Fügen von Metallen

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt innovative laserbasierte Fügeverfahren für industrielle Anwendungen von der Mikroelektronik bis hin zum Schiffsbau. Für Aufgabenstellungen in der Wissenschaft und Industrie stehen unterschiedlichste Bewegungssysteme, Optiken und Laserstrahlquellen zur Verfügung. Neben den klassischen fasergeführten Festkörperlasern mit ≈ 1 μm Wellenlänge erweitern Laserstrahlquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich und mit variabler Intensitätsverteilung den Gestaltungshorizont beim Fügen von metallischen Werkstoffen.

Mit Fertigungsprozessen des Laserstrahlschweißens und -lötens von metallischen Werkstoffen können gute Automatisierbarkeit mit fl exibler Prozessführung bei gleichzeitig hoher Prozessstabilität kombiniert werden. Unterschiedliche Wellenlängen, Intensitätsprofi le und Bewegungsformen decken ein breites Spektrum von industriellen Anwendungen im Bereich der Materialbearbeitung z. B. in der Elektrotechnik, im Karosseriebau oder in der Mikroelektronik ab. Das Fraunhofer ILT verfügt zur Umsetzung von fügetechnischen Aufgabenstellungen über Strahlquellen im NIR- und
sichtbaren Wellenlängenbereich in den Leistungsklassen von 0,2 bis 12 kW, die auf über zehn verschiedenen Bearbeitungsstationen zum Einsatz kommen.

Das Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen zeichnet sich insbesondere durch einen geringen und kontrollierten Wärmeeintrag in das Bauteil aus. Dazu werden mithilfe von gut fokussierbaren Strahlquellen Fokusdurchmesser < 40 μm für Leistungen bis 2 kW und < 500 μm für Leistungen bis 12 kW erzeugt. Damit lassen sich auch die bei einer Wellenlänge um 1 μm hochreflektierenden Materialen wie z. B. Kupfer oder Aluminium mittels stabilem Tiefschweißprozess bearbeiten. Der Laserstrahl kann durch galvanometrischer  Scanntechnik oder Hochgeschwindigkeitsachsen hochdynamisch abgelenkt werden um Anforderungen detailreicher Schweißgeometrien zu erfüllen. Durch den Einsatz örtlicher und zeitlicher Leistungsmodulationen können zusätzlich Kompensationsstrategien für Schweißfehler in den Fügeprozess integriert werden, um die Prozessstabilität weiter zu steigern. Die Schweißungen können dabei je nach Anwendungsfall und Anlagentechnik mit oder ohne Zusatzmaterial erfolgen, sodass  eine Vielzahl von Applikationen realisiert werden kann. Die entwickelten Prozesse können durch Prozessüberwachungssysteme  unterschiedlicher Hersteller abgesichert werden. Insbesondere durch die Detektion und Auswertung von Prozessemissionen während des Schweißprozesses können Rückschlüsse auf die Qualität gezogen und somit mögliche auftretende Fehlstellen vermieden werden.

Für die Elektronik und Medizintechnik können berührungs- und temperatursensitive Bauteile mittels Weich- und Hartlöten mit Laserstrahlung mit einem geringen Energieaufwand innerhalb einiger hundert Millisekunden gefügt werden. Ein herausragender Vorteil des Laserstrahllötens liegt in der Bearbeitung von Pitchgrößen zwischen 100 und 2000 μm durch die geeignete Wahl von Fokussierung und Bestrahlungsstrategie. Mit einer Online- Detektion der Wärmestrahlung koaxial zur Laserstrahlung mithilfe von pyrometrischen Sensoren und einer darauf basierenden Laserleistungsregelung lässt sich die Temperatur des Fügeprozesses auch bei wechselnden Prozessbedingungen entsprechend vorgegebener Profile regeln. Ebenso ist eine Positionskontrolle über integrierte, miniaturisierte CCD-Kameras möglich. Dabei kommen nicht nur Diodenlaser im NIR-Bereich zum Einsatz, sondern auch neuartige Strahlquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich, welche gerade bei Kupferbasislegierungen eine erhöhte Absorption aufweisen und so die benötigte Laserleistung reduzieren.

Auf Basis einer erfolgreichen Prozessentwicklung und -validierung kann der am Fraunhofer ILT entwickelte Fügeprozess in eine Anlagentechnik übertragen werden. Wir bieten kundenspezifisch maßgeschneiderte Schweiß- und Lötmaschinen, welche durch die Anforderungen und Randbedingungen des entwickelten Prozesses definiert sind. Dabei werden die einzelnen Komponenten speziell für den Prozess ausgewählt und abgestimmt. Die dadurch entstehende halbautomatisierte Anlagentechnik kann somit direkt mit den entwickelten Parametern betrieben werden. Über die Entwicklung am Fraunhofer ILT hinaus besteht die Möglichkeit die individuellen Fügeprozesse mithilfe von Anforderungskatalogen und bilateraler Unterstützung von externen Maschinenbauern in die Serie zu überführen.

Zur Eingrenzung von Fehlern in Verbindungen und Prozessen führen wir Schadensuntersuchungen und Fehlersuchen durch und begutachten daraufhin die Produktion. Falls es nicht möglich ist, Fehler direkt an der Anlage des Kunden zu beheben, können wir durch experimentelles Nachvollziehen in unseren Laboren die Fehlermechanismen aufdecken und den Prozess so neu abstimmen und optimieren. Für Ad-hoc-Analysen stehen am Fraunhofer ILT ein Metallografielabor, Lichtund Interferenzmikroskope sowie ein Rasterelektronenmikroskop zur Verfügung. Umfangreiche Werkstoffuntersuchungen führen wir im Verbund mit spezialisierten Partnern durch.

Am Forschungszentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg steht ein mobiler und modularer Aufbau für Untersuchungen von laserbasierten Fertigungsprozessen zur Verfügung. Diese Plattform erlaubt den modularer Wechsel = flexiblen Einsatz von Laserstrahlquellen unterschiedlicher Art, Wellenlängen und optischen Systemen, um Laserstrahlschweißexperimente durchzuführen. Die synchronisierte Prozesssteuerung mit optischen und akustischen Sensoren dient der Entwicklung detaillierterer Algorithmen zur Prozessauswertung. Im Zuge der sehr komplexen Grundlagenforschung ermöglicht das Fraunhofer ILT den Industriepartnern Zugang zur DESY-Plattform auf Dienstleistungsbasis. Dabei kann im Rahmen einer bilateralen Zusammenarbeit der bestehende Versuchsaufbau inklusive vorhandener Strahlquellen und Optiken genutzt werden, um Grundlagenerkenntnisse für industrielle Anwendungen neu zu generieren oder zu erweitern.