Lasertechnik Ein Überblick - haw- · PDF file3 5 Linde AG –Geschäftsbereich...

1

1Linde AG – Geschäftsbereich Linde Gas, HamburgAbt. VMI – Michael Runzka

Michael Runzka – Abt. VMILinde AG – Geschäftsbereich Linde Gas, Hamburg

LasertechnikEin Überblick


Wo kommt Lasertechnologie zum Einsatz?

Einsatz der Lastertechnologie

13%

Messtechnik

23%

Informations- &Unterhaltungs-Technik19%

20%

Barcode Scanner

Medizintechnik

Forschung &Entwicklung

& Andere

25%

Markieren

Schneiden

Schweißen

Mikro-Bearbeitung

Gravieren

Bohren

andere

25%

26%13%

12%

13%

3% 8%

Materialbearbeitung

2


Wofür steht der Begriff LASER?

L ight � Licht

A mplification by � Verstärkung durch

S timulated � stimulierte (bzw. angeregte)

Emission of � Aussendung von

R adiation � Strahlung


Verfahrensprinzip

• LASER: Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung.

• Albert Einstein hat die theoretische Grundlage eines Lasers schon 1917 vor dem ersten funktionierenden Laser in 1960 (Theodore Maimann) gelegt.

• Grundsätzlich wird vom Welle / Teilchen Dualismuss gesprochen, bei der man Licht sowohl als Welle, als auch als Teilchen betrachten kann, je nachdem, welche Eigenschaft oder Wechselwirkung man beschreiben möchte.

• Betrachtet man Licht als Welle (Wellentheorie), so kann man die Ausbreitung des Lichts beschreiben. Die Wellenlänge gibt beispielsweise die Farbe des Lichtes an.

• Über Energie und Lichtgeschwindigkeit kann auch eine theoretische Teilchenmasse von Licht berechnet werden. Grundlage hierzu sind diskrete Energiewerte, die auf dem Plankschen Wirkungsquantum beruhen (Quantentheorie). Allerdings haben diese Teilchen keine Ruhemasse.

3


Modellbetrachtung

Bohr‘ sches Atommodell

AtomkernElektronen-bahnen

e- E2

E1

Angeregter Zustand

Grundzustand

E1

E2

e-

Energie

E2 – E1 = h f


Absorption von Strahlung

Durch Aufnahme von diskreter Energie wird z.B. ein Elektron vom Atom auf eine höhere Schale (Elektronenbahn) in den s.g. angeregten Zustand angehoben. Hierbei wird die zugeführte Energie „verbraucht“.

E2

E1

E2

E1

vorher nachher

h f

4


Spontane Emission von Strahlung

Nach einer elementspezifischen Verweilzeit (ca. 10-8 s) fällt das Elektron auf seine Ursprungsschale zurück in den s.g. Grundzustand und gibt die zuvor zugeführte Energie als Strahlung (oder auch Lichtquant bezeichnet) wieder ab.

E2

E1

E2

E1

vorher nachher

h f


Stimulierte (Induzierte) Emission

Die Strahlung aus einer zuvor abgelaufenen spontanen Emission trifft vor Ablauf der o.g. Verweilzeit auf ein weiteres Atom im angeregten Zustand. Dabei wird das Elektron im angeregten Zustand dazu stimuliert, in den Grundzustand herunter zu fallen. Auch hier wird, wie bei der spontanen Emission, die zuvor zugeführte Energie als Strahlung wieder abgegeben. Das Ergebnis sind zwei Strahlungen (Lichtquanten) gleicher Energie, Phase und Richtung.

E2

E1

E2

E1

vorher nachher

h f

h f

h f

5


Absorption oder induzierte Emission ?

vorher nachher

E1E1

E2E2

h fh f

h f

?

E2E2

h f

E1E1


Laserprinzip (Funktionsweise)

Pumpen

strahlungsfreier Übergang

strahlungsfreier Übergang

Energie E

E3

E2

E1

E0

Zeitliche Bedingung:TE3��E2 kurz & TE1��E0 kurz

Laser Übergang

Hierbei handelt es sich um ein s.g. 4-Niveau-System (E0 bis E3). Fehlt das Niveau E0, so sprichtman vom 3-Niveau-System.

Das laseraktive Material und somit der Abstand der Energieniveaus bestimmt die Wellenlänge bzw. „Farbe“ des Lasers.

�� Lichtverstärkung

Grundbedingung: laseraktives Material

6


IR bis 1 mmUV bis 100 nm

Röntg

enlaser 10n

mHe – N

e Lase

r 632,5 nm

CO 2– Lase

r 10,6

µm

Nd:YA

G –Las

er 1,0

6 µm

Ar+ Ion

enlaser 457

– 514,5 nm

Excime

rlaser (z.

B. Kr F) 2

48 nm

Faserlase

r 1,07

– 1,08

µm

sichtbares Licht 380 nm – 780 nm

Diodenlaser 405 nm bis einige µm

Wellenlängen verschiedener LaserDer Laser trägt den Namen seines laseraktiven Materials


Licht, was ist das?

Prisma

Blende

Lampe

Schirm

7


Laserlicht

Prisma

Laserpointer

Schirm


Zusammenfassung der Eigenschaften

Große Divergenz(nicht parallel)

Polychromatisch(verschiedene Wellenlängen)nicht kohärentnicht phasengleich

einfarbig parallel Laser

kohärentLaser:

– Geringe Divergenz (fast parallel)

– Hoch monochromatisch (nahezu einfarbig)

– Hohe Kohärenz (im Gleichtakt)

��Hohe Intensität durch gute Fokussierbarkeit möglich!

8


Vergleich von verschiedenen Energiequellen

Leistung Intensität

Sonne mit Linse gebündelt 2 W 300 W/cm²

Schweißflamme 1,6 kW 103 – 104W/cm²

Elektrischer Lichtbogen 64 kW 105 – 106W/cm²

Elektronenstrahl 3 kW 109 W/cm²

CO2 – Laser (cw) 25 kW 108 W/cm²

Nd – YAG – Laser (Puls) 100 MW 1013 W/cm²


Prinzipieller Aufbau einer Laserstrahlquelle

Energie

(Pumpen)

LaserstrahlLaseraktives Material im optischen Resonator

Teildurchlässiger

Spiegel

Wärme

Totalreflektierender

Spiegel

Durch Mehrfachreflexion Erhöhung der Verstärkung.

Optischer Aufbau gibt Ausbreitungsrichtungund die Laserstrahlform vor.

9


In der Materialbearbeitung eingesetzte Laser

Markieren

Schneiden

Schweißen

Mikro-Bearbeitung

Gravieren

Bohren

andere

25%

26%13%

12%

13%

3% 8%

Materialbearbeitung

CO2 Laser56%

FestkörperLaser42%

andere 2%

Materialbearbeitungslaser


CO2 - Laser

- wichtigste Strahlenquelle für die industrielle (Blech-) Fertigung

- Wellenlänge von 10,6µm (Farbe: fernes infrarot)

- Wirkungsgrad zwischen 10% und 20%, je nach Aufbau.

- Schnitt- und Schweißgeschwindigkeiten: bis einige Meter pro Minute

- Wird ausschließlich über Spiegel übertragen. Stahlbündelung erfolgt meist durch ZnSe – Linse oder Kupferhohlspiegel.

- Neben der Metallbearbeitung geeignet zum Schneiden von Holz, Stoff, Plexiglas u.ä. (organische Materialien)

- Aufbau je nach Laserleistung relativ großvolumig

- Lasersicherheit lässt sich theoretisch relativ einfach durch Plexiglasscheiben sicherstellen. Die Absorption der Strahlung erfolgt hauptsächlich oberflächlich. Trotzdem sind geeignete Schutzmaßnahmen für Auge und Haut erforderlich, wenn der Laserstahl frei zugänglich ist. Hier ist die DIN VDE 0837 (vormals VGB 93) anzuwenden.

