Laserschweißen von Kupferwerkstoffen: Blauer Laser vs. grüner Laser

Laserschweißen ist ein aufstrebendes, hocheffizientes Bearbeitungsverfahren. Die Laserbearbeitung beruht auf der Wechselwirkung eines spezifischen Energiestrahls mit dem Werkstoff. Werkstoffe werden im Allgemeinen in Metalle und Nichtmetalle unterteilt. Zu den Metallen zählen Stahl, Eisen, Kupfer, Aluminium und deren Legierungen, während Nichtmetalle beispielsweise Glas, Holz, Kunststoffe, Textilien und spröde Materialien umfassen. Die Laserbearbeitung findet in vielen Branchen Anwendung, bisher jedoch hauptsächlich bei diesen Materialkategorien.

Die Laserindustrie muss die Forschung zu Materialeigenschaften verstärken.

In China wird die rasante Entwicklung der Laserindustrie durch die hohe Nachfrage nach vielfältigen Anwendungen angetrieben. Die meisten Hersteller von Laseranlagen konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und mechanischen Komponenten, wobei einige die Automatisierung der Anlagen in Betracht ziehen. Es mangelt an Materialforschung, beispielsweise hinsichtlich der Bestimmung geeigneter Strahlparameter für verschiedene Materialien. Diese Forschungslücke führt dazu, dass manche Unternehmen zwar neue Anlagen entwickeln, deren neue Anwendungsgebiete aber nicht erschließen können. Viele Laserunternehmen beschäftigen zwar Optik- und Maschinenbauingenieure, jedoch nur wenige Materialwissenschaftler, was den dringenden Bedarf an weiterer Forschung zu Materialeigenschaften unterstreicht.

Die hohe Reflektivität von Kupfer fördert die Entwicklung der grünen und blauen Lasertechnologie.

Die Laserbearbeitung von Stahl und Eisen ist in der Metallverarbeitung bereits gut erforscht. Die Bearbeitung hochreflektierender Materialien, insbesondere Kupfer und Aluminium, wird hingegen noch intensiv erforscht. Kupfer findet aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit breite Anwendung in Kabeln, Haushaltsgeräten, Unterhaltungselektronik, elektrischen Anlagen, elektronischen Bauteilen und Batterien. Trotz jahrelanger Bemühungen hat die Lasertechnologie aufgrund der Materialeigenschaften von Kupfer bisher Schwierigkeiten bei der Bearbeitung.

Erstens weist Kupfer ein hohes Reflexionsvermögen auf; beim gängigen 1064-nm-Infrarotlaser beträgt die Reflexionsrate 90 %. Zweitens führt die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zu einer schnellen Wärmeableitung, was die Erzielung des gewünschten Bearbeitungseffekts erschwert. Drittens sind für die Bearbeitung Laser mit höherer Leistung erforderlich, was zu Verformungen des Kupfers führen kann. Selbst bei erfolgreichem Schweißen treten häufig Defekte und unvollständige Schweißnähte auf.

Nach jahrelanger Forschung hat sich gezeigt, dass Laser mit kürzeren Wellenlängen, wie grüne und blaue Laser, besser zum Schweißen von Kupfer geeignet sind. Dies hat die Entwicklung der grünen und blauen Lasertechnologie vorangetrieben.

Der Wechsel von Infrarotlasern zu grünen Lasern mit einer Wellenlänge von 532 nm reduziert die Reflektivität deutlich. Der 532-nm-Laser ermöglicht eine kontinuierliche Einkopplung des Laserstrahls in das Kupfermaterial und stabilisiert so den Schweißprozess. Die Schweißwirkung eines 532-nm-Lasers auf Kupfer ist vergleichbar mit der eines 1064-nm-Lasers auf Stahl.

In China erreicht die kommerzielle Leistung grüner Laser 500 Watt, international sogar 3000 Watt. Der Schweißeffekt ist insbesondere bei Lithiumbatteriekomponenten von Bedeutung. In den letzten Jahren hat sich das grüne Laserschweißen von Kupfer, vor allem im Bereich der neuen Energien, zu einem wichtigen Forschungsgebiet entwickelt.

