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Vergleich verschiedener Systemtechnologien für das CW-Laserstrahlschweißen von Kupfer

Nachdem wir im letzten Artikel bereits die Brightline-Technologie zur Verringerung der Porosität in Aluminiumlegierungen betrachtet haben, stellen wir heute eine Feldstudie zum Thema Kupferschweißen vor.

Kupfer ist aufgrund seiner hohen Reflektivität im infraroten Bereich sowie hohen Wärmeleitfähigkeit sehr schwierig mit Standard-Industrielasern zu bearbeiten – insbesondere bei der initialen Einkopplung der Laserenergie kann nur ein sehr geringer Leistungsanteil effektiv ins Material gebracht werden. In den letzten Jahren wurden diverse Technologieansätze entwickelt, um dieser Herausforderung zu begegnen. Drei der vielversprechendsten Ansätze haben wir bei BBW Lasertechnik in einer internen Feldstudie direkt miteinander verglichen:

  • Wobbel-Laserstrahlschweißen
  • Konzentrische Überlagerung zweier Laserspots mit unterschiedlicher Strahlform durch eine 2-in-1-Faser (Brightline oder ähnliches)
  • „Grüne“ Laserstrahlquellen
Absorption von Kupfer in Abhängigkeit zur Wellenlänge bzw. Öberflächentemperatur
Abbildung 1: Relative Absorption von reinem Kupfer in Abhängigkeit zur Wellenlänge (links) und Oberflächentemperatur (rechts) bei infraroter Wellenlänge.

Vorab einige Grundlagen zum Material Kupfer: Im infraroten Bereich und bei Raumtemperatur absorbiert Kupfer nur ungefähr 3 bis 5 % der auf das Material wirkenden Energie (Abbildung 1). Dieser Anteil steigt, wenn sich Kupfer aufheizt und es zu Mehrfachreflexionen beim Tiefschweißen kommt. Zusätzlich gibt es einen Absorptionssprung beim Übergang von festem zu flüssigem Kupfer. Hieraus ergeben sich zwei entscheidende Herausforderungen: Erstens muss initial überhaupt erst einmal genug Energie in das Kupfermaterial transportiert werden, damit zweitens ein stabiler Schweißprozess realisiert werden kann. Aufgrund dieser Bedingungen sind saubere Wärmeleitnähte mit geringer Tiefe kaum umsetzbar und die Gefahr von Schweißnahtunregelmäßigkeiten, wie Spritzer und Schmelzauswürfe, signifikant.
 

Ansatz 1: Klassisches Laserstrahlschweißen mit optionaler Oszillationsbewegung

Im ersten Ansatz betrachten wir, in welchem Parameterfenster stabile Schweißnähte mit einem Standard-Industrielaser realisierbar sind. In der Versuchsreihe in Abbildung 2 sind Schweißnähte mit zwei Schweißgeschwindigkeiten (6 m/min, oben; bzw. 12 m/min, unten) und unterschiedlicher Wobbelfrequenz (keine, 200 und 400 Hz) gegenübergestellt.

Schweißnähte realisiert mit klassischen Laserstrahöschweißen
Abbildung 2: Draufsicht auf Schweißnähte, realisiert mit klassischen Laserstrahlschweißen bei 6 m/min (oben) bzw. 12 m/min (unten) sowie Variation der Oszillationsfrequenz (a bis c): keine, 200 und 400 Hz.

Hierbei ergeben sich zwei Parameterkombinationen mit stabiler Schweißung. Bei einer geringen Vorschubgeschwindigkeit (zum Beispiel, wenn große Einschweißtiefen realisieren werden müssen) muss zwingend eine zusätzliche Oszillationsbewegung mit moderater Frequenz realisiert werden. Um dies zu erreichen, wird der Laserstrahl zusätzlich zur Vorschubrichtung in einer Kreis- oder Sinusform gewobbelt (andere Figuren sind ebenfalls möglich), was mit einem dynamischen Scanner realisiert werden kann. Ohne diese Zusatzbewegung wird der Schweißprozess instabil und es kommt zu vielen Schmelzauswürfen, wie in Abbildung 3 dargestellt ist (ohne Zusatzbewegung, links; sowie mit Zusatzbewegung, rechts).

Schliffbilder einer Durchschweißung ohne bzw. mit Strahloszillation
Abbildung 3: Schliffbilder einer Durchschweißung ohne (a) und mit Strahloszillation (b).

Ein zweites Prozessfenster ergibt sich bei hohen Schweißgeschwindigkeiten >9 m/min, bei der auf eine Zusatzbewegung verzichtet werden kann. Nachteilig bei hohen Schweißgeschwindigkeiten ist eine geringere realisierbare Schweißtiefe und die Notwendigkeit eines Hochleistungslasers.
 

