3. Internationaler Workshop in Dresden SPEZIAL: Faserlaser · 2021. 1. 30. · 2 Laser+Produktion...

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3. InternationalerWorkshop ›Faserlaser‹ 2007in Dresden

4 PräparationPhotonischerKristallfasern

15 ExzellenteSchnitte in Fein-und Dickbleche

Eine Publikation von:

SPEZIAL:

Faserlaser

Laser+Produktion SPEZIAL 20082

EDITORIAL

Der 3. Internationale Workshop ›Faserlaser‹ der Fraun-hofer-Institute IWS Dresden und IOF Jena ist Ge-schichte. Die überraschend hohe Beteiligung und diepositive Bilanz der Besucher und Aussteller zeigten, dass esgelungen ist, eine ansprechende Veranstaltung rund um denFaserlaser und seine Anwendungen zu etablieren.

25 Fachbeiträge widme-ten sich den Lasersystemen,-komponenten und -techno-logien sowie aktuellen For-schungsthemen. Die teilneh-menden Laserhersteller IPG,Rofin-Sinar, Trumpf, New-port und SPI Lasers infor-mierten über die neuestenEntwicklungen ihrer Unter-nehmen auf dem Gebiet derkontinuierlichen und gepuls-ten Faserlaser. Während derWeltmarkt für Lasersystemein der Materialbearbeitung

im Jahr 2005 noch 4,6 Milliarden Euro betrug, werden für dasJahr 2010 schon 10 Milliarden prognostiziert. Die neuen Ent-wicklungen auf dem Gebiet der Faserlaser tragen hierzu ent-scheidend bei; deutsche Unternehmen profitieren maßgeb-lich davon.

Die herausragende Strahlqualität ist das entscheidendeMerkmal der Faserlaser. Sie beeinflusst die Leistungsfähig-keit eines Prozesses wie fast keine andere Eigenschaft. Ummit höherer Produktivität den bestehenden Qualitätsansprü-chen gerecht zu werden, sind verstärkte Anstrengungen beider Auswahl, Konzeption und Fertigung der Bearbeitungsop-tiken für Faserlaser im Kilowattsegment zu unternehmen. ImRahmen des Workshops haben sich mehrere Firmen als kom-petente Ansprechpartner empfohlen. Die vom FraunhoferIWS vorgestellten Lösungen, um Rückreflexionen zu beherr-schen und die Lasersicherheit an CNC- und Roboteranlagenzu gewährleisten, werden im Folgenden ausführlich darge-legt; ebenso die Ausführungen des Fraunhofer IOF zur nächs-ten Fasergeneration für hohe Strahlleistungen.

Parallel zur Entwicklung der Lasersysteme und Komponen-ten schreitet die Weiterentwicklung von Technologien für dieindustrielle Anwendung voran. Unternehmen und Institutepräsentierten und demonstrierten eindrucksvolle Entwick-

lungsergebnisse der letzten Monate. Auf dem Sektor dergepulsten Systeme werden Laser zunehmend für die großflä-chige Strukturierung von Metalloberflächen und Schichteneingesetzt. Interessant sind die verschiedenen Bereiche derSolarzellenfertigung. Hier fordern sich zwei stark wachsendeBranchen gegenseitig zu neuen Höchstleistungen heraus.

Beim Schweißen von Stahl erschließt sich der Dickblech-bereich zunehmend für Laser mit brillanter Strahlqualität.Höchste Produktivität und beste Qualität werden derzeitauch beim Schneiden von Dünnblech erzielt. Vor allem dasRemote-Schneiden ermöglicht hier erhebliche Produktivi-tätssteigerungen und steht deshalb auch im Fokus künftigerEntwicklungsarbeiten. Mit dem zunehmenden Verständnisdes Einflusses der Strahlqualität auf den Schneidprozess wirdder Laser auch zu größeren Blechdicken vorstoßen.

Um den deutschen Laser-Akteuren auch in Zukunft eineführende Position im internationalen Markt zu sichern,unterstützt das Bundesministerium für Bildung und For-schung Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Rah-men verschiedener Förderinitiativen. Vier Verbundprojekteaus der Förderinitiative ›Briolas‹ haben sich mit ihren neu-esten Forschungsergebnissen auf dem Faserlaser-Workshopin Dresden präsentiert. Man darf gespannt sein, welcheIdeen den Weg in die Praxis finden und dort wieder neuenFortschritt generieren werden.

In den nachfolgenden Beiträgen finden Sie ausgewählteErgebnisse der beiden Fraunhofer-Institute IWS Dresden undIOF Jena im Bereich der Systemtechnik- und Technologie-entwicklung für die industrielle Anwendung des Faserlasers.Wir wünschen Ihnen eine anregende Lektüre und freuen unsauf Ihren Besuch auf der Messe ›Lasys‹ in Stuttgart, in un-serem Institut oder zum nächsten Faserlaser-Workshop am 5. und 6. November 2008 in Dresden.

Brillante Lasersysteme

Dr. Anja Techel, Fraunhofer IWS Dresden

Laser+Produktion SPEZIAL 2008 3

KONTAKT ZUM INSTITUT

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS,Winterbergstr. 28,01277 Dresden,Tel. +49 (0) 3 51 /25 83 -3 24,Fax +49 (0) 3 51 /25 83 -3 00,E-Mail: [email protected],Internet: www.iws.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für AngewandteOptik und Feinmechanik IOF,Albert-Einstein-Str. 7,07745 Jena,Tel. +49 (0) 36 41 /8 07 -0,Fax +49 (0) 36 41 /8 07 -6 00,E-Mail: [email protected],Internet: www.iof.fraunhofer.de

PHOTONISCHE KRISTALLFASERN

Fasern richtig präparieren 4Aufbau- und Verbindungstechnikenfür Photonische Kristallfasern

FOKUSSIEROPTIK

Stabiler Fokus mit Spiegeloptiken? 8Fokus- und Prozessstabilisierungbei Faserlasern

STRAHLENSCHUTZ

Sicherheit im Fokus 10Eine neuartige Laserschutzwand fürLaser höchster Brillanz

SYSTEMSICHERHEIT

Faserlaser sicher nutzenin kritischen Prozessen 12

Optische Dioden schützen Strahl-führung und Laser gegen Rückreflexe

MIKROMATERIALBEARBEITUNG

Ultrakurz und ultrafein 15Hochpräzise Mikromaterialbear-beitung mit leistungsstarken Ultra-kurzpuls-Faserlasern

LASERTRENNEN

Exzellente Schnitte 18Fein- und Dickbleche schneidenmit dem Faserlaser

LASERFÜGEN

Engspaltschweißen mit hohemAspektverhältnis 20

Schneller und tiefer schweißen mit dem Faserlaser

Impressum 23

Index 23

EXZELLENTE SCHNITTEStrahlqualität, Leistung, Absorptionsgrad –diese Eigenschaften beeinflussen die Bearbei-tung von Werkstoffen mit Lasern maßgeblich.Faserlaser trennen Feinbleche mit hohenKonturgeschwindigkeiten und erreichen beiDickblechen beste Schnittkantenqualität.

18

INHALT

20

FASERN RICHTIG PRÄPARIEREN

Die Faser trägt entscheidend zurexzellenten Strahlqualität der Faser-

laser bei. Spezielle Präparations-techniken sind erforderlich, um ihre

Vorteile praktisch nutzen zu können.

ENGSPALTSCHWEISSEN MITHOHEM ASPEKTVERHÄLTNIS

Welche Möglichkeiten eröffnen dieneuen Laserstrahlquellen? Die

Frage lässt sich – für das Schwei-ßen von Bauteilen mit größeren

Wandstärken – einfach beant-worten: Es kann schneller und tie-

fer geschweißt werden.

4

Photonische Kristallfasern3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


CHRISTIAN WIRTHTHOMAS SCHREIBERRAMONA EBERHARDT

TINA ESCHRICHSTEFFEN BÖHME

ANDREAS TÜNNERMANN

Der Faserlaser als Quelle hochinten-siver Strahlung erschließt immerweitere industrielle Anwendungen,die bisher konventionellen Lasersystemenwie dem CO2- oder dem Neodym-YAG-Laservorbehalten waren. Gleichzeitig erweitertsich der Einsatzbereich auf neuartige Pro-zesse in der Mikrobearbeitung, die mitkonventionellen Laserstrahlquellen nichtrealisierbar sind. Der Grund dafür ist – ne-ben dem hohen Wirkungsgrad und derkompakten Bauweise – die exzellenteStrahlqualität. Diese beruht auf den spe-ziellen lichtführenden Eigenschaften derFaser als verstärkendes Medium [1].

Aufbau und Funktiondes Faserlasers

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einesFaserlasers. Das aktive Medium ist der mitIonen der Seltenen Erden dotierte Kern ei-

ner Single-Mode-Faser. Die darin befind-lichen Ionen werden durch die Einkopp-lung der Pumpstrahlung optisch angeregtund konvertieren die Pumpstrahlung in La-serstrahlung. Zwei Spiegel an den Endflä-chen der Faser bilden den Resonator undermöglichen den Laserbetrieb.

Die Verwendung von Doppelkernfasern,bei denen der Laserkern koaxial von einemgrößeren Pumpkern umgeben ist, erlaubtdie Einkopplung von Pumplicht aus Quel-len mit geringer Strahlqualität und hoherLeistung, wie Halbleiterlaserdioden. Daseingekoppelte Pumplicht propagiert hoch-gradig multimodig im Pumpkern und wirdentlang der Faser kontinuierlich im Laser-kern absorbiert (Bild 2).

Photonische Kristallfasern

Bei den derzeit industriell eingesetztenFaserlasern sind Stufenindexfasern üblich.Sie erlauben die Lichtführung in Doppel-kernfasern durch Brechungsindexsprüngezwischen Laserkern, Pumpkern und Mantelder Faser. Jedoch hat dieser Fasertyp be-züglich der Leistungsskalierung von grund-modiger Strahlung gravierende Nachteile:Da nur die Grundmode geführt werden

soll, um das Anschwingen höherer Trans-versalmoden zu vermeiden und gleichzei-tig die Biegeverluste der Grundmode sogering wie möglich zu halten, darf der La-serkern einen gewissen Kerndurchmessernicht überschreiten. Damit ist das Moden-feld der Grundmode auf nur wenige Mikro-meter beschränkt und die Leistungsdichtein der Faser so groß, dass unerwünschtenichtlineare Effekte wie Stimulierte Ra-man-Streuung oder Stimulierte Brillouin-Streuung in der Faser auftreten und denLaserprozess signifikant stören.

