Lasertechnik Ein Überblick

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1 Lasertechnik Ein Überblick Michael Runzka Abt. VMI 1 Wo kommt Lasertechnologie zum Einsatz? Einsatz der Lastertechnologie Barcode Scanner Medizintechnik 20% Informations- & Unterhaltungs- 19% Technik Forschung & Entwicklung 25% Materialbearbeitung andere & Andere 13% Bohren 23% Schneiden 3% 8% Messtechnik Gravieren 25% 13% Mikro- Bearbeitung 12% 13% Schweißen 26% Markieren 2 1

2 Wofür steht der Begriff LASER? L ight Licht A mplification by Verstärkung durch S timulated stimulierte (bzw. angeregte) E mission of Aussendung von R adiation Strahlung 3 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. 4 2

3 Modellbetrachtung Bohr sches Atommodell Angeregter Zustand E2 e - E2 E1 e - Energie E2 E1 = h f Atomkern Elektronenbahnen E1 Grundzustand 5 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. vorher nachher E2 E2 h f E1 E1 6 3

4 Spontane Emission von Strahlung Nach einer elementspezifischen Verweilzeit (ca 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. vorher nachher E2 E2 h f E1 E1 7 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. vorher nachher E2 E2 h f h f h f E1 E1 8 4

5 Absorption oder induzierte Emission? E2 E2 h f E1 E1 E2 vorher? E2 nachher h f h f h f E1 E1 9 Laserprinzip (Funktionsweise) Grundbedingung: laseraktives Material E3 Zeitliche Bedingung: T E3 E2 kurz & T E1 E0 kurz E2 strahlungsfreier Übergang Energie E Pumpen E1 Laser Übergang Lichtverstärkung E0 strahlungsfreier Übergang Hierbei handelt es sich um ein s.g. 4-Niveau-System (E0 bis E3). Fehlt das Niveau E0, so spricht man vom 3-Niveau-System. Das laseraktive Material und somit der Abstand der Energieniveaus bestimmt die Wellenlänge bzw. Farbe des Lasers. 10 5

6 Wellenlängen verschiedener Laser Der Laser trägt den Namen seines laseraktiven Materials Röntgenlaser 10nm Excimerlaser (z.b. Kr F) 248 nm He Ne Laser 632,5 nm Ar + Ionenlaser ,5 nm Diodenlaser 405 nm bis einige µm Nd:YAG Laser 1,06 µm Faserlaser 1,07 1,08 µm CO 2 Laser 10,6 µm UV bis 100 nm IR bis 1 mm sichtbares Licht 380 nm 780 nm 11 Licht, was ist das? Schirm Prisma Lampe Blende 12 6

7 Laserlicht Schirm Prisma Laserpointer 13 Zusammenfassung der Eigenschaften Große Divergenz (nicht parallel) Polychromatisch (verschiedene Wellenlängen) nicht kohärent nicht phasengleich einfarbig parallel Laser Laser: Geringe Divergenz (fast parallel) kohärent Hoch monochromatisch (nahezu einfarbig) Hohe Kohärenz (im Gleichtakt) Hohe Intensität durch gute Fokussierbarkeit möglich! 14 7

8 Vergleich von verschiedenen Energiequellen Leistung Intensität Sonne mit Linse gebündelt 2 W 300 W/cm² Schweißflamme 1,6 kw W/cm² Elektrischer Lichtbogen 64 kw W/cm² Elektronenstrahl 3 kw 10 9 W/cm² CO 2 Laser (cw) 25 kw 10 8 W/cm² Nd YAG Laser (Puls) 100 MW W/cm² 15 Prinzipieller Aufbau einer quelle Durch Mehrfachreflexion Erhöhung der Verstärkung. Totalreflektierender Spiegel Energie (Pumpen) Laseraktives Material im optischen Resonator Teildurchlässiger Spiegel Wärme Optischer Aufbau gibt Ausbreitungsrichtung und die form vor. 16 8

9 In der Materialbearbeitung eingesetzte Laser Materialbearbeitungslaser Materialbearbeitung CO 2 Laser 56% Festkörper Laser 42% andere Bohren 3% 8% Gravieren 13% 25% Schneiden andere 2% Mikro- Bearbeitung 12% 13% 26% Markieren Schweißen 17 CO 2 - 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. 18 9

10 Prinzip eines CO 2 Slablasers am Beispiel eines Rofin DC Lasers Totalreflektierender Spiegel Kühlung Auskoppelspiegel Strahlumformer Hochfrequenzanregung 19 Prinzip eines CO 2 Slablasers am Beispiel eines Rofin DC Lasers Neu: DC 080 W (8kW) Quelle: Rofin Gasgemisch LASERMIX

11 Prinzip eines längsgeströmten CO 2 Lasers Wärmetauscher Total reflektierender Spiegel Gebläse N N Elektroden Teildurchlässiger Spiegel He N 2 CO 2 Helium 4.6 Stickstoff 5.0 Kohlendioxid 4.5 Betriebsgas Vakuumpumpe 21 Bild eines längsgeströmten CO 2 Lasers Quelle: Trumpf 22 11

12 Quergeströmte CO 2 Laser Elektroden Spiegel Gasstrom Wärmetauscher Gasumwälzung 23 Quergeströmter CO 2 Laser mit 45kW Leistung 24 12

13 Festkörperlaser - hat höhere Absorption an kalten Metallen, als CO 2 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 CO 2 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. 25 Prinzip Nd:YAG Laser am Beispiel eines Trumpf HL Lasers Neodym dotierter Yttrium Aluminium Granat Laser Nd:YAG Kristall Stab Auskoppelspiegel (teildurchlässig) Krypton Bogenlampe Totalreflektierender Spiegel Stromversorgung Elliptischer Hohlspiegel 26 13

14 Prinzip Nd:YAG Laser am Beispiel eines Trumpf HL Lasers 27 Absorption von Pumplicht beim Nd:YAG Laser Hauptabsroptionsbanden Nd: YAG 590 nm, 750 nm & 810 nm Laserdiode 808 nm Nd:YAG Absorption Krypton Bogenlampe Wellenlänge [nm] 28 14

15 Prinzip Scheibenlaser Kontaktmaterial Auskoppelspiegel Wärme senke Kristallscheibe (Nd:YAG oder Yb:YAG) Pumpstrahlung Quelle: Trumpf 29 Prinzip Faserlaser Pumpdioden aktive Faser (z.b. Yb:YAG) Quelle: A. Tünnermann, H. Zellmer, H. Welling, Faserlaser in Physikalische Blätter, November 1996 Koppler optische Gitter Ausgangsfaser 25 W Quelle: IPG Quelle: IPG 30 15

16 Begriffsdefinitionen nach DIN EN ISO (am Beispiel CO 2 Laser) Lasergerät Laser akt. Medium Resonatorgas Versorgung el. Energie Kühlung Gas CO 2, N 2, He LASERMIX - Gemische Lasersystem N 2 Laseranlage Bearbeitungskopf Schneidgas* Mess, - und Regel - einrichtung O 2, N 2, (Ar) Werkstück Strahlengangspülung Schweißschutzgas* xy He, Ar, Gemische z.b. LASGON, VARIGON *In der Regel wird entweder geschnitten oder geschweißt dann benötigt man entweder Schneidgas oder Schweißschutzgas 31 schneiden 32 16

17 Der Laser Schneidprozess Vorschubrichtung Schneidgas Düsenkörper Fokussierung des s auf die Werkstückoberfläche Absorption der ung 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 Werkstück Schnittflanke Erzeugen des Schnittes durch Relativbewegung zwischen Schneiddüse und Werkstück Materialaustrieb 33 Aufgaben des Schneidgases * Austrieb des Materials Schneidgasdruck Schneidgasdichte Düsendurchmesser Düsenabstand Druckmessung Werkstück Materialaustrieb Linse Schneidgas * Unterstützung einer exothermen Reaktion oder verhindern von Oxidation. * Linsenschutz durch ~ Massenfluss ~ Dichte ~ Volumen * Linsen- bzw. Düsenkühlung Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit Volumen 34 17

18 Laserschneiden nach DIN 2310 Teil 6 Laserbrennschneiden Zündtemperatur Stahl ~ 1150 C Lasersublimierschneiden Siedetemperatur Stahl ~2730 C Laserschmelzschneiden Schmelztemperatur Stahl ~1535 C 35 Vergleich Laserbrennschneiden Laserschmelzschneiden Laserbrennschneiden Fokussierung des s auf das Werkstück Material: Baustahl Schneidgas: Sauerstoff 3.5 Schneidgasdruck: 0,5-6 bar Schneidgasverbrauch: 1-5 m³/h Vorteile: geringe Rauhtiefen hohe Schneidgeschwindigkeit auch bei geringer Leistung Nachteile: Oxide auf der Schnittfläche einsetzbare Laserleistung begrenzt Laserschmelzschneiden Fokussierung des s nahe der Unterseite des Werkstücks Material: Baustahl, Edelstahl, Aluminium, Titan Schneidgas. Stickstoff 5.0 Schneidgasdruck: 5-30 bar Schneidgasverbrauch: m³/h Vorteile: oxidfreie Schnittkanten sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten Nachteile: hohe Laserleistungen nötig kleines Parameterfeld hoher Schneidgasverbrauch 36 18

19 schweißen 37 Differenzierung des Laserschweißens gegenüber konventioneller Schweißverfahren wie z.b. MSG + 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 38 19

20 Laserschweißverfahren Wärmeleitungsschweißen Tiefschweißen Tiefe : Breite < 1 Metalldampf Metallplasma Tiefe : Breite > 1 (typ ) Werkstück Schmelzbad Werkstück Schmelze Schweißnaht Dampfkapillare 39 Tiefschweißen mit dem Laser Metalldampf Metallplasma Längs zur Schweißnaht Quer zur Schweißnaht Metalldampf Metallplasma Schmelze Schmelze Werkstück Schweißnaht quer zur Schweißnaht Dampfkapillare längs zur Schweißnaht 40 20

21 Die Entstehung der Dampfkapillare zum Tiefschweißen Herausströmender Metalldampf bzw. Metallplasma ist zur Entstehung und zur Aufrechterhaltung der Dampfkapillare (des Keyholes ) zwingend erforderlich! Werkstück 41 Ohne Kontrolle des abströmenden Materials gibt es keine stabilen Einschweißungen Decklage ohne Prozessgas Wurzelseite ohne Prozessgas Unkontrolliert ausströmendes Material (Metalldampf / Metallplasma) Luft Schmelze Dampfkapillare Werkstück Vorschubrichtung 42 21

22 Der Begriff Plasmaabschirmung Werkstück - Fe + Ar Ar + e - + e Fe + e - e - Schweißnaht Ionisationsenergien Element Al Cr Ti Mn Ni Mg Cu Fe Zn H O Kr N Ar Ne He [kj/mol] [ev] 577,56 5, ,82 6, ,03 6, ,37 7, ,66 7, ,72 7, ,44 7, ,34 7, ,38 9, ,00 13, ,93 13, ,69 13, ,31 14, ,51 15, ,60 21, ,28 24, Das Gas stabilisiert den Laserschweißprozess Decklage ohne Prozessgas Decklage mit Prozessgas Rückseite ohne Prozessgas Rückseite mit Prozessgas 44 22

23 Korrekter Prozessgaseinsatz ist mit Plasmajet nicht möglich Strahlengangspülung drückt, Crossjet saugt, Absaugung saugt, Spannelemente stören Düse verschmutzt Düse verschoben Zusätzlich noch viel schlechterer Schutz vor Nachoxidation! Plasmajet Ar, CO 2 undefiniertes Gemisch aus Prozessgas und Umgebungsluft!! Prozessgas Metalldampf Metallplasma Schmelze Vorschubrichtung Dampfkapillare Werkstück 45 Wassergehalt der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur % Luftfeuchtigkeit 50% Luftfeuchtigkeit Wassergehalt der Luft [g/m³] Temperatur [ C] 46 23

24 Schweißen von geschlossenen Schweißgeometrien und die Probleme im Überlappbereich Problem: Löcher und Poren im Bereich der überlappenden Schweißung Ursache: Stickstoff (78% in der Luft) am Schweißprozess 47 Löslichkeit von N 2 in einer Eisenschmelze (nach Wada und Pehlke) 540 Gewichtsanteil Stickstoff [mg/g] Log K N = - 247K / T 1,222 Gewichtsanteil Stickstoff in Eisen [mg/g] Schmelzpunkt Siedepunkt C C Temperatur [ C] 48 24

25 Mit dem richtigen Prozessgas keine Probleme auch nicht im Überlappbereich Lösung: Angepasstes Prozessgas z.b.: LASGON C1 49 Motivation für den Einsatz von Prozessgas Instabilität des Schweißprozesses durch Absorption des s 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 50 25

26 Die Killer des Prozessgases Spülgas Fokussierspiegel Spiegeloptik Absaugung Crossjet Prozessgas Fahrtwind Klemmvorrichtungen Untaugliche Düsen Werkstück 51 Folgen fehlerhafter Gaszuführung Plasmaabschirmung Crossjet zu schwach beste Qualität Crossjet zu stark Nachoxidation Plasmathermik 52 26

27 Prozessgaseinbringung beim schweißen koaxial mit separater Düse Metalldampf Metallplasma Prozessgas Metalldampf Metallplasma Prozessgas zur Kontrolle von: Oxidation Viskosität des geschmolzenen Materials Ausbildung der Wurzel Optimierte Schweißgeschwindigkeit Poren Minimieren Regelmäßige Schweißnaht Konstante Prozessbedingungen 53 Positionierung der Prozessgasdüse Düse zur Schweißstelle nicht richtig positioniert (Entfernung, Anstellwinkel) * Schutzgasstrom deckt die Schweißung nicht ab * Ergebnis oxidierte und fehlerhafte Schweißung, Poren Düse zu klein; Strömungsgeschwindigkeit zu hoch * Schutzgasstrom reißt Umgebungsluft mit * Ergebnis oxidierte 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 * Ergebnis oxidierte und fehlerhafte Schweißung, Poren Große Düse mit langsamer laminarer Ausströmung; Düse möglichst nahe an Schweißstelle * Keine Verwirbelung Schutzgases mit der Umgebungsluft * Ergebnis optimale, oxidfreie Schweißung 54 * 27

28 Nachoxidation bei Edelstahl Bei Oberflächentemperaturen über 200 C kann es an Luft zur Oxidation der Oberfläche kommen Düse Düse Düse Luft Schmelze Dampfkapillare Vorschubrichtung Werkstück 55 Oxydfrei Schweißen mit der Panflöte Düse Düse Düse Schutzgas Schutzgas Prozessgas Prozessgas Schmelze Dampfkapillare Vorschubrichtung Werkstück 56 28

29 Der komplette Gasschutz einer Laserschweißnaht Düse Düse Nachlaufdusche Prozessgas Schutzgas Schmelze Dampfkapillare Wurzelschutz Vorschubrichtung Werkstück 57 Oxidfreies und richtungsunabhängiges Schweißen Schutzgaszufuhr ohne Schutzgasglocke Schutzgasglocke mit Schutzgasglocke Mit der richtigen Düsentechnik ist oxidfreies Schweißen auch großflächiger Bauteile wie Edelstahl-Wärmetauschern möglich! 58 29

30 Sekundärnutzung der Prozessenergie schleppend Düse Nutzung: Kühlung des Metalldampfes / Metallplasma (durch Energieentzug) Nachwärmen der Schweißnaht mehr Zeit zum Ausgasen mehr Zeit zum Verlaufen Beeinflussung der Viskosität Beeinflussung der Nahtform Metalldampf (heiß) Metallplasma (heiß) Werkstück Energietransport Prozessgas Dampfkapillare Nachwärmung Vorschubrichtung 59 Sekundärnutzung der Prozessenergie stechend Düse Nutzung: Kühlung des Metalldampfes / Metallplasma (durch Energieentzug) Reinigung der Oberflächen Verbesserung der Einkopplung bei reflektierenden Materialien Metalldampf (heiß) Metallplasma (heiß) Energietransport Prozessgas Schmelze Vorschubrichtung Vorwärmung Dampfkapillare Werkstück 60 30

31 Aggregatszustände von Eisen und Zink (-oxid) Fest Flüssig Gasförmig Zinkoxid 1975 C Zink 420 C 907 C Eisen 1535 C 2750 C Temperatur [ C] 61 Grenzen des Laserschweißens Ist der zu überbrückende Spalt beim Schweißen größer, als der durchmesser, so kann es zu Anbindungsproblemen kommen: Spalt: 0,1 mm Spalt: 0,3 mm Spalt: 0,5 mm 62 31

32 Oberflächenbehandlung - Umschmelzen Schmelzen 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. - Umwandlungshärten Erhitzung 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. - Auftragen Das 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. - Legieren Das Grundmaterial wird aufgeschmolzen und eine Randschicht mittels eines zugeführten Schweißzusatzwerkstoffs metallurgisch beeinflusst. 63 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 Argon Helium Wasserstoff Stickstoff Sauerstoff Wärmeleitfähigkeit [W / m K] Temperatur [K] 64 32

33 Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften Gas relative Dichte zu Luft H 2 0,070 13,6 4,5 O 2 1,105 13,6 5,1 CO 2 1,529 14,4 2,93 (CO 2 CO + ½ O 2 ) N 2 Ar He 0,968 1,380 0,138 Ionisationsenergie (1. Stufe) [ev/molekül] 14,5 15,8 24,6 Dissoziationsenergie [ev/molekül] 9,60 (CO C +O) 2,58 (O 2 2 ½ O 2 ) Hohe Ionisationsenergie der Gase: - kann beim Laserschweißen die abschirmende Metalldampf/-plasmawolke reduzieren oder gar verhindern Dissoziation der mehratomigen Gase: - erhöht den Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff durch Rekombination (exotherme Reaktionen) - verbessert das Fließ- und Benetzungsverhalten der Schmelze 9, Plasmabildung der Gase in Abhängigkeit der Temperatur elektrische Leitfähigkeit [A/V m] % Argon 80% Argon Helium 60% Argon + Wasserstoff 40% Argon ++ Stickstoff 20% Sauerstoff 0% % % 60% Helium Helium + 40% 20% 0 0% Temperatur [K] Temperatur [K] 66 33

34 Kohlendioxid bei hohen Temperaturen 100% Kohlendioxid Anteil am Partialdruck 80% 60% 40% O C C O O Kohlenmonoxid Sauerstoff molekular Kohlenstoff atomar Sauerstoff atomar O C 20% O O 0% Temperatur [ C] 67 Die thermische Dissoziation & Wärmeleitfähigkeit von zweiatomigen Gasmolekülen Sauerstoff O 2 O O + O ++ Stickstoff N ++ N 2 N N + Wasserstoff H 2 H H Temperatur [K] 68 34

35 Die Bewertung von Prozessgaskomponenten Gut Stickstoff, Argon Helium Argon, Helium, H 2 CO 2, Argon jedes möglich Sauerstoff, CO 2 Eigenschaft, Aufgabe Gaspreis Plasmakontrolle Schutz vor Oxidation Schutz vor Umgebungsluft Vermeidung von Poren Prozesseffizienz Schlecht Helium Argon Sauerstoff, CO 2 Helium, H 2 jedes möglich Argon, Helium CO 2, O 2, H 2 Sekundärnutzung der Energie Helium, Argon Prozessgasgemische bieten die Möglichkeit die Eigenschaften der Gase zu kombinieren und zu gewichten, so daß für die jeweilige Anwendung optimale Voraussetzungen vorliegen!!! 69 CO 2 -Laser geschweißtes Tailored Blank 70 35

36 Aluminiumschweißen (Quelle: Trumpf) 71 CO 2 -Laser geschweißter Wärmetauscher (Quelle: Trumpf) 72 36

37 Beispiel Aluminiumverstärkung in Kunststofffenstern Schweißgeschwindigkeit mm/min mit angepasstem Prozessgas mm /min 73 Laserschneiden unschlagbar in der Mikrobearbeitung Röhrchendurchmesser: Röhrchenlänge: Schnittlänge: 2 mm 20 mm 2000 mm 74 37

38 Laser vielseitig einsetzbar Beispiel Schiffbau Primerentfernung Laserschneiden/-markieren Laserschweißen I Stoß Laserschweißen I Kehlnaht 75 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 enschutz 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 76 38

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Michael Runzka Linde AG Geschäftsbereich Linde Gas Fangdieckstraße Hamburg T: F: