FT1_06

Prinzip der stimulierten Emission

- 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

1. CO2 Laser: λ = 10,6 μm

2. Festkörper-Laser: λ = 1030 – 1070 nm
(Dazu gehören Stablaser (1064 nm), Faserlaser (1070-1080 nm) und Scheibenlaser (1030 nm))

3. Dioden-Laser: λ = 800-980 nm (900 - 1070 nm bei neuen Bauformen) 

guckst du...

Beim Nd:YAG-Laser handelt es sich um einen Festkörperlaser. In der Regel dient ein zylindrischer Festkörperstab zur Aufnahme der laseraktiven Ionen (im Falle des Nd:YAG-Lasers mit Nd3+-Ionen dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle).
Beim diodengepumpten Stablaser werden zur Anregung des laseraktiven Mediums Diodenbänke verwendet, deren emittiertes Licht kollimiert und auf das aktive Medium gerichtet wird. Der Wirkungsgrad eines solchen Systems liegt bei ca. 12 %. Im Gegensatz zu den Hochleistungsdioden des Diodenlasers brauchen die einzelnen Diodenbänke nur verhältnismäßig wenig Leistung, so dass eine hohe Lebensdauer erreicht werden kann.

Eine zweite Möglichkeit ist die Anregung über Blitz- oder Bogenlampen, die zur optimalen Einkopplung der Anregungsenergie in einem Doppelellipsoid angeordnet sind, in deren gemeinsamem Brennpunkt der Festkörperstab liegt. der Wirkungsgrad liegt hierbei jedoch unter 4 %. 

Die optische Faser (Glasfaser) ist mit aktivem Material (Ionen aus der Gruppe der seltenen Erden, meist Ytterbium) dotiert. Durch Anregung dieser Teilchen geben sie ihre Energie in Form von Laserstrahlung ab. Durch die Länge der Faser ergibt sich eine große Oberfläche und damit eine effektive Kühlung.

Der Faserlaser ist vom Prinzip her ein diodengepumter Festkörperlaser. Das aktive Medium ist hier allerdings nicht wie beim Nd:YAG-Laser ein Stab, sondern eine dotierte Lichtleitfaser, in die das von den Dioden erzeugte Licht eingekoppelt wird. Die Strahlung verbleibt durch Totalreflexion in der Faser und induziert so die weitere Emission von Laserstrahlung.

Im Grunde kann der aus der aktiven Faser austretende Laserstrahl direkt fokussiert und für den Schweißprozess genutzt werden. Da die Herstellung dieser Faser jedoch sehr aufwendig und teuer ist, wird der Strahl in der industriellen Praxis in herkömmliche Glasfasern, wie sie auch beim Nd:YAG-Laser verwendet werden, eingekoppelt. 

Wie auch beim Nd:YAG und Scheibenlasern werden beim Faserlaser einzelne Module (typische Strahlleistung jeweils 600 W bis 1 kW) zusammengeschaltet, um die gewünschte maximale Strahlleistung der Laseranlage zu erreichen. 

Der Scheibenlaser ist eine Form des Festkörperlasers, bei welchem das aktive Medium (der Laser-Kristall) die Form einer Scheibe hat. Der Laserstrahl wird durch mehrfache Durchgänge der Pumpstrahlung durch die Laserscheibe erzeugt. Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite der Kristallscheibe aufgedampft, der gegenüberliegende Auskoppelspiegel befindet sich in einiger Entfernung zur Scheibe.

Vorteil dieser Form des Lasers ist die bessere Kühlung des Laserkristalls. Dieser ist mit der verspiegelten Fläche auf eine Wärmesenke (bzw. Kühlfinger) geklebt und unterliegt wegen der Wärmeableitung über eine gesamte Grundfläche der Laserscheibe nur geringen mechanischen Spannungen, wodurch gute Fokussierbarkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungs-Festkörperlasern erreicht wird. 

Mechanische Robustheit, hoher Wirkungsgrad und geringe Abmessungen kennzeichnen die Halbleiter- oder Diodenlaser.
Rekombination am p-n-Übergang: Wird eine geeignete Spannung angelegt können freie Elektronen aus dem Leitungsband des n-dotierten (n wie negativ, freibewegliche Elektronen) Halbleiters in die Löcher im Valenzband des p-dotierten (p wie positiv, freibewegliche positive Lücken) Halbleiters übergehen.

Bei einigen Materialkombinationen entstehen Photonen bei der Rekombination. Diesen Effekt nutzt man für Leuchtdioden und auch Diodenlaser.

Die eigentliche Strahlquelle ist ein sogenannter Laserbarren in den Abmessungen 10 mm x 0,6 mm x 0,1 mm, der auf einen Kühlkörper aufgebracht ist. Durch eine geeignete Stapelung dieser Barren zu sogenannten Stacks addieren sich die Laserleistungen durch optische Überlagerung der einzelnen Strahlenbündel. Durch Kombination von mehreren Stacks lassen sich Ausgangsleistungen von bis zu 15 kW im Wellenlängenbereich von 808 bis 1040 nm erzielen. 

