Kupferschweißen mit dem Laser: Prozesse im Fokus
Ob Batteriekontaktierung oder Stromschiene: Beim Laserstrahlschweißen von Kupfer entscheidet die Fügesituation über die passende Technologie. Das Bayerische Laserzentrum (blz) nutzt infrarote, grüne und blaue Laserstrahlung für eine anwendungsorientierte Prozessentwicklung. OCT und Photodioden helfen, die Prozessstabilität zu analysieren und zu dokumentieren.
Kupfer ist in der Elektromobilität ein Schlüsselwerkstoff. Batteriekontaktierung, Busbarverbindungen oder Schweißungen an Invertern und Folien: Elektrische Verbindungen müssen zuverlässig hergestellt werden – häufig bei hohen Stückzahlen und unter anspruchsvollen Produktionsbedingungen. Das Laserstrahlschweißen bietet hierfür vielfältige Möglichkeiten. Ausschlaggebend sind dabei Fügesituation, Prozessführung und Anforderungen an die Schweißnaht.
Die Fügesituation bestimmt die Wellenlänge
Infrarotlaser sind beim Kupferschweißen für die Elektromobilität industriell etabliert. Grüne und blaue Laserstrahlung werden von festem Kupfer stärker absorbiert und können besonders beim Prozessbeginn sowie Wärmeleitungsschweißen Vorteile bieten. Im stabilen Tiefschweißprozess relativiert sich dieser Unterschied jedoch. Auch Oberflächenprofil und -rauheit hängen von der eingesetzten Laserstrahlung und Prozessführung ab.
Die Kombination unterschiedlicher Laserwellenlängen und moderner Strahlformungstechnologien eröffnet neue Möglichkeiten für die anwendungsspezifische Prozessentwicklung. Am blz werden dafür in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg infrarote, grüne und blaue Hochleistungslaser eingesetzt: ein Infrarotlaser mit 9 kW bei 1.080 nm mit der Möglichkeit für Strahlformung über BrightLineWeld, ein grüner Laser mit 3 kW bei 515 nm und Strahlformung über BSG sowie ein blauer Laser mit 4 kW bei 445 nm. Letzterer lässt sich über eine Hybridoptik mit Infrarotstrahlung kombinieren, um auch Tiefschweißprozesse zu untersuchen und höhere Einschweißtiefen zu erreichen. Ergänzend bietet ein Dynamic Beam Laser mit 14 kW Möglichkeiten zur dynamischen Strahlformung. Die Wahl der richtigen Laserquelle? Hängt unter anderem von Bauteilgeometrie, Materialdicke, Anbindungsquerschnitt und Qualitätsanforderungen ab.
Prozessstabilität analysieren und dokumentieren
Für die industrielle Fertigung müssen Schweißprozesse auch beobachtet, analysiert und dokumentiert werden können. Dafür setzt das blz unterschiedliche Verfahren ein: Photodioden erfassen charakteristische Prozesssignale, die optische Kohärenztomografie (OCT) kann beispielsweise Informationen zur Tiefe der Dampfkapillare liefern, während Hochgeschnwindigkeitsvideographie zur Bewertung der Schmelzbaddynamik und Spritzerbildung eingesetzt werden kann. Bei der Wahl geeigneter Sensorik sind neben der Aussagekraft der Messgrößen ebenfalls die Beobachtbarkeit des Prozesszustandes und die Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.
Auch in Bezug auf die Sensorik sowie die Auswertung und Validierung der Messdaten verfügt das blz über Expertise. Prozessabweichungen können untersucht und Zusammenhänge zwischen Sensorsignalen und Schweißnahtqualität für die verschiedenen Lasersysteme ermittelt werden. Perspektivisch bieten diese Erkenntnisse auch Potenzial für die Qualitätssicherung in der Serienfertigung, etwa bei der frühzeitigen Erkennung auffälliger Bauteile und deren gezielter Prüfung oder Nacharbeit.
Von der Machbarkeit zur Fertigung
Das blz unterstützt Industrieunternehmen bei der Auswahl geeigneter Laserquellen, der Entwicklung stabiler Schweißstrategien sowie der Analyse und Dokumentation der Prozessstabilität. Im Mittelpunkt steht stets die konkrete Fügeaufgabe. Das Ziel: wirtschaftliche, reproduzierbare und qualitätsgesicherte Fertigungsprozesse schaffen.
Bayerisches Laserzentrum GmbH
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