Prozessstabilität und Prozesseffizienz beim Laserstrahlfügen von hoch reflektiven Kupferwerkstoffen

Helm, Johanna Gisela Margarete; Reisgen, Uwe; Gillner, Arnold

doi:HT021568260

Prozessstabilität und Prozesseffizienz beim Laserstrahlfügen von hoch reflektiven Kupferwerkstoffen = Process stability and process efficiency in laser beam joining of highly reflective copper materials

Helm, Johanna Gisela Margarete^RWTH*

2022

VerantwortlichkeitsangabeJohanna Helm

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-112-5

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Gillner, Arnold (Thesis advisor)^RWTH* ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09483
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854339/files/854339.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kupfer (frei) ; Laser (frei) ; Prozesseffizienz (frei) ; Prozessstabilität (frei) ; Schweißen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
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 benötigt. Das Laserstrahlschweißen erfüllt dahingehend alle Anforderungen und hat sich in den letzten Jahren gerade in der Batteriemodulfertigung etabliert. 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 und die Stabilität des Fügeprozesses beeinträchtigt. 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 dem Zustand beziehungsweise 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 Oberfläche von Kupfer durch das Laserstrukturieren und durch einen thermischen Ofenprozess modifiziert. Während des anschließenden Laserstrahlschweißprozesses wird der Einkoppelgrad durch eine zeitlich hochaufgelöste Messung 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.

The shift in energy conversion away from fossil fuels towards solar and wind energy, as well as the transformation of passenger and freight transport towards electric forms of transportation, requires a large number of joining compounds. Due to its electrical and thermal properties, copper is the key element for this change. A reliable, automatable, and efficient joining technology is needed to realize the electrical connections. Laser beam welding meets all requirements in this respect and has become established in recent years, especially in battery module production. Industrial laser beam sources used for joining metals emit radiation in the wavelength range of one micrometer. The reflectance of copper for these beam sources is over 90 %, so that only a small part of the irradiated energy is absorbed in the component and affects the stability of the joining process. In addition, the high thermal conductivity makes it difficult to form a stable vapor capillary, so that process efficiency is reduced. Process stability and process efficiency in the welding of copper materials depend on the interaction between light and material. Absorption and the degree of coupling play a key role here, as they directly determine the proportion of the irradiated energy that is used for the welding process. The absorption depends on the laser wavelength, the temperature, the thermal conductivity and the condition or nature of the technical surface. The degree of coupling, which in turn describes the ratio of absorbed to irradiated energy during the process and thus also when multiple reflections occur, is additionally dependent on the process control. Increasing the absorption and the degree of coupling thus leads to a higher proportion of absorbed energy being available in the workpiece for the formation of melt, thus increasing the efficiency. In this work, the surface of copper is modified by laser structuring and by a thermal furnace process. During the subsequent laser beam welding process, the degree of coupling is recorded by a high temporal resolution measurement. By determining the melt volume, the process efficiency of the joining process on modified surfaces can be compared with a reference process. The approach presented here enables a significant increase in process efficiency and thus demonstrates the possibility of saving energy in the production process while simultaneously stabilizing the process flow.

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