Kupferwärmeleitschweißen

Das Schweißen von Kupfer ließ sich mit Infrarotlasern bisher nur mit deutlich erhöhter Laserintensität und unbefriedigenden Resultaten realisieren. Ein blauer Diodenlaser von Laserline macht jetzt ein prozesssicheres Wärmeleitschweißen möglich, das das Fügen erleichtert und das Prozessergebnis verbessert.

18. Oktober 2019
Kupferwärmeleitschweißen
Dünne Flachverbinder, etwa an Batteriegehäusen, lassen sich mit LDM-blue problemlos realisieren. (© Laserline)

Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit ist Kupfer heute aus vielen Technikbereichen immer noch nicht wegzudenken. Typische Einsatzgebiete sind Batteriezellen oder elektrische Leistungsschalter, die dann zum Beispiel in Antrieben von Elektrofahrzeugen oder Stellmotoren von Windanlagen Verwendung finden.

Nicht selten sind die Kupferkomponenten dabei hohen Betriebstemperaturen und starken Vibrationen ausgesetzt. Das hat maßgeblichen Einfluss auf den Fertigungsprozess: Werden die Komponenten beispielsweise aus mehreren Teilstücken gefügt, müssen die Fügenähte hochstabil und hitzebeständig sein. Da Lötverbindungen hier zu wenig thermische Stabilität bieten, werden solche Fügungen meist per Laserschweißen realisiert. Diese Laserschweißprozesse litten jedoch bisher an dem Problem, dass sie nur mit unverhältnismäßig hohem Energieaufwand umzusetzen waren. Dieser geht mit Materialverdampfung einher, wodurch nur eine begrenzte Fügequalität erzielt werden kann.

Ursache dieses Qualitätsdefizits sind lasertechnische Schwierigkeiten im Aufschmelz- und Fügeprozess. Gängige Industrielaser sind im nahen Infrarotbereich (NIR) angesiedelt, bewegen sich also im Wellenlängenspektrum um 1.000 Nanometer. Genau dieses Spektrum aber wird von Kupfer fast vollständig reflektiert. Die Absorptionsrate liegt hier lediglich bei zwei bis fünf Prozent. Um die Oberfläche dennoch effektiv aufzuschmelzen, muss die geringe Absorptionsrate durch eine hohe Bestrahlungsintensität ausgeglichen werden. Eingesetzt werden daher NIR-Laser mit hohen Ausgangsleistungen bis sechs Kilowatt. Zusätzlich erleichtert eine enge Fokussierung den Prozess, üblich sind Strahlparameterprodukte von 2 und 8 mm.mrad. Besonders bei Kupferbauteilen mit Materialdicken über einem Millimeter wird dieser Prozessansatz erfolgreich praktiziert.

Sind die Bauteile jedoch dünner, ergeben sich Probleme: Aufgrund der hochintensiven NIR-Bestrahlung ist ausschließlich ein Tiefschweißprozess mit Dampfkapillare möglich, der etwa Kupferfolien eher durchtrennt, als fügt, und leicht Schweißspritzer verursacht. Durch die vergleichsweise geringe Absorptionsrate verursachen geringfügige Oberflächenveränderungen wie Oxidbildung starke Schwankungen im Prozess – Störgrößen, die besonders der einwandfreien elektrischen Leitfähigkeit des Kupferbauteils entgegenstehen.

Um qualitativ hochwertige Kupfernähte mit optimaler elektrischer Leitfähigkeit produzieren zu können, wäre daher eigentlich das Wärmeleitschweißen das angemessene Verfahren. Es arbeitet mit geringeren Energieeinträgen und reduzierter Einschweißtiefe und wird bereits mit großem Erfolg beim Laserschweißen dünner Stahlteile praktiziert. Mit Infrarotlasern ist dieses Verfahren jedoch bei Kupfer nicht realisierbar, da der niedrigere Energieeintrag nicht mehr ausreicht, um die NIR-Reflexivität zu kompensieren und die Oberfläche erfolgreich aufzuschmelzen. Wärmeleitschweißen von Kupfer ist deshalb nur durch eine Abkehr vom Infrarotlaser möglich.

Eine Lösung ist der Einsatz von Laserlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich, der von Kupfer deutlich besser absorbiert wird. Das entsprechende Wellenlängenspektrum konnte bisher nur durch eine Frequenzkonversion von infrarotem Licht knapp über 1.000 Nanometer, das durch Frequenzverdoppelung in grünes gewandelt wird, erzeugt werden. Aufgrund der begrenzten Effizienz der Wellenlängenumwandlung sowie der hohen Anforderungen an die Stabilität des Umwandlungskristalls sind die Einsatzmöglichkeiten des grünen Lasers allerdings begrenzt.

