FLORIAN HUGGER UND KRISTINA BÜRGER

Die Herstellung filigraner Fügeverbindungenist für viele Anwendungen von entscheiden-der Bedeutung (Bild 1). Beispiele für dünn-

wandige Anwendungen sind Wärmetauscher, dieKontaktierung von Batteriezellen und stromführendenBauteilen sowie Gehäuse. Hierbei treten zumeistBlechdicken unter einem Millimeter auf. Des Weiterenverbietet der Einsatzzweck der Bauteile häufig einsogenanntes Durchschweißen. Letzteres bedeutet,dass die Schweißnaht die Werkstücke vollständigdurchdringt und auf der dem Laser abgewandtenSeite eine Wurzel ausbildet. Gründe dafür sind bei-spielsweise eine Funktionsfläche auf der Rückseite,wie typischerweise bei Wärmetauschern, oder dasVorhandensein von Medien oder Chemikalien ineiner Batteriezelle. Diese Einschränkung fordert eine

kontrollierte Energieeinbringung in die Fügezone miteiner kontrollierten Einschweißtiefe, die meist derhalben Wandstärke des unteren Fügepartners ent-spricht. Abhängig von den Anforderungen an dieFügeverbindung und den geometrischen Gegeben-heiten kann dieses Ziel auf verschiedenen Wegenerreicht werden.

Geometrien für SchweißnähteAls Geometrie einer Fügeverbindung dienen typischer-weise drei Stoßarten: die I-Naht am Stumpfstoßsowie die I- und die Kehlnaht am Überlappstoß(Bild 2). Die I-Naht am Stumpfstoß erfordert eineim Vergleich zu den anderen Stößen verhältnismäßigaufwendige Nahtvorbereitung, da ein Teil des Ge -häuses ausgefräst werden muss. Zudem ist für die exakte Positionierung des Laserstrahlfokus einpräzises Positionierungssystem notwendig. Dem -gegenüber bietet dieser Fügestoß die Möglichkeiteiner hohen Anbindungsfläche, was insbesonderefür hoch belastete Bauteile vorteilhaft ist. Ein weite-rer positiver Aspekt ist, dass die metallurgischeZusammensetzung der Schweißnaht bei diesemStoß flexibel eingestellt werden kann, wenn derLaserstrahl asymmetrisch auf einer Seite des Spaltspositioniert wird. Dies findet beim Schweißen von

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Mikroschweißen mit IR-Dauerstrichlasern Moderne Laserstrahlquellen bieten die Möglichkeit, beliebige metallischeWerkstoffe zu verschweißen, beispielsweise zur Kontaktierung von Batteriezellen oder zum hermetisch dichten Verschließen von Gehäusen –und dies mit geringem WÄRMEEINTRAG und Verzug.

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Bild 1a und b. Fein-werktechnischeBauteile benötigenhäufig filigraneSchweißungen

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Mischverbindungen Anwendung, falls sich die verwendetenWerkstoffe hinsichtlich ihrer Schweißeignung deutlich von-einander unterscheiden. Eine derartige Flexibilität ist beider I-Naht im Überlappstoß kaum gegeben, da hierbei stetsein höherer Anteil des oberen Bauteils aufgeschmolzenwird. Die I-Naht im Überlapp ist jedoch äußerst robusthinsichtlich der Positionierung des Laserstrahls. Für dieAnbindung von Flanschen, Stutzen oder Halterungen bietetsich die Kehlnaht im Überlapp an, bei der die Kante desoberen Fügepartners abgeschmolzen und in den unterenFügepartner eingeschweißt wird. Auch hier besteht einegewisse Flexibilität, die Zusammensetzung der Schweiß-naht zu beeinflussen, da der Laserstrahl entweder auf dasobere oder das untere Bauteil versetzt werden kann.Sowohl die I- als auch die Kehlnaht im Überlapp benötigenkeine aufwendige Nahtvorbereitung, sodass lediglich einNullspalt zwischen den Blechen gewährleistet werden muss.

