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Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt
Mecklenburg-Vorpommern GmbH
Laser in der industriellen FertigungDipl.-Phys. Jan Hoffmann
Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern
Alter Hafen Süd 4
18069 Rostock
Tel.: 0381 811 5010
Fax: 0381 811 5099
E-Mail: [email protected]
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Vorteile der Lasermaterialbearbeitung
hohe Energiedichte
geringe Wärmeeinflusszone
geringe Wärmebelastung (minimaler Verzug)
hohe Prozessgeschwindigkeit
berührungslose Bearbeitung
trägheitsfrei
nichtleitende Werkstoffe bearbeitbar
kein Werkzeugverschleiß
große Flexibilität
gut automatisierbar
LSB 1.ppt
Zusammenfassung Teil I
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Aufbau einer Station zur Lasermaterialbearbeitung
LaserstrahlquelleStrahlführung
Strahlformung
Bearbeitung
QualitätssicherungHandhabung
Sicherheit
Prozeßkontrolle
Rahmenbedingungen
Zusammenfassung Teil I
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Die Laserstrahlung besitzt im Vergleich zu einer natürlichen
Lichtquelle eine Reihe charakteristischer Eigenschaften, v.a.:
• Monochromasie
• Kohärenz (zeitlich und räumlich)
• hohe Fokussierbarkeit
• kurze Impulsdauer
Laser:
Emission in einer Richtung mit einer
Frequenz.
Glühbirne, Taschenlampe:
Emission in alle Richtungen mit
unterschiedlichen Frequenzen.
Zusammenfassung Teil I
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Lichtverstärkung durch stimulierte Emission Laser
Voraussetzung: Besetzungsinversion,
d.h. mehr Ionen im angeregten Zustand als im Grundzustand!
Erzeugen der Besetzungsinversion
durch Zuführung von Energie.
z.B. Pumplicht, elektr. Anregung
Zusammenfassung Teil I
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3
1
2
5
4
6
1. Aktives Medium
2. teildurchlässiger
Auskoppelspiegel
3. hochreflektierender
Endspiegel
4. Anregung
5. Stimulierte Emission
6. Laserstrahl
Laserresonator
Anordnung, Krümmungsradien und Abstand der Spiegel
bestimmen den elektromagnetische. Eigenschwingungszustand
(Schwingungsmode) des Strahls.
Zusammenfassung Teil I
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Gaslaser
CO2-Laser: 10,6 µm (fern-IR)
HeNe-Laser: 633 nm (rot)
Excimer-Laser: 175 - 483 nm (UV)
FestkörperlaserRubin-Laser: 694 nm (rot)
Nd:YAG Laser: 1064 nm (nah-IR)
Yb:Glas Faserlaser: 1070 nm
Yb:YAG Scheibenlaser: 1030 nm
Farbstofflaserje nach Farbstoff
ca. 300 nm - 1,2 µm
HalbleiterlaserGalnP 670 - 680 nm,
GaAlAs 780 - 880 nm
Hochleistungsdiodenlaser
808, 940, 980 nm
1 nm
10 nm
100 nm
1 µm
10 µm
100 µm
1 mm
Röntgen-
Strahlung
Ultraviolett
sichtbares
Licht
Infrarot-
StrahlungHalb
leit
erl
as
er
Farb
sto
ff
-la
se
r
Excimerlaser
Argon
Gaslaser
Helium-Neon
Gaslaser
Rubinlaser
Neodymlaser
chem. Laser
CO, CO2 Gaslaser
optisch angeregte
Gaslaser
Zusammenfassung Teil I
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Gliederung der Vorlesung
1. Einführung
2. Physikalische Grundlagen des Lasers
3. Lasertypen
4. Strahlführung/ -formung
5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren
5.1 Lasertrennen
5.2 Laserfügen
5.3 Oberflächenbehandlung
5.4 Lasermikrostrukturierung
5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping
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Eigenschaften des Rohstrahls
(Gaußscher Strahl)
Fokussierbarkeit des Laserstrahls ist entscheidend für die Materialbearbeitung
Charakterisierung eines rotationssymmetrischen Laserstrahls durch:
• Lage der Strahltaille z0
• Radius der Strahltaille w0
• Divergenzwinkel 0
Beschreibung der Qualität durch Strahlqualitätskennzahl (K) und
Strahlparameterprodukt (SPP).
