Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserschweißen von Kupfer

16.03.2011
BMBF-Projekt CuBriLas ermöglicht erstmals sicheres Laserschweißen von Kupfer mit Anwendungen in der Elektronik.

Kupfer zählt zu den ersten Metallen, das von Menschenhand verarbeitet worden ist. Da es gut verformbar und somit leicht zu verarbeiten ist, kam das rötlich glänzende Metall bereits vor 10.000 Jahren bei den ältesten Kulturen als Werkstoff zum Einsatz. Durch den weiträumigen Gebrauch von Kupfer in Münzen, Essbesteck, aber auch Waffen und Schmuck im 5. bis 3. Jahrtausend v. Chr. ist diese Zeit als „Kupferzeit“ bekannt.

Als ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter findet Kupfer heute nicht nur in Form von Rohren, Kesseln oder Wärmetauschern in der Chemie- und Nahrungsmittelindustrie sowie der Installationstechnik Anwendung. Weder aus dem Schalter- und Transformatoren-, noch aus dem Motoren- und Generatorenbau sind Kupferwerkstoffe wegzudenken.

Deshalb gilt Kupfer bereits heute als wichtigster Werkstoff zur Leitung von Strom. Mit Blick in die Zukunft ist zu erwarten, dass die Bedeutung von Kupferwerkstoffen wachsen wird – beispielsweise beim Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien. Hier besteht die Aufgabe, den erzeugten Strom zum Konsumenten zu transportieren. Weiterhin hat Deutschland sich zum Ziel gesetzt, Leitmarkt für Elektromobilität zu werden. Diese Anwendungsfelder werden nicht nur den Bedarf an Kupferwerkstoffen erhöhen, sondern auch die Anforderungen an die Produktionstechnik.

So stoßen derzeit bekannte Verfahren zum Fügen von Kupferbauteilen bereits an ihre Grenzen: Forderungen nach höheren Festigkeiten einerseits und einer Miniaturisierung der Fügepartner andererseits können nicht erfüllt werden. Gleichzeitig müssen die Fügeprozesse vor dem Hintergrund einer modernen, industriellen Serienfertigung eine hohe Produktivität und Automatisierbarkeit aufweisen.

Einen solchen Fügeprozess stellt das Laserstrahlschweißen dar. Durch die jüngste Entwicklung brillanter Laserstrahlquellen stehen seit kurzem Strahlwerkzeuge zur Verfügung, die effiziente Laserschweißungen an Kupferwerkstoffen ermöglichen. Dieser Fügeprozess wird aktuell in dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt „CuBriLas“ untersucht – von der Strahlquellenentwicklung über die physikalischen Prozessgrundlagen bis hin zur Anwendung neuer Verfahrensansätze.

Die TRUMPF Laser GmbH & Co. KG hat dazu einen Scheibenlaser entwickelt, der im kontinuierlichen Betriebsmodus Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich emittiert. Das System liefert eine maximale Laserleistung von 200 W und weist dabei mit einer Beugungsmaßzahl von konstant

Die Robert Bosch GmbH untersucht den Einfluss der grünen Laserwellenlänge auf den Schweißprozess von Kupferwerkstoffen. Dazu sind zunächst vergleichend die Einkoppelgrade grüner und infraroter Laserstrahlung in diverse Kupferwerkstoffe und in Stahl bestimmt worden. Im festen Zustand sowie beim Wärmeleitungsschweißen, bei dem der Werkstoff bereits in den flüssigen Zustand übergeht, absorbieren Kupferwerkstoffe die grüne Laserstrahlung deutlich besser als Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das Absorptionsverhalten von Kupferwerkstoffen ist für die grüne Wellenlänge mit dem Absorptionsverhalten von Stahlwerkstoffen für infrarotes Laserlicht vergleichbar – das Laserschweißen von Stahl ist industriell bereits fest etabliert. Von besonderem Interesse ist eine mögliche Steigerung der Prozessstabilität. Die Ergebnisse vergleichender Untersuchungen mit grüner und infraroter Laserstrahlung zur Stabilität des Tiefschweißens sind in Abbildung 1 dargestellt.

