用于接合至少两个接合配对的方法与流程

本发明涉及一种用于借助于超短脉冲激光器的激光束的超短的激光脉冲来接合至少两个接合配对的方法。

背景技术：

1、为了将两个接合配对接合在一起，已知用激光束加载相应的接合配对，以便以此方式在由激光束加载的区域中通过能量吸收来产生熔层，在熔层凝固之后，所述溶层在接合配对之间形成焊缝。在此，借助于超短的激光脉冲进行的接合在没有附加材料使用的情况下实现接合配对的稳定连接。

2、在此已知的是，为了接合透明的接合配对与不透明的接合配对，或者为了焊接两个透明的接合配对，将激光束的焦点或者聚焦区放置在两个接合配对的边界面中或者共同的边界面周围的区域中。在此，进行加工的激光束穿过透明的接合配对中的一个，并且在两个接合配对的边界面的区域中产生熔层。

3、如果将超短的激光脉冲(即，在皮秒范围内或者在飞秒范围(例如，50fs至50ps)的激光脉冲)聚焦到材料的体积中，则在焦点中的高的强度会导致非线性的吸收过程。如果相互接连的超短的激光脉冲在时间上的间隔短于热扩散时间，则这导致在聚焦区域中的材料中的热量积累或者温度上升。借助相互接连的脉冲中的每个能够将温度提高到材料的熔化温度上，并且最终，材料局部地熔化。

4、从de102018205325a1已知一种用于激光焊接的方法，用所述方法能够产生连续的接合缝。然而，在这里成问题的是，在接合时，由于高的温度差而会产生围绕接合缝的材料应力，所述材料应力促进裂缝形成。

5、从de102014203845a1已知一种用于激光焊接的方法，用所述方法能够进行两个接合配对的点焊接。然而，在这里成问题的是，点状的接合区总体上会产生接合缝的(比具有连续的接合缝的情况下)明显更低的强度。

技术实现思路

1、从已知的现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种用于接合两个接合配对的改进的方法。

2、该任务通过一种具有权利要求1的特征的、用于接合两个接合配对的方法解决。有利的拓展方案由从属权利要求、说明书和附图产生。

3、相应地，提出一种用于借助于超短脉冲激光器的激光束的超短的激光脉冲来接合至少两个接合配对的方法，其中，接合配对中的至少一个对于所使用的激光波长而言是透明的，其中，接合配对借助于激光束的超短的激光脉冲沿着接合缝互相接合。根据本发明，接合缝具有至少两个接合位和位于它们中间的接合缺位，其中，每个接合位长于10μm、优选长于50μm。

4、在这里，超短脉冲激光器提供激光束的超短的激光脉冲，其中，单个的激光脉冲在射束传播方向上形成激光束。

5、替代单个的激光脉冲地，激光器也能够提供短脉冲串，其中，每个短脉冲串包括多个激光脉冲的发出。在此，对于确定的时间间隔，激光脉冲的发出能够非常紧密地、间隔若干皮秒直至数百纳秒地相互跟随。短脉冲串尤其能够涉及所谓的ghz短脉冲串，在所述ghz短脉冲串的情况下，相应的短脉冲串的相互接连的激光脉冲的序列在ghz范围内发生。

6、在这种情况下，单脉冲的序列意味着，激光器放出相继的多个单脉冲。因此，单脉冲的序列包括至少两个单脉冲。短脉冲串的序列意味着，由激光器相继地分别放出多个短脉冲串。因此，短脉冲串的序列包括至少两个短脉冲串。尤其是，序列的短脉冲串或者单脉冲可以是分别同类的。如果所使用的激光脉冲具有基本相同的特性，即具有例如相同的脉冲能量、相同的脉冲长度，并且(在短脉冲串的情况下)在短脉冲串内部也具有相同的脉冲间隔，则短脉冲串或者单脉冲是同类的。

