DE19750586A1

DE19750586A1 - Laser brazing process employs a copper-based brazing alloy

Info

Publication number: DE19750586A1
Application number: DE19750586A
Authority: DE
Inventors: Thorge Hammer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: CN1129501C; CN1217248A; DE19750586B4

Abstract

A laser brazing process employs a copper-based brazing alloy. Preferred Alloys: The copper-based brazing alloy comprises (a) a brass containing \-40 wt.% Zn and optionally traces of Sn; (b) a nickel-silver containing \-40 wt.% Zn, about 10 wt.% Ni and optionally traces of Ag; (c) a copper-silicon alloy of composition 97 wt.% Cu, 3 wt.% Si and optionally traces of Pb; (d) a copper-aluminum alloy of composition 92 wt.% Cu and 8 wt.% Al; or (e) a bronze of composition 9 wt.% Sn, 0.3 wt.% Mn, 0.25 wt.% Si and balance Cu.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laser-Lötverfahren, insbesondere ein Laser- Lötverfahren zur Verlötung zweier oder mehrerer Werkstücke miteinander, die vorzugsweise als Bleche ausgebildet sind, mittels mindestens eines den Lötbereich einer Wärmestrahlung aussetzenden Laserstrahls unter Zufuhr eines Lots in den Lötbereich.The present invention relates to a laser soldering method, in particular a laser Soldering method for soldering two or more workpieces together, preferably are formed as sheets, by means of at least one of the soldering area of heat radiation exposing laser beam with supply of a solder in the soldering area.

Ein Laser-Lötverfahren der vorgenannten Art soll dahingehend weiterentwickelt werden, daß hohe Arbeitsgeschwindigkeiten möglich sind.A laser soldering method of the aforementioned type is to be further developed in such a way that high working speeds are possible.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Lot eine auf Kupfer basierende Legierung Verwendung findet. Die Relativgeschwindigkeit der beispielsweise als Bleche ausgeführten Werkstücke relativ zum Lötbereich kann zwischen 0,2 m pro Minute und 10 m pro Minute gewählt werden, wobei die Relativgeschwindigkeit vorzugsweise bei etwa 4 m pro Minute liegt. Die Zuführgeschwindigkeit des Lots in den Lötbereich wird vorteilhafterweise etwa doppelt so schnell gewählt.This is achieved according to the invention in that a copper-based solder is used Alloy is used. The relative speed of, for example, as sheets Executed workpieces relative to the soldering area can be between 0.2 m per minute and 10 m per minute, the relative speed preferably being about 4 m per minute. The feed rate of the solder in the soldering area is advantageously chosen about twice as fast.

Insbesondere bei dem Verlöten von verzinkten Blechen ergibt die Verwendung von auf Kupfer basierenden Legierungen als Lot eine lokale Messingbildung, so daß die Nähte einen dekorativen Goldton annehmen.The use of on results in particular when soldering galvanized sheets Copper based alloys solder as a local brass formation so that the seams join adopt a decorative gold tone.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Hartlote mit Arbeitstemperaturen zwischen 650°C und 1000°C gewählt. Die Lote können Messinglote mit mindestens 40 Gew.-% Zink und Spuren von Zinn sein. Weiterhin können Neusilberlote mit mindestens 40 Gew.-% Zink sowie etwa 10 Gew.-% Nickel und Spuren von Silber Verwendung finden. Ebenfalls gut geeignet sind Lote mit einer Beimischung von Silizium, wobei sich CuSi3 (d. h. ein Lot aus etwa 97 Gew.-% Kupfer und etwa 3 Gew.-% Silizium) als besonders vorteilhaft erweist. Ein weiteres bevorzugtes Lot enthält eine Beimischung von Aluminium, insbesondere CuAl8 (d. h. ein Lot aus etwa 92 Gew.-% Kupfer und 8 Gew.-% Aluminium) erweist sich als vorteilhaft. Ein ebenfalls sehr gut geeignetes Lot enthält neben Kupfer etwa 9 Gew.-% Zinn, etwa 0,3 Gew.-% Mangan und etwa 0,25 Gew.-% Silizium. According to preferred embodiments of the method according to the invention Brazing alloys with working temperatures between 650 ° C and 1000 ° C selected. The solders can Brass solders with at least 40 wt .-% zinc and traces of tin. Can continue Nickel silver solders with at least 40% by weight zinc and about 10% by weight nickel and traces of Find silver. Solders with an admixture of are also suitable Silicon, with CuSi3 (i.e. a solder made of about 97% by weight copper and about 3% by weight Silicon) proves to be particularly advantageous. Another preferred solder contains one Addition of aluminum, especially CuAl8 (i.e. a solder made of about 92% by weight copper and 8% by weight aluminum) has proven to be advantageous. Another very suitable solder contains about 9% by weight of tin, about 0.3% by weight of manganese and about 0.25% by weight of copper Silicon.

Das erfindungsgemäße Laser-Lötverfahren kann sowohl mit einem Laserstrahl als auch mit zwei zumindest teilweise überlappenden Laserstrahlen durchgeführt werden. Weiterhin kann das Verfahren mit zwei Laserstrahlen durchgeführt werden, die nicht oder nur unwesentlich überlappen, wobei deren Foki jeweils etwa in den Berührungsbereichen des Lots mit den zu verlötenden Blechen liegen. Diese Foki können beispielsweise als Fokuslinien ausgebildet sein, die sich längs der Richtung der Relativgeschwindigkeit der Bleche relativ zum Lötbereich erstrecken. Weiterhin kann auch ein scannender Laserstrahl Verwendung finden, der in einer Richtung senkrecht zur Relativgeschwindigkeit der Bleche relativ zum Lötbereich durch den Lötbereich hin und her bewegt wird.The laser soldering method according to the invention can be used both with a laser beam and with two at least partially overlapping laser beams are carried out. Furthermore can The procedure can be performed with two laser beams that are not or only marginally overlap, the foci of which in each case approximately in the contact areas of the solder with the to soldering sheets. These foci can be designed as focus lines, for example be along the direction of the relative speed of the sheets relative to Extend the soldering area. Furthermore, a scanning laser beam can also be used that in a direction perpendicular to the relative speed of the sheets relative to the soldering area is moved back and forth through the soldering area.

