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Geschichtliche Entwicklung des Lasers

Die theoretischen Grundlagen zum Prinzip der stimulierten Emission und die quantenmechanischen Grundlagen zum Laser stammen bereits von Einstein aus dem Anfang dieses Jahrhunderts. Dennoch dauerte es über 40 Jahre bis zur Entwicklung des ersten Rubin-Lasers in den Hughes Research Laboratories. Die folgenden Jahre waren durch eine rasante Entwicklung der Lasertechnologie gekennzeichnet. Bereits seit 1970 und mit der Verfügbarkeit von Hochleistungslasern verstärkt seit Beginn der 80er Jahre werden CO2- und Festkörperlaser in der Materialbearbeitung eingesetzt. Im folgenden wird ein kurzer Überblick über die Entwicklung des Lasers bzw. des Lasermarktes in Deutschland gegeben.

  • 1917 Einstein schafft mit seinem Postulat zur stimulierten Emission die theoretischen Grundlagen
  • 1928 Kopfermann und Ladenburg weisen erstmals die stimulierte Emission experimentell nach
  • 1950 Erarbeitung der physikalischen Grundlagen und Anregungen zur Verwirklichung eines Masers (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) durch Towens, Prokhorov und Basov
  • 1954 Bau des ersten Masers
  • 1960 Bau des ersten Rubin-Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), Modellentwicklung zur Verwendung anderer Lasermedien (HeNe, CO2, Edelgase)
  • 1961 Bau des ersten HeNe-Lasers und Nd-Glas-Festkörperlasers
  • 1962 Entwicklung der ersten Halbleiterlaser
  • 1964 Nobelpreis für Towens, Prokhorov und Basov für Arbeiten auf dem Gebiet der Maser, Bau des ersten Nd:YAG-Festkörperlasers und CO2-Gaslasers
  • 1968 Laseremission an organischen Farbstoffen nachgewiesen
  • 1970 Inbetriebnahme des ersten Excimer-Lasers
  • seit 1970 Zunehmender Einsatz der CO2- und Festkörperlasertechnik in der industriellen Anwendung
  • seit 1975 Erste Anwendungen des Laserstrahlschneidens in der blechverarbeitenden Industrie
  • 1979 TRUMPF zeigt anläßlich der europäischen Werkzeugmaschinenausstellung in Mailand die erste Stanz-/Lasermaschine
  • 1981 Start der Entwicklung eigener Lasersysteme bei deutschen Herstellern
  • 1983 Markteinführung von 1 kW CO2-Lasern
  • seit 1984 Erste Anwendungen des Laserstrahlschweißens in der industriellen Serienfer-tigung
  • 1985 Einführung des Lichtleiterkabels bei Festkörperlasern zur Materialbearbeitung
  • 1986 Markteinführung des ersten HF-angeregten Multi-kW-Lasers
  • 1990 Vorstellung des ersten 10 kW-Lasers
  • 1992 Entwicklung des Hochdrucklaserstrahlschneidens
  • 1993 Markteinführung des 1 kW Nd:YAG-Lasers
  • 1994 Markteinführung des 2 kW Nd:YAG-Lasers
  • 1995 Vorstellung des 3 kW Nd:YAG-Lasers, Vorstellung des 30 kW CO2-Lasers

Das Verfahren "CO2-Laserstrahlschweißen"

Der CO2-Laserstrahl wird zunächst vom Resonator über ein aus Umlenkspiegeln bestehendes Strahlführungssystem zu einer oder mehreren Bearbeitungsstationen geführt. Dort wird er mit Hilfe von Fokussieroptiken der Bearbeitungsaufgabe entsprechend geformt. Die Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden:

  • bewegtes Werkstück und feste Optik
  • bewegte ("fliegende") Optik
  • Bewegung von Werkstück und Optik (zwei Handhabungsgeräte).

