10 kw-hochleistungsfaserlaser Erfahrungen aus verschiedenen Anwendungen

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1 kw-hochleistungsfaserlaser Erfahrungen aus verschiedenen Anwendungen A. Sumpf, U. Jasnau, P. Seyffarth, Rostock Veröffentlicht im DVS-Berichte Bd 237 (ISBN ): Schweißen und Schneiden 2005 Vorträge der gleichnamigen Großen Schweißtechnischen Tagung in Essen vom 12. bis 14. September 2005

2 kw-hochleistungsfaserlaser Erfahrungen aus verschiedenen Anwendungen A. Sumpf, U. Jasnau, P. Seyffarth, Rostock Mit dem weltweit ersten kw Faserlaser, der im August 2004 der SLV Mecklenburg-Vorpommern in Betrieb genommen wurde, erreichte eine raste Entwicklung bei der Leistungssteigerung im Bereich der Faserlaser eine neue Dimension. Im Laufe des darauf folgenden Jahres wurden der SLV Mecklenburg-Vorpommern dieser Laserquelle verschiedene Applikationsuntersuchungen für die Industrie durchgeführt. Anhd von einigen Beispielen wird über die erreichten Ergebnisse und die Erfahrungen beim Einsatz der Laserquelle berichtet. Die sich aus diesen Erfahrungen ergebenden Konsequenzen für den Industrieeinsatz solcher Strahlquellen werden dargestellt. 1 Leistungsentwicklung der Hochleistungs- Faserlaser Nd:YAG-Laser Leistungen bis zu 5 kw haben sich seit einigen Jahren für die Lasermaterialbearbeitung hohen Leistungen etabliert. Dabei können sowohl lampengepumpte als auch diodengepumpte Nd:YAG- Laser auf Grund ihres Steckdosen-Wirkungsgrades von max. 6% und ihrer Baugröße die Vorteile der Festkörperlaser nicht voll zum Tragen bringen. Gegenüber den industriell breit gefächert eingesetzten Nd:YAG- Lasern haben sich innerhalb der letzten 3 Jahre die Faserlaser zu einer bedeutenden Alternative für den Einsatz in der Materialbearbeitung entwickelt. Die Leistungsentwicklung erfolgt dabei sehr rast, so dass sie in Anwendungsbereiche vorstoßen, die bislg nur den CO 2 -Lasern vorbehalten waren. einem Seltenerdmetall (Ytterbium, Thulium, Erbium) dotiert ist. Die Energie der Pumpdioden wird über die aktive Faser gespleißte Multimode-Fasern eingekoppelt. Die Laserstrahlung wird direkt in der aktiven Faser erzeugt und über eine passive Singlemode-Faser ausgekoppelt, 1. Faserlaser der Kilowatt-Klasse werden durch die parallele Kombination mehrerer Singlemode-Faserlaser hergestellt. [2] Die Ytterbium-Faserlaser einer Wellenlänge von ca. 70 nm zeichnen sich durch die geringe Baugröße, den hohen Steckdosen-Wirkungsgrad von über 25% und eine exzellente Strahlqualität aus. Aufgrund des monolithischen Faser--Faser-Designs sind keine Spiegel bzw. Optiken auszurichten und zu justieren, 2. Dies und die Eterdioden-Stdzeit von über Stunden gartieren sehr geringe Wartungskosten im Vergleich zu deren Lasersystemen ähnlicher Leistung. Durch die kompakte Bauweise, die unkomplizierte Bedienung und nutzbare Lichtleitfaserlängen bis zu 200 m sind sie geradezu für Anwendungen prädestiniert, die neben hohen Leistungen und der Flexibilität der Strahlübertragung auch die Mobilität der Laserquelle erfordern. 1 Funktionsprinzip des Faserlasers Der erste 1 kw Faserlaser wurde von der IPG Laser GmbH im Mai 2002 vorgestellt. Im November desselben Jahres folgte die erste 4 kw Einheit. Schon im März 2003 wurden kw Leistung vorgestellt. Bis Dezember 2003 wurden 24 Geräte im Multi-kW- Bereich für Produktionswendungen in den Vereinigten Staaten, Europa und Asien ausgeliefert. [1] Herkömmliche Laserresonatoren setzen sich aus vielen optischen Elementen zusammen, die der Erzeugung, Leitung und Mipulation des Laserlichtes dienen. Demgegenüber bestehen Faserlaser aus vielen Windungen einer speziellen Glasfaser, die W Lasermodul und Modulverknüpfung im kw Hochleistungslaser der SLV M-V An der SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH in Rostock steht seit August 2004 der zu diesem Zeitpunkt weltweit erste Ytterbium Faserlaser einer Leistung von kw zur Verfügung, 3. Neben Verfahrensuntersuchungen zum Schweißen, Schneiden und zur Oberflächenbearbeitung im Labor können auch Entwicklungsarbeiten und Einsätze

3 direkt beim Kunden vor Ort dieser mobilen Laserstrahlquelle durchgeführt werden. Als Bearbeitungsköpfe sind ein Schweiß- und Beschichtungskopf sowie ein Schneidkopf der Firma Precitec vorhden. Für Versuche zum Laser- Lichtbogen-Hybridschweißen kn der Schweißkopf entsprechend gepasst werden. Neben den Bearbeitungsköpfen für stationäre Hdlingsysteme steht ein Laserkopf der Firma Mobil-Laser-Tec für das muell geführte Schweißen und Schneiden zur Verfügung. Werften aus dem In- und Ausld. Im gemeinsamen Versuchsfeld der SLV Mecklenburg-Vorpommern und der IMG mbh Rostock stehen für die Untersuchungen eine CNC- Bearbeitungslage, ein 3-m Schweißportal und ein Roboterportal zur Verfügung. 2.1 Laserstrahlschweißen Zur Gewinnung grundlegender Parameter für nachfolgende Untersuchungen wurden Einschweißungen herkömmlichem Baustahl unter Variation der Schweißgeschwindigkeit und der Fokuslage durchgeführt. Verwendet wurde eine Schweißoptik 125 mm Kollimation und 250 mm Brennweite Fokussierung bei einem Lichtleitfaserdurchmesser von 200 µm. Ein Gemisch aus 90% Ar und % CO 2 wurde zum Schutz des Prozesses eingesetzt. Bei einer Laserleistung von 0 % wurden bei einer Schweißge- 3. kw Faserlaser der SLV M-V GmbH 2. Anwendungen des Faserlasers Einschweißtiefe p in mm 8 v S = 2 m/min 6 4 v S = 4 m/min Laserleistung P L in % von kw Stahlbleche und -profile einer Dicke von mm kommen insbesondere im Schiffbau, aber auch im Rohrleitungs-, Druckbehälter- und Krbau zur Fertigung großer Stahlstrukturen lgen Schweißnähten zur Anwendung. Die bisher gewendeten konventionellen MAG- und Unterpulver- Schweißverfahren bieten nur geringe Schweißgeschwindigkeiten und demzufolge hohe Wärmeeinträge in den Grundwerkstoff. Dies bewirkt neben dem Zeitaufwd für den eigentlichen Schweißprozess weitere Kosten für das Nachrichten der durch den Wärmeverzug verformten Strukturen. Die Alternativen Laser- und Laser-MSG-Hybrid- Schweißen haben sich bisher trotz ihrer Vorteile in Prozessgeschwindigkeit und Energieeintrag noch nicht durchgesetzt. Ein Grund ist darin zu sehen, dass für den Einsatz zu verschweißenden Dicken bis 15 mm nur CO 2 -Laserquellen in Betracht kamen. Da die Strahlübertragung zum Werkstück bei diesen nur über Spiegelsysteme erfolgen kn und die Strahlparameter der Änderung des Strahlweges stark variieren, sind CO 2 -Laser-Schweißlagen für lge Stumpf- und Kehlnähte sehr groß und massiv gebaut. Das Nachrüsten bestehender Schweißlagen ist nicht möglich. Gerade diese Option bietet sich jedoch durch die Verfügbarkeit kompakter Faserlaserquellen hoher Leistung flexibler Strahlübertragung. Viele Untersuchungen und Machbarkeitsstudien seit Verfügbarkeit des Faserlasers der SLV Mecklenburg-Vorpommern beschäftigen sich deshalb Anwendungen auf 4. Einschweißtiefe in Baustahl bei Schweißgeschwindigkeiten 2 bzw. 4 m/min schwindigkeit von 2 m/min 9,6 mm Einschweißtiefe erreicht, bei 4 m/min Schweißgeschwindigkeit lag die Einschweißtiefe bei 7,5 mm, 4. Bei Fokuslage z f = 0, wurde bei 0% Laserleistung und einer Schweißgeschwindigkeit von 12 m/min wurde eine Einschweißtiefe 2,8 mm erzielt, bei z f = -7 mm lag die Einschweißtiefe bei 3,9 mm, 5. Einschweißtiefe p in mm zf = 0 zf = Schweißgeschwindigkeit v S in m/min 5. Einschweißtiefen bei kw Laserleistung, Fokuslagen 0 und -7 mm, Baustahl Auf der Grundlage dieser Versuche wurden weitere Einschweißungen einem hochfesten Schiffbaustahl

4 HSLA65 durchgeführt, Materials für das untersuchen, 6. um die Eignung dieses Laserstrahlschweißen zu 8. Überlappschweißung S960, Schweißgeschwindigkeit 4,0 m/min, kw Laserleistung, Fokuslage + mm 6. Einschweißungen in hochfestem Schiffbaustahl HSLA65, Schweißgeschwindigkeiten 2 m/min (li) und 4 m/min (Mitte und re) In weiteren Tests zum Laserstrahlschweißen hochfester Stähle wurden Überlappnähte 1 mm Blechen aus S960 zur Ertlung der maximalen Schweißgeschwindigkeit und der Parameter zur Erzeugung gewünschter Nahtquerschnitte hergestellt. Bei Verwendung der vorgennten optischen Konfiguration, kw Laserleistung, Fokuslage 0 und 0% Argon als Schutzgas wurden gute Ergebnisse hinsichtlich der Vorgabe sichere Durchschweißung ohne Decklagenunterwölbung bei einer Schweißgeschwindigkeit von,7 m/min erzielt, Überlappschweißung S960, Schweißgeschwindigkeit 2,4 m/min, kw Laserleistung, Fokuslage + mm 2.2 Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen Für die Durchführung von Versuchen zum LaserstrahlMSG-Hybridschweißen wurde ein von der SLV Mecklenburg-Vorpommern entwickelter Hybridschweißkopf verwendet. Die optische Konfiguration entsprach den vorhergehenden Versuchen. Zur Parametergewinnung wurden ebenfalls EinschweißunEinschweißtiefe p in mm 14,00 7. Überlappschweißung S960, Schweißgeschwindigkeit,7 m/min, kw Laserleistung Bei einer gestrebten Obernahtbreite von 2,5 mm ohne Decklagenunterwölbung wurden gute Ergebnisse bei einer Schweißgeschwindigkeit von 4 m/min und der Fokuslage + mm erzielt, 8. Die maximale Nahtbreite von 3,2 mm ohne Durchsacken des Schweißbades wurde bei 2,4 m/min gleicher Fokuslage erreicht, 9. 12,00 zf = -2,00 8,00 6,00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Schweißgeschwindigkeit vs in m/min. Einschweißtiefen bei Fokuslagen -2 mm und kw Laserleistung, Baustahl (Hybridschweißen) gen Baustahl vorgenommen,. Der Fokus lag bei -2 mm bezogen auf die Blechoberfläche. Wiederum wurde Schutzgas der Zusammensetzung 90% Ar/ % CO2 eingesetzt. Der MSG- Brenner wurde 25 schleppend vor dem Laserstrahl

5 geordnet und ein Drahtvorschub von 12 m/min eingestellt. Der Abstd zwischen Lichtbogenfußpunkt und Laserstrahl betrug 2,5 mm. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min wurde eine Einschweißtiefe von 13 mm erreicht, bei 4 m/min Schweißgeschwindigkeit betrug die Einschweißtiefe noch 8,1 mm. Anhd dieser Daten wurden ebenfalls Verbindungsschweißungen hochfestem Schiffbaustahl HSLA65 und geprimerten Schiffbaublechen aus den Materialien GL A und GL D36 vorgenommen. Dabei wurden 8 mm Bleche aus HSLA65 einer Schweißgeschwindigkeit von 3,5 m/min, kw Laserleistung und Fokuslage 2 mm einseitig stumpf verschweißt, 11. Einseitige Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverbindungen geprimerten und lasergeschnittenen Blechen aus GL D36 der Dicken 3 und 5 mm wurden in Längen von 1 m und 2,4 m hergestellt. Die Streckenenergie bei Schweißung der 3 mm Bleche betrug 13 zweiseitige Stumpfnaht HSLA65, 16 mm, hergestellt 11. Stumpfnaht HSLA65, 8 mm, hergestellt 14. Stumpfnaht GL D36, 3 mm, hergestellt 12 Stumpfnaht GL A, 9 mm geprimert, hergestellt Geprimerte Bleche aus 9 mm dickem GL A wurden 2 m/min, kw Laserleistung und einer Fokuslage +3 mm einseitig verschweißt, 12. Zweiseitige Verbindungsschweißungen wurden 16 mm Blechen jeweils 3,5 m/min Schweißgeschwindigkeit, kw Laserleistung und Fokuslage 2 mm hergestellt, 13. Die Kten der Bleche aus HSLA65 waren geschliffen, die der Bleche aus GL A lasergeschnitten. Der Schweißspalt betrug 0 mm. Die maximalen Härtewerte lagen bei 260 HV5 und da weit unter den Grenzwerten für Laserschweißverbindungen. 3 kj/cm bei 3,0 kw Laserleistung, 9,0 m/min Drahtvorschub und 2 m/min Schweißgeschwindigkeit, 14. Bei den 5 mm dicken Blechen lag die Streckenenergie bei 4,4 kj/cm 5 kw Laserleistung, m/min Drahtvorschub und 1,7 m/min Schweißgeschwindigkeit, 15.

6 15. Stumpfnaht GL D36, 5 mm, hergestellt Durchstrahlungsprüfung, Zug- und Biegeversuch wurden bestden, die maximalen Härtewerte lagen bei 270 HV5. Weitere Versuche 8 mm dicken geprimerten Blechen aus GL D36 sind bei einer Begrenzung der La- Mit dem verfügbaren Precitec- Schneidkopf einer Fokussierbrennweite f=150 mm wurden gute Ergebnisse beim Laserstrahl-Brennschneiden und beim Laserstrahl-Schmelzschneiden erzielt. Aufgrund der guten Strahlqualität des Faserlasers konnten Schnittkten hoher Güte Blechdicken bis mm hergestellt werden, 17. Die Schneidparameter lagen bei 1 m/min Schneidgeschwindigkeit, 3 kw Laserleistung und 1 bar Schneidgasdruck. Bei vorgegebener optischer Abbildung und Variation von Laserleistung und Gasdruck sind größere Blechdicken zwar gut schneidbar, die Qualität des Schnittes entspricht dn aber nicht mehr den Anforderungen eine Schweißnahtvorbereitung. Hier kn die Anpassung der Brennweite bzw. Rayleighlänge Abhilfe schaffen. Entsprechende Anwendungsuntersuchungen interessierten Unternehmen werden in Kürze durchgeführt Stumpfnaht GL D36, 8 mm, hergestellt serleistung auf 5 kw einer Schweißnahtvorbereitung Laserschnitt 7 Öffnungswinkel durchgeführt worden. Die Streckenenergie betrug 6,5 kj/cm bei 3,2 kw Laserleistung, 13 m/min Drahtvorschub und 1,1 m/min Schweißgeschwindigkeit, Oberflächenbearbeitung Gegenwärtig werden dem Faserlaser auch Untersuchungen zum Bearbeiten gekrümmter Oberflächen von Bauteilen aus AluminiumMehrstoffbronzen durchgeführt. Diese sollen Aufschluss über die Möglichkeiten der Erhöhung des Verschleißwiderstdes durch Umschmelzen tels defokussierter Laserstrahlung geben, 18. Laserstrahlschneiden 18. Makroschliff überlappender Umschmelzbahnen auf einer Al-Mehrstoffbronze, 7 kw Laserleistung, Bearbeitungsgeschwindigkeit 0,6 m/min, max. Umschmelztiefe 2,2 mm, im Überlappbereich 1,7 mm Auch hierbei kn die hohe verfügbare Leistung des Faserlasers im Gegensatz zu herkömmlichen Festkörperlasern sehr gut für breitere Umschmelzspuren bzw. höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten genutzt werden Musterstücke aus Baustahl S235, 8 und mm Dicke, Schnittkte mm dick (unten) Muell geführtes Laserschweißen Mit dem muell geführten Laserhdschweißkopf der SLV Mecklenburg-Vorpommern wurden Versuche zum Laserhdschweißen von Blechen aus Baustahl und CrNi- Stählen dem Faserlaser erfolgreich durchgeführt. Bei diesem Bearbeitungskopf ist die einsetzbare Laserleistung auf 3,5 kw begrenzt, 19.

7 Der Einsatz eines solchen Hdbearbeitungskopfes in Zusammenhg wirklich mobilen Laserquellen wie dem Faserlaser stellt insbesondere für Klein- und Mittelständische Unternehmen eine Möglichkeit zur Nutzung der Vorteile der Lasertechnik dar. Hochflexibel und unabhängig von programmierbaren Hdlingsystemen können auch Aufgaben Kleinserien und Einzelprodukten wirtschaftlich und in hoher Qualität gelöst werden. Lasertechnik können in breiterem Rahmen nutzbar gemacht werden. Der kw Faserlaser der SLV Mecklenburg- Vorpommern GmbH zeigte bei den bisher durchgeführten Tests sehr gute Ergebnisse hinsichtlich Zuverlässigkeit und Flexibilität und hat die Anwendbarkeit und Zukunftsfähigkeit solcher Laserquellen in verschiedenen Applikationen unter Beweis gestellt. Schrifttum [1] IPG Feature: Fiber Frenzy, Industrial Laser Solutions, June 2004 [2] IPG Photonics: Technology, Muell geführtes Laserschweißen der SLV Mecklenburg-Vorpommern 4 Zusammenfassung Aufgrund der rapiden Leistungssteigerung der Faserlaserquellen hat sich die Palette ihrer Einsatzmöglichkeiten in der Materialbearbeitung ebenfalls erheblich erweitert. Einerseits erobern sie Einsatzfelder, die vorher nur den leistungsstarken CO 2 -Laserquellen vorbehalten waren, derseits sind sie aufgrund ihres hohen Steckdosenwirkungsgrades, ihrer Flexibilität, Wartungsfreiheit und der einfachen Bedienung nun auch für Anwender interesst, die vorher aus Kostengründen von der Anwendung eines Lasers Abstd nahmen. Hinsichtlich der Laserleistung, der Baugröße und der Strahlqualität haben sie etablierte Festkörper-Laserquellen überholt. Insbesondere die einfache Aus- und Nachrüstung von Geräteträgern durch die flexible Strahlübertragung tels Lichtleitfaser und der hohe elektrischer Wirkungsgrad führen zur Verringerung der Ausrüstungs- und Betriebskosten. Die Vorteile der