Laser in der industriellen Fertigung - igp.fraunhofer.de · LSB 1.ppt Zusammenfassung Teil I....

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]

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 2

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


Aufbau einer Station zur Lasermaterialbearbeitung

LaserstrahlquelleStrahlführung

Strahlformung

Bearbeitung

QualitätssicherungHandhabung

Sicherheit

Prozeßkontrolle

Rahmenbedingungen



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.



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



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.



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



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


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).


Strahlparameterprodukt SPP:

SPP = w0 0

w0 – Radius der Strahltaille,

0 – Fernfelddivergenzwinkel

typisches SPP: 1 - 25 mm*mrad


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!



Strahlparameterprodukt


Rayleighlänge zR:

w0 – Radius der Strahltaille

– Wellenlänge

K – Strahlqualitätskennzahl

Kw

zR

)( 2

0


Rayleighlänge

Die Rayleighlänge eines Laserstrahls ist der Abstand von der Strahl-

taille, bei der sich die Querschnittsfläche des Strahls verdoppelt hat.


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



Transversale elektromagnetische

Eigenschwingungszustände

Anzahl der Knotenlinien und

lateralen Modenzahlen:

{m,n} für Hermite

(rechteckige Symmetrie)

{p,l} für Laguerre

(zylindrische Symmetrie)


Transversale elektromagnetische


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


Longitudinale elektromagnetische



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


Linienzoomoptik, 1:1 Integratoroptik, 1:1

Schweißoptik, 1:1

Einbrände in durchsichtiges Polymer (PMMA):

Draufsicht

Seitenansicht

Qualitative Strahldiagnostik

Einbrände in Papier:


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)



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)


Messung der Strahlprofile mit

CCD-Detektoren

oben links: TEM00 – Mode eines

HeNe-Lasers

unten links: Lasermode eine Nd:YAG

Lasers bei 120 W Ausgangsleistung



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


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


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


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


Prinzip einer Strahlweiche

Laser

S1 S2

Laser

S1 S2

Durch die Nutzung von Strahlweichen

können unterschiedliche Strahlen-

gänge adressiert werden


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).


Strahlformung

Fokussieren von Laserstrahlen


Strahlformung

Strahlaufweitung

Galilei-Teleskop Keppler-Teleskop

Prinzip der Strahlaufweitung mittels

Teleskopen in geometrischer Optik


Strahlformung

Brennweite


Strahlformung

Schärfentiefe


Strahlformung

Fokussieren von Laserstrahlen


Strahlformung

Zusammenfassung


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


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!


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


Einfluss der Laserwellenlänge auf

den Absorptionsgrad


Einfluss der Strahlintensität auf die

Einschweißtiefe


Man unterscheidet zwischen:

Polarisation

lineare Polarisation zirkulare Polarisation

x- und y-Komponente

phasengleich

x- und y-Komponente

phasenverschoben


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

../../Dokumente und Einstellungen/hoffmann.SLVHRO/Eigene Dateien/Vorträge/NA0920021AA Vortrag SLV MV 061107.ppt


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


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


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


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.


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.


Laser

Kühler

Lichtwellenleiter (Faser)Bearbeitungsoptik

Prinzipaufbau Laseranlage


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


Schematische Darstellung

verschiedener Handhabungsprinzipien


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


Werkstück

Handhabungstisch

CNC - Steuerung

PID - Regler Pyrometer

LASER Rohstrahl

Umlenkspiegel

Fokussierlinse

Schematische Darstellung einer tem-

peraturabhängigen Leistungsregelung

Temperaturmessung Vergleich Ist-SollwertAnpassung

LaserleistungRegelung der

Maximaltemperatur


Schweißtechnische

Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbH

Alter Hafen Süd 4

18069 Rostock

GERMANY

Tel.: +49 381 811-5010

Fax: +49 381 811-5099

Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Jan Hoffmann

E-mail: [email protected]

Kontakt

Laser in der industriellen Fertigung - igp.fraunhofer.de · LSB 1.ppt Zusammenfassung Teil I....

Documents

Transcript of Laser in der industriellen Fertigung - igp.fraunhofer.de · LSB 1.ppt Zusammenfassung Teil I....