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Strahlparameterprodukt SPP:
SPP = w0 0
w0 – Radius der Strahltaille,
0 – Fernfelddivergenzwinkel
typisches SPP: 1 - 25 mm*mrad
Eigenschaften des Rohstrahls
Strahlparameterprodukt
Das SPP ist definiert als das Produkt des Strahlradius am Ort der
Strahltaille und der Fernfelddivergenzwinkel und wird in der Einheit
mm*mrad angegeben.
Je höher das SPP, desto schlechter die Strahlqualität!
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Eigenschaften des Rohstrahls
Strahlparameterprodukt
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Rayleighlänge zR:
w0 – Radius der Strahltaille
– Wellenlänge
K – Strahlqualitätskennzahl
Kw
zR
)( 2
0
Eigenschaften des Rohstrahls
Rayleighlänge
Die Rayleighlänge eines Laserstrahls ist der Abstand von der Strahl-
taille, bei der sich die Querschnittsfläche des Strahls verdoppelt hat.
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Modenstruktur, Schwingungszustand:
Im Rohstrahl liegen in Abhängigkeit von der Bauform des Resonators bestimmte
elektromagnetische Eigenschwingungszustände vor.
Der transversale elektromagnetische Eigenschwingungszustand (Schwingungsmode,
Mode) wird mit TEMmn (Hermite – Moden) oder TEMpl (Laguerre – Moden) bezeichnet
und kennzeichnet die Verteilung der Strahlleistung über den Strahlquerschnitt.
Mit den Indizes m und n bzw. p und l erfolgt die Einteilung bzw. Kennzeichnung der
Modenstruktur.
Beispiel:
TEM00 Grundschwingung, Gaußverteilung der Leistung über den Strahlquerschnitt
Eigenschaften des Rohstrahls
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Transversale elektromagnetische
Eigenschwingungszustände
Anzahl der Knotenlinien und
lateralen Modenzahlen:
{m,n} für Hermite
(rechteckige Symmetrie)
{p,l} für Laguerre
(zylindrische Symmetrie)
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Transversale elektromagnetische
Eigenschwingungszustände
Der K-Faktor (normierte Strahlqualitätszahl) dient der Beurteilung einer
Strahlquelle in Hinblick auf ihre Strahlqualität und liegt zwischen 0 und 1.
Da er auf den gaußschen Grundmode bezogen ist, erhält dieser den Wert 1.
Strahlqualitätskennzahl K:
2
0000
00 1
)(
)(
Mww
wK
real
Gauß10 K
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Longitudinale elektromagnetische
Eigenschwingungszustände
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Die wesentliche Aufgabe der Strahldiagnostik:
Erfassung der Strahlqualität durch die räumliche und zeitliche Abtastung des
Laserstrahls.
a) räumliche Verteilung der Strahlleistung über den Strahlquerschnitt
Ergebnisse sind Informationen über den Eigenschwingungszustände
(Modenstruktur), das Strahlparameterprodukt sowie die Strahlqualitäts-
kennzahl.
b) zeitliche Fluktuation der Strahlleistung
Man erhält Informationen über die zeitlichen Schwankungen der
Strahlleistung sowie die mögliche optische Rückkopplung, die zwischen
den Resonatorspiegeln der Strahlquelle und der Oberfläche des
Werkstückes auftreten kann.
c) Ermittlung Strahllage, Strahlradius, Rayleighlänge, Strahldivergenz
Strahldiagnostik
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Linienzoomoptik, 1:1 Integratoroptik, 1:1
Schweißoptik, 1:1
Einbrände in durchsichtiges Polymer (PMMA):
Draufsicht
Seitenansicht
Qualitative Strahldiagnostik
Einbrände in Papier:
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Messung der Strahlleistung
Dabei wird ein Teil des Laserstrahls auf den Detektor geführt und dort absorbiert.
Anhand der Erwärmung kann auf die Leistung zurückgerechnet werden.
Quantitative Strahldiagnostik
Schematischer Aufbau einer kalorimetrischen Strahlfalle
Typen
• Pyroelektrischer Detektor
• Thermopile-Detektor
• Kalorimetrische Strahlfalle (engl. Beam Dump)
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Quantitative Strahldiagnostik
Schematischer Aufbau eines blendenbasierten
Detektors
CCD-Detektor
Schlitzbasierter Detektor
Messung des Strahlprofils
Dabei wird ein sehr geringer Teil des Laserstrahls auf den Detektor geführt.
Aufnahme der Leistungsverteilung erfolgt direkt durch CCD-Array oder scannend.
Typen
• Kamerabasierte Detektoren (CCD, pyroelektrisch)
• Scannende Detektoren (Blende, Schlitz, Knife-edge)
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Messung der Strahlprofile mit
CCD-Detektoren
oben links: TEM00 – Mode eines
HeNe-Lasers
unten links: Lasermode eine Nd:YAG
Lasers bei 120 W Ausgangsleistung
Quantitative Strahldiagnostik
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Die Strahlführung hat mehrere wesentliche Aufgaben:
1. Führung des Laserstrahls von der Strahlquelle zum Werkstück
2. Realisierung von Mehrstationenbetrieb mit Hilfe von Strahlteilern
und Strahlweichen
3. Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem
Werkstück
Strahlführung
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Bsp.: flexible Strahlführung
TRUMPF TLA 60 für CO2-
LaserDa ein geringer Anteil der Strahlleistung vom
Spiegelmaterial absorbiert wird, ist i.d.R. eine
Kühlung der Spiegel erforderlich.
Umlenkung des Strahls mit ebenen
Reflexionsspiegeln
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Laser
EK AK
Linse zur
Strahlformung
EK - Einkoppeleinheit
AK - Auskoppeleinheit
Bei kurzwelliger Laserstrahlung (0,16 –
2,5 µm) besteht die Möglichkeit, den
Strahl flexibel mit Lichtleitern zu
führen.
Prinzip der Laserstrahlführung mittels
Lichtleiter
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Prinzip der Strahlteilung
Str
ah
lqu
elle
Station 1; PL/3
Station 2; PL/3
Station 3; PL/3
Strahlteiler 2:1;
teildurchlässig
Strahlteiler 1:1;
teildurchlässig
Endspiegel;
reflektierend
Die Strahlteiler und -weichen sorgen für die Aufteilung
der Strahlleistung auf mehrere Stationen.
Strahlteilertypen
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Prinzip einer Strahlweiche
Laser
S1 S2
Laser
S1 S2
Durch die Nutzung von Strahlweichen
können unterschiedliche Strahlen-
gänge adressiert werden
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Man unterscheidet zwischen fokussierenden und defokussierenden Optiken. Beispiele für
fokussierende Optiken, die man beim Schneiden und Schweißen zur Erzielung einer
hohen Leistungsdichte im Arbeitsbrennfleck anwendet, sind:
a.) transmissive Optiken: Fokussierlinsen, nur geeignet für relativ kleine
Strahlleistungen
b.) reflektive Optiken: Fokussierspiegel
Defokussierende Optiken werden bei der flächigen Bearbeitung von Materialober-
flächen (Festphasenhärten, Umschmelzen) eingesetzt.
Die Materialien, die man zur Herstellung der Optiken verwendet, hängen von der
Wellenlänge der Laserstrahlung ab.
