Kupferschweißen mit blauem
High Power Diodenlaser

450 nm Wellenlänge und 2000 W Laserleistung (CW) eröffnen neue Möglichkeiten für das spritzerfreie,  qualitativ hochwertige Kupfer-Laserschweißen, 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 Kupfer-Laserschweißen 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.

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 in industriellen Prozessen.

Kupfer-Laserschweißen – 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.

Laserschweißen von Kupferstiften mit blauem Diodenlaser

Laserschweißen von zwei Kupfer-Kontakten (ca. 0,5x1,5mm²) mit 450nm Wellenlänge  und einer Pulszeit von 100ms für elektrische Anwendungen.  

Durch  Wärmeleitungsschweißen  mit dem blauen Diodenlaser LDMblue entsteht ein sehr stabiles, homogenes Schmelzbad ohne Verdampfung. Die dominierende Oberflächenspannung des flüssigen Kupfers überbrückt Lücken zwischen den Stiften, was zu einer homogenen Verbindung führt.

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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.

Kupfer Wärmeleitungsschweißen mit 450nm Wellenlänge

Blindnaht schweißen auf reinen Kupferblech (0,5 mm Dicke) mit dem Laserline  LDMblue 500-60.

Durch Wärmeleitungsschweißen mit 450 nm Wellenlänge und einem Fokusdurchmesser von 600µm ensteht ein hochstabiles Schmelzbad ohne Spritzerbildung im Schweißprozess.

Laser: LDMblue 500-60
Kupferblech: 0,5mm
Fokusdurchmesser: Ø0.6mm

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Über das Schweißen von Kupferbauteilen

In unserer Serie „Diodenlaser in ihrer Anwendung“ stellen wir regelmäßig die wichtigsten diodenlaserbasierten Applikationen vor. Besonders ein Anwendungsfeld sollte dabei nicht vergessen werden: das Kupferschweißen.

Doch warum ist diese spezielle Applikation so wichtig? Kupfer ist einer der bedeutendsten Werkstoffe in der elektrischen Signalübertragung und deshalb Schlüsselkomponente vieler moderner Technologien. Ob in Batteriezellen mobiler Endgeräte, in Induktionsspulen oder den Akkus von Elektroautos – Kupfersegmente sind heute überall zu finden. Häufig sind die Bauteile dabei Hochstrom, hohen Betriebstemperaturen und starken Vibrationen ausgesetzt. Das hat maßgeblichen Einfluss auf den Fertigungsprozess: Werden die Bauteile aus mehreren Teilstücken zusammengefügt, müssen die Fügenähte hochstabil sein und dürfen keine zusätzlichen Widerstände im Signalfluss und damit eine erhöhte Temperatur im Bauteil erzeugen. Da Lötverbindungen oft die nötige Hitzebeständigkeit fehlt, sind mittels Diodenlaser erzeugte Schweißnähte hier die beste Option.

Warum blaue Diodenlaser?

Nun ist Diodenlaser nicht gleich Diodenlaser und Kupfer nicht gleich Kupfer – das klingt zunächst banal, ist jedoch entscheidend. Denn wirft man einen genaueren Blick auf die Kupferkomponenten, wird schnell das breite Spektrum der Bauteile deutlich: Hauchdünne Drähte finden ebenso Verwendung wie mehrere Millimeter dicke Bleche. Das hat Auswirkungen auf die Wahl des Schweißwerkzeugs. Sollen dünne Folien gefügt werden, sind geringe Einwirktiefen und maßvolle Energieeinträge unverzichtbar. Hohe Intensitäten würden die Kupferfolie sofort durchtrennen. Da man mit dem infraroten Laser aber hohe Intensitäten benötigt, um Kupfer aufzuschmelzen, steht man vor einem Dilemma. Für die Bearbeitung filigraner Kupferkomponenten ist der infrarote Diodenlaser deshalb nicht geeignet – ideal ist vielmehr das Schweißen mit blauen Diodenlasern wie dem Laserline LDMblue, dem weltweit ersten blauen Industrielaser im Multi-Kilowatt-Bereich. Der Grund: Wellenlängen im blauen Spektrum werden von Kupfer überdurchschnittlich gut absorbiert. Mit den 450 nm des neuen LDMblue wird eine Absorptionsrate von weit über 50 Prozent erreicht – beim Laserschweißen dünner Buntmetalle ein Quantensprung. Der direkte Vergleich mit industrietypischen Infrarotlasern macht das eindrucksvoll deutlich: Unter identischen Prozessbedingungen wird beim Kupferschweißen via IR-Strahlung lediglich eine Absorptionsrate von fünf Prozent erreicht. Dadurch ist infrarotbasiertes Kupferschweißen nur mit hohen Laserausgangsleistungen möglich, oft ist der Prozess zudem instabil und es entstehen Schweißfehler – vor allem Spritzer. Mit blauen Diodenlasern gehören diese Probleme der Vergangenheit an. Dank deutlich verbesserter Absorption kann mit dem LDMblue ein maßvoller Energieeintrag und somit erstmals ein kontrolliertes Wärmeleitschweißen von Kupfer realisiert werden. Geringe Einwirktiefen und niedrige Materialverdampfungen lassen homogene Schweißnähte ohne Spritzer oder Porenbildung entstehen. 

