Vortrag Industriearbeitskreis LASAG.pdf - Optomat

Schweiss-Strategien mit 

Gepulsten Nd:YAG-Lasern 

In der Mikrotechnik 

-Übersicht über Laser Schweiss- 

Strategien 

-Punktschweissen mit geregelten 

Pulsen 

-Konturschweissen 

-Moderne Schweisslasersysteme 

für die Mikrotechnik 

-Zusammenfassung 

A COMPANY OF THE ILT04_#01

Welcher Laserstrahl ist für welche Materialien 

geeignet ? 

Exzimer YAG CO 2 

4f 3f 2f Diode 

INDUSTRIAL- LASERS 

A COMPANY OF THE 

Absorption (%) - Wellenlänge (µm) 

Abtragen 

Bohren 

Schneiden 

Schweissen 

Material 

Edelstähle 

Leichte Metalls(Ti) 

Edelmetalle 

Hartmetalle 

Keramiken 

Kristalle 

organische Stoffe 

Glässer 

Präzision: 

0.1mm 

0.01mm 

0.001mm 

Schweisstiefe 0.5mm 

(Stahl) 2mm 

4mm 

HAZ/deformation 0.1(mm) 

WEZ/Verformung 0.01 

0.001 

Strahlführung 

CO 2 Diode YAG 

cw 

- 

+ 

+ 

+ 

+ 

0 

- 

- 

+ 

(+) 

0 

+ 

Speed(m/min) >10

W/cm 2 

10 8 

10 7 

10 6 

10 5 



„Prozesskarte“ Laser-Materialbearbeitung 

QS-Laser therm. Laserpulse (Nd:YAG) cw-Nd:YAG,CO 2 

Ionisation Verdampfen Schmelzen 

Strukturieren 

Gravieren 

Bohren 

1J/cm 2 

10 6 J/cm 2 

Schneiden 

Tief 

Schweissen 

WL 

Schweissen 

10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 

Wechselwirkungszeit oder Pulsdauer (s) 

ILT04_#03

Kugler(92) 



Schweissprozesse 

a) Wärmeleitschweissen b) Tiefschweissen c) Keyhole Schweissen 

ILT04_#04



Schweissprozesse 

Wärmeleitschweissen Keyholeschweissen 

HAZ ausgedehnt weniger ausgedehnt 

Deformation stark weniger stark 

Leistung (MW/cm 2 ) 1 für hochreflect.Metalle) > 1 

Aspect 1 - 1.5 1 – 5 

Materialverlust nein gering 

Effizienz vernünftig besser 

Schweisstiefe bis 0.5mm bis 3mm 

Daumenregel: Tiefe= 0.1mm x Pulslänge (ms) (Stahl) ; Metalle mit guter Leitfähigkeit: kürzere Pulse 

ILT04_#05

Schweiss Prozess: Konvektion in der Schmelze 



Marangoni Konvektion (Dynamik des Schmelzpools) 

Temperatur-und Konzentrationsgradienten führen zu 

Schmelzdurchmischung und 

Oberflächenspannungsmodifikationen 

(Durchmischungsgeschwindigkeit: m/s) 

σ(Τ) = σ m + δσ/δΤ (Τ−Τ m ) 

(Index m bezieht sich auf Schmelze)) 

(σ = Oberflächen Spannungstensor) 

ILT04_#06



Laserstrahl - Schweiss - Strategien 

Punktschweissen Kontur Schweissen 

Nd:YAG (p) Nd:YAG(p) Nd:YAG(cw) 

Einzelpunkt 

Punktreihe 

Einzelpuls Pulsserie 

High-Speed 

*SHADOW* 

Scanner 

CNC 

Rotationsachse 

Strahlformung 

Optik(Axicon, Zylind. 

Binäre Optik 

Fiberoptik 

Saumschweissen 

ILT04_#07



Punktschweissung eines IT-Steckers 

Laser: 

SLS 200 C 

Material: Cu 

Bearbeitungsergebnis: 

reproduzierbar 

ILT04_#08



Laserbohren, Verrunden, „Enthärten“ 

von Sacklöchern in Chirurgienadeln 

Material: Edelstahl 

Prozessergebnisse: 

Eintritt: 0.05-0.4 µm 

Eintritt: rund oder scharf 

Aspect: 1:4-1:8 

Härte

A 

0 



B 

1 

2 

γ 

Schweissen mit Pulsform 

3 

δ 

Puls Formung: 

Anpassung der Intensität/Energieeinbringung 

an die Schmelzdynamik 

Phase 0: Aufheizung der Oberfläche 

(Absorption nimmt zu) 

Phase 1 Schweissbeginn 

(bestimmt Geometrie/Tiefe) 

nicht zu schnell aufheizen um Prozess 

stabil zu halten 

Achtung: Absorption ändert sich beim 

Übergang in die Schmelzphase 

Phase 2: Einstellung der Schmelzbad Geometrie 

Optimierung (Spritzer, Risse) 

Phase 3: Optimierung der Abkühlphase 

(Risse, Oberflächenqualität) 

