Laser in der industriellen Fertigung · LSB 2.ppt Laserstrahlschneiden Industrielles...

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

Rayleighlänge zR:

Kw

zR

)( 2

0

Strahlparameterprodukt SPP:

SPP = w00

typisches SPP: 1 - 25 mm*mrad

Strahlqualitätskennzahl K:

2

0000

00 1

)(

)(

Mww

wK

real

Gauß

Zusammenfassung Teil II

Eigenschaften des Rohstrahls



Strahlformung


Qualitative Strahldiagnostik Quantitative Strahldiagnostik

Linienzoomoptik, 1:1

Integratoroptik, 1:1

Schweißoptik, 1:1

Einbrände in Papier und Kunststoffe: Messung mit Detektoren:


Strahldiagnose


Spiegel Fasern


Strahlführung



Wechselwirkung Laserstrahl-Materie

Wellenlänge

Polarisation

Temperatur

Einfallswinkel

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


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

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 8LSB 1.ppt

Weltmarkt für Laserbearbeitungssysteme in Mrd. EUR

2008: 6,4 Mrd. EUR

Laser in der Materialbearbeitung


Einsatzbereiche des Lasers zur

Materialbearbeitung



1. Einführung


3. Lasertypen



5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen





Laserstrahlschneiden hat gegenwärtig den größten

Anwendungsumfang von allen Lasertechnologien

Ausgewählte Anwendungen

Laserstrahlschneiden

Vorteile:

• hohe Flexibilität

• hohe Schnittqualität

• kurze Fertigungszeiten hohe Wirtschaftlichkeit

• sehr dünne (µm-Bereich) und sehr dicke (cm-Bereich) Materialien

können geschnitten werden

• Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe


Strahlquellen:

• gegenwärtig hauptsächlich CO2 und Nd:YAG

• zunehmend auch Faser- und Scheibenlaser

CO2-Laser Nd:YAG

Faserlaser / Scheibenlaser

• wegen hoher Leistung für große

Blechdicken geeignet

• Produkte geringerer Wanddicke

• Feinschneiden und Schneiden

hochreflektierender Werkstoffe im

gepulsten Betrieb

• hohe Leistung ermöglicht große

Blechdicken

• hohe Strahlqualität ermöglicht sehr

feine Schnittfugen

• auch für Feinstbearbeitung geeignet

(Grundmode)

Auswahl der Strahlquelle erfolgt

dabei nach den Kriterien Schnitt-

qualität und Wirtschaftlichkeit!




Schneidgas

Laser

Linse

Düse

Werkstück

Schmelze

+

Dampf


Schematische Darstellung


• berührungsloses und verschleißarmes Schneidwerkzeug

• hohe Schneidgeschwindigkeiten bei dünnen Blechen

• geringste Wärme-

einbringung

• rechtwinklige

Schnittkanten

• geringer

Schnittspalt

• kleinste Konturen

schneidbar

LSB 2.ppt



Laserstrahlparameter Verfahrensparameter

• Leistung

• Wellenlänge

• Betriebsart (cw, gepulst)

• Strahldurchmesser

• Divergenz

• Polarisation

• Fokuslage

• Prozessgase

• Gasart

• Gasdruck

• Gasreinheit

• Düsensystem

• Werkstoff

Einflussgrößen auf die Schnittqualität


DD

f

Reflektive Optiken

(hohe Leistungen)

Transmittive Optiken

(niedrige Leistungen)

LSB 2.ppt

Laserschneidkopf

Fa. PrecitecLaserschweißkopf Fa. Precitec

Fokussieroptiken


A) Schnittmuster (Rostocker Greif) aus einem Feinblech, rostbeständiger Chrom-Nickel-Stahl

B) Schnittmuster (Boot) aus einem Feinblech, rostbeständiger Chrom-Nickel-Stahl

C) Schnittmuster aus Holz

Schneiden I


A) Schnittmuster aus einem Grobblech (Wanddicke

10mm), unlegierter Baustahl

B) Schnittmuster aus einem Polymermaterial (PMMA)

Zuschnitt am Rohr

Schneiden II


Schneiden III

In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Schneidgases, die auch

dem Schutz der Schneidoptiken vor Dämpfen und Spritzern dienen,

unterscheidet man drei Prozessvarianten:

• Laserschmelzschneiden

• Laserbrennschneiden

• Lasersublimierschneiden


Laserschmelzschneiden

Laser Aufschmelzen des Werkstoffs

Schneidgas Inertgas

Stickstoff, Edelgase (bis zu 22 bar)

Schneidgasfunktion Austreiben des aufgeschmolzenen Werkstoffs

aus der Schnittfuge

Einsatzgebiet besonders für CrNi-Stähle oder Aluminium

(oxydfreie, metallisch blanke Schnittkanten)

Laserschmelzschneiden


Laserbrennschneiden

Laser Erhitzen des Materials auf Zündtemperatur

Schneidgas Sauerstoff

Schneidgasfunktion Verbrennung des Materials (zusätzliche

Wärme durch exotherme Reaktion)

Entfernung der der flüssigen Schlacke aus der

Schnittfuge

Einsatzgebiet vorwiegend Baustähle

Laserbrennschneiden


Zusammenhang zwischen der

Schneidgeschwindigkeit und der

• Strahlleistung

• Blechdicke

• Werkstoffe

• Sauerstoffreinheit

Parameterabhängigkeiten beim

Laserbrennschneiden

2 mm Blechdicke, 800 W, 2,5 bar

unlegierter Baustahl

unlegierter Baustahl


Lasersublimierschneiden

Laser Verdampfen des Werkstoffs

Schneidgas Inertgas

z.b. Stickstoff, Argon, Helium

Schneidgasfunktion Ausblasen des verdampften Materials

Einsatzgebiet nichtmetallische Werkstoffe

(Papier, Keramik, Holz, Kunststoffe)

Lasersublimierschneiden


10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

2 3 4 5 6 8 10 12 15 20

Baustahl

Edelstahl

Aluminium

Stahl verzinkt

Schnittg

eschw

indig

keit [m

/min

]

Blechdicke[mm]

1

Laser-Schnittgeschwindigkeiten

(2 kW)


Quelle: Stahl und Eisen 11/96

87

41

37

22

17

13

11

9

7

2

0 20 40 60 80 100

Acryle

Textilien

Glas

Verbundwerkstoffe

Karton, Papier

Keramik

Holz

Kunstst., Folien

NE-Metalle

Stahl, Stahlleg.

Anwender in %

bearbeiteter

Werkstoff

LSB 2.ppt


Industrielles Anwendungsspektrum


Bei der Wahl optimaler Prozessparameterkombinationen erreicht man eine sehr

hohe Qualität der Schnittkanten und - flanken. Dadurch ist es möglich, eine geringe

Nacharbeit der Schnittfuge zu gewährleisten. Wesentliche Qualitätskenngrößen der

Schnittfuge sind:

• die Größe und die Konstanz der Schnittfugenbreite

• die Rauhtiefe der Schnittflanken

• die Oxidation bzw. Verzunderung der Schnittflanken

• die Grat - bzw. Bartbildung an der Austrittskante

• die Winkligkeit der Schnittkanten

Laserschneiden LINDE Video

Schneiden IV


Auszug aus der DIN EN ISO 9013

(alt: DIN 2310)

Schneiden V

Beurteilung des Schneidergebnisses

Schnittqualität

Reaktionsschichten SchnittfugenbreiteSchnittflächenqualität

EN ISO 9013

Rechtwinklichkeits- o.Neigungstoleranz

Rautiefe (RZ5)

Rillennachlauf (n)

Anschmelzung (r)

Bartbildung / Schmelztropfen

Materialschädigung

Eigenspannung

Risse

Festigkeit

Temperaturwechsel-beständigkeit

Gefüge


Übersicht thermische Trennverfahren

Thermisches Abtragen

Gas

Autogenes Brennschneiden

Brennfugen

Brennbohren

Gasentladung

Plasma

Lichtbogen mit O2

Lichtbogen mit Luft

Strahl

Laser

Elektronenstrahl

Ionenstrahl


Blechdicke

[mm]

Brenn-/

Schmelzschneiden

Laser

Brennschneiden

Autogen

Schmelzschneiden

Plasma

1

2

3

5

8

10

LSB 2.ppt

Thermische Trennverfahren

Vergleich Schnittfugenbreite


0,1 1,8 .....

