GFB - Green Factory BAVARIA

Energieeffizientes Laserstrahlschweißen von Kupferlegierungen für die Leistungselektronik

Zielsetzung

Unlegierte Kupferwerkstoffe gelten aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit als eingeschränkt schweißbar. Aus diesem Grund ist oftmals ein Vorwärmprozess notwendig, der die Energieeffizienz des gesamten Schweißprozesses reduziert. Demgegenüber ist durch hohe Intensitäten beim Laserstrahlschweißen im Allgemeinen das direkte Schweißen ohne Vorwärmung möglich. Hierbei erweist sich jedoch die geringe Absorption von Kupfer für die bisher industriell verwendete infrarote Laserstrahlung als. problematisch im Hinblick auf energieeffizientes Schweißen. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung von Maßnahmen, mit Hilfe derer die Energieeffizienz im Schweißprozess erhöht werden kann Mit den im Projekt gewonnenen Erkenntnissen kann somit in künftigen industriellen Anwendungen der Energieverbrauch durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter erheblich reduziert werden.



Lösungsansätze

Ein Parameter, der die Energieeffizienz von Laserstrahlprozessen wesentlich beeinflusst, ist die Absorption. Diese hängt beim Laserstrahlschweißen unter anderem von den verwendeten Werkstoffen, der Oberflächenbeschaffenheit, dem gewählten Fügestoß, der Wellenlänge des Laserstrahls sowie der Werkstücktemperatur ab. Auf der Grundlage der genannten Einflussfaktoren leiten sich die im Projekt zu untersuchenden Lösungsansätze ab. So ist beispielsweise eine Steigerung der Absorption durch den Einsatz kürzerer Wellenlängen, die mit Hilfe frequenzverdoppelter Festkörperlaser erzeugt werden, erreichbar. Ferner führt die Verwendung hoher Intensitäten selbst im infraroten Wellenlängenbereich zu einer lokalen Erwärmung der Fügepartner in der Fügezone, die mit einer erhöhten Absorption der Laserstrahlung einhergeht. Da viele Metalle im Gegensatz zu Kupfer eine höhere Absorption für infrarote Laserstrahlung bei Raumtemperatur aufweisen, soll im Vorhaben zusätzlich der Einfluss von Beschichtungen beispielsweise aus Zinn oder Nickel hinsichtlich Energieeffizienz des Laserstrahlschweißprozesses untersucht werden. Hierbei erfolgt zunächst die Erwärmung und das Aufschmelzen der Beschichtung, wodurch auch das Kupfergrundmaterial durch Wärmeleitung erwärmt wird. Somit trifft der Laserstrahl auf bereits vorgewärmten Kupfergrundwerkstoff, wodurch sich der Anteil an absorbierter Laserenergie gegenüber der bei Raumtemperatur absorbierten Energie erhöht. Eine Steigerung der Absorption ist auch durch Interferenzeffekte in gezielt aufgebrachten Oxidschichten zu erwarten, weshalb auch diese Methode zu den im Projekt verfolgten Lösungsansätzen zählt.



Ergebnisse

Die erzielten Ergebnisse untergliedern sich in mehrere Themengebiete. Wie in Abbildung 1 dargestellt, konnte ein analytisches Modell zur Berechnung der Schmelzeeffizienz auf Basis der Wärmeleitungsgleichung und dem Modell der integrierten Punktquellen generiert werden. Nach der noch ausstehenden Kalibrierung des Modells mit den experimentellen Ergebnissen ermöglicht dieses bei gegebenen Prozessparametern eine Vorhersage des erreichbaren Schmelzevolumens und damit der erreichbaren Schmelzeffizienz. Die Schmelzeffienz gilt dabei als Maß zur Beurteilung der Energieeffizienz von Schweißprozessen. Neben dem analytischen Modell befindet sich zudem eine numerische Simulation im Aufbau, mit Hilfe derer zusätzlich die Auswirkungen verschiedener Stoßkonfigurationen sowie der Schmelzenthalpie von Kupferlegierungen auf das resultierende Schmelzevolumen berücksichtigt werden können.



Neben der Modellierung der Schmelzeeffizienz erfolgte die Messung der Absorption von infraroter und frequenzverdoppelter Laserstrahlung für verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten bei Raumtemperatur. In diesem Zusammenhang wurden für die Messung der reflektierten Laserstrahlung sowohl Photodioden, Spektrometer sowie Ubrichtkugeln mit verschiedenen Innenbeschichtungen verwendet. Zusätzlich konnte durch die Messung der Absorption in Abhängigkeit der Temperatur in oxidierender und inerter Atmosphäre in einem Temperaturintervall von 30°C bis 500°C sowohl der Einfluss der Erwärmung als auch die Auswirkung von Interferenzeffekten in sich bildenden Oxidschichten ermittelt werden. Das Ergebnis einer Messung der Reflexion für infrarote Laserstrahlung ist in Abbildung 2 dargestellt.



Die bisher im Rahmen des Vorhabens durchgeführten Schweißversuche mit infraroten Strahlquellen im gepulsten und im Dauerstrichbetrieb dienen zur Validierung der Modelle und als Grundlage für den im Projekt vorgesehenen Vergleich der Schmelzeffizienz von infraroten und frequenzverdoppelten Strahlquellen. Zu diesem Zweck erfolgt die zerstörende Prüfung der Schweißnähte durch die Herstellung von mehreren repräsentativen Querschliffen. Durch die anschließende Vermessung der Schweißnahtquerschnitte kann mit Hilfe der zuvor verwendeten Laserleistung die Schmelzeffizienz des Laserstrahlschweißprozesses berechnet werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, welche Strahlquellenbetriebsart zur Erzeugung des geforderten Schmelzevolumens beziehungsweise Anbindungsquerschnittes den geringsten Energieverbrauch aufweist. Aktuell erfolgt die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Oberflächenbeschaffenheit und der resultierenden Schmelzeffizienz. In diesem Zusammenhang soll auch der Einfluss der Beschichtungen auf die Schweißnahtgefüge sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Schweißnähte ermittelt werden.



Temperaturabhängige Absorption  von CU-OF bei 1064 nm Wellenlänge in oxidierender (Luft) und inerter (Argon) Atmosphäre

Analytisches Modell zur Berechnung des Schmelzbadvolumens nach dem Modell der integrierten Punktquellen



















Publikationen

  • Mann, V.; Hugger, F.; Roth, S.; Schmidt, M.: Influence of temperature and wavelength on optical behavior of copper alloys (www.scientific.net, Kategorie: Advanced Materials Research, Band: Green Factory Bavaria)
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