Photonische Kristallfasern (auch mikro-strukturierte Fasern genannt) können dieLeistungsdichte in der Faser verringern.Sie sind gekennzeichnet durch eine regel-mäßige Verteilung von Mikroluftkanälenüber den Faserquerschnitt, womit die Wel-

Fasern richtig präparierenHIGH-POWER-FASERLASER: AUFBAU- UND VERBINDUNGSTECHNIKEN FÜR PHOTONISCHE KRISTALLFASERN

Die Faser als verstärkendes Medium und ihre lichtführenden Eigenschaften tragen entschei-

dend zur exzellenten Strahlqualität der Faserlaser bei. Spezielle Präparationstechniken sind

erforderlich, um die Vorteile dieser Fasern praktisch nutzen zu können.

K O N TA K T

Prof. Dr. Andreas Tünnermann,Fraunhofer IOF Jena,Tel. 0 36 41 /8 07 -2 01, Fax 0 36 41 /8 07 -6 00,[email protected]

lenleitereigenschaften der Faser gezieltbeeinflusst werden können.

Bild 3 zeigt den Querschnitt einer sol-chen mikrostrukturierten Doppelkernfaser.Im Mittelpunkt der Faser befindet sich deraktive Laserkern, umgeben von einer regel-mäßigen Anordnung feinster Luftkanäle,deren Durchmesser nur wenige Mikrometerbetragen. Über das Verhältnis von Loch-durchmesser zu Abstand lassen sich dieFührungseigenschaften des Kerns präziseeinstellen. Dies erlaubt die Vergrößerungdes Laserkerns und damit des Modenfeldsauf einige 10 µm unter Beibehaltung derGrundmode (Gauß-ähnliches Strahlprofil).

Der Pumpkern wird durch einen Ringaus Luftkanälen definiert (Luftmantel).Dank des großen Brechungsindexsprungszwischen Glas und Luftmantel ist eine Nu-merische Apertur des Pumpkerns von biszu 0,8 erreichbar. Somit wird das Lichtpraktisch ausschließlich im Pumpkern ge-führt, und der daran angrenzende Teil desMantels kommt mit der Pumpstrahlungnicht in Berührung. Dies ist für die Skalie-rung der Leistung von Bedeutung, da beiherkömmlichen Stufenindexfasern auchim Mantel Pumplicht propagiert wird undes wegen der erhöhten Absorption zu ei-ner starken Erwärmung des meist ausAcrylat bestehenden Mantels kommt.

Monolithische PhotonischeKristall-Faserlaser: AVT

Obgleich die Photonischen Kristallfasern(PCF) hervorragende Wellenleitereigen-schaften für die Anwendung in Hochleis-tungsfaserlasern zeigen, haben sie bislangnoch keine Verwendung in kommerziellenFaserlasersystemen gefunden. Dies ist aufdie komplexe Struktur des Faserquer-

schnitts zurückzuführen. Sie bereitet be-züglich der Aufbau- und Verbindungstech-nik (AVT) besonders für den Einsatz inmonolithischen Faserlasersystemen großeSchwierigkeiten. Betrachtet man die Her-stellung einer Spleißverbindung, die beiStufenindexfasern die Anwendung eineseinfachen Standardprozesses beinhaltet,so wird deutlich, dass das mit dem Spleißverbundene Aufschmelzen der Faser unddie damit einhergehende Veränderung derMikrostruktur die Wellenleitereigenschaf-ten der Photonischen Kristallfaser signifi-kant beeinflusst.

Mit dem Aufschmelzen ändern sich dieDurchmesser der Mikrokanäle im Luftman-tel und im Pumpkern. Die feinen Luftka-

näle neigen bei Erweichen des Glases da-zu, sich zusammenzuziehen und schließ-lich zu kollabieren. Die vorteilhaftenLichtführungseigenschaften für Pump-und Laserkern sind damit in diesem Be-reich erheblich gestört, und das in der Fa-ser propagierende Licht wird an dieserStelle zu einem großen Teil ausgekoppelt.Das Ziel gegenwärtiger Untersuchungenist es deshalb, geeignete Cleave- undSpleißtechnologien zu entwickeln, dieeine breite Verwendung von PCF in Faser-lasersystemen ermöglichen. Zu betrachtensind zunächst potenzielle Spleißverbin-dungen, die für den Aufbau von PCF-ba-sierten Faserlaser- und Faserverstärkersys-temen von Interesse sind.

Photonische Kristallfasern 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


1 Die Pumpstrahlung wird in den Laserkern eingekoppelt, absorbiert und in Laserstrahlung umgewandelt

Prinzipieller Faserlaser-Aufbau

2 Das hochgradig multimodig propagierende Pumplicht im Pumpkern wird entlang der Faser konti-nuierlich im Laserkern absorbiert

Doppelkernfaser

3 Querschnitt einer Photonischen Kristallfasermit Doppelkerndesign und Luftmantel zur Füh-rung der Pumpstrahlung mit hoher numerischerApertur

Faserquerschnitt

4 Aufbau eines All-Fiber-Faserlasersystems: Farbig hinterlegt sind Spleißverbindungen zwischenPumpfasern und Faser-Bragg-Gitter, aktiver Laserfaser und Faser-Bragg-Gitter, aktiver Faser undpassiver Transportfaser und Endkappe

All-Fiber-Faserlaser

V

Bild 4 zeigt schematisch den Auf-bau eines monolithischen Faserlasers. DerLaserresonator wird mit zwei Faser-Bragg-Gittern abgeschlossen. Diese Gitter kön-nen mittels UV-Laser in fotosensitive Fa-sern eingeschrieben werden. Spleißt mansolche Faserstücke mit eingeschriebenenGittern an die aktive Faser, so erhält maneinen monolithischen und somit justage-freien Laserresonator. Die Zuführung desPumplichts kann ebenfalls durch Spleiß-verbindungen erfolgen, indem die faserge-koppelten Pumpdioden seitlich oder übergeeignete Faserbündel an die aktive Fasergespleißt werden. Schließlich wird am an-deren Ende der aktiven Faser eine passiveFaser gespleißt, mit der der Ausgangsstrahlbequem und ohne aufwendige Freistrahl-führungssysteme an das zu bearbeitendeWerkstück geführt werden kann.

Das Ende der passiven Transportfaserwird schließlich mit einer Faserendkappeabgeschlossen. Das reduziert die Leistungs-dichte auf der empfindlichen Faserendflä-che und beugt deren Zerstörung vor.Grundlegende Voraussetzung, um einensolchen Aufbau zu realisieren, ist das Be-herrschen der Spleißtechnologie, um ver-lustarme Spleißverbindungen zwischenPhotonischen Kristallfasern, konventio-nellen Stufenindexfasern und Faserend-kappen herzustellen.

Cleave- und Spleißuntersuchungen

Die Vorraussetzung für eine qualitativhochwertige Spleißverbindung sind ebeneund rechtwinklig zur Faserachse liegendeFaserendflächen. Bereits bei ersten Cleave-Versuchen von PCF zeigte sich, dass sichdas Bruchverhalten von PCF grundlegendvon dem der Stufenindexfasern unter-

scheidet. Vor allem die sehr dünnen Struk-turen des Luftmantels verhindern einenungestörten Übergang der Rissfront vomMantel in den Pumpkern. Das Resultatsind unebene, schiefwinklige Cleave-Flä-chen mit einem Höhenversatz zwischenFasermantel und Pumpkern. Die Güte desCleaves wird maßgeblich von der Geome-trie des Luftmantels beeinflusst. Luftman-telgeometrien mit langen schmalen Ste-gen (Bild 5 links) zeigen ein deutlichschlechteres Cleave-Verhalten als Geome-trien mit vielen kleinen Kanälen (Bild 5rechts), mit denen spleißfähige Endflä-chengüten erreichbar sind.

Als Spleißgerät für Faser-Faser-Verbin-dungen wird ein System der Firma Vytranverwendet, bei dem das Aufschmelzen derFaserendflächen über ein heizbares Wolf-ram-Filament erfolgt. Nach dem Aufheizender Fasern werden die Endflächen defi-niert aufeinandergeschoben.

Ziel ist es, eine stabile und verlustarmeSpleißverbindung herzustellen. Hierbei istes erforderlich, den Wärmeeintrag so zu ge-stalten, dass die filigranen Strukturen desLuftmantels nicht aufschmelzen, und damitdie Pumplichtführung möglichst vollständigzu erhalten. Zu diesem Zweck wurde der Ein-fluss des Wärmeeintrags auf die Luftman-telgeometrie untersucht. Es zeigte sich,dass sich die Luftkanäle mit zunehmendemWärmeeintrag zusammenziehen und dieStege dazwischen sich verbreitern (Bild 7).

Gleiches gilt für die Mikrostrukturie-rung im Pumpkern (Bild 8). Auch hier er-folgt bei zu großem Wärmeeintrag in denFaserkern ein vollständiges Verschließender Mikrokanäle. Um jedoch die Wellenlei-tereigenschaften der Faser zu gewährleis-ten, muss die Struktur im Bereich desSpleißes erhalten bleiben. In diesem Fallewird die Verbindung zwischen den Fasernnur durch eine sehr dünne Schmelzschicht

Photonische Kristallfasern3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


6 Anordnung zum Spleißen von Fasern und Endkappen mittels CO2-Laser. Der CO2-Laser wird an der zu spleißenden Faser vorbeigeführt und schmilzt die Endkappe vor dem Zusammenfahren auf,sodass eine permanente Verbindung entsteht

5 Verschiedene Luftmanteldesigns. Links: Single-Ring-Luftmantel; rechts: Web-Type-Luftmantel. Der Web-Type-Luftmantel zeigt ein deutlich besseresCleave-Verhalten. Die damit erreichten Cleave-Flächen können ohne weitere Bearbeitung gespleißt werden

V

auf den Faserstirnflächen realisiert, diedann aufeinandergeschoben werden.

Die bisherigen Untersuchungen zeigten,dass es möglich ist, Spleißverbindungenherzustellen, bei denen die Pumplicht-verluste aufgrund der Veränderungen desLuftmantels nur etwa 1,5 Prozent betragen.Dies entspricht einer Pumplichtdämpfungvon zirka 0,06 dB. Durch diese Spleißver-bindungen wurden Pumplichtleistungenvon 3200 W mit NA ≤ 0,5 geführt.

