Laserschweißen von Kupfer: industrielle Praxiserfahrungen und Prozessbeherrschung
Kupfer etabliert sich heute als strategischer Werkstoff in zahlreichen Industriebranchen: Fahrzeugelektrifizierung, E-Mobility, Energiespeicherung, Elektromotoren, Leistungselektronik.
Auch wenn seine elektrischen und thermischen Eigenschaften es unverzichtbar machen, galt sein Fügen mit dem Laser lange als komplex.
Bei IREPA LASER unterstützen wir Industrieunternehmen bei der Beherrschung des Laserschweißens von Kupfer – durch die Verbindung industrieller Praxiserfahrung, geeigneter Technologiewahl und fortschrittlicher Prozesssteuerung.
>> Zur Vertiefung des Themas sehen Sie sich die Aufzeichnung des Webinars an: Laserschweißen – wie man Kupfer mit dem Laser schweißt
Industrieller Anwendungsfall: Schweißen von Kupfer/Aluminium-Verbindungen an Lithiummodulen
Im Rahmen eines Industrieprojekts wurde IREPA LASER mit dem Schweißen von Kupfer/Aluminium-Verbindungen an Lithiummodulen beauftragt.
Projektanforderungen
- Begrenzte Temperaturerhöhung (< 80°C)
- Hohe mechanische und elektrische Anforderungen
- Zwischenproduktion vor Installation einer eigenen Linie
Umgesetzte Lösung
- Konstruktion einer Vorrichtung
- Scannerkopf mit dynamischen Bahnen
- Präzise Steuerung von Leistung und Geschwindigkeit
- Prüfverfahren
Ergebnisse
- 1 200 geschweißte Module
- 193 000 ausgeführte Schweißpunkte
- Keine Nichtkonformität
- Validierte mechanische und elektrische Leistungswerte
Dieses Projekt zeigt, dass ein richtig ausgelegtes Verfahren auch sensible Anwendungen absichern kann, selbst in Umgebungen mit hoher thermischer Belastung.
Industrieller Anwendungsfall: Schweißen von Hairpins für Elektromotoren
In modernen Elektromotorarchitekturen erfordern Kupfer-Hairpins eine große Zahl von Schweißungen mit:
- Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit
- Hoher Produktivität
- Automatisierter Integration
Lösungen, die Kernstrahl + Ring und dynamische Bahnen kombinieren, ermöglichen:
- Eine Stabilisierung des Schmelzbads
- Eine Verringerung der Fehler
- Eine serientaugliche Taktrate
Das Laserschweißen erweist sich hier als Schlüsseltechnologie für die Industrialisierung der E-Mobility.
Warum ist Kupfer mit dem Laser schwer zu schweißen?
Die Herausforderungen beim Laserschweißen von Kupfer ergeben sich aus seinen intrinsischen Eigenschaften.
1) Hohe Reflektivität bei Raumtemperatur
Bei den traditionell beim Metallschweißen verwendeten Wellenlängen (≈ 1 µm, nahes Infrarot) weist Kupfer eine sehr geringe Absorption auf (≤ 5 %).
Der Großteil der eingestrahlten Energie wird daher reflektiert, was das Starten des Prozesses erschwert.
2) Hohe Wärmeleitfähigkeit
Kupfer leitet Wärme sehr schnell ab. Die eingebrachte Energie muss ausreichend konzentriert sein, um rasch das Schmelzen zu erreichen und den Schweißprozess zu stabilisieren.
3) Ein instabiles Schmelzbad
Im flüssigen Zustand weist Kupfer auf:
- Eine geringe Viskosität
- Eine verringerte Oberflächenspannung
Diese Eigenschaften können Folgendes verursachen:
- Porosität
- Spritzer
- Kapillarinstabilitäten
Die Prozessbeherrschung beruht daher auf einem schnellen, kontrollierten und an die Kinetik des Werkstoffs angepassten Energieeintrag.
Technologische Entwicklungen, die alles verändern
Die jüngsten Fortschritte bei Laserquellen haben die Fähigkeit, Kupfer robust zu schweißen, grundlegend verändert.
Diversifizierung der Wellenlängen
Das Aufkommen von Quellen:
- Grün (~515 nm)
- Blau (~445 nm)
verbessert die Anfangsabsorption von Kupfer erheblich. Diese Lösungen erleichtern den Prozessstart und sichern die Laser-Material-Kopplung.
Faserlaser mit hoher Strahlqualität
Singlemode-Faserlaser ermöglichen dank eines stark fokussierten Strahls hohe Flächenenergiedichten.
Diese Konfiguration begünstigt:
- Das schnelle Erreichen des Tiefschweißregimes
- Eine stabilere Wechselwirkung
- Eine Verringerung der Spritzer
Strahlgeometrie und fortschrittliche Strahlmodulation
Heute ist ein Laserstrahl nicht mehr zwangsläufig rund und gleichförmig. Verfügbare Lösungen ermöglichen:
- Doppelfasern
- Dynamische Modulation der Strahlform
Diese Ansätze ermöglichen eine feine Anpassung des Energieeintrags an Fuge und Geometrie.
Monitoring und Echtzeitkontrolle
Um industrielle Robustheit zu gewährleisten, lassen sich heute integrieren:
- Positionserkennung der Bauteile
- Automatische Anpassung des Fokuspunkts
- Monitoring und Messung des Prozesses während des Betriebs
- Prüfung nach dem Schweißen
Die Beherrschung des Laserschweißens von Kupfer hängt ebenso von der Quelle wie vom Kontroll-Ökosystem ab.
Fokus F&E: Untersuchung des Nanosekundenlasers
Im Rahmen des von der Region Grand Est und Europa geförderten Verbundprojekts SOLANACEE hat IREPA LASER das Potenzial des Nanosekundenlasers für das Schweißen von Kupfer untersucht.
Ziele:
- Untersuchung alternativer Wechselwirkungsregime
- Charakterisierung der erzielten Verbindungen
- Entwicklung einer in die industrielle Umgebung übertragbaren Lösung
Ein F&E-Demonstrator wurde entwickelt und beim Industriepartner installiert – ein wichtiger Schritt in Richtung Industrialisierung.
Ein ganzheitlicher Ansatz: Technologie + Verfahren + Sicherheit
Der Erfolg beim Laserschweißen von Kupfer hängt nicht allein von der Wahl der Quelle ab. Er erfordert:
- Ein genaues Verständnis der Wechselwirkungsmechanismen
- Eine passende Festlegung der Prozessparameter
- Eine beherrschte Integration in die industrielle Umgebung
- Eine Absicherung der Anlagen gegen optische Reflexionen
Diesen ganzheitlichen Ansatz stellt IREPA LASER in den Dienst der Industrie.
Sehen Sie sich die Aufzeichnung des Webinars an
Zur Vertiefung des Themas finden Sie hier den vollständigen Vortrag von Frédérique Machi, Expertin für Laserschweißen: Laserschweißen – wie man Kupfer mit dem Laser schweißt.
Auf dem Programm:
- Technologische Grundlagen
- Die Besonderheiten der Wechselwirkung zwischen Laser und Kupfer
- Die verfügbaren Stellhebel
- Detaillierte Industriebeispiele
>> Sie benötigen weitere Informationen zu Ihren Kupferanwendungen oder Ihren Anforderungen an die Industrialisierung? Kontaktieren Sie unsere Experten für ein Gespräch.
