a ) so gewählt wird, dass die Bedingung
       absorbierte Energie   =     Q     L   ,a       =       ∫           Q   .         L   ,a             dt   =     Q     B1       +       ∫           Q   .         kond1             dt   +       dH       M1       +     Q     B2       +       ∫           Q   .         kond2             dt   +       dH       M2             erfüllt ist, mit
 
         Q     L   ,a       =       ∫           Q   .         L   ,a             dt         im ersten Bauteil absorbierte Energie
 Q B1 =ρ 1  ·A 1  ·s B1  ·c ρ1  ·(T m1  - T 0 ) benötigte Energie zum Erzeugen einer lokalen Schmelzlinse in dem ersten Bauteil
 mit ρ 1  = Dichte des ersten Bauteils,
 A 1  = In Richtung der Laserstrahlausbreitung projizierte Fläche der Schmelzlinse,
 s B1  = Dicke des ersten Bauteils,
 c p1  = Wärmekapazität des ersten Bauteils,
 T m1  = Schmelztemperatur des ersten Bauteils,
 T 0  = Umgebungstemperatur 
 
           ∫           Q   .         Kond1                 dt=Q       kond   1             konduktive Wärmeleitungsverluste im ersten Bauteil
 dH M1  Enthalpie für einen Materialphasenwechsel im ersten Bauteil
 Q B2 = ρ 2  ·A 2  ·s B2  ·c p2  ·(Tm 2  -T 0 ) benötigte Energie zum Erzeugen eines lokalen Schmelzfilms in dem zweiten Bauteil
 mit ρ 2  = Dichte des zweiten Bauteils,
 A 2  = In Richtung der Laserstrahlausbreitung projizierte Fläche des Schmelzfilms,
 s B2  = Dicke des Schmelzfilms im zweiten Bauteil,
 c p2  = Wärmekapazität des zweiten Bauteils,
 T m2  = Schmelztemperatur des zweiten Bauteils,
 T 0  = Umgebungstemperatur
 
           ∫           Q   .         Kond2                 dt=Q       kond2             konduktive Wärmeleitungsverluste im zweiten Bauteil
 dH M2  Enthalpie für einen Materialphasenwechsel im zweiten Bauteil
 wodurch sich in dem ersten Bauteil (1) aus dem aufgeschmolzenen Material (9) eine Schmelzlinse (10) ausbildet,
 dann, in einer zweiten Phase, Applizieren mindestens eines Druckimpulses auf die Schmelze in Richtung des zweiten Bauteils (2) bis sich die Schmelzlinse (10) infolge des Druckimpulses in den Fügespalt (4) auslenkt, den Fügespalt (4) überbrückt und mit dem zweiten Bauteil (2) in Kontakt tritt und durch den Kontakt der Schmelzlinse (10) mit dem zweiten Bauteil (2) ein Energieübertrag auf das zweite Bauteil (2) stattfindet und sich durch den Energieübertrag in dem zweiten Bauteil (2) ein solcher Temperaturverlauf ergibt, dass auf der Oberseite des zweiten Bauteils (2) dessen Schmelztemperatur erreicht wird, sich ein Schmelzfilm ausbildet und die Wärmeeindringtiefe, definiert durch
         d   w     =       4   κ     t     K   o   n   t   a   k   t           ,    κ=   Temperaturleitfähigkeit         in das zweite Bauteil (2) aufgrund einer Kontaktzeit (t Kontakt ), bezeichnet als die Zeit zwischen einem ersten Kontakt der Schmelzlinse (10) mit dem zweiten Bauteil (2) und der Erstarrung des in der Schmelzlinse (10) aufgeschmolzenen Materials (9), so eingestellt wird, dass in einer vorgegebenen Tiefe des zweiten Bauteils (2) eine das zweite Bauteil (2) schädigende Schädigungstemperatur (T schädigung ) nicht überschritten wird, wobei die Schädigungstemperatur (T schädigung ) im zweiten Bauteil (2) definiert ist als die Temperatur T in der Tiefe (z krit,B2 ) des zweiten Bauteils (2) in Richtung dessen Dicke (12) gesehen, bei der entweder eine Schädigung des unter der metallischen Schicht (5) des zweiten Bauteils (2) liegenden Materials auftritt oder eine Ablösung der metallischen Schicht (5) auf dem zweiten Bauteil (2) von dem darunterliegenden Material erfolgt, wobei ein Aufschmelzen des zweiten Bauteils (2) primär aus der in der Schmelze des ersten Bauteils (1) enthaltenen Energie erfolgt.