Der CO2-Laserstrahl wird vom Resonator über ein aus Umlenkspiegeln bestehendes Strahlführungssystem zu einer oder mehreren Bearbeitungsstationen geführt. Durch die geringe Divergenz sind lange Übertragungswege möglich. An der Bearbeitungsstation wird der Strahl mit Hilfe von reflektiven Fokussieroptiken der Bearbeitungsaufgabe entsprechend geformt. Die Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden:

- bewegtes Werkstück, feste Optik
- bewegte ("fliegende") Optik
- Bewegung von Werkstück und Optik (2 Handhabungsgeräte)

Zur Strahlfokussierung werden beim Schweißen mit CO2-Lasern üblicherweise reflektive Spiegel-Optiken verwendet. Transmissive Linsen-Optiken können sich aufgrund von Absorption erwärmen, insbesondere bei hohen Leistungen und Verschmutzungen. Da die Wärme lediglich über die Fassung abgeführt werden kann, besteht somit die Gefahr der Verformung (Veränderung der Brennweite) oder Zerstörung durch Überlastung.

Die für Festkörperlaser typische Wellenlänge (1030 nm bis 1080 nm) wird von Gläsern fast nicht absorbiert. Daher ist es möglich, bei diesen Lasertypen transmissive Optiken und eine Strahlführung durch Lichtleitfasern („Glasfasern“) zu verwenden. 

Moderne Lichtleitfasern erlauben bei Faserdurchmessern von 200 bis 300 μm Biegeradien von etwa 100 mm. Für die Mikromaterialbearbeitung werden Laser mit max. 500 W Strahlleistung eingesetzt, bei denen die Laserstrahlung durch Fasern von 50 μm oder weniger geleitet wird.

Über optische Schalter ist eine Mehrfachnutzung der Festkörperlaserstrahlquelle möglich, über Strahlteiler (meist mit festem Teilungsverhältnis) das Schweißen an mehreren Stationen gleichzeitig. Nachteil bei einer solchen Strahlführung ist die durch die Vielfachreflexion verschlechterte Strahlqualität. 

- Beim Remote Welding wird mittels eines drehbaren Spiegels eine Positionierung des Laserstrahlfokus in der Ebene generiert

- Hochgeschwindigkeitssystem zur Erzeugung von Lasersteppnähten mit zu vernachlässigender Schweißnebenzeit

- Steht vorwiegend im Wettbewerb zum Widerstandspunktschweißen

- Schweißkonturen: Punkte, Stepp-, Kreis-, Halbkreis-, Kreuz-, und Wellennähte 

Wärmeleitungsschweißen (I ≤ 10^6 W/cm2)

Tiefschweißeffekt (I ≥ 10^6 W/cm2)

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 und damit ein Wärmeleitungsschweißen geringer Tiefenwirkung möglich. Oberhalb einer Schwellintensität (I ≥ 106 W/cm2) findet dann ein Phasenübergang statt, und es entsteht ein laserinduziertes Plasma, welches einen Plasmakanal ausbildet. Durch diese entstehende Dampfkapillare wird auch weiter unterhalb der Werkstückoberfläche Energie eingebracht, so dass ein Tiefschweißeffekt erzielt wird. Der größte Teil der Schmelze umströmt die durch die Fügezone bewegte Kapillare, deren Schließen durch den Dampfdruck verhindert wird. Der Rest des Werkstoffs verdampft und kondensiert entweder an der Kapillarenwand oder strömt in ionisierter Form ab. Bei geeigneter Parameterwahl kann eine nahezu vollständige Energieeinkopplung in das Werkstück erzielt werden.

Beim CO2-Laser wird die Strahlung durch das Plasma, dessen Absorptionseigenschaften von der Strahlungsintensität und der Dichte des Dampfes abhängen, absorbiert. In Abhängigkeit von der Elektronendichte im Plasma und der eingestrahlten Laserintensität kann sich jedoch

jedoch Plasma von der Werkstückoberfläche lösen und die Bearbeitungszone abschirmen. 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

- Temperatur

- Wellenlänge

- 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 mm

- Verdampfen von Material
- Fast vollständige Energieeinkopplung durch Absorption im Dampf bzw. an der Schmelzfront, A > 90 %
- Bildung einer Dampfkapillaren mit hoher Einschweißtiefe 

guckst du...