Zur Erzeugung des Laserstrahls können Nd:YAG- oder Kohlendioxid(CO₂)-Laser verwendet werden, mit Laserleistungen zwischen 500 W und 10 000 W bei Nd:YAG-Lasern und 1000 W und 40 000 W bei Kohlendioxid-Lasern.Nd: YAG or carbon dioxide (CO ₂ ) lasers can be used to generate the laser beam, with laser powers between 500 W and 10,000 W for Nd: YAG lasers and 1000 W and 40,000 W for carbon dioxide lasers.

Es können aber auch ein oder mehrere Halbleiter-Laser zur Erzeugung des Laserstrahls Verwendung finden, zum Beispiel ein oder mehrere Halbleiterlaser-Arrays. Der bzw. die Halbleiter-Laser werden bevorzugt bei einer mittleren Wellenlänge um 800 nm betrieben. Die Laserleistungen liegen bei Verwendung von Halbleiter-Lasern vorzugsweise zwischen 500 W und 10 000 W, insbesondere zwischen 1000 W und 5000 W. Bei der Verwendung von mehreren Halbleiter-Lasern, insbesondere Halbleiterlaser-Arrays, sind verschiedenste Fokusformen und -überlappungen möglich.However, one or more semiconductor lasers can also be used to generate the laser beam Find use, for example one or more semiconductor laser arrays. The or the Semiconductor lasers are preferably operated at an average wavelength around 800 nm. The Laser powers are preferably between 500 when using semiconductor lasers W and 10,000 W, especially between 1000 W and 5000 W. When using Several semiconductor lasers, in particular semiconductor laser arrays, are very different Focus shapes and overlaps possible.

Insbesondere bei verzinkten Blechen und bei beölten Blechen, wie sie in der Automobilindustrie Verwendung finden, kann auf ein Flußmittel verzichtet werden.Especially in the case of galvanized sheets and oiled sheets, as in the In the automotive industry, a flux can be dispensed with.

Das erfindungsgemäße Laser-Lötverfahren kann mit oder ohne Schutzgas betrieben werden. Als Schutzgas kann Stickstoff, Argon, Helium und/oder Kohlendioxid Verwendung finden.The laser soldering method according to the invention can be operated with or without protective gas become. Nitrogen, argon, helium and / or carbon dioxide can be used as protective gas Find.

Durch das erfindungsgemäße Laser-Lötverfahren können sowohl I-Nähte als auch Kehlnähte und Bördelnähte erzeugt werden. Durch das erfindungsgemäße Laser- Lötverfahren können Spalte zwischen den zu verlötenden Blechen bis zur Dicke des verwendeten Lötdrahts, die zwischen 0,4 mm und 2 mm betragen kann, überbrückt bzw. gefüllt werden.With the laser soldering method according to the invention, both I seams and Fillet welds and flared seams are produced. By means of the laser Soldering processes can gap between the sheets to be soldered up to the thickness of the used solder wire, which can be between 0.4 mm and 2 mm, bridges or be filled.

Das erfindungsgemäße Laser-Lötverfahren kann mit oder ohne einen Hilfsstrom betrieben werden, der beispielsweise durch eine Spannung hervorgerufen wird, die zwischen dem Lötdraht und den Blechen angelegt wird. Der Hilfsstrom kann vorzugsweise zwischen 10 A und 400 A, insbesondere zwischen 100 A und 400 A, bei einer bevorzugten elektrischen Leistung von etwa 10 kW betragen. Bei Verwendung eines Hilfsstroms kann die Relativgeschwindigkeit zwischen den Blechen und dem Lötbereich sowie die Zuführgeschwindigkeit des Drahts in den Lötbereich um ca. 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% erhöht werden.The laser soldering method according to the invention can be operated with or without an auxiliary current be caused, for example, by a voltage between the Solder wire and the sheets is applied. The auxiliary current can preferably be between 10 A. and 400 A, especially between 100 A and 400 A, in a preferred electrical Power of about 10 kW. When using an auxiliary current, the Relative speed between the sheets and the soldering area as well as the Feeding speed of the wire into the soldering area by approx. 20% by weight to 50% by weight increase.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther advantages and features of the present invention will become clear from the following description of preferred embodiments with reference to the enclosed illustrations. Show in it

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laser-Lötverfahrens zur Herstellung einer I-Naht; Fig. 1 is a perspective schematic view of an apparatus for performing a laser brazing process according to the invention for producing an I-seam;

Fig. 2 eine perspektivische schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laser-Lötverfahrens zur Herstellung einer Kehlnaht; Fig. 2 is a perspective schematic view of an apparatus for performing a laser brazing process according to the invention for the production of a fillet weld;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laser-Lötverfahrens mit auf einer Unterlage aufliegendem Lötdraht; Figure 3 is a schematic cross section through an apparatus for carrying out the laser brazing process according to the invention on hook on a base solder wire.

Fig. 4a einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laser-Lötverfahrens bei einer Bördelnaht mit Zweistrahltechnik; Figure 4a shows a schematic cross section through an apparatus for carrying out a laser brazing process according to the invention at a flanged seam with double beam.

