Einfluss der Pulslänge bei der abtragenden Laserbearbeitung von Metallen

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1 Einfluss der Pulslänge bei der abtragenden Laserbearbeitung von Metallen J. Schille, R. Ebert, P. Regenfuß, H. Exner; Hochschule Mittweida (FH) Kurzfassung Zur Aufklärung des Ablationsmechanismus bei der Laserbearbeitung von metallischen Werkstoffen wurden unterschiedliche Materialien mit gütegeschalteter Laserstrahlung beaufschlagt. Zielsetzung war es, die Abtragsergebnisse bei Pulslängen in der Größenordnung ns, 0ns und 00ns miteinander zu vergleichen. Jeder dieser Pulslängenbereiche wurde mit einem individuellen Lasersystem realisiert. Die experimentellen Resultate werden anhand bekannter und eigener Modellvorstellungen vom Laserablationsvorgang interpretiert und sollen zur weiteren Differenzierung des Ablationsmechanismus beitragen. Einleitung Der Weltmarkt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung erreichte in den letzten 6 Jahren ein nahezu konstant hohes Umsatzvolumen, wobei Studien bis ins Jahr einen jährlichen Umsatzzuwachs von bis zu 13% voraussagen [1]. Damit stellt die Materialbearbeitung für die Lasertechnologie eines der größten Anwendungsgebiete dar. Zu den wichtigsten Einsatzfeldern von Lasergeräten zählen die abtragenden Laserfertigungsverfahren Laserschneiden, Laserbohren, Lasergravieren oder das 3D-Lasermikrostrukturieren. Bei der Laserbearbeitung beeinflussen sowohl die jeweiligen Laserkenngrößen als auch die Materialeigenschaften die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Material. Zu den prozessrelevanten Laserstrahlparametern zählen Wellenlänge, Betriebsart, mittlere Leistung, Pulsenergie, Pulsdauer sowie Laserstrahldurchmesser. Materialseitig bestimmen vor allem der Absorptionsgrad für die eingestrahlte Laserwellenlänge, die Schmelz- und Verdampfungstemperatur, die Schmelz- und Verdampfungswärme, der Temperaturleitwert sowie die Oberflächenmorphologie den Bearbeitungsprozess. Tiefgreifende Kenntnisse über die Zusammenhänge der bei einer Laserbestrahlung stattfindenden Wechselwirkung mit der Materie sind die Voraussetzung für die präzise Kontrolle der einzelnen Laserbearbeitungsverfahren und damit des Einsatzes des Lasers als Werkzeug in der Materialbearbeitung. Während in einer früheren Arbeit [2] der Einfluss der Laserwellenlänge auf den Materialabtrag an metallischen Oberflächen untersucht wurde, steht in dieser Arbeit vor allem der Einfluss der Pulslänge auf den Abtragsmechanismus im Vordergrund. Abtragsmechanismus Bei der Bearbeitung von Metallen durch Laserpulse mit Pulszeiten im ns-bereich bestimmen neben der eingestrahlten Intensität und der wellenlängenabhängigen Absorption weiterhin die elektrische Leitfähigkeit des beaufschlagten Materials und als deren Folge die Wärmeleitung die stattfindenden Wechselwirkungsprozesse. Infolge der Laserbestrahlung kommt es im Metall zur optischen Anregung der Leitungsband-Elektronen, die die eingebrachte Energie über Dissipationsvorgänge in Form von Elektronen-Phononen-Kopplungen an das Festkörpergitter als Wärme abgeben. Die Absorption erhöht sich dabei mit abnehmender elektrischer Leitfähigkeit [3]. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Stoßrate der Elektronen, was eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit des Metalls zur Folge hat [4]. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Wärmeleitungsprozesse lässt sich unterhalb des Phasenübergangs zum Schmelzen das Ansteigen des Absorptionsvermögens linear zum

