Lasertechnik

Eckhard`s Vorlesung

Eckhard`s Vorlesung


F. F.
Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen und Anwendungen der Lasertechnik auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie verschiedene Arten von Lasern, deren Aufbau, Betriebsarten und spezifische Anwendungen ab, insbesondere im Bereich des Laserstrahlschweißens. Die Karteikarten sind ideal für Studierende und Fachleute, die sich mit den Vorteilen, Nachteilen und technischen Details von Lasertechnologien vertraut machen möchten.
Karten
93
Lernende
3
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
11.07.2016 / 09.08.2016

Lernkarten

Frequenzverdopplung

4. Warum muss ein Kristall zur Frequenzverdopplung justiert werden?

Damit der Primärstrahl auf einen ganz bestimmten Winkel auf der optischen Achse trifft, bei diesem Winkel sind die Brechungsindizes gleich groß, dadurch wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit angepasst

Interferometrie

1. Warum stört die Emission von mehreren Longitudinalmoden bei Interferometern?

Bei Laserinterferometern wird eine einzige Wellenlänge als Maßstab genutzt, da aber unterschiedliche Longitudinalmoden unterschiedliche Wellenlängen besitzen, stören diese

Interferometrie

2. Was ist der Vorteil eines 2-Strahl-Interferometers gegenüber einem normalen Interferometer?

Vorwärts-/ Rückwärtserkennung

Interferometrie

3. Skizzieren und beschreiben Sie ein Auflichtinterferenzmikroskop.

  • Die Referenzfläche kompensiert hierbei mögliche Abbildungsfehler
  • durch Kippen der Referenzfläche können Abbildungsfehler auf Oberflächen dargestellt werden, da diese das Licht mit einer Phasenverschiebung wiedergeben

Interferometrie

4. Nennen Sie möglichst viele (5) Anwendungen von Laserinterferometern.

  • Geschwindigkeitsmessung
  • Längenmessung
  • Winkelmessung
  • Oberflächenkontrolle
  • Gaskonzentrationsmessung (Änderung des Brechungsindex)
  • Masse/ Gewicht
  • Geradheit/ Rechtwinkligkeit

Interferometrie

5.

a) Erklären Sie die „Optische-Kohärenz-Tomographie“(OCT).

b) Warum ist in der OCT ein Laser als Lichtquelle ungeeignet?

  • Licht mit kurzer Kohärenzlänge wird in einen Lichtwellenleiter eingespeist und durch einen Faserkoppler geschickt. Jeweils an einem Ende sind einmal ein beweglicher Spiegel und einmal die Probe. Aufgrund der geringen Kohärenzlänge existiert nur ein örtlich begrenztes Interferenzsignal (wenn Abstand des Spiegels mit dem Abstand einer optischen Grenzfläche im Messarm übereinstimmt). Wird nun die Faser vor der Probe bewegt, so entsteht ein 2-dimensionales Bild.

b) Warum ist in der OCT ein Laser als Lichtquelle ungeeignet?

  • Laserlicht besitzt eine sehr hohe Kohärenzlänge und das Interferenzsignal besäße nicht mehr die örtliche Tiefenauflösung von minderkohärentem Licht.
    •  geringe Oberflächenänderungen würden nicht mehr messbar sein
    • Man kann nicht mehr ortsgbegrenzt aufnehmen
  • Man bekommt nur dann ein Signal, wenn der Wegunterschied  auf dem Objekt nicht größer ist als die Kohärenzlänge

Zweifrequenzinterferometer

1. Erklären Sie ein 2-Frequenz-Interferometer (mit Skizze).

  • Senkrecht zueinander polarisierte Strahlen werden durch einen Polarisator unter 45° geschickt          
    Þ es entsteht Schwebungsfrequenz die vom Detektor A gemessen wird
  • Aufgrund der relativen Bewegung zwischen Spiegel 1 und 2 entsteht eine Dopplerfrequenzverschiebung und Detektor B misst somit:
  • Anhand der Differenz kann man nun die Richtung feststellen:
    < 0       Þ        Bewegung vom Strahlteiler weg
    > 0       Þ        Bewegung auf Strahlteiler zu
  • Zählerstand gibt Wegunterschied in Vielfachen von  an.