Fig. 4b eine Ansicht gemäß den Pfeilen IV b in Fig. 4a; Fig. 4b is a view according to the arrows IV b in Fig. 4a;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Laser-Lötverfahrens bei einer Bördelnaht mit einem scannenden Laserstrahl. Fig. 5 is a schematic sectional view of an apparatus for carrying out a laser brazing process according to the invention at a flanged seam with a scanning laser beam.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung abgebildet, mit der ein erfindungsgemäßes Laser- Lötverfahren durchführbar ist. Im rechten Teil der Fig. 1 ist schematisch ein Koordinatensystem x, y, z abgebildet, das die Orientierung der in Fig. 1 dargestellten Winkel verdeutlicht. Die dargestellte Vorrichtung umfaßt eine ebene Unterlage 1, auf der zwei ebene Bleche 2, 3 stumpf längs der I-Naht 4 aneinanderstoßen. Die Unterlage 1 verläuft somit parallel zu den Blechwerkstücken 2, 3 sowie parallel zur Tangentialebene an den Verbindungsbereich der Blechwerkstücke 2, 3. Oberhalb der Bleche 2, 3 ist schematisch ein Lötkopf 5 angedeutet, der eine Zuführeinheit 6 für einen Laserstrahl (nicht abgebildet) sowie eine entsprechende Fokussierungsoptik 7 umfaßt. Weiterhin ist in dem Lötkopf 5 eine Drahtzuführeinrichtung 8 angeordnet, mittels der das als Lötdraht ausgebildete Lot 9 dem Lötbereich 11, der im wesentlichen dem Fokusbereich eines aus dem Lötkopf 5 austretenden Laserstrahls 10 entspricht, zugeführt werden kann.In Fig. 1, an apparatus is shown schematically with an inventive laser soldering is feasible. In the right part of FIG. 1, a coordinate system x, y, z is shown schematically, which illustrates the orientation of the angles shown in FIG. 1. The device shown comprises a flat base 1 , on which two flat sheets 2 , 3 butt butt along the I-seam 4 . The base 1 thus runs parallel to the sheet metal workpieces 2 , 3 and parallel to the tangential plane at the connection area of the sheet metal workpieces 2 , 3. Above the sheets 2 , 3 , a soldering head 5 is schematically indicated, which has a feed unit 6 for a laser beam (not shown) and a corresponding focusing optics 7 comprises. Furthermore, a wire feed device 8 is arranged in the soldering head 5 , by means of which the solder 9 designed as a soldering wire can be supplied to the soldering area 11 , which essentially corresponds to the focus area of a laser beam 10 emerging from the soldering head 5 .

Der Winkel zwischen den Oberseiten der Bleche 2, 3 und der Zuführrichtung des Lots 9 in den Lötbereich 11 in der y-z-Ebene ist mit Q bezeichnet. Der Winkel zwischen der Zuführrichtung des Lots 9 in den Lötbereich 11 und der mittleren Richtung des Laserstrahls 10 in der y-z-Ebene ist mit y bezeichnet. Der Winkel δ ist in der x-z-Ebene ausgerichtet und gibt den Winkel zwischen der mittleren Richtung des Laserstrahls 10 und einer in der Oberfläche der Bleche 2, 3 senkrecht zur Naht 4 durch den Lötbereich 11 hindurchgehenden Linie an.The angle between the upper sides of the sheets 2 , 3 and the feed direction of the solder 9 into the soldering area 11 in the yz plane is designated by Q. The angle between the feed direction of the solder 9 in the soldering area 11 and the central direction of the laser beam 10 in the yz plane is denoted by y. The angle δ is aligned in the xz plane and indicates the angle between the central direction of the laser beam 10 and a line passing through the soldering area 11 in the surface of the sheets 2 , 3 perpendicular to the seam 4 .

Fig. 2 zeigt schematisch die Situation zweier Bleche 12, 13, die sich überlappen. Hier wird durch ein erfindungsgemäßes Laser-Lötverfahren eine Kehlnaht 14 erzeugt. In Fig. 2 ist ebenfalls ein Koordinatensystem x, y, z abgebildet, wobei hier ebenfalls wie in Fig. 1 die y-Richtung in Richtung der Naht 14 zeigt. Aus Fig. 2 ist der Winkel β zwischen der Zuführrichtung des Lots 9 und der Naht 14 bzw. der Relativgeschwindigkeit der Werkstücke relativ zum Lötbereich in der x-y-Ebene ersichtlich. Fig. 2 shows schematically the situation of two sheets 12 , 13 which overlap. A fillet weld 14 is produced here by a laser soldering process according to the invention. In Fig. 2 is also a coordinate system x, y, z shown, wherein here also shows the y-direction toward the seam 14 as in FIG. 1. FIG. 2 shows the angle β between the feed direction of the solder 9 and the seam 14 or the relative speed of the workpieces relative to the soldering area in the xy plane.

