Diodenlaser auf dem Vormarsch

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1 Das Fachmagazin für die Blech-bearbeitung Diodenlaser auf dem Vormarsch Hochleistungs-Direkt- Diodenlaser eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten Sonderdruck aus Heft 4, Juni 2008

2 Lasertechnik Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten Diodenlaser auf dem Vormarsch von Sri Venkat und Keith Parker Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten für Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser (HPDDL = High Power Direct Diode Laser ) ist aufgrund der technologischen Fortschritte in diesem Bereich mittlerweile enorm angewachsen. Coherent zeigt auf, welches Potenzial die HPDDL-Technologie hat und stellt einige der Hauptanwendungen für diese Laser in der Materialbearbeitung vor. HPDDL auf Kurs. Weitere Fortschritte im Diodendesign, Aussehen, Laserleistung, Brillanz und der Zuverlässigkeit werden nach Angaben des Branchenprimus Coherent zweifellos dazu beitragen, den Kosten-/Nutzenvorteil der HPDDL-Technologie gegenüber anderen konkurrierenden Lasertechnologien sowie den traditionellen Verfahren weiter auszubauen. Ein Diodenlaserbarren ist eine monolithische Anordnung (Array), die sich aus einer Reihe einzelner Diodenlaserstrahlern zusammensetzt. Durch einige bedeutende Weiterentwicklungen in den vergangenen zehn Jahren konnten die Ausgangsleistung, die Brillanz sowie die Zuverlässigkeit dieser Halbleiterlaser enorm gesteigert werden. Aufgrund dieser Entwicklung ist es nun gelungen, aus einem einzelner Diodenlaserbarren im Laboraufbau bis zu 100 Watt Leistung bei 805 nm herauszuholen, und das bei einer hohen Zuverlässigkeit der Ein-/Aus-Zy- 92 BLECH 4/2008

3 Sägezahnspitze, die mit einem Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser selektiv gehärtet wurde. tungen zur Verfolgung der Schweißnaht benötigt werden. Da die hier entstehende Wärmeeinflusszone (WEZ) sehr klein ist, erhält man bei Schweißarbeiten mit diesem Aufbau auf beiden Seiten außergewöhnlich gleichmäßige Oberflächen, bei nur sehr geringem Verzug. Aufgrund der guten Abdeckung durch das Schutzgas kommt es auf der Oberfläche zudem nur zu einem sehr schwachen Oxidationseffekt. Verglichen mit dem bisherigen Verfahren des Wolfram-Inertgas-Lichtbogenschweißen (WIG) fällt die entstehende Schweißnaht wie auch die WEZ zudem ca. drei bis vier Mal schmaler aus. Detaillierte metallographische Untersuchungen der mit diesem Verfahren erzeugten Schweiß- klen. Mehrere Barren können eng gepackt werden und bilden dann einen 2D-Array bzw. einen Stapel, mit Leistungswerten im Multikilowatt-Bereich und Leistungsdichten von 800 kw/cm 2. Zusätzlich zu ihrer hohen Leistungsabgabe können die Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser auch bei Frequenzen bis zu 10 khz direkt moduliert werden. Mit diesen Leistungsmerkmalen sowie einer nachgewiesenen Diodenlebensdauer von mehr als Stunden erhält man Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser, die von allen Lasertypen das kleinste Format und das beste Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Nach kontinuierlichen Weiterentwicklungen hinsichtlich der Ausgangsleistung und der Leistungsdichte steigt nun die Zahl der Hochleistungs- Direkt-Diodenlaser rasch an. Die Laser werden für eine Vielzahl der Standard- Industrieaufgaben eingesetzt, und erledigen diese schneller, kostengünstiger und effektiver. Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser können für eine Vielzahl von Metallschweißarbeiten im echten Wärmeleitungsmodus mit kontrollierter Einschweißtiefe eingesetzt werden. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist ein 4 kw Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser von Coherent, der von einem Hersteller zum Schweißen einer Rohrleitung aus Edelstahl 304 verwendet wird, die eine Wandstärke von 0,9 mm und einen Außendurchmesser von 9,5 mm hat. Ein interessanter Aspekt für den Endbenutzer hierbei ist, dass der Laserkopf so klein ist, dass er ohne größere Anpassungen in das Profil der bestehenden Rohrformmaschine passt und aufgrund der Strahlgröße keine Vorrichnähte haben ergeben, dass gegenüber dem Grundwerkstoff eine minimale Variation bezüglich der Härte in der Wärmeeinfluss- und der Schmelzzone besteht. Beim Hartlöten werden zwei Metallwerkstoffe miteinander verbunden, indem ein artungleiches Metallstück (Draht), das einen niedrigeren Schmelzpunkt hat, zwischen den Verbindungskanten der beiden Werkstoffe aufgeschmolzen wird. Das Hartlöten wird bei vielen Anwendungen in der Automobilindustrie dem Schweißen vorgezogen, da dort nach dem Schweißen des galvanisierten Stahls der Schweißbereich normalerweise korrosionsanfällig wird. Zu den traditionellen Hartlöt-Techniken zählt unter anderem das elektrische BLECH 4/

