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.