Laser in der industriellen Fertigung Dipl.-Phys. Jan Hoffmann

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1 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Laser in der industriellen Fertigung Dipl.-Phys. Jan Hoffmann Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern Alter Hafen Süd Rostock Tel.: Fax: hoffmann@slv-rostock.de

2 Zusammenfassung Teil I Vorteile der Lasermaterialbearbeitung hohe Energiedichte geringe Wärmeeinflusszone geringe Wärmebelastung (minimaler Verzug) hohe Prozessgeschwindigkeit berührungslose Bearbeitung trägheitsfrei nichtleitende Werkstoffe bearbeitbar kein Werkzeugverschleiß große Flexibilität gut automatisierbar Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 2 LSB 1.ppt

3 Zusammenfassung Teil I Aufbau einer Station zur Lasermaterialbearbeitung Laserstrahlquelle Strahlführung Strahlformung Prozeßkontrolle Bearbeitung Sicherheit Handhabung Qualitätssicherung Rahmenbedingungen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 3

4 Zusammenfassung Teil I Die Laserstrahlung besitzt im Vergleich zu einer natürlichen Lichtquelle eine Reihe charakteristischer Eigenschaften, v.a.: Monochromasie Kohärenz (zeitlich und räumlich) hohe Fokussierbarkeit kurze Impulsdauer Glühbirne, Taschenlampe: Emission in alle Richtungen mit unterschiedlichen Frequenzen. Laser: Emission in einer Richtung mit einer Frequenz. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 4

5 Zusammenfassung Teil I Lichtverstärkung durch stimulierte Emission Voraussetzung: Besetzungsinversion, d.h. mehr Ionen im angeregten Zustand als im Grundzustand! Laser Erzeugen der Besetzungsinversion durch Zuführung von Energie. z.b. Pumplicht, elektr. Anregung Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 5

6 Zusammenfassung Teil I Laserresonator Aktives Medium 2. teildurchlässiger Auskoppelspiegel hochreflektierender Endspiegel 6 4. Anregung 5. Stimulierte Emission 6. Laserstrahl Anordnung, Krümmungsradien und Abstand der Spiegel bestimmen den elektromagnetische. Eigenschwingungszustand (Schwingungsmode) des Strahls. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 6

7 Halbleiterlaser Farbstoff -laser Zusammenfassung Teil I Gaslaser CO 2 -Laser: 10,6 µm (fern-ir) HeNe-Laser: 633 nm (rot) Excimer-Laser: nm (UV) Festkörperlaser Rubin-Laser: 694 nm (rot) Nd:YAG Laser: 1064 nm (nah-ir) Yb:Glas Faserlaser: 1070 nm Yb:YAG Scheibenlaser: 1030 nm Farbstofflaser je nach Farbstoff ca. 300 nm - 1,2 µm Halbleiterlaser GalnP nm, GaAlAs nm Excimerlaser Argon Gaslaser Helium-Neon Gaslaser Rubinlaser Neodymlaser chem. Laser CO, CO 2 Gaslaser 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm Röntgen- Strahlung Ultraviolett sichtbares Licht Infrarot- Strahlung Hochleistungsdiodenlaser 808, 940, 980 nm optisch angeregte Gaslaser 1 mm Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 7

8 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Physikalische Grundlagen des Lasers 3. Lasertypen 4. Strahlführung/ -formung 5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren 5.1 Lasertrennen 5.2 Laserfügen 5.3 Oberflächenbehandlung 5.4 Lasermikrostrukturierung 5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 8

9 Eigenschaften des Rohstrahls (Gaußscher Strahl) Fokussierbarkeit des Laserstrahls ist entscheidend für die Materialbearbeitung Charakterisierung eines rotationssymmetrischen Laserstrahls durch: Lage der Strahltaille z 0 Radius der Strahltaille w 0 Divergenzwinkel 0 Beschreibung der Qualität durch Strahlqualitätskennzahl (K) und Strahlparameterprodukt (SPP). Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 10

10 Eigenschaften des Rohstrahls Strahlparameterprodukt Strahlparameterprodukt SPP: SPP = w 0 0 w 0 Radius der Strahltaille, 0 Fernfelddivergenzwinkel typisches SPP: 1-25 mm*mrad Das SPP ist definiert als das Produkt des Strahlradius am Ort der Strahltaille und der Fernfelddivergenzwinkel und wird in der Einheit mm*mrad angegeben. Je höher das SPP, desto schlechter die Strahlqualität! Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 11

