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Ein Prozess für das Fügen von Kupferbauteilen ist das Laserstrahlschweißen. Seit kurzer Zeit stehen durch die Entwicklung brillanter Laserstrahlquellen Strahlwerkzeuge zur Verfügung, die effiziente Laserschweißungen an Kupferwerkstoffen ermöglichen. Dieser Fügeprozess wird aktuell in dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt "CuBriLas" untersucht. Und zwar von der Strahlquellenentwicklung über die physikalischen Prozessgrundlagen bis hin zur Anwendung neuer Verfahrensansätze, berichtet BMBF-Projektverbund Cubrilas.
Das Unternehmen Trumpf Laser hat dazu einen Scheibenlaser entwickelt, der im kontinuierlichen Betriebsmodus Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich emittiert, erklärt der Projektverbund. Das System liefert eine maximale Laserleistung von 200 Watt und weist dabei mit einer Beugungsmaßzahl von konstant <1,15 eine hohe Strahlqualität auf. Um die Emissionswellenlänge von 515 Nanometer (nm) zu erzielen, werde innerhalb des Laserresonators eine Frequenzverdopplung der Scheibenlaserstrahlung durchgeführt. Das so erzeugte grüne Laserlicht werde von Kupferwerkstoffen deutlich besser absorbiert als Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich. Das Know-how auf dem Gebiet der Frequenzverdopplung von Scheibenlasern hat das Unternehmen inzwischen in ein einsatztaugliches Funktionsmuster umgesetzt, heißt es. Damit stehe im Projekt eine bislang einmalige Strahlquelle für die Kupferbearbeitung zur Verfügung.
Bosch als Projektpartner untersucht den Einfluss der grünen Laserwellenlänge auf den Schweißprozess von Kupferwerkstoffen. Dazu sind zunächst vergleichend die Einkoppelgrade grüner und infraroter Laserstrahlung in diverse Kupferwerkstoffe und in Stahl bestimmt worden. Im festen Zustand sowie beim Wärmeleitungsschweißen, bei dem der Werkstoff bereits in den flüssigen Zustand übergeht, absorbieren Kupferwerkstoffe die grüne Laserstrahlung deutlich besser als Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, teilt der Verbund mit. Das Absorptionsverhalten von Kupferwerkstoffen sei für die grüne Wellenlänge mit dem Absorptionsverhalten von Stahlwerkstoffen für infrarotes Laserlicht vergleichbar. Von besonderem Interesse sei eine mögliche Steigerung der Prozessstabilität. Erste Ergebnisse zeigen: Während mit infraroter Laserstrahlung erzeugte Schweißnähte insbesondere bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten zahlreiche Fehlstellen aufweisen, können unter Anwendung grüner Laserstrahlung Schweißnähte gleichbleibender Qualität erzeugt werden, berichtet der Projektverbund. Dies stelle einen entscheidenden Fortschritt dar, den es im weiteren Projektverlauf auszubauen und zu optimieren gelte.
Schwerpunkt der Untersuchungen von Projektpartner Siemens stellt das Direktschweißen von Kupferbauteilen auf Kupferverbundstoffe dar. Weiterhin wurde das Schweißen von Fügepartnern unterschiedlicher Dicke und Werkstoffkombinationen erprobt. Wie sich im Projekt herausstellte, ist das Laserstrahlschweißen dem Wolfram-Inert-Gas(WIG)- und Widerstandsschweißen überlegen, da die minimal erzielbare Nahtbreite deutlich geringer ist und Nähte mit größeren Aspektverhältnissen geschweißt werden können, heißt es. Erprobt wurde unter anderem das Kehlnahtschweißen von Kupferbauteilen. Darüber hinaus wurden Laserschweißungen von E Cu auf metallisierte Keramiksubstrate untersucht.
Die möglichen Vorteile eines Kombinationsprozesses unter Anwendung sowohl grüner als auch infraroter Laserstrahlung werden am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart, ebenfalls Partner - ermittelt. An einem Bronzewerkstoff (CuSn6) wurden dazu zunächst Blindnähte mit jeweils nur grüner oder nur infraroter Wellenlänge erzeugt. Im direkten Vergleich dazu wurden Blindnähte in Kombination beider Wellenlängen geschweißt. Durch diesen Kombinationsprozess konnte die erforderliche Laserleistung zur Erzielung eines Tiefschweißprozesses reduziert werden, wird berichtet. Dies sei für industrielle Anwendungen im Hinblick auf eine deutliche Energieeinsparung sehr interessant. Das IFSW beschäftigt sich zudem mit dem Einfluss der Positionierung der beiden Laserstrahlen zueinander. Eine Optik, die die Fokussierung des grünen und des infraroten Laserstrahls in der Prozesszone sowie eine Verschiebung der beiden Fokuspunkte zueinander erlaubt, wird derzeit von den Projektpartnern - der Technologiegesellschaft für Strahlwerkzeuge und Precitec - aufgebaut.
Der Projektpartner Fraunhofer-Institut für Lasertechnik hat unter anderem Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen von CuFe2P durch Beaufschlagung mit Laserleistung grüner Wellenlänge und brillanter Strahlqualität bei kleinen Fokusdurchmessern durchgeführt. Im direkten Vergleich zu Schweißungen, die mit einem infraroten Laser hoher Strahlqualität vorgenommen wurden, konnten deutlich größeren Einschweißtiefen erzielt werden, wie es heißt. Damit sollen sich zukünftig wesentlich dickere Bauteile als bisher schweißen lassen. Somit eröffne dieses Laserverfahren den Weg zu neuen Anwendungen. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Kleiner entwickelt das ILT den Laserschweißprozess für ein erstes Demonstratorbauteil. Weitere anwenderspezifische Schweißaufgaben, beispielsweise von Partner Wieland Werke, werden im Projektverlauf untersucht.
Bereits jetzt kann festgestellt werden, so folgert das Verbund-Projekt, dass der Einsatz von Lasern zum Schweißen von Kupferbauteilen den Weg für neue Produktdesigns eröffnet. Dies sei besonders im Bereich der Elektrik und Elektronik von Bedeutung, da so die mechanische und thermische Belastbarkeit erhöht und die Bauteile weiter miniaturisiert werden könnten. Dies sei notwendig, um die hohen Qualitätsanforderungen an elektrotechnische Bauteile, beispielsweise in der Leistungselektronik und bei elektrischen Antrieben, kostengünstig und in kompakter Bauweise zu erfüllen. Der Laser kann hier zu einer signifikanten Steigerung der Prozessgeschwindigkeit und -genauigkeit beitragen, heißt es. Das Projekt "Laserstrahlschweißen von Kupferbauteilen mit brillanten Strahlquellen im infraroten und grünen Wellenbereich - CuBriLas" läuft noch bis zum 30. Juni 2012. Die gesamten Projektkosten werden mit 4,94 Millionen Euro, der Förderanteil des BMBF wird mit rund 55,7 Prozent davon angegeben. Er liegt bei 2,75 Millionen Euro.
(Panoramabild: Trumpf Laser; Bild: Siemens)