Entwicklung von Hochleistungslaserquellen für die Industrie

Abstrakt

Trotz der Erfindung und Verfügbarkeit einer großen Vielfalt von Laserquellen sind nur sehr wenige Typen in den industriellen Einsatz gekommen, was sehr häufig einen zuverlässigen Drei-Schicht-Betrieb, eine hohe Betriebszeit und niedrige Betriebskosten erfordert. Der CO2-Gaslaser hat lange Zeit den Bereich der Materialbearbeitung im Hochleistungsbereich dominiert und hält mit 41,1% weiterhin den größten Marktanteil in diesem Bereich. Der modernste, zuverlässigste und kostengünstigste CO2-Lasertyp ist die diffusionsgekühlte Brammenkonfiguration, die eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität bietet und heute in einem Leistungsbereich von bis zu 8 kW verfügbar ist. Der Vorteil von Festkörperlasern ist, dass ihre Strahlung durch optische Fasern geleitet werden kann, jedoch mit hohen Kosten und einer geringen Effizienz verbunden war. Das Auftreten von Diodenlasern als sehr effiziente und zuverlässige Pumpquelle hat jedoch die Festkörperlasertechnologie gefördert. Durch den Austausch von Breitbandlampen durch monochromatische Diodenlaser konnte nicht nur die Strahlqualität und Effizienz des klassischen Stabdesigns verbessert werden, sondern aufgrund der hohen Brillanz der Diodenlaser konnten auch neue Konzepte wie die dünne Scheibe und der Faserlaser realisiert werden. Insbesondere die höhere Effizienz, die Reduzierung der Betriebskosten in Verbindung mit einer verbesserten Strahlqualität, macht die Festkörperlaser zum Werkzeug der Zukunft, wenn 3D-Anwendungen in Betracht gezogen werden.

  Einführung

  Laser werden seit über 30 Jahren erfolgreich in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Wie Marktstudien1, 2 belegen, ist das Schneiden die bekannteste Anwendung (Abb. 1); Nicht nur Metalle werden durch Laser geschnitten, sondern auch Holz (z. B. für Stanzplatten), Glas (z. B. für Lichtröhren), Textilien (z. B. für Airbags), Kunststoffe, Gummi und Verbundstoffe.

  Laserschweißen, die zweitwichtigste Anwendung, bietet eine schnelle Verbindungstechnologie mit minimierter Wärmebelastung des Werkstücks aufgrund des Tiefschweißeffekts. Laserschweißen bezieht sich hauptsächlich auf Metalle, z. Getriebeteile, Tailored Blanks, Körper in Weiß, Sensorgehäuse, Einspritzdüsen usw., aber auch Polymerschweißen können mit Lasern, insbesondere Diodenlasern, durchgeführt werden.

  Schneid- sowie (Tiefpenetrations-) Schweißanwendungen profitieren von der hohen Fokussierbarkeit der Laserstrahlen, d. H. Der Tatsache, dass die Laserleistung an einem sehr kleinen Punkt konzentriert werden kann. Theoretisch gilt: Je besser die Strahlqualität ist, desto kleiner ist der Punkt, der bei einer bestimmten Brennweite erzeugt werden kann, bzw. je größer der Arbeitsabstand (Brennweite) für einen bestimmten Spotdurchmesser. So ist Laserentwicklung

Abb. 1: Weltmarkt für Lasermaterialbearbeitungssysteme im Jahr 2005 nach Anwendung (4,8 Mrd. €) 1, 2

ua zur Verbesserung der Strahlqualität. Im Mittelpunkt des Interesses stehen die klassischen Laser wie CO2-Gaslaser und Stab-Festkörperlaser, aber noch mehr die neuen Festkörperlaser in Scheiben- oder Faserkonfiguration.

