Während Faserlaser eine primäre Laserquelle für das Schweißen ist, wird seine Wellenlänge im nahen Infrarot (IR) von bestimmten Metallen, insbesondere Kupfer, stark reflektiert, was seine Wirksamkeit bei der Bearbeitung dieser Materialien einschränkt. Infolgedessen haben sich grüne Hochleistungs-Festkörperlaser als potenzielle Alternative für das Kupferschweißen herauskristallisiert, da diese Wellenlängen von Kupfer leichter absorbiert werden. Diese grünen Laser haben jedoch mehrere praktische Einschränkungen, die letztlich zu höheren Betriebskosten führen.

In diesem Artikel werden aktuelle Tests zum Schweißen von Kupfer mit einem neuartigen Faserlaser mit einem sehr hellen Zentralstrahl und einem einstellbaren Ringmodus (ARM). Im Vergleich zu kommerziell erhältlichen grünen Lasern der Kilowattklasse ist der ARM mit hoher Helligkeit Faserlaser eine höhere Schweißqualität, einen besseren Einbrand bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten und kosteneffiziente Vorteile beim Schweißen von Kupfer. Diese Ergebnisse zeigen, wie Faserlaser sind kostengünstig, zuverlässig und praktisch für anspruchsvolle Kupferschweißanwendungen.

Herstellung von Elektrofahrzeugen

Der Boom in der Elektrofahrzeugindustrie hat die Nachfrage nach Kupferschweißlösungen erheblich gesteigert. Im Vergleich zu anderen Metallen verfügt Kupfer über ideale elektrische, thermische, mechanische und kostentechnische Eigenschaften, weshalb es in Elektrofahrzeugen häufig für Komponenten wie Statoren, Batterien und Stromverteilungssysteme verwendet wird. Viele dieser Komponenten und Systeme werden aus Kupfer geschweißt.

Die hohe Leitfähigkeit und die thermischen Eigenschaften von Kupfer machen es zwar zu einem idealen Material für diese Anwendungen, stellen aber auch eine Herausforderung bei der Verwendung herkömmlicher Faserlaser zum Schweißen. Insbesondere seine elektronischen Eigenschaften führen zu einem hohen Reflexionsvermögen bei der Nahinfrarot-Wellenlänge von Faserlaser. Außerdem erfordert die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Kupfer eine erhebliche Menge an Laserenergie, um das Material zu schmelzen und den Schweißprozess einzuleiten.

Daher ist die Verwendung traditioneller Faserlaser ist oft eine extrem hohe Leistung erforderlich, um die erforderliche Leistungsdichte für das Schmelzen des Materials zu erreichen. Diese Methode der “rohen Gewalt” kann jedoch dazu führen, dass der Schweißprozess instabil wird und extrem empfindlich auf kleine Oberflächenveränderungen reagiert. Insbesondere lokale Oberflächenoxidation oder kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten können den Prozess instabil machen und zu ungleichmäßigen Schweißnähten, schlechter Oberflächenqualität und Porosität führen. Darüber hinaus ist Spritzen ein häufiges Problem, das eine zeitaufwändige Nachbearbeitung erfordert oder zu einer geringeren Ausbeute führt.

Grüne Festkörperlaser

Kupfer absorbiert grünes Licht viel effizienter als Nahinfrarotlicht, allerdings nur bei Raumtemperatur. Die Energie grüner Laser verbindet sich effektiver mit dem Werkstück und ermöglicht einen stabileren und weniger empfindlichen Prozess als herkömmliche Faserlaser. Daher setzen einige Hersteller grüne Hochleistungs-Festkörperlaser ein, während andere ihr Potenzial noch prüfen.

Es gibt jedoch erhebliche praktische Probleme beim Einsatz von grünen Hochleistungslasern für die Herstellung von Elektrofahrzeugen. Einige Herausforderungen ergeben sich aus den inhärenten Eigenschaften und der Struktur dieser grünen Laser.

Grüne Laser können durch Frequenzverdopplung von Nahinfrarot-Laserlicht erzeugt werden, was zu grünen Festkörperlasern führt. Faserlaser oder Scheibenlaser. Während diese Technologie bei Anwendungen mit geringer Leistung (unter Kilowatt) weit verbreitet ist, stößt sie bei den meisten industriellen Kupferschweißaufgaben, die eine Leistung im Kilowattbereich erfordern, auf Schwierigkeiten. Das Verfahren der Frequenzverdopplung hat einen Wirkungsgrad von etwa 50%. Das bedeutet, dass ein 4 kW Singlemode-Infrarotlaser benötigt wird, um eine 2 kW grüne Lichtleistung zu erzeugen. Die ungenutzte Energie wird in Wärme umgewandelt, die durch Wasserkühlsysteme abgeführt werden muss. Dies macht diese Laser energieineffizient, was zu höheren Betriebskosten führt und große Mengen an Kühlwasser erfordert. Außerdem verschlechtern sich die frequenzverdoppelnden Kristalle aufgrund der hohen Leistung mit der Zeit, was ohne ständige Überwachung zu Problemen mit der Zuverlässigkeit und zu Ausfallzeiten führen kann.

HighLight™ ARM Faserlaser

Faserlaser sind wesentlich energieeffizienter als grüne Festkörperlaser. Mit anderen Worten: Sie benötigen weniger Energie, um die gleiche Nennleistung zu erbringen, und erzeugen weniger Abwärme. Dies senkt die Betriebskosten und vereinfacht die Kühlung. Außerdem, Faserlaser sind äußerst zuverlässig und übertragen Infrarotlicht effizient durch Glasfasern. Doch trotz dieser idealen Eigenschaften, Faserlaser wurden aufgrund der oben genannten Probleme nicht in großem Umfang für das Kupferschweißen verwendet.

