WEISSBUCH
„Antrieb für die E-Mobilität: Schweißen von Kupfer mit dem Faserlaser im Adjustable-Ring-Modus“
Übersicht
Zwar sind Faserlaser die vorherrschende Laserquelle für das Schweißen, doch wird ihr Infrarotstrahl von einigen Metallen, insbesondere von Kupfer, stark reflektiert, was ihre Wirksamkeit bei diesen Werkstoffen einschränkt. Infolgedessen haben sich leistungsstarke Festkörper-Grünlaser als mögliche Alternative für das Kupferschweißen etabliert, da diese Wellenlängen von diesem Metall stärker absorbiert werden. Allerdings weisen diese Grünlaser einige praktische Einschränkungen auf, die letztlich zu höheren Betriebskosten führen. Dieses Dokument präsentiert die Ergebnisse aktueller Kupfer-Schweißtests, die erfolgreich mit einem neuen Typ eines einstellbaren Ringmodus-Faserlasers (ARM) mit einem zentralen Strahl hoher Helligkeit durchgeführt wurden. Hier lieferte der ARM-Laser mit hoher Helligkeit eine hervorragende Schweißqualität und eine bessere Eindringtiefe bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten als handelsübliche Grünlaser der kW-Klasse. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Technologie alle Kosten-, Zuverlässigkeits- und praktischen Vorteile von Faserlasern für die anspruchsvolle Aufgabe des Kupferschweißens nutzen könnte.
Fertigung im Bereich E-Mobilität
Der Boom in der E-Mobilitätsindustrie ist der Hauptgrund für den deutlichen Anstieg der Nachfrage nach Lötlösungen für Kupfer. Kupfer weist im Vergleich zu anderen Metallen eine Reihe vorteilhafter elektrischer, thermischer, mechanischer und wirtschaftlicher Eigenschaften auf, weshalb es in Elektrofahrzeugen überall zum Einsatz kommt – in den Statoren der Elektromotoren selbst, im Stromverteilungssystem (Sammelschienen usw.) sowie in den Batterien. Und bei der Herstellung vieler dieser Komponenten und Systeme ist das Löten von Kupfer erforderlich.
Allerdings stellen genau jene hohen elektrischen und Wärmeleitfähigkeit , die Kupfer für diese Anwendungen ideal machen, auch eine Herausforderung beim Schweißen mit herkömmlichen Faserlasern dar. Insbesondere aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften ist es im nahen Wellenlänge Faserlaser Wellenlänge , stark reflektierend. Und seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit den Einsatz einer großen Menge an Laserenergie das Material zu schmelzen und den Schweißprozess Laserenergie zu setzen.
Daher ist bei der 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 macht den Schweißprozess jedoch instabil und extrem empfindlich gegenüber geringfügigen Abweichungen an der Werkstückoberfläche. Insbesondere können lokale Oberflächenoxidation oder kleine Unebenheiten in der Oberflächenstruktur zu Prozessinstabilitäten führen. Das Endergebnis können ungleichmäßige Schweißnähte, eine schlechte Oberflächenqualität und Porosität sein.
Festkörper-Grünlaser
Kupfer absorbiert im grünen Bereich fast eine Größenordnung stärker als im nahen Infrarot. Daher lässt sich die Energie eines grünen Lasers effizienter in das Werkstück einkoppeln, was zu einem stabileren und weniger empfindlichen Prozess führt, als dies mit herkömmlichen Faserlasern möglich ist. Infolgedessen werden leistungsstarke Festkörper-Grünlaser bereits von einigen Herstellern eingesetzt und von vielen weiteren evaluiert.
Allerdings gibt es einige erhebliche praktische Probleme beim Einsatz von Hochleistungs-Grünlasern in der Fertigung von E-Mobilitätsfahrzeugen. Einige davon ergeben sich aus den inhärenten Eigenschaften und dem Aufbau dieser Grünlaser selbst.
