fert1 Laser

• Fokussierung der Laserstrahlung auf den Werkstoff
• Absorption der Laserstrahlung und lokale Erwärmung des Werkstoffs
• Aufschmelzen und/oder Verdampfen des Werkstoffs
• Austrieb des Fugenmaterials durch einen inerten oder reaktiven Schneidgasstrahl

• Laserstrahlsublimierschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
• Laserstrahlschmelzschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
• Laserstrahlbrennschneiden: Schneidgas O2

• Laserstrahl
  • Wellenlänge
  • Intensitätsverteilung
  • Strahlqualität
  • Strahldurchmesser
  • Polarisation
  • Leistung
• Schneidgas
  • Gasart
  • Gasdruck
  • Düsenform
  • Düsenabstand
• Werkstück
  • Material
  • Dicke
  • Oberflächenzustand
• Handhabung
  • Schneidgeschwindigkeit
  • Kopforientierung
• Optik
  • Brennweite
  • Fokuslage
  • Abbildungseigenschaften

Für CrNi Stähle oder Aluminium

• Laser: Aufschmelzen des Werkstoffs
• Schneidgas: Inertgas = Stickstoff, Edelgase
• Schneidgasfunktion: Austreiben des aufgeschmolzenen Werkstoffs aus der Schnittfuge
• Einsatzgebiet: CrNi Stähle oder Aluminium

• Laser: Erhitzen des Materials auf Zündtemperatur
• Schneidgas: Sauerstoff
• Schneidgasfunktion: Verbrennung des Materials (zusätzliche Wärme durch exotherme Reaktion), Entfernung der flüssigen Schlacke aus der Schnittfuge
• Einsatzgebiet: vorwiegend Baustähle

• Vorteile:
  • grössere Schneidgeschwindigkeiten
  • geringerer Gasdruck
• Nachteile:
  • Oxidation der Schnittkanten
  • Gefahr des Materialabbrandes

• Die Schneidfrontoberkante ständig auf Zündtemperatur halten
• eine ausreichende Menge reaktionsfähiger Partner (Sauerstoff- und Eisenatome)
• eine ausreichende kinetische Energie des Sauerstoffstrahles für den Ausblasprozess
• die Reaktionswärme gross genug ist, um die Reaktionsprodukte zu verflüssigen

• Laser: Verdampfen des Werkstoffs
• Schneidgas: Inertgas z.B. Stickstoff, Argon, Helium
• Schneidgasfunktion: Ausblasen des verdampften Materials
• Einsatzgebiet: nichtmetallische Werkstoffe (Papier, Keramik, Holz, Kunststoffe)

• Vorteile:
  • kleine Schmelzfilmdicken (glatte Schnittkanten)
  • kleine Ausdehnung der Wärmeeinflusszone (WEZ), geringe Wärmebelastung des Werkstücks
  • keine Oxidation der Schnittkante
  • Anwendung besonders bei Werkstoffen ohne ausgeprägten Schmelzpunkt (Holz, Papier)
• Nachteile:
  • hohe Intensitäten erforderlich

• Wasserstrahl dient als Lichtleiter
• Reflektiert das Licht an seinem äusseren Rand (Totalreflexion)
• So kann Laserstrahl sehr genau und mit hoher Energiedichte (bis 50MW/cm^2) geführt werden
• Laserfokus lässt sich dabei auf eine Länge von 30 bis 70mm strecken
• Fokusdurchmesser lässt sich durch ändern des Wasserstrahldurchmessers einstellen

• Einzelpuls Bohren
• Perkussions Bohren
• Trepanieren
• Wendelbohren

Schmelzen / Verdampfen absorbierender Materie

• unterschiedliche Materialarten und -stärken schweissbar
• hohe Automatisierbarkeit, hohe Verfahrens- und Geometrieflexibilität
• hohe Schweissgeschwindigkeit
• hohe Schweissnahtqualität bei geringer Nacharbeit
• geringe thermische Werkstoffbeeinflussung
• werkstoffgerechte Steuerbarkeit der Energieeinbringung

1. Schmelzzone
2. partielles Schmelzen
3. Grobkornzone
4. Feinkornzone
5. Teilaustenitisiert
6. Grundwerkstoff

1. Schmelzzone
2. partielles Schmelzen
3. Feinkornzone
4. Teilaustenitisiert
5. Grundwerkstoff

• dünnwandige Werkstücke
• Schweissanwendungen mit vergleichsweise grossvolumigen Schmelzvolumen und gewünschter Kantenverrundung
• Schweissanwendungen mit geringen Einschweisstiefen

