Laser-Mikroschweißen von Metallen in der Elektronik-Fertigung

Bild 1: Laserschweißwerkzeug LSW 01 mit Bearbeitungsoptik. Das kompakte Werkzeug ist geeignet für Roboteranbau.Alle Bilder: Wolf Produktionssysteme

Konkret werden bei Baugruppen und Produkten immer größere Funktionsumfänge und Leistungsdichten gefordert. Die Miniaturisierung nimmt zu. Fügestellen, insbesondere elektrische Verbindungen, müssen für immer höhere Temperaturen ausgelegt werden. Häufig müssen dabei auch ungleiche Metalle wie zum Beispiel Kupfer mit Eisen verschweißt werden. Das Laser-Mikroschweißen kann diese Aufgabenstellungen vergleichsweise gut erfüllen, weil der Einergieeintrag über den Laser zeitlich und örtlich sehr gut auf den Fügeprozess abgestimmt werden kann.

Typische Verbindungsgeometrien der Bauteile

Typische Mikroschweißaufgaben können unterteilt werden in Stumpfstoßschweißen und Überlappschweißen von (mehr oder weniger ähnlich großen) Bauteilen. In elektrotechnischen Produkten hat das obenliegende Werkstück allerdings häufig einen wesentlich kleineren Querschnitt als das untenliegende, das heißt es ist ein Draht oder im weitesten Sinne ein Blechstreifen beziehungsweise Anschlussbeinchen. Dies ist eine weitere geometrische Anordnung der zu verschweißenden Bauteile und somit können drei prinzipielle Anordnungen der Werkstücke unterschieden werden. Häufig sind die zu verschweißenden Werkstoffe Kupfer, Messing (CuZn) oder Stahl.

Prozess- und Maschinentechnik für das Lasermikroschweißen

Beim automatischen Mikroschweißen mit Laserstrahlen müssen folgende wesentliche Anforderungen berücksichtigt werden:

• Beim Stumpfstoßschweißen muss der Spalt genau getroffen werden. Das Spaltmaß sollte minimal (Nullspalt) sein. Der Spalt sollte deutlich kleiner sein als der Fokusdurchmesser der Laserstrahlung, das heißt er sollte maximal 10 % des Fokusdurchmessers betragen.
• Die Absorption der Laserstrahlung ist beim Werkstoff Kupfer je nach Zustand der Oberfläche stark schwankend.
• Ein definierter Durchmesser der Schweißzone muss sichergestellt werden.
• Eine ausreichende Einschweißtiefe muss sichergestellt werden.
• Zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und Vermeidung von Fehlern sollte der Schweißprozess überwacht werden.

Entsprechend diesen Anforderungen hat der Hersteller seine Mikroschweißmaschinen entwickelt und die dafür erforderliche Prozesstechnik integriert. Es können damit sowohl Punkt- als auch Bahnschweißungen gemacht werden.

Bild 2: Beispiel für Laser Puls Shaping, eine der Besonderheiten des Quasi-CW-Faserlasers.

Das Herzstück der Maschine ist das Schweißwerkzeug LSW01 mit Bearbeitungsoptik (Bild 1). Das Werkzeug wird mit Hilfe von NC-Dreh- und -Linearachsen relativ zu den Werkstücken positioniert. Als Laserquelle dient ein Quasi-CW-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1.070 nm. Mit einer CW-Leistung von 300 W und einer Pulsspitzenleistung von 3 kW ist der Laser auch für etwas „gröbere“ Aufgaben noch ausreichend dimensioniert. Die Laserstrahlung gelangt über Lichtleiter in die Bearbeitungsoptik.

Bild 3: Bauelement-Beinchen aufgeschweißt auf ein Stanzgitter.

Zur exakten Positionierung der Laserstrahlung wird mit einem Bildverarbeitungssystem eine Lageerkennung und entsprechende Positionskorrektur vorgenommen. Die dafür notwendige hochauflösende CCD-Kamera wurde in den Strahlengang der Bearbeitungsoptik integriert. Darüber hinaus verfügt die Bearbeitungsoptik über eine Wasserkühlung, die bei den hohen Laserleistungen erforderlich ist.

Um die Verschmutzung zu minimieren verfügt das Schweißwerkzeug über ein sogenanntes Air-Knife, eine scharfe Luftströmung, die verhindert, dass sich Schweißrauch und -partikel auf dem Abschlussglas niederschlagen.

Bild 4: Rechteckstift an Weicheisenpaket eines Stators angeschweißt.

Um die gewünschte Breite der Schweißzone zu realisieren verfügt das Schweißwerkzeug über einen Pendelmechanismus. Damit kann der Laserstrahl in x- und y-Richtung beliebig ausgelenkt werden. Typischerweise beschreibt er eine Kreisbahn mit einem frei programmierbaren Durchmesser mit bis zu 1 mm. Bei Mikroschweißungen liegt die Auslenkung eher im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm. Die Frequenz der Auslenkung ist zwischen 5 bis 50 Hz programmierbar.

Um eine hohe und reproduzierbare Einschweißtiefe zu ermöglichen ist nicht nur eine hohe Pulsleistung sondern auch eine definierte Pulsdauer notwendig. Der verwendete Faserlaser ist dafür entsprechend ausgelegt. Trotz dieser Möglichkeiten führt das ungünstige Absorptionsverhalten von Kupferwerkstoffen zu nicht akzeptablen Schwankungen in der Einschweißtiefe. Durch eine über die Pulsdauer variable Pulsleistung, das sogenannte Laser Puls Shaping (Bild 2), kann auch bei Kupfer eine gleichbleibend hohe Einschweißtiefe erreicht werden.

Bild 5: Dünndraht aus Kupfer mit 0,2 mm prozesssicher angeschweißt.

Die beim Makro-Schweißen bekannten Überwachungssysteme sind beim Mikroschweißen nicht anwendbar, so dass eine Echtzeitüberwachung fehlt. Wichtige Rückschlüsse auf den Schweißprozess und die Qualität ermöglicht jedoch eine Infrarotkamera. Dazu muss das das örtliche Temperaturprofil und der Temperaturverlauf beim Abkühlen nach der Schweißung ausgewertet werden.

Praxis-Beispiele für das Laser-Mikroschweißen

Bild 6: Schliffbild der Schweißstelle Bild 6 – Dünndraht aus Kupfer mit 0,2 mm.

Eine typische Mikroschweiß-Anwendung ist das Fügen von Bauelement-Beinchen auf ein Stanzgitter (Bild 3). Die Dicke und Masse der Unterlage beziehungsweise des Fügepartners ist unerheblich. So ist zum Beispiel auch das Anschweißen eines Anschlusses mit rechteckigem Querschnitt an ein Weicheisenpaket möglich (Bild 4). Derartige Weicheisenpakete finden sich zum Beispiel in Elektromotoren.

Mit dem Laserschweißwerkzeug LSW01 können aber selbst feinste Drähte mit einem Durchmesser von 0,2 mm angeschweißt werden (Bild 5). Voraussetzung ist, dass der Draht ausreichend an die Unterlage angepresst wird. Das Schliffbild zeigt, dass der Draht über den ganzen Querschnitt angeschweißt wurde (Bild 6).

Bild 7: Stumpfstoß-Schweißung mit umlaufender Schweißnaht.

Auch Stumpstoßschweißen mit einer umlaufenden Schweißnaht ist möglich (Bild 7). Durch die sehr schnelle Erwärmung und kleine Schweißzonen ist die Wärmebelastung der Werkstücke minimal, Verzug und Rissbildung wird vermieden.

Productronica 2015: Halle A4, Stand 213

(dw)