Die für Festkörper-Grünfaser- oder Scheibenlaser verwendeten Lasermaterialien erzeugen Licht im nahen Infrarotbereich; durch Frequenzverdopplung wird das Infrarotlicht in grüne Ausgangsleistung umgewandelt. Während dieses Verfahren bei geringeren Leistungen (unter 1 kW) mit großem Erfolg weit verbreitet ist, stößt es bei den für die meisten industriellen Kupferschweißaufgaben erforderlichen Leistungen im Multi-kW-Bereich auf gewisse Schwierigkeiten. Insbesondere weist der Frequenzumwandlungsprozess selbst nur einen Wirkungsgrad von etwa 50 % auf. Daher ist ein 4-kW-IR-Laser im Single-Mode-Betrieb erforderlich, um eine grüne Ausgangsleistung von 2 kW zu erzielen. Die nicht umgewandelte Energie wird in Wärme umgewandelt, die durch einen wassergekühlten Kühlkörper abgeführt werden muss. Dies macht diese Laser energieineffizient (was aufgrund des höheren Stromverbrauchs zu höheren Betriebskosten führt) und erfordert eine große Menge an Kühlwasser. Darüber hinaus verschlechtern sich die Verdopplungskristalle im Laufe der Zeit aufgrund der hohen Leistungen, und es können Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Ausfallzeiten entstehen, wenn sie nicht sorgfältig gewartet werden. Einige Konstruktionen nutzen komplexe Strahlumlenker und Kristalltemperaturstabilisatoren, um dies auszugleichen.
„…es wird ein 4-kW-IR-Laser im Single-Mode-Betrieb benötigt, um eine grüne Ausgangsleistung von 2 kW zu erzielen.“
Ein weiteres praktisches Problem bei grünen Lasern besteht darin, dass die für die Strahlführung optische Fasern durch grünes Licht leichter nachdunkeln, was ihre Lebensdauer verkürzt. Spezielle Lichtleiter für grünes Licht können dieses Problem beheben, sind jedoch teurer und weniger leicht erhältlich. Der Nachdunkelungseffekt nimmt zudem mit der Länge des Lichtleiters zu. Dies begrenzt die Lichtleiterlänge derzeit auf 10 m, was die Flexibilität bei der Platzierung des Lasers in der Produktionsumgebung einschränkt. Zudem sind handelsübliche grüne Hochleistungs-CW-Laser derzeit auf eine maximale Leistung von 2 kW begrenzt.
Die meisten Industrielaser arbeiten im nahen Infrarotbereich, sodass die gesamte Infrastruktur für ihren Einsatz auf dieser Wellenlänge basiert. So ist beispielsweise die Auswahl an Prozessköpfen für grüne Laser begrenzt, und oft müssen diese individuell angepasst werden. Ebenso sind Zusatzlinsen, Schutzgläser und andere optische Komponenten meist für Infrarotlaser ausgelegt. Daher muss ein Hersteller, der bereits Infrarotlaser einsetzt, möglicherweise einen größeren Vorrat an Ersatzteilen und Verbrauchsmaterialien vorhalten, um den Einsatz von Grünlasern in seinem Betrieb zu ermöglichen, ohne dass es zu Serviceverzögerungen und Ausfallzeiten kommt.
Der HighLight ARM Fiber Laser
Faserlaser sind elektrisch wesentlich effizienter als Festkörper-Grünlaser. Das heißt, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erzielen, benötigen sie weniger Strom und erzeugen weniger Abwärme. Dies senkt die Betriebskosten und vereinfacht die Kühlung. Außerdem sind Faserlaser sehr zuverlässig. Und ihre Infrarotstrahlung lässt sich problemlos über eine Faser übertragen. Doch trotz dieser vorteilhaften Eigenschaften haben sie sich insbesondere beim Schweißen von Kupfer noch nicht durchgesetzt, was vor allem auf die zuvor genannten Probleme zurückzuführen ist.