Das Spleißen von Faserendkappen

Um die empfindlichen Faserendflächen vorZerstörung durch zu hohe Leistungsdichtenan der Austrittsfläche der Faser zu schüt-zen, hat es sich bei Stufenindex-Fasern be-währt, die leistungsführenden Faserendflä-chen mit Ronden oder Würfeln aus Kiesel-glas zu verspleißen. In dieser gespleißten›Endkappe‹ kann die aus der Faser austre-

9 Mittels CO2-Laser an Photonische Kristallfaserangespleißte Endkappe


Photonische Kristallfasern 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

tende Strahlung frei expandieren, womitsich die Leistungsdichte an der Glas-Luft-Grenzfläche des Strahlaustritts reduziert.Mittels einer im Fraunhofer Institut für An-gewandte Optik und Feinmechanik reali-sierten CO2-Laser-Spleißvorrichtung (Bild 6)wurden Endkappen an Photonische Kristall-fasern gespleißt und im Experiment getes-tet. Es konnte eine Leistung von 3,2 kW imPumpkern (976 nm) und von 1,5 kW imLaserkern (1070 nm) durch die Endkappetransmittiert werden. Die Spleißstellewurde dabei direkt wassergekühlt. DieseWerte sind nur durch die zur Verfügung ste-henden Strahlungsquellen begrenzt. ■

Fazit: Faserpräparationfür industrietaugliche Laser

Für die zukünftige Generation von in-dustrietauglichen Faserlasern könnenPhotonische Kristallfasern aufgrund ih-rer Vorteile im Hinblick auf die Leis-tungsskalierung grundmodiger Strahl-qualität eine entscheidende Rolle spie-len. Wir haben gezeigt, dass für dieseFasern spezielle Präparationstechnikeneingesetzt werden müssen, die Gegen-stand aktueller Forschungen sind.

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung

und Forschung für die finanzielle Unterstützung im Rah-

men des Forschungsprojekts ›Fabri‹ (13N9099).

LITERATUR1 A. Tünnermann, T. Schreiber, F. Röser, A. Liem,

S. Höfer, H. Zellmer, S. Nolte, J. Limpert: ›The Re-

naissance and Bright Future of Fibre Lasers‹; J. Phys.

B 38 (2005) 681-693

7 Einfluss des Wärmeeintrags auf die Kanäle im Luftmantel. Links: ursprüngliche Geometrie; Mitte:geringer Wärmeeintrag; rechts: starker Wärmeeintrag

8 Einfluss des Wärmeeintrags auf die Mikrostruktur im Pumpkern. Links: ursprüngliche Geometrie;Mitte: geringer Wärmeeintrag; rechts: starker Wärmeeintrag, Mikrostruktur und Luftmantel sind fastvollständig verschmolzen


LOTHAR MORGENTHALRÜDIGER GNANN

ANNETT KLOTZBACH

Faserlaser für die industrielle Anwen-dung erreichen heute eine Strahlqua-lität von nahezu M2 = 1 bei Laser-leistungen von bis zu 3 kW. Diese Strahl-qualität auch noch an der Bearbeitungsstellezu realisieren, stellt hohe Anforderungenan die Fokussieroptik. Deren Abbildungs-qualität hängt von vielen Einflussfaktorenab: Zum einen muss bei Fokussieroptiken

mit transmissiven optischen Kom-ponenten (Linsen) deren Materialhochrein und wasserfrei sein undeine geringe Absorption für die je-weilige Wellenlänge aufweisen.Daneben spielen das optische Lay-out und die thermische Stabilitätdes optischen Systems eine großeRolle. Besonders in der industriellen An-wendung ist der sichere Schutz vor Ver-schmutzung ein wichtiger Aspekt.

Für viele Laserbearbeitungsprozesse istdie Stabilität der Fokuslage ein wesent-

licher Qualitätsfaktor. Wechselwirkungenzwischen der Strahlung des Lasers und denfür die optische Abbildung verwendetenMaterialien können jedoch zur Verschie-bung der Fokuslage in Abhängigkeit von

Stabiler Fokus mit Spiegeloptiken?

FOKUS- UND PROZESSSTABILISIERUNG BEI FASERLASERN

Die Stabilität der Fokuslage ist für die Lasermaterial-

bearbeitung ein wichtiger Qualitätsfaktor. Spiegelfokus-

sieroptiken können dem sogenannten laserleistungs-

induzierten Fokusversatz entgegenwirken und so die

Prozessstabilität verbessern.

1 Fokusversatz unterschiedlicher Linsenmaterialien

Fokusversatz

2 Schematische Darstellung der Spiegelfokussieroptik

Spiegelfokussieroptik

Fokussieroptik3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

der Laserleistung führen. Dieser Effekttritt vor allem im Kilowattbereich auf undwird auch als laserleistungsinduzierter Fo-kusversatz bezeichnet.

Den Fokusversatz vermeiden

Qualitativ lässt sich dieser Effekt mit leis-tungsfähigen Messgeräten bei praktischallen Fokussieroptiken mit transmissivenoptischen Komponenten feststellen. Quan-titativ unterscheidet er sich je nach Lin-senmaterial, Materialqualität sowie Be-schichtungsart und -qualität zum Teildeutlich, wie Bild 1 beispielhaft zeigt.

Bei gleicher Kollimation und Brennweiteverschiebt sich der Fokus von acht unter-suchten Linsenoptiken an einem Single-Mode-Faserlaser mit 14 µm Faserdurchmes-ser bei 500 W Ausgangsleistung um 1,5 bis3 mm und bei 1000 W um 3,5 bis etwa6,5 mm im Vergleich zur Fokuslage bei 100 W.

Eine bisher wenig genutzte Möglich-keit, diese Eigenschaft der transmissivenoptischen Komponenten in den Fokussier-optiken für die Materialbearbeitung mitFaserlaser zu vermeiden, könnte der Ein-satz von Spiegelfokussieroptiken (FSO)sein, die bei der Materialbearbeitung mitCO2-Lasern hoher Leistung vorrangig ein-gesetzt werden. Im Vergleich zu Linsenop-tiken sind bei Spiegeloptiken geringereEinflüsse auf die Prozessstabilität zu er-warten.

Ein Beispiel für den vorteilhaften Auf-bau einer solchen Spiegelfokussieroptikzeigt Bild 2. Die Faseroptik wird in einenFaserstecker mit integrierter Faserbruchsi-cherung eingeführt und mit einem Bajo-nettverschluss fixiert. Die aus demAuskoppelkristall der Faser austretendeStrahlung ist divergent. Sie wird in derSpiegelfokussieroptik durch die Kombina-tion eines hyperbolischen (Spiegel 1) miteinem elliptischen Spiegel (Spiegel 2)exakt fokussiert. Eine Kollimation ist nichterforderlich.

Den Laserspot dem Prozess anpassen

Das Ergebnis vieler Bearbeitungsprozessekann verbessert werden, wenn der bear-beitende Laserstrahlspot nicht nur mittelseinfacher Fokussierung erzeugt wird, son-dern in Größe, Form und Intensitätsver-teilung dem geforderten Prozess optimalangepasst wird. Zu diesem Zweck kann eindritter Umlenkspiegel in der Spiegelfokus-

sieroptik den Strahl durch eine hyperboli-sche Oberfläche aufweiten. So werden derFokusdurchmesser und bei Schweißpro-zessen das Keyhole verändert. Beispiels-weise können Schweißnähte breit und in

der Wurzel verrundet oder tiefwirkend mitweitgehend planer Oberfläche erzeugtwerden. Auch astigmatische Abbildungs-fehler können mittels Justierung diesesSpiegels eliminiert werden.

Zur Fokus- und damit Prozessstabilisie-rung bei der Laserbearbeitung trägt bei,dass sich Spiegel wesentlich besser kühlenlassen als transmissive Optiken, nämlichvollflächig an der Rückseite. Die Spiegelbestehen außerdem aus OFHC-Kupfer mithoher Wärmeleitfähigkeit. Die gewählteForm der Spiegel erlaubt eine hohe Ge-nauigkeit bei ihrer Herstellung, weil sienahe dem Rotationszentrum der Spiegel-bearbeitungsmaschine aufgespannt wer-den können.

Die äußeren Abmessungen der Spiegel-fokussieroptik sind nahezu vergleichbar

mit den derzeit am Markt existierendenFokussieroptiken auf der Basis von Linsen.Geometrisch bedingte Einschränkungenbei der 2D- und 3D-Bearbeitung sind des-halb nicht zu erwarten.

Schweißexperimente in unterschied-lichen Materialien haben gezeigt, dass mitdem Spiegelfokussiersystem etwa gleicheWerte der Einschweißtiefe wie mit Linsen-fokussiersystemen erzielbar sind (Bild 3).Die hier noch erkennbaren Unterschiedesind möglicherweise auf den größeren Fo-kusdurchmesser der Spiegelfokussieroptikinfolge ihrer längeren Brennweite als beimVergleichssystem zurückzuführen. ■

Fazit: Thermisch und optisch stabil

Wegen der geringen Anzahl optischerElemente und der einfacheren Möglich-keit der Kühlung verspricht das Systemeine hohe thermische und optische Sta-bilität. Mit Spiegeloptiken des hier vor-gestellten Prinzips lassen sich nicht nurGrundmodelaser, sondern alle Faser- undScheibenlaser fokussieren. Hinsichtlichdes derzeit an diesem Spiegelfokussier-system gemessenen Leistungsverlustssind mit der Verringerung der Rauheitder Spiegeloberflächen und der Auf-bringung optimaler Beschichtungennoch Reserven erschließbar.


Schweißergebnisse

K O N TA K T

Dr. Lothar Morgenthal, Fraunhofer IWS Dresden, Tel. 03 51 /25 83 -3 22, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]

3 Vergleich der mit Linsen- und Spiegelfokussieroptik an verschiedenen Materialien erzielbarenSchweißergebnisse

Fokussieroptik 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

Strahlenschutz3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

JAN HANNWEBERSTEFAN KÜHN

Neuartige Hochleistungslaser, wieFaser- und Scheibenlaser, habensich in den letzten Jahren enormentwickelt. Es kamen Geräte auf denMarkt, die beste Strahlqualität bei sehrhoher Laserleistung ermöglichen, und esist anzunehmen, dass diese Entwicklunganhalten wird.

Diese erfolgreichen Neuerungen brin-gen jedoch nicht nur erweiterte Möglich-keiten für die Lasermaterialbearbeitungmit sich. Der Schutz von Personen und An-lagen vor Gefahren, welche durch Laser-strahlung entstehen, ist eine grundsätz-liche, kostenintensive und aufgrund derRisiken häufig unbeliebte Notwendigkeitbei jeder Laseranwendung. Dieses Problemgewinnt im gleichen Maße an Bedeutung,wie die Entwicklung der Laserstrahlquel-len anhält.

Passive und aktive Schutzwände

Hauptbestandteil einer Lasersicherheits-anlage sind Laserschutzumhausungen.Konventionell werden dafür passive Laser-schutzwände verwendet. Dabei wird überdie Art des Materials, die Dicke und dasDesign versucht, den Laserstrahl für einebestimmte Zeit vor dem Austreten aus der

Umhausung zu hindern.Mittels optischer Sicht-prüfung durch den Anla-genbediener hat in regel-mäßigen Abständen eineFunktionskontrolle der La-serschutzumhausung zuerfolgen. Versuche habenjedoch gezeigt, dass Hoch-leistungslaserstrahlen, wiesie bereits Stand der Tech-nik sind, innerhalb von Se-kunden auch massive Stahl-blech- oder Ziegelkonstruk-tionen durchdringen unddass dabei gefährliche La-serstrahlung im Kilowatt-bereich durch kleinste Öff-nungen austreten kann.Passive Laserschutzwändesind daher aus sicherheits-technischen und wirt-schaftlichen Gesichtspunk-ten nicht in der Lage, denbesonderen Anforderun-gen neuartiger Hochleis-tungslaser gerecht zu wer-den.

