Laserschweißen von Kupfer

Qualitätssteigerung bei allen Metallen


Laserschweißen von Kupfer mit IR-Lasern

Das Hauptproblem beim Laserschweißen von Kupfer mit IR-Lasern liegt in dem geringen Absorptionsgrad von weniger als 5 % im festen Zustand. Aus diesem Grund muss eine sehr hohe Intensität verwendet werden, um überhaupt eine Dampfkapillare ausbilden zu können. Bei überwinden der kritischen Intensität steigt der Absorptionsgrad auf ca. 55 % an, was in Kombination mit der hohen benötigten Intensität, die meist durch hohe Leistungen erreicht wird, schnell zu vergleichsweise hohen Einschweißtiefen führt. Aufgrund des geringen Schmelzintervalls sowie der geringen Viskosität des Kupfers ergibt sich einer starke Neigung zur Poren- und Spritzerbildung sowie zu Schweißgutauswürfen. Aufgrund ihrer Häufigkeit ergeben sich oft kritische Schweißnahtdefekte.

Um diesen Effekten entgegen zu wirken, werden beim konventionellen Laserschweißen meist sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten von nicht selten 100 mm/s benötigt, wodurch die verarbeitbaren Blechdicken in einem Bereich von ca. 1 - 3 mm liegen.

Beim Laserstrahlschweißen im Vakuum von Kupfer erreicht die Druckreduktion schon ab ca. 200 mbar eine signifikante Stabilisierung des Schweißprozesses. Die Häufigkeit von Schweißgutauswürfen lässt sich so weit reduzieren, dass sie praktisch nicht mehr vorkommen. Im Weiteren ergibt sich die Möglichkeit die Schweißgeschwindigkeit gegenüber dem konventionellen Laserschweißen von Kupfer zu reduzieren, sodass hohe Einschweißtiefen erreicht werden können. Der Stand der Technik zeigt, dass mit einer Laserleistung von 10 kw Einschweißtiefen von
10 mm prozesssicher erreicht werden können. Der Makroschliff auf der linken Seite demonstriert die Möglichkeiten des LaVa-Schweißens von Kupfer. Mit einer Leistung von ca. 6 kW können Kupferbleche einer Dicke von 6 mm mit freier Wurzelformung und porenfrei verschweißt werden. Wie im Bild zu sehen, ist die Schweißnahtschuppung sehr fein und außerdem frei von Auswürfen und anhaftenden Spritzern.

Makroschliff einer LaVa-Schweißnaht mit 300µm Einschweißtiefe

Geringe Einschweißtiefen an Kupferwerkstoffen

Bei Verwendung von IR-Lasern wird die benötigte Intensität meist durch hohe Leistungen erreicht. Sobald sich eine Dampfkapillare ausbildet, ergibt sich auch eine hohe Einschweißtiefe. Bei 1 mm dicken Blechen führt dieser Leistungsüberschuss schnell dazu, dass aus einer Einschweißung eine Durchschweißung entsteht und obendrein ein Großteil der Leistung unterhalb des Blechs absorbiert werden muss.

Eine Alternative zum konventionellen Laserschweißen von Kupfer mit IR Lasern besteht bspw. in der Verwendung grüner oder blauer Wellenlängen. Dadurch lässt sich der Absorptionsgrad erhöhen und schon mit vergleichsweise geringen Leistungen ein Wärmeleitschweißen erreichen. Der Vorteil ist an dieser Stelle, dass durch die geringen Laserleistungen auch geringe Einschweißtiefen erreicht werden können. Der Nachteil des Wärmeleitschweißens liegt aber in dem geringen Wirkungsgrad und der geringen Schweißgeschwindigkeit. Weiterhin liegen die Kosten für die Laserstrahlerzeuger bisher noch deutlich über denen der IR-Laser.

Das LaVa-Schweißen von Kupfer ermöglicht die Verwendung des Tiefschweißens in Kombination mit moderaten Schweißgeschwindigkeiten. Dadurch lassen sich bei hohen Leistungen wie im oben dargestellten Makroschliff große Einschweißtiefen mit freier Wurzelausformung und ausgezeichneter Qualität erreichen. Es ist aber auch möglich geringste Einschweißtiefen im Mikrometerbereich zu erreichen. Der links dargestellte Makroschliff zeigt eine mit Strahloszillation erzeugte Einschweißung von ca.
300 µm Tiefe für die eine Leistung von nur 400 W benötigt wurde. Wie der Makroschliff zeigt, ist die Schweißnaht absolut porenfrei, die feine Schuppung der Schweißnahtoberraupe zeigt keinerlei anhaftende Spritzer oder auch Auswürfe.

