Dipl.-lng. (FH) Kar! Niederberger, Höllriegelskreuth

schaftlichkeit, In Kombination mit hochprä-zisen Führungsmaschinen hat sich derLaser in sehr vielen Betrieben einen festenPlatz erobert, Dieser Siegeszug war vorca, 35 Jahren noch nicht zu erahnen, alsder auf theoretischen physikalischen Über-legungen Einsteins beruhende erste Proto-typ eines Lasers in einem amerikanischenLabor zum erstenmal ..strahlte",

Der Laser als Energiequelle

Vereinfacht ausgedrückt ist der Laser eineLichtquelle, die allerdings mit einerüblichen Glühbirne nicht vergleichbar ist.Der Name Laser ist die Abkürzung seinesin Englisch beschriebenen Funktionsprin-zips: "Light Amplification by StimulatedEmission cf Radiation" (Lichtverstärkungdurch angeregtes Aussenden von Strah-lung). Dabei wird der Effekt genutzt. daßes Materialien gibt, die bei Zuführung von

Die Materialbearbeitung kennt eine ganzeReihe von Verfahren, welche konzentrierteWärmequellen als Werkzeug einsetzen.Besonders beim Thermischen Trennen,dem Schweißen und teilweise bei derOberflAchenbearbeitung ist dies der Fall.Bisher standen dafür Gasflammen, derelektrische Lichtbogen und der Plasrna-strahl als erprobte Energiequellen zur Ver-

fügung.

Seit Mitte der achtziger Jahre hat eineneue zusätzliche Wärmequelle mit einzig-artigen Eigenschaften ihren Siegeszug indiesem Kreis angetreten. Es handelt sichdabei um eine Lichtquelle, den Laser:

Das von ihm ausgehende Licht hat so ein-malige Eigenschaften, daß es als Werk-zeug in der Materialbearbeitung bei einerVielzahl von Anwendungen unschlagbarist. Dies gilt sowohl hinsichtlich Qualität,Flexibilität und Arbeitsgeschwindigkeit alsauch tür die Zuverlässigkeit und Wirt-

Anregungsenergie eine ganz besondereArt von Licht aussenden. Materialien, diedazu imstande sind, nennt man "Laser-aktives Medium". Wird einem dieserMedien, die gasförmig, flüssig oder festsein können, zum Beispiel über eine elek-trische Anregung Energie zugeführt, sokönnen die Bausteine dieses Mediums, 10-nen, Atome oder Moleküle, einen Zustandhöherer Energie annehmen. Dieser Zu-stand ist aber instabil, und die Teilchengehen schnell wieder in ihren Grundzu-stand zurück. Dabei wird die zuvor aufge-nommene Energie als Strahlung abgege-ben. Diese Strahlungsabgabe, auch Emis-sion genannt, kann spontan, also unge-richtet oder induziert, in eine bestimmteRichtung abgegeben werden. Eine spon-tane Emission erzeugt Strahlung in belie-bige Raumrichtungen und mit unter-schiedlichen Wellenlängen; dies ist keinLaserlicht, sondern das Licht einer Glüh-birne.

In den laseraktiven Medien allerdings läuftdie Emission induziert ab. Dies bedeutet,daß ein angeregtes Teilchen, veranlaBtdurch die Strahlungsabgabe eines Nach-barteilchens, seine Strahlung (Energie) mitgleicher Richtung und Wellenlänge wiedieses abgibt und selbst wiederum einanderes Teilchen zum gleichen Verhaltenanregt (stimuliert). Dieser Vorgang setztsich kaskadenartig fort und führt so zumEntstehen einer kontinuierlichen Laser-

strahlung (Bild 1).

Anregungsenergie

Spiegelteildurchlässig

Spiegeltotal reflektierend

Eine Laserquelle für die MateriaJbearbei.tung besteht im Prinzip aus drei Haupt-

komponenten.Laser-Leistung

Im Resonator befindet sich das laseraktiveMedium. Er ist mit Spiegeln an beidenEnden versehen, zwischen denen der er-zeugte Laserstrahl zur Verstärkung mehr-mals hin- und herläuft. Die AuskopplungQes nutzbaren Strahls geschieht über ei-nen dieser Spiegel, der teildurchlässig ist.

Die Anregung führt dem Resonator dieEnergie für den LaserprozeB zu. Dies kannoptisch geschehen über Blitzlampen beim

KühlungPrinzipschemB LaserBild 1

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a~~e..BERICHTE AUS ~ECHNIK UND WISSENSCHAB 70/1993

Festkörperlaser oder über eine elektrischeGasentladung beim Gaslaser.

