Lasertechnik Hochreflektive Metalle Schweißen und Schneiden

Redakteur: Beate Christmann

Kupfer, Aluminium oder Gold sind für die Industrie wertvolle Werkstoffe. Ihre stark reflektierenden Eigenschaften erschweren jedoch die Bearbeitung durch Lasertechnologien. In einem grünen Laser sehen Fraunhofer-Forscher die Lösung für dieses Problem.

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Prozess des Laserstrahlschweißens von poliertem Kupfer.
Prozess des Laserstrahlschweißens von poliertem Kupfer.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Die moderne Lasertechnik hat sich in der Industrie als ein Standardwerkzeug zur Materialbearbeitung etabliert. Jedoch gerät sie immer wieder an ihre Grenzen, wenn es darum geht, Metalle mit besonderer elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer, Aluminium und Gold zu bearbeiten. Wegen deren starken Reflexion im infraroten Wellenlängenbereich – in dem jedoch die meisten der derzeit verfügbaren kontinuierlich strahlenden Hochleistungslaser (cw-Laser) arbeiten – stellt die Lasermaterialbearbeitung dieser Werkstoffe eine große Herausforderung dar. Dabei sind sie aufgrund ihrer Leiteigenschaften für Anwendungen im Bereich Elektromobilität und Leistungselektronik von besonderer Bedeutung.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Stahltechnik IWS in Dresden kann für die Bearbeitung dieser Werkstoffe nun auf einen neuen, grünen Laser zurückgreifen: Mit einer Ausgangsleistung von 1 kW bei 515 nm Wellenlänge und einer Strahlqualität von circa 2,5 mm·mrad eröffnet der Laser neue Anwendungsmöglichkeiten zum Schweißen und Schneiden der genannten Werkstoffe und zugleich neue Einsatzgebiete im Bereich Elektromobilität und Leistungselektronik.

Vielfach bessere Absorption

Wird Laserlicht mit einer Wellenlänge von 515 nm beim Laserstrahlschweißen von Kupfer, Aluminium und Gold eingesetzt, ergibt sich gegenüber herkömmlichen cw-Laserstrahlquellen eine vielfach bessere Absorption. Das ermöglicht wesentlich prozessstabileres Laserstrahlschweißen auch an polierten Bauteilen. Vergleichende Versuche zu Single-Mode-Faserlasern im Wellenlängenbereich von 1 µm belegen, dass die Energieeinkopplung und Schmelzbaderzeugung bei 515 nm Wellenlänge aufgrund der besseren Absorption bereits bei deutlich geringerer Intensität erfolgt. Dies ermöglicht neue Prozesse und Anwendungen, vor allem im Bereich der Kontaktierung. Beispielhaft dafür ist das Fügen von Cu-Folien.

Auch im Anwendungsbereich Schneiden haben die Versuche mit dem grünen cw-Laser mit 1 kW Ausgangsleistung bestätigt, dass sich die Wellenlänge von 515 nm besonders für die Bearbeitung von hochreflektierenden Metallen eignet. Im Fall von Kupfer wurde mithilfe eines Schmelzschneidprozesses ein 1 mm dickes Blech getrennt, wobei sowohl grat- als auch oxidfreie Schnittkanten erzeugt werden konnten. Wird für das gleiche Material Laserstrahlung im Wellenlängenbereich 1 µm verwendet, ist dagegen ein Hochdruckbrennschnitt erforderlich, der zu einer starken Oxidation im Bereich der Schnittkanten führt.

Beim Schneiden von Messing, hoch legierten Stählen sowie Aluminiumlegierungen bis zu einer Blechstärke von 4 mm mit 1 kW Ausgangsleistung bei 515 nm liegen die erreichten Schneidgeschwindigkeiten um bis zu 10 % höher als beim Schmelzschnitt mit Laserstrahlung im 1-µm-Wellenlängenbereich, vergleichbare Qualitäten vorausgesetzt.

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