Laserschweißen findet in Elektrofahrzeugen, in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffs- und Schienenverkehr, im Baugewerbe, im Energiesektor, in der Halbleiterindustrie, in der Unterhaltungselektronik, in der Herstellung medizinischer Geräte und mehr Anwendung. Selbst das Verschmelzen unterschiedlicher Materialien, das mit herkömmlichen Schweißtechniken schwierig ist, lässt sich mit der Flexibilität und Präzision des Laserschweißens problemlos lösen und hat sich sogar zur bevorzugten Lösung entwickelt. Dieser Prozess, der oft als „Unähnlichkeitsschweißen“ bezeichnet wird, ist ein wichtiger Bestandteil beim Erreichen moderner technischer Ziele.
Die Herstellung von Batterien und elektrischen Komponenten für E-Mobilitätsanwendungen weckt das Interesse am Laserschweißen unterschiedlicher Materialien wie Kupfer und Aluminium.
Das ungleiche Schweißen ermöglicht eine größere Designfreiheit bei der Auswahl verschiedener Materialien mit guten Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Duktilität, relativer Dichte, Schmelzpunkt und Härte, erfordert jedoch traditionellerweise Klebstoffe oder mechanische Methoden zur Verbindung.
Obwohl die Technik Elemente mit dem konventionellen Schweißen gemeinsam hat, bietet sie eine einzigartige Möglichkeit, den Grad der Designfreiheit und die Vielfalt der Materialkombinationen zu erhöhen, wodurch die Herstellungs- und Montagekosten gesenkt und die Leistung von Komponenten oder Systemen verbessert werden.
Das Schweißen verschiedener Materialien erfordert jedoch eine sorgfältige Berücksichtigung der Laserwellenlänge, der Durchschnittsleistung, des Strahlprofils, der Impulsbreite und der Spitzenleistung. Die Parameter des Lasersystems müssen außerdem an bestimmte Materialkombinationen und Anwendungen angepasst werden.
Der wichtigste und am schnellsten wachsende Anwendungsbereich ist die Produktion von Batterien und elektrischen Komponenten für Elektrofahrzeuge. Die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) ist in den letzten zwei Jahren dramatisch gestiegen, und das Schweißen unterschiedlicher Materialien ist der Schlüssel dazu, Elektrofahrzeuge effizienter und umweltfreundlicher zu machen.
Während das Unähnlichkeitsschweißen viele Gemeinsamkeiten mit dem konventionellen Schweißen aufweist, ist die Optimierung der Qualität und Geschwindigkeit der Schweißnaht eine größere Herausforderung. Die Flexibilität von Laserschweißsystemen bietet einzigartige Lösungen zur Erweiterung neuer Anwendungen und Möglichkeiten. (Beigetragen von Tomo Express)
Matthew Philpott, Chief Marketing and Sales Officer von NUBURU, einem führenden Innovator der industriellen Blaulasertechnologie mit hoher Leistung und hoher Helligkeit, sagte: „Elektrofahrzeuge werden in den nächsten 5 bis 10 voraussichtlich mehr als 20 % des Marktes ausmachen.“ Jahre, und Unterhaltungselektronik wird zwischen 10 und 15 % ausmachen.
Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) erfordert die Fähigkeit, Aluminium mit Kupfer in einer Folie-zu-Elektrode- oder Elektrode-zu-Elektrode-Schweißung zu verschweißen. Bei zylindrischen Batterien müssen die Kupferelektrodenfahnen an einen Stahlbehälter geschweißt werden.
Bei der Herstellung von Batteriepacks sind die Zellen normalerweise bereits zusammengebaut und Ingenieure müssen ein Design umsetzen, das die Zellen verbindet, um optimale Energie bereitzustellen. Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus vernickeltem kaltgewalztem Stahl. Das Anschweißen eines weniger widerstandsfähigen Metalls wie Aluminium oder Kupfer an die Standard-Edelstahlanschlüsse einer Lithium-Ionen-Batterie verringert jedoch deren Widerstand, sodass weniger Energie durch Wärmeverluste verschwendet wird.