Coherent vor einigen Jahren die Faserlaser der HighLight-Serie mit einstellbarem Ringmodus (ARM) Coherent , um die Kostenvorteile und praktischen Vorzüge dieser Lichtquellen für Anwendungen nutzbar zu machen, die mit herkömmlicher Technologie nicht angemessen abgedeckt wurden. In der Regel handelt es sich dabei um Aufgaben, bei denen die räumliche Verteilung der Leistung und der Leistungsdichte an der Arbeitsfläche sorgfältig gesteuert werden muss, um eine gute Schweißqualität zu erzielen (geringer Spritzer, minimale Rissbildung und reduzierte Porosität). Typische Beispiele sind das Spaltfreischweißen von verzinktem Stahl, das spritzerfreie Schweißen von Antriebsstrangkomponenten und das Rissfrei-Schweißen von Aluminium-Anbauteilen ohne Zusatzwerkstoff.
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 Ring aus Laserlicht umgeben ist. Die Leistung im Zentrum und im Ring kann bei Bedarf unabhängig voneinander eingestellt und moduliert werden, was eine äußerst sorgfältige Steuerung der Dynamik des Schmelzbads ermöglicht.
Die ARM-Laser Coherent sind mit verschiedenen Verhältnissen von Kern- zu Ringdurchmesser sowie Leistungsstufen erhältlich, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden können. Der Durchmesser des Kerns kann auf Werte zwischen 22 µm und 100 µm eingestellt werden, während der Außendurchmesser des Rings zwischen 140 µm und 200 µm variieren kann.
Für das Schweißen von Kupfer ist ein hochintensiver, leistungsstarker Mittelstrahl erforderlich. Dieser liefert die notwendige Energie, um das Material trotz seines relativ geringen Absorption problemlos zu schmelzen, während der Ringstrahl zur Stabilisierung des Schlüssellochs beiträgt. Das Ergebnis ist, dass der Schweißprozess unabhängig von Oberflächenunregelmäßigkeiten des Werkstücks initiiert und gleichmäßig aufrechterhalten wird, wodurch die bei herkömmlichen Faserlasern auftretenden Einschränkungen überwunden werden.
Abbildung 1: HighLightARM fiber laser.
„Für das Schweißen von Kupfer ist ein hochintensiver, leistungsstarker Mittelstrahl erforderlich.“
Ergebnisse beim Schweißen von Kupfer
Coherent führten eine Reihe von Kupferschweißversuchen durch, wobei ein ARM-Laser mit einem zentralen Strahl hoher Helligkeit und einem Durchmesser von 22 µm sowie einem Ringstrahl mit einem Innen- und Außendurchmesser von 100 µm bzw. 170 µm zum Einsatz kam. Der Laser wurde mithilfe eines ferngesteuerten Bearbeitungskopfes mit einer Vergrößerung von 1,4 fokussiert, wobei Stickstoff als Schutzgas und Querstrahl verwendet wurde. Als Schweißmaterial diente reines Kupfer. Die Laserleistung betrug bei allen Versuchen 4 kW, wobei 1,5 kW im Zentrum und 2,5 kW im Ring zur Verfügung standen. Das Foto (Abbildung 2) zeigt den Versuchsaufbau.
Die Fokusposition wurde variiert, und es zeigte sich, dass die beste Schweißqualität erzielt wurde, wenn der Fokus 1,5 mm über der Materialoberfläche lag. Konkret stellte diese Position den besten Kompromiss zwischen Schweißtiefe und Schweißqualität dar. Der ARM-Laser erzeugt eine tiefere Schweißnahtdurchdringung, wenn er direkt auf die Materialoberfläche fokussiert wird, doch die daraus resultierende Qualität der Schweißnahtoberfläche und die Spritzerbildung sind für typische E-Mobilitätsanwendungen nicht ausreichend. Das Strahlprofil an der Arbeitsfläche bei Verwendung der optimalen Strahlfokusposition (1,5 mm über der Oberfläche) ist in der Grafik dargestellt.