2 Ansteigen der Temperatur abschätzen. In der Metallschmelze nimmt die Absorption nahezu unabhängig von der Temperatur zu. Bei Überschreiten eines Schwellwertes oberhalb der nominellen Siedetemperatur siedet das flüssige Material und es wird ein Großteil der eingestrahlten Energie in der entstehenden Dampf- bzw. Plasmawolke absorbiert, was häufig zum Abbruch des Prozesses führt. Bei der Absorption im metallischen Festkörper - im Gegensatz zu anderen Festkörpermaterialien, wie z.b. Isolatoren wird eine lokalisiert starke Aufheizung durch Wärmeleitungsprozesse begrenzt. Die Dissipation von absorbierter Laserenergie ins Volumenmaterial kann durch eine thermische Diffusion entsprechend Gleichung 1 beschrieben werden. Die thermische Diffusionslänge L gibt dabei den räumlichen Bereich an, innerhalb dessen sich bestehende Temperaturgradienten in der Zeit t ausgleichen, κ kennzeichnet den Temperaturleitwert. L = κ t Gleichung 1 Längere Laserpulse erzeugen demnach bei konstantem Energieeintrag flachere Temperaturprofile und damit niedrigere Spitzentemperaturen als kürzere. Für Wirkzeiten im ns-bereich ist die thermische Diffusionslänge mit rund 1µm um 2 Größenordnungen größer als die optische Eindringtiefe der Laserstrahlung mit rund nm []. Entsprechend nimmt mit zunehmend kürzeren Laserpulsen der Einfluss der Wärmeleitung ab, was sich bezogen auf die Ablation in Form einer geringeren Schwellenfluenz bei kürzeren Pulsen äußert. Folglich sind für den Ablationsprozess neben der ins Material eingebrachten Energie und dem Laserstrahldurchmesser die Laserpulszeiten von signifikanter Bedeutung. Experimenteller Teil Die verwendeten Laser gleicher Wellenlänge arbeiteten in unterschiedlichen Pulslängenbereichen. Dadurch konnten Abtragsversuche mit Laserpulsen in der Größenordnung ns, 0ns und 00ns durchgeführt werden. Eine Übersicht über Lasergeräte- und Bearbeitungsparameter gibt Tabelle 1. Das bearbeitete Material war ein Werkzeugstahl C4 der Dicke 2mm sowie ein Edelstahlblech der Dicke. Die Teststrukturen wurden unter Verwendung eines Scanners mit Planfeldoptik (f=6mm) im Vektormode durch bidirektionales Abfahren von Linien erzeugt. Um den Einfluss unterschiedlicher Pulslängen auf das Bearbeitungsergebnis abzuschätzen, wurden Teststrukturen hinsichtlich ihrer mittleren Rauigkeit R a bei einmaliger Laserüberfahrt sowie ihrer Abtragstiefe bei mehrfacher Laserüberfahrt über die Werkstückoberfläche bewertet. Tabelle 1: Lasergeräte- und Bearbeitungsparameter 1) Pulslängen aus Datenblatt Laser JenLas. mopa M4 (Fa. Jenoptik) JenLas. mopa N4 (Fa. Jenoptik) IS E (Fa. edgewave) λ in nm w 0 in µm 14 f P in khz 0 0 Q EP in µj P av in W 1,7 12, 1,7 12, 0,17 1,2 τ H in ns 1) 00 0 I in W/cm 2 3* 6 2* 7 3* 7 2* 8 3* 8 2* 9 Für die Rauigkeitsmessungen kamen ein taktiles Oberflächen-Profilometer der Fa. Sloan (Dektak ) und für die Abtragstiefenmessung ein hoch auflösendes Digital-Mikroskop der Fa. Keyence (VHX 0) zum Einsatz. Die Tastspitze des Profilometers bewegte sich dabei

3 quer zu den Abtragsspuren des Laserstrahls. Anhand zusätzlicher von den Proben angefertigter Querschliffe ließen sich die Abtragstiefenmesswerte bestätigen. Für die Bewertung des Einflusses der Laserbearbeitungsparameter auf die Oberflächenrauigkeit wurden in C4 und in Edelstahl mit den drei verfügbaren Lasersystemen Strukturen mit 1x 2 Grundfläche bei zunehmender Einzelpulsenergie (µj 12µJ) und variablem Pulsabstand (2,µm µm) angefertigt. Beispielhaft ist in Abb.1 ein mit dem 0ns-Lasersystem im Werkzeugstahl C4 erstelltes Testfeld zu sehen. Das entsprechende Rauigkeitsprofil zeigt Abb.2. Rauigkeit C4 Pulsdauer 0ns Pulsabstand / Linienabstand in µm 12, 2, Pulsenergie Q EP in µj Rauhigkeit in µm 1,40 1, 1,00 0,80 Abb.1: Testfeld Rauigkeitsuntersuchung Abb.2: Rauigkeitsprofil in Abhängigkeit von Pulsin C4 (0ns