Kupferschweißen mit blauem
Hochleistungsdiodenlaser

450 nm Wellenlänge und 1000 W Laserleistung (CW) eröffnen neue Möglichkeiten für das qualitiv hochwertige Laser-Kupferschweißen, sowie die effektive Bearbeitung von  Gold und anderen Buntmetallen in der industriellen Serienproduktion.

Kupfer, Gold und andere Buntmetalle

Mit bisher verfügbaren industriellen Laserstrahlquellen war es nur mit erhöhtem Aufwand möglich, Buntmetalle wie Kupfer im Rahmen einer Serienproduktion zufriedenstellend zu bearbeiten. Die Entwicklung blauer Laserdioden eröffnet neue Möglichkeiten,  weil vor allem Kupfer und Gold das blaue Lichtspektrum sieben- bis zwanzigmal besser absorbieren als die infrarote Strahlung (siehe Grafik).

Nun wurde ein erster Hochleisungsdiodenlaser entwickelt, der die Lasermaterialbearbeitung von Buntmetallen erheblich verbessert. Insbesondere dünne Folien und Bleche können mit dem blauen Laser deutlich effektiver bearbeitet werden. Doch der blaue LDM-Diodenlaser bringt noch mehr Vorteile.

Neben der hohen Absorption von blauem Licht, die das Aufschmelzen von Kupfer stark vereinfacht, trägt auch die Verwendung des diodenlasertypischen Intensitätsprofils zum optimalen Bearbeitungsergebnis bei. Die bewährte Laserline Diodenlasertechnologie erlaubt darüber hinaus auch beim blauen Laser eine feinabgestufte Regulierung der Laserleistung innerhalb von Millisekunden und damit  eine optimale Anpassung an die Prozesserfordernisse. Die beim Kupferschweißen entstehenden Schweißnähte sind äußerst sauber und sehr glatt – egal welche Oberflächenbeschaffenheit das Material vor dem Schweißprozess aufweist. Sie verfügen über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und weisen nur wenige Spritzer auf angrenzenden Materialbereichen auf. Besonders hoch ist auch die Materialeffizienz, da zum einen mit dem blauen Laser keine Überlappungen oder Materialverstärkungen im Nahtbereich notwendig sind. Zum anderen weist flüssiges Kupfer eine hohe Spaltüberbrückbarkeit auf, wenn es mit blauer Laserstrahlung bearbeitet wird. Durch die Möglichkeit das Wärmeleitschweißen kontrolliert durchführen zu können, wird es beim Schweißen von verschiedenen Metallen erstmals möglich Kupfer als obere Fügekomponente einzusetzen. Sogar Kupferpulver und dünne Kupferfolien können mit anderen Materialien wie Stahl und Aluminium gefügt werden. Beim Schweißen von Folien werden beim Stumpf- und Kantenschweißen bereits beachtliche Ergebnisse erzielt.

Der Gesamtenergieverbrauch, der zum Schweißen von Kupfer benötigt wird, konnte im Vergleich zum infraroten Laser um 84 Prozent reduziert werden, bei Gold sind es sogar 92 Prozent. Dies liegt daran, dass rechnerisch nun statt 10 kW Leistung 1 kW zum Schweißen von Kupfer beziehungsweise 0,5 kW zum Schweißen von Gold ausreichen.

Für den Benutzer ermöglicht die LDM-Plattform eine vertraute und industriell erprobte Systemtechnik, die in Verbindung mit für die Wellenlänge optimierten Bearbeitungsoptiken verwendet werden kann. Ansonsten sind für die Integration des Lasers in die Produktion nur wenige Modifikationen notwendig. Lediglich Sichtschutzfenster von Bearbeitungszellen und Schutzbrillen müssen aufgrund des veränderten Wellenlängenbereichs ausgetauscht werden, um den Anforderungen der Lasersicherheit für die Mitarbeiter im Betrieb Rechnung zu tragen.