Ansatz 2: 2-in-1 Faser und Anwendung einer Strahlüberlagerung

Die Brightline-Technologie von Trumpf (bzw. ähnlicher Technologien anderer Hersteller), mit welcher die Verringerung von Porosität ermöglicht werden kann, haben wir bereits vorgestellt. Hier ist das Ziel, durch Verschiebung eines Leistungsanteil in den Faserringbereich eine Stabilisierung der Dampfkapillare beim Tiefschweißen zu erreichen. In Abbildung 4 sind Schweißnähte und deren Schliffbilder bei zwei Schweißgeschwindigkeiten (6 m/min, oben; bzw. 12 m/min, unten) und unterschiedlichem Leistungsanteil im Kern (30%, 50% und 70%) gegenübergestellt.

Schliffbilder der Schweißnähte bei strahlüberlagerndem Laserstrahlschweißen
Abbildung 4: Draufsicht und Schliffbilder der Schweißnähte, realisiert mit strahlüberlagerndem Laserstrahlschweißen bei 6 m/min (oben) bzw. 12 m/min (unten) sowie einer Variation relativer Leistung im Kern (a bis c): 30, 50 und 70%.

Es ist deutlich erkennbar, dass je mehr Leistungsanteil in die äußere Ringfaser verschoben wird, desto höher die erreichte Nahtqualität, welche sogar mit einer Wärmeleitnaht verglichen werden kann. Gleichzeitig verringert sich die Schweißtiefe deutlich. Spritzer und Schmelzauswürfe treten in diesem Prozess nur noch selten auf. Die Nahtqualität ist verglichen mit dem Wobbelschweißen höher, darüber hinaus sind alle Schweißgeschwindigkeiten möglich. Die Schweißtiefe der Wobbeltechnologie wird allerdings nicht erreicht.
 

Ansatz 3: Laserstrahlquelle mit einer Wellenlänge im grünen Spektrum

Grüne Laserstrahlquellen im Multi-kW-Bereich sind erst seit rund zwei Jahren auf dem Markt (max. 2 kW, Stand Ende 2020). Wenn wir noch einmal das Absorptionsspektrum von Kupfer betrachten, ist eine wesentlich höhere Absorption im grünen Bereich erkennbar (40 % anstelle von 5 %). Dadurch sind wesentlich geringere Leistungen für eine vergleichbare Schweißtiefe nötig. Gleichzeitig kommt es beim Übergang von festem zu flüssigem Kupfer zu keinem Absorptionssprung, wodurch die Prozessstabilität wesentlich höher und auch eine Wärmeleitnaht mit geringer Schweißtiefe ohne Probleme möglich ist. Damit zeichnet sich diese Technologie durch eine hervorragende Steuerbarkeit der Einschweißtiefe und der Möglichkeit aus, bei einem für die grüne Wellenlänge optimierten Scanner auch die Wobbeltechnologie verwenden zu können. Jedoch reicht die Nahtqualität nicht an die Qualität mit Strahlüberlagerung heran, des Weiteren ist die Einschweißtiefe aufgrund der geringen Laserleistung begrenzt.
 

Fazit

Ein stabiles Prozessfenster für das Kupferschweißen ist mit jeder der betrachteten Technologien möglich. Letzten Endes hat jede Technologie ihre Vor- und Nachteile:

  • Die höchste Kontrolle hinsichtlich Schweißtiefe wird mit einer grünen Laserquelle erzielt. Auch Wärmeleitnähte sind möglich. Nachteilig ist, dass die grünen Laserquellen noch hinsichtlich ihrer Leistung eingeschränkt sind.
  • Das beste Verhältnis zwischen Schweißtiefe und eingesetzter Laserleistung ist mit der Wobbeltechnologie möglich. Auch kann diese Technologie mit einer grünen Laserquelle kombiniert werden.
  • Die beste Nahtqualität weist die Technologie mit einer 2-in-1 Faser (Brightline) auf, da hier bei richtigen Parametern Nähte mit einer Qualität vergleichbar einer Wärmeleitnaht möglich sind.

Aus Sicht von BBW Lasertechnik wäre die Kombination einer grünen Laserquelle mit der Technologie einer 2-in-1 Faser höchst interessant, da dies die jeweiligen Vorteile kombiniert. Allerdings sind wir kein Entwickler von neuen Lasertechnologien, sondern primär Anwender. Es bleibt also abzuwarten, ob die Kollegen namhafter Laserquellenhersteller diese Tendenz ebenfalls so sehen und untersuchen.

 

Die Ergebnisse aus dieser Feldstudie sind ein Auszug aus dem in Procedia CIRP veröffentlichten Artikel „Comparison of different technologies for continuous-wave laser beam welding of copper“ (https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.081) und wurden ebenfalls auf der LANE 2020 präsentiert.

 

Ein Beitrag von Eric Punzel

BBW Lasertechnik vergleicht Systemtechnologien für Lasermaterialbearbeitung von Kupfer
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