10


Prinzip eines CO2 – Slablasersam Beispiel eines Rofin DC Lasers

TotalreflektierenderSpiegel

Auskoppelspiegel

Kühlung

Strahlumformer

LaserstrahlHochfrequenzanregung


Prinzip eines CO2 – Slablasersam Beispiel eines Rofin DC Lasers

Quelle: Rofin

Neu: DC 080 W (8kW)

Gasgemisch LASERMIX® 690

11


Prinzip eines längsgeströmten CO2 – Lasers

Koh

lendioxid 4.5

CO2

Heliu

m 4.6

He

N

Stickstoff 5.0

N2

NElektroden

Gebläse

Wärmetauscher

Betriebsgas

Total reflektierender

Spiegel

Vakuumpumpe

Teildurchlässiger Spiegel

Laserstrahl


Bild eines längsgeströmten CO2 – Lasers

Quelle: Trumpf

12


Quergeströmte CO2 – Laser

Elektroden

Wärmetauscher

LaserstrahlGasstrom

Gasumwälzung

Spiegel


Quergeströmter CO2 – Laser mit 45kW Leistung

13


Festkörperlaser

- hat höhere Absorption an kalten Metallen, als CO2 – Laser

- Wellenlänge von 1,064µn (Farbe: nahes infrarot)

- Wirkungsgrad:Nd:YAG Lampen gepumpt: ca. 3% bis 4%Nd:YAG Dioden gepumpt: ca. 20% - 25%Scheibenlaser: ca. 25%Faserlaser: bis über 30%

- Kann auf Grund der Wellenlänge über Lichtleitkabel (Glasfasern) übertragen werden. Anschließende Stahlbündelung erfolgt durch Linse.

- Lasersicherheit problematischer, als beim CO2 – Laser, da die Strahlung sowohl durch einfaches Glas, als auch durch den Glaskörper und Linse im Auge geht. Hier ist die Verwendung von geeignetem Augenschutz durch Laserschutzbrillen besonders wichtig. Es sind geeignete Schutzmaßnahmen für Auge und Haut erforderlich, wenn Laserstahl frei zugänglich ist. Auch hier ist die DIN VDE 0837 (vormals VGB 93) anzuwenden.


Prinzip Nd:YAG – Laseram Beispiel eines Trumpf HL Lasers

Nd:YAG – Kristall Stab Auskoppelspiegel (teildurchlässig)

Totalreflektierender Spiegel

Laserstrahl

Krypton Bogenlampe

Stromversorgung

Elliptischer Hohlspiegel

Neodym – dotierter Yttrium – Aluminium – Granat – Laser

14


Prinzip Nd:YAG – Laseram Beispiel eines Trumpf HL Lasers


Absorption von Pumplicht beim Nd:YAG – Laser

500 600 700 800 900 Wellenlänge [nm]

Krypton Bogenlampe

Nd:YAG Absorption

Hauptabsroptionsbanden Nd: YAG590 nm, 750 nm & 810 nm

Laserdiode 808 nm

15


Prinzip Scheibenlaser

Laserstrahl

Wärmesenke

Pumpstrahlung

AuskoppelspiegelKontaktmaterial

Kristallscheibe

Quelle: Trumpf

(Nd:YAG oder Yb:YAG)


Prinzip Faserlaser

Koppler

Pumpdioden

optische Gitter

Ausgangsfaser

aktive Faser

Quelle: IPG

Quelle: A. Tünnermann, H. Zellmer, H. Welling, „Faserlaser“ in Physikalische Blätter, November 1996

25 W

Quelle: IPG

(z.B. Yb:YAG)

16


Begriffsdefinitionen nach DIN EN ISO 11145 (am Beispiel CO2 Laser)