Drei Strategien zum Mikroschweißen Die Herstellung von Mikroschweißnähten bei Verwendungvon Strahlquellen im infraroten Wellenlängenbereich istprinzipiell mit drei unterschiedlichen Strategien möglich:dem gepulsten Schweißen, dem Schweißen mit Strahl -oszillation und dem Hochgeschwindigkeitsschweißen. DieseStrategien lassen sich anhand der zur Verfügung stehendenSystemtechnik einteilen. Die historisch älteste Form desMikroschweißens bedient sich gepulster Strahlquellenmit Pulsdauern zwischen mehreren Hundert Mikro- undmehreren Millisekunden, wobei einzelne Schweißpunktemit einem Laserstrahl erzeugt werden. Diese besitzentypischerweise eine kreisrunde Geometrie, wobei dieEinschweißtiefe von wenigen Mikrometern bis hin zumehreren Millimetern eingestellt werden kann. Um eineSchweißnaht zu erzeugen, werden viele Schweißpunkteaneinandergesetzt. Dem Vorteil einer geringen Wärme -einbringung pro Puls stehen eine geringe Schweiß -geschwindigkeit sowie eine geringe Flexibilität hinsichtlichder Nahtgeometrie gegenüber. Darüber hinaus ergebensich Herausforderungen bei Werkstoffen mit niedrigerAbsorption, wie Aluminium und Kupfer. Da der Laserstrahlbei jedem Puls erneut in das Material einkoppeln muss, ist �

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der Prozess stark von der Oberflächenbeschaffenheitdes Bauteils abhängig, sodass sich stark variierendeEinschweißtiefen ergeben können. Als Beispiel ist in Bild 3, links eine Schweißnaht dargestellt, die mit einem gepulsten Laser als Kehlnaht im Überlapperzeugt wurde. Die erwähnten Nachteile lassen sich bei der

Verwendung kontinuierlicher Laserstrahlung über-winden. Entwicklungen von Strahlquellen besterStrahlqualität in Verbindung mit hochdynamischenAblenksystemen ermöglichen das Laserstrahl-schweißen mit Strahloszillation. Meist kommenFokus durchmesser kleiner als 50 µm zum Einsatz,wobei die Bewegung des Laserstrahls durch so -genannte Lissajous-Figuren beschrieben wird.Derartige Figuren sind beispielsweise ein Kreis odereine liegende Acht, die mit einer linearen Vorschub-bewegung überlagert werden (Bild 4). Durch einegleichzeitige Modulation der Laserleistung bietetdiese Schweißstrategie eine maximale Flexibilitäthinsichtlich Schweißnaht-Geometrien und der Wärme-

einbringung in das Material. Allerdings macht die Vielzahl an einstellbaren Parametern, wie Fokus -durchmesser, Laserleistung, Schweißgeschwindig-keit, Oszillationsfigur, -frequenz und -amplitude, denProzess äußerst komplex. Das führt dazu, dass dieWechselwirkungen der einzelnen Parameter unter -einander zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht voll -ständig verstanden werden. Es zeichnet sich jedochab, dass dem Prozess hinsichtlich der Schweiß -geschwindigkeit Grenzen gesetzt sind, die sichaktuell aufgrund prozess- und systemtechnischerEinschränkungen ergeben. Die prozesstechnischeGrenze entsteht aufgrund der hohen Geschwindig-keit der Schmelze, was zu Schweißnahtunregel -mäßigkeiten führt. Die systemtechnische Schrankewird durch die Dynamik der Ablenksysteme fest -gelegt, wobei sich eine hohe Amplitude und einehohe Frequenz einander entgegenstehen. Die für eine Massenfertigung notwendige hohe

Schweißgeschwindigkeit wird beim Hochgeschwindig -keitsschweißen realisiert. Die Schweißgeschwindig-

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Bild 3. Beispiele fürAnwendungen

Bild 2. Stoßgeome-trien im Vergleich

keit kann im Vergleich zum Schweißen mit Strahl-oszillation etwa verfünffacht werden, sodass imBereich des Mikroschweißens Schweißgeschwindig-keiten um 500 mm/s möglich sind. Die Skalierung umden Faktor fünf trifft jedoch auch auf den Fokus-durchmesser und die notwendige Laserleistung zu.Der Laserstrahl wird hierbei nicht oszilliert, sondern

linear in der gewünschten Schweißkontur über dasBauteil bewegt. Diese Schweißstrategie besitzt diegeringste Flexibilität hinsichtlich der Einstellung derNahtgeometrie. Bild 3, Mitte zeigt den Vergleichzweier Schweißungen einer Aluminiumhülse, bei derzum einen ein oszillierender (Mitte oben) und zumanderen ein linear geführter Laserstrahl (Mitte unten)

