Leistung für die E-Mobilität: Schweißen von Kupfer mit einem Faserlaser im einstellbaren Ringmodus

Faserlaser sind zwar die vorherrschende Laserquelle für das Schweißen, doch wird ihr Infrarotstrahl von einigen Metallen, insbesondere von Kupfer, stark reflektiert, was ihre Effizienz bei diesen Werkstoffen einschränkt. Infolgedessen haben sich leistungsstarke Festkörper-Grünlaser als mögliche Alternative für das Schweißen von Kupfer herausgestellt, da diese Wellenlängen von Kupfer stärker absorbiert werden. Grüne Laser weisen jedoch einige praktische Einschränkungen auf, die letztendlich zu höheren Anschaffungskosten führen. Dieses Dokument präsentiert die Ergebnisse kürzlich durchgeführter Tests zum Schweißen von Kupfer, die erfolgreich mit einem neuen Typ eines Faserlasers mit einstellbarem Ringmodus (ARM) und hoher Strahlhelligkeit im Zentrum durchgeführt wurden. Der ARM-Laser mit hoher Strahlhelligkeit lieferte dabei bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten eine hervorragende Schweißnahtqualität und eine bessere Eindringtiefe als handelsübliche grüne Laser. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Technologie Vorteile hinsichtlich der Kosteneffizienz, der Zuverlässigkeit und der praktischen Anwendbarkeit von Faserlasern beim Schweißen von Kupfer bieten könnte.

Produktion im Bereich E-Mobilität

Der Produktionsboom im Bereich der E-Mobilität ist der Hauptfaktor, der zu einem deutlichen Anstieg der Nachfrage nach Lösungen für das Schweißen von Kupfer führt. Kupfer weist im Vergleich zu anderen Metallen eine Reihe wünschenswerter elektrischer, thermischer, mechanischer und kostentechnischer Eigenschaften auf und wird daher in allen Elektrofahrzeugen verwendet – in den Statoren von Elektromotoren, im Stromverteilungssystem (Sammelschienen usw.) sowie in Batterien. Die Herstellung vieler dieser Komponenten und Systeme umfasst das Schweißen von Kupfer.

Doch ebenso wie die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die Kupfer für diese Anwendungen ideal macht, ist es schwierig, es mit herkömmlichen Faserlasern zu schweißen. Insbesondere seine elektronischen Eigenschaften führen dazu, dass es im nahen Infrarotbereich der Faserlaser stark reflektiert. Und seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erfordert die Zufuhr einer großen Menge an Laserenergie, um das Material zu schmelzen und den Schweißprozess in Gang zu setzen.

Infolgedessen ist bei Verwendung eines herkömmlichen Faserlasers in der Regel eine sehr hohe Leistung erforderlich, um die für das anfängliche Schmelzen des Materials notwendige Leistungsdichte zu erreichen. Dieser „Brute-Force“-Ansatz führt jedoch dazu, dass der Schweißprozess instabil und extrem empfindlich gegenüber kleinsten Abweichungen der Werkstückoberfläche ist. Insbesondere lokalisierte Oberflächenoxidation oder Inhomogenitäten der Oberflächenstruktur im kleinen Maßstab können zu einer Instabilität des Prozesses führen. Das Endergebnis können uneinheitliche Schweißnähte mit Poren und einer schlechten Oberflächenqualität sein.

Halbleiter-Grünlaser

Kupfer absorbiert im grünen Laserbereich fast eine Größenordnung stärker als im nahen Infrarotbereich. Die Energie des grünen Lasers kann daher effizienter in das Werkstück eingebracht werden, was zu einem stabileren und weniger empfindlichen Schweißprozess führt, als dies bei herkömmlichen Faserlasern möglich ist. Infolgedessen setzen mehrere Hersteller leistungsstarke Festkörper-Grünlaser ein, und viele weitere testen und bewerten diese derzeit.