11 Eigenschaften des Rohstrahls Strahlparameterprodukt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 12

12 Eigenschaften des Rohstrahls Rayleighlänge Rayleighlänge z R : 2 ( w ) z 0 R K w 0 Radius der Strahltaille Wellenlänge K Strahlqualitätskennzahl Die Rayleighlänge eines Laserstrahls ist der Abstand von der Strahltaille, bei der sich die Querschnittsfläche des Strahls verdoppelt hat. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 13

13 Eigenschaften des Rohstrahls Modenstruktur, Schwingungszustand: Im Rohstrahl liegen in Abhängigkeit von der Bauform des Resonators bestimmte elektromagnetische Eigenschwingungszustände vor. Der transversale elektromagnetische Eigenschwingungszustand (Schwingungsmode, Mode) wird mit TEM mn (Hermite Moden) oder TEM pl (Laguerre Moden) bezeichnet und kennzeichnet die Verteilung der Strahlleistung über den Strahlquerschnitt. Mit den Indizes m und n bzw. p und l erfolgt die Einteilung bzw. Kennzeichnung der Modenstruktur. Beispiel: TEM 00 Grundschwingung, Gaußverteilung der Leistung über den Strahlquerschnitt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 14

14 Transversale elektromagnetische Eigenschwingungszustände Anzahl der Knotenlinien und lateralen Modenzahlen: {m,n} für Hermite (rechteckige Symmetrie) {p,l} für Laguerre (zylindrische Symmetrie) Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 15

15 Transversale elektromagnetische Eigenschwingungszustände Strahlqualitätskennzahl K: K ( w ( w ) 0 0 Gauß ) real w0 M 0 0 K 1 Der K-Faktor (normierte Strahlqualitätszahl) dient der Beurteilung einer Strahlquelle in Hinblick auf ihre Strahlqualität und liegt zwischen 0 und 1. Da er auf den gaußschen Grundmode bezogen ist, erhält dieser den Wert 1. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 16

16 Longitudinale elektromagnetische Eigenschwingungszustände Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 17

17 Strahldiagnostik Die wesentliche Aufgabe der Strahldiagnostik: Erfassung der Strahlqualität durch die räumliche und zeitliche Abtastung des Laserstrahls. a) räumliche Verteilung der Strahlleistung über den Strahlquerschnitt Ergebnisse sind Informationen über den Eigenschwingungszustände (Modenstruktur), das Strahlparameterprodukt sowie die Strahlqualitätskennzahl. b) zeitliche Fluktuation der Strahlleistung Man erhält Informationen über die zeitlichen Schwankungen der Strahlleistung sowie die mögliche optische Rückkopplung, die zwischen den Resonatorspiegeln der Strahlquelle und der Oberfläche des Werkstückes auftreten kann. c) Ermittlung Strahllage, Strahlradius, Rayleighlänge, Strahldivergenz Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 18

18 Qualitative Strahldiagnostik Einbrände in Papier: Linienzoomoptik, 1:1 Integratoroptik, 1:1 Schweißoptik, 1:1 Einbrände in durchsichtiges Polymer (PMMA): Draufsicht Seitenansicht Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 19

19 Quantitative Strahldiagnostik Messung der Strahlleistung Dabei wird ein Teil des Laserstrahls auf den Detektor geführt und dort absorbiert. Anhand der Erwärmung kann auf die Leistung zurückgerechnet werden. Typen Pyroelektrischer Detektor Thermopile-Detektor Kalorimetrische Strahlfalle (engl. Beam Dump) Schematischer Aufbau einer kalorimetrischen Strahlfalle Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 20

20 Quantitative Strahldiagnostik Messung des Strahlprofils Dabei wird ein sehr geringer Teil des Laserstrahls auf den Detektor geführt. Aufnahme der Leistungsverteilung erfolgt direkt durch CCD-Array oder scannend. Typen Kamerabasierte Detektoren (CCD, pyroelektrisch) Scannende Detektoren (Blende, Schlitz, Knife-edge) CCD-Detektor Schlitzbasierter Detektor Schematischer Aufbau eines blendenbasierten Detektors Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 21

21 Quantitative Strahldiagnostik Messung der Strahlprofile mit CCD-Detektoren oben links: TEM 00 Mode eines HeNe-Lasers unten links: Lasermode eine Nd:YAG Lasers bei 120 W Ausgangsleistung Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 22

22 Strahlführung Die Strahlführung hat mehrere wesentliche Aufgaben: 1. Führung des Laserstrahls von der Strahlquelle zum Werkstück 2. Realisierung von Mehrstationenbetrieb mit Hilfe von Strahlteilern und Strahlweichen 3. Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 23