Laser

akt. Medium

el. EnergieKühlung

Gas

Versorgung

Lasergerät

Bearbeitungskopf

Mess, -und Regel -einrichtung

Lasersystem

Werkstück

xy

Laseranlage

Resonatorgas

akt. Medium

CO2, N2, HeLASERMIX® - Gemische

Strahlengang-spülung

N2

Schneidgas*

O2, N2, (Ar)

Schweiß-schutzgas*

He, Ar, Gemischez.B. LASGON®, VARIGON®

*In der Regel wird entweder geschnitten oder geschweißt dann benötigt man entweder Schneidgas oder Schweißschutzgas


Laserstrahlschneiden

17


Der Laser – Schneidprozess

Fokussierung des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche

Absorption der Laserstrahlung im Schnittspalt bzw. auf der Werkstückoberfläche und lokale Erwärmung des Werkstoffs

Aufschmelzen und / oder Verdampfen bzw. Verbrennen des Werkstoffs

Austrieb des Fugenmaterials durch einen inerten oder reaktiven Schneidgasstrahl

Erzeugen des Schnittes durch Relativbewegung zwischen Schneiddüse und Werkstück

Werkstück

LaserstrahlSchneidgas

Materialaustrieb

Vorschub-richtung

Schnittflanke

Düsenkörper


Aufgaben des Schneidgases

Laserstrahl

Werkstück

Materialaustrieb

Linse

SchneidgasDruckmessung

* Austrieb des MaterialsSchneidgasdruckSchneidgasdichteDüsendurchmesserDüsenabstand

* Unterstützung einer exothermenReaktion oder verhindern vonOxidation.

* Linsenschutz durch~ Massenfluss~ Dichte~ Volumen

* Linsen- bzw. DüsenkühlungWärmekapazitätWärmeleitfähigkeitVolumen

18


Laserschneiden nach DIN 2310 Teil 6

Laserbrennschneiden

Lasersublimierschneiden Laserschmelzschneiden

Zündtemperatur Stahl ~ 1150°C

Siedetemperatur Stahl ~2730°C Schmelztemperatur Stahl ~1535°C


Vergleich Laserbrennschneiden –Laserschmelzschneiden

Laserbrennschneiden

Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück

Material: Baustahl

Schneidgas: Sauerstoff 3.5Schneidgasdruck: 0,5 - 6 barSchneidgasverbrauch: 1 - 5 m³/h

Vorteile:geringe Rauhtiefenhohe Schneidgeschwindigkeit auch bei geringer Leistung

Nachteile: Oxide auf der Schnittflächeeinsetzbare Laserleistung begrenzt

Laserschmelzschneiden

Fokussierung des Laserstrahls nahe der Unterseite des Werkstücks

Material: Baustahl, Edelstahl, Aluminium, Titan

Schneidgas. Stickstoff 5.0Schneidgasdruck: 5 - 30 bar Schneidgasverbrauch: 5 - 150 m³/h

Vorteile:oxidfreie Schnittkantensehr hohe Schnittgeschwindigkeiten

Nachteile: hohe Laserleistungen nötigkleines Parameterfeldhoher Schneidgasverbrauch

19


Laserstrahlschweißen


+ Hohe Schweißgeschwindigkeit

+ Fokussierte Wärmeeinbringung

+ Gutes Verhältnis zwischen Nahtbreite und Nahttiefe

+ Möglichkeit zum Verschweißen fertiger Teile

+ Schweißbarkeit von schlecht schweißbaren Teilen

+ (-) Schmale Nahtbreite

+ (-) Schmale Wärmeeinflusszone

- Schlechte Spaltüberbrückbarkeit

- Erhöhte Anforderungen an die Nahtvorbereitung / Spanntechnik

- Vielfältigere Verfahrensparameter �� erhöhte Komplexität

- Hohe Investitionskosten

Differenzierung des Laserschweißens gegenüber konventioneller Schweißverfahren wie z.B. MSG

