Prozessstabilität und Prozesseffizienz beim Laserstrahlfügen von hoch reflektiven Kupferwerkstoffen

Die Umstellung der Energiewandlung weg von fossilen Brennstoffen hin zu Solar- und Windenergie sowie die Transformation des Personen- und Güterverkehrs hin zu elektrischen Antriebsformen erfordert eine Vielzahl von Fügeverbindungen. Auf Grund seiner elektrischen und thermischen Eigenschaften ist Kupfer das zentrale Element für diesen Wandel. Für die Herstellung der elektrischen Verbindungen wird eine prozesssichere, automatisierbare und effiziente Fügetechnologie wie das Laserstrahlschweissen benötigt. Industriell genutzte Laserstrahlquellen, die für das Fügen von Metallen eingesetzt werden, emittieren Strahlung im Wellenlängenbereich von einem Mikrometer. Der Reflexionsgrad von Kupfer liegt für diese Strahlquellen bei über 90 %, so dass nur ein kleiner Teil der eingestrahlten Energie im Werkstück absorbiert wird. Hinzu kommt, dass die hohe Wärmeleitfähigkeit die Bildung einer stabilen Dampfkapillare erschwert, so dass die Prozesseffizienz sinkt.
Die Prozessstabilität und die Prozesseffizienz beim Schweissen von Kupferwerkstoffen sind abhängig von der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Dabei spielt die Absorption bzw. der Einkoppelgrad eine wesentliche Rolle, da sie direkt den Anteil der eingestrahlten Energie, die für den Schweissprozess genutzt wird, bestimmen. Die Absorption ist abhängig von der Laserwellenlänge, der Temperatur, der Wärmeleitfähigkeit und der Beschaffenheit der technischen Oberfläche. Der Einkoppelgrad, der wiederum das Verhältnis aus eingestrahlter zu absorbierter Energie während des Prozesses und damit auch beim Auftreten von Mehrfachreflexionen beschreibt, ist zusätzlich abhängig von der Prozessführung. Die Erhöhung der Absorption und des Einkoppelgrades führen somit zu einem höheren Anteil absorbierter Energie, die im Werkstück für die Bildung von Schmelze zur Verfügung steht und so die Effizienz steigert. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Kupferoberfläche durch das Laserstrukturieren oder durch einen thermischen Ofenprozess modifiziert. Während des anschliessenden Laserstrahlschweissprozesses wird der Einkoppelgrad in situ zeitlich aufgelöst aufgezeichnet. Über die Bestimmung des Schmelzevolumens kann die Prozesseffizienz des Fügeprozesses auf modifizierten Oberflächen mit einem Referenzprozess verglichen werden. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Prozesseffizienz und zeigt somit die Möglichkeit auf, Energie im Produktionsprozess einzusparen und gleichzeitig den Prozessverlauf zu stabilisieren.