Was macht die Laser-Metallbearbeitung zum unverzichtbaren Werkzeug?

Ein Laserstrahl ist eine bemerkenswerte Sache. Ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Leistung hat eine Energiedichte, die mehr als vier Billionen Mal höher ist als die fokussierte Energie der Sonne, und die Hersteller haben Wege gefunden, diese außergewöhnlich hohe Leistungsdichte für alles zu nutzen, vom Schneiden und Schweißen von Blechen bis zum Bohren von Löchern in Leiterplatten.

Laser können Material schneiden, verbinden und abtragen. Sie können sogar Material durch Laserauftragschweißen oder 3D-Druck hinzufügen. Wir können Leistungsniveaus, Pulsfrequenzen und Energiedichten unter anderem durch Manipulation des Strahldurchmessers variieren, sodass der Laserstrahl die richtigen Materialreaktionen für verschiedene Prozesse auslösen kann. Der Einsatz des Lasers in der Industrie ist wirklich vielfältig und vielfältig.

Verschiedene Materialien interagieren unterschiedlich mit verschiedenen Lichtwellenlängen, wodurch einige Laserquellen bei der Bearbeitung bestimmter Materialien effizienter sind als andere. Einer der bekannten Vorteile des Schneidens von Metall für industrielle Anwendungen mit 1-μm-Wellenlängenlasern ist beispielsweise die höhere Geschwindigkeit im Vergleich zum Schneiden mit CO2-Lasern. Ein großer Teil davon ist auf die hohe Absorptionsfähigkeit dieser Lichtwellenlänge beispielsweise in Kohlenstoffstahl zurückzuführen (sieheAbbildung 1 ). Ein kleiner Lichtstrahl, der effektiv vom zu schneidenden Stahl absorbiert wird, führt direkt zu höheren Geschwindigkeiten beim Schmelzschneiden (d. h. Schneiden mit einem nicht reaktiven Gas wie Stickstoff) in Kohlenstoffstahl.

Beim Schneiden mit einem Festkörperlaser wie einer Scheibe oder Faser ermöglicht der fokussierte Strahldurchmesser in Kombination mit dem hohen Absorptionsanteil der Laseremission sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten. Diese Leistungssteigerung gegenüber CO2 ist vor allem bei dünnen bis mitteldicken Materialien zu beobachten, wobei der Vorteil mit zunehmender Materialdicke abnimmt. Der Durchmesser des Strahls kann bis zu einem gewissen Grad durch Dinge wie Lichtkollimation oder durch Verschieben der Position der Fokussierungslinse gesteuert werden (sieheFigur 2), aber es gibt eine Grenze dafür, wie groß oder klein ein Strahl erzeugt werden kann.

Der Bereich des Strahldurchmessers wird durch die Größe der Strahlführungsfaser bestimmt (sieheFigur 3 ). Bei Lasern zum Schneiden von Blechen ist eine 100-μm-Strahlführungsfaser üblich. Dieser Kerndurchmesser sorgt für eine hohe Strahlqualität und hohe Schnittgeschwindigkeiten. Mit zunehmender Materialstärke wird die sehr kleine Punktgröße zu einem Problem, das die Leistung, Schnittqualität und Prozesssicherheit einschränkt.

Um dies abzumildern, besteht die Möglichkeit, einen größeren Kerndurchmesser zu wählen. Der Nachteil dabei ist natürlich, dass der minimale Strahldurchmesser viel größer wird, als der kleinere Kern bieten kann. Obwohl sich Qualität und Prozesssicherheit erheblich verbessern, wird die Geschwindigkeit bei dünneren Materialien beeinträchtigt.

Hier kann die Dual-Core-Faser Abhilfe schaffen. Ein Kern mit kleinem Durchmesser wird koaxial zu einem Kern mit großem Durchmesser eingebaut. Ein programmierbarer Verschluss ändert, welcher Kern aktiv ist. Eine solche Faser soll dafür sorgen, dass ein Laserschneidsystem bei dünnen Materialien hohe Geschwindigkeiten und bei dickeren Materialien eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit erreicht.

Der Strahldurchmesser erfüllt beim Schweißen eine weitere Funktion. Obwohl das Laserschweißen keineswegs neu ist, erfreut es sich sowohl bei Lohnfertigern als auch bei OEMs großer Beliebtheit, da es durch weniger Nacharbeit potenzielle Kosteneinsparungen ermöglicht. größere technische Flexibilität; und die Eliminierung teurer, zeitaufwändiger nachgelagerter Prozesse wie Schleifen und Polieren.