Geeignet sind aktiveLaserschutzwände. Be-kannte Systeme basierenmeist auf dem Prinzip ei-ner Hohlwand. Sensorensind dabei in die Wand-

Sicherheit im FokusEINE NEUARTIGE LASERSCHUTZWAND FÜR LASER HÖCHSTER BRILLANZ

Die Weiterentwicklung der Laserstrahlquellen hin-

sichtlich Strahlqualität und Laserleistung erfordert

neue Schutzmaßnahmen für Personen und Anla-

gen. Die Temperaturmessung mit Heißleitern dient

als Grundlage für die Entwicklung sicherer, aber

dennoch flexibler und preisgünstiger Umhausungen.

1 Schematische Darstellung des Funktionsprinzipsder Laserschutzwand auf Heißleiterbasis


kammer integriert und reagieren beim Ein-dringen des Laserstrahls auf verschiedeneEffekte, zum Beispiel eine Änderung desKammerluftdrucks oder Streulicht imHohlraum. Wesentlich ist, dass stets dieZerstörung eines Wandelements für dasDetektieren einer Gefahr notwendig ist.Weiterhin schränkt die Notwendigkeit ei-ner Doppelwand die Gestaltungsmöglich-keiten der Konstruktion stark ein.

Eine neuartige aktive Laserschutzwandkann diese Nachteile vermeiden und bie-tet darüber hinaus mehr Sicherheit. Er-reicht wird dies durch die Verwendung dersehr einfachen Temperaturmessung mit-tels Heißleiter. Die Besonderheit ist hier,dass die gesamte Laserschutzwand alsgroßflächiges Heißleiterelement ausge-führt wird. Ein solches Element bestehtprinzipiell aus einer Zwischenschicht, dieHeißleitereigenschaften aufweist und flä-chig mit zwei elektrisch leitenden Schich-ten verbunden ist. Die leitenden Schich-ten können Metallbleche oder metallischeBeschichtungen sein (Bild 1).

Auf alle Lasertypen anwendbar

Da nicht die Ursache, die Laserbestrah-lung, sondern die eigentliche Gefährdung,die Erwärmung der Umhausung, direkt ge-messen wird, ist dieses Prinzip für alle La-sertypen unabhängig von der verwende-ten Laserwellenlänge anwendbar.

Trifft der Laserstrahl auf dieses Plat-tenelement, erwärmt es sich lokal be-grenzt. Bei einem sehr kleinen Laserspotist auch der erwärmte Bereich sehr klein.In jedem Fall hat das einen Widerstands-abfall der Zwischenschicht an dieser lokalbegrenzten Stelle zur Folge. Damit dieseÄnderung des Ohmschen Widerstands beigroßen Wandelementen auch sichermessbar ist, muss die Zwischenschichtzwei wesentliche Eigenschaften haben.Sie muss bei Raumtemperatur einen sehrhohen spezifischen Widerstand und beiErwärmung einen extremen Widerstands-abfall aufzeigen. Gängige Heißleiter sindMetalloxide wie Al2O3. Sie haben genaudiese gewünschten Materialeigenschaften.

Der Gesamtwiderstand der Wandele-mente lässt sich mit sehr einfachen Mess-mitteln überwachen. Wird der normaleWiderstandswert unterschritten, so liegteine unzulässige Erwärmung der Plattevor; wird er überschritten, ist eine me-chanische Zerstörung zu vermuten. In je-

dem Fehlerfall kann der Laser sicher aus-geschaltet werden. Gemäß der Norm DINEN 60825-4 ›Sicherheit von Lasereinrich-tungen, Teil 4: Laserschutzwände‹ werdenvier Zeitpunkte definiert (Bild 2).

Die Reaktionszeit der aktiven Laser-schutzwand wird über die Wahl desSchwellwerts und die Geschwindigkeit,mit der die aktive Schutzwand das Ab-schaltsignal erzeugt, eingestellt. DieÜberwachung des Widerstands erfolgt da-bei über eine sehr schnelle analoge Schal-tung. Der Zeitabstand vom Zeitpunkt t0bis zum Zeitpunkt t1 liegt daher im µs-Be-reich. Von Bedeutung ist, dass bei dieseraktiven Schutzwand ein Signal erzeugtwerden kann, bevor eine Schädigung desbestrahlten Wandelements einsetzt. Obeine Beschädigung auftritt, ist weiterhinabhängig von der Bestrahlungsstärke unddem Zeitabstand t1 bis t2, also der Zeit-dauer des Abschaltens der Lasergeräte.Die Begrenzung der vorhersehbaren Maxi-malbestrahlung kann in den meisten Fäl-

len durch weitere Schutzmaßnahmen er-folgen. Eine solche Maßnahme wäre dieBeschränkung der Maschinenkinematik aufeinen eingeschränkten Arbeitsbereich.

Sollte ein Element dennoch zerstörtwerden, so wird das in jedem Fall, auch zueinem späteren Zeitpunkt, detektiert, dasich eine dauerhafte Änderung des Wider-standswerts einstellt. Die passive Kompo-nente jeder aktiven Laserschutzwandmuss so ausgelegt werden, dass die Ge-samtkonstruktion mindestens bis zumZeitpunkt t3 ein Austreten von Laserstrah-lung vollständig verhindert. In jedem Fallwird der passive Teil dieser aktiven Wandverglichen mit einer rein passiven Laser-schutzwand deutlich einfacher, leichterund damit kostengünstiger.

Die Herstellung eines solchen Wandele-ments kann durch unterschiedliche Ver-fahren erfolgen. Neben dem Kleben zweierMetallbleche konnten mit der Spritz- undder Lackiertechnik geeignete Verfahrenzur Herstellung erprobt werden. ■

Fazit: Günstige Einhausung,auch als Baukasten

Dank geringer Schichtdicken sind leich-te Wandelemente und komplizierte 3D-Geometrien mit Freiformflächen miteiner Gesamtfläche von bis zu 4 m2 her-stellbar. Damit ist es möglich, preis-günstige Einhausungen für Laseranla-gen oder Gehäuse mit einem anspre-chenden Design oder auch als einfachesund flexibles Baukastensystem zu rea-lisieren.

Strahlenschutz 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

2 Zeitabstände zur Gewährleistung der Lasersicherheit nach DIN EN 60825-4

DIN EN 60825-4

K O N TA K T

Dipl.-Ing. Jan Hannweber, Fraunhofer IWS Dresden,Tel. 03 51 /25 83 -3 60, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]

Dipl.-Ing. Stefan Kühn, Fraunhofer IWS Dresden,Tel. 03 51 /25 83 -4 28, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]


PATRICK HERWIG

Faserlaser können für den Bearbei-tungsprozess Leistungsdichten ober-halb 108 W/cm2 erzielen. Allerdingssind der vollen Nutzung dieses Potenzialsseitens der Systemtechnik derzeit nochGrenzen gesetzt. Beim Bearbeiten vonMetallen, vor allem von hochreflektieren-den wie Aluminium und Kupfer, kann einnennenswerter Teil der Strahlung in denLaser zurückreflektiert werden. So könnenan den Enden oder Verbindungen derLichtleitfaser Schäden entstehen (Bild 1).

Die Übertragungsfaser oder die aktiveLaserfaser werden durch die höhere Leis-tungsdichte in der Regel nicht beeinflusst.Die Faserenden sind umso mehr gefährdet,je dünner die Faser ist. Damit sind Laserhöherer Strahlqualität stärker betroffen.

Als gängige Praxis hat sich seitens derSystemanbieter die Forderung nach einemAnstellwinkel zur Bearbeitung stark re-flektierender Werkstoffe etabliert. Bei ei-nem Einstrahlwinkel von zirka 10° kann

der Rückreflex aus dem Strahlengang her-aus- und an der Fokussieroptik vorbeige-leitet werden. Allerdings gilt dies nur fürdie Reflexion an einem Festkörper. Sobaldim Fokusbereich eine Schmelze entsteht,

wird sich die Oberfläche der Schmelze de-formieren, sodass trotz der Schrägstellungdes Strahls optische Rückwirkungen aufdas Strahlführungssystem entstehen kön-nen.

Faserlaser sicher nutzen

in kritischen Prozessen

OPTISCHE DIODEN SCHÜTZEN STRAHLFÜHRUNG UND LASER GEGEN RÜCKREFLEXE AUS DER PROZESSZONE

Die Systemtechnik begrenzt das nutzbare Leistungs-

potenzial von Faserlasern, denn rückreflektierte

Laserstrahlung kann Schäden verursachen. Abhilfe

schaffen optische Dioden für linear und statistisch

polarisiertes Laserlicht.

Systemsicherheit3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

Aufbau einer optischenRückwirkungssperre

1 Kritische Punkte einer Rückreflexion bei der Bearbeitung hochreflektierender Werkstücke

Rückreflexion


Eine Lösung des Problems ist eine in dieFokussieroptik integrierte Rückwirkungs-sperre. Derartige Sperren sind allerdingsnur für polarisierte Laserstrahlung be-kannt. Bei unpolarisiertem Laserstrahlmuss dieser zunächst polarisiert werden.Anschließend ist auch dann der Aufbau ei-ner optischen Diode als Rückwirkungs-sperre möglich.

Optische Diode fürlinear polarisierte Laser

Als optische Dioden werden Systeme be-zeichnet, die den Rückreflex vom Bauteilgänzlich am Wiedereintritt in die Arbeits-faser hindern. Sie sind der elektrischenDiode in ihrem Übertragungsverhaltensehr ähnlich. Dabei dient ein polarisieren-der Strahlteilerwürfel als polarisationsab-hängige Weiche für den einfallenden undden reflektierten Strahl.

Für den Einsatz wird das Faserende aufparallel polarisierte Laserstrahlung jus-tiert, womit die Laserstrahlung den pola-

risierenden Strahlteilerwürfel gänzlich un-beeinflusst durchläuft. Auf dem Weg zurProzesszone wird diese parallel polari-sierte Laserstrahlung durch einen Zirkular-polarisator (λ/4-Platte) zu zirkular polari-sierter Strahlung verändert. Durch die Rück-reflexion am Bauteil und einen weiterenDurchgang durch den Zirkularpolarisatorwird erneut senkrecht polarisierte Laser-strahlung erzeugt, die nun allerdings um90° gedreht vorliegt. Somit kann derStrahlteilerwürfel seiner Funktion als Strahl-weiche gerecht werden und den Rückreflexauf einen Absorber reflektieren.