Blaues Licht für Kupfer

Laserline modifizierte das Wellenlängenspektrum hinsichtlich noch höherer Absorption auf Kupfer und einer besseren Effizienz daher erneut. Konzipiert wurde ein Hochleistungslaser, der statt dem grünen das blaue Lichtspektrum nutzt. Mit Laserdioden wird dabei direkt blaues Licht erzeugt, ganz ohne ineffiziente Frequenzumwandlung. Der Diodenlaser LDM-blue arbeitet mit 450 Nanometern Wellenlänge, die von Kupfer zu über 50 Prozent absorbiert wird. Diese Absorptionsrate ermöglicht erstmals ein kontrolliertes Wärmeleitschweißen von Kupferkomponenten.

Da das Wärmeleitschweißen mit blauen Dioden nicht durch die Laserintensität, sondern die Temperaturverteilung im Werkstück bestimmt wird, ist die Laserleistung ausschlaggebender Prozessparameter. Sie muss ausreichen, um das Kupfer aufzuschmelzen und die Wärmeleitung im Werkstück auszugleichen. So lassen sich die charakteristischen Merkmale des Wärmeleitschweißens – ein ruhiges Schmelzbad ohne Materialverdampfung – auch auf Kupfer realisieren. Aufgrund der gleichmäßigen Wärmeeinwirkung lassen sich mit dem LDM-blue homogene Schweißnähte ohne Spritzer- oder Porenbildung realisieren. Die hohe Nahtqualität ist unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks: Gebürstete Kupferteile werden ebenso zuverlässig gefügt wie Teile mit geätzten oder oxidierten Oberflächen.

Auch neue physikalische Effekte lassen sich dank der erhöhten Prozesseffizienz ausnutzen: Aufgrund des Fehlens von externem Druck durch die Dampfkapillare dominiert erstmals die Oberflächenspannung des flüssigen Kupfers. Es entsteht ein Benetzungseffekt zwischen dem flüssigen Kupfer und den Fügepartnern sowie eine hohe Spaltüberbrückbarkeit. Auf dieser Grundlage können mit dem blauen Diodenlaser problemlos auch Eck- und Stumpfnähte realisiert werden. Nicht nur der Freiheitsgrad in der Bauteilkonstruktion wird so erhöht, auch die sonst häufig notwendigen Materialüberlappungen oder Verstärkungen im Nahtbereich werden überflüssig. Das verbessert die Materialeffizienz deutlich. Da die Schweißnähte auch mit einem breiten Fokusdurchmesser realisiert werden können, erzeugt der blaue Diodenlaser in nur einem Schweißdurchgang genügend breite Verbindungsnähte.

Zahlen & Fakten

Laserline wurde 1997 von Dr. Christoph Ullmann und Volker Krause gegründet. Was mit kleinem Team im Technologiezentrum Koblenz begann, gilt heute als Inbegriff industrieller Lasertechnologie. Seit 2002 sitzt die Laserline mit einem eigenen etwa. 15.000 Quadratmeter großen Gelände in Mülheim-Kärlich, fertigt in hochmodernen Produktionsstätten, tüftelt in innovativen Entwicklungslabors, ist mit sieben internationalen Niederlassungen in den USA, Brasilien, Indien, Japan, China und Südkorea vertreten und arbeitet mit Vertriebspartnern in Europa (Frankreich, Italien, Großbritannien) und im asiatisch-pazifischen Raum (Taiwan, Australien) zusammen. Heute sind mehr als 340 Menschen im Unternehmen beschäftigt.

Bei herkömmlichen Prozessen werden dagegen aufgrund der engeren Strahlfokussierung häufig mehrere Durchgänge benötigt. Schweißen mit blauen Lasern geht also wesentlich schneller. Kupferbauteile lassen sich mit dem blauen Laser von Laserline somit nicht nur in hoher Qualität, sondern auch sehr effizient und damit besonders wirtschaftlich fügen. Derselbe Effekt lässt sich mit dem LDM-blue überdies auch beim Schweißen anderer stark reflektierender Metalle wie Gold oder Silber erreichen.

Leistung im Kilowattbereich

Aktuell ist der LDM-blue in vier Standardkonfigurationen verfügbar: mit Ausgangsleistungen zwischen 500 und 1.500 Watt bei Strahlqualitäten von 60 und 100 mm.mrad. Er ist damit laut Laserline der erste blaue Dauerstrichlaser mit einer Ausgangsleistung im Kilowattbereich. Als Teil der LDM-Serie ist der LDM-blue als 19-Zoll-Einschub konzipiert und kann daher einfach in Schaltschränken oder kleinen Robotiken verbaut werden. Ebenso ist eine Integration des blauen Diodenlasers in bestehende Schweißanlagen möglich.

Schweisstec Halle 7, Stand 7306

Erschienen in Ausgabe: 06/2019
Seite: 152 bis 153