Zum Laserstrahlschweißen mit CO2-Lasern werden üblicherweise Spiegeloptiken verwendet. Als Werkstoff wird in der Regel Kupfer (hohe Wärmeleitfähigkeit) verwendet und zum Oberflächenschutz oft molybdänbeschichtet.

Bei Linsen-Optiken kann es wegen der Absorption bei hohen Leistungen und aufgrund von Verschmutzung zur Erwärmung der Linse kommen. Da die Wärme lediglich über die Fassung abgeführt werden kann, besteht somit die Gefahr der Verformung (Veränderung der Brennweite) oder Zerstörung durch Überlastung. Im Umgang mit den hier verwendeten Materialien (ZnSe, GaSe) sind wegen ihrer Toxizität Vorsichtsmaßnahmen einzuhalten (Entsorgung).

Für die Energieeinkopplung bei der Lasermaterialbearbeitung spielt die Absorption der Strahlung eine bedeutende Rolle. Neben der Oberflächenqualität ist diese Größe sowohl wellenlängen- als auch werkstoffabhängig.

Die Einstellbarkeit der Intensität an der Bearbeitungsoberfläche durch die Fokuslage bei gleichzeitiger Variation der Bearbeitungsgeschwindigkeit machen aus dem Laser ein flexibles, berührungsloses Werkzeug. Das Verfahren erfordert eine hohe Intensität im Fokuspunkt. Gleichzeitig werden dabei höchste Genauigkeits- und Qualitätsanforderungen an alle Anlagenkomponenten (Handling, Optik, Resonator, Strahlführung usw.) gestellt.

Stahlwerkstoffe mit technischen Oberflächen reflektieren die Laserstrahlung bis zu 95 %. So ist bei niedrigen Intensitäten (I ca 105 W/cm2 ) allenfalls ein Aufschmelzen von Werkstückoberflächen bzw. -kanten und damit ein Wärmeleitungsschweißen geringer Tiefenwirkung möglich. Die o.g. Eigenschaften von festen und flüssigen Phasen ändern sich jedoch oberhalb einer "kritischen Intensität" (I > 106 W/cm2) mit dem Entstehen eines laserinduzierten Plasmas. Ist die in einer sehr dünnen Schicht der festen und flüssigen Körperoberfläche absorbierte Laserleistung größer als die je Zeiteinheit durch Wärmeleitung abgeführte Energie, so findet hier ein Phasenübergang statt. Sowohl in dem abströmenden Dampf als auch in dieser Absorptionsschicht kann sich bei ausreichender Strahlungsintensität ein laserinduziertes Plasma ausbilden, dessen Absorptionseigenschaften von der Strahlungsintensität und der Dichte des erzeugten Metalldampfes abhängen.

Bei geeigneter Parameterwahl kann eine nahezu vollständige Energieeinkopplung in das Werkstück erzielt werden. Nach Erreichen der Verdampfungstemperatur bildet sich wie beim Elektronenstrahlschweißen im Werkstück eine Dampfkapillare. Der nach oben entweichende Metalldampf ermöglicht ein tieferes Eindringen des Laserstrahles und damit ein Verdampfen weiteren Materials ("Tiefschweißeffekt"). Der Dampfdruck verhindert dabei das Schließen der Kapillare, welche von schmelzflüssigem Material umgeben ist. Der größte Teil der Schmelze umströmt die durch die Fügezone bewegte Dampfkapillare. Der Rest des Werkstoffes verdampft und kondensiert entweder an der Kapillarwand oder strömt in ionisierter Form ab.

Vergangene Forschungsarbeiten

Das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) beschäftigt sich seit vielen Jahren in zahlreichen Forschungsvorhaben und Industrieaufträgen mit der Neu- bzw. Weiterentwicklung mechanisierter Schweißtechnologien, insbesondere auch auf dem Gebiet der Laserstrahlschweißtechnologie.

