Laserschweißen von Kupfermaterialien: Blauer Laser VS Grüner Laser

Laserschweißen ist ein aufstrebendes, hocheffizientes Bearbeitungsverfahren. Der Prozess der Laserbearbeitung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einem spezifischen Energiestrahl und dem Material. Materialien werden im Allgemeinen in Metalle und Nichtmetalle eingeteilt. Zu den metallischen Werkstoffen zählen Stahl, Eisen, Kupfer, Aluminium und deren Legierungen, während zu den nichtmetallischen Werkstoffen Glas, Holz, Kunststoff, Gewebe und spröde Materialien zählen. Die Laserfertigung wird in vielen Branchen eingesetzt, bisher jedoch hauptsächlich in diesen Materialkategorien.

Die Laserindustrie muss die Forschung zu Materialeigenschaften verstärken

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

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

Bei metallischen Werkstoffen ist die Laserbearbeitung von Stahl und Eisen bereits gut erforscht. Die Bearbeitung hochreflektierender Materialien, insbesondere Kupfer und Aluminium, ist jedoch noch in der Entwicklung. Kupfer wird aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit häufig in Kabeln, Haushaltsgeräten, Unterhaltungselektronik, Elektrogeräten, elektronischen Bauteilen und Batterien verwendet. Trotz langjähriger Bemühungen ist die Lasertechnologie bei der Bearbeitung von Kupfer aufgrund seiner Eigenschaften bisher nur schwer zu erreichen.

Erstens weist Kupfer eine hohe Reflektivität auf, die bei einem gängigen 1064-nm-Infrarotlaser bei 90 % liegt. Zweitens führt die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zu einer schnellen Wärmeableitung, wodurch der gewünschte Bearbeitungseffekt erschwert wird. Drittens werden für die Bearbeitung Laser mit höherer Leistung benötigt, was zu einer Verformung des Kupfers führen kann. Selbst nach dem Schweißen treten häufig Defekte und unvollständige Schweißnähte auf.

Nach jahrelanger Forschung hat sich herausgestellt, 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 Kopplung des Laserstrahls an das Kupfermaterial und stabilisiert so den Schweißprozess. Die Schweißwirkung auf Kupfer mit einem 532-nm-Laser ist vergleichbar mit der eines 1064-nm-Lasers auf Stahl.

In China hat die kommerzielle Leistung grüner Laser 500 Watt erreicht, international liegt sie bei 3000 Watt. Der Schweißeffekt ist besonders bei Lithiumbatteriekomponenten signifikant. In den letzten Jahren hat sich das grüne Laserschweißen von Kupfer, insbesondere in der erneuerbaren Energiebranche, zu einem Highlight entwickelt.

Ein chinesisches Unternehmen hat kürzlich einen vollständig fasergekoppelten grünen Laser mit einer Leistung von 1000 Watt entwickelt, der die Anwendungsmöglichkeiten für das Kupferschweißen deutlich erweitert. Das Produkt findet großen Anklang auf dem Markt.

In den letzten drei Jahren hat die neue Blaulasertechnologie in der Industrie an Bedeutung gewonnen. Blaue Laser mit einer Wellenlänge von etwa 450 nm liegen zwischen ultraviolettem und grünem Laser. Die Absorption von blauem Laser auf Kupfer ist besser als die von grünem Laser, wodurch die Reflektivität auf unter 35 % sinkt.

Blaulaserschweißen eignet sich sowohl für Wärmeleitungsschweißen als auch für Tiefschweißen. Es ermöglicht spritzerfreies Schweißen und reduziert die Porosität der Schweißnaht. Neben der Qualitätsverbesserung bietet das Blaulaserschweißen von Kupfer auch erhebliche Geschwindigkeitsvorteile: Es ist mindestens fünfmal schneller als Infrarotlaserschweißen. Der mit einem 3000-Watt-Infrarotlaser erzielte Effekt lässt sich mit einem 500-Watt-Blaulaser erzielen, was deutlich Energie und Strom spart.

Laserhersteller, die blaue Laser entwickeln

Zu den führenden Herstellern von blauen Lasern gehören Laserline, Nuburu, United Winners, BWT und Han's Laser. Blaue Laser basieren derzeit auf fasergekoppelter Halbleitertechnologie, deren Energiedichte etwas niedriger ist. Daher haben einige Unternehmen das Doppelstrahl-Verbundschweißen entwickelt, um bessere Kupferschweißergebnisse zu erzielen. Beim Doppelstrahlschweißen werden gleichzeitig blaue und infrarote Laserstrahlen zum Kupferschweißen eingesetzt. Die relativen Positionen der beiden Strahlpunkte werden sorgfältig angepasst, um Probleme mit hoher Reflektivität 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, obwohl leistungsstarke blaue und grüne Laser derzeit noch teuer sind. Es wird erwartet, dass die Marktnachfrage mit der Weiterentwicklung der Verarbeitungstechniken und entsprechend sinkenden Betriebskosten für blaue oder grüne Laser stark ansteigen wird.

Effiziente Kühlung für blaue und grüne Laser

Blaue und grüne Laser erzeugen im Betrieb erhebliche Wärme und erfordern daher robuste Kühllösungen. TEYU Kühler, ein führender Hersteller mit 22 Jahren Erfahrung, bietet maßgeschneiderte Kühllösungen für eine Vielzahl von Industrie- und Laseranwendungen. Unsere Wasserkühler der CWFL-Serie wurden speziell für die präzise und effiziente Kühlung von Faserlasersystemen entwickelt, einschließlich solcher, die in blauen und grünen Laserprozessen eingesetzt werden. Da wir die besonderen Kühlanforderungen von Lasergeräten kennen, liefern wir leistungsstarke und zuverlässige Kühler, die die Produktivität steigern und die Geräte schützen.

TEYU Kühler ist weiterhin bestrebt, in der Laserkühlungstechnologie führend zu bleiben. Wir beobachten kontinuierlich Branchentrends und Innovationen bei blauen und grünen Lasern und treiben technologische Fortschritte voran, um die Produktivität zu steigern und die Produktion innovativer Kühler zu beschleunigen, die den sich entwickelnden Kühlanforderungen der Laserindustrie gerecht werden.