7、至少一个接合配对的透明性具有下述优点：接合激光能够经由透明的接合配对穿过地聚焦，从而接合区域能够定位在两个接合配对之间，即，定位在两个接合配对之间的、位于内侧上的边界面上。

8、对于激光的波长而言，第一接合配对可以是例如透明的，而第二接合配对可以是不透明的。但是，两个接合配对也可以是透明的。

9、第一接合配对可以是透明的，优选为玻璃或者水晶或者陶瓷或者塑料。第二接合配对可以是不透明的，优选为金属或者半导体或者塑料或者陶瓷。

10、例如，第一接合配对可以由石英、硅酸铝、硼硅酸盐、蓝宝石、氧化锆组成或者包括它们。例如，第一接合配对可以由钢、铝或者硅组成或者包括它们。例如，第一接合配对可以由玻璃制成，而第二接合件可以由金属制成，或者两个接合配对可以由一种或者不同的塑料制成。例如，第一接合配对可以由石英玻璃制成，而第二接合配对可以由铝制成。

11、接合配对上下相叠地布置，从而接合配对的边界面(接合配对应通过所述边界面互相接合)朝向彼此。在接合区域中，只要激光束的脉冲速率大于通过材料特定的热传输机制(尤其是通过热扩散)进行的热运出速率，则通过逐步地吸收超短的激光脉冲来进行热积累。由于在至少第一接合配对的材料中的温度从接合脉冲到接合脉冲或者从短脉冲串到短脉冲串的增加，最终可以达到接合配对的材料的熔化温度，这导致接合配对的材料的局部的熔化。

12、因此，接合配对的下述区域被理解为接合区域：在所述区域中引入超短的激光脉冲，并且在所述区域中，材料熔化。替代地，在接合区域中局部地熔化的材料的整体也可以被称为熔化气泡。无论如何命名，产生的熔层可以桥接接合配对的共同边界面，并且在冷却时接合配对持久地相互连接。在此，尤其是接合配对的网络结构也可以改变。那么，冷却后的溶层被称作接合位，所述冷却后的溶层使接合配对相互连接或者产生接合连接。

13、为了熔化接合区域中的材料，可以将单脉冲和/或短脉冲串引入到材料中并且逐步地吸收。所引入的超短的单脉冲和/或短脉冲串的大量位置也被称为激光光斑，其中，每个激光光斑的超短的单脉冲和/或短脉冲串的数量n由每进给速度vg的光斑尺寸sg和重复频率p的乘积得出：n＝sg*p/vg。在这里，光斑尺寸说明了，超短的激光脉冲和/或短脉冲串通过哪个空间区域放出到材料中。

14、在此，接合区域的尺寸附加地由光束几何形状确定，尤其由被聚焦的激光束的聚焦区的尺寸确定。在这里，光束几何形状说明了激光束的空间构型以及另外的光束特性(例如激光束的确定的衍射特性)，见下文。

15、根据本发明，接合缝具有两个接合位和位于它们之间的接合缺位。

16、接合缺位是接合缝的下述位置：在所述位置上，接合配对不互相接合。

17、通过在两个接合位之间布置接合缺位的方式，由在接合位中的材料应力引发的裂缝不能像在连续的接合缝的情况下那样沿着整个接合缝传播。在某种程度上，接合缺位作为用于沿着接合位传播的裂缝的止裂器发挥作用。由此可以实现接合缝例如对冲击负荷的高的抗阻力。

18、通过这样的接合缝，尤其也能够接合下述接合配对：所述接合配对具有局部的粗糙度或者不均匀性，因为在这里接合缝的最多单个的接合位由于粗糙度或者不均匀性而变坏，但是总体上通过剩余的接合位的总数实现接合缝的抗阻力和强度。

19、根据本发明，每个接合位长于10μm，优选长于50μm。在这里，接合位的长度平行于接合缝的延伸来测量。在这里，接合位的长度主要确定接合位的强度。例如，长10倍的接合位可以具有大10倍的强度。然而，在较长的接合位的情况下，原则上，裂缝形成的风险也较大，从而较长的接合缝虽然具有较大的(理论)强度，然而具有较低的抗阻力。例如，接合位的理想的长度能够在下述试验中求取：在所述试验中，根据接合位的长度测量实际上实现的强度和抗阻力。尤其是，接合缝的长度的自然的限度是由接合配对的最长的尺寸给出。