Die Kühlung ist wn entscheidender Be-deutung für die Stabilität des Laserprozes-ses, da durch den physikalisch bedin~tenniedrigen Wirkungsgrad (max. 10-15%beim COa-Laser) der Großteil der einge-brachten Energie als Wärme abgeführt~rden muß.

Der Laserstrahl, welcher aus dem Resona-tor austritt, hat nun ganz besondereEigenschaften. Seine Wellenlänge wird be-stimmt vom laseraktiven Medium. BeimCOa-Gasiaser beträgt sie 10.6 Jlm, b~Neodym-YAG-Festkörperlaser liegt sie bei1,06 Jlm, also bei beiden im unsichtbarenInfrarot-Bereich. Für die Materialbearbei-tung hängt wn der Wellenlänge die Wech-selwirkung des Laserstrahis mit dem Werk-stoff ab, zum Beispiel in der Frage derAbsorption/Reflexion. Als Lichtstrahl unter-liegt der Laserstrahl den Gesetzen derOptik. Das laserlicht eines Resonators hatimmer nur eine Wellenlänge und ist prak-tisch parallel gerichtet. Dies führt bei derFokussierung auf einen Brennfleck zumentscheidenden Vorteil für den laser

(Bild 2).

paralleles Lichteiner Wellenlänge

~minimaler Brennfleck

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Kristall Yttrium-AIuminium-Granat (VAG)das laseraktive Neodym dotiert. Die Anre-gung erfolgt über Blitzlampen, der Laserwird also optisch »gepumpt«. Er wird sehr

oft gepulst betrieben. Nd:YAG-Laser mitbis zu 2 kW leistung sind am Markt ver-fügbar. Aufgrund seiner Wellenlänge von1,06 Jlm kann sein Strahl SOW(jhl über

LASPURe -Gasgemische

Bild 4 - Prinzipschema COz-GasJaser

Egal. ob über Spiegel oder Linsen, derLaserstrahl1ä8t sich optimal auf einenFleck konzentrieren. Diese eng begrenzte,sehr hohe Energieeinbringung ist der ent-scheidende Vorteil des Lasers bei der An-~ndung in der Materialbearbeitung. DerLaser kann Intensitäten von bis zu 10.W/cm2 bieten, dies ist mehr als das1.000fache einer Autogenflamma AuchläBt sich seine Energie kontinuierlich (cw)oder gepulst aus dem Resonator entneh-men. Für besondere Einsatzfälle läßt sichauch eine kurzzeitige Leistungsüberhö-hung, der Superpuls. realisieren, dies zumBeispiel zum LDchstechen ins volle Mate-rial. Der Laserstrahl ist somit ein sehr va-riables Werkzeug.

speziell für Laser z. B.

folgender Hersteller:

Standard-Gasgemische für CP2-Laser und MarkierlaserCP2 N2 He CO O2

LASPUR8101LASPURe207LASPUR8110LASPUR-216LASPUR-124LASPUR8228LASPUR-144LASPURe252LASPUR8262LASPUR8264

9015.613.55520281288

16

103,44,5567

12288

818240746576828272

Laser-Typen für dieMaterialbearbeitung

824

Spectra-Physics. Rofin-SinarPanasonic (Mazak-Systeme)MG-Eurolas. CoherentFanuc (Amada-Sysleme. u.a.)LeclraTrumpfApollo. Mli

} Markier1aser

Den Anforderungen der Materialbearbei-tung werden zwei Laserarten besondersgerecht Der COz-Gaslaser und derNd; Y AG -Festkörperlaser.

Beim Nd:YAG-Festkörperlaser ist in den

LASPURe -Gasgemische in beliebigen Zusammensetzungen nach Herstellervorgabeoder auf Kundenwunsch sind bei Unde jederzeit kurzfristig lieferbar.

Bild 5 - LASPUR.-Gasgemische für COz-Laser

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Anlagen für räumliche Bauteile verwendet.Häufig wird er auch in kombinierten Ma-schinen mit einem Nibbler zusammen ein-

gesetzt.

1'.