Diesem Grundgedanken folgten weitereAusbaustufen hinsichtlich der Mehrfach-

nutzung des reflektierten Strahls. Werdendie Rückwirkungen mithilfe eines Spiegelswieder auf das Werkstück zurückreflek-tiert, kann die Strahlungsintensität kurz-zeitig erheblich erhöht werden. Rückre-flexe treten beispielsweise beim Schwei-ßen oder Schneiden verstärkt dann auf,wenn der Bearbeitungsprozess instabilwird. Durch den Einsatz eines Spiegelskann der Prozess deutlich stabilisiert wer-den, wie Bild 2 zeigt. Allerdings ist dieseeinfache Lösung nur für linear polarisierteLaserstrahlung möglich.

Optische Diode fürstatistisch polarisierte Laser

Da die meisten Festkörperlaser statistischpolarisiert sind, wurde am Fraunhofer IWSauch eine Rückwirkungssperre für diese La-ser entwickelt (Bild 3 und Titelbild). Dabeiwird der statistisch polarisierte Laserstrahlmithilfe eines polarisierenden Strahlteiler-würfels in zwei linear polarisierte Strahlenaufgeteilt und jeweils über ein phasen-

Systemsicherheit 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

2 Schema des Strahlengangs und Schnittbilder für Schnitte mit Absorber (links) und Spiegel (rechts) bei sonst identischen Parametern (Schneiden vonKupfer, zirkular polarisierter Strahl, 500 W Laserleistung, vs = 5 m/min, 4 bar O2, rf = 30 mm)

Strahlengang I

V

K O N TA K T

Dipl.-Ing. Patrick Herwig, Fraunhofer IWS Dresden,Tel. 03 51 /25 83 -1 99, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]


Blick auf dieSchnittfuge

drehendes Element (Faradayrotator)um 45° verdreht und durch einen polarisie-renden Strahlteilerwürfel wieder zu einemStrahl vereint. Tritt nun ein Rückreflex derProzesszone auf, so durchläuft der Laser-strahl in umgekehrter Reihenfolge wieder

die optischen Bauelemente mit dem Unter-schied, dass die strahlteilenden Elementezusammenführend wirken und umgekehrt.Die Faradayrotatoren führen durch ein defi-niertes Magnetfeld eine weitere Verdrehungum 45° in räumlich gleichem Drehsinn aus,

womit die Laserstrahlen senkrecht zur ur-sprünglichen Polarisation den ersten Strahl-teilerwürfel erreichen. Somit ist eine Aus-kopplung aus dem Strahlengang auf einenAbsorber gewährleistet. ■

Fazit: Schutz beim Schneiden und Schweißen

Mit allen optischen Dioden sind Prozess-erprobungen im spezifischen Leistungsbe-reich sowohl beim Schneiden als auchbeim Schweißen erfolgt. Des Weiterensind die einzelnen optischen Elementeim Dauerversuch hinsichtlich der Zer-störschwellen getestet worden. Damitstehen optische Dioden zur Verfügung,welche im IWS als Schutzvorrichtung zurLaserbearbeitung erprobt werden. Zielder weitergehenden Arbeit ist es, die un-ter Laborbedingungen vielversprechen-den Lösungen in industrietaugliche dau-erlastfähige Systeme umzusetzen. Dabeiist es eine Kernaufgabe, die Leistungs-verluste von bis zu 10 Prozent zu senkenund das System in thermischer Hinsichtzu stabilisieren.

Systemsicherheit3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

3 Schema für statistisch polarisierte Laser

Strahlengang II

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Mikromaterialbearbeitung 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

STEFAN NOLTE, ANTONIO ANCONAKATJA RADEMAKER

FABIAN RÖSER, JENS LIMPERTANDREAS TÜNNERMANN

Lasertechniken zur Mikromaterialbear-beitung eröffnen der Industrie Möglich-keiten zur effizienten und flexiblenFertigung. Dazu werden vornehmlich Lasermit Pulslängen von Nano- bis Mikrosekunden(CO2-, Nd:YAG- oder Excimer-Laser) verwen-det. Beim Abtrag mit diesen Pulsdauern tre-ten in metallischen Werkstoffen Gefügever-änderungen und Schmelzbildung im Bereicheiniger Mikrometer auf. Den künftigen An-forderungen an noch höhere Präzision kön-nen diese etablierten Fertigungstechnikendamit nicht mehr entsprechen. Hier eröffnetder Einsatz ultrakurzgepulster Laserstrahlungmit Pulsdauern von einigen 100 Femtosekun-den bis zu wenigen Pikosekunden die Mög-lichkeit, anwendungsrelevante, nachbear-beitungsfreie Bohrgeometrien zu realisieren.

Thermische und mechanische Schädi-gungen (Aufschmelzen, Gefügeveränderun-

gen, Rissbildungen oder Versetzungen)können hier praktisch vermieden werden[1-3]. Die erforderlichen Lochgeometrienlassen sich mit Trepanierverfahren sowiedurch eine Polarisationskontrolle des La-sers etc. erreichen [4,5]. Allerdings sinddie Prozesszeiten von Mikropräzisionsboh-rungen mit den bisherigen, kommerziellverfügbaren Lasersystemen für industriellrelevante Fertigungsprozesse zu lang.

Dank neuer Entwicklungen bei denUltrakurzpulslasern sind jetzt Systeme mitsignifikant gesteigerten mittleren Leistun-gen verfügbar. So konnte jüngst ein V

1 Ultrakurzpulsfaserlaserverstärker-CPA-Sys-tem mit mittleren Leistungen von 100 W beiPulsenergien bis zu 1 mJ, Pulsdauern unterhalbvon 1 ps und Pulswiederholraten bis zu 1 MHz

Ultrakurz und ultrafeinHOCHPRÄZISE MIKROMATERIALBEARBEITUNG MIT LEISTUNGSSTARKEN ULTRAKURZPULS-FASERLASERN

Gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen von einigen 100

Femtosekunden bis zu wenigen Pikosekunden ermöglicht

nachbearbeitungsfreie Bohrgeometrien. Verbesserte mittlere

Laserleistungen verkürzen die Prozesszeiten jetzt auf indus-

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Prof. Dr. Andreas Tünnermann,Fraunhofer IOF Jena,Tel. 0 36 41 /8 07 -2 01, Fax 0 36 41 /8 07 -6 00,[email protected]

Prof. Dr. Stefan Nolte,Friedrich-Schiller-Universität Jena,Tel. 0 36 41 /94 78 20, Fax 0 36 41 /94 78 02,[email protected]

Mikromaterialbearbeitung3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

Faserlaser-Chirped-Pulse-Amplifica-tion- (CPA-) Verstärkersystem mit einermittleren Leistung von 90 W bei 1 MHzPulswiederholrate und einer Pulslänge von~ 500 fs demonstriert werden [6]. Weiter-gehende Verbesserungen wie die Imple-mentierung von Fasern neuartigen Designsermöglichen sogar die Erzeugung von Puls-energien bis zu 1 mJ [7]. Dieser Artikel berichtet erstmals über Mikromaterialbear-beitungsuntersuchungen in dem für indus-trielle Anwendungen relevanten Parame-terbereich bis zu Pulswiederholraten von1 MHz.

Experimentelle Umsetzung

Der verwendete Ultrakurzpuls-CPA-Laser(Bild 1) basiert auf einem Ytterbium-do-tierten Faserlasersystem, welches Puls-energien bis 1 mJ oberhalb von 100 kHzPulswiederholrate bei einer Wellenlängevon 1030 nm zur Verfügung stellen kann[7]. Der Laser besteht aus einem passiv-modengekoppelten Yb:KGW-Oszillator, ei-ner dielektrischen Strecker-Kompressor-Gittereinheit, einem akustooptischen Mo-dulator zur Pulsselektion sowie zweiYtterbium-dotierten Photonischen Kris-tallfasern als Verstärkerelementen. ImRahmen der Experimente wurde die Puls-wiederholrate zwischen 25 kHz und 1 MHzbei Pulsenergien von 30 bis 70 µJ und~ 800 fs komprimierter Pulslänge, alsomittleren Leistungen bis zu 70 W, variiert.Mit diesem Lasersystem wurden Perkus-sions- und Trepanierbohrungen in den me-

tallischen Werkstoffen Stahl (Fe/Cr18Ni10,Härtegrad: geglüht) und Kupfer (Rein-heitsgrad 99,9 Prozent) durchgeführt.

Für die Perkussionsbohrungen wurdenzirkular polarisierte Laserpulse mit einerasphärischen Linse (f = 25 mm) auf dieProbenoberfläche fokussiert, während dieTrepanierbohrungen mit einer galvanome-trischen Scannereinheit (Scanlab) mit ei-ner F-Theta-Linse (f = 80 mm) erzeugtwurden. Alle Experimente sind in norma-ler Atmosphäre ohne einen Bearbeitungs-kopf und ohne Schutzgas vorgenommenworden. Exakte Messungen der Bohrzeiten

erfolgten mittels Detektion der durch dasBohrloch transmittierten Laserstrahlungmithilfe schneller Fotodioden. Die reali-sierten Bohrlöcher wurden mithilfe einesRasterelektronenmikroskops auf Form,Grad und Ablationsrückstände hin unter-sucht.

Ergebnisse für Stahl und Kupfer

Aufgrund der technologischen Bedeu-tung wurden zunächst Perkussionsboh-rungen in Stahl erzeugt. Die zum Durch-bohren benötigte Zeit ist beispielhaft alsFunktion der Pulswiederholrate für Stahl-proben der Dicke 0,5 und 1 mm in Bild 2zusammengefasst. Dabei wurde einePulsenergie von 70 µJ auf die Probe fo-kussiert. Jeder Datenpunkt entspricht ei-nem Mittelwert aus mindestens zehnBohrungen. Die Fehlerbalken entspre-chen den statistischen Schwankungen.Aus der Grafik lässt sich deutlich erken-nen, dass die Zeit zum Durchbohren derProben von einigen Sekunden bei Puls-wiederholraten von einigen Kilohertz bisauf wenige Millisekunden bei Pulswieder-holraten > 500 kHz sinkt. Diese Prozess-zeiten ermöglichen industrierelevanteTaktzeiten.

