20.04.2011

Hohe Qualität und Prozesssicherheit beim Kupferschweißen

Mit einem Laser-Vorpuls werden die Kontaktflächen für das Schweißen vorbereitet, um eine 100 prozentige Prozesssicherheit beim Schweißergebnis zu gewährleisten.

Klein und preisgünstig ist ein neues Laser-Vorpulsmodul, das den Schweißprozess von Kupfer mit einem kurzen Puls einleitet und so eine 100-prozentige Schweißwahrscheinlichkeit garantiert. Der am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) entwickelte Prozess kann entscheidende Impulse für eine Automatisierung der Mikrofertigung wie auch für die Montage von Bauelementen auf Leiterplatten geben.

Kupferlegierungen finden vor allem in der Elektronik, Feinwerktechnik und Sensorik Anwendung. Hier werden hohe Anforderungen an Temperaturbeständigkeit sowie mechanische Belastbarkeit von geschweißten Punktverbindungen gestellt.

Das Laserstrahl-Mikroschweißen bietet dazu grundsätzlich gute Voraussetzungen. Allerdings sind Buntmetalle, insbesondere Kupfer ein schwieriger Werkstoff für Laserschweißprozesse, was sich aus ihrer hohen Reflektivität sowie einem sprunghaften Ansteigen der Absorption bei Erreichen der Schmelztemperatur erklärt. Die resultierenden Schweißergebnisse sind sehr unterschiedlich und die geringe Prozesssicherheit bedingt, dass Laser bisher nur in manuellen Anwendungen oder nach aufwändiger Oberflächenvorbereitung eingesetzt werden konnten.

Forscher der Abteilung Produktions- und Systemtechnik am LZH haben jetzt einen Prozess entwickelt, bei dem ein Laser-Vorpulsmodul mit einer Pulsspitzenleistung von max. 1 MW und einer Pulsdauer von wenigen Nanosekunden den Schweißprozess einleitet. Dieser kurzgepulste Festkörperlaser ist frequenzkonvertiert und sichert aufgrund seines hohen Absorptionsgrades stabile Anfangsbedingungen für die nachfolgende energiereiche IR-Strahlung des herkömmlichen Schweißlasers. Die eingekoppelte Schweißenergie lässt sich so sehr gut dosieren.

Für die Versuche mit dem Vorpuls-Prototyp der Firma neoLASE wurde Kupfer-Bandmaterial von 80 µm Dicke und 2 mm Breite eingesetzt. Noch nach 200 Wiederholungen zeigte sich ein gleichmäßiges Schweißbild mit einer 100-prozentigen Schweißwahrscheinlichkeit. „Dieses Ergebnis ist bereits ein Riesenerfolg.“ urteilt Dipl.-Ing. Anas Moalem, Verantwortlicher für die Prozessentwicklung. Neben der erheblich verbesserten Präzision und Qualität konnte auch das Prozessfenster hinsichtlich der Laserparameter deutlich erweitert werden. Je nach Schweißpunktdurchmesser wird zudem eine Reduktion der eingesetzten Leistung von bis zu 40 Prozent erreicht. So ermöglicht das kompakte Vorpulsmodul (13x9x4 cm) Einsparungen im Kilowattbereich beim Einsatz etablierter IR-Schweißlaser.

Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des BMBF-geförderten und vom PTKA betreuten KMU-innovativ Projektes „Supreme“. Sie wurde von den Firmen Arteos GmbH, Ilfa GmbH, neoLASE GmbH und Sill Optics GmbH & Co. KG unterstützt.

Quelle: Laser Zentrum Hannover