Seit 1982 wurden in Zusammenarbeit mit Industriefirmen und Instituten grundlegende Untersuchungen zum Schweißen mit Laserstrahlen durchgeführt. Neben der Ermittlung optimaler Schweißparameter für verschiedene un- und niedriglegierte Stahl-Werkstoffe wurden im ISF für laserstrahlgeschweißte Verbindungen geeignete Qualitätskriterien und -tests ermittelt, weiterentwickelt und optimiert. Die mit den verschiedenen Lasern geschweißten Proben wurden mit Verfahren der zerstörungsfreien und zerstörenden Werkstoffprüfung, wie auch mit metallographischen, fraktografischen und spektrographischen Untersuchungsmethoden geprüft.

Ziel weiterer Untersuchungen war die Entwicklung einer sensorgesteuerten Schweißkopfführung zum Laserstrahlschweißen mit Spaltweitenerkennung und adaptiver Drahtzuführung. Neben der Ermittlung verfahrenstechnischer Grundlagen zum sensorgesteuerten Laserstrahlschweißen stand weiterhin die Übertragung der Ergebnisse auf dreidimensionale Problemstellungen aus dem Bereich des Karosseriebaus im Vordergrund der Arbeiten.

Die geringe Spaltüberbrückbarkeit sowie die starke Aufhärtung der Schweißnaht beim Laserstrahlschweißen schränken den Einsatzbereich des Verfahrens ein. Mit dem Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren können Synergieeffekte erzielt werden, mit denen sich die Nachteile der einzelnen Verfahren kompensieren lassen. Das Lichtbogenschweißverfahren erhöht dabei die Spaltüberbrückbarkeit, bestimmt die Nahtbreite und mindert somit den Aufwand hinsichtlich der Werkstückvorbereitung erheblich. Der Laserstrahl bewirkt über das Keyhole eine erleichterte Zündung des Lichtbogens sowie eine Stabilisierung des Lichtbogenschweißprozesses und bestimmt die Schweißnahttiefe. Über Wechselwirkungen der Prozesse wird zudem eine deutliche Steigerung der Prozesseffizienz erreicht. Ziel einiger Untersuchungen war die Ermittlung der Schweißmöglichkeiten des Hybridprozesses für unterschiedliche Schweißanforderungen.

Der Oberflächenzustand von Werkstücken entscheidet maßgeblich über die Prozesssicherheit beim Laserstrahlschweißen. Um die negativen Auswirkungen der Oberflächenbelegungen zu vermeiden, werden die Werkstücke aufwendig und kostenintensiv gereinigt. Im Rahmen einer mit BIAS Bremen durchgeführten Untersuchung wurden flexibel arbeitende Strahlteilungsoptiken für einen kombinierten Reinigungs- und Fügeprozess entwickelt. Neben einer guter Eignung der entwickelten Optiken zur Verbesserung der Prozessstabilität beim Schweißen von Dünnblech mit mineralischer und synthetischer Oberflächenbewegung wurde eine Verschiebung der Prozessgrenze zu höheren Schweißgeschwindigkeiten hin bei verzinkten Blechen festgestellt.

Beispiele abgeschlossener Projekte:

  • Untersuchung zum Laserstrahlschweißen höher kohlenstoffhaltiger Stähle unter Einsatz von Zusatzwerkstoff
  • Laser- und Elektronenstrahlschweißen von Werkstoffkombinationen aus Gußwerkstoffen mit Einsatz- und Vergütungsstählen
  • Untersuchungen zum Einfluss der metallurgischen und geometrischen Kerbwirkung beim Schweißen von Stahlwerkstoffen für den Leichtbau
  • Entwicklung flexibel arbeitender Laseroptiken für mittelständische Schweißbetriebe und Laser-Job-Shops zum Fügen verschmutzter Teile

Gerätetechnische Ausstattung

Das ISF verfügt über zwei CO2-Hochleistungslaser mit Leistungen bis 6 und 20 kW und über einen Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von 2,2 kW.