23 Umlenkung des Strahls mit ebenen Reflexionsspiegeln Da ein geringer Anteil der Strahlleistung vom Spiegelmaterial absorbiert wird, ist i.d.r. eine Kühlung der Spiegel erforderlich. Bsp.: flexible Strahlführung TRUMPF TLA 60 für CO 2 - Laser Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 24

24 Prinzip der Laserstrahlführung mittels Lichtleiter Bei kurzwelliger Laserstrahlung (0,16 2,5 µm) besteht die Möglichkeit, den Strahl flexibel mit Lichtleitern zu führen. EK AK Laser Linse zur Strahlformung EK - Einkoppeleinheit AK - Auskoppeleinheit Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 25

25 Strahlquelle Prinzip der Strahlteilung Die Strahlteiler und -weichen sorgen für die Aufteilung der Strahlleistung auf mehrere Stationen. Strahlteiler 2:1; teildurchlässig Station 1; P L /3 Strahlteiler 1:1; teildurchlässig Station 2; P L /3 Endspiegel; reflektierend Station 3; P L /3 Strahlteilertypen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 26

26 Laser Laser Prinzip einer Strahlweiche Durch die Nutzung von Strahlweichen können unterschiedliche Strahlengänge adressiert werden S1 S2 S1 S2 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 27

27 Strahlformung Man unterscheidet zwischen fokussierenden und defokussierenden Optiken. Beispiele für fokussierende Optiken, die man beim Schneiden und Schweißen zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte im Arbeitsbrennfleck anwendet, sind: a.) b.) transmissive Optiken: Fokussierlinsen, nur geeignet für relativ kleine Strahlleistungen reflektive Optiken: Fokussierspiegel Defokussierende Optiken werden bei der flächigen Bearbeitung von Materialoberflächen (Festphasenhärten, Umschmelzen) eingesetzt. Die Materialien, die man zur Herstellung der Optiken verwendet, hängen von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab. Die verwendeten Optiken müssen gekühlt werden, um thermische Schädigungen zu vermeiden (Gas - oder Wasserkühlung). Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 28

28 Strahlformung Fokussieren von Laserstrahlen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 29

29 Strahlformung Strahlaufweitung Prinzip der Strahlaufweitung mittels Teleskopen in geometrischer Optik Galilei-Teleskop Keppler-Teleskop Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 30

30 Strahlformung Brennweite Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 31

31 Strahlformung Schärfentiefe Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 32

32 Strahlformung Fokussieren von Laserstrahlen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 33

33 Strahlformung Zusammenfassung Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 34

34 Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Material Trifft der Laserstrahl der Intensität I L auf die Oberfläche eines Werkstoffs, kommt es zu Reflexion, Absorption und Transmission. Reflexionsgrad: Absorptionsgrad: Transmissionsgrad: R = I R / I L A = I A / I L T = I T / I L x Luft I L Material I A I R wobei gilt: R + A + T = 1 (100%) I T Lambert-Beersches Gesetz : x - Wegstrecke im Material - Absorptionskoeffizient I(x) = I L *e x Absorptionskoeffizient für metallische Werkstoffe sehr groß (10 5 bis 10 6 cm -1 ) optische Eindringtiefe des Laserstrahls im Werkstoff sehr klein (μm Bereich) T 0 R + A = 1 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 35

35 Einflussfaktoren Absorptionsverhalten bestimmt durch Laserwellenlänge Intensität Polarisation Einfallswinkel elektrische Leitfähigkeit / Reflektivität des Werkstoffs Temperatur Beschichtungen Oberflächenrauigkeit Nur durch die Berücksichtigung aller Parameter ist ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzielen! Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 36

36 Absorptionsarten Bei der Absorption der Laserstrahlung im Material unterscheidet man zwischen normale Absorption (Fresnel-Absorption) = Wechselwirkungen des Laserstrahls mit den Elektronen des Werkstoffs anormale Absorption = Wechselwirkung mit laserinduzierten Plasmen in der Prozesszone Bei sehr großer Strahlintensität erfolgt die Ionisation der Werkstoffatome. Die anormale Absorption bewirkt eine Erhöhung der thermischen Eindringtiefe des Laserstrahls. Dieser Effekt wird beim Verschweißen dickwandiger Bleche ausgenutzt (Tiefschweißeffekt). Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 37

37 Einfluss der Laserwellenlänge auf den Absorptionsgrad Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 38

38 Einfluss der Strahlintensität auf die Einschweißtiefe Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 39

39 Polarisation Man unterscheidet zwischen: lineare Polarisation zirkulare Polarisation x- und y-komponente phasengleich x- und y-komponente phasenverschoben Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 40