Neben Stahl wurde Kupfer als Werkstofffür weitere Untersuchungen ausgewählt,da eine hochpräzise Mikrostrukturierungohne Wärmeeinflusszonen hier aufgrundder sehr hohen Wärmeleitfähigkeit fürkonventionelle Laser mit langen Pulsdau-

2 Metallischer Werkstoff Stahl (Fe/Cr18Ni10) mit 0,5 und 1 mm Dicke: DieZeit zum Durchbohren der Proben lässt einen deutlichen Abfall mit stei-gender Repetitionsrate bis in den ms-Bereich erkennen (Laserparameter:Pulsenergie 70 µJ, Pulsdauer ~ 800 fs, Wellenlänge 1030 nm)

Durchbohrzeit I

3 Metallischer Werkstoff Kupfer mit 0,5 mm Dicke: Die Zeit zum Durch-bohren der Probe in Abhängigkeit von der Pulswiederholrate, gemessenfür drei verschiedene Pulsenergien, zeigt eine deutliche Verminderungder Prozesszeit bei hohen Pulswiederholraten (Laserparameter: Pulsener-gie 30, 50 und 70 µJ, Pulsdauer ~ 800 fs, Wellenlänge 1030 nm)

Durchbohrzeit II

4 Ultraschnelle Mikromaterialbearbeitung mitdem Trepanierverfahren am metallischen Werk-stoff Kupfer (Dicke 0,5 mm). Die Zeit zum Durch-bohren liegt bei 75 ms aufgrund der hohen Puls-wiederholrate von 1 MHz. Thermische undmechanische Einflüsse können dennoch ver-mieden werden (Laserparameter: Pulswieder-holrate 1 MHz, Pulslänge ~ 800 fs, Pulsenergie50 µJ, Trepanierradius 75 µm)


V

ern besonders problematisch ist. Exempla-risch sind in Bild 3 die Zeiten zum Durch-bohren für eine Kupferprobe der Dicke0,5 mm in Abhängigkeit der Pulswieder-holrate für drei verschiedene Pulsenergien(30, 50 und 70 µJ) dargestellt. Eine deut-liche Verminderung der Prozesszeiten bishin zu wenigen Millisekunden bei hohenPulswiederholraten ist auch hier eindeutigerkennbar.

Um qualitativ sehr hochwertige Boh-rungen zu erzeugen, muss jedoch statt derPerkussion ein Trepanierverfahren einge-setzt werden. Aufgrund der hohen Puls-wiederholraten wurde dazu ein schnellesScannersystem eingesetzt. Die Untersu-chungen belegen, dass sich gratfreie Boh-rungen praktisch rückstandsfrei bis zu denhöchsten Pulswiederholraten erzeugenlassen. Beispielhaft zeigt Bild 4 die Ras-terelektronenmikroskopaufnahme einestrepanierten Lochs in einer 0,5 mm dickenKupferprobe, wobei aufgrund der Puls-wiederholrate von 1 MHz eine Durchbohr-zeit von 75 ms realisiert werden konnte.Eine Nachbearbeitung des Lochs kann hierentfallen. ■

Fazit: Für die Industrierelevante Prozesszeiten

Erstmals wurden Untersuchungen zurMikromaterialbearbeitung mit Ultra-kurzpulslasern in dem für industrielleAnwendungen relevanten Parameterbe-reich bis zu Pulswiederholraten von1 MHz durchgeführt. Hochwertige Mikro-präzisionsbohrungen in metallischenWerkstoffen wurden mit Bearbeitungs-zeiten bis weit unterhalb von 1 s für Ma-terialstärken bis 1 mm realisiert. Diesmacht eine Umsetzung der Ergebnisse inindustrielle Fertigungsprozesse nicht nurvom Standpunkt der erreichbaren Präzi-sion und Qualität, sondern auch hin-sichtlich der Prozesszeiten interessant.

Diese Untersuchung wurde durch das Bundesministe-

rium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des

Projekts 13 N 8579 und von der Deutschen Forschungs-

gemeinschaft (DFG) im Rahmen des Gottfried-Wilhelm-

Leibniz-Programms gefördert.

LITERATUR1 B.N. Chichkov, C. Momma, S. Nolte, F. von Alvensle-

ben, A. Tünnermann: ›Femtosecond, picosecond and

nanosecond laser ablation of solids‹; Appl. Phys. A

63 (1996), S. 109–115

2 M. Willert: ›Strukturierung von metallischen Werk-

stoffen mit Laserstrahlung unter Vermeidung von

Gefügeveränderungen‹; Dissertation, Physikalisch-

Astronomische Fakultät der Friedrich-Schiller-Uni-

versität Jena (2003)

3 G. Kamlage, T. Bauer, A. Ostendorf, B.N. Chichkov:

›Deep drilling of metals by femtosecond laser pul-

ses‹; Appl. Phys. A 77 (2003), S. 307–310

4 F. Dausinger, F. Lichtner, H. Lubatschowski (Eds.):

›Femtosecond Technology for Technical and medical

applications‹; Topics in Applied Physics 96, Springer

Verlag, Berlin 2004

5 S. Nolte, C. Momma, G. Kamlage, A. Ostendorf, C.

Fallnich, F. von Alvensleben, H. Welling: ›Polariza-

tion effects in ultrashort-pulse laser drilling‹; Appl.

Phys. A 68 (1999), S. 563–567

6 F. Röser, D.N. Schimpf, O. Schmidt, B. Ortac, K. Ra-

demaker, J. Limpert, A. Tünnermann: ›90 W average

power 100 µJ energy femtosecond fiber chirped-

pulse amplification system‹; Opt. Lett. 32 (2007), S.

2230–2232

7 F. Röser, T. Eidam, J. Rothhardt, O. Schmidt, D.N.

Schimpf, J. Limpert, A. Tünnermann: ›Millijoule pulse

energy high repetition rate femtosecond fiber CPA-sys-

tem‹; akzeptiert für die Publikation in Optics Letters

Mikromaterialbearbeitung 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik ist eines von

58 Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft. Als eine führende Organisation für

angewandte Forschung in Europa bietet sie Führungspersönlichkeiten ein ho-

hes Maß an Verantwortung und Gestaltungsspielraum in dem herausfordern-

den Umfeld von Wirtschaft, Wissenschaft und Forschungspolitik.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden sucht zum nächst-möglichen Zeitpunkt

Der/die zukünftige Abteilungsleiter/in ist verantwortlich für die inhaltliche Profilierung und Darstel-

lung der Abteilung und die darauf ausgerichtete Qualifizierung seiner/ihrer Mitarbeiter. Er/sie koordi-

niert und leitet die F&E-Vorhaben seiner/ihrer Abteilung und kontrolliert die personellen und finan-

ziellen Ressourcen. Gemeinsam mit der Institutsleitung wirkt er/sie an der inhaltlichen Ausgestaltung

des Institutes, seiner Darstellung nach außen und der Akquisition von nationalen und internationalen

Forschungsprojekten bei Unternehmen und öffentlichen Projektträgern mit.

Die Voraussetzungen für die Übernahme dieser Position sind ein abgeschlossenes wissenschaftliches

Hochschulstudium in der Fachrichtung Physik, Elektrotechnik, Maschinenwesen oder Werkstofftechnik

sowie fundierte Kenntnisse im Bereich der Lasertechnik /-materialbearbeitung bzw. im Bereich des Ther-

mischen Beschichtens. Eine Promotion ist erwünscht. Idealerweise besitzen Sie Erfahrungen in der Ak-

quisition von Aufträgen und Forschungsprojekten sowie in der Leitung interdisziplinär zusammenge-

setzter Forschungsgruppen.

Anstellung, Vergütung und Sozialleistungen richten sich nach dem Tarifvertrag für den öffentlichen

Dienst (TVöD Bund).

Bitte richten Sie Ihre schriftliche Bewerbung mit allen wichtigen Unterlagen unter Angabe der oben ge-

nannten Kennziffer an: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden, Personal-

stelle, Winterbergstraße 28, D-01277 Dresden. Fragen zu dieser Position beantwortet gern:

Herr Prof. Dr. Eckhard Beyer, Telefon: +49 (0) 351 2583-420. www.iws.fraunhofer.de


eine/n Abteilungsleiter/in.für die Leitung der Abteilung Laserabtragen und Trennen(Kennziffer IWS-2007-5)Arbeitsschwerpunkte der Abteilung sind u.a. die Lasersystem- und -anlagentechnik,insbesondere auch die Scannertechnik, dasLaserstrahlschneiden und Abtragen sowiedas Laserreinigen und die Mikrobearbeitung.

eine/n Abteilungsleiter/in.für die Leitung der Abteilung Thermisches Beschichten(Kennziffer IWS-2008-1)Arbeitsschwerpunkte der Abteilungsind das Thermische Spritzen sowiedas Laser- und Plasma-Pulver-Auf-tragschweißen.

Lasertrennen3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


THOMAS HIMMERMATTHIAS LÜTKE

Innerhalb der Lasermaterialbearbei-tung bildet das Laserstrahlschneideneines der größten Anwendungsfelder.Die hohe Strahlqualität, hohe Leistungs-dichten und hoher Absorptionsgrad er-möglichen das Trennen von Werkstoffenmit großen Schneidgeschwindigkeiten un-ter Einhaltung der erforderlichen Quali-tätsansprüche.

Bei der Bereitstellung der genanntenEigenschaften bietet der Faserlaser der-zeit das größte Potenzial. Mit Leistungenim Multi-kW-Bereich bei Strahlqualitätenbesser als 2,5 mm mrad ergeben sich fürden Laser neue Möglichkeiten und Anwen-dungsfelder innerhalb der Materialbear-beitung.

Bei der Feinblechbearbeitung sind Trenn-geschwindigkeiten erreichbar, die selbsthochdynamische Schneidanlagen mit Li-neardirektantrieben im Konturschnittnicht erreichen. Am Fraunhofer IWS konn-

te nachgewiesen werden, dass Elektro-blech der Dicke 0,5 mm bei Einhaltung ho-her Qualitätsansprüche mit 100 m/mintrennbar ist. Gegenüber dem CO2-Laserkann der Faserlaser bei gleicher Laserleis-tung mehr als die doppelte Trennge-schwindigkeit erreichen.

Remote–Laserstrahlschneidenvon Feinblechen

Die Herausforderung für künftige indus-trielle Anwendungen ist die Umsetzungdieser hohen Trenngeschwindigkeitenbeim Schneiden beliebiger Konturen. ImIdealfall entspricht die effektive Schneid-

geschwindigkeit beim Erzeugen einer Kon-tur der Trenngeschwindigkeit im geradenSchnitt des jeweiligen Werkstoffs. Beikomplizierten Konturen liegt sie derzeitmit zirka 20 m/min jedoch deutlich unter-halb der möglichen Trenngeschwindigkei-ten von bis zu 100 m/min (vorausgesetzt,Schneidanlagen mit Linearantrieben wer-den eingesetzt). Mit konventionellen Line-arschneidanlagen sinkt die effektive Kon-turgeschwindigkeit aufgrund des limitier-ten Beschleunigungsvermögens weiter.

