Laserstrahlung auf Werkstoff

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1 Laserstrahlung auf Werkstoff Wirkung der Strahlung Effet du rayonement Energieeinkopplung in den Körper T = 0 K T > 0 K Energieeinkopplung erfolgt durch Absorption mit Laserstrahl Elementarteilchen erhöhen Bewegung Absorption abhängig von Wellenlänge und Material Aufgenommene Leistungsdichte (Leistung / Fläche) abhängig von: Leistung, Wellenlänge, Divergenz, Modenstruktur Wärmeeinwirkung weitgehend auf der Oberfläche 1

2 Energieeinkopplung in den Körper Absorption in Metallen Absorption im Kristallgitter Absorption im Isolator Reflexion von der Oberfläche 2

3 Reflexion von der Oberfläche Strahlung CO 2 auf Stahloberfläche Cf 53 (Verschiedene Oberflächenqualitäten) Reflexion von der Oberfläche Stahl einsatzhärten Chromstahl Keramik 3

4 Einfluss der Polarisation S P Einfallswinkel [ ] Schneiden mit polarisiertem Laserstrahl Schiefe Schnittkante Schnitt mit zirkular polarisiertem Licht Senkrechte Schnittkante Einfluss der Polarisation Reduzierte Reflexion beim Einfallswinkel θ B 4

5 Eindringtiefe I(x) I 0 (1 ) e αx Metalle: zwischen μm 63 % Absorption Spektrale Absorption I abs (1 ) I 0 5

6 Spektrale Absorption 1 - [%] 20 C Stahl Wellenlänge [μm] Wirkung der Absorption Wirkung auf Material mit Laserstrahlung Thermische Wirkung: Heizen, Schmelzen, Verdampfen, Ionisation Mechanische Wirkung: Schockwelle Thermochemische Wirkung: Brechen von Molekülen und Materialausstoss wegen dem grossen Druck 6

7 Einwirkdauer und Strahlungsintensität Ionisation Erwärmung Einwirkdauer und Strahlungsintensität 7

8 Einwirkdauer und Strahlungsintensität Bearbeitungsprozess Umgebung über der Oberfläche Material Oberfläche Prozess gas Grundwerkstoff 8

9 Anforderung bei Materialbearbeitung Strahleigenschaften Strahlleistung W Strahlungsintensität W/cm 2 Wellenlänge λ Strahldurchmesser ø Strahlöffnungwinkel θ Strahlstruktur (Transmod) Polarisationszustand Betriebsart: cw, gepulst, Q-Switch Pulsleistung W Pulsenergie J/cm 2 Pulsdauer τ Wiederholfrequenz T Strahlführung Glasfaser oder Spiegelsystem Linsen Strahlteiler Spiegel mit Plarisationsvorgaben Modulator Homogenisator Strahlbündelung Linsenmaterial Brennweite der Linse Geometrie der Düse Position Brennpunkt Art und Massenstrom Schutzgas Anforderung bei Materialbearbeitung Strahleigenschaften im Fokus Materialeigenschaften Minimaler Durchmesser Fokalisationstiefe Strahlparameter Oeffnungswinkel Schutzgas Gas Zusammensetzung Gas-Volumenstrom Reaktionsfähigkeit mit Werkstoff Umgebung Wechselwirkung mit zugeführtem Gas Ionisation Dichte Oberfläche: Reflexion Rauhigkeit Absorptionskoeffizient Thermische Eigenschaften: Wärmeleitfähigkeit Spez. Wärmekapazität Schmelztemperatur Schmelzwärme Verdampfungstemperatur Verdampfungswärme Veränderung Absorption: α 30% Umgebungstemperatur 50% Schmelztemperatur 90 % Verdampfungstemperatur 9

10 Industrielles Bearbeitungs-Lasersystem Laser Programmierung: Bewegung /Steuerung Transport und Führungssystem (Spiegel oder Glasfaser) Gas für Schutz der Optik x - y Fokusierungskopf Schutzgas System Bewegung Strahl-Werkstück Versorgung mit Wasser, Strom und Gas Strahlführung bis Stelle der Bearbeitung (Schutz für Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit,.) Strahlfokusierung auf Werkstück mit Gas für Optikschutz Steuerung Antrieb für Relativbewegung Werkstück Laserstrahl Sicherheitselemente für Schutz von Personen und Geräte Dämpfungselemente wegen Vibrationen Offene Strahlführung Streuung der Laserstrahlung Auf Oberflächen wegen Rauhigkeit und Schmutzpartikel Im Raum wegen schwebenden Partikel Kleine Partikel < λ/10 Laserstrahl Grosse Partikel Laserstrahl 10

11 Offene Strahlführung Strahlführung mit Glasfaser Time Sharing Energy Sharing 11

12 Linsenmaterial 10.6 μm ZnSe, KCl, NaCl, Ge, GaAs 1.06 μm Transparent im sichtbaren Bereich BK 7 (Bor-Kronglas, hohe Transmission) UV MgF 2, LiF, CaF Spiegelmaterial Hohe Qualitätsanforderung: - Reflexionskoeffizient - Wärmeabfluss im Trägermaterial - Mechanische Eigenschaften Materialien für Spiegel: - CU: ρ = 98.9 % - Md: ρ = 98.5 % - Au/Ag = 99.9 % 12

13 Beschichtete Spiegel Glatte Oberfläche Silberschicht Mehrschichtig Cu Cu Cu R = 98.5% R = 99.4% R = 98.9% % Spiegelsysteme, welche Anforderungen? - Bei der Übertragung definierte Polarisation - Bei der Erwärmung, keine Deformation - Auf der Optik keine Beugung - Staub, Feuchtigkeit (kleiner Ueberdruck bei der Strahlführung Beschichtete Spiegel 13

14 Polarisierende Spiegel Laser 45 Diverse Strahlführungen Einfallenders Strahl Einfallenders Strahl Sphärischer Spiegel Ebener Spiegel Sphärischer Einfallenders Strahl Parabolischer Spiegel 14

15 Strahlhomogenisierung Drehende Spiegel Spiegel mit Teilelementen Kaleidoskop 15