Lösung in Grün

Hohe Reproduzierbarkeit, wenig Spritzer – und das unabhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche: So gelingt Kupferschweißen mit dem neuen Trudisk 421 pulse von Trumpf.

27. Juli 2015

Trumpf hat einen gepulsten, grünen Laser zum Schweißen von Kupfer entwickelt und demonstriert die Technologie des neuen Trudisk 421 pulse auf der Messe Laser in München. Der Scheibenlaser arbeitet im gepulsten Betriebsmodus mit 400 Watt mittlerer Leistung und emittiert Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich von 515 Nanometern. Er löst die Probleme, die beim Kupferschweißen mit Infrarotlasern auftreten.

Das Problem ist infrarot

Als ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter ist Kupfer ein Allround-Metall, das seine Vorzüge in den unterschiedlichsten Branchen ausspielt. Neben Medizintechnik, Automobil-, Chemie- und Lebensmittelindustrie ist Kupfer vor allem aus der Elektronik und Elektrotechnik nicht mehr wegzudenken. Denn Kupfer gilt als der wichtigste Werkstoff zur Leitung von Strom. Aufgrund der immer kompakteren Gehäuse und der geforderten höheren Leistungsfähigkeit von Elektronikkomponenten steigen auch die Anforderungen an die Produktions- und Fügetechnik von Kupferbauteilen.

Zum Laserschweißen von Kupfer werden heute üblicherweise Strahlquellen mit einer infraroten Wellenlänge eingesetzt. Die zwei größten Herausforderungen hierbei: gute Reproduzierbarkeit und geringe Spritzerbildung. Kupfer reflektiert bei 1000 Nanometern Wellenlänge (IR) stark. Gleichbleibende Schweißnähte lassen sich – abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit – nur in bestimmtem und für die Industrie oft nicht ausreichend hohem Maße gewährleisten. Beim Tiefschweißen können zudem sehr viele Spritzer entstehen, die das Bauteil beschädigen und im schlechtesten Fall zu Kurzschlüssen auf den Platinen führen. Wie lassen sich diese beiden Probleme lösen?

Man kann ihnen entgegenwirken, indem man Laserparameter wie die Leistungsdichteverteilung, die zeitliche Pulsform und die Form des Dampfkanals entsprechend anpasst – optimal sind die Ergebnisse oft dennoch nicht. Was sich nicht beeinflussen lässt, sind Oberflächenspannung und Viskosität von Kupfer. Beide Eigenschaften fallen im Vergleich zu Stahl kleiner aus, was zu einem weniger stabilen Schmelzbad führt. Hinzu kommt der höhere Energieverlust durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Eine deutliche Verbesserung des Prozesses bringt der gepulste grüne Laser von Trumpf.

Die Lösung ist grün und gepulst

Um die grüne Wellenlänge im Trudisk 421 pulse zu erzeugen, findet im Laserresonator eine Frequenzverdopplung statt. Die Vorteile des grünen Lasers sind vielseitig: Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die Infrarote. Weil der Werkstoff seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und es ist weniger Laserleistung notwendig. Während der infrarote Laser mit 2,6 Kilowatt Pulsspitzenleistung arbeitet, genügen beim grünen Laser 1,4 Kilowatt für dieselbe Schweißnaht. Der Prozess ist energieeffizienter und es bilden sich deutlich weniger Spritzer.

Auch die Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse verbessert der grüne Laser: Egal ob die Oberfläche oxidiert, geschliffen, sandgestrahlt, rau oder hochglanzpoliert ist – mit grüner Laserstrahlung lassen sich Kupferschweißnähte mit gleichbleibender Qualität erzeugen. Das liegt unter anderem daran, dass die Absorption bei Raumtemperatur unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit ist. Der Einsatz von Zusatzgasen wie Argon oder Stickstoff führt zudem zu einer qualitativ hochwertigeren Schweißnaht. Diese Zusatzgase können nur beim Schweißen mit dem grünen Laser effizient und sinnvoll verwendet werden, weil bei infraroter Laserstrahlung die Schmelzoberfläche durch die Gase stärker reflektiert und beim Schweißen eine noch höhere Laserleistung notwendig wäre.