Es gibt jedoch auch andere Anwendungen für Laser wie Löten, Wärmeleitungsschweißen und Oberflächenbehandlung (Härten, Umschmelzen oder Plattieren), die keine so hohe Konzentration der Energie erfordern, da sie mit einer relativ großen Brennweite und mäßigen Leistungsdichten ausgeführt werden . Diodenlaser hoher Leistung, die eine hohe Leistung mit hohem Wirkungsgrad auf Kosten der Strahlqualität liefern, sind für solche Anwendungen vorzuziehen.

  Gaslaser

  Es sind jedoch sehr zuverlässige CO2-Laser mit einer Leistung von bis zu 20 kW im Handel erhältlich, und sogar über 100 kW wurden im Labor oder zu Verteidigungszwecken erreicht5. Verschiedene Entladungs- und Gasströmungskonzepte wurden untersucht und realisiert. Die am häufigsten verwendete Konfiguration ist der schnelle axiale Flussaufbau, bei dem das Gas strömthohe Geschwindigkeit parallel zur optischen Achse und durch einen Wärmetauscher, bewegt durch ein Wurzelgebläse oder eine Turbine; Auf diese Weise wird die überschüssige Wärme abgeführt und gleichzeitig das Gas teilweise durch frische ersetzt, da sich das Gasgemisch während der Laseraktion kontinuierlich zersetzt. Dieses Konzept gewährleistet hohe Leistung und gute Strahlqualität. Trotz dieser Vorteile verursacht der Gasstrom jedoch einige inhärente Nachteile, z. Instabilitäten durch Turbulenzen, hohe Kosten, große Abmessungen, hohes Gewicht und häufige Wartung des Wurzelgebläses oder der Turbine sowie erhebliche Kosten durch den Gasverbrauch. Daher bestand die Herausforderung darin, ein Konzept zu entwickeln, das eine Ausgangsleistung im kW-Bereich ohne aktiven Gasumlauf ermöglicht.

Die CO2-SLAB-Technologie

  Die Lösung wurde im diffusionsgekühlten Brammen-Konzept gefunden, das fast zufällig von H. Opower6 in Deutschland und J. Tulip7 in Kanada entwickelt und patentiert wurde. Das Prinzip ist in Fig. 2 dargestellt: Ein eindimensionaler Wellenleiter wird zwischen den Elektroden zusammen mit den Spiegeln des optischen Resonators gebildet. Durch spezielle Strahlformungsoptik bestehendVon sphärischen und zylindrischen Spiegeln sowie einem räumlichen Filter kann ein qualitativ hochwertiger Laserstrahl mit M²1,1 erzeugt werden. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt etwa einen Millimeter und Genauigkeit und Ausrichtung sind natürlich schwierig.

  Die Wärme kann jedoch direkt durch die wassergekühlten Elektroden abgeführt werden und es ist kein Gasstrom erforderlich. Somit sind keine beweglichen Teile erforderlich und keine Gasschwankungen können den Strahl stören. Darüber hinaus kann das Gas über einen längeren Zeitraum sauber gehalten werden, was zu einem erheblich geringeren Gasverbrauch führt. Das Gassystem ist eine halbgeschlossene Konfiguration. das heißt, der Rezipient wird durch eine einfache Rotationspumpe evakuiert und dann mit einem Vorgemischgas gefüllt und abgesperrt. Eine Gasfüllung kann je nach Betriebsbedingungen etwa eine Woche oder länger verwendet werden, bevor sie ersetzt werden muss. Eine im Laserkopf installierte Vormischflasche (Abb. 3) mit einem Volumen von 10 Litern und einer FüllungDer Druck von 150 atm (also 1500 Nl) hält mehr als ein Jahr an und führt zu einer erheblichen Verringerunglaufende Kosten!