1

20

150

300

AUTOGEN

PLASMA

[mm]

Blechdicke

Präzision

Plasma – Laser – Autogen


Autogenes Brennschneiden: 3 bis 300 mm

Plasmaschnitte: 1 bis 150 mm

Laserstrahlschnitte: 0,5 bis 40 mm

DIN EN ISO 9013 07/03:„Thermische Schneiden, Einteilung thermischer Schnitte

(Geometrische Produktspezifikation und Qualität)“

Anwendungsbereich:

Anwendungsbereich

DIN EN ISO 9013 07/03

Autogen Plasma Laser

Baustahl x x x

CrNi-Stahl - x x

Buntmetalle - x bedingt

Kunststoffe /

Holz / Textilien- - x

Video NILA


Allgemeines Prinzip:

Werkstoff gezielt durch

Laserstrahlung verdampfen

und Schmelze mit Schutzgas

austreiben

Wichtige Bohrparameter:

Strahldurchmesser im

Brennfleck

Pulsdauer

Pulsenergie

Pulsfrequenz

Schutzgas

Metalldampf

Schmelze

Schmelze

BrennfleckBearbeitbare Werkstoffe:

Keramik, Diamant, Glas,

Metalle, Kunststoffe, etc...

Laserstrahlbohren


Laserstrahlbohren:

Verfahrensvarianten

Einzelpulsbohren

Durchbohren von dünnen

Blechen mit einem Puls

Perforieren von dünnen

Folien

Perkussionsbohren

Abtragen von Schichten

durch mehrfaches Pulsen

Trepanierbohren

Auslenken des Laserstrahls:

z.B. durch Rotation der Optik

Wendelbohren

flächiger Materialabtrag in die

Tiefe


Laserstrahlbohren:

Verfahrensvarianten

Verfahren Ø –

Bohrloch

[mm]

Material-

dicke

[mm]

Bemerkungen /

Eigenschaften

Einzelpuls-

bohren0,02 – 1 < 3 mm

• Aspektverhältnis 1 / 20

• hohe Geschwindigkeit

Perkussions-

bohren0,015 - 1 bis einige cm

• Aspektv. 1 / 50

• Bohrachse ggf. winkelig

zur Werkstoffoberfläche

Trepanier-

bohren> 0,08 einige mm

• Bohren eines Startlochs

• Bewegung des Strahls

entlang der Bohrloch-

geometrie

• konische oder elliptische

Geometrien möglich

Wendelbohren > 0,06 bis einige cm• höchste Präzision

• kein Startloch erforderlich


Laserstrahlbohren

Längsschliff konisch trepanierter Bohrungen in

1,5 mm dickem Edelstahl (1.4301)

a) Entlüftungsbohrungen in einem Spritzgusswerkzeug für CD-Rohlinge nach dem Bohren

ohne Nachbearbeitung; b) Längsschliff einer Bohrung



1. Einführung


3. Lasertypen



5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen





Einordnung in die Fertigungsverfahren

nach DIN 1910 Teil 2


Werkstoffgruppe Schweißeignung

Allg. Baustähle Bei niedrigem Gehalt an Phosphor, Schwefel, Stickstoff (wegen Poren

und Spritzerbildung) gut laserstrahlschweißgeeignet

Kaltzähe Baustähle Im allgemeinen sehr gut

Feinkornbaustähle Im allgemeinen sehr gut

Warmfeste Baustähle Bei C < 0,2 % im allgemeinen gut; bei C > 0,2 % ist Vorwärmung nötig

Einsatzstähle Einsatzschicht muss vor dem Schweißen entfernt Einsatzstähle

werden, dann gut

Vergütungsstähle Hoher C-Gehalt, Schweißeignung nur bei Vorwärmung bzw.

nachfolgender Anlaßbehandlung

Werkzeugstähle Sehr hoher C-Gehalt (0,42% - 1,45%) nicht schweißgeeignet,

(Versprödung der Naht)

Automatenstähle Hoher Gehalt an Schwefel, Phosphor (bis 0,4%) und Blei (bis 0,3%)

nicht schweißgeeignet, Heißrissgefahr, Porenbildung

Nichtrostende Stähle a) ferritisch: gut schweißgeeignet

b) austenitisch: gut schweißgeeignet

c) martensitisch: nicht schweißgeeignet (Rissbildung in der Naht)

Beurteilung der Laserschweißneigung

(Stähle)


Laserschweißen

Laserschweißen hat eine hohe Bedeutung

in der industriellen Fertigung!