Ein chinesisches Unternehmen hat kürzlich einen vollständig fasergekoppelten grünen Laser mit einer Ausgangsleistung von 1000 Watt entwickelt, wodurch sich die Anwendungsmöglichkeiten beim Kupferschweißen deutlich erweitern. Das Produkt erfreut sich großer Beliebtheit am Markt.

In den letzten drei Jahren hat die neue Technologie der blauen Laser in der Industrie an Bedeutung gewonnen. Blaue Laser mit einer Wellenlänge von etwa 450 nm liegen spektral zwischen ultravioletten und grünen Lasern. Die Absorption blauer Laser auf Kupfer ist besser als die grüner Laser, wodurch die Reflektivität auf unter 35 % reduziert wird.

Das Blaulaserschweißen eignet sich sowohl für das Wärmeleitungsschweißen als auch für das Tiefschweißen und ermöglicht spritzerfreies Schweißen bei reduzierter Schweißporosität. Neben der Qualitätsverbesserung bietet das Blaulaserschweißen von Kupfer auch deutliche Geschwindigkeitsvorteile: Es ist mindestens fünfmal schneller als das Infrarotlaserschweißen. Der mit einem 3000-Watt-Infrarotlaser erzielte Effekt lässt sich mit einem 500-Watt-Blaulaser erreichen, was eine erhebliche Energie- und Stromeinsparung bedeutet.

Laserhersteller, die blaue Laser entwickeln

Zu den führenden Herstellern von Blaulasern zählen Laserline, Nuburu, United Winners, BWT und Han's Laser. Aktuell basieren Blaulaser auf fasergekoppelter Halbleitertechnologie, die hinsichtlich der Energiedichte etwas hinterherhinkt. Daher haben einige Unternehmen das Zweistrahl-Verbundschweißen entwickelt, um bessere Schweißergebnisse bei Kupfer zu erzielen. Beim Zweistrahl-Schweißen werden Blau- und Infrarotlaserstrahlen gleichzeitig zum Schweißen von Kupfer eingesetzt. Die relative Position der beiden Strahlflecken wird präzise angepasst, um Probleme mit hoher Reflexion zu lösen und gleichzeitig eine ausreichende Energiedichte zu gewährleisten.

Das Verständnis der Materialeigenschaften ist entscheidend für die Anwendung und Entwicklung von Lasertechnologien. Sowohl blaue als auch grüne Laser können die Laserabsorption von Kupfer verbessern, allerdings sind leistungsstarke blaue und grüne Laser derzeit noch kostspielig. Es wird erwartet, dass die Marktnachfrage mit zunehmender Reife der Verarbeitungstechniken und entsprechend sinkenden Betriebskosten für blaue und grüne Laser deutlich steigen wird.

Effiziente Kühlung für blaue und grüne Laser

Blaue und grüne Laser erzeugen im Betrieb erhebliche Wärme, was robuste Kühllösungen erforderlich macht. Chiller, ein führender Hersteller von Kältemaschinen mit 22 Jahren Erfahrung, bietet maßgeschneiderte Kühllösungen für ein breites Spektrum an industriellen Anwendungen und Laseranwendungen. Unsere Wasserkühler der CWFL-Serie wurden speziell für die präzise und effiziente Kühlung von Faserlasersystemen entwickelt, einschließlich solcher, die in Blau- und Grünlaserprozessen eingesetzt werden. Dank unseres Verständnisses der besonderen Kühlanforderungen von Laseranlagen liefern wir leistungsstarke und zuverlässige Kältemaschinen, die die Produktivität steigern und die Anlagen schützen.

Chiller ist bestrebt, weiterhin führend in der Laserkühlungstechnologie zu sein. Wir beobachten kontinuierlich Branchentrends und Innovationen bei blauen und grünen Lasern und treiben technologische Fortschritte voran, um neue Produktivitätssteigerungen zu erzielen und die Produktion innovativer Kühler zu beschleunigen, damit diese den sich wandelnden Kühlanforderungen der Laserindustrie gerecht werden.