Der Einsatz von Hochleistungs-Grünlasern in der E-Mobilitäts-Produktion stößt jedoch auf einige erhebliche praktische Probleme. Einige davon ergeben sich aus den Eigenschaften und dem Aufbau der Grünlaser selbst.

Die für Festkörper-Grünlaser in Faser- oder Scheibenbauweise verwendeten Lasermaterialien erzeugen Licht im nahen Infrarotbereich; zur Umwandlung des Infrarotlichts in grünen Ausgangslicht wird eine Frequenzverdopplung genutzt. Während dieser Prozess bei geringeren Leistungen sehr erfolgreich eingesetzt wird, stößt er bei Leistungen im kW-Bereich auf gewisse Schwierigkeiten. Konkret weist der Frequenzkonversionsprozess selbst einen Wirkungsgrad von nur etwa 50 % auf. Um eine Ausgangsleistung von 2 kW bei einem grünen Laser zu erreichen, sind daher 4 kW eines monomoden Infrarotlasers erforderlich. Die nicht umgewandelte Energie wird in Wärme umgewandelt, die über einen wassergekühlten Kühler abgeführt werden muss. Dies macht diese Laser energieineffizient (was aufgrund des höheren Stromverbrauchs zu höheren Betriebskosten führt) und erfordert eine große Menge an Kühlwasser. Zudem verschlechtern sich die Verdopplungskristalle im Laufe der Zeit aufgrund der hohen Leistungen, und wenn sie nicht sorgfältig überwacht werden, können sie zu Zuverlässigkeitsproblemen und Ausfällen des gesamten Lasers führen.

Ein weiteres praktisches Problem bei grünen Lasern ist die Tatsache, dass sich Standard-Lichtleitfasern, die zur Übertragung des grünen Laserstrahls verwendet werden, durch das Licht leichter verdunkeln, was ihre Lebensdauer verkürzt. Spezialfasern für grünes Licht können dieses Problem lösen, sind jedoch teurer und schwerer erhältlich. Der Verdunkelungseffekt nimmt zudem mit der Faserlänge zu. Dies begrenzt die Faserlänge derzeit auf 10 m, was die Flexibilität bei der Platzierung des Lasers in der Produktionsumgebung einschränkt. Zudem sind kommerziell erhältliche grüne, leistungsstarke CW-Laser derzeit auf eine maximale Leistung von 2 kW begrenzt.

Die meisten Industrielaser haben eine Ausgangsleistung im nahen Infrarotbereich, sodass die gesamte Infrastruktur zu ihrer Unterstützung auf dieser Wellenlänge basiert. So ist beispielsweise die Auswahl an Prozessköpfen für grüne Laser begrenzt, und oft müssen diese angepasst werden. Ebenso sind Hilfslinsen, Schutzgläser und andere optische Komponenten meist für Infrarotlaser ausgelegt. Ein Hersteller, der bereits Infrarotlaser einsetzt, muss daher möglicherweise einen größeren Vorrat an Ersatzteilen und Verbrauchsmaterialien vorhalten, um den Einsatz von Grünlasern in seinem Betrieb zu ermöglichen, ohne dass es zu Wartungsverzögerungen und Ausfallzeiten kommt.

COHERENT HighLight™ ARM-Faserlaser

Faserlaser sind energetisch wesentlich effizienter als feste grüne Laser. Das bedeutet, dass sie zur Erzielung einer bestimmten Ausgangsleistung weniger Strom benötigen und weniger Abwärme erzeugen. Dies senkt die Betriebskosten und vereinfacht die Kühlung des Lasers. Zudem sind Faserlaser äußerst zuverlässig. Ihr infraroter Ausgangsstrahl lässt sich zudem leicht über eine optische Faser leiten. Trotz dieser wünschenswerten Eigenschaften wurden sie jedoch insbesondere beim Schweißen von Kupfer aufgrund der zuvor genannten Probleme nicht in großem Umfang eingesetzt.

