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Laserschweißen von Kupfer

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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 <1,15 eine sehr hohe Strahlqualität auf. Um die Emissionswellenlänge von 515 nm zu erzielen, wird innerhalb des Laserresonators eine Frequenzverdopplung der Scheibenlaserstrahlung durchgeführt. Das so erzeugte grüne Laserlicht wird von Kupferwerkstoffen deutlich besser absorbiert als Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das Know-How auf dem Gebiet der Frequenzverdopplung von Scheibenlasern hat TRUMPF inzwischen in ein einsatztaugliches Funktionsmuster umgesetzt. Damit steht im CuBriLas-Projekt eine bislang einmalige Strahlquelle für die Kupferbearbeitung zur Verfügung.

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 | Quelle: VDI
Weitere Informationen: www.optischetechnologien.de

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