„Eine verbesserte Leistung der Batterie von Elektrofahrzeugen ist ein wichtiger Faktor für das stetige Wachstum des Elektrofahrzeugabsatzes“, sagte Mark L. Boyle, Senior Manager für Produktentwicklung und Anwendungen bei AMADA WELD TECH. Die bessere Leistung ist zum Teil auf die jüngsten Entwicklungen beim Schweißen unterschiedlicher Metalle zurückzuführen. Dies verbessert die Effizienz, indem es die Energiespeicherung erhöht, die Größe verringert und die Zuverlässigkeit beibehält.“
Darüber hinaus ist die Schiffbauindustrie ein weiteres Beispiel dafür, dass unterschiedliche Schweißverfahren einen einzigartigen Mehrwert bieten. Die Industrie verwendet routinemäßig geschweißte Stahl-Aluminium-Schnittstellen, um die Gewichtsverteilung zu optimieren, was zu geringeren CO2-Emissionen und erhöhter Stabilität führt. Insbesondere das Verschweißen eines Stahlrumpfes mit einem Aluminiumaufbau kann das Eigengewicht reduzieren.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1 µm. (Foto von NUBURU)
„Neben der Reduzierung des CO2-Ausstoßes und des Energieverbrauchs kann durch eine intelligente Anordnung des Materials der Schwerpunkt des Schiffes gesenkt und so die Transportstabilität verbessert werden.“ Rabi Lahdo, Forscher in der Gruppe Metallschweißen und -schneiden am Laserzentrum Hannover, sagte.
Obwohl Materialien mit ähnlichen Eigenschaften in der Regel zuverlässigere Schweißnähte erzeugen, erhalten große Unternehmen wie AMADA WELD TECH immer mehr Anfragen zum Schweißen unterschiedlicher Materialien.
„Aus kommerzieller Sicht kann die Wahl eines anderen Materials die Herstellungskosten senken und die Leistung einer Komponente oder eines Geräts verbessern.“ Mark L. Boyle sagte: „Wenn dies geschieht, kann die Wahl unterschiedlicher Metalle als Wettbewerbsvorteil auf dem Markt genutzt werden, um ein besseres Produkt zu einem niedrigeren Preis anzubieten.“
01 Herausforderungen und Überlegungen-
Beim Verschmelzen von Werkstoffen wie Stahl oder Kupfer mit Aluminium kann es durch Veränderungen des Schmelzpunkts und des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs zur Bildung spröder Zwischenbereiche kommen, die die Schweißverbindung schwächen.
„Metalle haben unterschiedliche Schmelz- und Fusionstemperaturen, unterschiedliche Lichtabsorptionskoeffizienten (insbesondere bei bestimmten Laserwellenlängen) und unterschiedliche Temperaturleitfähigkeiten. Dies macht es schwierig, sie gleichzeitig im richtigen Ausmaß zu schmelzen.“ Philpott von NUBURU sagt: „Dies macht sich am deutlichsten bei stark reflektierenden Metallen bemerkbar, die im Infrarotbereich sehr unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweisen können.“
Spannungsfelder, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen entstehen, können Schweißnähte ebenfalls schwächen und zum Versagen der Schweißverbindung führen. Diese harten, spröden Strukturen, sogenannte „intermetallische Phasen“, bilden sich in der Übergangszone zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff. Dies ist ein Phänomen, das jede Schweißmethode beeinträchtigen kann.
Querschnitt einer Ungleichheitsschweißnaht aus Stahl und Aluminium. (LZH-Beitrag)
„Die Bildung intermetallischer Phasen, wie FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 im Stahl-Aluminium-System und Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3 im Kupfer-Aluminium-System, ist auf die begrenzte Löslichkeit der Elemente zurückzuführen“, sagt Sarah Nothdurft, Leiterin des „Fügen und Schneiden von Metallen im Laserzentrum Hannover. Solche Phasen weisen auch einen deutlich höheren spezifischen Widerstand im Vergleich zum Grundmaterial auf.“
Durch die sorgfältige Auswahl der Betriebsparameter des Lasers, wie z. B. die Kombination hoher Schweißgeschwindigkeiten, geringer Wärmebelastung und präziser Steuerung des Schmelzprozesses, können Ingenieure einige dieser Probleme entschärfen.