CO2-Laser (allg. Gaslaser) --> K–Zahl

Festkörperlaser --> SPP

Bedingt durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit und die damit verbundene schlechte Entgasungsmöglichkeit der Schmelze kann es beim Laserstrahlschweißen insbesondere bei dicken Blechen (große Nahttiefe) oder Einschweißungen (fehlende Entgasung über die Nahtwurzel) zu Porenbildung kommen. Eine zu geringe Schweißgeschwindigkeit kann jedoch auch zur Porenbildung führen, wenn die Schmelze dann an der Wurzelseite Gase aufnehmen kann. Die Palette der mit dem Laser zu verschweißenden Werkstoffe reicht von den un- und niedriglegierten Stählen bis zu hochwertigen Titan- und Nickelbasislegierungen. Bei den umwandelnden Stahlwerkstoffen ist der Kohlenstoffgehalt wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit als kritische Einflussgröße zu betrachten, wobei Gehalte C > 0,22 % als begrenzender Anhaltswert angegeben werden können. Aluminium und Kupfer bereiten aufgrund ihrer thermophysikalischen Materialeigenschaften Probleme bei der Energieeinkopplung und der Prozessstabilität. Hochreaktive Werkstoffe erfordern auch beim Laserstrahlschweißen einen ausreichenden Gasschutz bis über die Erstarrung der Schweißnaht hinaus, da der Einsatz von Arbeitsgasen allein in der Regel nicht ausreichend ist. 

Die Anwendbarkeit des Laserstrahlschweißens lässt sich durch Verfahrensvarianten erweitern. Eine ist das Laserstrahlschweißen mit Zusatzdraht. Es bietet folgende Vorteile:

•  Beeinflussung der mechanisch-technologischen Eigenschaften in Naht- und Schmelzzone (z.B. Festigkeit, Zähigkeit, Korrosion, Verschleißwiderstand) über die metallurgische Zusammensetzung des Zusatzdrahtes

•  Verringerung der Anforderung an die Genauigkeit der Nahtvorbereitung bzgl. Kantenversatz, Kantenvorbereitung und Strahlversatz aufgrund breiterer Schmelzbäder

•  "Auffüllen" von nichtidealen, z.B. V-förmigen Fugengeometrien
  Erzielung einer definierten Nahtüberwölbung auf der Strahlein- und Austrittsseite 

- hohe Leistungsdichte
- kleiner Strahldurchmesser
- hohe Schweißgeschwindigkeit
- berührungsloses Werkzeug
- Schweißen unter Atmosphäre möglich

- minimale thermische Belastung
- geringer Verzug
- Schweißen fertig bearbeiteter Teile möglich - Schweißen an schwer zugänglichen Stellen

- unterschiedliche Werkstoffe schweißbar 

- kurze Taktzeiten
- Mehrstationenbetrieb möglich

- Anlagenverfügbarkeit > 90%

- gut automatisierbar 

- hohe Reflexion an Metallen
- begrenzte Einschweißtiefe ( 25 mm)

-  aufwendige Nahtvorbereitung
- exakte Positionierung notwendig

- Aufhärtungsgefahr
- Rissgefahr
- Al, Cu schwer schweißbar

- aufwendige Strahlführung und -formung
- Leistungsverluste an optischen Elementen

- Schutz vor Laserstrahlung notwendig
- hohe Investitionskosten
- schlechter Wirkungsgrad (CO2 -Laser: < 20%, Nd:YAG: < 5%) 

Unterschiedliche Absorption Laserstrahlung in Glas.
- CO2-Laser: reflektive Optik, Führung über Strahlengang und Kupferspiegel

- Festkörperlaser: transmissive Optiken, Führung über Glasfaser

Festkörperlaser:
Schwierig Abzuschirmen nur mittels Laserschutzfenster bzw. lichtdichte Wände und evtl. Sensorik

CO2-Laser:
Einfach Abzuschirmen, durch Plexiglasstellwände 

Laserstrahlschweißen
1. geringe Energieeinbringung

2. Die Spalte sind tolerierbar 

Festkörperlaser
1. gute Absorption bei Aluminium

2. Strahlführung über Faser möglich (3D-Anwendung)

3. gute Fokussierbarkeit (hohe Strahlqualität) 

schauen, ob Intensität über 10°6 W/cm^2

I = P_L / A

CO2-Laser verwenden aufgrund Ihrer Wellenlänge 10,6 μm Spiegeloptiken aus Kupfer. Diese würden das Laserlicht des Festkörperlasers Wellenlänge 1,03 μm absorbieren und sich stark erwärmen.

Sollen Spiegeloptiken für Festkörperlaser eingesetzt werden, so müssen diese eine spezielle Beschichtung erhalten. Als Grundwerkstoff wird aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit ebenfalls Kupfer eingesetzt. 

Längsabstand:
max.: gemeinsame Schmelze erforderlich, Energieeintrag und Wärmeleitung min.: Turbulenzen und vorlaufende Schmelze (stabiles Keyhole)

Querabstand:
idealerweise „in Reihe“
max.: Breite der Schmelzzone, Fließverhalten der Schmelze 

Aufweitung des Rohstrahldurchmessers DS (z.B. Teleskop oder längerer Strahlweg vor Fokussieroptik)