Laser Groche VL 2

• Fokussierung der Laserstrahlung auf das Werkstück durch eine über der Schneiddüse angeordnete Linsen- oder Spiegeloptik
• Zufuhr des Schneidgases koaxial zum Laserstrahl an die Bearbeitungsstelle zum Austrieb des geschmolzenen bzw. verdampften Werkstoffes aus der Schnittfuge

• klein 0.5mm - 1mm
• um einen guten Werkstoffaustrieb aus der Schnittfuge zu gewährleisten

• Nach Zustand des Fugenwerkstoffs nach Prozess
• Dampf: Laserstrahlsublimierschneiden
• Flüssigkeit: Laserstrahlschmelzschneiden
• Oxidationsprodukt: Laserstrahlbrennschneiden
• meist Vermischung dieser

• Werkstoff im Bereich der Schnittfuge verdampft und entweicht mit hoher Geschwindigkeit
• Holz, Papier, Keramik und Kunststoffe, die keinen ausgeprägten schmelzflüssigen Zustandbesitzen: unter Schutzgasatmosphäre damit keine Oxidation (Verbrennen)
• Metalle: Laserstrahlintensitäten so hoch und die Einwirkzeiten so kurz zu wählen, dass das Schmelzvolumen minimal ist

• Vorteile:
• alleinfalls kleine Schmelzfilmdicken => glatte Schnittkanten
• kleine Wärmeeinflusszone (WEZ), geringe Wärmebelastung => venachlässigbare thermomechanische Wirkung
• keine Oxidation der Schnittkante => Weiterbearbeitung ohne Nachbehandlung
• insesondere bei Werkstoffen ohne ausgeprägten Schmelzpunkt
• Nachteile:
• hohe Intensitäten erforderlich => leistungsstarker Laser mit hoher Strahlqualität
• Materialdicke darf Laserstrahldurchmesser nicht wesentlich überschreiten, da Materialdampf sonst an Schnittwand kondensiert und Fuge zusetzt (nur bei Werkstoffen mit flüssiger Phase)

• Werkstoff durch den Laserstrahl im Bereich der Schnittfuge in den schmelzförmigen Zustand überführt und die Schmelze mit einem Gasstrahl ausgetrieben
• Material muss nicht verdampft werden => höhere Schnittgeschwindigkeiten als beim Sublimierschneiden

inerte Gase wie Stickstoff oder Argon

• Vorteile:
• geringer Energiebedarf zum Aufschmelzen des Werkstoffs
• keine Oxidation der Schnittkanten
• Trennen unterschiedlicher Materialien möglich (Gläser, Kunststoffe, Metalle)
• Nachteile:
• genaue Anpassung der Schneidgasparameter
• komplexere Verfahrensführung durch die erforderliche Hochdruck-Schneidgasströmung
• chrakteristische Riefen und Bartbildung an Ausgangsseite durch Schmelzströmung
• hoher Schneidgasverbrauch

CO2-Laser und Nd:YAG- Laser im cw- und Pulsbetrieb

durch die Wärmeleitung in das Werkstück und die Begrenzung der Oberflächentemperatur auf die Verdampfungstemperatur

Mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit muss ein wachsender Massenstrom durch einen in seiner Dicke begrenzten Schmelzfilm ausgetrieben werden

Der Neigungswinkel der Schneidfront sinkt mit der Schneidgeschwindigkeit und steigt mit der Laserstrahlintensität

• Reinaluminium ist schwierig zu schneiden, da Reflexion des Laserstrahls sehr hoch
• Absorptionsgrad liegt bei CO₂-Lasern nur bei 1-2%, bei Nd:YAG-Lasern bei ca. 7%
• Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität sind relativ groß
• Je höher die Legierungsanteile im Aluminium, desto besser die Schneidbarkeit des Werkstoffes

• Analog zum Schmelzschneiden wird beim Brennschneiden das Werkstück im Bereich der Schnittfuge erhitzt und die Schmelze mit einem Gasstrahl ausgetrieben
• Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit aufgeschmolzenem Metall erfolgt eine zusätzliche Energiezufuhr in den Wechselwirkungsbereich

• Vorteile:
• größere Schneidgeschwindigkeiten (2- 6 mal größer als beim Schmelzschneiden)
• geringerer Gasdruck
• Nachteile:
• Oxidation der Schnittkanten
• Gefahr des Materialabbrandes

• geeignete Prozessführung:
• Pulsbetrieb
• Reduzierung des Schneidgasdruckes

fast ausschließlich zum Trennen von Metallen, vor allem unlegierten und niedriglegierten Stählen, eingesetzt

• benötigte Energie wird über Laserstrahlung und exotherme Reaktion des Werkstoffs mit dem Prozessgas (Reaktionsenergie) zugeführt
• Verlsute infolge der Reflexion der Laserstrahlung am Werkstück und durch Wärmeleitung in das umliegende Material

• stufenweise Oxidation des Eisens unter Bildung mehrerer Zwischenprodukte
• Jede diese Reaktionen ist exotherm und gibt Wärme ab