20


Laserschweißverfahren

Tiefe : Breite < 1

SchmelzbadWerkstück

Laserstrahl

Wärmeleitungsschweißen

Tiefe : Breite > 1 (typ. 5...10)

Werkstück

Laserstrahl

MetalldampfMetallplasma

Schmelze

Schweißnaht

Dampfkapillare

Tiefschweißen


Tiefschweißen mit dem Laser

Laserstrahl

Schmelze

Werkstück


Schweißnaht

Dampfkapillare

Längs zur Schweißnaht Quer zur Schweißnaht

Laserstrahl


Schmelze

quer zur Schweißnaht längs zur Schweißnaht

21


Die Entstehung der Dampfkapillare zum Tiefschweißen

Laserstrahl

Werkstück

Herausströmender Metalldampf bzw.Metallplasma ist zur Entstehung und zurAufrechterhaltung der Dampfkapillare(des „Keyholes“) zwingend erforderlich!


Ohne Kontrolle des abströmenden Materials gibt es keine stabilen Einschweißungen

Laserstrahl

Schmelze

Vorschubrichtung

Werkstück

Dampfkapillare

Luft

Decklage ohne Prozessgas

Wurzelseite ohne Prozessgas

UnkontrolliertausströmendesMaterial(Metalldampf /Metallplasma)

22


Der Begriff Plasmaabschirmung

Laserstrahl

Werkstück

Schweißnaht

Ar+

Ar+

Fe+

Fe+

e-e-

e-

e-

He

Ne

Ar

N

Kr

O

H

Zn

Fe

Cu

Mg

Ni

Mn

Ti

Cr

Al

Element

24,5872372,28

21,5642080,60

15,7591520,51

14,5341402,31

13,9991350,69

13,6181313,93

13,5981312,00

9,394906,38

7,870759,34

7,726745,44

7,646737,72

7,635736,66

7,435717,37

6,820658,03

6,766652,82

5,986577,56

[eV][kJ/mol]

Ionisationsenergien


Das Gas stabilisiert den Laserschweißprozess

Decklage ohne Prozessgas

Rückseite ohne Prozessgas

Decklage mit Prozessgas

Rückseite mit Prozessgas

23


Korrekter Prozessgaseinsatz ist mit Plasmajet nicht möglich

Schmelze

VorschubrichtungDampfkapillare Werkstück


Laserstrahl

Ar, CO2

Prozessgas

undefiniertes Gemisch ausProzessgas und Umgebungsluft!!

PlasmajetZusätzlich noch vielschlechterer Schutzvor Nachoxidation!

Düse verschmutztDüse verschoben

Strahlengangspülung drückt, Crossjet saugt, Absaugung saugt,Spannelemente stören


Wassergehalt der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35Temperatur [°C]

100% Luftfeuchtigkeit 50% Luftfeuchtigkeit

Wassergehalt der Luft [g/m³]

40

35

30

25

20

15

10

5

0

24


Schweißen von geschlossenen Schweißgeometrien und die Probleme im Überlappbereich

Problem:Löcher und Poren im Bereichder überlappenden Schweißung

Ursache:Stickstoff (78% in der Luft) am Schweißprozess


Löslichkeit von N2 in einer Eisenschmelze (nach Wada und Pehlke)

Gewichtsanteil Stickstoff [mg/g] Log KN = -247K/T – 1,222

Gewichtsan

teil Stickstoff in Eisen [mg/g]

540

520

540

480

460

440

420

400

380

360

1000 1500 2000 2500 3000

Temperatur [°C]