Um die effektive Konturgeschwindig-keit zu erhöhen, untersucht und entwi-ckelt das Fraunhofer IWS ein neues Bear-beitungsverfahren, das sogenannte Re-mote-Laserstrahlschneiden. Dabei erfolgtdie Bewegung des Laserstrahls über hoch-dynamische Scanner. Wegen des großenAbstands zwischen Scanner und Werkstückbewirken kleine Auslenkungen im Strahl-ablenksystem große Auslenkungen amWerkstück. Aufgrund dieses Übersetzungs-verhältnisses und der relativ kleinen beweg-ten Massen sind hohe Konturgeschwindig-

Exzellente SchnitteFEIN- UND DICKBLECHE SCHNEIDEN MIT DEM FASERLASER

Strahlqualität, Leistung, Absorptionsgrad – diese Eigenschaften beeinflussen die Bearbeitung

von Werkstoffen mit Lasern maßgeblich. Faserlaser trennen Feinbleche mit hohen Kontur-

geschwindigkeiten und erreichen bei Dickblechen beste Schnittkantenqualität.

K O N TA K T

Dr. Thomas Himmer, Fraunhofer IWS Dresden,Tel. 03 51 /25 83 -2 38, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]

keiten am Werkstück möglich. Das Materialwird in der Schnittfuge ohne Schneidgas-unterstützung abgetragen. Die Grundlagendes Prozesses sind demzufolge eher in denklassischen Abtragprozessen zu suchen.

Um das Potenzial der Remote-Bearbei-tung zu demonstrieren, wurde in unter-schiedlichen Blechstärken aus Edelstahleine Lochmatrix aus 100 Kreisen mit demDurchmesser 6,5 mm geschnitten. Die Be-arbeitungszeit für diese Lochmatrix liegtbei der derzeit trennbaren Blechdicke von0,2 mm unter 3 s. Bezogen auf die Schnitt-länge ergibt sich daraus eine effektiveKonturgeschwindigkeit von über 60 m min-1.Blechdicken von 0,05 mm können bereitsmit mehr als 100 m min-1 getrennt wer-den. Dabei ist eine gratfreie Schnittqua-lität bei einer Kreisformgenauigkeit besserals 0,1 mm erreichbar.

Faserlasereinsatzbeim Dickblechschneiden

Auch für das Laserstrahlschneiden dick-wandiger Bauteile ergeben sich mit demFaserlaser neue Möglichkeiten. Die gerin-gere Wellenlänge der Faserlaser ermög-licht eine bessere Fokussierbarkeit undhöhere Absorption an Metallen; damitwerden größere Eindringtiefen und letzt-lich größere Schnittgeschwindigkeiten re-alisiert. Vor allem Blechstärken unter6 mm können mit dem Faserlaser um einVielfaches schneller geschnitten werden(Bild 1).

Für einen sicheren Schneidprozess zumErzeugen hochwertiger Schnittkanten istes notwendig, die richtige Kombination

der Parameter Fokuslage, Druck, Schneid-geschwindigkeit, Düsenöffnung, Düsenab-stand und Düsengeometrie zu ermitteln.Für das Schmelzschneiden von Edelstahlmit Faserlasern konnte am Fraunhofer IWSDresden mithilfe von statistischer Ver-suchsplanung unter Variation mehrererParameter gleichzeitig mit wenigen Versu-chen der Zusammenhang zwischen denfreien Parametern gefunden werden. Eswurde festgestellt, dass es in Abhängig-keit von den Parametern Fokuslage undSchneidgasdruck ein Optimum für die er-reichbare Schneidgeschwindigkeit gibt. Zuhoher Druck, zu tiefe Fokuslage oder einezu hohe Schneidgeschwindigkeit führenzu Plasmabildung im Schnittspalt und da-mit zu einer Verschlechterung des Schneid-ergebnisses. Größere Düsenöffnungen ha-

ben im Allgemeinen geringere Bartanhaf-tungen zur Folge. Die Separationsliniekann durch Veränderung der Fokuslage be-einflusst und mittels Optimierung der Dü-senöffnung vollständig eliminiert werden.

Die Verbesserung der Systemtechnik,im speziellen Fall die Optimierung derSchneiddüsengeometrien, ermöglicht dieVerringerung der Schnittkantenrauheitund die Herstellung qualitativ hochwerti-ger Konturschnitte. Mithilfe von optimier-ten Prozessparametern ist bei fast allenMaterialien die gleiche Qualität derSchnittkanten wie mit dem CO2-Laser er-reichbar. Beim Schneiden von Edelstahlkönnen bis zu einer Blechstärke von 15 mmgratfreie Konturschnitte mit gleichmäßigerRiefenstruktur erzeugt werden (Bild 2).Die Rauigkeiten der Schnittkanten liegenbei Rz = 45 µm. ■

Fazit: Künftig deutlich bessere Schnittkanten

Das Parameterfenster für einen gutenSchnitt ist extrem klein. Die weitereOptimierung der Prozessparameter undder Systemtechnik wird in Zukunft einedeutlich bessere Schnittkantenqua-lität gestatten. Mit ihrer exzellentenSchneidleistung und -qualität sowie ih-rer hohen Effizienz sind Faserlaser fürdas Laserstrahlschneiden metallischerMaterialien mehr als eine Alternativezum bisher favorisierten CO2-Laser.

Lasertrennen 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


2 Schnittkantenqualität von Edelstahlblechunterschiedlicher Dicke nach dem Schneidenmit Faserlaser (Blechdicke 4 bis 15 mm)

1 Zusammenhangzwischen Schnitt-geschwindigkeitund Material-stärke für unter-schiedliche Lasertypen und -leistungen

Schnittgeschwindigkeit

Laserfügen3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


GUNTHER GÖBELJENS STANDFUSS

BERNDT BRENNER

Nahttiefen in Abhängigkeit von derGeschwindigkeit zeigt Bild 1 – diesegeben einen Richtwert, wie groß diezu verschweißende Wandstärke sein darf,wenn im I-Stoß geschweißt wird. Deutlichsichtbar ist, dass die hohe Strahlqualität desFaserlasers die erreichbare Nahttiefe signifi-kant steigert. So sind bis zu 10 mm Anbin-dung bei 4 kW problemlos möglich.

Ist jedoch aus metallurgischen odergeometrischen Gründen (Spalt) die Zu-gabe von Schweißzusatzwerkstoff (SZW)für die Applikation erforderlich, verringertsich auf den ersten Blick der Vorteil derhohen Strahlqualität, da sich die theore-tisch erreichbare geringe Nahtbreite nunnicht mehr voll ausnutzen lässt. Stattdes-sen muss auch die Geometrie der Nahtvor-

bereitung (V- beziehungsweise Y-Nahtoder Ähnliches) bei der angestrebtenNahtform beachtet werden. Aber auch indiesem Fall wird deutlich, dass eine hoheStrahlqualität neue Möglichkeiten bietet,konkret beim Verschweißen tieferer Quer-schnitte mittels Mehrlagenschweißen(siehe INFO-Kasten).

Bild 2 zeigt den Querschnitt einerMehrlagenschweißung bei einer Blechdi-cke von 20 mm. Wie man sieht, konnte dashohe Aspektverhältnis von Nahttiefe zuNahtbreite, das vom Einzellagenschwei-ßen bekannt ist, auch in diesem Fall bei-behalten werden. Der Gesamtöffnungs-winkel der Fuge (Y-Konfiguration) betrug7°, der Stumpfstoßanteil im Wurzelbe-reich hatte eine Höhe von 5 mm.

Grundsätzlich kann damit gezeigt wer-den, dass sich durch Einsatz einer hohenStrahlqualität die postulierten Vorteiledes Mehrlagen-Laserstrahlschweißens,

also geringer Wärmeeintrag, Verzug undZusatzwerkstoffverbrauch, tatsächlich ineinem derartigen Szenario mit 20 mmBlechdicke und nur 4 kW Laserleistung re-alisieren lassen.

Ziel der Untersuchungen war es auch,zu prüfen, ob auf eine Reinigung der Fü-gezone zwischen den Einzellagen verzich-tet werden kann. Hier zeigte sich, dass beiungereinigten Nähten Bindefehler auftre-ten können. Diese resultieren aus Oxid-/Zunderschichten, die sich während derHerstellung der ersten Lagen an den Sei-

K O N TA K T

Dipl.-Ing. Gunther Göbel, Fraunhofer IWS Dresden,Tel. 03 51 /25 83 -2 11, Fax 03 51 /25 83 -3 00,[email protected]

Engspaltschweißen mit hohem Aspektverhältnis

SCHNELLER UND TIEFER SCHWEISSEN MIT DEM FASERLASER

Welche neuen Möglichkeiten eröffnet die Strahlqualität der neuen Laserstrahlquellengenera-

tion? Diese Frage lässt sich – zumindest für das Schweißen von Bauteilen mit größeren Wand-

stärken – auf den ersten Blick einfach beantworten: Es kann schneller und tiefer geschweißt

werden.

tenwänden niederschlagen und in den Fol-

gelagen ein vollständiges Einschmelzender Seitenwände erschweren. Je größerder Abstand des mittig in der Fuge ste-henden Laserstrahls also zu den Seiten-wänden ist, um so kritischer wird die Ener-giezufuhr dorthin, und die Bindefehlerge-fahr erhöht sich.

Weiterhin wird mit zunehmender Naht-tiefe die Zuführung des SZW ungenauer, dadie außerhalb der Fuge stehende Düse nur

noch die Richtung vorgibt. Die tatsächli-

che Position des Drahtendes relativ zumBrennpunkt wird mehr und mehr durch(undefinierte) Krümmungen des freienDrahtendes verändert. Erleichternd wirkenhier zwar die oben diskutierten sehr engenFügespalte bei einem Faserlasereinsatz,welche die laterale Führung des Drahts imSpalt verbessern. Die vertikale Position istweiterhin kritisch, bei zu hoch stehendemDraht kann somit das Drahtende am Laser

›vorbeilaufen‹, was Nahtfehler verursacht.Eine Methode zur sicheren Vermeidung die-ser Probleme ist daher notwendig.

Lösungsweg: Einsatzeiner Strahlablenkoptik

Wird der Strahl gezielt quer zur Schweiß-richtung abgelenkt, verbessert sich die Pro-zessfähigkeit signifikant, und die eben

Laserfügen 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


Das Mehrlagen-Laserstrahlschweißen oder Engspaltschwei-ßen hat den Vorteil, dass die vom Einzellagenverfahren herbekannte Nahttiefe gesteigert wird, ohne die Laserleistungund damit die Investitionskosten zu erhöhen. Dazu werden –ähnlich zu konventionellen Mehrlagenverfahren – mehrereSchweißlagen übereinandergelegt. Im Vergleich zu herkömm-lichen Schweißverfahren ist die Investitionssumme für dieSchweißenergiequelle zwar immer noch um mehr als eine Grö-ßenordnung höher; die deutlich verringerten Energieeinträge,die Automatisierbarkeit und die in der Regel höheren nomi-nellen Schweißgeschwindigkeiten des Lasers eröffnen jedochviele ökonomisch sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten.