• Schwankung der Temperatur
• Dicke der Oxidschicht wächst => höherer Widerstand gegen Oxidation => Abbremsen des Schneidprozesses => Sinken der Temperatur
• Sobald bestimmte Dicke der Oxidschicht erreicht, fällt diese ab und Temperatur steigt wieder an

• hohe Prozessgeschwindigkeiten
• geringe Wärmebelastung, verzug- und spannungsfreies Trennen
• hoheRechtwinkligkeit und Ebenheit mit geringer Riefigkeit
• bei Verwendung von Schneidgas keine Oxidation
• Nachbearbeitung nur bei hohen Anforderungen notwendig

• Laserstrahlparameter
• Schneidgas
• Werkstück
• Handhabung
• Optik

• Wellenlänge
• Intensitätsverteilung
• Strahlqualität
• Strahldurchmesser
• Polarisation
• Leistung (cw, gepulst)

• Gasart
• Gasdruck
• Düsenform
• Düsenabstand

• Material
• Dicke
• Oberflächenzustand

• Schneidgeschwindigkeit
• Kopforientierung

• Brennweite
• Fokuslage
• Abbildungseigenschaften

• zirkular, damit die Absorption in jeder Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes gleich ist
• Eine lineare oder elliptische Polarisation führt zu Kantenfehlern und Fehlern in der Rechtwinkeligkeit des Schnittspalts

• bei hohen Flexibilitätsanforderungen
• 3D-Bearbeitungsraum
• Schweiß- und Schneidapplikationen

• Festkörperlaser
• Strahlführung mittels Lcihtleitkabel
• Mitführen von Peripherieelementen => Schutzgasversorgung, Crossjet, Optikkomponenten

• 3D-Applikationen
• kurze Schweißnähte (Steppnähte, Punktschweißen)
• schwierigere Zugänglichkeit
• hohe geforderte Flexibilität
• Robotereinsatz möglich

• CO₂-Laser mit Verwendung von Strahlführungssystemen
• große Baudimensionen
• hohe Genauigkeit
• Verwendung auch als Rohr- oder Profilschweißanlagen

• Linear
• Zirkular
• 
• Resonator gibt Polarisation vor

• Polarisationsrichtung gibt Richtung des elektrischen Feldvektors E relativ zu vorgegebener Achse an
• Natürliches Licht ist „unpolarisiert",das bedeutet, dass alle Richtungen des elektrischen Feldvektors mit gleicher statistischer Wahrscheinlichkeit vorliegen
• Laserstrahlung in der Regel linear polarisiert, das heißt der elektrische Feldvektor hat eine feste, definierte Richtung

Bei Reflexion bzw. Brechung linear polarisierter Strahlung an einer Grenzfläche hängen Reflexions- und Transmissionsgrad von der Polarisationsrichtung der Strahlung ab

Gibt den Winkel an, bei dem von einfallendem, unpolarisiertem Licht nur die senkrecht zur Einfallsebene (d. h. parallel zur Grenzfläche) polarisierten Anteile reflektiert werden. Das reflektierte Licht ist dann linear polarisiert.

• Bei 3D-Bearbeitung zirkular polarisiertes Licht, damit Schnittqualität unter jedem Winkel gleich bleibt!
• 

• dichroitisches Filtern
• Doppelbrechung
• Reflexion
• Bauteile:
• Dichroitischer Polarisationsfilter
• Polarisationsprisma
• Brewsterplatten, Dünnschichtpolarisatoren
• λ/4- und λ/2-Plättchen

Licht einer Polarisationsrichtung wird selektiv absorbiert

• Platte aus Glas wirkt polarisierend, wenn sie schräg in Lichtstrahl gestellt wird
• Beim Reflexionsgrad der Plattenoberflächen wird nach senkrechter (s) und paralleler (p) Polarisation unterschieden. Ist Einfallswinkel gleich Brewsterwinkel, wird die p-Komponente überhaupt nicht reflektiert, so dass reflektierte Strahlung vollständig s-polarisiert ist
• Brewsterplatte ist Polarisator mit geringem Wirkungsgrad (da s-Reflexionsgrad deutlich kleiner 100% ist)

• 
• λ/4-Plättchen:
• erzeugt zirkular polarisiertes Licht
• weisen Kristallachse in der Schichtebene auf => Richtung der linearen Polarisation der eingestrahlten Wellen muss unter 45° zu dieser Vorzugsrichtung stehen
• volle Wirkung kann nur für eine Wellenlänge erreicht werden
• λ/2-Plättchen:
• Zur Drehung der linearen Polarisation
• Durch Rotation des Plättchens kann die Richtung der Polarisation kontinuierlich verändert werden

• punktförmige
• flächige
• linienförmige

• Schmelzschweißverfahren
• Pressschweißverfahren

• Widerstandsschmelzschweißen
• Elektronenstrahlschweißen
• Lichtbogenschweißen
• Gasschmelzschweißen
• Laserstrahlschweißen