Die Relativgeschwindigkeiten, mit denen die Bleche 2, 3 oder 12, 13 in y-Richtung während des Lötprozesses relativ zum Laserstrahl 10 bewegt werden können, liegen zwischen 0,2 und 10 m pro Minute, wobei vorzugsweise ein Wert von etwa 4 m pro Minute gewählt wird. Die Zuführung des Lots 9 kann stechend erfolgen und somit in der gleichen Richtung wie die Relativgeschwindigkeit der Bleche 2, 3 bzw. 12, 13 relativ zum Lötbereich 11. In diesem Fall ist β = 0°. Weiterhin kann die Zufuhr des Lots 9 auch schleppend erfolgen und somit entgegengesetzt der Richtung der Relativgeschwindigkeit, mit der sich die Bleche 2, 3 bzw. 12, 13 relativ zur Position des Laserstrahls 10 bewegen. In diesem Fall ist β = 180°. Bei einer I-Naht 4 wird vorzugsweise β = 0° gewählt. Bei einer Kehlnaht 14 wird vorzugsweise β = 30° bis 50° gewählt. Bei einer Bördelnaht (siehe Fig. 4 und Fig. 5) werden vorzugsweise Winkel von β = 0° oder β = 90° gewählt.The relative speeds at which the sheets 2 , 3 or 12 , 13 can be moved in the y direction during the soldering process relative to the laser beam 10 are between 0.2 and 10 m per minute, preferably a value of about 4 m per minute is chosen. The feed of the solder 9 can be piercing and thus in the same direction as the relative speed of the sheets 2 , 3 or 12 , 13 relative to the soldering area 11. In this case, β = 0 °. Furthermore, the feed of the solder 9 can also take place slowly and thus counter to the direction of the relative speed at which the sheets 2 , 3 or 12 , 13 move relative to the position of the laser beam 10 . In this case, β = 180 °. With an I-seam 4 , β = 0 ° is preferably selected. In the case of a fillet weld 14 , β = 30 ° to 50 ° is preferably selected. In a flanged seam (see Fig. 4 and Fig. 5) are preferably of angle β = 0 ° or β = 90 ° is selected.

Die Zuführgeschwindigkeit des Lots 9 kann in einem Geschwindigkeitsbereich von 0,2 m pro Minute bis 30 m pro Minute gewählt werden. Vorteilhafterweise werden hier Geschwindigkeiten von 3 m pro Minute bis 15 in pro Minute ausgewählt. Insbesondere ein Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit der Bleche 2, 3 bzw. 12, 13 zur Vorschubgeschwindigkeit des Lots 9 von 1 : 2 erweist sich als besonders vorteilhaft. The feed speed of the solder 9 can be selected in a speed range from 0.2 m per minute to 30 m per minute. Speeds from 3 m per minute to 15 in per minute are advantageously selected here. In particular, a ratio of the feed speed of the sheets 2 , 3 or 12 , 13 to the feed speed of the solder 9 of 1: 2 has proven to be particularly advantageous.

Es besteht die Möglichkeit, einen Hilfsstrom zu verwenden, wobei beispielsweise das als Lötdraht ausgeführte Lot 9 mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle und die Bleche 2, 3 bzw. 12, 13 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden werden. Der Hilfsstrom kann beispielsweise Stromstärken zwischen 100 A und 400 A bei einer elektrischen Leistung von ungefähr 10 kW aufweisen. In der Regel erweist sich der Einsatz einer Gleichspannungsquelle als günstig, es besteht aber auch die Möglichkeit eine Wechselspannungsquelle zu verwenden. Durch den zusätzlichen Hilfsstrom besteht die Möglichkeit, die Relativgeschwindigkeit der Bleche 2, 3 bzw. 12, 13 relativ zur Position des Laserstrahls 10 und die Vorschubgeschwindigkeit des Lots 9 um etwa 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% zu steigern.It is possible to use an auxiliary current, for example the solder 9 designed as a solder wire being connected to the positive pole of a voltage source and the sheets 2 , 3 or 12 , 13 being connected to the negative pole of the voltage source. The auxiliary current can have, for example, currents between 100 A and 400 A with an electrical power of approximately 10 kW. As a rule, the use of a DC voltage source proves to be cheap, but there is also the possibility of using an AC voltage source. The additional auxiliary current makes it possible to increase the relative speed of the sheets 2 , 3 or 12 , 13 relative to the position of the laser beam 10 and the feed speed of the solder 9 by approximately 20% by weight to 50% by weight.

Der Winkel α, unter dem das Lot 9 in der y-z-Ebene dem Lötbereich 11 zugeführt werden kann, kann zwischen 0° und 90° gewählt werden, wobei vorzugsweise α = 8° bis α = 30° ist. Gleichzeitig kann die Zuführrichtung des Laserstrahls 10 in der y-z-Ebene gegenüber der Zuführrichtung des Lots 9 in einem Winkelbereich von γ = 0° bis γ = 180° gewählt werden, wobei γ = 30° bis γ = 90° der Vorzug zu geben ist. In Fig. 3 ist ein Beispiel abgebildet, bei dem der Winkel α zwischen Zuführrichtung des Lots 9 und Oberfläche des Bleches 16 in y-z-Richtung gleich 0° ist und wobei gleichzeitig der Winkel γ zwischen der Zuführrichtung des Laserstrahls 10 und der Zuführrichtung des Lots 9 90° beträgt. In dem darin abgebildeten Ausführungsbeispiel wird das Lot 9 am Blech 16 abgebogen, so daß es in der Nähe des Lötbereiches auf dem Blech aufliegt.The angle α at which the solder 9 can be fed to the soldering area 11 in the yz plane can be selected between 0 ° and 90 °, preferably α = 8 ° to α = 30 °. At the same time, the feed direction of the laser beam 10 in the yz plane can be chosen in an angular range from γ = 0 ° to γ = 180 ° compared to the feed direction of the solder 9, preference being given to γ = 30 ° to γ = 90 °. FIG. 3 shows an example in which the angle α between the feed direction of the solder 9 and the surface of the sheet 16 in the yz direction is 0 °, and at the same time the angle γ between the feed direction of the laser beam 10 and the feed direction of the solder 9 Is 90 °. In the exemplary embodiment depicted therein, the solder 9 is bent on the sheet 16 , so that it rests on the sheet in the vicinity of the soldering area.

