Laserschweißen Laserschweißen von Kupferwerkstoffen untersucht

Redakteur: Juliana Schulze

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat mit „CuBriLas“ ein Projekt gestartet, das den Fügeprozess des Laserschweißens von Kupferwerkstoffen untersucht - von der Strahlquellenentwicklung über die physikalischen Prozessgrundlagen bis hin zur Anwendung neuer Verfahrensansätze.

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Nahtoberraupen von Blindschweißungen in SE-Cu58 mit grüner (links) und infraroter Wellenlänge (rechts) durchgeführt. (Bild: Robert Bosch)
Nahtoberraupen von Blindschweißungen in SE-Cu58 mit grüner (links) und infraroter Wellenlänge (rechts) durchgeführt. (Bild: Robert Bosch)

Kupfer findet heute nicht nur als ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter in Form von Rohren, Kesseln oder Wärmetauschern in der Chemie- und Nahrungsmittelindustrie sowie der Installationstechnik Anwendung. Kupferwerkstoffe sind zudem weder aus dem Schalter- und Transformatoren-, noch aus dem Motoren- und Generatorenbau wegzudenken.

Bedeutung von Kupferwerkstoffen wächst in Zukunft

Deshalb gilt Kupfer bereits heute als wichtigster Werkstoff zur Leitung von Strom. Mit Blick in die Zukunft ist zu erwarten, dass die Bedeutung von Kupferwerkstoffen wachsen wird – beispielsweise beim Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien. Hier besteht die Aufgabe, den erzeugten Strom zum Konsumenten zu transportieren. Weiterhin hat Deutschland sich zum Ziel gesetzt, Leitmarkt für Elektromobilität zu werden. Diese Anwendungsfelder werden nicht nur den Bedarf an Kupferwerkstoffen erhöhen, sondern auch die Anforderungen an die Produktionstechnik.

Strahlwerkzeuge ermöglichen Laserschweißungen an Kupferwerkstoffen

So stoßen derzeit bekannte Verfahren zum Fügen von Kupferbauteilen bereits an ihre Grenzen: Forderungen nach höheren Festigkeiten einerseits und einer Miniaturisierung der Fügepartner andererseits können nicht erfüllt werden. Gleichzeitig müssen die Fügeprozesse vor dem Hintergrund einer modernen, industriellen Serienfertigung eine hohe Produktivität und Automatisierbarkeit aufweisen. Einen solchen Fügeprozess stellt das Laserstrahlschweißen dar. Durch die jüngste Entwicklung von Laserstrahlquellen stehen seit kurzem Strahlwerkzeuge zur Verfügung, die effiziente Laserschweißungen an Kupferwerkstoffen ermöglichen. Dieser Fügeprozess wird aktuell in dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt „CuBriLas“ untersucht – von der Strahlquellenentwicklung über die physikalischen Prozessgrundlagen bis hin zur Anwendung neuer Verfahrensansätze.

Kupferwerkstoff absorbiert grünes besser als infarotes Laserlicht

So hat Trumpf dazu einen Scheibenlaser entwickelt, der im kontinuierlichen Betriebsmodus Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich emittiert. Das System liefert eine maximale Laserleistung von 200 W und weist dabei mit einer Beugungsmaßzahl von konstant <1,15 eine sehr hohe Strahlqualität auf. Um die Emissionswellenlänge von 515 nm zu erzielen, wird innerhalb des Laserresonators eine Frequenzverdopplung der Scheibenlaserstrahlung durchgeführt. Das so erzeugte grüne Laserlicht wird von Kupferwerkstoffen deutlich besser absorbiert als Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das Know-How auf dem Gebiet der Frequenzverdopplung von Scheibenlasern hat Trumpf inzwischen in ein einsatztaugliches Funktionsmuster umgesetzt. Damit steht im CuBriLas-Projekt eine bislang einmalige Strahlquelle für die Kupferbearbeitung zur Verfügung.

Die Robert Bosch GmbH untersucht den Einfluss der grünen Laserwellenlänge auf den Schweißprozess von Kupferwerkstoffen. Dazu sind zunächst vergleichend die Einkoppelgrade grüner und infraroter Laserstrahlung in diverse Kupferwerkstoffe und in Stahl bestimmt worden. Im festen Zustand sowie beim Wärmeleitungsschweißen, bei dem der Werkstoff bereits in den flüssigen Zustand übergeht, absorbieren Kupferwerkstoffe die grüne Laserstrahlung deutlich besser als Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das Absorptionsverhalten von Kupferwerkstoffen ist für die grüne Wellenlänge mit dem Absorptionsverhalten von Stahlwerkstoffen für infrarotes Laserlicht vergleichbar – das Laserschweißen von Stahl ist industriell bereits fest etabliert. Von besonderem Interesse ist eine mögliche Steigerung der Prozessstabilität.

Teil 2: Laserstrahlschweißen ist WIG- und Widerstandsschweißen überlegen

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