Pulslänge) energie und Pulsabstand in C4 (0ns Pulslänge ) 0,60 0,40 Auch das Materialverhalten beim Tiefenabtrag wurde an den Materialien C4 und Edelstahl untersucht. Die Erzeugung der Teststrukturen mit 1x 2 Grundfläche erfolgte mit konstantem Puls- und Linienabstand und Einzelpulsenergien zwischen 12 µj. 0, 0,00,0 12,,0 Pulsabstand in µm,0 Abtrag in Abhängigkeit der Überfahrten - C4 (0ns) Q EP in µj 00 µm µm Abttragstiefe in µm Abb. 3: C4 2 Überfahrten mit Q EP = 9µJ (0ns) Abb. 4: Abtragstiefe in Abhängigkeit von Pulsenergie und Überfahrt in C4 bei 0ns Pulslänge 0 Anzahl der Überfahrten Q EP in µj Entsprechend Abb.2 empfahl sich ein Puls- bzw. Linienabstand von µm, da bei diesem Abstand geringe Rauigkeiten der abgetragenen Oberfläche bei hoher Abtragstiefe pro

4 Überfahrt zu erwarten waren. Damit lag der gewählte Überlapp in dem in [2] für die Bearbeitung von Edelstahl als geeignet beschriebenen Bereich. Die Anzahl der Laserüberfahrten wurde von sukzessiv bis auf erhöht. Exemplarisch für die mit unterschiedlichen Bearbeitungsparametern erhaltenen Abtragsstrukturen zeigt Abb.3 einen Querschliff des bei 2 Überfahrten mit Q EP = 9µJ und einer Pulslänge von 0ns erhaltenen Abtrags. Die mittlere Abtragstiefe beträgt dabei rund 60µm. In Abb.4 ist die mit dem 0ns-Lasersystem erzielte Zunahme der Abtragstiefe in Abhängigkeit der Überfahrt sowie der Einzelpulsenergie am Beispiel des Stahls C4 dargestellt. Ergebnisse und Diskussion Die folgenden zwei Abbildungen zeigen die Entwicklung der mittleren Rauigkeit R a in Abhängigkeit der Pulslänge mit steigender Pulsenergie und zunehmendem Pulsabstand. Bei beiden Materialien ist ein tendenzieller Anstieg der mittleren Rauigkeit mit zunehmender Pulsdauer zu verzeichnen. Diese Tendenz ist sowohl mit steigender Einzelpulsenergie als auch mit steigendem Pulsüberlapp erkennbar. Die bei geringeren Pulsabständen (2,µm, µm) auftretenden Rauigkeiten liegen oberhalb des Messbereichs des eingesetzten Profilometers und damit deutlich über den mit µm Pulsüberlapp erhaltenen Werten. Rauigkeit - C4 Rauigkeit Edelstahl 3,00 2,0 2,0 2,00 Rauigkeit in µm 2,00 1,0 1,00 Rauhigkeit in µm 1,0 1,00 0,0 0,00 12, Pulsabstand in µm Abb.: Oberflächenrauigkeit in Anhängigkeit von Pulslänge, Pulsdistanz und Pulsenergie am Beispiel C4 12µJ 00ns 12µJ 0ns 12µJ ns 4µJ 00ns 4µJ 0ns 4µJ ns 0,0 0,00 12, Pulsabstand in µm Abb.6: Oberflächenrauigkeit in Anhängigkeit von Pulslänge, Pulsdistanz und Pulsenergie am Beispiel Edelstahl 12µJ 00ns 12µJ 0ns 12µJ ns 4µJ 00ns 4µJ 0ns 4µJ ns Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Abtragstiefe bei Einzelpulsenergien von 67µJ und 12µJ sind nachfolgend für C4 in Abb.7 und für Edelstahl in Abb.8 zusammengefasst. Der größte Abtrag wurde jeweils mit dem 0ns-System bei Überfahrten erzielt. Während bei Pulszeiten von ns bzw. 0ns der Abtrag nahezu linear mit der Anzahl der Überfahrten wächst, beginnt der Abtrag bei Pulszeiten im µs-bereich erst nach Überschreiten einer Schwellfluenz/Schwellintensität. Infolge der langen Pulszeit wird der Wechselwirkungszone unterhalb des Schwellwertes über Wärmeleitungsprozesse ein entsprechend hoher Anteil an eingebrachter Energie entzogen. Der Materialabtrag kann dann stattfinden, wenn die Energieaufnahme durch Absorption die durch Wärmeleitung entstehenden Energieverluste überkompensiert und das Material entsprechend erhitzt wird. Bei langer Laserpulszeit lässt sich im Bereich des Schwellwertes überwiegend ein Aufschmelzen des Volumenmaterials mit geringem Materialaustrieb feststellen, was sich in Form hoher Schmelzränder an den Seiten bzw. eines ungleichmäßig geformten Bodens hoher Rauigkeit der abgetragenen Struktur äußert.

5 C4 - Abtragstiefe QEP = 67µJ QEP = 12µJ Anzahl der Überfahrten Abtragstiefe in µm Abb.7: Abtragstiefe abhängig von Pulslänge, Energie und Anzahl der Überfahrten in C4 Pulsdauer in ns Edelstahl - Abtragstiefe 90 QEP = 67µJ QEP = 12µJ P = 6,7W P = 12,W Anzahl der Überfahrten Abtragstiefe in µm Pulsdauer in ns Abb.8: Abtragstiefe abhängig von Pulslänge, Energie und Anzahl der Überfahrten in Edelstahl In den nachfolgenden Abbildungen sind die bei der Laserbearbeitung mit unterschiedlichen Pulslängen und Einzelpulsenergien erhaltenen Abtragsergebnisse gezeigt. 2 80µm 60µm Abb.9: Abtrag in C4-00ns Abb.: Abtrag in C4-0ns Überfahrten mit Q EP = 12µJ 2 Überfahrten mit Q EP = 9µJ 3µm µm Abb.11: Abtrag in C4 - ns Abb.12: Abtrag in C4 - ns Überfahrten mit Q EP = 67µJ Überfahrten mit Q EP = 12µJ Bei kürzeren Pulszeiten wird gegenüber längeren Pulsen ein geringerer Anteil des ausgetriebenen Materials als Schmelzkante am Strukturrand abgelagert, da ein größerer Teil des abgetragenen Materials verdampft. Die Rauigkeit am Strukturboden nimmt ab. Die mit kürzeren Pulszeiten ehaltenen geringeren Abtragstiefen erklären sich möglicherweise durch

6 die infolge der Laser-Material-Wechselwirkung entstehende Plasma- bzw. Dampfwolke, in die ein Teil der Energie des Laserpulses einkoppelt, wodurch die Bestrahlung der Probe vor Beendigung des Pulses gemindert wird. Die bei der Bearbeitung mit kurzen Pulsen (ns) und hoher Leistung (12µJ) im bearbeiteten Material auftretenden besonders tiefen Krater (Abb.12) entstehen durch die bei jeder Überfahrt unveränderten Pulspositionen. Dadurch können sich selbst verstärkende Bohrlöcher entstehen, die eine größere Absorption für die Laserstrahlung als ebene Flächen bewirken. Beim Arbeiten mit den anderen Pulslängen waren die Pulspositionen von Überfahrt zu Überfahrt verschoben worden. Modell zum Einfluss der Rauigkeit auf den Abtragsmechanismus Bei langen Pulszeiten verringern infolge geringerer Intensitäten Wärmeleitung und Wärmedissipation das Abtragsvolumen. Das Material bildet großvolumige Schmelzbäder, die beim Sieden nach weiterem Energieeintrag grobe Rauigkeiten erzeugen (Abb.13). Der Effekt unterschiedlicher Rauigkeiten auf den Abtragsprozess lässt sich modellhaft durch Pyramiden unterschiedlicher Größe veranschaulichen (Abb.14); die Rauigkeitswerte sind dabei der Pyramidenhöhe vergleichbar. Für Pyramiden halber Höhe und gleicher Grundfläche gilt, dass bei gleicher Oberfläche sich der bedeckte Volumenanteil halbiert. Demzufolge wird bei einer Laserbestrahlung von Oberflächen großer Rauigkeit ein größerer Volumenanteil erwärmt. Bei geringerer Rauigkeit dagegen wird die selbe Energie in einem geringeren Volumen deponiert und es kommt zu einem früheren Sieden des Materials. Abb.13: Oberflächenrauigkeit Edelstahl Pulsenergie: 9µJ; Pulsdistanz: µm; Pulslänge: 00ns Abb.14: Pyramidenmodell links: hohe Rauigkeit; rechts: geringe Rauigkeit (halbe Pyramidenhöhe) Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des vom BMBF geförderten Innoprofile- Projektes Microtooling mit laserbasierten Verfahren (03IP06). Wir danken weiterhin der Firma Jenoptik LOS GmbH für die geleistete Unterstützung. Literatur [1] A. Mayer: Markt der Lasermaterialbearbeitung wächst weiter; LTJ Juni 06 Nr.3 [2] A. Patschger, K. Stolberg, J. Bliedtner: Untersuchungen zum Einfluss der Laserwellenlänge beim Materialabtrag an metallischen Oberflächen; Lasertechnik - neue Entwicklungen und Anwendungen, Jena 06, DVS-Bericht 241, S [3] H. G. Rubahn, F. Balzer: Laseranwendungen an harten und weichen Oberflächen; Teubner Verlag, 0 [4] M. von Allmen: Laser Beam Interactions with Materials; Springer Verlag 1986 [] E. Matthias, J. Siegel, O.Käding et al.: The influence of thermal diffusion on laser ablation of metalfilms ; Appl. Phys. A, 8: , 1994