„Die Bildung intermetallischer Verbindungen ist zwar unvermeidlich, ihre Sprödigkeit jedoch nicht.“ Alexei Markevitch, Market Development Manager bei IPG Photonics, sagte: „Die richtige Prozessformulierung kann die Bildung dieser Verbindungen minimieren und ihre Formbarkeit maximieren, was zu strukturell einwandfreien, leitfähigeren und stabileren Schweißnähten führt.“
02 Anwendungen zum Schweißen verschiedener Materialien-
Die Beachtung geeigneter Mischungsverhältnisse und passender Anordnungen kann die Leistung unterschiedlicher Schweißverbindungen weiter verbessern. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise eine I-Naht mit Überlappnahtöffnung erwiesen. Bei dieser Methode wird eine Stahlplatte auf eine Aluminiumplatte gelegt. Um intermetallische Phasen zu minimieren, wird die Schweißung durch die Stahlplatte hindurch und nur mit der Aluminiumplatte durchgeführt.
Oliver Seffer, Forscher in der Arbeitsgruppe Metallschweißen und -schneiden am Laserzentrum Hannover, sagt: „Aufgrund des geringen Aluminiumgehalts ist der Anteil solcher spröder Phasen im endgültigen Gefüge relativ gering.“
03 Überlegungen zu Laserparametern-
Die Wahl der Lasertechnologie hängt vom zu verschweißenden Material ab. Unterschiedliche Schweißanschlüsse für Glas und Metalle erfordern möglicherweise ein CO2-Lasersystem. Das Schweißen von Alumosilikatglas und verschiedenen Metallen kann von einem Femtosekundenlasersystem profitieren, während das Schweißen von Aluminiumlegierungen und technischem Glas oft mit einer Pikosekundenlaserquelle erfolgreich sein kann.
Ziel ist es, den Wärmeeintrag zu minimieren, Spritzer zu vermeiden, die Prozessstabilität zu verbessern und ein breites Fenster an Prozessparametern beim Schweißen mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit bereitzustellen.
„Während Stahllegierungen im nahen Infrarotbereich gut absorbieren, werden selbst Metalle mit hohem Reflexionsvermögen wie Aluminium und Kupfer meist mit 1-µm-Lasern bearbeitet.“ Markevitch von IPG sagt: „Das liegt daran, dass die Absorption von der Temperatur und Phase des Metalls abhängt. Bei Raumtemperatur absorbieren Kupfer und Aluminium etwa 5 % bei 1 µm und 40 % bis 50 % bei 515 nm, wobei die Absorption bei blauen Wellenlängen höher ist.“
„Bei erhitzten Metallen nimmt das Absorptionsvermögen zu, und die IR-Strahlung springt beim Schmelzpunkt“, sagt er, „und geschmolzene Metalle absorbieren alle Wellenlängen sehr gut. Daher überwiegt eine ausreichend hohe IR-Leistungsdichte die hohe Reflektivität.“
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Rabi Lahdo sagt, dass eine Verringerung der erforderlichen Ausgangsintensität die Turbulenzen im Schmelzbad abschwächt, was die Prozessstabilität verbessert. „Mit der Erhöhung der Prozessstabilität geht eine Verbesserung der Qualität der Hybrid-Schweißnahtöffnung einher und die Spritzerbildung wird unterdrückt.“
Beim Stichlochschweißen dickerer Materialien, beginnend mit Mikroverbindungslöchern von Hunderten von Mikrometern, sind Infrarotlaser in der Regel effektiver als grüne oder blaue Laser, was zu einer geringeren Wärmezufuhr sowie einer besseren Schweißqualität und höheren Geschwindigkeiten führt.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0.65 mm.