Der Winkel δ, unter dem die Zuführrichtung des Laserstrahls 10 in der x-z-Ebene gegenüber der Blechoberfläche gekippt ist, sollte in einem Bereich von 0° bis 150° gewählt werden, wobei hier Winkeln zwischen 20° und 90° der Vorzug zu geben ist. Alternativ dazu kann der gesamte Lötkopf 5 in der x-z-Ebene um einen Winkel δ von beispielsweise 0° bis 90° gekippt werden, so daß dadurch sowohl die Zuführrichtung des Lots 9 als auch die Zuführrichtung des Laserstrahls 10 beeinflußt werden. Bei einer solchen Verkippung ist Winkeln δ von 60° bis 90° der Vorzug zu geben.The angle δ at which the feed direction of the laser beam 10 is tilted in the xz plane relative to the sheet surface should be selected in a range from 0 ° to 150 °, preference being given here to angles between 20 ° and 90 °. Alternatively, the entire soldering head 5 can be tilted in the xz plane by an angle δ of, for example, 0 ° to 90 °, so that both the feed direction of the solder 9 and the feed direction of the laser beam 10 are influenced. With such a tilt, angles δ of 60 ° to 90 ° are preferred.

Die Dicke des verwendeten Lots 9 kann zwischen 0,4 mm und 2 mm liegen. Vorzugsweise sollten Dicken zwischen 0,8 mm und 1,2 mm gewählt werden.The thickness of the solder 9 used can be between 0.4 mm and 2 mm. Thicknesses between 0.8 mm and 1.2 mm should preferably be selected.

Erfindungsgemäß werden Lote 9 auf Kupferbasis verwendet. Insbesondere sollten Hartlote mit einer Arbeitstemperatur zwischen 650°C und 1000°C Verwendung finden. Hier bieten sich beispielsweise Messinglote an, die neben der Kupferbasis mindestens 40 Gew.-% Zink aufweisen. Weiterhin können in den Messingloten Spuren von Zinn vorhanden sein. According to the invention, solders 9 based on copper are used. In particular, hard solders with a working temperature between 650 ° C and 1000 ° C should be used. Here, for example, brass solders are available which, in addition to the copper base, contain at least 40% by weight of zinc. There may also be traces of tin in the brass solders.

Als weitere erfindungsgemäße Lote 9 können Neusilberlote verwendet werden, die neben einer Kupferbasis mindestens 40 Gew.-% Zink und zusätzlich etwa 10 Gew.-% Nickel aufweisen. Hier können Spuren von Silber von Vorteil sein.As further solders 9 according to the invention, nickel silver solders can be used which, in addition to a copper base, have at least 40% by weight of zinc and additionally about 10% by weight of nickel. Traces of silver can be an advantage here.

Da kleine Zugaben von Silizium das Fließverhalten positiv beeinflussen, können insbesondere auch Lote 9 verwendet werden, die aus im wesentlichen Kupfer und einer Beimischung von Silizium bestehen. Hier bietet sich beispielsweise ein Kupferlot 9 mit 3 Gew.-% Silizium an (CuSi3). Zusätzlich kann ein solches CuSi3-Lot mit Zugaben von Blei versetzt werden, wodurch die Löttemperatur etwas gesenkt werden kann.Since small additions of silicon have a positive influence on the flow behavior, solders 9 , which consist essentially of copper and an admixture of silicon, can in particular also be used. Here, for example, a copper solder 9 with 3% by weight of silicon is suitable (CuSi3). In addition, such a CuSi3 solder can be mixed with additions of lead, which can slightly lower the soldering temperature.

Als ein ebenfalls sehr vorteilhaftes Lot 9 hat sich ein Kupferlot mit einer Beimischung von Aluminium erwiesen und hier insbesondere eine Beimischung von etwa 8 Gew.-% Aluminium (CuAl8). Ein weiterhin sehr vorteilhaftes Lot 9 ist ein Kupferlot, das 9 Gew.-% Zinn, 0,3 Gew.-% Mangan und 0,25 Gew.-% Silizium enthält.A copper solder with an admixture of aluminum has also proven to be a very advantageous solder 9 , and here in particular an admixture of about 8% by weight of aluminum (CuAl8). Another very advantageous solder 9 is a copper solder which contains 9% by weight of tin, 0.3% by weight of manganese and 0.25% by weight of silicon.

Als Laser kann beispielsweise ein Nd:YAG-Laser im Dauerstrichbetrieb Verwendung finden. Der Nd:YAG-Laser wird in der Regel bei einer Wellenlänge um 1.064 nm betrieben, kann aber auch als frequenzverdoppelter Laser bei einer Wellenlänge von 532 nm betrieben werden. Die verwendeten Laserleistungen können in einem Bereich zwischen 500 W und 10 000 W liegen. Vorzugsweise finden Laserleistungen zwischen 2000 W und 4000 W Verwendung. Bei dem Betrieb des Nd:YAG-Lasers mit Frequenzverdoppelung sollte die Leistung zwischen 10 W und 1000 W gewählt werden.For example, an Nd: YAG laser can be used as a laser in continuous wave mode. The Nd: YAG laser is usually operated at a wavelength of around 1,064 nm but also operated as a frequency-doubled laser at a wavelength of 532 nm become. The laser powers used can be in a range between 500 W and 10,000 W are. Laser powers between 2000 W and 4000 W are preferred Use. When operating the Nd: YAG laser with frequency doubling, the Power between 10 W and 1000 W can be selected.

