21.04.2023

Effizienter schweißen mit grünen Lasern

Synchrotronstrahlungsquelle Petra III erlaubt genaue Untersuchung von Kupfer-Schweißprozessen.

Jede Menge Rohstoffe lassen sich beim Schweißen von Hochleistungs­elektroniken sparen. Das hat eine Untersuchung beim Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg ergeben. Hochleistungs­elektronik steckt in jedem Elektroauto und sorgt als Schlüsseltechnologie für die beste Leistung von Batterie und Motor. Die Hamburger Forscher untersuchten nun gemeinsam mit dem Technologie­unternehmen Trumpf und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Laserschweiß­prozesse, die bei der Herstellung von E-Autos, zum Einsatz kommen. Trumpf, Fraunhofer ILT, Desy und das Helmholtz-Zentrum Hereon brachten jeweils spezialisiertes Wissen zu Röntgen­strahlung, Laserquellen und Schweißprozessen ein. Dadurch gelangen nun erstmals Einblicke, die für das Auge und selbst für Mikroskope unsichtbar bleiben. Das Ergebnis: Beim Einsatz eines Lasers mit grüner Wellenlänge entsteht weitaus weniger Ausschuss als bei anderen Laserschweiß­verfahren. 

Die Projektpartner nutzten für ihre Untersuchung die brillante Röntgenstrahlung des Teilchen­beschleunigers am Hereon-Versuchsaufbau für Hochgeschwindigkeits­aufnahmen mit mehreren tausend bis zehntausend Bildern pro Sekunde. „Wir wollten mithilfe der Untersuchungen am Teilchen­beschleuniger genau wissen, was beim Kupferschweißen den Unterschied macht. Ein stabiler Schweißprozess ist wichtig, da die Hersteller von Elektro­fahrzeugen mehrere Milliarden Verbindungen in höchster Qualität schweißen müssen“, sagt Marc Hummel, Wissen­schaftler am Fraunhofer ILT. In Zukunft wollen Trumpf und das Fraunhofer ILT die Forschung auch auf andere Bereiche wie 3D-Druck, Laserschneiden und Laserstrahlbohren mit Ultrakurz­pulslasern ausdehnen und weitere Industrie­partner mit ins Boot holen.

Die Elektro­mobilität stellt die Lasertechnik vor große Heraus­forderungen. Kupfer ist das wichtigste Material für die Fertigung von Kernkomponenten für die E-Mobilität. Dieses Buntmetall absorbiert nur etwa fünf Prozent der Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und leitet die Wärme sehr gut ab. Beides führt zu erheblichen Problemen beim Schweißen. Die Prozesse stehen deshalb auf dem Prüfstand. „Laser mit grüner Wellenlänge sind die Lösung des Problems. Tatsächlich lässt sich Kupfer mit diesen Lasern besser schweißen“, sagt Mauritz Möller von Trumpf. Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die infrarote. Weil der Werkstoff somit seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und es ist weniger Laser­leistung notwendig. „Stabilere Prozesse beim Schweißen bedeuten weniger Ausschuss und damit auch mehr Nachhaltigkeit, was bei der E-Mobilität ein großes Thema ist“, sagt Mauritz Möller.


Für die genaue Untersuchung von Schweiß­prozessen nutzen Experten die Röntgenlicht­quelle Petra III am Versuchsaufbau des Helmholtz-Zentrums Hereon. „Herkömmliche Verfahren sehen eigentlich nur die elektromagnetischen Emissionen aus dem Plasma. Mit der Strahlung von Desy können wir nicht nur in die Schmelze hinein­schauen, wir können sogar die schmelz­flüssige Dynamik sichtbar machen“, erklärt Marc Hummel. Dazu hat ein Team Laserschweiß­prozesse mit zwei verschiedenen Lasersystemen untersucht: Einen NIR-Laser und einen Laser mit grüner Wellenlänge. „Für uns ist das eine großartige Chance, um die Schweiß­prozesse an Industrie­teilen zu untersuchen. Wie entstehen zum Beispiel Spritzer und Poren, wie wirkt sich die Wärme aus dem Schweißprozess auf empfindliche Komponenten wie Elektronik­bauteile aus“, sagt Mauritz Möller.

Fh.-ILT / JOL

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