ILT04_#010



Prozessicherheit ohne Mehraufwand 

Anwendungsbeispiel: Heatsinks auf Leadframes 

Yield: 99.9% 

Wst.: CuFe2P 

Laser: KLS 200 C 

Paramater: 20 Hz, 2 J Pulsenergie, 

3 ms Pulslänge 

Spotgrösse: 300 µm 

- Aktivierung der Cu-Oberfläche durch Vorpulsphase 

Pulsform: 

- hohe Puls-zu-Puls-Stabilität durch Pulsleistungsregelung 

- Sichere Einkopplung durch gesteuerte Pulsleistungsüberhöhung 

ILT04_#011



Schweissen mit optimierter Pulsform: 

metallurgischer Puls 

Möglicher Einfluss des „metallurgischen“ Pulses: 

Bessere Einkopplung in das Key-Hole durch 

Anpassung an Plasmafluktuationen(10-20kHz) 

Modulation der axialen (x) Temperaturverteilung 

Und damit Beeinflussung der Konvektion 

δ 2 T/δx 2 = 1/a dT/dt (1/a = ρc/λ) 

T(x,t) = f(x)e iωt f(x) = b e cx 

T(x,t) = b exp((ωa/2) 1/2 x) exp((iω(t - x/(2ω/a) 1/2 ) 

Konsequenz: Ausbreitungsgeschwindigkeit nimmt mit 

Modulationsfrequenz zu, Dämpfung ebenso 

ILT04_#012






Einzelpunkt 

Punktreihe 


High-Speed 

*SHADOW* 

Scanner/CNC 


Strahlformung 


Binäre Optik 

Fiberoptik 


ILT04_#013

Einfluss der Pulsform auf das Schweissergebnis 

bei Aluminium 



ILT04_#014



Titan - Schweissen mit optimierter Pulsform 

ILT04_#015



Schweissen von Al bzw Al Verbindungen 

Puls Dauer – Schweisstiefe 

Gut Schweissbar 

Al (>99,5)(1xxx): 

AlSi(4xxx/5xxx/6xxx): 

AlCu(2xxx/7xxx): 

(EN 573) 

Oxydation vermeiden 

Schmelzpt Al 2 O 3 :2045C 

Al : 700C 

Verdampf- Al : 2200C 

Schnelle Abkühlung vermeiden 

Verschmutzung vermeiden 

Mit Ar arbeiten (beide Seiten) 

Schweissbare Kombinationen: 

Al – Al 

Al – Cu 

Al – Ni 

Al -- Ti 

ILT04_#016



Schweissbarkeit: Ti/Ti-Verbindungen 

Vermeide O 2 ,N 2 und H 2 

Reines Ar oder He/Ar verwenden 

(on both sides) 

Farbe deutet auf Kontamination: 

Gold/Stroh (geringe N2 Kontamination) 

Blau (starke Kontamination) 

Vermeide verschmutzte Oberflächen 

Verschweissung mit anderen Materialien 

Führt oft zu Rissen/Versprödung 

Ti und Verbindungen(Ti6Al4V or Ti6242) 

unter Argon und Puffermaterial 

schweissbar 

ILT04_#017



Saumschweissen Nitinol – Edelstahl 

(Endoskop) 

Fiber Strahl 400µm 

Material: Nitinol- Edelstahl 

Laserpuls-Parameter: 

1.6 J / 2 ms 

Prozess Parameter: 

Frequenz 20 Hz 

Gas: Stickstoff 

Applikationsergebnisse : 

Zeit: 6s 

Breite: 0.6 mm 

Tiefe : 0.2mm 

ILT04_#018






Einzelpunkt 

Punktreihe 


High-Speed 

*SHADOW* 

Scanner 

CNC 


Strahlformung 


Binäre Optik 

Fiberoptik) 


ILT04_#019



Fügen funktionaler biocompatibler Metalle 

Punkt-/Saumschweissen mit SHADOW Schweissen 

Rechteckpulsen zeitlich geformten Pulsen 

-Geschwindigkeit ~m/min -Geschwindigkeit ~m/s 

--Temperaturausbreitung >>Geschwindigkeit --Temperaturausbreitung`~ Geschwindigkeit 

--Strecke innerhalb Pulsdauer> Spot --Strecke innerhalb Pulsdauer >>> Spot 

--Eingriff in Dynamik des --Schmelzpool nicht im Gleichgewicht 

Schmelzpools 

Erhoffte Vorteile Erhoffte Vorteile 

-bessere Schweisseffizienz -bessere Schweisseffizienz 

-Schweissung ungl.Materialien -Schweissung ungleicher Materialien 

-höhere Reproduzierbarkeit -weniger Wärmeschäden 

ILT04_#020



Verfahrensvergleich gepulste Nahtschweissung - SHADOW 

Anwendungsbeispiel: Schweissen von Lagern, 

Forderungen: rissfrei, 1500 N Abrisskraft 

Variante 1: konventionell 

Wst.: 1.4110 


Paramater: 50 Hz, 6 ms, 50 W mittl. Leistung, 

Schweisszeit 1 s 

Pulsform: 