Weiterhin bietet sich die Verwendung eines Kohlendioxid(CO₂)-Lasers an, wobei hier Leistungen zwischen 1000 W und 40 000 W gewählt werden können. Vorzugsweise kann ein Leistungsbereich von 2000 W und 5000 W Verwendung finden.Furthermore, the use of a carbon dioxide (CO ₂ ) laser is possible, with powers between 1000 W and 40 000 W being possible. A power range of 2000 W and 5000 W can preferably be used.

Es können aber auch ein oder mehrere Halbleiter-Laser, zum Beispiel ein oder mehrere Halbleiterlaser-Arrays, verwendet werden. Bei der Verwendung von mehreren Halbleiter- Lasern, insbesondere Halbleiterlaserdioden-Arrays, sind verschiedenste Fokusformen und Fokiüberlappungen möglich.However, one or more semiconductor lasers can also be used, for example one or more Semiconductor laser arrays can be used. When using multiple semiconductor Lasers, in particular semiconductor laser diode arrays, are various focus forms and Focus overlaps possible.

Die Größe der Fokusfläche ist abhängig von der Art der zu verlötenden Naht. Die Fokusfläche wird bevorzugt zwischen der aufgrund der Beugungsbegrenzung minimal möglichen Fläche und etwa 25 mm2 liegen.The size of the focus area depends on the type of seam to be soldered. The Focus area is preferred between the minimum due to the diffraction limitation possible area and about 25 mm2.

Insbesondere bei verzinkten Blechen kann auf Flußmittel verzichtet werden, weil Zink als Haftvermittler wirkt und durch Zink eine lokale Messingbildung hervorgerufen wird. Weiterhin sind beispielsweise im Automobilbau verwendete beölte Bleche ohne Flußmittel laser lötfähig. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne Schutzgas durchgeführt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Stickstoff, Argon, Helium und/oder Kohlendioxid als Schutzgas zu verwenden.Fluxes can be dispensed with, especially in the case of galvanized sheets, because zinc is used as Adhesion promoter works and zinc causes local brass formation. Farther are, for example, oiled sheets used in automotive engineering without flux laser solderable. The process according to the invention can be carried out without protective gas. It however, there is also the possibility of nitrogen, argon, helium and / or carbon dioxide Use shielding gas.

In den Fig. 4 und Fig. 5 ist die Verlötung von Bördelnähten abgebildet. Mittels des erfindungsgemäßen Lötverfahrens können Spalte mit einer Breite überbrückt werden, die etwa dem 0,5-fachen bis 1-fachen des Lötdrahtdurchmessers entsprechen. In Fig. 4a ist die Verlötung zweier Bleche 17, 18 mit einem Lot 9 und einem in zwei Teilstrahlen 19, 20 aufgespaltenen Laserstrahl abgebildet. Die Fokuspunkte der beiden Teilstrahlen 19, 20 liegen im Berührungsbereich der Bleche 17, 18 mit dem Lot 9. Wie in Fig. 4b abgebildet, kann in solchen Fällen anstelle eines Fokuspunktes eine Fokuslinie 21, 22 Verwendung finden.In Figs. 4 and FIG. 5, the soldering is imaged by flanged seams. By means of the soldering method according to the invention, gaps with a width can be bridged which correspond to approximately 0.5 times to 1 times the diameter of the solder wire. In Fig. 4a the soldering two metal sheets 17, 18 shown with a solder 9 and a split into two partial beams 19, 20 laser beam. The focal points of the two partial beams 19 , 20 lie in the area of contact of the sheets 17 , 18 with the solder 9 . As shown in FIG. 4b, a focus line 21 , 22 can be used in such cases instead of a focus point.

Eine entsprechende Bifokaltechnik kann auch bei anderen Nähten angewendet werden, wobei beispielsweise ein etwas breiterer Fokus das Material der Bleche in ihrem Oberflächenbereich erwärmt und ein engerer Fokus das Lot 9 im Lötbereich aufschmilzt. Zwei Fokuspunkte oder -linien können auch bei einem einzelnen Laserstrahl durch eine entsprechende Optik erzeugt werden.A corresponding bifocal technique can also be used for other seams, for example a somewhat wider focus heating the material of the metal sheets in their surface area and a narrower focus melting the solder 9 in the soldering area. Two focal points or lines can also be created with a single laser beam using appropriate optics.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserlöten bei an einer Bördelnaht stumpf aufeinanderstoßenden Blechen 17, 18 abgebildet. Hierbei wird ein sich in Richtung des Pfeils 24 hin und her bewegender Laserstrahl 23 verwendet, der auf diese Weise insbesondere auch für ein Aufschmelzen des Lots 9 in dessen Berührungsbereichen zu den Blechen 17, 18 sorgt. FIG. 5 shows a further embodiment of a method according to the invention for laser soldering in the case of sheets 17 , 18 which abut one another at a flanged seam. Here, a laser beam 23 moving back and forth in the direction of arrow 24 is used, which in this way also ensures in particular that the solder 9 melts in its contact areas with the metal sheets 17 , 18 .

Reference list

11

Unterlage
document

22nd

, ,

33rd

Bleche bei I-Naht
Sheets with I-seam

44th

I-Naht
I seam

55

Lötkopf
Soldering head

66

Lasereinheit
Laser unit

77

Fokussierungsoptik
Focusing optics

88th

Drahtzuführeinrichtung
Wire feeder

99

Lötdraht
Solder wire

1010th

Laserstrahl
laser beam

1111

Lötbereich
Soldering area

1212th

, ,

1313

Bleche bei Kehlnaht
Sheet metal at fillet weld

1414

Kehlnaht
Fillet weld

1515

umgebogener Abschnitt des Lötdrahts
bent section of the solder wire

1616

Blech
sheet

1717th

, ,

1818th

Blech bei Bördelnaht
Sheet metal with flanged seam

1919th

, ,

2020th

Teilstrahlen des Laserstrahls
Partial beams of the laser beam

2121

, ,

2222

Fokusquerschnitte der beiden Teilstrahlen
Focus cross sections of the two partial beams

2323

scannender Laserstrahl
scanning laser beam

2424th

Pfeil in Arrow in

Fig.Fig.