Sobald dickere Kupferkomponenten gefügt werden sollen, stößt der blaue Diodenlaser allerdings aktuell noch an seine Grenzen. Denn das Fügen dicker Bleche ist ausschließlich im Tiefschweißprozess realisierbar – ein Verfahren, das aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer nur mit sehr hoher Strahlungsintensität möglich ist. Hier hilft auch die hohe Absorption des LDMblue kaum weiter: Bei 1.000 Watt erreicht er typische Einschweißtiefen von 0,6 bis 0,7 mm. Höhere Ausgangsleistungen – aktuell sind LDMblue Laser mit bis zu 2 kW verfügbar – verbessern die Einschweißtiefe. Da blaue Diodenlaser allerdings herstellungsbedingt teurer als Infrarotsysteme sind, stellt sich beim Tiefschweißen von Kupfer aktuell noch die Frage der Wirtschaftlichkeit. Der Einsatz eines klassischen Infrarotlasers wäre in dieser Anwendung derzeit deutlich günstiger, doch die bereits erwähnten Prozessnachteile – Instabilität und Schweißfehler – stehen einem effizienten Schweißverfahren auch hier im Wege. 

Hybrid Konzept für tiefere Schweißnähte

Laserline entwickelt daher alternative Ansätze. Ergebnis ist ein völlig neues Hybridkonzept, das beide Laservarianten verbindet. Über eine spezielle Fokussieroptik wird der Strahl eines blauen Diodenlasers mit dem Strahl eines klassischen Infrarotlasers zusammengeführt. Der blaue Spot von 0,6-1 mm Durchmesser wird dabei von einem kleineren Infrarotspot überlagert. So lassen sich die Vorteile beider Verfahren kombinieren: Um die Werkstoffoberfläche aufzuschmelzen, wird zu Beginn die hohe Absorptionsrate des blauen Diodenlasers genutzt. Der zugeschaltete Infrarotlaser öffnet daraufhin die Dampfkapillare und realisiert den eigentlichen Tiefschweißprozess. Während des gesamten Prozesses bleibt der LDMblue zugeschaltet. Er garantiert ein ruhiges und stabiles Schmelzbad. Ein innovativer Ansatz mit durchschlagendem Erfolg. Die Ergebnisse bei Einschweißtiefe, Nahtqualität und Prozessruhe überzeugten bisher durchweg. Bei Einschweißtiefen von bis zu 3 mm lassen sich uneingeschränkt ruhige Schmelzbäder ohne sichtbare Spritzer im Nahtbereich und in der Regel auch ohne Poren realisieren. Sowohl beim Überlappschweißen zweier Kupferbleche als auch beim Stumpfstoß entstehen außerordentlich glatte Fügenähte, und Verunreinigungen sind nicht feststellbar. 

Laserline Hybrid Konzept: Blue + IR

Laser-Kupferschweißen mit Hybrid Prozess

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.Für weitere Informationen zu Kupfer-Laserschweißen Anwendungen kontaktieren Sie uns gerne.


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