20、因此，由接合位的长度调节接合位的强度，而通过大量的接合位实现接合缝的高的整体强度。

21、也能够是：沿着接合缝，在接合位之后总是跟随着接合缺位。

22、这具有下述优点：可以产生闭合的接合缝。例如，接合缝可以是圆形的或者矩形的。在这里，在两个接合位之间总是布置有接合缺位。同时，接合位和接合缺位总是沿着圆形的或者矩形的接合缝相互交替，从而在任何位置上都没有两个接合位或者接合缺位相互跟随。

23、接合缝的抗阻力可以通过接合位和接合缺位沿着接合缝的长度比来调节。

24、在这里，接合位和接合缺位的长度比可以理解为相邻的接合位和接合缺位的比例。

25、相邻的接合位和接合缺位的长度比可以在10:90和95:5之间，优选为70:30。

26、例如，接合位可以是10μm长，而相邻的接合缺位可以是90μm长。例如，接合位可以是70μm长，而相邻的接合缺位可以是30μm长。例如，接合位可以是50μm长，而相邻的接合缺位可以是50μm长。

27、因此，可行的是，通过接合位的长度来调节接合位的理论强度，而通过沿着接合缝的接合位的总数来调节接合缝的总强度。同时，通过接合缺位能够防止，整个接合缝被裂缝分隔开。因此，通过长度比可以使接合缝的抗阻力与材料负荷或者所规划的负荷相适应。

28、接合位和接合缺位的长度比可以通过激光功率的工作周期来调节，其中，在工作周期期间根据调制函数来调制激光功率，优选地用函数生成器来调制。

29、工作周期可以理解为对激光功率的反复地操控，其中，一个工作周期具有至少有一个高的激光功率的区域和一个低的激光功率的区域。尤其是，工作周期也可以包括激光功率的调制，从而激光功率在调制期间可以变得更大或者更小。尤其是，高的和低的激光功率的区域的长度相对彼此处于对于工作周期而言可固定地选择的时间比状态。

30、例如，在工作周期的前半部分，激光束可以具有高的激光功率，而在后半部分，激光束可以具有变为零的激光功率或者说不具有任何激光功率。例如，因此可能在工作周期的前半部分产生接合位，而在后半部分产生接合缺位。

31、在这里，调制函数说明了在工作周期期间在激光功率的时间变化曲线之间的数学函数的相互关联。调制函数可以是例如矩形函数。在这里，在矩形脉冲的时间期间，提供具有全激光功率的激光束，而在矩形脉冲的时间之外，激光功率衰减或者被阻挡。

32、调制函数也可以是三角形函数或者锯齿函数。在三角形或者锯齿的时间期间，根据调制函数的相应的函数值提高激光功率，直到到达三角形或者锯齿的尖端。然后，激光束的激光功率又可以根据调制函数衰减。

33、调制函数也可以是正弦函数。尤其是，调制函数也可以具有所谓的偏移量。例如，通过调制函数可以确定，激光束的激光功率总是在确定的平均值(偏移量)周围调制。

34、通过高的激光功率和低的激光功率的区域的时间比可以确定接合位和接合缺位的长度比。

35、如果例如工作周期的具有高的激光功率的区段的持续时间为该工作周期的80％，并且具有变为零的激光功率的区段的持续时间为该工作周期的20％，则接合位与接合缺位的长度比为80:20。

36、工作周期可以具有在1hz和1khz之间的重复率。

37、工作周期的重复率表明，相应于工作周期的调制函数几多频繁地调制激光功率。通过工作周期的重复率的选择，激光功率的调制可以与超短的激光脉冲和/或短脉冲串的重复率相协调。此外，在进给速度给定的情况下，可以用工作周期的重复率来确定接合位和接合缺位的长度。