Während mit infraroter Laserstrahlung erzeugte Schweißnähte insbesondere bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten zahlreiche Fehlstellen aufweisen, können unter Anwendung grüner Laserstrahlung Schweißnähte gleichbleibender Qualität erzeugt werden. Dies stellt einen entscheidenden Fortschritt dar, den es im weiteren Projektverlauf auszubauen und zu optimieren gilt.

Schwerpunkt der Untersuchungen der Siemens AG stellt das Direktschweißen von Kupferbauteilen auf Kupferverbundstoffe dar. Weiterhin wurde das Schweißen von Fügepartnern unterschiedlicher Dicke und Werkstoffkombinationen erprobt. Wie sich im Projekt herausstellte ist das Laserstrahlschweißen dem WIG- und Widerstandsschweißen überlegen, da die minimal erzielbare Nahtbreite deutlich geringer ist und Nähte mit größeren Aspektverhältnissen geschweißt werden können. Erprobt wurde unter anderem das Kehlnahtschweißen von Kupferbauteilen. Darüber hinaus wurden Laserschweißungen von E Cu auf metallisierte Keramiksubstrate untersucht.

Die möglichen Vorteile eines Kombinationsprozesses unter Anwendung sowohl grüner als auch infraroter Laserstrahlung werden am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart untersucht. An einem Bronzewerkstoff (CuSn6) wurden dazu zunächst Blindnähte mit jeweils nur grüner oder nur infraroter Wellenlänge erzeugt. Im direkten Vergleich dazu wurden Blindnähte in Kombination beider Wellenlängen geschweißt. Durch diesen Kombinationsprozess konnte die erforderliche Laserleistung zur Erzielung eines Tiefschweißprozesses reduziert werden. Dies ist für industrielle Anwendungen im Hinblick auf eine deutliche Energieeinsparung sehr interessant.

Das IFSW untersucht weiterhin den Einfluss der Positionierung der beiden Laserstrahlen zueinander. Eine Optik, die die Fokussierung des grünen und des infraroten Laserstrahls in der Prozesszone sowie eine Verschiebung der beiden Fokuspunkte zueinander erlaubt, wird derzeit von der Technologiegesellschaft für Strahlwerkzeuge mbH und der Precitec KG aufgebaut.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik hat unter anderem Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen von CuFe2P durch Beaufschlagung mit Laserleistung grüner Wellenlänge und brillanter Strahlqualität bei kleinen Fokusdurchmessern durchgeführt. Im direkten Vergleich zu Schweißungen, die mit einem infraroten Laser hoher Strahlqualität vorgenommen wurden, konnten deutlich größeren Einschweißtiefen erzielt werden. Damit lassen sich zukünftig wesentlich dickere Bauteile als bisher schweißen. Somit eröffnet dieses Laserverfahren den Weg zu neuen Anwendungen.

In Zusammenarbeit mit der Kleiner GmbH entwickelt das ILT den Laserschweißprozess für ein erstes Demonstratorbauteil. Weitere anwenderspezifische Schweißaufgaben, z. B. der Wieland-Werke AG, werden im Projektverlauf untersucht.

Bereits jetzt kann festgestellt werden, dass der Einsatz von Lasern zum Schweißen von Kupferbauteilen den Weg für neue Produktdesigns eröffnet. Dies ist besonders im Bereich der Elektrik und Elektronik von Bedeutung, da so die mechanische und thermische Belastbarkeit erhöht und die Bauteile weiter miniaturisiert werden können. Dies ist notwendig, um die hohen Qualitätsanforderungen an elektrotechnische Bauteile, z. B. in der Leistungselektronik und bei elektrischen Antrieben, kostengünstig und in kompakter Bauweise zu erfüllen. Der Laser kann hier zu einer signifikanten Steigerung der Prozessgeschwindigkeit und -genauigkeit beitragen.

Presseinformation des BMBF-Projektverbunds CuBriLas

Daniela Metz | VDI
Weitere Informationen:
http://www.optischetechnologien.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Flüssiger Wasserstoff im freien Fall
05.12.2016 | Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)

nachricht IPH entwickelt Prüfstand für angetriebene Tragrollen
29.11.2016 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie