Laserschweißen von Kupfer und Aluminium: von der richtigen Einstellung zum beherrschten Prozess

Eine zufriedenstellende Schweißnaht an einigen Teilen zu erzielen, ist ein erster Schritt. Dieses Ergebnis reproduzieren zu können, wenn sich Werkstoff, Geometrie oder Produktionsbedingungen ändern, ist etwas anderes.

Dieser Unterschied ist besonders wichtig, wenn Werkstoffe wie Kupfer oder Aluminium lasergeschweißt werden sollen. Diese Metalle, die in der E-Mobilität, der Leistungselektronik, der Energietechnik und in Industrieanlagen weit verbreitet sind, erfordern eine präzise Beherrschung der Wechselwirkung zwischen Laser, Werkstoff und der angestrebten Funktion der Verbindung.

Die industrielle Herausforderung besteht also nicht nur darin, die richtigen Parameter zu finden, sondern den Prozess so gut zu verstehen, dass man ihn anpassen, kontrollieren und reproduzieren kann.

Warum ein Schweiß-„Rezept“ nicht ausreicht

Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit, Strahldurchmesser, Fokuslage … Das Ergebnis einer Schweißung hängt von einer Kombination zahlreicher Parameter ab.

Ihr Einfluss variiert jedoch je nach bearbeitetem Werkstoff.

Kupfer weist insbesondere bei bestimmten Wellenlängen ein hohes Reflexionsvermögen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Auch Aluminium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hinzu kommen die spezifischen metallurgischen Eigenschaften der verschiedenen Legierungen.

Die vom Laser eingebrachte Energie wird daher von Werkstoff zu Werkstoff weder auf die gleiche Weise absorbiert noch auf die gleiche Weise abgeleitet.

Deshalb lässt sich eine für Edelstahl entwickelte Einstellung nicht einfach auf Kupfer oder Aluminium übertragen. Und selbst zwischen zwei Legierungen derselben Familie kann eine Änderung der Zusammensetzung, der Dicke oder der Geometrie eine Überarbeitung des Prozesses erfordern.

Die Frage lautet dann nicht mehr nur: „Welche Parameter sollen verwendet werden?“, sondern vielmehr: „Welche Phänomene lassen sich mit diesen Parametern steuern?“

Von der angestrebten Funktion der Verbindung ausgehen

Noch bevor die Laserparameter festgelegt werden, muss klar sein, was die Verbindung gewährleisten soll.

Bei einer Kupfer-Stromschiene (Busbar) beispielsweise lässt das optische Erscheinungsbild der Naht allein keinen Schluss auf die Qualität der Verbindung zu. Die Verbindung muss insbesondere elektrische, mechanische und thermische Anforderungen erfüllen.

Bei einem Aluminiumbauteil können die Prioritäten anders liegen: mechanische Festigkeit, Dichtheit, Begrenzung von Verzug oder Beherrschung des Wärmeeintrags.

Die Prozessentwicklung muss daher mehrere Elemente berücksichtigen: den Werkstoff und seine Legierung, die Dicken, die Geometrie der Verbindung, die Funktion des Bauteils, die Belastungen, denen es ausgesetzt sein wird, und die zugehörigen Prüfkriterien.

Eine gelungene Schweißung ist nicht einfach eine schöne Naht: Es ist eine Verbindung, die dauerhaft die Funktion erfüllen kann, für die sie konzipiert wurde.

Vom Einzelergebnis zur Prozessrobustheit

Sobald ein erstes Parameterfenster ermittelt ist, bleibt eine wesentliche Frage: Was passiert, wenn die realen Produktionsbedingungen schwanken?

Rohmaterialien weisen Streuungen auf. Geometrien und Fügespalte können sich ändern. Die Positionierung der Teile ist nie vollkommen identisch. Auch die Produktionsbedingungen selbst können neue Schwankungen mit sich bringen.

Ein industrieller Prozess muss diese Realitäten berücksichtigen können.

Dazu gilt es festzustellen, welche Parameter das Ergebnis tatsächlich beeinflussen, die akzeptablen Prozessspielräume zu ermitteln und geeignete Prüfungen einzuführen.

Dieses Vorgehen ermöglicht den schrittweisen Übergang von einer funktionierenden Einstellung zu einem verstandenen und beherrschten Prozessfenster.

Prozessbeherrschung erfordert auch Kompetenzen

Diese Robustheit beruht nicht allein auf der Technologie.

Wenn ein Fehler auftritt oder sich ein Werkstoff ändert, müssen die Teams verstehen können, was geschieht, und die richtigen Maßnahmen bestimmen: Muss die Leistung angepasst werden? Die Geschwindigkeit? Die Fokussierung? Die Vorbereitung oder die Geometrie der Verbindung? Liegt das Problem tatsächlich an den Laserparametern?

Diese Analysefähigkeit wird entscheidend, wenn der Prozess in die Produktion überführt werden soll.

Das Wissen darf dann nicht in den Händen einiger weniger Spezialisten konzentriert bleiben. Es muss strukturiert, dokumentiert und geteilt werden, damit die Teams den Prozess langfristig weiterentwickeln, optimieren und aufrechterhalten können.

Verstehen, um besser zu industrialisieren

Das Laserschweißen von Kupfer und Aluminium veranschaulicht letztlich eine Herausforderung, die weit über diese beiden Werkstoffe hinausgeht.

Einen Laserprozess zu industrialisieren bedeutet nicht, nach einem universellen Rezept zu suchen. Es geht darum, die Wechselwirkungen zwischen Werkstoff, Energie, Geometrie und Funktion der Verbindung zu verstehen und dieses Verständnis anschließend in Parameter, Prüfkriterien und reproduzierbare Methoden umzusetzen.

In diesem Sinne unterstützt IREPA LASER auch den Kompetenzaufbau industrieller Teams mit seinen Schulungen zum Laserschweißen – von den Prozessgrundlagen bis hin zu spezifischen Fragestellungen rund um Kupfer und Aluminiumlegierungen.

Denn zwischen „eine Schweißnaht hinbekommen“ und „einen Schweißprozess beherrschen“ liegt der Unterschied oft in der Fähigkeit zu verstehen, warum das Ergebnis funktioniert – und zu wissen, wie man es reproduziert.

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