Variante 2: SHADOW 

Wst.: 1.4110 


Paramater: POD, 10 ms, 0.65 kW Pulsleistung 

ILT04_#021



Moderne Nd:YAG Schweisslaser 

Schnelle Pulsleistungsregelung: 

1. Steuerung der Erstarrung durch 

Regelung des thermischen 

Pulsverlaufes 

2. Beeinflussung der 

Schmelzbaddynamik durch 

Modulation 

des Pulsverlaufes 

ILT04_#022



Welding: laser weldability of material:similar metals 

Al 

Be 

Cd 

Cr 

Co 

Cu 

Au 

Fe 

Pb 

Mg 

Aluminium Ar gas ,cracks and pores with Al-Alloys(improvement with pulse shaping and cw-las 

Beryllium hazardous vapor 

Cadmium 

Chromium 

Cobalt 

Copper narrow appl. Window (high energy, risk of sputtering, clean surface) 

Gold narrow appl.window risk of sputtering 

Iron 

Lead 

Magnesium (Argon gas protection) 

Manganese 

Molybdenium micro cracks (improvement by pulse forming and cw-laser) 

Nickel good penetration 

Palladium 

Platinium 

Silver 

Tantalum tile weld,gas protection 

Tin 

Titanium ductile weld ,Ar gas protection, fire hazard 

Tungsten porous/brittle weld due to high melting T and good conductivity 

Vanadium 

Zinc 

Zirconium ductile weld , gas protection 

Mn 

Mo 

Ni 

good acceptable bad no information 

Pa 

Pt 

Ag 

Ta 

Sn 

Ti 

W 

Va 

Zn 

Zr 

ILT04_#023



Welding: laser weldability of material: dissimilar metals 

Al 

Be 

Cd 

Cr 

Co 

Cu 

Pulsed Nd:YAG laser with pulse shape 

Au 

Fe 

Pb 

Mg 

Aluminium ?? ?? ?? ? ? ? G ?? A ? ?? ? ?? ?? ? ?? ?? ? ?? ? ?? ? 

Beryllium B G ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ? 

Cadmium B G ?? ?? ?? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? G ?? ?? ?? ? ? ?? ? 

Chromium B B B G ?? ? VG ? ?? ? VG G G G ?? ?? ?? G VG G ?? ? 

Cobalt A A B G ? ?? VG ? ?? ? ? VG VG VG ?? ?? ?? ? ? ? ? ? 

Copper A A B B A VG ? ? ? ? ?? VG VG VG ? ?? ?? ? ?? ? G ? 

Gold A A A A B VG ? ? ? ? ?? VG VG VG VG ?? ? ? ? ? ? ? 

Iron A A B VG VG A A ? ?? ? G G G G ?? ? ?? A ? ? ? ? 

Lead B B B B B B B ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? 

Magnesium A B A B B A A B B ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ? 

Manganese G G G ? G ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? 

Molybdenium B B VG A B B G B B ? G G ?? VG ?? VG VG G ?? G 

Nickel A A A G VG VG VG G B B A VG VG ?? G ?? ? ? G ? ? 

Palladium B A A G VG VG VG G B B G VG VG VG G ? ? ? G ? ? 

Platinium B B A G VG VG VG G B B G VG VG ? ? ? ? G ? ?? ? 

Silver A G B B A VG B B A B B VG A ?? ? ? ?? ?? G ?? 

Tantal B B B B B A VG G G A B ? VG VG ?? ?? G 

Tin B B B B B B VG B A B B B A A A B ?? ?? ?? ?? ?? 

Titanium A B B G A A A A B B VG A A A A VG B ? ? ? ? 

Tungsten B B VG A B A B B VG A A G B VG B A G ? ? 

Vanadium G A A B G G G A B B B A G ? ? 

Zinc A B B B A G A A B B B A A B G B B B B ? 

Zirconium A A A G A A A B G B A 

B = bad / A = acceptable / G = good / VG = very good 

Mn 

Mo 

Ni 

Pa 

Pt 

Ag 

Ta 

Pulsed Nd:YAG laser (without pulse shaping) 

Sn 

Ti 

W 

Va 

Zn 

Zr 

ILT04_#024

Lasag is located in the region of Bern, in Thun, Switzerland 



LASAG AG 

Mittlere Strasse 52 

CH-3600 Thun 

LASAG Industrial Lasers 

A Division of the Swatch Group (US) Inc. 

601 Campus Drive, Suite B-5 

Arlington Heights,IL 60004 / USA 

LASAG Industrial Lasers, A Division of 

THE SWATCH GROUP (DEUTSCHLAND) GmbH 

Maximilianstrasse 46 

D-75172 Pforzheim / GERMANY 

LASAG Japan 

Dai-ni Marutaka Bldg., 9th Floor 13-8 

Ginza 7-chome, Chuo-ku, Tokyo, 

104-0061 JAPAN 

ILT04_#025

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