Strahlformung
Die verwendeten Optiken müssen gekühlt werden, um thermische Schädigungen zu
vermeiden (Gas - oder Wasserkühlung).
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Strahlformung
Fokussieren von Laserstrahlen
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Strahlformung
Strahlaufweitung
Galilei-Teleskop Keppler-Teleskop
Prinzip der Strahlaufweitung mittels
Teleskopen in geometrischer Optik
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Strahlformung
Brennweite
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Strahlformung
Schärfentiefe
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Strahlformung
Fokussieren von Laserstrahlen
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Strahlformung
Zusammenfassung
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Trifft der Laserstrahl der Intensität IL auf die Oberfläche eines Werkstoffs, kommt es zuReflexion, Absorption und Transmission.
Reflexionsgrad: R = IR / IL
Absorptionsgrad: A = IA / IL
Transmissionsgrad: T = IT / IL
wobei gilt: R + A + T = 1 (100%)
Lambert-Beersches Gesetz :
I(x) = IL*e – x
x - Wegstrecke im Material- Absorptionskoeffizient
Absorptionskoeffizient für metallische Werkstoffe sehr groß (105 bis 106 cm-1)
optische Eindringtiefe des Laserstrahls im Werkstoff sehr klein (μm – Bereich)
T 0
R + A = 1
Wechselwirkung zwischen
Laserstrahl und Material
ILIR
IA
IT
Material
Luft
x
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Einflussfaktoren
Absorptionsverhalten bestimmt durch
• Laserwellenlänge
• Intensität
• Polarisation
• Einfallswinkel
• elektrische Leitfähigkeit / Reflektivität des Werkstoffs
• Temperatur
• Beschichtungen
• Oberflächenrauigkeit
Nur durch die Berücksichtigung aller Parameter ist ein optimales
Bearbeitungsergebnis zu erzielen!
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Bei der Absorption der Laserstrahlung im Material unterscheidet man zwischen
• normale Absorption (Fresnel-Absorption)
= Wechselwirkungen des Laserstrahls mit den Elektronen des Werkstoffs
• anormale Absorption
= Wechselwirkung mit laserinduzierten Plasmen in der Prozesszone
Bei sehr großer Strahlintensität erfolgt die Ionisation der Werkstoffatome.
Die anormale Absorption bewirkt eine Erhöhung der thermischen
Eindringtiefe des Laserstrahls. Dieser Effekt wird beim Verschweißen
dickwandiger Bleche ausgenutzt (Tiefschweißeffekt).
Absorptionsarten
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Einfluss der Laserwellenlänge auf
den Absorptionsgrad
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Einfluss der Strahlintensität auf die
Einschweißtiefe
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Man unterscheidet zwischen:
Polarisation
lineare Polarisation zirkulare Polarisation
x- und y-Komponente
phasengleich
x- und y-Komponente
phasenverschoben
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Einfluss der Polarisation
lineare Polarisation zirkulare Polarisation
• Absorptionsgrad nicht von der
Bearbeitungsrichtung abhängig
vorteilhaft z.B. beim Schneiden
von runden Konturen
• Abhängigkeit des Absorptionsgrades
vom Einfallwinkel des Strahls
• Erhöhung des Absorptionsgrads EII
bei großen Einfallswinkeln
absorptionssteigernde Maßnahme
beim Schweißen
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Werkstoffe: Reinaluminium und rostbeständiger Stahl, nach Hügel
Abhängigkeit des Absorptionsgrades EII vom Einfallwinkel für einen
linear polarisierten CO2 Laserstrahl und 20°C
Einfluss des Einfallswinkels
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Hagen - Rubens - Beziehung:
– Dielektrizitätskonstante des
Vakuums
– Laserfrequenz
el – elektrische Leitfähigkeit
für den IR-Bereich gilt näherungsweise:
Weitere Einflussfaktoren -
Reflektivität
el
AR2
211
el
R1
1~
Der Reflexionsgrad erhöht sich
mit zunehmender elektrischer
Leitfähigkeit.
