FT_06

• Freie Schweißnahtgestaltung
  • Optimale Verteilung der Nähte auf der Kante
• Einseitige Zugänglichkeit
  • Mehr Freiheit bei Design und Produktion
• Schweißung, angepasst an Teile bzw. Lastanforderungen

Der Laserstrahlfokus wird mittels eines, in zwei Achsen drehbaren
Spiegels positioniert.

Beim Einsatz von Fokussieroptiken mit langen Brennweiten (ca.
1600 mm) bewirken kleine Winkelauslenkungen des Spiegels bereits lange Wege in
der Bearbeitungsebene.

Zu den Vorteilen des Remote Welding zählen

• sehr kurze Amortisationszeiten
• Verringerung der Taktzeiten
• Einsparung von Fläche in verketteten Fertigungslinien
• Erweiterung der Konstruktionsmöglichkeiten
  • durch Erhöhung der Geometrieflexibilität
• Mehrfachnutzung der Festkörper und Faserlaserquelle möglich
  • Über Schaltersysteme

Prädestiniert für den Robotereinsatz!

Da Festkörper- und den Faserlaserstrahl im Kilowatt-Bereich über
flexible Lichtleiter führbar.

Bei CO2-Lasers kann in Robtern nur über komplizierte und verlustreiche Spiegelsysteme eingesetzt werden.

Über Schaltersysteme ist eine Mehrfachnutzung der Festkörper und
Faserlaserquelle möglich.

Prinzip des Laserstrahlschweißens

• Wärmeleitungsschweißen
• Tiefschweißen

• Stahlwerkstoffe mit technischen Oberflächen reflektieren die Laserstrahlung bis zu 95 %.
• So ist bei niedrigen Intensitäten (I ≤ 106 W/cm2) allenfalls ein Aufschmelzen von  Werkstückoberflächen bzw. -kanten möglich
• Damit folgt Wärmeleitungsschweißen mit geringer Tiefenwirkung

• Oberhalb einer Schwellintensität (I ≥ 106 W/cm2) findet dann ein Phasenübergang statt
• Es entsteht ein laserinduziertes Plasma
  • dieses bildet Plasmakanal
• Entstehende Dampfkapillare bringt weiter unterhalb der Werkstückoberfläche Energie ein

=> Tiefschweißeffekt

• Der größte Teil der Schmelze umströmt die durch dieF ügezone bewegte Kapillare
  • deren Schließen durch den Dampfdruck verhindert
• Rest des Werkstoffs
  • verdampft und kondensiert an der Kapillarenwand
  • oder strömt in ionisierter Form ab
• Bei geeigneter Parameterwahl: nahezu vollständige Energieeinkopplung in das Werkstück erzielbar

a

• Beim CO2-Laser wird die Strahlung durch das Plasma absorbiert
  • dessen Absorptionseigenschaften hängen von der Strahlungsintensität und der Dichte des Dampfes ab
• Plasma kann von der Werkstückoberfläche lösen und die Bearbeitungszone abschirmen
  • In Abhängigkeit von der Elektronendichte im Plasma und der eingestrahlten Laserintensität

• Das Plasma heizt sich dabei so stark auf, dass nur noch ein Bruchteil der Laserstrahlung das Werkstück erreicht.
• Deshalb werden beim Schweißen mittels CO2-Laser zur Plasmakontrolle Gase eingesetzt. Deren Ionisationspotential sollte möglichst hoch liegen (gebräuchlich: Helium), da auch die Bildung so genannter "Schutzgasplasmen" möglich ist, welche die Energieeinkopplung wiederum verringern.

• Festkörperlaser (Stab-, Faser- und Scheibenlaser) sowie Diodenlaser besitzen eine um den Faktor 10 kleinere Wellenlänge als CO2-Laser.
• Die Absorption der Strahlung erfolgt daher nicht im Plasma, sondern durch Mehrfachreflexion an der Schmelzfront des Plasmakanals.
• Die sehr feinen Partikel des Metalldampfes können sich über dem Werkstück jedoch zu größeren Partikeln agglomerieren und Strahlung absorbieren.
  • Um diesen Verlust an Leistung im Werkstück zu verhindern werden in der Praxis Druckluftdüsen eingesetzt, die den Strahlengang „sauber“ halten.

• Intensität
• Wellenlänge
• Temperatur
• Werkstoff

Wärmeleitungsschweißen [1]

Tiefschweißen [2]

Während beim Wärmeleitungsschweißen nur geringe Einschweißtiefen (max. ca.
1,0 mm) erreicht werden, steigt die Einschweißtiefe beim Erreichen der
Schwellintensität (I ≥ 106 W/cm2) sprunghaft an.