Leistungsstarke Faserlaser werden bereits seit einiger Zeit erfolgreich in der Automobilproduktion eingesetzt. Die anspruchsvollsten Schweißaufgaben in der EV-Produktion, insbesondere bei Leichtbauwerkstoffen, erfordern jedoch mehr als nur Grundenergie und hohe Leistung. In der Praxis gibt es viele Anwendungen:

Sehr dünne oder hitzeempfindliche Materialien

“Schwierig” zu schweißende Materialien wie Aluminium, Kupfer und hochfeste Stähle

Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien

Um diese anspruchsvolleren Aufgaben zu bewältigen, muss der Laser zwei Hauptfunktionen erfüllen. Erstens muss er über eine ausreichende Energie verfügen, um die erforderliche Leistung zu erbringen. Bei dickeren Teilen ist außerdem eine hohe Leistung erforderlich, um eine ausreichende Materialdurchdringung zu erreichen. Zweitens muss der Laser genau steuern, wie die Leistung über die Arbeitsfläche verteilt wird - sowohl in Bezug auf die Energiedichte pro Flächeneinheit als auch auf die Energiedichte pro Zeiteinheit.

Coherent hat die HighLight-Serie mit einstellbarem Ringmodus (ARM) eingeführt. Faserlaser, die die Kosten und praktischen Vorteile dieser Lichtquellen für Anwendungen nutzen, die mit herkömmlichen Technologien nicht vollständig abgedeckt werden können. Bei diesen Aufgaben ist es von entscheidender Bedeutung, die Leistungsverteilung und Leistungsdichte auf der Arbeitsfläche sorgfältig zu steuern, um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzeugen (Reduzierung von Spritzern, Minimierung von Rissen und Porosität). Typische Beispiele sind das spaltfreie Schweißen von verzinktem Stahl, das spritzerarme Schweißen von Antriebsstrangkomponenten und das rissfreie Schweißen von Aluminium-Aufhängungsteilen ohne Zusatzdraht.

Diese präzise Steuerung der räumlichen Leistungsverteilung wird durch die einzigartige Strahlausgabe des ARM-Lasers erreicht, die aus einem zentralen Spot und einem zusätzlichen konzentrischen Ringstrahl besteht. Die Leistung des zentralen und des ringförmigen Strahls kann unabhängig voneinander eingestellt und angepasst werden, um eine Feinsteuerung der Dynamik des Schmelzbads zu erreichen.

Kupferschweißergebnisse mit ARM-Faserlaser

Die Anwendungsingenieure von Coherent führten eine Reihe von Kupferschweißtests mit dem ARM Faserlaser mit einem hellen Zentralstrahl von 22 µm und einem Ringstrahl mit einem Innen-/Außendurchmesser von 100 µm/170 µm. Das Schweißmaterial war reines Kupfer. Bei allen Versuchen wurde eine Laserleistung von 4 kW verwendet, davon 1,5 kW für den Zentralstrahl und 2,5 kW für den Ringstrahl. Die Versuche zeigten, dass die beste Schweißqualität bei einer Einstellung der Fokusposition auf 1,5 mm über der Materialoberfläche erzielt wurde. Diese Position stellt ein gutes Gleichgewicht zwischen Einschweißtiefe und Qualität dar.

Schweißeffizienz

Die Schweißleistung des ARM Faserlaser wurde gemessen und mit den Ergebnissen verglichen, die für einen 2-kW-Grünlaser veröffentlicht wurden. Bei beiden Schweißversuchen wurde Stickstoff als Schutzgas verwendet. Für den grünen Laser wurde ein konstanter Schweißnahtquerschnitt von 0,5 mm² und eine Eindringtiefe von etwa 1 mm angegeben. Um mit dem ARM-Laser ähnliche Ergebnisse zu erzielen, waren eine Ausgangsleistung von 3,5 kW und eine Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/s erforderlich, verglichen mit der Schweißgeschwindigkeit des grünen Lasers von 200 mm/s.

Qualität der Oberfläche

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Oberflächenqualität. Traditionell Faserlaser können Kupfer schweißen, sind aber sehr empfindlich gegenüber Veränderungen der Oberflächenqualität. Die hochbrillanten ARM Faserlaser eine stabile Schweißqualität sowohl auf geschliffenen als auch auf polierten Kupferoberflächen.

Abschluss

Diese Tests zeigen, dass Coherents einzigartiges, hochhelles ARM Faserlaser ist eine praktische Lösung für die anspruchsvollen Kupferschweißanwendungen in Elektrofahrzeugen. Die Einschweißtiefe und die Verarbeitungsgeschwindigkeit erfüllen oder übertreffen die aktuellen Produktionsanforderungen. In der Vergangenheit haben die Empfindlichkeit der Oberflächenqualität und die Instabilität des Prozesses die Verwendung von Faserlaser für das Kupferschweißen, aber der ARM-Laser überwindet diese Probleme. Dieser neue ARM-Laser mit seiner Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und seinen praktischen Vorteilen positioniert Faserlaser Technologie als bevorzugte Wahl für viele industrielle Anwendungen und bringt all diese Vorteile auch für anspruchsvolle Kupferschweißaufgaben mit sich.