Bei Blechen erfolgt das Laserschweißen hauptsächlich auf zwei Arten: Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen. Beim Wärmeleitungsschweißen wird ein stark defokussierter Strahl über dem Werkstück eingesetzt. Die Fokusposition des Strahls liegt typischerweise zwischen 6 und 12 mm über der Werkstückoberfläche, kann aber auch bis zu 25 mm betragen. Der Prozess erhitzt Metall über seine Schmelztemperatur, ohne dass Dampf entsteht. Die Leistungsdichten liegen zwischen 104 und 105 W/cm2 und hängen von der Wärmeleitfähigkeit des Metalls ab; Kohlenstoff und Edelstahl lassen sich mit dieser Technik einfacher schweißen als beispielsweise Aluminium.

Während das Wärmeleitungsschweißen eine sehr ästhetische Schweißnaht darstellt – die senkrecht (90 Grad) zum Laserstrahl positioniert ist, obwohl eine gewisse Winkelflexibilität mit einem Kompromiss bei der Eindringtiefe besteht – ist die Effizienz des Prozesses etwas dürftig. Wenn der Prozess einen Festkörperlaser verwendet, der 1 μm Licht erzeugt, werden 68 Prozent der Energie vom bestrahlten Bereich des Werkstücks reflektiert, was zu einer geringen Kopplungseffizienz führt, die die Eindringtiefe und Schweißgeschwindigkeit einschränkt. Bei einem CO2-Laser ist die Kopplung sogar noch schlechter, da 88 Prozent des Lichts von der bestrahlten Fläche reflektiert werden, was das Wärmeleitungsschweißen mit einem CO2-Laser unpraktisch macht.

Abbildung 1Die Energie der 1-Mikrometer-Wellenlänge des Scheiben- und Faserlasers trägt dazu bei, die Schnittgeschwindigkeit beim Schmelzschneiden zu erhöhen.

Trotz einiger Einschränkungen erfreut sich das Wärmeleitungsschweißen bei Herstellern immer noch großer Beliebtheit, insbesondere bei gut sichtbaren Anwendungen, bei denen eine abgerundete Kante erforderlich ist. Denken Sie an alle Edelstahlgeräte in Ihrer Küche oder werfen Sie einen Blick in die Küche eines Restaurants und werfen Sie einen Blick auf alle Edelstahloberflächen. Wenn Sie genau hinschauen, werden Sie möglicherweise Schleifspuren und inkonsistente Radien erkennen, die durch die manuelle Nachbearbeitung entstanden sind, die bei der Behebung von Problemen durch konventionelles Schweißen anfällt.

Schauen Sie sich die gleichen Teile an, die durch Wärmeleitungsschweißen mit einem Laser hergestellt wurden, und Sie werden feststellen, dass diese Probleme verschwinden. Dies verdeutlicht das immer größer werdende Interesse am Laserschweißen, insbesondere in Umgebungen, in denen viele Nacharbeiten die Norm sind.

Mit derselben Laserquelle und demselben Strahlführungssystem ist es möglich, die Strahldichte und die Fokusposition zu manipulieren, um mit der zweiten Technik zu schweißen. Beim Tiefschweißen oder Schlüssellochschweißen wird eine Fokusposition von etwa 0 verwendet; Das heißt, der Fokus liegt an oder in der Nähe der Materialoberfläche, wodurch eine hohe Energiedichte am Werkstück entsteht. Während die Kopplungseffizienz beim Wärmeleitungsschweißen relativ gering ist, ist sie beim Stichlochschweißen sowohl bei Festkörper- als auch bei CO2-Laserquellen recht hoch; die Kopplungseffizienz beträgt 10 bzw. 15 Prozent.

Das Verfahren erhitzt das Werkstück über die Temperatur, bei der es zur Dampfbildung kommt, und bildet durch den Ablationsdruck des ausströmenden Metalldampfes eine Dampfkapillare, wodurch das „Schlüsselloch“ entsteht, das dem Verfahren seinen Namen gibt. Die Leistungsdichten liegen zwischen 105 und 106 W/cm2, wobei die Eindringtiefe von der Ausbildung des Schlüssellochs abhängt.

Diese Schweißtechnik bietet hohe Schweißgeschwindigkeiten, eine schmale Wärmeeinflusszone und eine große Schweißeindringtiefe. Aufgrund der geringen Energieübertragung und der großen Eindringtiefe eignet sich das Tiefschweißen deutlich besser für dicke Materialien oder wenn die Schweißnahtvorbereitung flächig oder flächig erfolgt. Die ideale Nahtvorbereitung ist eine stumpfe Nahtverbindung, obwohl das Schlüssellochverfahren normalerweise für eine Vielzahl von Verbindungskonfigurationen gut geeignet ist.