Messgenauigkeit, Messbereich von Laser-Interferometern

1. Welche Effekte begrenzen die Genauigkeit eines Laserinterferometers?

  • Die Kohärenzlänge sind viele Meter, auf diesem Stück kann der Brechungsindex nicht konstant gehalten werden
  • Divergenz, Turbulenz

Materialbearbeitung

1. Beschreiben Sie unterschiedliche (3) Strahlführungen für einen CO2 Laser.

  • geführter Laser bei großflächigen Werkstoffen
  • geführte Werkstoffe bei kleinen Werkstoffen und rotationssymmetrischen Teilen
  • geführte (fliegende) Optik: mit Arm, kleine Massen werden bewegt und man erreich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und eine hohe Genauigkeit

Materialbearbeitung

2. Nennen Sie mindestens einen Vorteil und einen Nachteil der Ausbildung eines Plasmas beim Laserstrahlschweißen?

+    Die Absorption des Laserstrahls erhöht sich
-     Es bilden sich Verbrennungs- und Detonationswellen aus

-     Die Wechselwirkungszone auf dem Werkstück vergrößert sich

In welche Teilgebiete unterscheidet man Laserstrahlschweißen?

Tiefschweißen:

  • hohe Leistungsdichten von etwa MWatt pro cm2
  • Laserstrahl schmilzt Werkstück auf und erzeugt Dampf, dieser erzeugt Druck welcher Schmelze verdrängt -> Werkstück schmilzt weiter -> Keyhole bildet sich
  • bewegt sich Laserstrahl weiter, wird auch Keyhole weitergezogen -> Werkstück wird aufgeschmolzen und erstarrt auf Rückseite des Keyholes (dadurch schmale, tiefe Schweißnaht mit gleichmäßigen Gefüge)
  • Laserstrahl wird an Wänden reflektiert und von Schmelze absorbiert -> hoher Wirkungsgrad
  • Anwendung: mehrere Werkstofflagen gleichzeitig

Wärmeleitungsschweißen:

  • Laserstrahl schmilzt lediglich Fügepartner auf -> Energie gelangt nur durch Wärmeleitung ins Werkstück (1mm Nahttiefe)
  • Wärmeleitfähigkeit des Werkstückes begrenzt maximale Nahttiefe
  • Eigenschaften: glatte, abgerundete Schweißnaht -> kein Nacharbeiten
  • Anwendung: Verbindung dünnwndiger Teile, Sichtkanten von Gehäuse
  • ->gepulste dauerstrichbetriebene Festkörperlaser

Welche Vorteile ergeben sich beim Laserstrahlschweißen von Dünnen Blechen?

  • dicht
  • porenfest
  • geringer Verzug

Welche Vorteile ergeben sich beim Laserstrahlschweißen zur Versiegelung von Überlappstöße?

Ziel: Verhinderung von Korrosion

 

  • glatte Naht
  • konstante Schweißtiefe
  • geringe therm. Schädigung

Welche Vorteile ergeben sich beim Laserstrahlschweißen durch beidseitiges gleichzeitiges HLDL-Schweißen gestanzter Bleche?

  • Verzugsminimierung
  • Spritzfrei
  • gegenüber CO2: Verzicht auf Feinstanzen

Tiefschweißen ( I > Ic  Keyhole)

Schaubild?

Wie lautet die Energie und Leistungs bielanz beim Laserstrahlschweißen?

PL=PRefl. + PAbs. + PTrans. + PPlasma + PDampf

Wärmeleitungsverluste beim Laserstrahlschweißen?

Welche 3 Arten von Absorption gibt es beim Laserstrahlschweißen?

Welches Schutzgas wird beim Laserstrahlschweißen verwendet?

  • Argon
  • Helium
  • CrossJet...zum Schutz der Optik

Anwendung Laserstrahlschweißen?

