Laserschweißen von Aluminiumdruckguss

Aluminiumdruckguss bietet zum einen den Vorteil, dass es bei hohen Stückzahlen sehr kosteneffizient ist. Gleichzeitig ist eine hohe Komplexität der Bauteilgeometrie möglich. Der für das Kühlen von Aluminium größte Vorteil ist jedoch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs. Da die Schweißbarkeit von Aluminiumdruckguss bisher unzureichend ist, werden die Gehäuse durch aufgeklebte oder geschraubte Deckel und Kunststoffverbindungen gekapselt, was aber verhältnismäßig aufwendig ist. Die Schwierigkeiten beim Schweißen von Aluminiumdruckguss entstehen durch Gaseinschlüsse in den Randschichten des Bauteils, die bereits beim Schmelzen des Materials entstehen und beim Kontakt mit der Kapillare zum Teil schlagartig ausgasen.

Fortschritte bei Laserquellen und Strahlführungen

In den letzten Jahren gab es große Fortschritte bei den Laserquellen und Strahlführungen, die die Grenzen des Machbaren erweitert haben: So hat sich gezeigt, dass durch hohe Laserleistungen bei kleinsten Spotdurchmessern in Verbindung mit Doppelkernfasern („2-in1-Faser), oszillierender Strahlführung ("Wobbeln") oder auch gepulster Laserstrahlung vor allem Verbindungen mit Aluminium und Kupfer, schweißbar sind. Zudem sind höhere Prozessgeschwindigkeiten erreichbar. Dies wird durch eine erhöhte Kapillarstabilität sowie einen verbesserten Schmelzefluss erreicht. Für Aluminiumdruckguss sind diese Technologien allerdings häufig immer noch nicht ausreichend, um eine zuverlässige Qualität in Serienprozessen zu realisieren.

Als mögliche Lösung für dieses Problem sind sogenannte Multi-Spot-Optiken in den Fokus gerückt. Jene formen aus einem Laserstrahl drei oder sogar vier einzelne Strahlen, die fest zueinander angeordnet sind und gemeinsam über den Fügespalt geführt werden. Nachteilig bei diesen aufwendigen und teuren Optiken ist jedoch, dass die einzelnen Spots nicht ohne weiteres an den Prozess angepasst werden können. Die zeitliche und örtliche Verteilung der Laserstrahlung ist also nicht variabel.

Dynamische Strahlformung als Lösung für Laserschweißen von Aluminiumdruckguss

Hier setzt die neue Technologie der dynamischen Strahlformung an: Statt der Anwendung eines einzelnen Laserstrahls ermöglichen diese Strahlquellen durch eine Überlagerung und Phasenanpassung von 32 einzelnen Singlemode-Lasern eine schnelle zeitliche und örtliche Verteilung der Laserstrahlung innerhalb eines bestimmten Feldes. Die Feldgröße kann durch die Optik eingestellt werden und zwischen wenigen hundertstel und einigen Millimetern betragen. Der Laserspotdurchmesser selbst weist bei der aktuellen Lasergeneration ein Sechstel der Feldlänge auf und kann innerhalb dieses Feldes etwa 50.000.000-mal pro Sekunde die Position wechseln. Dadurch können beliebige quasi-statische Strahlformen erzeugt und flexibel an den jeweiligen Prozess angepasst werden – ohne den Einsatz mechanischer Komponenten. So ist es möglich, die Kapillarform, die Schmelzbadströmungen und das Temperaturfeld auf die Fügeaufgabe einzustellen. Die Technologie ermöglicht ebenfalls die dynamische Änderung der Fokuslage entlang der optischen Achse. Potenziell können damit Schweißfehler, wie Poren, Risse und Humping, vermieden sowie aktuell eingeschränkte Prozessfenster deutlich erweitert werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die schnelle zeitliche und örtliche Verteilung der Laserstrahlung eine bessere Stabilisierung der Dampfkapillare ermöglicht als statische Multispot-Optiken. Damit ist es erstmals möglich, für anspruchsvolle Verbindungen wie mit Aluminiumdruckguss die für den Prozess ideale Strahlform und Ablenkfrequenz einzustellen – völlig flexibel und anpassbar.

BBW Lasertechnik hat die dynamische Strahlformung bereits im Einsatz und es zeigen sich bereits vielversprechende Ergebnisse für das Laserschweißen von Aluminiumdruckguss. Durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera können die Auswirkungen der verschiedenen Prozessparameter zielgerichtet analysiert und bei Bedarf angepasst werden. In einem internen metallographischen Labor können die Ergebnisse darüber hinaus detailliert untersucht und weiter optimiert werden. BBW Lasertechnik ist somit in der Lage, die Herausforderungen in diesem kritischen Verfahren zu bewältigen und den Kunden eine Dienstleistung in höchster Qualität anzubieten.