„Die Singlemode-Strahlhelligkeit von bis zu 2 kW überwindet die reflektierende Natur des hellen Metalls und erzeugt stabile Schweißnähte mit kleinen Löchern mit einer Schmelztiefe, die viel tiefer sein kann als die Breite der Schweißnaht“, sagte Ken Dzurko, Global Senior Key Account Manager im ThruFast Laser Technology Center in Santa Clara, Kalifornien.
„Die schnelle Schwingung des Strahls verhindert die Bildung intermetallischer Verbindungen und begrenzt so die Dauer der Schmelzphase an der Schweißnaht.“ Er sagte: „Darüber hinaus erhöht die hohe Strahlhelligkeit die Schweißeffizienz und reduziert die Wärmeeinflusszone erheblich, wodurch ein höheres Schweißvolumen bei geringerer durchschnittlicher Leistungsaufnahme entsteht.“
Ein weiterer Faktor, der die Nutzung von Laserenergie beeinflusst, ist die Lichtstreuung durch die Metalldampffahne, die proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist. 1070-nm-Laser streuen 18-mal weniger als 515-nm-Laser und 30-mal weniger als 455-nm-Laser. Die hohen Streuraten blauer und grüner Laser in Metalldampffahnen kompensieren leicht ihre etwas höheren Absorptionsraten in geschmolzenen Materialien.
Heutzutage entscheiden sich die meisten Hersteller für Dauerstrich-1-µm-Laser, die in Bezug auf Verarbeitungsgeschwindigkeit, Qualität und Kostenreduzierung führend sind. Aber alle Wellenlängen bieten je nach Situation Vorteile. Philpott von NUBURU glaubt beispielsweise, dass eine Wellenlängenverschiebung zu blauem oder grünem Licht bei Anwendungen, die von einer erhöhten Absorption profitieren, erforscht werden sollte.
„Die Strahlabgabe für blaue oder grüne Lichtlaser (z. B. Scanner, Bearbeitungsköpfe, Strahlsteuerung und andere Hilfskomponenten) ähnelt der für NIR-Laser.“ Philpott sagt: „Dadurch ist die Umwandlung von Infrarot- in blaues oder grünes Licht sehr einfach, und die Methode zur Handhabung der Wolke ist ähnlich, sodass es keine Probleme aufgrund von Absorption oder Streuung gibt.“
Heutige Lasersysteme sind auf 3 kW bei 515 nm und 4 kW bei 455 nm begrenzt, und aufgrund der begrenzten Strahlqualität blauer Laser sind auch die Fokussierbarkeit des Strahls und die Verarbeitungseffizienz begrenzt.
„Beim Schweißen von Kupfer mit Laserstrahlwellenlängen im sichtbaren Bereich, insbesondere im blauen Lichtspektrum, mangelt es derzeit an ausreichender Laserstrahlleistung und erforderlicher Strahlqualität“, sagt Rabi Lahdo. „Das Erreichen einer hohen Strahlqualität ist die größte Herausforderung, wenn.“ Verwendung von Laserdioden zur Erzeugung von Laserstrahlung. Darüber hinaus sind sichtbare Laser anfälliger für Schäden an der Optik als Infrarotquellen, was die Lebensdauer verkürzt und die Kosten erhöht.“
Trotz der Herausforderungen erwartet Philpott weitere Verbesserungen der Lötleistung und des Lötwerts, da die Verfügbarkeit und Leistung von Blaulichtdioden weiter verbessert wird.
„Mit dem Betrieb von Lasern innerhalb der Designtoleranzen der Optik ist kein Zuverlässigkeits- oder Kostenrisiko verbunden“, sagte er. „Dennoch kann es bei Kunden zu einer kurzen Lebensdauer der Optik bei einem Produkt eines bestimmten Laserlieferanten kommen. Wenn ein Hersteller jedoch ein Produkt nicht auf den Markt bringt, ohne dass die Optikgeräte ordnungsgemäß validiert sind, kann dies bei jeder Wellenlänge passieren.“
04
-Spezialisierung von Lasersystemen-
Dauerstrich-Faserlaser können Aluminium und Kupfer bei richtiger Steuerung des Strahlprofils schweißen. Die Entwicklung von Kern-Ring-Strahlprofilen und leistungsfähigeren Scansystemen hat die Qualität und das Potenzial von Hybridschweißanschlüssen im letzten Jahrzehnt erheblich verbessert.