Tailored Blank...Benutzung unterschiedlicher Belchdicken zur Gewichtseinsparung

Sandwich-Feinblech

Alu-Versteifungungen für Luftfahrt (Geschweißte Stringer-Hant-Verbindung anstatt zum traditionellen Nieten)

Laserstrahlschweißen (Merkmale, Schweißbare Werkstoffe)

Merkmale:

  • wenig Wärmeeintrag
  • geringer Verzug
  • schmale, schlanke Nähte
  • gut automatisierbar

Schweißbare Werkstoffe:

  • un- und niedriglegierte Stähle
  • austenitische Stähle
  • hochlegierte Stähle
  • Al-, Mg-, Ni, Ti-Legierungen

Laserstrahlschweißen mit Zusatzwerkstoff (Problem-Ursache-Lösung, Besonderheit, Effekte/Vorteile)

Problem: Bauteildauerfestigkeit

Ursache: Reduzierte Lasttragfähigkeit durch Nahtlage, Poren

Lösung: Belastungsangepasster Schweißdraht, Optimierung Schweißparameter, technischer Nullspalt

Besonderheit: in-process Zuführung von zusätzen in Schweißbad

Effekte:

  • Vermeidung Kalrissbildung durch Unterdrückung der Entstehung harter oder spröder Poren
  • Vermeidung Heißrissbidlung durch Veränderung Erstarrungsablauf
  • Verbesserung Schweißguteigenschaften durch Überlegierung

 

Laserinduktionsschweißen (Anwendung, Vorteile)

Anwendung:

  • Antriebstrang (Auto)
  • Motor (Kolben, Ventile)
  • Hydraulik (Öl- Wasserpumpe)

Vorteile:

  • höhere Bauteilbelastung
  • reduzierte Heißrissanfälligkeit
  • erhöhte Zähigkeit der Schweißnaht

Laserhybridschweißen (Schaubild, merkmale)

Laserhybridschweißen (Vorteile, Beispiel

Vorteile:

  • bessere Spaltüberbrückbarkeit
  • Vermeidung der Aushärtung urch Laserhybridschweißen mit Zusatzstoff

Beispiel: Auslegung für mobile Betonpumpen -> Dauerfestigkeit gegüber MAD 80% höher

Vergleich (Laser/Hybrid - Plasma/WIG)

welche Steuerungsmöglichkeiten sind durch MPC-Systeme möglich?

  • Wurzelüberhöhung
  • Kantenversatz
  • keine Naht/Durchschweißung
  • Nahtposition im Stumpfstoß

Laserstrahlsublimierschneiden (Def. , Vor- & Nachteile)

Def.: Werkstoff wird im Bereich der Schnittfuge verdampft und entweicht von dort mit hoher Geschwindigkeit

• Vorteile:

  1. - Geringe Schmelzfilmdicken Þ glatte Schnittkanten, ohne ausgeprägte Riefenstruktur des Schmelz- oder Brennschneidens
  2. - Minimale Wärmeeinflusszone (WEZ) am Rand der Schnittkante und geringe gesamte Wärmebelastung des Werkstücks
  3. - Keine Oxidation der Schnittkante Þ Weiterverarbeitung (z.B.: Lackieren oder Schweißen) ohne Nachbehandlung möglich
  4. - Trennen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich: Holz, Papier, Keramik, Kunststoffe und Metalle

Nachteil:

  1. - Hohe Intensitäten erforderlich Þ leistungsstarke Laser mit sehr guter Strahlqualität werden benötigt

Laserstrahlschmelzschneiden (Def., Vor- & Nachteile)

Def.: Aufschmelzen des Werkstooffs durch den Laserstrahl und Austrieb dieser Schmelze mit einem inerten asstrahl (N2, Ar)

• Vorteile:
- Geringerer Energiebedarf zum Aufschmelzen des Werkstoffs als beim Sublimationsschneiden
- höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleicher Laserstrahlintensität
- Bei Verwendung eines inerten Schneidgases: keine Oxidation der Schnittkanten
- Trennen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich: Gläser, Kunststoffe und Metalle

• Nachteile:
- Ausgeprägte Schmelzbaddynamik führt zu charakteristischen Schnittriefen an den Kanten
- Wärmebeeinflusste Zone ist in der Regel größer als beim Sublimationsschneiden
- Komplexere Prozessauslegung durch den zusätzlich erforderlichen Schneidgasstrom

Laserstrahlbrennschneiden (Def., Vor- & Nachteile)

Def.: Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Laserstrahl und die Energiezufuhr aufgrund der exothermen Reaktion der Schmelze mit dem Schneidgasstrahl (O2). Austrieb der Schmelze/ Schlacke durch den Schneidgasstrahl.

