Schweißen von Kupfer

Die Anwendungsingenieure von Coherent führten eine Reihe von Tests zum Schweißen von Kupfer mit einem 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 mithilfe eines Fernbearbeitungskopfes mit einer 1,4-fachen Vergrößerung fokussiert, wobei Stickstoff als Schutzgas und eine Kreuzdüse zum Einsatz kamen. Als Schweißmaterial diente reines Kupfer. Die Laserleistung betrug 4 kW, wobei bei allen Versuchen im Zentrum 1,5 kW und im Ring 2,5 kW anlagen. Das Foto (Abb. 2) zeigt den Versuchsaufbau.

Durch Veränderung der Fokusposition wurde festgestellt, dass die beste Schweißnahtqualität bei einer Fokussierung 1,5 mm über der Materialoberfläche erzielt wird. Konkret stellte diese Position den besten Kompromiss zwischen Durchschweißen und Schweißnahtqualität dar. Der ARM-Laser erzeugt eine tiefere Durchdringung der Schweißnaht, 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 Fokussierposition des Strahls (1,5 mm über der Oberfläche) ist in der Grafik dargestellt.

Das Diagramm zeigt die Schweißnahtdurchdringung bei 2 mm dickem Kupfer in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit unter den gerade beschriebenen Bedingungen. Zum Vergleich wurde unter denselben Bedingungen auch ein grüner Laser mit einer Leistung von 2 kW getestet. Es wurde eine geringere Leistung des grünen Lasers verwendet, da der Infrarot-Faserlaser mit einer Leistung von 4 kW nur 2 kW grüne Leistung erzeugt. Der Vergleich zeigt, dass der Infrarot-Laser von ARM über einen breiten Bereich von Schweißgeschwindigkeiten hinweg eine doppelt so hohe Schweißnahtdurchdringung bietet.

Schweißleistung

Zudem wurde die Schweißeffizienz des ARM-Lasers gemessen und mit zuvor veröffentlichten Ergebnissen zum Schweißen mit einem grünen Laser mit einer Leistung von 2 kW verglichen. Als Schutzgas wurde für beide Schweißnähte Stickstoff verwendet. Die veröffentlichten Daten für den grünen Laser ergaben einen (konstanten) Schweißquerschnitt von 0,5 mm² und eine Durchbruchtiefe 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 2-kW-Grünlaser. 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.

Quelle: coherent.com