DE102017202532A1 - Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks aus Kupfer mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls - Google Patents

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Christian Braun
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Trumpf Laser GmbH
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Continental Automotive GmbH
Trumpf Laser GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks aus Kupfer (Cu) mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls (LS), bei dem das zweite Werkstück aus Aluminium (Al) ist und der Laserstrahl (LS) eine Wellenlänge ausschließlich im grünen Spektralbereich hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks aus Kupfer mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls. Ein solches Verfahren ist aus der US 5,083,007 A bekannt. Dort sollen zwei metallische Teile mittels eines Laserstrahls miteinander verschweißt werden, wobei der Laserstrahl zwei Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweist. Eine der Komponenten soll eine Wellenlänge von 533 nm haben, also im grünen Spektralbereich sein, die andere Komponente soll eine Wellenlänge von 1064 nm haben, also im infraroten Spektralbereich sein. Eines der metallischen Teile kann aus Kupfer, Gold oder goldbeschichtetem Kupfer sein.
  • Das direkte Verbinden von Kupfer mit Aluminium mittels eines Infrarot-Lasers führt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnung zu Mikrorissen an der Kupferseite, zu einer inhomogenen intermetallischen Fase und einer Zunahme der Härte in der Schweißverbindung. Dies rührt daher, dass beim Schweißen mit Infrarot-Licht die Parameterbereiche für Aluminium und Kupfer sehr unterschiedlich sind. Parameter die für Aluminium eingestellt sind, passen nicht auf Kupfer.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine gute Schweißverbindung zwischen den Werkstücken ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Demnach ist bei einem Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks aus Kupfer mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls das zweite Werkstück aus Aluminium und der Laserstrahl hat eine Wellenlänge ausschließlich im grünen Spektralbereich.
  • Im grünen Spektralbereich fallen die Parameterfenster bezogen auf die Pulsenergie und die Pulsleistung des Lasers nahezu aufeinander. Damit ist die Energieeintragung für beide Fügepartner besser steuerbar.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Laserstrahl durch das Werkstück aus Kupfer auf die Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Werkstücks geführt.
  • Durch die optimale Energieeinbringung bei einem Festkörperlaser beziehungsweise Einkopplung der Energie eines Festkörperlasers mit der Wellenlänge im grünen Spektralbereich auf rötlichen Oberflächen wie z.B. Kupfer kommt es zu einer homogenen intermetallischen Fase bei der Verbindung von Aluminium und Kupfer, wenn die Energieeinkopplung von der Kupferseite aus erfolgt.
  • In einer vorzugsweisen Ausbildung der Erfindung ist die Verbindung eine Schweißverbindung. Damit kann auf ein zusätzlich vorzusehendes Lot verzichtet werden.
  • In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das erste Werkstück mit einem Material beschichtet, das beispielsweise aus Gold ist.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
  • 1 ein Diagramm, in dem die erforderliche Pulsenergie für eine Durchschweißung von Kupfer- und Aluminiumblechen bei einer bestimmten Pulsleistung eines Lasers aufgetragen ist,
  • 2 Darstellungen eines Stumpfstoßes mit angedeutetem Laserstrahl,
  • 3 Darstellungen eines Überlappstoßes mit angedeutetem Laserstrahl und
  • 4 Darstellungen eines T-Stoßes mit angedeutetem Laserstrahl.
  • In dem Diagramm der 1 ist die Pulsenergie eines Lasers für eine Durchschweißung von Kupfer- und Aluminiumblechen bei einer bestimmten Pulsleistung eines Lasers mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich gr und für einen Laser mit einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich IR aufgetragen.
  • Wie zu erkennen ist, liegen die Bereiche für die Kupferlegierung SE-Cu und die Aluminiumlegierung ALMg3 bei Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich gr deutlich näher beieinander als bei Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge im infraroten Spektralbereich IR. Damit lassen sich mit einem Laser mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich gr deutlich bessere Schweißergebnisse erzielen.
  • 2 zeigt drei Varianten eines Stumpfstoßes bei der Verbindung zweier Metallblechwerkstücke, von denen jeweils eines aus Aluminimum Al oder einer Aluminiumlegierung wie beispielsweise AlMg3 ist und das andere aus Kupfer Cu oder einer Kupferlegierung wie SE-Cu. Durch eine Linie LS ist ein Laserstrahl angedeutet, der in erfindungsgemäßer Weise durch das Kupferwerkstück auf die Verbindungsstelle geführt wird.
  • In gleicher Weise zeigt die 3 drei Varianten eines Überlappstoßes und 4 drei Varianten eines T-Stoßes. In allen Fällen werden wieder ein Werkstück aus Kupfer Cu oder einer Kupferlegierung und ein Werkstück aus Aluminimum Al oder einer Aluminiumlegierung miteinander verschweißt, wobei durch Linien LS ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im grünen Spektralbereich angedeutet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5083007 A [0001]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks aus Kupfer (Cu) mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels eines Laserstrahls (LS), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück aus Aluminium (Al) ist und der Laserstrahl (LS) eine Wellenlänge ausschließlich im grünen Spektralbereich hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) durch das Werkstück aus Kupfer (Cu) auf die Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Werkstücks geführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Schweißverbindung ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (Cu) mit einem Material beschichtet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Gold ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109352177A (zh) * 2018-11-22 2019-02-19 中国航空制造技术研究院 一种激光焊接t型接头角变形控制方法及系统

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US5083007A (en) 1990-08-01 1992-01-21 Microelectronics And Computer Technology Corporation Bonding metal electrical members with a frequency doubled pulsed laser beam
US20040131092A1 (en) * 2003-01-06 2004-07-08 Shinichi Nakayama Green welding laser
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