10-LASPUR@ -Laser-Betriebsgase

Unde hat speziell tür die zum Betrieb wnCÜ2-lasern benötigten Gase einen Mar-kennamen schützen lassen. LASPU~umfaBt haup1sachlich die Gasgemischeund reinen Gase, die im laserresonatoreingesetzt werden. Bild 5 zeigt, welcheVielzahl an speziellen Lasergasgemischenmit besonderen Anforderungen an Rein-heit und Gemischgenauigkeit wm Marktverlangt wird. Daneben kommen CO, 4.5,N, 5.0 und He 4.6 natürlich auch als Ein-zelgase mit diesen hohen Reinheiten (4.5bedeutet 99,995 %) zum Einsatz. Selbst-verständlich umfaBt das L.ASPU~-Pro-gramm auch die gesamte Gasversorgungvom Gasbehalter bis zum Laser (Bild 5).

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..

Spiegel und Linsen geführt und geformtals auch in einer Glasfaser geleitet wer-den. Mit letztgenannter hat man eine sehrflexible Strahlführung, welche denNd:YAG-Laser für Roboteranwendungenprädestiniert (Bild 3).

Der COz-Gasiaser ist das Arbeitspferd derLaser -Materialbearbeitung. Sein Resonatorenthält ein Gasgemisch aus COI (Kohlen-dioxid), NI (Stickstoff) und He (Helium). Jenach Hersteller, Bauart und Anregung(Gleichstrom oder HF) ist dieses Gemischunterschiedlich. Die COz-Moleküle bildendas laseraktive Medium, der Nz unterstütztdie Übertragung der Anregungsenergieauf das COz. Helium mit seiner groBenWärmekapazität sorgt für die thermischeGesundheit des Prozesses, weil es dieWärmeabfuhr entscheidend unterstützt

(Bild 4).

Der COz-Laser deckt ein leiStungsspek-trum wn 50 W bis zu 25 kW ab, die mei-Sten Anlagen arbeiten mit Lasem von1 bis 3 kW beim Schneiden und ab 3 kWbeim Schweißen und Oberflächenbehan-deln. Seine Wellenlänge von 10,6 Jlm er-laubt die Verwendung einer Glasfaser zurStrahlführung nicht mehr. Sein StrahlläBtsich aber über Spiegel und Unsen optimalführen. Er wird S(7NQhl in 2-D-Anlagen zurBearbeitung ebener Teile als auch in 3-0-

2.

" ~ mm BleChclek--

'~ 4 nn Bleehdlcke

L L-00,5 99 88,5 ..

s rstoffTelrNlt [~]

Einfluß der Oz-Reinheit auf dieSchneidgeschwindigkeit beimLaserbrennschneiden

Der Laser als Werkzeug100

Die Materialbearbeitung bietet dem Laservielfältige Einsatzgebiete. Im folgendenwerden einige typische Laser-Domänennäher betrachtet. Aus Sicht einer Gasefir-

Bild 7

ma besonders interessant ist dabei derEinsatz von Arbeitsgasen bei den jewei-ligen Bearbeitungsprozessen. Für denLaser zur Bearbeitung geeignet sind alleMetalle, Kunststoffe. Holz, Stoffe. Gummiund vieles mehr.

Laserstrahlschneiden

Mit über 85 % aller Laseranwendungen inder Metallbearbeitung dominiert dasSchneiden. Zum Einsatz kommen CO2-Laser und vereinzelt auch Nd:YAG-Laser.Je nach verwendeter Laserteistung und

Werj(stück dem eingesetzten Arbeitsgas unterschei-det inan drei Arten des Schneidens:

Laserbrennschneiden:Der Laser bringt das Material auf Zünd-temperatur, und der eingesetzte Sauerstoff(02) verbrennt den Werkstoff in der Fugeund treibt ihn aus. Hierbei ist die höchsteSchneidgeschwindigkeit möglich.

Laserschmelzschneiden:Der Laser macht das Material im B~n-fleck schmelzflüssig. und ein inertes Gaswie Sticl<stoff (N2) treibt es mit Drück$n biszu 20 bar aus der Schnittfuge aus.8iki 6 - Prinzipbild Laserstrahlschneiden

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c,~~e..BERICHT~- ~S TECHNIK UND WISSENSCHAFI-- ~993

gen, hat Helium sich hervorragend be-währt. Besonders geeignete Bauteile zumLaserschweiBen sind exakt positionierteFügestellen wie bei Getrieberädern, Kupp-lungsscheiben, Sägeblättern oder Drehtei-len. An Blechteilen oder Karosseriekör-pern ist dies nicht so einfach, manchmalkann hier das Schweißen mit Zusatzdrahtgrößere Toleranzen dulden. Der COz-Laserkommt mit Leistungen bis zu 25 kW auchan GroBbauteilen zum Einsatz, wie zumBeispiel Pipelinerohre. Der Nd:YAG wirdmeist für Teile aus der Feinwerktechnik ein-

gesetzt (Bild 8).

entstehen schmale Schnittfugen in sehrguter Qualität ohne Schneidgrat oder an-haftende Schlacke. Kommt dann noch NIhoher Qualität zum Einsatz, so lassen sichauch Anlauffarben auf der Schnittflächesicher vermeiden, und metallisch blankeBauteile stehen ohne weitere Nacharbeitab der Schneidanlage zur Verfügung.

