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Laser

Sichtbares Licht schweißt hochreflektive Werkstoffe

| Autor/ Redakteur: Kerstin Schaumberger / Peter Königsreuther

Der Laser ist zu einem vielseitig einsetzbaren Werkzeug avanciert. Berührungslos und materialschonend bearbeitet er fast alle Werkstoffe. Sichtbare Wellenlängen sollen das Schweißen von Kupferwerkstoffen nun nochmals optimieren.

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: Querschliff einer Schweißnaht: 0,5 mm Cu-OF Stumpfstoß. P = 900 W; v = 10 mm/s; Argon; LDM blue 1000-100 mit λ = 450 nm (blau).
: Querschliff einer Schweißnaht: 0,5 mm Cu-OF Stumpfstoß. P = 900 W; v = 10 mm/s; Argon; LDM blue 1000-100 mit λ = 450 nm (blau).
(Bild: blz)

Durch die zunehmende Bedeutung der Elektromobilität ist Kupfer ein inzwischen massenhaft verwendeter Werkstoff in der Antriebs- und Batterietechnik. Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ist dieses Material prädestiniert für Anwendungen zur Stromführung wie auch zur Abfuhr von Wärme.

Eine aus dem Automobilbau nicht mehr wegzudenkende Fügetechnik stellt das Laserstrahlschweißen dar. Bei diesem Verfahren kommen bislang hauptsächlich infrarote Wellenlängen zum Einsatz. Bei der Kontaktierung elektrischer Komponenten trifft man somit unweigerlich auf das Laserstrahlschweißen von Kupfer. Für diese Kombination können innerhalb eines begrenzten Prozessfensters hochqualitative Ergebnisse im Tiefschweißmodus erzielt werden.

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Weil hier das Verhältnis von Nahttiefe zu -breite (Aspektverhältnis) sehr groß ist, wird er eher bei dicken Bauteilen angewandt. Außerhalb des im Vergleich zu Stahl relativ kleinen Prozessfensters, welches sich aus Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit ergibt, neigt der Prozess jedoch stark zu Spritzern, Auswürfen und inhomogener Einschweißtiefe. Ähnliche Defekte und Instabilitäten zeigen sich auch beim Wärmeleitungsschweißen von Kupfer.

Kupfer absorbiert Infrarotlicht schlecht

Dieses Prozessregime wird durch ein kleines Verhältnis von Nahttiefe zu -breite charakterisiert und findet daher eher bei dünnen Blechen und Folien Anwendung. Aus Defekten und Inhomogenitäten folgen eine verminderte elektrische Leitfähigkeit, Anbindungsunsicherheiten und eine Gefahr für elektrische Kurzschlüsse aufgrund von anhaftenden Materialspritzern auf angrenzenden elektrischen Komponenten.

Die Ursache der Instabilitäten und des kleinen Prozessfensters beim Tiefschweißen wird in der geringen Absorption des infraroten Laserstrahls im Kupfer gesehen und, wesentlich maßgeblicher, in einem sprunghaften Anstieg der Absorption beim Phasenübergang von fest zu flüssig. Letzterer Effekt wird zusätzlich durch die Mehrfachreflexion des Laserstahls verstärkt, welche auftritt, sobald eine Dampfkapillare ausgebildet wird und der Prozess somit vom Wärmeleitungs- in den Tiefschweißmodus übergeht. Der Absorptionsgrad der elektromagnetischen Wellen in Metallen steigt mit Reduzierung der Wellenlänge an. Vor allem für Kupfer, aber etwa auch für Gold, ist die Zunahme der Absorption signifikant (etwa um den Faktor 10), wenn anstelle konventioneller infraroter Strahlung (1030 nm) sichtbare Wellenlängen verwendet werden. Konkret heißt das grün (515 nm) oder blau (450 nm).

Sichtbares Laserlicht löst Verbindungsprobleme

Neben der höheren Absorption bei Raumtemperatur ist auch die Differenz zwischen Absorption in fester und flüssiger Phase geringer. So stabilisiert sich die Absorption des grünen und blauen Lichts beim Übergang zum schmelzflüssigen Zustand, wodurch dem Effekt der Mehrfachreflexion entgegengewirkt wird und die Absorption konstanter gehalten werden kann. Daraus folgen defektfreie Wärmeleitnähte, wie in Bild 1 zu sehen, eine Stabilisierung der Dampfkapillare beim Tiefschweißen, eine Erweiterung des Prozessfensters, weil mit geringerer Vorschubgeschwindigkeit geschweißt werden kann, und eine Reduktion von Poren und Spritzern. Somit kann beim Laserstrahlschweißen von Kupfer eine Erhöhung von Fügequalität und Anbindungssicherheit erzielt werden. Die bessere Kontrolle der Einschweißtiefe spielt zum Beispiel für den Sicherheitsaspekt beim Kontaktieren von Batteriezellen eine wichtige Rolle.

Aufgrund dieses Optimierungspotenzials wurde bereits viel in die Entwicklung neuartiger Strahlquellen investiert, welche bei kürzeren Wellenlängen im sichtbaren Bereich emittieren. Inzwischen ist deren Optimierung so weit vorangeschritten, dass sie nun hohe Leistungen bei gleichzeitig guter Strahlqualität bereitstellen können. Das ist eine unabdingbare Anforderung an Strahlquellen für das Schweißen, da bei diesem Prozess gerade die extreme Fokussierbarkeit des Strahls und somit die hohe Energieintensität auf dem Werkstück zu dem charakteristisch hohen Aspektverhältnis führt.

Gebündelte Einzelstrahlen leisten mehr

Aktuell verfügbare Strahlquellen im sichtbaren Bereich sind einerseits Direktdiodenlaser mit blauer Wellenlänge (Laserline GmbH, Nuburu Inc.) oder frequenzverdoppelte Scheibenlaser mit grüner Wellenlänge (Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH). Bei Diodenlasern werden einzelne blau emittierende Dioden zu Barren und Stacks zusammengefasst, um die Einzelstrahlen geringer Leistung zu einem Strahl hoher Leistung zu bündeln. Dieses Vorgehen zieht automatisch eine Verringerung der Strahlqualität nach sich, welche mit entsprechenden optischen Komponenten kompensiert wird. Bei den grün emittierenden Scheibenlasern handelt es sich in der Basis um infrarote Strahlquellen mit Yb:YAG als aktivem Medium. Diese werden um einen nichtlinearen Kristall innerhalb des Laserresonators ergänzt (Bild 2), wodurch eine Frequenzverdopplung des Lichts, also eine Halbierung der Wellenlänge, ausgelöst wird. Durch die Umwandlung von infraroter in grüne Strahlung kommt es zu Leistungsverlusten, die hervorragende Strahlqualität bleibt aber weitgehend erhalten.

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