Zudem: Abnahme der Reflek-
tivität mit der Wellenlänge
Material Ag Cu Al Fe
el [106 S/m] 61 58 37 10
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Weitere Einflussfaktoren –
Temperatur
Beobachtungen:
• Zunahme der Absorption mit
steigender Temperatur
• spunghafter Anstieg am Schmelz-
punkt
• Wellenlängenunabhängig ober-
halb der Schmelztemperatur
Laserwellenlänge besonders
wichtig bei Oberflächenbearbei-
tung mit wenig Schmelze
Schematische Temperaturabhängigkeit bei Metallen
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Fremdstoffschichten (Oxide, Karbonate, Phosphate, Kohlenstoff, Graphit) auf
der Oberfläche des Werkstoffs beeinflussen den Absorptionsgrad.
Aufgebracht auf das metallische Substrat können sie den Absorptionsgrad
für die Laserstrahlung und damit die Energieeinkopplung steigern.
Weitere Einflussfaktoren -
Beschichtungen / Oberflächenrauigkeit
Beschichtungen
Oberflächenrauigkeit
Auch eine hohe Oberflächenrauigkeit (z.B. durch Sandstrahlen) kann durch
Mehrfachreflexion und -absorption des Laserstrahls am Rauigkeitsprofil zu
einer Erhöhung des Absorptionsgrades führen.
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Handhabungssysteme
Systemanforderungen bestimmt durch
• Bearbeitungsaufgabe
• Geometrie
• Abmessungen (µm – m)
• Masse des Werkstücks (mg – kg)
• Führungsgenauigkeit
• zulässige Toleranzen
• Zuführung / Abtransport Werkstück
Wesentliche Anforderung an die Handhabung ist Relativbewegung
zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück zu realisieren.
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Laser
Kühler
Lichtwellenleiter (Faser)Bearbeitungsoptik
Prinzipaufbau Laseranlage
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Häufig werden zur Handhabung der Werkstücke CNC - gesteuerte Arbeitstische
verwendet, die Translationen (x - , y - und z - Richtung) zwischen dem Laserstrahl und
dem Werkstück realisieren.
Möglichkeiten:
a. Verschiebung des Werkstücks bei feststehendem Strahl
b. Bewegung des Laserstrahls bei feststehendem Werkstück
c. Bewegung sowohl des Laserstrahls und Werkstücks
Solche Handhabungssysteme werden beim Laserschneiden von Bauteilen aus ebenen
Blechen oder Tafeln angewendet.
Für die Bearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke müssen zwischen dem
Laserstrahl und dem Werkstück zusätzlich Drehbewegungen ausgeführt werden.
CNC - gesteuerte
Handhabungssysteme
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Schematische Darstellung
verschiedener Handhabungsprinzipien
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Prozesskontrolle und -regelung
Ziel: Gewährleistung der Fertigungsqualität und -sicherheit
Erfassen der Prozessgrößen
• Temperatur
• Lage
• Geometrie
• Plasma
• Prozessgas
• Homogenität
Zuführen zum Regler
• Auswertung
• Vergleich mit festgelegtem Sollwert
Veränderung der entsprechenden Stellgröße
• Strahlleistung
• Bearbeitungsgeschwindigkeit
• Fokuslage
• Gasdruck
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Werkstück
Handhabungstisch
CNC - Steuerung
PID - Regler Pyrometer
LASER Rohstrahl
Umlenkspiegel
Fokussierlinse
Schematische Darstellung einer tem-
peraturabhängigen Leistungsregelung
Temperaturmessung Vergleich Ist-SollwertAnpassung
LaserleistungRegelung der
Maximaltemperatur
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Schweißtechnische
Lehr- und Versuchsanstalt
Mecklenburg-Vorpommern GmbH
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