Gerade beim Schneiden erlauben dieflexiblen Laseranlagen die Herstellungkompliziertester Konturen mit geringemProgrammieraufwand. Der Laserstrahl istimmer ein verschleißfreies Werkzeug undschreckt selbst vor härtesten Materia.liennicht zurück. Allein die Reflexion an blan-ken Materialien kann Probleme bringenund darf nicht unterschätzt werden, weildadurch Beschädigungen an den Spie-geln und Unsen der Strahlführung mög-lich werden. Besonders Cu und Alu sowieblanker Edelstahl sind mit Vorsicht zugenießen. Allerdings gibt es auch Mittelgegen diese Gefahr, sei es die leichte Ver-kantung des Werkstücks, um eventuelleReflexionen an der Optik vorbeizuleiten,das Aufbringen -.un absorptionserhöhen-den Beschichtungen an der Anschnittstel-le oder das Einstechen mit dem Super-puls, weil nach Schnittbeginn die Reflexiondeutlich geringer ist.

--

8IId 8 - Prinzipbild Laserstrahlsch~i8en

Laserstrah l-Ob. rf lich. n behand. I n

Die Verfahren der Oberflächenbearbeitungmachen nur wenige Prozent der Laserein-sätze aus. Dabei kommen fast ausschließ-lich CO2-Laser der oberen leistungskJasseum die 5 kW und darüber zum ~insatz.Typisch ist dabei das Arbeiten auBerhalbdes Strahlfokusses, um größere Arbeits-breiten und geringere Intensitäten zu er-zielen (Bild 9).

Zum einen will man Gefügeänderungenherbeiführen wie zum Beispiel beim Här-ten, und zum anderen geht es darum, Zu-satzwerkstoffe in die BauteiloberflAche ein-zubringen wie zum Beispiel beim Pulver-beschichten. In nächster Zukunft werdenauf diesem Gebietvermehrt Anwendun-gen erwartet.

LaserstrahlschwelBen

Der Lasereinsatz tür das Schweißen machtetwa 10 % aller Einsatzfälle in der Laser-Materialbearbeitung aus. Dies liegt haupt-sächlich daran, daß die Positionierung vonzwei Teilen zum Laserschweißen großeSorgfalt und entsprechend genaue Teileerfordert. Bedingt durch den kleinen F0-kus müssen die Teile praktisch spaltfrei ge-spannt werden. Ist dies der Fall, kannohne Zusatzmaterial eine optimale Nahterzeugt werden. Diese zeichnet sich durchgeringe Wärmeeinbringung und damitkaum Verzug, ein sehr schlankes Naht-profil und eine geringe Spritzerbildungaus. Auch lassen sich sehr hohe Schweiß-geschwindigkeiten realisieren, 2-4 m/minsind durchaus üblich. Beim Lasertief-schweißen bildet der Laserstrahl eine biszur Bauteilunterseite reichende Dampf-kapillare. Sie garantiert einwandfreiesDurchschweißen. Entscheidend tür denSchweißerfolg ist auch, daß die laserlei-stung am Bauteil ankommt und nicht ineiner über der SchweiBsteIle gezündetenabschirmenden Plasmawolke absorbiertwird. Hier ist das eingesetzte Schweiß-schutzgas von entscheidender Bedeu-tung. Um dieser Erscheinung vorzubeu-

Lasersublimierschneiden:Der Laser verdampft mittels hoher Ener-giedichte den zu schneidenden Werkstoffsofort beim Auftreffen auf die Werkstoff-oberfläche. Ein inertes Gas wie Stici<Stoffoder Argon treibt die Reaktionsprodukteaus der Schnittfuge (Bild 6).