38、如果工作周期以10hz的速率重复，调制函数是矩形函数，矩形(即，高的激光功率的时间)是工作周期的50％，并且进给速度为1mm/s，那么激光束在一个工作周期期间扫过0.1mm的路段，其中，在前半部分中(即50μm)产生接合位，而在后半部分中不产生接合位(即接合缺位)。

39、在这里，工作周期可以用函数生成器产生。在这里，函数生成器是一种控制装置，该控制装置适合于，根据所给出的调制函数来操控激光功率。

40、例如，调制函数可以以电压信号形式输出给普克尔斯盒，所述普克尔斯盒使激光束的极化与电压信号成比例地转动。然后，紧接着的极化滤波器或者极化分析器可以将激光束的相应的极化分量引导至接合配对，由此，根据调制函数来调制激光功率。

41、然而，也可以直接在激光器的控制输入端处操控激光功率，从而激光器仅仅输出具有与调制函数相应的强度的激光脉冲。

42、激光光斑的平均功率可以在0.1w到50w之间。

43、在单脉冲的情况下，激光光斑的平均功率ls被定义为由脉冲能量e、单脉冲的重复率pe和单脉冲的数量ne产生的乘积：ls,e＝e*pe*ne。在一个短脉冲串中的激光光斑的平均功率被定义为由脉冲能量e、每个短脉冲串的脉冲的数量np、短脉冲串的数量ne以及重复率pe(以所述重复率放出短脉冲串)产生的乘积：ls,p＝e*np*pe*ne。因此，与在单脉冲中的平均功率相比，在短脉冲串中的激光光斑的平均功率仅仅与每个短脉冲串的激光脉冲的数量成比例：ls,p＝ls,e*np。

44、短脉冲串的激光脉冲相对彼此可以分别具有最高1μs、优选在0.05ns和1000ns之间、特别优选在20ns和80ns之间的时间间隔，其中，短脉冲串包括在2与64之间的短脉冲串脉冲，优选在2与16之间的短脉冲串脉冲。

45、这具有下述优点：可以为许多不同的材料找到合适的接合参数，从而可以特别简单地调设接合连接的强度。尤其是，通过时间间隔控制接合配对的冷却阶段或者在接合区域中的热量积累，从而可以产生特别高质量并且尤其是无应力和无裂缝的接合缝和接合连接。

46、例如，激光短脉冲串的激光脉冲可以具有50ns的时间间隔，其中，激光短脉冲串包括10个短脉冲串脉冲。

47、单激光脉冲和/或短脉冲串的重复频率可以在0.5khz和10mhz之间，优选在1khz和4mhz之间。

48、例如，在1mhz的重复频率下，每1μs可以将一个短脉冲串放出到材料中。例如，一个短脉冲串可以包括25激光脉冲，所述激光脉冲相对彼此具有20ns的间隔。在10mm/s的进给速度的情况下，在一个短脉冲串期间，扫过10nm的长度。

49、典型地，这些10nm明显小于激光束的光束直径，从而在这里可以假定，在短脉冲串内的脉冲全部都在相同的位置上被引入到材料中。同时，10nm也是小的，从而可以假定，相互接连的短脉冲串也至少部分地重叠。

50、如果例如工作周期具有100hz的重复率并且前70％具有高的激光功率，而后30％具有变为零的激光功率，则在工作周期的前半部分中产生连续的接合位，而在后半部分中产生接合缺位。由于进给速度为10mm/s，接合位的长度为70μm，而接合缺位具有30μm的长度。

51、通过选择和协调重复频率，处理速度可以特别好地与处理条件(例如待接合的接合配对)相适应。尤其是，在这里可以考虑熔体气泡的完全发育，例如在玻璃-玻璃连接的情况下，所述熔体气泡在大约1ms后完全发育，即，不再增大。