„Der Infrarot-ARM-Laser sorgt für eine doppelt so hohe Schweißnahttiefe“
Die Grafik stellt die Schweißtiefe in 2 mm dickem Kupfer als Funktion der Geschwindigkeit unter den soeben beschriebenen Bedingungen dar. Zum Vergleich wurde unter denselben Bedingungen auch ein 2-kW-Grünlaser getestet. Es wurde eine geringere Grünleistung verwendet, da ein 4-kW-Infrarot-Faserlaser nur eine Grünleistung von 2 kW erzeugt. Der Vergleich zeigt, dass der Infrarot-ARM-Laser über einen weiten Bereich von Schweißgeschwindigkeiten eine doppelt so hohe Schweißtiefe erzielt.
Abbildung 2: Hochleistungs ARM fiber laser station mit Scanner und Schutzdüse.
Abbildung 3: Strahlprofil des ARM an der Arbeitsfläche (1,5 kW in der Mitte und 2,5 kW im Ring) bei einer Fokussierung des Lasers 1,5 mm über der Arbeitsfläche.
Abbildung 4: Schweißdurchdringung bei einem 4-kW-ARM-Laser mit hoher Leuchtkraft im Vergleich zu einem 2-kW-Grünfaserlaser.
Schweißleistung
Die Schweißleistung des ARM-Lasers wurde ebenfalls gemessen und mit zuvor veröffentlichten Schweißergebnissen für einen 2-kW-Grünlaser verglichen. Bei beiden Schweißvorgängen wurde Stickstoff als Schutzgas verwendet. Die veröffentlichten Daten für den Grünlaser wiesen einen (konstanten) Schweißquerschnitt von 0,5 mm² und eine Einbrandtiefe von etwa 1 mm auf. Der ARM-Laser wurde so konfiguriert, dass er dieselben Ergebnisse lieferte. Konkret erforderte dies eine Ausgangsleistung von 3,5 kW und eine Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s, verglichen mit 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, verglichen mit 11,8 J/mm für den Grünlaser. Somit bietet der Grünlaser eine etwas höhere Schweißeffizienz. Die höhere Gesamtleistung des ARM-Lasers ermöglicht es ihm jedoch, trotz dieses geringen Effizienzunterschieds mit deutlich höheren Schweißgeschwindigkeiten zu arbeiten.
Oberflächenqualität
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Oberflächenbeschaffenheit. Herkömmliche Faserlaser können zwar Kupfer schweißen, reagieren jedoch sehr empfindlich auf Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit. Das Foto zeigt Schweißnähte, die mit einem hochleistungsfähigen ARM-Laser auf geschliffenem und poliertem Kupfer erzeugt wurden. Der Prozess verläuft auf beiden Oberflächen stabil, ohne dass sich die Schweißqualität verändert.
Abbildung 5:Querschnitt einer Kupferschweißnaht, die mit einem hochleistungsfähigen Infrarot-ARM-Laser mit einer Ausgangsleistung von 3,5 kW und einer Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s hergestellt wurde.
Abbildung 6:Gleichmäßige Schweißnähte auf glattem und geschliffenem Kupfer unter Verwendung des 4-kW-ARM-Lasers bei verschiedenen Geschwindigkeiten (300–150 mm/s von oben nach unten)
Fazit
Diese Tests zeigen, dass der einzigartige, Coherent ARM-Laser Coherent eine praktische Lösung für anspruchsvolle Kupferschweißanwendungen in der E-Mobilität darstellt . Die Schweißtiefeneindringung und die Prozessgeschwindigkeit entsprechen den aktuellen Produktionsanforderungen oder übertreffen diese sogar. Zudem vermeidet der ARM-Laser die Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenqualität und Probleme mit der Prozessinstabilität, die den Einsatz von Faserlasern für Kupfer in der Vergangenheit eingeschränkt haben. Somit bringt dieser neue ARM-Laser endlich all die Kosten-, Zuverlässigkeits- und praktischen Vorteile, die Faserlaser zur ersten Wahl für so viele andere industrielle Anwendungen gemacht haben, auch für die anspruchsvolle Aufgabe des Kupferschweißens mit.