Beim Schweißen kleiner Löcher von Kupfer und Aluminium werden die Löcher bei hohen Schweißgeschwindigkeiten instabil. Eine Möglichkeit, diese Instabilität zu beseitigen, besteht darin, die Schweißgeschwindigkeit zu verringern. Dies ist jedoch normalerweise nicht wünschenswert. Stattdessen besteht eine andere Methode darin, mit einem Galvanometer den Laserstrahl in Schwingungen zu versetzen, um das Schmelzbad zu bewegen. Dies verbessert die Konvektion im Schmelzestrom und verhindert so das Kollabieren kleiner Löcher. Es erzeugt in der Regel eine Schweißnaht von ausgezeichneter Qualität, verlangsamt jedoch den Schweißprozess zusätzlich.
Eine dritte Möglichkeit, Spritzer beim Hochgeschwindigkeitsschweißen zu vermeiden, ist die Verwendung eines AMB-Lasers (Adjustable Mode Beam), der einen Kernstrahl aussendet, der von einem Ringstrahl umgeben ist. Die Leistung und Intensität des Kernstrahls bestimmt die Eindringtiefe der kleinen Löcher, während die Energie des Ringstrahls die kleinen Löcher stabilisiert, um unerwünschte Spritzer, Risse und Porosität zu minimieren oder vollständig zu beseitigen.
Die kleinsten Kerne sind Singlemode-Strahlen mit einem Durchmesser von 14 µm. Multimode-Kerne haben typischerweise einen Durchmesser von 50 oder 100 µm und Ringstrahlen haben typischerweise einen Durchmesser von bis zu 300 µm.
„Der Einsatz von Kern-Ring-Faserlasern ist ein aktives Entwicklungsgebiet beim Infrarot-Unähnlichkeitslaserschweißen und wird von allen wichtigen Akteuren nachgefragt“, sagt Markevitch, Marktentwicklungsmanager bei IPG Photonics. „Der AMB-Laser mit einem Single-Mode-Kern wurde aufgrund seiner Vielseitigkeit, hohen Schweißgeschwindigkeiten und seiner inhärenten Fähigkeit, die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen zu minimieren, ausgewählt.“
Ein 3-kW-Single-Mode-Core-AMB-Laser mit 3 kW zusätzlicher Leistung in einem Ringlaser ist in der Lage, spritzerfreies Kupferschienenschweißen mit 60 m/min und einer Eindringtiefe von mehr als 0,65 mm durchzuführen.
Aktuelle kommerzielle grüne oder blaue Laser können nicht die gleiche Verarbeitungsgeschwindigkeit und -qualität erreichen, sagt Markevitch. Doch wie er betont, kann die Konsistenz der Schweißnaht immer noch durch Schwankungen im Abstand zwischen den Materialien oder durch Materialverunreinigungen beeinträchtigt werden. Da die Dicke der Stromschienen tendenziell abnimmt, wird das Klemmen und Befestigen zu einer Herausforderung. Eine unzureichende Schmelztiefe der Schweißnaht kann zu einem höheren Widerstand und einer geringeren mechanischen Festigkeit führen, während eine übermäßige Schmelztiefe oder ein Durchstechen die Batteriezellen von Elektrofahrzeugen zu einer Brandgefahr machen kann.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60 Grad.
Aluminium schmilzt bei 660 Grad, Kupfer bei 1.085 Grad und Stahllegierungen bei 1.500 Grad. Zwei Metalle mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen müssen geschmolzen werden, ohne die darunter liegenden Lithiumsalze mit brennbarem Organogel oder Batteriekomponenten (wie Dichtungen, Dichtungen und Abstandshalter) zu beschädigen.
Die auf spektraler Prozessemission oder OCT basierende Inline-Prozesssteuerung kann zerstörungsfreie Schweißnahttiefenmessungen in Echtzeit ermöglichen. Dadurch können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um eine konstante Schmelztiefe zu erreichen.
