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Vorteile und Herausforderungen beim Laserstrahlschweißen mit Strahlquellen höchster Fokussierbarkeit
(2012) Heß, Axel; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat. habil.)
Die Vorteile einer sehr guten Fokussierbarkeit von Scheiben- und Faserlaser lassen sich auf verschiedene Art und Weise nutzen. Kleinere Fokusdurchmesser und die daraus resultierenden hohen Intensitäten ermöglichen einen Tiefschweißprozess bei sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Für den industriellen Einsatz ist vor allem eine reproduzierbare hohe Qualität des bearbeiteten Bauteils entscheidend. Schädigungen, wie insbesondere der Verzug, sollen so weit wie möglich reduziert werden. Untersuchungen zeigen, dass bei einer konstanten Einschweißtiefe mit einem kleineren Fokusdurchmesser, einer höheren Vorschubgeschwindigkeit und einem kleineren Divergenzwinkel der Verzug stark reduziert werden kann. Der Vorteil einer sehr guten Strahlqualität kann auf der anderen Seite sehr hohe Intensitäten in den Schweißoptiken mit sich bringen. Durch Absorptionen im Bulkmaterial und den Beschichtungen kommt es zu thermischen Effekten und somit zu einer Verschlechterung der Strahlqualität und zu einem Fokus-Shift. Diese können so gravierend sein, dass Auswirkungen auf den Schweißprozess einhergehen. In der vorliegenden Arbeit wurden mit hochwertiger und komplexer Messausrüstung transiente und stationäre Strahlqualitätsmessungen an Schweißoptiken durchgeführt. Ein neuentwickeltes und neuartiges Verfahren ermöglicht eine einfache Qualifizierung von Optiken. Der sogenannte „Referenzprozess“ macht dazu Veränderungen der Intensität bzw. der Intensitätsverteilung auf dem Werkstück sichtbar, die zu unterschiedlichen Schweißergebnissen führen und sich mittels Messschieber einfach auswerten lassen. Ein weiterer Vorteil der hohen Intensitäten von im infraroten emittierenden Laser-strahlquellen ist die Bearbeitung von Kupferwerkstoffen im Dauerstrichbetrieb. Dabei lassen sich mehrere Millimeter Einschweißtiefe erreichen. Eine Herausforderung stellt die geringe Absorption von gerade einmal 5 % zu Prozessbeginn dar. Starke Rückreflexe können dabei zu Schädigungen in den optischen Komponenten führen. Durch die Verwendung von frequenzverdoppelten Lasersystemen kann die Absorption etwa versiebenfacht werden, so dass Rückreflexe reduziert werden. Diese neuartigen im „grünen“ emittierenden cw-Laser sind in ihrer Leistung noch stark begrenzt, weshalb in dieser Arbeit ein Kombinationsprozess realisiert wurde, mit dem höhere Einschweißtiefen möglich werden und der Vorteil der kürzeren Wellenlänge deutlich wird.