• Widerstandpressschweißen
• Reibschweißen

• Elektronen im Hochvakuum durch Hochspannung beschleunigt
• Strahlbildung durch Triodensystem (Kathode, Steuerelektrode, Anode)
• Elektronen 2/3 Lichtgeschwindigkeit, bis 30kW Leistung
• kinetische Energie der Elektronen beim Aufprall in Wärme gewandelt
• bis 70% Wirkungsgrad

• Vorteile:
• Verbinden unterschiedlicher Metalle
• Hohe Schweißgeschwindigkeiten
• extrem tiefe, schmale, parallele Nähte
• geringer Wärmeeintrag
• Nachteile:
• Arbeitsfeld im Vakuum (sonst hohe Verluste)
• genaue Vorbereitung der Schweißfuge

Schweißen hochreaktiver Werkstoffe

• Ionisierung von Plasmagasen (Argon) durch Hochfrequenzimpulse
• Hilfslichbogen (Pilotbogen) zwischen negativ gepolter Wolframelektrode und als Düse ausgebildeter Anode
• Plasmastrahl von Schutzgas umgeben, keine Oxidation

• Vorteile:
• feinste Nahtoptik
• Zusatzwerkstoffe nicht zwingend erforderlich
• hohe Schweißgeschwindigkeiten
• geringer Wärmeeintrag
• Nachteile:
• 2 Schutzgase nötig (Argon + Wasserstoff)
• keine Spaltüberbrückbarkeit

• Chrom-Nickel-Werkstoffe
• beschichtete und unbeschichtete Stähle
• Titan
• Nickel-Basis-Werkstoffe

Lichtbogenschweißen mit nicht verzehrender Elektrode unter Schutzgas mit entkoppelten Schweißzusatz

• Vorteile:
• sehr guter Schweißnahtschutz vor Sauerstoff
• saubere Schweißnaht
• kleine Wärmeeintragszone
• wenig Spritzer
• Nachteile:
• geringe Schweißgeschwindigkeit

• Stahl
• NE-Metalle

• Aufspannen eines Lichtbogens zw. Werkstück und Schweißelektrode
• hohe Temperatur des Lichtbogens bewirkt Aufschmelzen des Werkstoffs
• verzehrende Elektrode mit Ummantelung dient als Schweißzusatz und Oxidationsschutz

• Vorteile:
• überall einsetzbar
• niedrige Anschaffungskosten
• leichte Handhabung
• Schlacke als Schweißnahtschutz
• Nachteile:Entfernung von Schlackespritzern

• unlegierte Stähle
• Stahlguss
• Gusseisen

• Metall durch Verbrennungsgase erhitzt
• Gasflamme schirmt Schweißbad gegenüber Umgebung ab (keine Oxidation)
• häufig Schweißdraht als Zusatzstoff verwendet

• Vorteile:
• hochfest und dichte Verbindungen
• keine allzu aufwendige Nahtvorbereitung
• keine teure, störanfällige Technik
• Nachteile:
• breite Wärmeeinflusszone, hoher Verzug
• relativ langsam
• geringe Abschmelzleistung

• unlegierte Stähle
• niedriglegierte Stähle
• Gusseisen
• Nichteisenmetalle

• Energie durch Stromfluss über elektrischen Widerstand der Schweißzone
• Punktschweißen, Rollennahtschweißen, Abbrennstumpfschweißen

• Vorteile:
• kostengünstig, kleine Fügezeiten
• eist kein Schweißzusatz
• geringe Wärmeeinbringung und Verzug
• Schweißroboter können günstig genutzt werden
• Nachteile:
• hohe Oberflächengüte der Werkstücke nötig
• Stoßartige Strombelastung ungünstig für benachbarte Maschinen

• legierte und unlegierte Stähle
• Messing
• Eignung des Werkstoffs abhängig von Schweißfaktor S

• beide Werkstücke fest eingespannt
• eins in Rotation versetzt und ans andere gepresst
• drehendes Werkstücke wird abgebremst und Anpressdruck erhöht, womit Reibschweißverbindung hergestellt wird

• Vorteile:
• kurze Schweißzeit
• verzugsarm durch symmetrische Eigenspannungen
• hohe Dauerschwingfestigkeit
• Nachteile:
• Durchmesser und Länge der Bauteile durch Maschinengröße begrenzt
• nur- quasi rotationssymmetrische Fügequerschnitte möglich
• hohe Maschinenanschafungskosten

Fügen ist das auf Dauer angelegte Verbinden von Werkstück geometrisch bestimmter Form mit formlosen Stoff

• Schweißen:
• Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft mit und ohne Schweißzusatz
• Löten:
• thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes nicht erreicht

• chemische Zusammensetzung
• metallurgische Eigenschaften
• physikalische Eigenschaften

• hoher C-Gehalt: Aufhärtung, interkristalline Kristalle können auftreten ab C>0.2%
• hoher (S,P,Pb)-Gehalt: niedrig schmelzende Phasen (Eutektika) können an den Korngrenzen aufteten => nicht schweißbar (Heißrisse, Poren)

• Werkzeugstähle (zu hoher C-Gehalt)
• Automatenstähle (Zu hoher Gehalt an S,P,Pb)
• martensitische nichtrostende Stähle (Rissbildung in Naht)