55

α Winkel zwischen Lötdraht und Oberfläche des Blechs in y-z-Ebene
β Winkel zwischen Lötdraht und Vorschubrichtung in x-y-Ebene
γ Winkel zwischen Strahl und Lötdraht in y-z-Ebene
δ Winkel zwischen Lötkopf und Blech in x-z-Ebene
α Angle between the solder wire and the surface of the sheet in the yz plane
β Angle between the solder wire and the feed direction in the xy plane
γ angle between the beam and the solder wire in the yz plane
δ angle between soldering head and sheet in xz plane

Claims

1. Laser soldering method for soldering two or more workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) to one another, which are preferably designed as sheets, by means of at least one laser beam ( 10 ,) exposing the soldering area ( 11 ) to thermal radiation. 19 , 20 , 23 ) while supplying a solder ( 9 ) into the soldering area ( 11 ), characterized in that a copper-based alloy is used as the solder ( 9 ).

2. Laser soldering method according to claim 1, characterized in that the solder ( 9 ) is a hard solder with a working temperature between 650 ° C and 1000 ° C.

3. Laser soldering method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solder ( 9 ) is a brass solder.

4. Laser soldering method according to claim 3, characterized in that the solder as a brass solder ( 9 ) contains at least 40 wt .-% zinc.

5. Laser soldering method according to claim 4, characterized in that the solder ( 9 ) designed as a brass solder contains traces of tin in addition to the at least 40% by weight of zinc.

6. Laser soldering method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solder ( 9 ) is a nickel silver solder.

7. Laser soldering method according to claim 6, characterized in that the nickel silver solder ( 9 ) contains at least 40 wt .-% zinc and about 10 wt .-% nickel.

8. Laser soldering method according to claim 7, characterized in that the solder ( 9 ) designed as nickel silver solder contains traces of silver in addition to the at least 40% by weight of zinc and the approximately 10% by weight of nickel.

9. Laser soldering method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solder ( 9 ) contains an admixture of silicon.

10. Laser soldering method according to claim 9, characterized in that the solder ( 9 ) consists of about 97 wt .-% copper and about 3 wt .-% silicon.

11. Laser soldering method according to one of claims 9 or 10, characterized in that the solder ( 9 ) consists of about 97 wt .-% copper and about 3 wt .-% silicon and traces of lead.

12. Laser soldering method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solder ( 9 ) contains an admixture of aluminum.

13. Laser soldering method according to claim 12, characterized in that the solder ( 9 ) consists of about 92 wt .-% copper and about 8 wt .-% aluminum.

14. Laser soldering method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solder ( 9 ) consists of

- about 9% tin by weight,
about 0.3% by weight of manganese,
about 0.25% by weight of silicon,
- rest of copper.

15. Laser soldering method according to one of claims 1 to 14, characterized in that the solder ( 9 ) is designed as a solder wire whose thickness is between 0.4 mm and 2 mm.

16. Laser soldering method according to claim 15, characterized in that the thickness of the Solder wire is between 0.8 mm and 1.2 mm.

17. Laser soldering method according to one of claims 1 to 16, characterized in that I-seams, fillet seams or flared seams are produced between the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) which are preferably designed as sheets.

18. Laser soldering method according to claim 17, characterized in that the relative speed between the seam area ( 4 , 14 ) forming the connection area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) and the soldering area ( 11 ) between Is 0.2 m per minute and 10 m per minute.

19. Laser soldering method according to claim 18, characterized in that the relative speed between the seam area ( 4 , 14 ) forming the connection area and the soldering area ( 11 ) is about 4 m per minute.

20. Laser soldering method according to one of claims 1 to 19, characterized in that the feed speed of the solder ( 9 ) in the soldering area ( 11 ) is between 0.2 m per minute and 30 m per minute.

21. Laser soldering method according to claim 20, characterized in that the feed speed of the solder ( 9 ) in the soldering area ( 11 ) is between 3 m per minute and 15 m per minute.

22. Laser soldering method according to one of claims 18 to 21, characterized in that the relative speed between the seam area ( 4 , 14 ) forming the connection area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) and the soldering area ( 11 ) is approximately half the feed rate of the solder ( 9 ) into the soldering area ( 11 ).

23. Laser soldering method according to one of claims 1 to 22, characterized in that the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) are placed on a substantially flat base ( 1 ), the at least one Laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ) and the solder ( 9 ) are fed to the surfaces of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) facing away from the base in their connection area.

24. Laser soldering method according to one of claims 1 to 23, characterized in that the solder ( 9 ) is supplied slowly or piercingly.

25. Laser soldering method according to one of claims 1 to 24, characterized in that the angle measured in a tangential plane intersecting the soldering region ( 11 ) at the connecting region of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) β) between the direction of the connecting region of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) designed as a seam ( 4 , 14 ) and the feed direction of the solder ( 9 ) is between 0 ° and 180 °.

26. Laser soldering method according to claim 25, characterized in that the angle (β) for an I-seam is about 0 °.

27. Laser soldering method according to claim 25, characterized in that the angle (β) for a fillet weld is between 30 ° and 50 °.

28. Laser soldering method according to claim 25, characterized in that the angle (β) for a flanged seam is about 0 ° or about 90 °.