Durch das Erreichen der Verdampfungstemperatur des verwendeten Werkstoffs, bildet
sich eine Dampfkapillare im Material aus. Damit verbunden ist eine deutliche
Reduzierung der Reflexion und somit eine verbesserte Energieeinbringung in den
Werkstoff

Intensität I < 106 W/cm2
Aufschmelzen von Material
Absorption an fester oder flüssiger Oberfläche, A < 30 %
Bildung eines Schmelzbades mit geringer Einschweißtiefe

Intensität I ≥106 W/cm2
Verdampfen von Material
Fast vollständige Energieeinkopplung
durch Absorption im Dampf bzw. an der
Schmelzfront, A > 90 %
Bildung einer Dampfkapillaren mit hoher
Einschweißtiefe

der Faserlasers bzw. der Scheibenlasers

exzellente Strahlleistung 

(im Vergleich mit älteren Laserstrahlquellen) hohen Wirkungsgrad

hohe Zuverlässigkeit

fortschreitenden Erhöhung der Strahlqualität

maximal mögliche Leistung

(im Vergleich zu allen anderen Laserstrahlquellen) höchster Wirkungsgrad

machen den Lasereinsatz wirtschaftlich interessanter.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
„Verstärkung von Licht durch stimulierte (erzwungene) Emission von Strahlung“

monochromatisch (gleiche Wellenlänge)
kohärent (gleiche Phasenlage)
parallel (geringe Divergenz)

Möglichkeit der Fokussierung zum
Erreichen
einer hohen Leistungsdichte

Während bei gewöhnlichen Lichtquellen (z.B. Glühbirne) die Emission von Strahlung
spontan und ungerichtet erfolgt, ist die Strahlung bei einem Laser aufgrund der
induzierten oder stimulierten Emission kohärent und monochromatisch. Durch
die erzielbare geringe Divergenz (Strahlaufweitung von nur wenigen 1/10 mrad) sind
lange Übertragungswege ohne nennenswerte Strahlaufweitung möglich.

Anregung auf höheres Energieniveau
durch Energiezufuhr von Außen
Beim Auftreffen eines Photons erfolgt
eine Abgabe der Anregungsenergie in
Form von elektromagnetischer
Strahlung charakteristischer
Wellenlänge
2 Photonen der selben Wellenlänge
verlassen das System

Prinzip der stimulierten Emission

Kurz: Lichtwelle wird im Resonator zur Verstärkung durch Mehrfachreflektion optisch rückgekoppelt

Im Resonator wird das Lasermedium (Gasmoleküle, Ionen) durch
Energieeinbringung (elektr. Gasentladung, Blitzlampen) angeregt, d.h. auf ein
höheres Energieniveau gebracht ("Pumpen"). Beim Zurückfallen auf ein niedrigeres
Niveau wird die Energie in Form eines Lichtquants frei. Die Wellenlänge ist dabei
abhängig von der Energiedifferenz zwischen den beiden Anregungszuständen und
somit charakteristisch für das jeweilige Lasermedium. Dieser Übergang kann
entweder spontan oder induziert erfolgen. Während die spontane Emission ungerichtet
und inkohärent erfolgt (z.B. in Leuchtstoffröhren), wird Laserstrahlung durch induzierte
Emission erzeugt, wenn ein Teilchen, das sich auf einem höheren Energieniveau befindet, von einem Lichtquant getroffen wird. Das erzeugte Lichtquant hat dabei dieselben Eigenschaften (Frequenz, Richtung, Phase) wie das einwirkende Lichtquant („Kohärenz“).

Damit das Verhältnis der gewünschten induzierten Emission zur spontanen möglichst groß ist, muss das obere Energieniveau im Vergleich zum niedrigeren ständig überbesetzt sein.

Dadurch kann sich zwischen den Endspiegeln des Resonators, von denen einer teildurchlässig ist, eine stehende Welle ausbilden, so dass immer wieder Teile des angeregten Lasermediums Licht emittieren.

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150 - 350 nm Excimer-Laser
Mikrobearbeitung (Chipherstellung), Medizinanwendungen (Augen)

380 - 780 nm Sichtbares Licht
Laserpointer

532 nm (grün) Nd:YAG mit Freuquenzverdopplung oder Praseodym als
Dotierungselement

670 - 1100 nm (rot-IR) Titan:Saphirlaser
Pulse im fs-Bereich möglich

1030 nm (IR) YAG-Scheibe, Dotierungsmaterial Yb (Scheibenlaser)
1064 nm (IR) YAG-Stab, Dotierungsmaterial Nd (Nd:YAG Laser)
1070-1080 nm (IR) Glasfaser mit Dotierungsmaterial Yb (Faserlaser)

3 μm (IR) Dotierungsmaterial Erbium
Augensicher und wird daher zur Entfernungsmessung verwendet

10,6 μm CO2-Laser
570 μm Methanol-Laser

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