Bei der Wahl zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen ist die Anwendung ausschlaggebend. Obwohl eine Wärmeleitungsschweißung wohl besser aussieht, ist die einfache Tatsache, dass Tiefschweißen im Allgemeinen die günstigere der beiden Optionen ist, vor allem dank der hohen Schweißgeschwindigkeit. Dennoch können Sie von der Geschwindigkeit und der geringen Energieübertragung des Tiefschweißens profitieren und erhalten gleichzeitig die schöne, gleichmäßig abgerundete Kante, die es nur beim Wärmeleitungsschweißen gibt. Fahren Sie einfach mit dem Strahl in einer höheren Fokusposition über die bereits schlüssellochgeschweißte Naht.

Der Laser löst weiterhin immer mehr Fertigungsprobleme und Prozessvariablen wie Strahldurchmesser und Manipulation haben weiterhin einen bedeutenden Einfluss. Vom Schneiden und Schweißen bis hin zum Hinzufügen oder Entfernen von Materialschichten – Fortschritte in der Lasertechnologie werden mit Sicherheit eine Schlüsselkomponente für den Erfolg der Vierten Industriellen Revolution sein.

Brett Thompson ist Vertriebsingenieur bei TRUMPF Inc., 111 Hyde Road, Farmington, CT 06032, 860-255-6000, www.us.trumpf.com.

Die neueste Technologie gibt uns eine Vorstellung davon, wie groß das Potenzial des Lasers für die Metallbearbeitung und darüber hinaus ist. Ziehen Sie Laser mit ultrakurzer Pulsdauer in Betracht. Um eine Vorstellung von der Größenordnung zu geben: Licht bewegt sich mit 186.000 Meilen pro Sekunde. In einer Sekunde kann Licht den Erdumfang 7,5-mal umrunden. In einer Pikosekunde legt Licht nur 300 μm zurück! Wenn die Absorptionsdauer des verarbeiteten Materials kleiner als die Elektron-Phonon-Wechselwirkungszeit ist, kommt es zur Kaltablation; Das Metall wird nicht erhitzt oder geschmolzen, sondern vollständig dissoziiert.

Kaltablation findet Anwendung bei Metall und verschiedenen anderen Materialien, einschließlich Glas. In den meisten Fällen wird Glas mit einem Ritz- und Brechverfahren bearbeitet, bei dem das Material an den Ritzlinien durch Krafteinwirkung zerrissen wird, oder durch Oberflächenablation mithilfe von Ultraviolettlasern (UV-Lasern).

Figur 2Der Strahldurchmesser kann bis zu einem gewissen Grad durch Verschieben der Position der Fokussierlinse gesteuert werden.

Warum UV-Laser? Es hat mit Absorption zu tun. Unter normalen Bedingungen wird ein Photon von Infrarotlicht (~1 μm) nicht von transparentem Material absorbiert. Diejenigen von uns, die versucht haben, transparente Materialien oder Beschichtungen mit einem Scheiben- oder Faserlaser zu schneiden, sind sich dessen nur allzu bewusst. Aus diesem Grund haben Glasverarbeiter UV-Laser eingesetzt, können aber auch einen alternativen Ansatz verfolgen: nichtlineare Lichtabsorption durch Laser mit ultrakurzen Pulsdauern.

Auch hier gilt: Unter linearen Absorptionsbedingungen absorbiert transparentes Material keine Photonen. Bei der nichtlinearen Lichtabsorption werden jedoch mehrere Photonen gleichzeitig absorbiert, wobei ihre Energie kombiniert wird und es einem IR (z. B. einer Scheibe oder Faser) ermöglicht wird, die Arbeit eines UV-Lasers zu übernehmen.

Dies wird durch das Erreichen dieser ultrakurzen Pulsdauern erreicht. Sie kombinieren Energie mit Ablation, die nicht durch thermische Prozesse, sondern durch direkte Dissoziation des Materials erfolgt. Diese Kaltablation ermöglicht eine wesentlich präzisere Bearbeitung von Materialien. In Kombination mit einer Optik, die ein längliches Strahlprofil erzeugt, ermöglicht dieser Prozess dem Laser, extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten in transparentem Material zu erreichen.

Figur 3Der Lieferfaserdurchmesser bestimmt den Strahldurchmesserbereich.