Vor einigen Jahren stellte Coherent die Faserlaser der HighLight-Serie mit einstellbarem Ringmodus (ARM) vor, um die preislichen und praktischen Vorteile dieser Quellen für Anwendungen nutzbar zu machen, die mit herkömmlicher Technologie nicht ausreichend abgedeckt wurden. In der Regel handelt es sich dabei um Aufgaben, bei denen die räumliche Leistungsverteilung und die Leistungsdichte auf der Arbeitsfläche sorgfältig gesteuert werden müssen, um eine gute Schweißnahtqualität (geringer Spritzauftrag, minimale Rissbildung und verringerte Porosität) zu erzielen. Typische Beispiele sind das Spaltfreischweißen von verzinktem Stahl, das spritzerfreie Schweißen von Antriebskomponenten und das rissfreie Schweißen von Aluminium-Aufhängungsteilen ohne Zusatzdraht.

Diese präzise Steuerung der räumlichen Leistungsverteilung wird durch den einzigartigen Ausgangsstrahl des ARM-Lasers erreicht, der aus einem zentralen Punkt besteht, der von einem weiteren konzentrischen Laserstrahlring umgeben ist. Die Leistung im Zentrum und im Ring kann unabhängig voneinander nach Bedarf eingestellt und moduliert werden, was eine sehr sorgfältige Steuerung der Schmelzdynamik ermöglicht.

Die Coherent HighLight ARM-Laser sind mit verschiedenen Verhältnissen von Zentrum zu Ring sowie mit unterschiedlichen Leistungsstufen erhältlich, die an spezifische Anwendungen angepasst werden können. Der Durchmesser des Kerns kann im Bereich von 22 µm bis 100 µm konfiguriert werden, und der Außendurchmesser des Rings kann zwischen 140 µm und 200 µm variieren.

Für das Schweißen von Kupfer sind eine hohe Intensität und eine hohe Leistung des Kernstrahls erforderlich. Dieser liefert die erforderliche Energie, um das Material trotz seines relativ geringen Absorptionskoeffizienten problemlos zu schmelzen, während der kreisförmige Strahl dazu beiträgt, das Schlüsselloch (Keyhole) während des Schweißvorgangs zu stabilisieren. Das Ergebnis ist, dass der Schweißprozess unabhängig von Oberflächenveränderungen des Werkstücks konsistent eingeleitet und aufrechterhalten wird, wodurch die Einschränkungen überwunden werden, die bei herkömmlichen Faserlasern auftreten.

Abbildung 1: Faserlaser HighLight FL4000CSM-ARM.

Ergebnisse beim Schweißen von Kupfer

Die Anwendungsingenieure von Coherent führten eine Reihe von Tests zum Schweißen von Kupfer mit dem ARM-Laser durch, der über einen hochintensiven Zentralstrahl mit einem Durchmesser von 22 µm und einen kreisförmigen Strahl mit einem Innen-/Außendurchmesser von 100 µm/170 µm verfügt. Der Laser wurde mit einem Fernbearbeitungskopf mit einer Vergrößerung von 1,4, Stickstoff als Schutzgas und einer Kreuzdüse fokussiert. Als Schweißmaterial diente reines Kupfer. Die Laserleistung betrug 4 kW, wobei die Leistung im Zentrum bei 1,5 kW und im Ring bei 2,5 kW für alle Versuche lag.

Abbildung 2: Ergebnisse des ARM-Kupferschweißens mit einem hochhellen Faserlaser, einem Scanner und einer Schutzdüse.

Die Fokusposition wurde variiert, und es zeigte sich, dass die beste Schweißnahtqualität bei einer Fokussierung 1,5 mm über der Materialoberfläche erzielt wurde. Konkret stellte diese Position den besten Kompromiss zwischen Eindringtiefe der Schweißnaht und deren Qualität dar. Der ARM-Laser erzeugt eine tiefere Schweißnahtdurchdringung, wenn er direkt auf die Materialoberfläche fokussiert wird, doch die resultierende Qualität der Schweißnahtoberfläche und des Spritzgusses ist für typische Anwendungen in der E-Mobilität nicht ausreichend. Das Strahlprofil auf der Arbeitsfläche bei Verwendung der optimalen Fokussierungsposition des Strahls (1,5 mm über der Oberfläche) ist in der Grafik dargestellt.