Makroschliff einer LaVa-Schweißnaht an einem Stapel aus 65 µm dicken Folien

LaVa-Schweißen von Kupfer-Folienstapeln

Die hohe Energieeinbringung des konventionellen Laserschweißens führt bei Kupfer-Folienstapeln - neben den üblichen Defekten wie Poren und Schweißgutauswürfen - oft zu massiven Verzügen. Dadurch verschieben sich die Folien relativ zueinander und können nicht in Ihrer Gesamtheit verbunden werden. Das LaVa-Schweißen von Kupfer hingegen ermöglicht eine Energiereduktion gegenüber dem konventionellen Laserschweißen von Kupfer. Dadurch ist der LaVa-Prozess prädestiniert zum Schweißen von Kupfer-Folienstapeln.

Der Makroschliff auf der linken Seite zeigt einen Stapel von 65 µm dicken Folien, die mit dem LaVa-Prozess geschweißt wurden. Alle Folien sind in Ihrer Gänze angebunden und die Schweißnaht absolut frei von Poren. Die Ergebnisse lassen sich auch auf weitaus dünnere Folien übertragen.

LaVa-Schweißen von Cu-ETP-Busbars

Die technologische Entwicklung in der Automobilindustrie in Richtung Elektrifizierung bietet viele Chancen, sie birgt allerdings auch einige Herausforderungen. Als solche sind unter anderem das Verbinden von einzelnen Lithium-Ionen Batterien zu nennen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Integrität der Batteriezellen nicht beeinträchtigt wird und die Batteriekörper nicht auf mehr als
80 °C erhitzt werden.

Als Zellverbinder werden meist Kupferwerkstoffe verwendet, die eine geringe Eignung zum Schweißen aufweisen. Problematisch bei der Verarbeitung von Kupfer ist vor allem das Laserstrahlschweißen, dies trifft im speziellen auf ETP-Kupfer zu. Nachteilig ist hier die starke Porenbildung, wie sie auch beim Laserstrahlschweißen von Cu-ETP-Hairpins bekannt sind, sowie durch der hohe Leistungsbedarf.

Das Laserstrahlschweißen im Vakuum bietet bei der Verarbeitung von ETP-Kupfer signifikante Vorteile, da der Energiebedarf reduziert wird und die Neigung zur Porenbildung im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschweißen viel geringer ist. Diese Ergebnisse haben auch das Studententeam von Starkstrom Augsburg überzeugt. Auf der Suche nach einem Entwicklungspartner hat sich gezeigt, dass die LaVa-X GmbH mit dem Laserstrahlschweißen im Vakuum als einziger Anbieter eine Lösung für das Schweißen der Cu-ETP-Busbars liefern konnte.

In dem linken Bild ist die Schweißnaht sowie ein Makroschliff eines Cu-ETP Busbars dargestellt. Die Schweißung wurde mit einer Leistung von nur 1 kW bei einer Schweißgeschwindigkeit von
50 mm/s durchgeführt.

LaVa-Schweißen von Cu-ETP-Hairpins

Beim konventionellen Lasersschweißen von Cu-ETP-Hairpins mit Isolierender Beschichtung entstehen prozessbedingt viele Poren und Spritzer. Die Porenbildung ist ein typischer Fehler, der bei Cu-ETP Werkstoffen vermehrt auftritt. Verstärkt wird die Porenbildung zusätzlich durch Rückstände der Isolationsschicht, die durch die Wärmeentwicklung des Lasers verdampft und im Schmelzbad gelöst wird. Das größere Problem stellt allerdings die starke Spritzerbildung dar, die aufgrund der geringen Viskosität der Schmelze entsteht. Neben dem Masseverlust können anhaftende Spritzer im Weiteren die Isolationsschicht zerstören und Kurzschlüsse bilden.

Das Laserstrahlschweißen im Vakuum hat bei Cu-ETP-Hairpins den signifikanten Vorteil, dass die benötigte Energie des Laserstrahls um bis zu 100 % reduziert werden kann. Durch die Reduktion der Verdampfungstemperatur sinkt im Weiteren die Temperatur des Schmelzbades, was zu einer Stabilisierung und somit signifikanten Reduktion der Spritzer führt. Weiterhin kann die Bildung von Poren reduziert werden.

Im linken Bild dargestellt ist ein LaVa-geschweißter Cu-ETP Hairpin, der vor dem Schweißen mit einem Reinigungslaser der Firma Cleanlaser bearbeitet wurde. Im Schliff zu sehen ist die deutlich reduzierte Anzahl an Poren.