Laserschweissen Neue Prozessicherheit durch Vorpulslaser

Autor / Redakteur: Maik Frede, Geschäftsführer bei Neolase & Anas Moalem, Wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Laser Zentrum Hannover / Luca Meister

>> Mit einem neu entwickelten, grünen Vorpulslaser konnte in Verbindung mit einem kommerziellen IR-Lasersystem eine enorme Verbesserung der Prozesssicherheit beim Kupferschweissen demonstriert werden. Das neue Verfahren ermöglicht somit erstmals eine Automatisierung des als bisher unsicher geltenden Laser-Kupferschweissens. Zusätzlich zur verbesserten Prozesssicherheit ermöglicht das Vorpulsmodul eine verbesserte Energiebilanz und spart somit Ressourcen ein.

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Abbildung 1: Absorptionsspektrum verschiedener Metalle [3]. (Grafik: LZH)
Abbildung 1: Absorptionsspektrum verschiedener Metalle [3]. (Grafik: LZH)

Heutige Anforderungen an elektrische und mechanische Verbindungen für Baugruppen in der Automobil- und Sensorindustrie umfassen neben der mechanischen Zuverlässigkeit insbesondere auch eine Temperaturbeständigkeit von einigen hundert Grad und können mit bestehenden Fertigungstechnologien wie dem Löten oft nicht erreicht werden. Der Vorteil des Laserschweissens liegt vor allem in der hohen Temperaturbeständigkeit und des spezifischen elektrischen Widerstands der Fügeverbindungen. Der im Vergleich zum Widerstandsschweissen äusserst begrenzte räumliche Wärmeeintrag und eine hohe Serienflexibilität bilden weitere Vorteile.

In der Elektronik und Feinwerktechnik kommen vor allem Kupferlegierungen und Edel- und Buntmetalle zum Einsatz. Diese teilweise hoch reflektierenden Werkstoffe zeigen eine hohe Varianz der Schweissergebnisse und damit verbunden eine geringe Prozesssicherheit [1]. Im Allgemeinen steigt die Absorption von Metallen mit abnehmender Wellenlänge der Laserstrahlung drastisch an (siehe Abb.1). Für Kupfer beträgt die Absorption eines konventionellen Nd:YAG-Lasers (1064 nm) lediglich ca. vier Prozent, wohingegen im sichtbaren Spektralbereich eine deutlich höhere Absorption vorliegt. Schon bei der zweiten Harmonischen (532 nm) wird ca. 40 Prozent und bei der dritten Harmonischen (355 nm) ca. 60 Prozent der Strahlung absorbiert (Abb. 1). Eine erste, wesentliche Verbesserung der Prozesssicherheit beim Schweissen von Kupfer mit einem frequenzverdoppelten Laser konnte bereits nachgewiesen werden [2].

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Effektive Einkopplung der Schweisslaserstrahlung

Zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Qualität der Schweissverbindungen werden derzeit Ansätze wie beispielsweise Pulsformung, Echtzeitleistungsregelung oder der Einsatz von frequenzkonvertierten Lasern verfolgt.

Ein neuer Ansatz wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten und vom PTKA betreuten KMU-innovativ Projektes «Supreme», entwickelt. Das hierzu entwickelte Lasermodul stellt einen frequenzkonvertierten Vorpuls mit einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden, einer Pulsspitzenleistung von bis ca. 1 MW und einer exzellenten Strahlqualität zur Verfügung, der mit dem eigentlichen, infraroten Schweisslaserstrahl räumlich und zeitlich überlagert wird (siehe Abb. 2).

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