Schmelzpunkt

1535°C

Siedepunkt

2750°C

25


Mit dem richtigen Prozessgas keine Probleme – auch nicht im Überlappbereich

Lösung:Angepasstes Prozessgas z.B.: LASGON® C1


Motivation für den Einsatz von Prozessgas

Instabilität des Schweißprozesses durch

• Absorption des Laserstrahls im Metalldampf oder –Plasma oberhalb des Keyhole

Negative Auswirkungen der Atmosphäre auf das Schweißergebnis

• durch Stickstoff

• durch Sauerstoff

• durch Luftfeuchtigkeit

Nutzung der Energie aus Metalldampf oder –Plasma zur

• Verbesserung des Einschweißverhaltens

• Beseitigung von „Verunreinigungen“

• Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit

• Erhöhung der Wirtschaftlichkeit

durch angepasste LASGON® – Prozessgasgemische

26


Die Killer des Prozessgases

LaserstrahlFokussierspiegel

Crossjet

Werkstück

Prozessgas

Spülgas

Spiegeloptik

Absaugung

Untaugliche Düsen

FahrtwindKlemmvorrichtungen


Folgen fehlerhafter Gaszuführung

Plasmaabschirmung

Crossjet zu schwach

beste Qualität

Crossjet zu stark

Nachoxidation

Plasmathermik

27


Prozessgaseinbringung beim Laserstrahlschweißen

koaxial mit separater Düse

Prozessgas



Prozessgas zur Kontrolle von:• Oxidation• Viskosität des geschmolzenen Materials• Ausbildung der Wurzel• Optimierte Schweißgeschwindigkeit• Poren Minimieren• Regelmäßige Schweißnaht• Konstante Prozessbedingungen


Positionierung der Prozessgasdüse

• Düse zu klein; Strömungs-geschwindigkeit zu hoch

* Schutzgasstrom reißt Umgebungsluft mit

* Ergebnisoxidierte und fehlerhafte Schweißung, Nahtdurchhang, Poren

• Hindernis zwischen Düse und Schweißstelle (z.B. Teile der Spannvorrichtung u.ä.) oder beschädigte Düse

* Schutzgasstrom wird mit Umgebungsluft verwirbelt und gemischt

* Ergebnisoxidierte und fehlerhafte Schweißung, Poren

• Düse zur Schweißstelle nicht richtig positioniert (Entfernung, Anstellwinkel)

* Schutzgasstrom deckt die Schweißung nicht ab

* Ergebnisoxidierte und fehlerhafte Schweißung, Poren

*

• Große Düse mit langsamer laminarer Ausströmung; Düse möglichst nahe an Schweißstelle

* Keine Verwirbelung Schutzgases mit der Umgebungsluft

* Ergebnisoptimale, oxidfreie Schweißung

28


Nachoxidation bei Edelstahl

Düse

Prozess-

gas

Laserstrahl

Schmelze

Vorschubrichtung

Werkstück

Dampfkapillare

Düse

Düse

Luft

Bei Oberflächentemperaturen über 200°C kann es an Luft zur Oxidation der Oberfläche kommen


Düse

Prozess-

gas

Oxydfrei Schweißen mit der „Panflöte“

Laserstrahl

Schmelze

Vorschubrichtung

Werkstück

Dampfkapillare

Düse

Schutz-

gas

Düse

Schutz-

gas

29


Der komplette Gasschutz einer Laserschweißnaht

Prozess-

gas

Laserstrahl

Schmelze

Vorschubrichtung

Werkstück

Dampfkapillare

Düse

Schutzgas

Düse

Nachlaufdusche

Wurzelschutz


Oxidfreies und richtungsunabhängiges Schweißen

Mit der richtigen Düsentechnik ist oxidfreies Schweißen auch großflächiger Bauteile wie Edelstahl-Wärmetauschern möglich!

Schutzgasglocke

Schutzgaszufuhr ohne Schutzgasglocke

mit Schutzgasglocke

30


Sekundärnutzung der Prozessenergie schleppend

Metalldampf (heiß)Metallplasma (heiß)

Nachwärmung

VorschubrichtungDampfkapillare

Laserstrahl

Nutzung:

— „Kühlung“ des Metalldampfes /Metallplasma (durch Energieentzug)

— Nachwärmen der Schweißnaht

— mehr Zeit zum Ausgasen

— mehr Zeit zum Verlaufen

— Beeinflussung der Viskosität

— Beeinflussung der Nahtform

Werkstück

Düse

Energie-transport

Prozess-gas


Sekundärnutzung der Prozessenergie stechend

Metalldampf (heiß)Metallplasma (heiß)