• Vorteile:
- Trennen von größeren Blechdicken als derzeit beim Schmelz- oder Sublimationsschneiden möglich
- Derzeit größte Schneidgeschwindigkeiten beim Trennen dicker Bleche


• Nachteile:
- Oxidation der Schnittkanten
- Größere Wärmeeinflusszone als bei den anderen Laserstrahlschneidverfahren
- Ausbildung periodischer Riefen durch Überlagerung von Schmelzbaddynamik und Abbrand aufgrund der exothermen Reaktion

Gase zum Schmelzschneiden?

Schneidgas :

  •  Stickstoff
  •  Edelgas (Argon) bei reaktionsfreudigen Werkstoffen (z.B. Titan)

 

Ablauf der Reaktion des Eisens mit dem Sauerstoff beim Laserbrennschneiden?

• Bereitstellung einer Aktivierungsenergie
• selbsttätig ablaufende Reaktion nach Überschreiten der Zündtemperatur Tz ->bei der Reaktion frei werdende Wärme ist größer als die Wärmeverluste aus der Reaktionszone
Tz = 1428 K (reines Eisen)
Tz = 1498 K (Stahl)

Kriterien zur Beurteilung des Schneidergebnisses beim Laserstrahlschneiden?

  • Gratbildung (Bartbildung, Schmelztropfen)
  • Schnittspalt
  • Kolkungen
  • Rillennachlauf n
  • gemittelte Rautiefe Rz
  • Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz

Welche Arten der Gratbildung unterscheidet man beim Laserstrahlschneiden?

Def. Gratbildung: es handelt sich um eine stark anhaftende, ohne Nachbehandlung nicht entfernbarer Grat

Ablauf Laserstrahlschneiden?

  • - Aufheizung des Werkstoffs auf maximal Verdampfungstemperatur
  • - Austrieb der Schmelze durch den Schneidgasstrahl vor dem Laserstrahl nach unten
  • - Schmelze strömt auf einer steil geneigten Schneidfront nahezu parallel zum Laserund Gasstrahl
  • - minimal möglicher Neigungswinkel der Schneidfront wird durch die Strahlkaustik bestimmt
  • - maximal mögliche Schmelzfilmdicke des austretenden Schmelzstroms ist durch die Wärmeleitung limitiert

Aufbau & Arten von Gasdüsen beim Laserstrahlschneiden

  • Druckraum, der nach oben durch die Linse abgedichtet ist und eine auswechselbare Düsenmündung (Kupfer, da hohe Reflektion und Wärmeleitfähigkeit) aufweist

Wofür ist eine Düsenjustierung notwendig?

Beim Schneiden von Konturen muss der Gasstrahl exakt koaxial ohne Winkelfehler zum Laserstrahl justiert sein.

Folgen:

  • Prozessinstabilität
  • ungleiche Kantengeometrie
  • ungleiche Bartbildung
  • Schneidaussetzer

Die Justierung/ Justage erfolgt über Verschiebung der Düse, Laserstrahls oder einem Versatz der Fokusierlinse

Charakteristischer Verlauf der Schneidgasströmung

Polarisation und deren Wirkung beim Laserstrahlschneiden?

Polarisiertes Licht

  • Bearbeitungsrichtung parallel zur Polarisationsebene -> Schnittkante gute Qualität
  • Bearbeitungsrichtung senkrecht zur Polarisationsebene -> schlechtere Qualität

Ziel: gleichbleibend gute Schneidergebnisse -> Lösung: zirkular polarisierter Laserstrahl

Wirkung: Polarisationsebene des Strahles um 45° zur Einfallsebene geneigt -> Strahl wird in s-Anteil und p-Anteil zerlegt und zeitverschoben überlagert. Dadurch entsteht zirkular polarisierte Strahlung.

Welche Betriebsarten unterscheidet man beim Laserstrahlschneiden?

Laserleistung kann kontinuierlich oder nicht kontinuierlich erzeugt werden

  • cw-Betrieb
  • Tastbetrieb
  • Rampenbetrieb

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