29. Laser soldering method according to one of claims 1 to 28, characterized in that the angle (α) at which the solder ( 9 ) the soldering area ( 11 ) in the plane by the relative speed of the workpieces directed along the seam ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) relative to the soldering area ( 11 ) and the surface normal to the tangential plane at the connection area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) in the soldering area ( 11 ) is clamped, fed, is between 0 ° and 90 °.

30. Laser soldering method according to claim 29, characterized in that the angle (α) is between 8 ° and 30 °.

31. Laser soldering method according to one of claims 1 to 30, characterized in that the angle (γ) between the feed direction of the solder ( 9 ) and the feed direction of the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ) in the plane, the relative speed of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) relative to the soldering area ( 11 ) and the surface normal to the tangential plane at the connection area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) in the soldering area ( 11 ) is between 0 ° and 180 °.

32. Laser soldering method according to claim 31, characterized in that the angle (γ) 30 ° to 90 °.

33. Laser soldering method according to one of claims 1 to 32, characterized in that the angle (δ) between the feed direction of the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ) and the tangential plane to the connection area of the workpieces ( 2 , 3rd , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) in the soldering area ( 11 ) in the plane that is connected to the connecting area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) in the soldering area by the surface normal on the tangential plane ( 11 ) and a straight line parallel to the tangential plane at the connection area of the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) in the soldering area ( 11 ) and perpendicular to the seam ( 4 , 14 ) through the soldering area ( 11 ) is stretched between 0 ° and 150 °.

34. Laser soldering method according to claim 33, characterized in that the angle (δ) is between 20 ° and 90 °.

35. Laser soldering method according to one of claims 1 to 34, characterized in that an Nd: YAG laser is used to generate the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ).

36. Laser soldering method according to claim 35, characterized in that the Nd: YAG Laser is operated at an average wavelength around 1064 nm.

37. Laser soldering method according to claim 36, characterized in that laser powers from 500 W to 10,000 W can be used.

38. Laser soldering method according to claim 37, characterized in that laser powers from 2000 W to 4000 W can be used.

39. Laser soldering method according to claim 35, characterized in that the Nd: YAG Laser is doubled in frequency at a wavelength of 532 nm.

40. Laser soldering method according to claim 38, characterized in that laser powers between 10 W and 1000 W can be used.

41. Laser soldering method according to one of claims 1 to 34, characterized in that a carbon dioxide (CO ₂ ) laser is used to generate the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ).

42. Laser soldering method according to claim 41, characterized in that laser powers between 1000 W and 40 000 W can be used.

43. Laser soldering method according to claim 42, characterized in that laser powers between 2000 W and 5000 W can be used.

44. Laser soldering method according to one of claims 1 to 34, characterized in that one or more semiconductor lasers are used to generate the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ).

45. Laser soldering method according to claim 44, characterized in that a Semiconductor laser array is used.

46. Laser soldering method according to claim 44 or 45, characterized in that the or the semiconductor lasers are operated at an average wavelength around 800 nm.

47. Laser soldering method according to one of claims 44 to 46, characterized in that that laser powers between 500 W and 10,000 W are used.

48. Laser soldering method according to claim 47, characterized in that laser powers between 1000 W and 5000 W can be used.

49. Laser soldering method according to one of claims 1 to 48, characterized in that the cross-sectional area of the at least one laser beam ( 10 , 19 , 20 , 23 ) in the soldering area ( 11 ) is less than or equal to 25 mm ² .

50. Laser soldering method according to one of claims 1 to 49, characterized in that as workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ) galvanized sheets are used.

51. Laser soldering method according to one of claims 1 to 50, characterized in that oiled sheets are used as workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16 , 17 , 18 ).

52. Laser soldering method according to one of claims 1 to 51, characterized in that no flux is used.

53. Laser soldering method according to one of claims 1 to 52, characterized in that no protective gas is used.

54. Laser soldering method according to one of claims 1 to 52, characterized in that a protective gas is used, preferably nitrogen and / or argon and / or helium and / or carbon dioxide.

55. Laser soldering method according to one of claims 1 to 54, characterized in that two laser beams ( 19 , 20 ) are used.

56. Laser soldering method according to claim 55, characterized in that the two Laser beams at least partially overlap in the soldering area, the cross section one of the two laser beams in the soldering area is larger than that of the other, so that the laser beam with the less extensive cross section in the soldering area in one Area occurs that is also acted upon by the other laser beam with heat.

57. Laser soldering method according to claim 55, characterized in that the two laser beams ( 19 , 20 ) do not overlap or only slightly overlap in the soldering area, with their foci essentially each in the area of contact of the solder ( 9 ) with the workpieces ( 17 , 18th ) are located.

58. Laser soldering method according to one of claims 55 to 57, characterized in that the foci of the laser beams ( 19 , 20 ) are formed as focus lines extending essentially in the direction of the relative speed of the workpieces ( 17 , 18 ) relative to the soldering area ( 11 ) are.

59. Laser soldering method according to one of claims 1 to 58, characterized in that the at least one laser beam ( 23 ) in the soldering area ( 11 ) in a direction substantially perpendicular to the relative speed of the workpieces ( 17 , 18 ) relative to the soldering area ( 11 ) runs, is moved back and forth.

60. Laser soldering method according to one of claims 1 to 59, characterized in that an auxiliary current is used, which by a between a solder wire ( 9 ) and the workpieces ( 2 , 3 , 12 , 13 , 16) , 17 , 18 ) applied voltage.

61. Laser soldering method according to claim 60, characterized in that the auxiliary current between 10 A and 400 A, in particular between 100 A and 400 A.

62. Laser soldering method according to one of claims 60 or 61, characterized in that that the electrical power associated with the auxiliary power is about 10 kW.