Laserstrahl

Nutzung:

— „Kühlung“ des Metalldampfes /Metallplasma (durch Energieentzug)

— Reinigung der Oberflächen

— Verbesserung der Einkopplungbei reflektierenden Materialien

Düse

Energie-transport

Schmelze

VorschubrichtungDampfkapillare Werkstück

Vorwärmung

Prozess-gas

31


Aggregatszustände von Eisen und Zink (-oxid)

1535°C 2750°C

420°C 907°C

1975°C

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Eisen

Zink

Zinkoxid

Fest Flüssig Gasförmig

Temperatur [°C]


Grenzen des Laserschweißens

Ist der zu überbrückende Spalt beim Schweißen größer, als der Laserstrahldurchmesser, so kann es zu Anbindungsproblemen kommen:

Spalt: 0,5 mmSpalt: 0,3 mmSpalt: 0,1 mm

32


Laserstrahl Oberflächenbehandlung

- UmschmelzenSchmelzen von dünnen Randzonen und dann schnelles Abkühlen. Dadurch kann bei einigen Werkstoffen eine erhebliche Gefügeverfeinerung geschaffen werden. Beispiele aus dem Bereich des Verschleißschutzes sind Stellite und Fe40Ni20B20-Schichten.

- UmwandlungshärtenErhitzung von sehr dünnen Randzonen auf Temperaturen oberhalb Austenitisierungstemperatur, jedoch ohne Schmelzen des Werkstoffs. Durch die bauteilbedingte schnelle Abkühlung wird Martensit mit den entsprechenden Härten gebildet.

- AuftragenDas Grundmaterial wird aufgeschmolzen und gleichzeitig Zusatzwerkstoff, i.A. in Pulverform, zugegeben. Es werden dünne Schichten auf dem Grundwerkstoff erzeugt. Anwendung i.A. bei verschleißbehafteten Bauteilen.

- LegierenDas Grundmaterial wird aufgeschmolzen und eine Randschicht mittels eines zugeführten Schweißzusatzwerkstoffs metallurgisch beeinflusst.


Die Prozessgase unterscheiden sich:

• Im Reaktionsverhalten bei der Bearbeitung

– (inert, oxidierend, reaktionsträge, reduzierend)

• In der Ionisierungsenergie bzw. Dissoziationsengergie

• In der Wärmeleitfähigkeit

• In der Dichte (schwerer / leichter als Luft)

• In der Siedetemperatur

15

Wärmeleitfäh

igke

it [W / m · K]

Temperatur [K]

00 5000 10000 15000 20000 25000

5

10

Argon Helium Wasserstoff Stickstoff Sauerstoff

33


Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften

0,138

1,380

0,968

1,529

1,105

0,070

relative Dichte zu Luft

-15,8Ar

9,814,5N2

-24,6He

2,93 (CO2 �� CO + ½ O2)

9,60 (CO �� C +O)

2,58 (O2 �� 2 ½ O2)

14,4CO2

5,113,6O2

4,513,6H2

Dissoziationsenergie[eV/Molekül]

Ionisationsenergie (1. Stufe)[eV/Molekül]

Gas

Hohe Ionisationsenergie der Gase:- kann beim Laserschweißen die abschirmende Metalldampf/-plasmawolkereduzieren oder gar verhindern

Dissoziation der mehratomigen Gase:- erhöht den Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff durch Rekombination(exotherme Reaktionen)- verbessert das Fließ- und Benetzungsverhalten der Schmelze


Plasmabildung der Gase in Abhängigkeit der Temperatur

elektrische Leitfähigke

it [A/V m]

15000

10000

5000

0

0 5000 10000 15000 20000 25000 0 5000 10000 15000 20000 25000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Temperatur [K] Temperatur [K]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Argon