Anwendung vor allem bei metallischen Werkstoffen (z.B. unlegierte und niedrig-

legierte Baustähle, Aluminiumlegierungen) bei dünnen bis mittleren Blechdicken.

Vorteile Laserschweißen:

• unterschiedliche Materialarten und -stärken schweißbar

• hohe Automatisierbarkeit, hohe Verfahrens- und Geometrieflexibilität

• hohe Schweißgeschwindigkeit

• hohe Schweißnahtqualität bei geringer Nacharbeit

• geringe thermische Werkstoffbeeinflussung

• werkstoffgerechte Steuerbarkeit der Energieeinbringung


Laserschweißen

Wärmeleitungsschweißen Tiefschweißen

• Schweißtiefe abhängig von

Wärmeleitung

• Verhältnis Nahttiefe /

Nahtbreite ~1

• Schweißtiefe abhängig von

Form der Plasmakapillare

• Verhältnis Nahttiefe /

Nahtbreite 5-10

Voraussetzung:

Strahlintensität hoch genug um

laserinduziertes Plasma zu

erzeugen Tiefschweißeffekt


Wärmeleitungsschweißen

• Aufheizen des Werkstücks auf

Temperaturen oberhalb der

Schmelztemperatur, bei denen noch

kein merklicher Dampfdruck auftritt

• Ausbildung des Schmelzbades

• Geometrie des Schmelzbades und

damit auch die Einschweißtiefe sind

durch die Wärmeleitung in das Werk-

stück bestimmt

Anwendungsgebiete:

Fügen dünner Werkstücke, wie Folien oder Drähte und Schweißen von Rohren

durch Anschmelzen der konvergierenden Fügekanten im Einformbereich


Tiefschweißen

• Aufheizen des Werkstücks über die

Dampftemperatur, Ausbildung der Dampf-

kapillare (Keyhole) durch den Ablations-

druck des abströmenden Metalldampfes

• Erzielung großer Schachtverhältnisse

(Nahttiefe/-breite ~ zR/w0) von mehr als

10:1

• Umströmung der Strahlkapillare durch

das an der Vorderfront aufgeschmolzene

Material

• Erstarrung der Schmelze hinter der

Strahlkapillare zur Schweißnaht

Funktion der Kapillare:

• Erhöhung der Absorption auch bei hochreflektierenden Metallen

• gleichmäßige Erwärmung der Naht über die gesamte Blechdicke

• Entlüftungskanal für Ausgasung, Vermeidung oder Verminderung der Porenbildung

• WW-Prozesse in der Dampfkapillare liefern Signale für die Prozessüberwachung


Maschine und Optik - Strahlführung mit

Spiegeloptik (CO2-Laser)

CNC-Maschine

• hohe Anforderungen an

Positioniergenauigkeit und

Geschwindigkeit

Führung des Laserstrahls mit

Planspiegeln (CO2-Laser)

• aus Kupfer, wassergekühlt

• hohe Reflektivität für Licht

des CO2-Lasers

Fokussierung des Strahls mit

Parabolspiegel

• aus Kupfer, wassergekühlt

• unempfindlicher gegen

Schweißspritzer als Linse

• höher belastbar als Linse


oben:

Querschliff einer einlagigen Laserschweißnaht, unlegierter Baustahl,

Blechdicke = 12 mm, CO2 – Laser

unten:

Querschliff einer “konventionellen” Schweißnaht (einlagige UP –

Schweißung)

Laserschweißnaht zeigt wesentlich schlankere Kontur und schmalere

Wärmeeinflusszone!