4 Lasertechnik Einsatzhärten für eine strapazierfähige, langlebige Oberfläche. Der HPDDL-Laser eignet sich für lokal begrenzte Oberflächen oder für große Flächen, wo konventionelle Methoden zu teuer wären. Lichtbogenlöten, mit Wolframinertgas (WIG) und Metallinertgas (MIG). Wie schon beim Schweißverfahren, passt auch hier das rechteckige Ausgangsstrahlprofil des Hochleistungs-Direkt-Diodenlasers sehr gut zur linearen Geometrie, die für den kontinuierlichen Drahtvorschub typisch ist. Dadurch kann die Prozessanpassung vereinfacht werden, in vielen Fällen entfällt so die Notwendigkeit, zusätzlich ein oder mehrere Bildverarbeitungssysteme zu integrieren. Zudem eignet sich das rechteckige Linienprofil hervorragend für eine gründliche Benetzung der Lötstelle, sodass die hierbei entstehenden Profile der Lötgefüge von exzellenter Qualität sind. Die Direktanwendung des Diodenlasers beim Hartlöten bietet zahlreiche weitere Vorteile, wie die im Vergleich zum MIG-Löten stark reduzierte Spritzerbildung. Außerdem fallen der Wärmeeintrag und damit auch der thermische Verzug und die Wärmeeinflusszone geringer aus, bei gleichzeitig höherer Durchsatzrate (je nach Materialdicke bis zu 200 % höher als bei WIG/MIG). Mit einem 4 kw Direkt- Diodensystem können beispielsweise beim Hartlöten von galvanisiertem Stahl mit einem Siliziumbronze-Draht Prozessgeschwindigkeiten von 5 m/min. erreicht werden. Zusätzlich führt die schmale, genau definierte Schweißlinse zu Nähten, die viel gleichmäßiger als typische MIG-/WIG-Nähte sind und die nach dem Hartlötprozess nicht nachbearbeitet werden müssen. Beim Beschichten wird der Laser dazu verwendet, eine Metallpulverlegierung zum Schmelzen zu bringen, die dann auf einem Grundwerkstoff aufgetragen wird und so eine metallurgisch gebundene, dicke, gleichmäßige Schicht aus abriebfestem und korrosionsbeständigem Material erzeugt. Bei dieser Applikation verdrängt der Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser teilweise den CO 2 -Laser vom Markt, da die HPDDL-Wellenlänge von 805 nm von den typischen Industriemetallen stärker absorbiert wird als die längere CO 2 -Wellenlänge von 10.6 µm. Als Folge erreicht der Diodenlaser beim Schmelzen des Beschichtungspulvers eine fast doppelt so hohe Effektivität wie der CO 2 -Laser. Dies führt zu einer geringeren Aufmischung der Legierung als beim CO 2 -Prozess, bei dem dies aufgrund der Schmelzung des tiefer liegenden Substrats häufig der Fall ist. Darüber hinaus bietet der Hochleistungs-Direkt-Diodenlasers eine elek- trische Effizienz, die vier- bis sechsmal höher als ist als bei einem CO 2 -Laser. Beim Beschichtungsvorgang fährt der Ausgangsstrahl des Hochleistung-Direkt- Diodenlasers die Arbeitsoberfläche rasch rechtwinklig zu seiner langen Achse ab. Die sich überlappenden Durchgänge verschmelzen dann sehr gut miteinander und ergeben so ein relativ flaches Oberflächenprofil, und zwar unabhängig von der Prozessgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft kann man an dem Beschichtungsbeispiel, der Multi-Pass-Beschichtung, erkennen. Die Abbildung zeigt eine Multi-Pass-Beschichtung mit NiCr-Pulver auf einer kohlenstoffarmen 1018 Stahlplatte, die Beschichtungsdicke beträgt 1,5 mm. Hierfür wurde ein 4 kw HighLight Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser von Coherent verwendet, die Beschichtungsgeschwindigkeit betrug 0,45 m/min. Beim Einsatzhärten wird eine dünne, weniger als 2mm dicke Randschicht einer Metallkomponente so verändert, dass sich eine strapazierfähige, langlebige Oberfläche ausbildet, ohne hierbei einen physikalischen Verzug herbeizuführen bzw. die gewünschten Werkstoffeigenschaften des Grundmaterials wie Flexibilität und Steifigkeit negativ zu beeinflussen. Hierbei bietet das Laserhärten mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Einsatzhärtetechniken wie dem Flammhärten oder dem Induktionshärten, wie eine hohe Prozessgeschwindigkeit, Selbstabschreckung, eine präzise Kontrolle über die Einhärtetiefe hinweg sowie einen nur minimalen Teileverzug. Der Einsatz eines Hochleistungs-Direkt-Diodenlaser eignet sich am besten für die Fälle, bei denen eine festgelegte und lokal begrenzte Oberfläche eines Werkstücks gehärtet werden soll oder das Werkstück so großflächig ist, dass eine Wärmebehandlung mit konventionellen Methoden unerschwinglich teuer wäre. Wie auch für das Beschichten werden die CO 2 -Laser schon lange auch für das Einsatzhärten verwendet, jedoch nur mit mäßigem Erfolg. Insbesondere die schlechte Absorption der gängigen Industriemetalle bei der Ausgangswellenlänge des CO 2 -Lasers von 10.6 µm macht es erforderlich, den Werkstoff vor der Verarbeitung mit einer absorptionsfähigen Beschichtung zu bemalen. Der Direkt- Diodenlaser arbeitet bei einer Wellenlänge von 805 nm und bietet eine viel höhere Ankopplungseffizienz zum Grundmaterial. Dadurch ist es nicht notwendig, das Multi-Pass-Beschichtung mit NiCr-Pulver auf einer Platte aus Stahl Bei einer Laserleistung von 4 kw betrug die Beschichtungsgeschwindigkeit 0,45 m/min. 94 BLECH 4/2008

5 Hartlöten mit Siliziumbronze mit dem 4 kw Direkt-Diodenlaser von Coherent. Werkstück vor dem Einsatzhärten mit einer Beschichtung zu versehen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die jüngsten technologischen Fortschritte hinsichtlich der Diodenleistung und -zuverlässigkeit die Einsatzmöglichkeiten der HPDDL-Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen in der Metallmaterialbearbeitung eröffnet und auch erweitert haben. Weiterführende Fortschritte im Diodendesign, Aussehen, Laserleistung, Brillanz und der Zuverlässigkeit dieser Laser werden zweifellos dazu beitragen, den Kosten-/Nutzenvorteil der HPDDL-Technologie gegenüber anderen konkurrierenden Lasertechnologien sowie den traditionellen Verfahren weiter auszubauen. Innovative Laserlösungen Coherent Inc. ist als Laserhersteller seit 1966 in vielen Bereichen Technologie- und Marktführer. Der Konzern mit Stammsitz in Kalifornien verfügt über weltweite Entwicklungs- und Produktionsstandorte in Europa unter anderem in Deutschland und in Großbritannien. Ein globales Service- und Vertriebsnetzwerk unterstützt Kunden in Industrie, Wissenschaft und Medizin. Coherent bietet Lösungen für Anwendungen in der Mikroelektronik, dem Maschinenbau, der Medizin oder der Instrumentierung an. Das Spektrum reicht von der Kantenisolierung von Solarzellen, über Schlüsselprozesse bei der Herstellung von Flachbildschirmen, bis hin zur Kunststoff- und Blechbearbeitung in der Automobilindustrie, und selbst Anwendungen in der Verpackungsmittelindustrie gehören dazu. Als Technologiepartner bietet Coherent neben unterschiedlichsten Strahlquellen auch modernste Laserlösungen zur Strahlformung und Strahlführung sowie zur Laserstrahlanalyse und -messtechnik an. Coherent arbeitet eng mit Integratoren und Endkunden zusammen, um qualitativ hochwertige Photoniklösungen für eine Vielzahl von Anwendungen anbieten zu können. Auf diese Weise ermöglicht es die moderne Lasertechnologie, neue Wege zu beschreiten und bietet gleichzeitig die Basis für eine signifikante Erhöhung der Produktivität.

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