Helium

Wasserstoff

Stickstoff

Sauerstoff

Argon

Argon +

Argon ++

Helium

Helium +

34


Kohlendioxid bei hohen Temperaturen

CO O

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Temperatur [°C]

100%

80%

60%

40%

20%

0%

Anteil am

Partialdruck

Kohlendioxid

Kohlenmonoxid

Sauerstoff molekular

Kohlenstoff atomar

Sauerstoff atomar

C

O

C O

O O


Die thermische Dissoziation & Wärmeleitfähigkeit von zweiatomigen Gasmolekülen

0 5000 10000 15000 20000 25000

Temperatur [K]

O2 O O+O++

H2 H H+

N+NN2

N++

Sauerstoff

Stickstoff

Wasserstoff

35


Die Bewertung von Prozessgaskomponenten

Gut--------------------------Stickstoff, Argon

Helium

Argon, Helium, H2

CO2 , Argon

jedes möglich

Sauerstoff, CO2

CO2, O2 , H2

Eigenschaft, Aufgabe------------------------------

Gaspreis

Plasmakontrolle

Schutz vor Oxidation

Schutz vor Umgebungsluft

Vermeidung von Poren

Prozesseffizienz

Sekundärnutzung der Energie

Schlecht--------------------------Helium

Argon

Sauerstoff, CO2

Helium, H2

jedes möglich

Argon, Helium

Helium, Argon

Prozessgasgemische bieten die Möglichkeit die Eigenschaften der Gase zu kombinieren und zu gewichten, so daß für die jeweilige Anwendung optimale Voraussetzungen vorliegen!!!


CO2-Laser geschweißtes Tailored Blank

36


Aluminiumschweißen(Quelle: Trumpf)


CO2-Laser geschweißter Wärmetauscher (Quelle: Trumpf)

37


Beispiel Aluminiumverstärkung in Kunststofffenstern

Schweißgeschwindigkeit

60000 mm/min

mit angepasstem Prozessgas80000 mm /min


Laserschneiden unschlagbar in der Mikrobearbeitung

Röhrchendurchmesser: 2 mm

Röhrchenlänge: 20 mm

Schnittlänge: 2000 mm

38


Laser vielseitig einsetzbar –Beispiel Schiffbau

Primerentfernung Laserschneiden/-markieren

Laserschweißen I – Stoß Laserschweißen I – Kehlnaht


Lasertechnik Vorteile und Nachteile(Auszug)

+ Geringe Wärmeeinflusszone, schmale Nähte

+ Universell einsetzbar beim Schneiden, Schweißen, Abtragen, Markieren, Löten, Härten usw.

+ Prozesstemperatur einfach über Verweilzeit einstellbar

+ Kein Werkzeugverschleiß, berührungsloses Verfahren

+ Nacharbeitsfreie Bearbeitung möglich

+ Kann sehr einfach dem Prozess zugeführt werden (z.B. Glasfaser / Roboter)

+ Große Varianz bei zu bearbeitenden Materialien – von Mikro zu Makro –Medizintechnik bis Stahlbau

- Hohe Investitionskosten

- Wegen schmalem Strahl auch enge Füge-Toleranz

- Besondere Beachtung von Laserstrahlenschutz erforderlich

- Abstimmung sämtlicher Verfahrensparameter für fehlerfreie Schweißergebnisse unabdingbar und durchaus komplexer als in der klassischen Schweißtechnik

- Durch hohe Energien bzw. den daraus resultierenden Temperaturen können Schadstoffe entstehen, angepasste Absaugung nötig

39


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:

Michael Runzka

Linde AGGeschäftsbereich Linde GasFangdieckstraße 7522523 Hamburg

T: 040.85.31.21-189F: [email protected]

Lasertechnik Ein Überblick - haw- · PDF file3 5 Linde AG –Geschäftsbereich...

Documents

Transcript of Lasertechnik Ein Überblick - haw- · PDF file3 5 Linde AG –Geschäftsbereich...