Porenbildung beim Schweißen von Kupferwerkstoffen unter Verwendung von Laserstrahlung im grünen Wellenlängenbereich

Der Einsatz von herkömmlicher, infraroter Laserstrahlung für das Schweißen von Kupfer ist mit zahlreichen Herausforderungen, wie der Bildung von Prozessporen, Spritzern und Materialauswürfen verbunden. Ein Optimierungsansatz stellt diesbezüglich die Verwendung von grüner und blauer Laserstrahlung dar. Aufgrund der höheren Absorption von Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich lassen sich geringe Aspektverhältnisse der Dampfkapillare beim Schweißen realisieren (Verhältnis Tiefe zu Breite: < 5), was zur Stabilisierung der Dampfkapillare und zur Reduzierung auftretender Prozessinstabilitäten und Nahtdefekte führt.

Jedoch tritt in diesem Zusammenhang eine Art der Porenbildung auf, die bisher für das Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen nicht beobachtet wurde. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die zugrunde liegenden Wirkmechanismen dieser sogenannten Gasporenbildung untersucht. Durch die Applizierung definierter Umgebungsgasatmosphären während des Schweißprozesses konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Gasporenbildung auf zwei unterschiedlichen Wirkmechanismen beruht, die der metallurgischen Porenbildung und der Reaktionsporenbildung. Es wurde gezeigt, dass die Gasporenbildung im Zusammenhang mit der Existenz von Stickstoff und Sauerstoff im Umgebungsgas steht. Während die Aufnahme von Stickstoff zur metallurgischen Porenbildung führt, ist die gleichzeitige Aufnahme von Stickstoff und Sauerstoff, beispielsweise beim Schweißen unter atmosphärischer Luft, mit der Bildung von Reaktionsporen verbunden. Mittels der Methode der Heißgasextraktion konnte die Existenz dieser Elemente im Schweißgut nachgewiesen, und damit deren Aufnahme während des Schweißens im schmelzflüssigen Kupfer gezeigt werden. Das Auftreten von metallurgischer Porenbildung und Reaktionsporenbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit in einer modellhaften Vorstellung zusammengeführt, welche durch die Ergebnisse unterschiedlicher experimenteller Untersuchungen gestützt wird. Ferner konnte gezeigt werden, dass zudem ein werkstoffseitiger Einfluss auf die Gasporenbildung besteht, der auf den Restsauerstoffgehalt des Grundmaterials zurückzuführen ist.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden zahlreiche Maßnahmen zur Reduzierung oder Vermeidung der Porenbildung abgeleitet.

Laser welding of copper materials is a challenging task since it often suffers from the formation of spatters, material ejections and process pores during welding. One possibility to overcome this difficulty is the usage of green and blue laser light for welding. Due to the increased absorption of green and blue laser light in copper materials the ratio of depth to width of the keyhole (aspect ratio) can be reduced significantly (depth/width < 5). This leads to a significant stabilization of the keyhole and therefore to a reduction of weld defects and instabilities such as material ejections.

However, a so far unknown type of porosity is observed when a decreased aspect ratio of the capillary is used for laser welding of copper materials. The formation of this type of porosity was investigated fundamentally within this work. Welding experiments were carried out in well-defined gas atmospheres in order to investigate the influence of different ambient gaseous elements on the formation of pores. It was found that the absorption of gases in the liquid material leads to two types of gas porosity: metallurgical porosity and porosity due to reaction of different gases in the molten material. As discussed in this work, both effects are based on the existence of nitrogen and oxygen in the ambient gas during welding. It was found that pure nitrogen leads to the formation of metallurgical porosity while the co-existence of nitrogen and oxygen in the ambient gas during welding leads to a reaction of both elements in the liquid copper and therefore to another type of porosity. The existence of nitrogen and oxygen in the welded copper material was verified using the carrier gas hot extraction method. Based on the experimental results which are discussed within this work a model was derived, which describes the simultaneous formation of metallurgical porosity and porosity due to reaction of nitrogen and oxygen in the molten material. It was also found that an increased content of residual oxygen in the raw material can lead to another type of gas porosity, regardless of which ambient gas is applied during welding.

Based on the results discussed in this work, several measures were derived in order to reduce or even to avoid gas porosity during laser welding of copper materials.