Abbildung 3: ARM-Strahlprofil auf der Arbeitsfläche (1,5 kW im Zentrum und 2,5 kW im Ring) bei einer Fokussierung des Lasers 1,5 mm über der Arbeitsfläche.

Abbildung 4: Schweißnahtdurchdringung bei einem hochhellen ARM-Laser mit 4 kW Leistung im Vergleich zu einem grünen Faserlaser mit 2 kW Leistung.

Schweißleistung

Die Schweißeffizienz des ARM-Lasers wurde ebenfalls gemessen und mit zuvor veröffentlichten Ergebnissen zum Schweißen mit einem grünen 2-kW-Faserlaser verglichen. Als Schutzgas wurde für beide Schweißnähte Stickstoff verwendet. Die veröffentlichten Daten für den grünen Laser zeigten einen konstanten Schweißquerschnitt von 0,5 mm² und eine Durchschweißtiefe von etwa 1 mm. Der ARM-Laser wurde so konfiguriert, dass er die gleichen Ergebnisse erzielte. Konkret erforderte dies eine Ausgangsleistung von 3,5 kW und eine Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s im Vergleich zu einer Schweißgeschwindigkeit von 200 mm/s beim grünen Laser mit einer Leistung von 2 kW. Die Normalisierung dieser Ergebnisse ergibt eine lineare Laserleistung von 10 J/mm für den ARM-Laser im Vergleich zu 11,8 J/mm für den grünen Laser. Der grüne Laser bietet somit eine etwas höhere Schweißeffizienz. Die höhere Gesamtleistung des ARM-Lasers ermöglicht es jedoch, trotz dieses geringen Effizienzunterschieds mit deutlich höheren Schweißgeschwindigkeiten zu arbeiten.

Oberflächenqualität

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Oberflächenqualität. Herkömmliche Faserlaser können zwar Kupfer schweißen, reagieren jedoch sehr empfindlich auf Veränderungen der Oberflächenqualität. Das Foto zeigt Schweißnähte, die mit einem ARM-Laser mit hoher Helligkeit auf geschliffenem und poliertem Kupfer hergestellt wurden. Der Prozess bleibt auf beiden Oberflächen stabil, ohne dass sich die Schweißnahtqualität verändert.

Abbildung 5: Querschnitt einer Kupfer-Schweißnaht, die mit einem hochintensiven ARM-Infrarotlaser mit einer Ausgangsleistung von 3,5 kW bei einer Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s hergestellt wurde.

Abbildung 6: Gleichmäßige Schweißnähte auf glattem und geschliffenem Kupfer mit einem ARM-Laser mit einer Leistung von 4 kW bei verschiedenen Geschwindigkeiten (300–150 mm/s von oben nach unten).

Fazit

Diese Tests haben gezeigt, dass der hochleistungsfähige ARM-Laser von Coherent eine praktikable Lösung für anspruchsvolle Kupfer-Schweißanwendungen im Bereich der E-Mobilität darstellt. Die Schweißdurchdringung und die Prozessgeschwindigkeit entsprechen den aktuellen Produktionsanforderungen oder übertreffen diese sogar. Zudem beseitigt der ARM-Laser die Probleme hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächenqualität und der Prozessinstabilität, die in der Vergangenheit den Einsatz von Faserlasern beim Schweißen von Kupfer eingeschränkt haben. Der ARM-Laser bringt somit endlich alle kostengünstigen, zuverlässigen und praktischen Vorteile, dank derer sich Faserlaser in vielen anderen industriellen Anwendungen bewährt haben, auch in die anspruchsvolle Aufgabe des Kupferschweißens ein.