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Bild 4. Schweiß -strategien

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zum Einsatz kommt. Die zahnähnliche Form deroszilliert geschweißten Naht stellt ein Relikt derkreisförmigen Laserstrahlbewegung dar. Aufgrundder hohen Schmelzegeschwindigkeit treten an derOberfläche bereits Randkerben auf, die beim Hoch-geschwindigkeitsschweißen nicht zu erkennen sind.Dagegen weist die Schweißnaht stark geneigteNahtflanken auf, die sich negativ auf den Verzug desBauteils auswirken können.

Physikalische Beschränkungenbeim MikroschweißenDie passende Strategie und Technologie wird von verschiedenen Anforderungen festgeschrieben. Diese umfassen beispielsweise die erlaubte Wärme-einbringung, die Taktzeit, die eingesetzten Werk-stoffe oder den Anbindungsquerschnitt. Weiterhinergeben sich physikalische Einschränkungen fürWerkstoffe mit hoher thermischer Leitfähigkeit undgeringer Absorption, wie Aluminium und Kupfer,die bevorzugt in elektrischen Systemen eingesetztwerden. Durch die beiden ausgeführten Eigen-schaften ist keine beliebige Einstellung der Ein-schweißtiefe möglich. Hingegen kann im Modusdes Wärmeleitungsschweißens eine geringe Ein-schweißtiefe realisiert werden. Wird die Verdamp-fungstemperatur des Werkstoffs mit zunehmenderLaserleistung überschritten, bildet sich eine Dampf-kapillare. Aufgrund des energetischen Gleichgewichtszwischen eingekoppelter Energie und abgeleiteterWärme sind nur diskrete Zustände mit einer gewissenTiefe der Dampfkapillare möglich. Je geringer dieAbsorption und je höher die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs, desto tiefer ist die Kapillare nach ihrerEntstehung. Der Tiefensprung ist zudem vom Fokus-durchmesser und von der Schweißgeschwindigkeitabhängig (Bild 5). Folglich müssen diese Parameter

berücksichtigt und aufeinander abgestimmt werden,wenn ein Durchschweißen der Bauteile sicher ver -mieden werden muss. Eine Herausforderung stellt indiesem Zusammenhang beispielsweise die Kontaktie-rung von Rundzellen mit einem Verbinder dar. Hierbeiwird ein Kupferblech mit einer Stärke von 0,3 mm aufdie stählerne Hülse der Batteriezelle mit einer Stärkevon 0,4 mm geschweißt (Bild 3, rechts). Bei einemsehr kleinen Fokusdurchmesser von 25 µm kommtdabei eine sehr hohe Schweißgeschwindigkeit von600 mm/s zum Einsatz.

Künftig weitere Strahlquellenund Systemtechniken Die hier beschriebenen Strategien beziehen sichauf die Anwendung von aktuell verfügbaren Strahl-quellen im infraroten Wellenlängenbereich und Puls-dauern ab wenigen Millisekunden. In Zukunft werdenweitere Systemtechniken und daraus abgeleiteteStrategien zum Mikroschweißen hinzukommen. Sozeigen Strahlquellen mit Nanosekundenpulsen einhohes Potenzial für Anwendungen zum Mikro-schweißen von Mischverbindungen. Darüber hinaussind seit kurzer Zeit Strahlquellen im sichtbarenWellenlängenbereich verfügbar, die insbesonderebeim Fügen hoch reflektiver Werkstoffe, wie Kupferoder Aluminium, eingesetzt werden.� MI110606

AUTORENFLORIAN HUGGER ist Abteilungsleiter Forschung und Entwicklung bei BBW Lasertechnik in Prutting; f.hugger@bbw-lasertechnik.de KRISTINA BÜRGER ist bei BBW Lasertechnik für die Öffentlichkeitsarbeit zuständig; k.buerger@bbw-lasertechnik.de

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Bild 5. Tiefensprungbei der Kapillar -bildung