Hohe Leistung dank Laserline-Funktionsprinzip

Durch die Entwicklung eines leistungsstarken blauen Diodenlaserbarrens mit einer Wellenlänge von 450 nm, wurde erstmals der Aufbau eines direkt blauen Hochleistungsdiodenlasers möglich. Der so entwickelte blaue Laser basiert auf der bewährten Laserline LDM-Systemtechnologie. Einzelemitter kommen derzeit nur auf etwa 3 bis 5 Watt Laserleistung. Daher nutzt Laserline auch beim blauen Laser die eigens konstruierten Diodenbarren mit aktiver Kühlung. Ein solcher Diodenbarren erzeugt aktuell eine Leistung von etwa 50 Watt. Durch die Nutzung entsprechender optischer Elemente ist es möglich mehrere Diodenbarren, genau wie bei den Infrarotlasern, zu einem Stapel zu verbinden. Die Ausgangsleistung eines Diodenstapels, im Englischen als Stack bezeichnet, kann so auf 500 Watt skaliert werden. Für die 1-kW-Ausführung des blauen Hochleistungsdiodenlasers werden zwei Stacks in einem Laserstrahl kombiniert. Diese einzigartige Technologie ermöglicht die bereits von anderen Laserline-Produkten bekannte Flexibilität, Modularität und Skalierbarkeit.

Laserschweißen Kupfer

Das Laserschweißen von Kupfer wird durch die Entwicklung eines neuen blauen Diodenlasers revolutioniert. Der blaue Laserstrahl ermöglicht qualitativ hochwertige Bearbeitungen von Kupfer und anderen Buntmetallen im  industriellen Prozessen

Kupferschweißen – Das Verfahren

Mit dem blauen Laser wird erstmals das kontrollierte Wärmeleitungsschweißen von Kupfer und anderen Buntmetallen mit geringer Materialstärke möglich. Materialdicken von weniger als einem Millimeter sind nun kein Problem mehr. Wurden dünne Folien mit einem infraroten Laser bisher eher durchtrennt als gefügt, kann mittels des blauen Lasers das Material nun gezielt und kontrolliert bearbeitet werden. Mithilfe des blauen Laserstrahls wird das gewünschte Material entlang der Fügestellen aufgeschmolzen. Die so verflüssigten Werkstoffe fließen ineinander und bilden beim Erkalten die Schweißnaht. Durch dieses Verfahren ergeben sich besonders glatte Nähte, die eine hervorragende Qualität und dadurch eine hohe Stabilität aufweisen. Grundsätzlich ist das Verfahren das gleiche wie bei einem infraroten Laser – abgesehen von der verwendeten Wellenlänge.

Exzellente Ergebnisse

Erste Tests zeigen, dass es vor allem bei der Bearbeitung von Kupfer die Struktur der Oberfläche keinen Einfluss auf das Schweißverfahren hat. Egal ob das Kupfer vorab fein gebürstet, oxidiert oder geätzt wurde – die positiven Eigenschaften der Naht bleiben erhalten.

Kupferauftragschweißen

Erste Tests zeigen: Das Auftragschweißen mit Kupferpulver wird durch den blauen Laser ebenfalls möglich.

Kupferauftragschweißen – Das Verfahren

Der blaue Laser konnte auch beim Auftragschweißen mit Kupferpulver bereits in ersten Testläufen überzeugen. Bei diesem Verfahren – auch Laser Cladding genannt – wird auf der Oberfläche des Werkstücks durch den blauen Laserstrahl ein Schmelzbad erzeugt. Mithilfe einer Pulverdüse wird zeitgleich das Kupfer hinzugefügt, sodass dieses im selben Strahl aufgeschmolzen werden kann. Nach einer kurzen Auskühlzeit sind Werkstück und Kupferpulver nun metallurgisch miteinander verbunden. Darüber hinaus verursacht der Schweißprozess nur einen sehr geringen Verzug und die Beschichtung ist extrem strapazierfähig. Auch hier ähnelt das Verfahren dem des Lasers im infraroten Wellenspektrum. Außerdem ist der Auftrag wegen der physikalischen Eigenschaften von Kupfer elektrisch leitend.

Auftragschweißen mit Kupferpulver

Besonders gute Ergebnisse konnten mit dem blauen Laser bereits beim Cladding mit Kupferpulver auf Werkstücke aus Stahlwerkstoffen erreicht werden. Durch die hohe Absorption der blauen Laserstrahlung wird erstmals auch ein direktes Auftragsschweißen von Kupferpulver auf Kupfersubstrat möglich.

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