• Wärmestau an der Oberfläche
• Wärmeleitung in Tiefe und Breite
• Oberflächentemperatur erreicht Schmelztemperatur
• Absorptionsgrad ändert sich
• Schmelzerzeugung beginnt

• Erzeugung des Dampfkanals:
  • Metalldampf verdrängt Schmelze und erzeugt Dampfkanal (=Keyhole)
  • Mehrfachreflexion im Dampfkanal erzeugt erhöhte Leistungseinkopplung
  • Mit Tiefe nimmt Leistungseinkopplung zu
  • "Bohren" endet nach Pulsdauer
  • Metalldampf beeinflusst Laserstrahl: Absorbiert Leistung, vergrösessert Fokusdurchmesser
  • Bei Durchschweissung tritt Strahlung unten aus

• CO2 Laser
  • hohe Leistung
  • schlechte Absorptionseigenschaften
• Nd:YAG Laser:
  • relativ geringe Leistung
  • durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
• Faserlaser
  • durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
  • hohe Leistung
  • hohe Strahlqualität

Elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 100nm - 1mm

Umfasst Grundlagen und Anwendungen von optischen Verfahren und Technologien. Kommt von Photon (Lichtteilchen) und -ik (Lehre von...)

- Fertigungstechnik (Schneiden, Fügen, Bohren)

- Verkehrstechnik (Fahrleitsysteme, Orientierungssysteme, Warnsysteme)

- Informations- und Kommunikationstechnik (Optoelektronik, Laserscanner, Signalübetragung)

- Medizin (Laserchirurgie, Tumorbehandlung)

- Messtechnik (Winkel-, Längenmessung)

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

- Hohe Monochromasie

- Grosse Kohärenzlängen

- Festgelegte Polarisation

- Laserpointer:  1-3mW

-Holographic Versatile Disc- grüner Laser: 1W

- Gepulste Kurzzeitlaser: 1.3PW

- Schweissen

- Löten

- Abtragen

- Bohren

- Beschriften

- Rapid Prototyping

- Oberflächen behandeln

- Schneiden

- hohe Energiedichte

- geringe Wärmeeinflusszone

- geringe Wärmebelastung

- hohe Prozessgeschwindigkeit

- berührungslose Bearbeitung

- kein Verschleiss

- grosse Flexibilität

- gut automatisierbar

1. Absorption der Strahlung
2. Erwärmung
3. Schmelzen
4. Verdampfen des Werkstoffs
5. Materialabtrag

- Laserstrahlquelle

- Strahlführung und -formung

- Handhabungseinrichtung (steuert den Laserstrahl)

- Prozesskontrolle und -regelung

- Versorgungseinheit (elektrische Energieversorgung, Kühlung, Gase)

- Nd:YAG- Laser

- Scheibenlaser

- Diodenlaser

- Faserlaser

- CO2 Laser

1802- 1940: Geschichte der Astronomischen Spektroskopie (Fraunhoferlinien)

1905- 1916: Einstein postuliert über Photonen und angeregte Emissionen

1954: erster Mikrowellenlaser (MASER)

1960: erster optischer Laser (Festkörperlaser)

1964: erster Gaslaser

1995: erste natürliche Laserstrahlen entdeckt

Normales Licht:

• ungerichtet
• starke Divergenz
• verschiedene Wellenlängen
• Wellenzüge gegeneinander verschoben

Laser:

• Kohärenz: monochromatisch, gerichtete Strahlung
• geringe Divergenz
• hohe Energiedichte

Wenn Lichtquant (Photon) in Resonanzfrequenz des atomaren Übergangs schwingt, d.h. die Energie des Photons der Energiedifferenz zweier Zustände entspricht.

- Spontan: Angeregtes Ion emittiert ohne äussere Ursache ein Photon. Keine Vorzugsrichtung der Ausbreitungsrichtung und der Polarisation.

- Stimuliert: Emission wird durch eine äussere Ursache angeregt. Dabei stimmen Ausbreitungsrichtung, Polarisation und Phase des anregenden und des emittierten Photons überein

- Leistung / Pulsenergie

- Polarisation

- Strahlprofil

- Divergenz

Nur bedingt für Aluminium. Sonst überall zu hoher Absorptionsgrad

- Für Kupfer, Gold und Silber. Bedingt auch für Eisen und Stahl, jedoch erhöhter Absorptionsgrad

Alle Metalle. Nicht für Kunststoffe geeignet