52、激光波长可以在200nm和5000nm之间，优选为1000nm，和/或激光脉冲的脉冲持续时间可以在10fs和50ps之间，和/或对于单个的单脉冲或者一个短脉冲串的激光脉冲而言，在聚焦区中的能量密度可以大于0.01j/cm2。

53、这些参数实现，控制在接合配对中的热积累、降低应力并且生成更抗阻力的接合缝。尤其也可行的是，使过程参数与接合配对的相应材料相适应。

54、例如，超短的激光脉冲的波长可以为1030nm，其中，单脉冲的脉冲持续时间为400fs，而在焦点处的能量密度例如为75j/cm2。

55、激光束和接合配对可以以在0.01mm/s与1000mm/s之间、优选在0.1mm/s与300mm/s之间的进给速率相对彼此相对地运动和/或定位。

56、相对彼此相对地运动可以意味着，要么激光束、要么接合配对运动，或者激光束和接合配对都运动。由此可以实现，激光束在接合配对的不同地点上引入接合连接。尤其由此可行的是，在两个接合配对之间产生交替接合位和接合缺位。

57、在此，运动可以通过进给发生，其中，在进给期间可以将激光脉冲或者短脉冲串引入到接合配对中。接合配对相对于激光束的定位在于，将激光束的聚焦区引入到所期望的进入深度中和所期望的地点中。例如，接合配对可以定位在轴系统上，从而接合配对相对于激光束运动。但也能够使激光束在接合配对上方运动，例如，可以用一个或者多个声光的偏针仪或者直流扫描仪来使激光束偏转。

58、激光束可以是几乎无衍射的激光束，优选为贝塞尔束或者高斯-贝塞尔束，并且激光束优选可以具有在射束传播方向上伸长的聚焦区。

59、无衍射的光束和/或贝塞尔式的光束尤其可理解为下述光束：在所述光束的情况下，横向的强度分布是传播不变的。尤其是，在无衍射射束和/或贝塞尔式射束的情况下，沿着射束传播方向的横向的强度分布基本上是恒定的。

60、此外，加工激光束的聚焦区总是理解为加工激光束的强度分布的下述部分：该部分大于材料的修改阈值。在这里，“聚焦区”一词清楚地表明，强度分布的这个部分是有针对性地提供的，并且通过聚焦以强度分布形式实现强度过度提高。

61、关于无衍射射束的定义和特性，参阅施springer science&business media在2012年出版的m.的、书号为isbn 978-3-642-29322-1的“structured lightfields:applications in optical trapping,manipulation and organization”一书。明确且完整地援引该书。

62、因此，无衍射的激光束具有下述优点：它们可以具有在射束传播方向上伸长的聚焦区，该聚焦区明显大于聚焦区的横向尺寸。尤其是，由此可以产生在射束传播方向上伸长的材料修改，以便例如实现接合配对的特别牢固的接合。

63、尤其可以借助于无衍射的射束产生椭圆的、无衍射的射束，所述椭圆的、无衍射的射束具有非径向对称的横向的聚焦区。例如，椭圆形的、几乎无衍射射束具有与射束的中心重合的主最大值。在这里，射束的中心由下述地点给出：椭圆的主轴在所述地点相交。尤其是，椭圆形的、几乎无衍射的射束可以由多个强度最大值的叠加产生，其中，在这种情况下，仅仅所参与的强度最大值的包络线是椭圆形的。尤其是，单个的强度最大值不必具有椭圆形的强度变化曲线。

64、例如，如果所有的部分激光束相对于激光束的光轴以相同的角度β折射，则无衍射的射束可以由平面的波场或者由平行的部分激光束产生。这造成，靠近轴的部分激光束在加工激光束成形光学系统(例如轴棱镜或者衍射的光学元件)后不久在光轴上重叠，并且因此构成提高的激光强度，而远离轴的射束则在加工激光束成形光学系统之后更晚才重叠，并且构成提高的激光束强度。因此，可以在平行于射束传播方向的纵向长度上产生基本上恒定的激光强度。