40 Einfluss der Polarisation lineare Polarisation Abhängigkeit des Absorptionsgrades vom Einfallwinkel des Strahls Erhöhung des Absorptionsgrads E II bei großen Einfallswinkeln zirkulare Polarisation Absorptionsgrad nicht von der Bearbeitungsrichtung abhängig vorteilhaft z.b. beim Schneiden von runden Konturen absorptionssteigernde Maßnahme beim Schweißen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 41

41 Einfluss des Einfallswinkels Abhängigkeit des Absorptionsgrades E II vom Einfallwinkel für einen linear polarisierten CO 2 Laserstrahl und 20 C Werkstoffe: Reinaluminium und rostbeständiger Stahl, nach Hügel Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 42

42 Weitere Einflussfaktoren - Reflektivität Hagen - Rubens - Beziehung: R 1 A el el Dielektrizitätskonstante des Vakuums Laserfrequenz elektrische Leitfähigkeit für den IR-Bereich gilt näherungsweise: R ~ 1 Der Reflexionsgrad erhöht sich mit zunehmender elektrischer Leitfähigkeit. 1 el Zudem: Abnahme der Reflektivität mit der Wellenlänge Material Ag Cu Al Fe el [10 6 S/m] Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 43

43 Weitere Einflussfaktoren Temperatur Beobachtungen: Zunahme der Absorption mit steigender Temperatur spunghafter Anstieg am Schmelzpunkt Wellenlängenunabhängig oberhalb der Schmelztemperatur Laserwellenlänge besonders wichtig bei Oberflächenbearbeitung mit wenig Schmelze Schematische Temperaturabhängigkeit bei Metallen Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 44

44 Weitere Einflussfaktoren - Beschichtungen / Oberflächenrauigkeit Beschichtungen Fremdstoffschichten (Oxide, Karbonate, Phosphate, Kohlenstoff, Graphit) auf der Oberfläche des Werkstoffs beeinflussen den Absorptionsgrad. Aufgebracht auf das metallische Substrat können sie den Absorptionsgrad für die Laserstrahlung und damit die Energieeinkopplung steigern. Oberflächenrauigkeit Auch eine hohe Oberflächenrauigkeit (z.b. durch Sandstrahlen) kann durch Mehrfachreflexion und -absorption des Laserstrahls am Rauigkeitsprofil zu einer Erhöhung des Absorptionsgrades führen. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 45

45 Handhabungssysteme Systemanforderungen bestimmt durch Bearbeitungsaufgabe Geometrie Abmessungen (µm m) Masse des Werkstücks (mg kg) Führungsgenauigkeit zulässige Toleranzen Zuführung / Abtransport Werkstück Wesentliche Anforderung an die Handhabung ist Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück zu realisieren. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 46

46 Prinzipaufbau Laseranlage Laser Kühler Lichtwellenleiter (Faser) Bearbeitungsoptik Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 47

47 CNC - gesteuerte Handhabungssysteme Häufig werden zur Handhabung der Werkstücke CNC - gesteuerte Arbeitstische verwendet, die Translationen (x -, y - und z - Richtung) zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück realisieren. Möglichkeiten: a. Verschiebung des Werkstücks bei feststehendem Strahl b. Bewegung des Laserstrahls bei feststehendem Werkstück c. Bewegung sowohl des Laserstrahls und Werkstücks Solche Handhabungssysteme werden beim Laserschneiden von Bauteilen aus ebenen Blechen oder Tafeln angewendet. Für die Bearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke müssen zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück zusätzlich Drehbewegungen ausgeführt werden. Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 48

48 Schematische Darstellung verschiedener Handhabungsprinzipien Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 49

49 Prozesskontrolle und -regelung Ziel: Gewährleistung der Fertigungsqualität und -sicherheit Erfassen der Prozessgrößen Temperatur Lage Geometrie Plasma Prozessgas Homogenität Zuführen zum Regler Auswertung Vergleich mit festgelegtem Sollwert Veränderung der entsprechenden Stellgröße Strahlleistung Bearbeitungsgeschwindigkeit Fokuslage Gasdruck Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 50

50 Schematische Darstellung einer temperaturabhängigen Leistungsregelung Umlenkspiegel LASER Rohstrahl PID - Regler Pyrometer Fokussierlinse CNC - Steuerung Werkstück Handhabungstisch Temperaturmessung Vergleich Ist-Sollwert Anpassung Laserleistung Regelung der Maximaltemperatur Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 51

51 Kontakt Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Alter Hafen Süd Rostock GERMANY Tel.: Fax: Ansprechpartner: Dipl.-Phys. Jan Hoffmann hoffmann@slv-rostock.de Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 52

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