Gegenüber den Laser-Hybrid-Verfahren ist neben der deutlicheinfacheren Prozesseinrichtung (nur eine Energiequelle) derverringerte Winkelverzug der Nähte zu erwähnen, da die Hybrid-typischen sehr breiten Oberraupen vermieden werden. Im Ver-gleich zum Elektronenstrahlschweißen wirkt sich der deutlichvereinfachte Prozessaufbau (keine Vakuumkammer) und derWegfall von Entmagnetisierungsschritten bei Stählen positiv

aus. Erfolgt die Drahtzuführung über eine Düse, die außerhalbder Schweißnahtfuge steht, kann auch die Breite der Fuge be-ziehungsweise ihr Öffnungswinkel stark eingegrenzt werden.

Beim Einsatz eines Lasers mit sehr hoher Strahlqualitätkommt es dem Anwender zugute, dass sich mittels geeigne-ter Optik die Divergenz des fokussierten Strahls bei gleich-wohl kleinem Fokusdurchmesser drastisch reduzieren lässt.Der Querschnitt des Strahls oberhalb des Brennflecks wird da-mit verkleinert. Bei der Nahtvorbereitung kann folglich derFlankenwinkel der Schweißnahtfuge deutlich steiler gewähltwerden. Wie eine Vergleichsrechnung in Tabelle A zeigt, sinktbei faserlasertypischen Optiken der Strahldurchmesser an derOberkante der Fuge so weit, dass er selbst für 40 mm tiefe Fu-gen noch im Bereich des Zusatzdrahtdurchmessers liegt. DieNahtvorbereitung hinsichtlich der Fugenbreite ist damit nichtmehr vom Querschnitt des Laserstrahls abhängig, wie diesbisher, etwa bei Nd:YAG-Lasern, der Fall war. Bereits der zurDrahtzuführung benötigte Spalt reicht für die Einbringungdes Faserlaserstrahls aus, siehe Tabelle A.

INFO

1 Vergleich der Einschweißtiefe verschiedener Laserstrahlquellen mit ihren bauartbedingten unter-schiedlichen Strahlqualitäten

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20

Schweißgeschwindigkeit vs [m/min]

Eins

chw

eißt

iefe

ts [

mm

]

Faser (50 μm) SPP: 2,0 mm*mrad

Scheibe (200 μm) SPP: 8,8 mm*mrad

Nd:YAG (600 μm) SPP: 25 mm*mrad

Material: Baustahl

Laserleistung: 4 kW Material: Baustahl Laserleistung: 4 kW

Einschweißtiefe

2 Beispielnaht einer faserlasergeschweißtenMehrlagen-Schweißnaht, Dicke: 20 mm, Laser-leistung: 4 kW, Anzahl Lagen: 4, Schweißge-schwindigkeiten: Wurzellage 1,2 m/min, Füll-lagen 0,6 m/min

Grundlagen des Laserstrahl-Mehrlagenschweißens

V

genannten Probleme können bekämpftwerden: Die Verweildauer des Laserstrahlsquer zur Schweißrichtung kann nun einge-stellt werden, sodass die Spaltkanten direktaufgeschmolzen werden, was Bindefehlervermeidet. Auch das normalerweise durchdie Konvektion bestimmte V-förmigeSchmelzbadprofil kann nun durch gezielteEinstellung der Energieverteilung beein-flusst werden. Zusätzlich wird die Zufüh-rung des SZW stabilisiert, da der schnell be-wegte Strahl den Zusatzdraht auch danntrifft, wenn dieser nicht ideal in der Naht-mitte läuft.

Die Möglichkeiten einer Strahlablen-kung werden ebenfalls durch den Einsatzeines Lasers mit hoher Strahlqualität er-weitert: Mit steigender Strahlqualität

sinkt der Rohstrahldurchmesser, der zumErreichen einer bestimmten Brennfleck-größe erforderlich ist (siehe Tabelle A).Kleinere Rohstrahldurchmesser wiede-rum ermöglichen kleinere und damitschneller bewegbare Strahl-Ablenkspie-gel. Eine Adaption der Auslenkung desStrahls erlaubt hier zum einen eine An-passung an die sich ändernde Fugen-breite mit zunehmender Lagenanzahl,aber auch einen Ausgleich von ferti-gungstoleranzbedingten Änderungen derFügespaltbreite.

Ergebnisse im Überblick

Versuche mit einem 4-kW-Faserlaser (Strahl-parameterprodukt < 2 mm mrad) an Bau-

Laserfügen3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


Typ Nd:YAG-Laser Faserlaser

Wellenlänge 1064 nm 1070 nm

Strahlqualität 25 mm mrad ≤ 2 mm mrad

Typische Kollimationsbrennweite 200 mm 90 mm

Rohstrahldurchmesser 30 mm 10 mm

Typische Fokussierbrennweite 250 mm 500 mm

Brennfleckdurchmesser 0,75 mm 0,31 mm

Strahldurchmesser in 20 mm Höhe über Brennfleck 2,77 mm 0,53 mm

Strahldurchmesser in 40 mm Höhe über Brennfleck 5,38 mm 0,93 mm

A Vergleich der Strahlquerschnitte oberhalb des Fokuspunkts als Ausgangspunkt für eine laser-strahlgerechte Fugengeometrie beim Laserstrahl-Mehrlagenschweißen

V

4 Bildsequenz einer Hochgeschwindigkeitsaufnahme der SZW-Zufuhr bei pendelndemLaserstrahl,das Drahtende wird durch den vorbeilaufenden Laser tropfenweise ›portioniert‹ abgeschmolzen(›Sprühprozess‹), was die Reproduzierbarkeit der Zuführung erhöht

stahlproben mit Nahttiefen zwischen 20und 45 mm zeigen, dass der Gesamtöff-nungswinkel des Spalts auf unter 7° redu-ziert werden kann, siehe Bild 3. Auch dieAnpassung der Energieverteilung an dieFugenbreite war realisierbar, siehe Detailin Bild 3. An der Fugenwand abgelagerteOxid- oder Zunderschichten wurden da-durch direkt aufgeschmolzen.

Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmenhaben weiterhin gezeigt, dass mittelsStrahloszillation eine vertikale Fehlposi-tion des Drahts unkritisch wird: Bei zuhoch eingestelltem Draht kann diesernicht am Prozess vorbeilaufen. Das Draht-ende wird stattdessen automatisch vomquerpendelnden Strahl ›portioniert‹; esentsteht quasi ein Sprühprozess, sieheBild 4. Die Größe der Tropfen ist dabeiüber das Verhältnis von Ablenkfrequenzund Drahtvorschub direkt einstellbar. ■

Fazit: Effizienter schweißen

Die Kombination aus Faserlaser, Strahl-oszillation und Engspalt verbessert dieEffektivität und Prozessfähigkeit beimSchweißen von großen Anbindequer-schnitten im Mehrlagenverfahren. Da-mit ist es möglich, Nähte mit hohen As-pektverhältnissen auch bei Nahttiefen> 20 mm zu erreichen.

Ein zusätzlicher Vorteil ist der hoheWirkungsgrad eines Faserlasers, waseine mobile Anwendung dieser Techno-logie erlaubt, da eine mobile Kühlungim genannten Leistungsbereich (4 kW)problemlos möglich ist.

Laserfügen 3. WORKSHOP ›FASERLASER‹ 2007


I M P R E S S U M

3 Beispielnaht mit 45 mm Nahttiefe zur Demons-tration der Möglichkeiten einer Kombination ausMehrlagenschweißen und einer schnellen Strahl-ablenkung. Material: Baustahl, Laserleistung:4 kW, Anzahl Lagen: 15, Schweißgeschwindig-keiten: Wurzellage 1,2 m/min, Fülllagen 0,4 m/min

PERSONEN | FIRMEN | INSERENTEN

PERSONENAncona, Antonio 15Böhme, Steffen 4Brenner, Berndt 20Eberhardt, Ramona 4Eschrich, Tina 4Gnann, Rüdiger 8Göbel, Gunther 20Hannweber, Jan 10Himmer, Thomas 18Klotzbach, Annett 8Kühn, Stefan 10Limpert, Jens 15Lütke, Matthias 18Morgenthal, Lothar 8Nolte, Stefan 15

Rademaker, Katja 15Röser, Fabian 15Schreiber, Thomas 4Standfuss, Jens 20Techel, Anja 2Tünnermann, Andreas 4, 15Wirth, Christian 4

FIRMEN + INSERENTENArnold GmbH & Co. KG Ravensburg 23Fraunhofer-Institut für

Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden 3, 17

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 3

Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München 14

Newport Spectra-Physik GmbH, Darmstadt 24

Primes GmbH, Pfungstadt 17Scanlab 16SITEC Industrietechnologie

GmbH, Chemnitz 15Vytran 6

SCHWARZ: redaktionelle ErwähnungenBLAU: Inserenten

»Spezial Faserlaser« ist eine Publikation des Fraunhofer IWS, Dres-den, und des Fraunhofer IOF, Jena.

■■ HerausgeberDr. Ralf Jäckel (verantwortlich),Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS,Winterbergstr. 28,01277 Dresden,Tel. +49 (0) 3 51 /25 83 -3 24,Fax +49 (0) 3 51 /25 83 -3 00,www.iws.fraunhofer.de

■■ ChefredaktionDr. Matthias Laasch

■■ VerlagCarl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, Kolbergerstraße 22, D-81679 MünchenoderPostfach 86 04 20, D-81631 München,

Tel.: +49/89/99830-0, Fax: -623,www.hanser.de

■■ GeschäftsführungWolfgang Beisler, Stephan D. Joß Michael Krüger

■■ VerlagsleitungMichael Himmelstoß

■■ AnzeigenleitungAnzeigenleiter: Rolf Hörr (verantw.), Tel.: +49/89/ 9 98 30-215Anzeigenverkauf: Elisabeth Bartsch, Tel.: +49/89/ 9 98 30-210Disposition: Regina Laszuk, Tel.: +49/89/ 9 98 30-209

■■ HerstellungsleitungHadrian Zett,Tel.: +49/89/ 9 98 30-420

■■ Layout und HerstellungMichael Georgi (Layout), Thomas Herbig (Herstellung),Tel.: +49/89/ 9 98 30-415

■■ DruckDruck und Bindearbeiten:Sellier Druck GmbH, Angerstraße 54,D-85354 Freising. Printed in Germany.

■■ Urheber- und VerlagsrechtDie Zeitschrift und alle in ihr enthalte-nen einzelnen Beiträge und Abbildungensind urheberrechtlich geschützt. Jede Ver-wertung außerhalb der durch das Urhe-berrechtsgesetz festgelegten Grenzen istohne Zustimmung des Verlags un-zulässig.

© Carl Hanser Verlag, München 2008

BelgiumTel: 0800-11 257e-mail: [email protected]

FranceTel: +33 (0)1.60.91.68.68e-mail: [email protected]

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United KingdomTel: +44 (0)1235 432710e-mail: [email protected]

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3. Internationaler Workshop in Dresden SPEZIAL: Faserlaser · 2021. 1. 30. · 2 Laser+Produktion...

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