Vergleich Laserschweißnaht –

konventionelle Schweißnaht


UP-, Laserstrahl- und Elektronen-strahlschweißen im Vergleich

v = 0,4 m/min

P = 21 kW

I = 700 A

Schweißpulver: OP 121 TT Oerlikon

v = 1,4 m/min

P = 10 kW

Prozessgas: Helium

v = 4,2 m/min

P = 10 kW

LSB 2.ppt


Erforderliche Streckenenergie für

verschiedene Schweißverfahren

51,9

32,2

25,1

20,1

10,1

7,1

1,0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Str

eckenenerg

ie [kJ/c

m]

Ele

ktr

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en

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weiß

en

Lasers

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UP

-Sch

weiß

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Lic

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d

WIG

-Sch

weiß

en

Quelle: LASER MAGAZIN 2/2001

LSB 1.ppt


Leistungsdichte verschiedener

Schweißverfahren

Elektronenstrahlschweißen

Lichtbogenhandschweißen

Laserstrahlschweißen

Plasmaschweißen

MAG-Schweißen

Leistungsdichte [W/cm²]

104 105 106 107 108

Quelle: LASER MAGAZIN 2/2001

LSB 1.ppt

Nahtgeometrie

WIG-Schweißen MAG-Schweißen

PlasmaschweißenLaserstrahlschweißen

Elektronenstrahlschweißen


Strahlquellen:

• gegenwärtig hauptsächlich CO2 und Nd:YAG

• zunehmend auch hier Faser- und Scheibenlaser

CO2-Laser Nd:YAG

Faserlaser / Scheibenlaser

• hohe Leistung

• schlechte Absorptionseigenschaften

• relativ geringe Leistung

• durch kürzere Wellenlänge bessere

Energieeinkopplung in den Werkstoff

• durch kürzere Wellenlänge bessere

Energieeinkopplung in den Werkstoff

• hohe Leistung

• hohe Strahlqualität

Analog zum Laserstrahlschneiden


Laserstrahlschweißen


Einfluss der Strahlintensität auf die

Einschweißtiefe

Die Intensitätsschwelle zur Bildung

der Dampfkapillare liegt wegen der

geringeren Absorption für CO2-

Laserstrahlung etwa um den

Faktor 2 bis 3 über den Werten für

1 µm-Laserstrahlung.

Bei Überschreiten der

kritischen Schwellintensität

sprunghafte Zunahme der

Einschweißtiefe

Tiefschweißeffekt


aus Diplomarbeit Weise , CO2 – Laser, höherfester Baustahl

Einfluss der Schweißgeschwindigkeit

auf die Einschweißtiefe

Einschweißtiefe fällt mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit

monoton ab.


Einfluss der Fokuslage auf die

Einschweißtiefe

aus Diplomarbeit Weise , CO2 – Laser, höherfester Baustahl

• Fokuslage zf = 0 entspricht Lage des Fokus auf Blechoberfläche

• Maximum der Einschweißtiefe wird bei geringfügig positiven Werten

von zf beobachtet


Kontrolle des Plasmas durch Schutz- / Arbeitsgas um Abschirmung zu verhindern

• Wegblasen der abschirmenden Plasmawolke

• Schutz vor unerwünschter Oxidation

VIDEO Schuler Held

Beim Tiefschweißen expandiert laserinduziertes Plasma auch in Region oberhalb der

Materialoberfläche Abschirmung der Prozesszone

Prozessgase


Laser-MSG-Hybridschweißen

Laserstrahlschweißen Lichtbogenschweißen

• hohe Schweißgeschwindigkeit

• hohe Flexibilität

• geringe thermische Belastung des

Werkstücks

• geringer Werkzeugverschleiß

• hohe Investitionskosten

• geringer Wirkungsgrad elektrische-

/Laser-Leistung

• aufwendige Kantenvorbereitung

bzw. Spanntechnik

• geringe Investitionskosten

• hoher Wirkungsgrad

• große Fügetoleranzen

• geringe Schweißgeschwindigkeit

• hohe Wärmeeinbringung (Verzug)

• begrenzte Automatisierbarkeit

(z.B. HF-Zündung)

Lösungsansatz:

Hybrid-Schweiß-Technologie


Werkstück Schweißrichtung

Schmelzzone

Lichtbogen

Elektrode

Laserstrahl

Tiefschweißkanal

Schutzgasmantel



Video Meyerwerft




Vergleich der Nahtgeometrie von Laser-, MIG/MAG- und LaserHybrid-

Schweißnähten bei gleicher Einbrandtiefe.

GSI

../../Dokumente und Einstellungen/hoffmann.SLVHRO/Eigene Dateien/Universität Rostock/Schweißen.ppt


Schweißtechnische

Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbH

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