Prozesssicheres Mikroschweißen von Kupfer und Kupferlegierungen durch geregelte Diodenlaserstrahlung (MiWeCo)

Problemstellung
Der Automobilbau unterliegt strikten Anforderungen, den CO2-Ausstoß zu minimieren. Dafür soll am Kraftfahrzeug Gewicht eingespart und der Verbrennungsmotor weitestgehend durch einen Elektroantrieb substituiert werden. Ein Konzept zur Gewichtseinsparung beinhaltet, die Elektronik so nah wie möglich an den Wirkungsort zu verlegen. Im Motorraum treten jedoch hohe Temperaturen und Schwingungen auf. Aus diesem Grund sollen die Lötverbindungen durch Schweißverbindungen ersetzt werden, da diese die erhöhten Anforderungen an Temperatur- und Schwingungsfestigkeit erfüllen. Das sogenannte gepulste Lasermikroschweißen, bei dem das Licht nicht kontinuierlich sondern in zeitlich begrenzten Portionen abgegeben wird, bietet in Bezug auf die Fügegeometrie die höchste Flexibilität zur Erzeugung von temperaturstabilen Verbindungen. Problematisch ist bislang der hohe Ausschuss beim Lasermikroschweißen von Kupfer. Dieser wird durch die variierenden Oberflächeneigenschaften des Kupfers und durch die Fertigungstoleranzen der Fügepartner begründet und kann zu einer Bauteilbeschädigung führen.

Zielstellung
Im KMU-innovativ-Forschungsprojekt MiWeCo soll daher ein geregelter Lasermikroschweißprozess entwickelt werden, welcher das gepulste Lasermikroschweißen von Kupferverbindungen in der industriellen Produktion reproduzierbar ermöglicht. Dabei wird während jedes Schweißpulses die Temperatur in der Fügezone berührungslos mit einem Strahlungsthermometer gemessen. Darauf basierend wird die Laserleistung geregelt, damit für jeden Schweißpunkt der gewünschte Temperatur-Zeitverlauf erreicht wird.

Vorgehensweise
Typischerweise werden beim gepulsten Lasermikroschweißen Pulsdauerzeiten im Millisekundenbereich verwendet, wobei die Schweißpunkte einen Durchmesser von unter 0,5 mm haben können. Die Sensorik zur Temperaturmessung muss deshalb so weiterentwickelt werden, dass die Temperatur innerhalb kurzer Abtastzeiten und kleiner Messfläche bestimmt werden kann. Für den Laser muss eine schnelle Steuerung entwickelt werden, damit die Laserleistung während des Laserpulses exakt geregelt werden kann. Weiterhin soll zum Erzeugen von größeren Schweißvolumen eine Erhöhung der Laserleistung erzielt werden. Beide Systeme werden durch ein zu entwickelndes Elektronikmodul inklusive Software zusammengeführt. Für typische Montageaufgaben der Mikroverbindungstechnik wird eine Prozess- und Reglerentwicklung prototypisch umgesetzt. Im Ergebnis ist eine deutliche Prozessstabilisierung des Mikroschweißens von Kupfer zu erwarten.

Ergebnistransfer
Die Entwicklungsergebnisse haben ein enormes Potenzial, zukünftig auch in anderen Laserprozessen, wie z. B. zum Laserschneiden, eingesetzt zu werden. Durch die assoziierte Teilnahme von Endanwendern und einem Systemintegrator ist bei erfolgreichem Projektabschluss von einer schnellen Überführung in die Industrie auszugehen.

• DirectPhotonics Industries GmbH
• JenControl GmbH
• Laser Zentrum Hannover e. V.