Beim Schneiden bietet der Laser durchseinen extrem kleinen Brennfleck(00,1-0,2 mm) Schnittfugenbreiten indieser Größenordnung. Dies läßt das Aus-schneiden feinster Konturen zu. Durch diehohe Energiedichte kann sehr schnell ge-schnitten werden, ul'ld trotzdem gelangtnur wenig Wärme ins Material neben derSchnittfuge. Somit entsteht praktisch auchkaum Verzug an den Bauteilen. Die erziel-bare Schneidgeschwindigkeit hängt mitdavon ab, welches Schneidgas eingesetztwird. Auch die Quatität des Schnitts wirdentscheidend vom gewählten Schneidgasbestimmt. Beim Brennschneiden mit demLaser haben ausführliche Untersuchungenin unserem Laserlabor ergeben, daßSauerstoff der Reinheit 3.5 (99,95 %) ent-scheidende Vorteile gegenüber dem.übli-chen 02 bringt. Bei optimaler Quatität mitgeringer Rauhtiefe und ohne Schlackebartläßt der hOherreine 02 bis zu 15 % schnel-lere Schneidgeschwindigkeiten zu. InMark und Pfennig bedeutet dies proSchnittmeter einen Kostenvorteil von über10 % (Bild 7).

Auch beim Laserschmelzschneiden hatdas Gas entscheidenden Einfluß, um dieVorteile des Lasers optimal zur Geltung zubringen. Durch die sehr eng begrenzteWärrneeinbringung und den N2-Einsatzmit Drücken bis zu 20 bar an der Düse

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Verfahren und die Gase als auch die zu-gehörigen Versorgungseinrichtungen im-mer an den Bedürfnissen der Anwenderausgerichtet sind.

LASPUR@ -Laser-Arbe itsgase

l- 25% genutzt . 75% ungenutzt I

Bild 10 - Marktpotential des Lasers in der

Materialbearbeitung

ZusammenfassungDer laser ist aufgrund seiner einmaligenAnwendungsparameter tür die MateriaJbe-arbeitung in vielen Fällen das ideale Werk-zeug. Gerade diese lasertypischen Vorteilein der Bearbeitung unterschiedlichster Ma-terialien eröffnen dem Laser immer neueEinsatzgebiete, an die vorher nicht ge-dacht wurde. So ist er nicht nur in Betrie-

ben der »klassischen« Materialbearb~itungeingesetzt, sondern schweißt in Zahr1arzt-praxen Teile aus Gold und Silber vo~ Pro-thesen, teilweise sogar im Mund des: Pa-tienten. Oder er schneidet beim Seg~l-macher moderne Synthetikstoffe zu, ~beidas Material an der Schnittkante gleich-zeitig verschmilzt und so das Besäumenmit der Nähmaschine entfällt.

Allerdings ist der Laser kein billiges Werk-zeug und nicht geeignet, vorhandene Ver-fahren lediglich zu ersetzen. Es müssendie nur vom Laser zu erbringenden Vortei-le auch nutzbar sein, dann rechnet sichsein Einsatz. Oft muß dabei nicht nur diedirekte Anwendung betrachtet werden,sondern auch zum Beispiel die Einsparun-gen an Nacharbeit an den Bauteilen. Diesführt dann häufig zur Entscheidung fürden Laser (Bild 10).

Diese noch nicht sehr verbreitete gesamt-heitliche Betrachtung -.ron Materialbearbei-tungsaufgaben wird dem Laser zukünftigmehr und mehr Einsatzgebiete erschlie-ßen. Man geht heute davon aus, daß erstca. 25 % seines Einsatzpotentials in derMaterialbearbeitung auch genutzt ~rden.

Zu dem bei Linde unter LASPU~ zusam-mengefaßten Gasprogramm für die Laser-technik gehören auch die Arbeitsgase. Sowerden alle Gase bezeichnet, die alsSchneidgas, als Schutzgas oder Formier-gas beim Schweißen, als FOrdergas beimPulverbeschichten oder als SpÜlgas in derStrahlführung beim COz-Laser eingesetztwerden.

Es ist tür die Qualität und Wirtschaftlichkeitdes L.asereinsatzes auf allen Gebieten derMaterialbearbeitung von entscheidenderBedeutung, daß die jeweils optimal geeig-neten Gase sowuhl für die Laser als auchtür die Anwendung immer in ausreichen-der Menge und zu den gefordertenDrücken bereitstehen. Dazu gehört auchein auf die Laserversorgung maßgeschnei-dertes Programm an Armaturen, leitun-gen, Überwachungsgeräten und Zubehör.

Ein eigenes Labor mit einer laseranlagefür die gängigsten Verfahren der Material-bearbeitung stellt sicher, daß sa.vohl die

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