Abb. 3: CO2-Plattenlaser der ROFIN DC-Serie mit integrierter Gasversorgung

  Der erste Prototyp mit einer Ausgangsleistung von 1,5 kW wurde 1993 eingeführt. Seitdem konnte die Ausgangsleistung durch Weiterentwicklung der Entlademodule und der HF-Generatoren kontinuierlich erhöht werden (Abb. 4), wodurch die Elektrode vergrößert werden konnte Bereich unter Beibehaltung der homogenen Entladung. Da der Laser weder einen Gaskühler noch Pumpen oder Turbinen benötigt, kann trotz der erhöhten Elektrodenfläche und des Gasvolumens eine kompakte Größe für das System beibehalten werden. Die heute bei dieser Technologie kommerziell verfügbare Höchstleistung liegt bei 8 kW; dasDer Strahlqualitätsfaktor blieb jedoch konstant bei M²1,1.entsprechend einem Strahlparameterprodukt von ca. 3,5 mm rad! Somit ist die Leistungsverteilung ein nahezu ideal geformter Gaußscher Strahl (Abb. 5, links). Einige Schweißanwendungen erfordern jedoch eine breitere Naht bzw. höhere Linienenergien, was eine Vergrößerung des Fokusdurchmessers sowie eine Änderung des Strahlprofils vorzuziehen macht. Die spezielle Resonatorkonfiguration des Wellenleiterlasers enthält nicht die Möglichkeit des TEM01 * - ("Donut") - Modus, der sich als die am besten geeignete Energieverteilung für solche Anwendungen in der langen Periode von schnellen Axialflusslasern mit "" erwiesen hat ; herkömmliches & quot; Resonatoren; Daher wird der Donut-Modus (Abb. 5, rechts) durch eine spezielle optische Anordnung im Laserstrahlpfad erzeugt.

Das CO2-Plattenkonzept ist in industriellen Laseranwendungen mittlerweile gut etabliert: Mehr als 3000 Einheiten im Feld haben die hohe Zuverlässigkeit und die niedrigen Betriebskosten dieser Technologie bewiesen. AußerdemIch kann feststellen, dass die CO2-Plattenlaser-Technologie in den letzten Jahren wesentlich zur immer noch sehr starken Position der CO2-Lasertechnologie in der Materialbearbeitung und zum Marktwachstum beigetragen hat8.

M² < 1,1 (& quot; Gauß & quot;)M² ~ 2,2 ("Donut")

Abb. 5: Grund- und Donutmodus für CO2-Plattenlaser

  CO2-Plattenlaseranwendungen

  Die Laserleistung und Strahlqualität an die Grenzen zu bringen, ist nur dann sinnvoll, wenn diese Spezifikationen dem Prozess einen Vorteil bringen. Bei CO2 - Lasern bedeutet dies das Schneiden und Schweißen: Nahezu alle (> 90%) CO2 - Laserquellen hoher Leistung (1 kW) werden in diesen Bereichen mehr als 60% zum Schneiden verwendet, der Großteil bei Flachbettmaschinen.

  Anwendungen schneiden

  Der Vorteil einer Laserquelle mit verbesserter Strahlqualität für Schneidanwendungen liegt auf der Hand, da der kleinere Fokus eine kleinere Schnittfuge ermöglicht und somit weniger Material für den Trennvorgang aufgeschmolzen werden muss. Dies gilt zumindest solange derDas Material ist nicht zu dick, da bei dicken Materialien der schmale Schnitt die Entfernung des geschmolzenen Materials behindern kann. Der Löwenanteil bei den Schneidanwendungen betrifft jedoch Baustahl, Edelstahl oder Aluminium im Bereich von 1 bis 6 mm.

  Das Ergebnis zeigt deutlich, dass durch den Laser, der die verbesserte Strahlqualität liefert, viel weniger Leistung ausreicht. Nur bei höheren Dicken jenseits von 6 mm wird ein minimaler Vorteil des schnellen Axialflusssystems bei der höheren Leistung in Bezug auf die Schnittgeschwindigkeit erkennbar9.

Abb. 6: Vergleich der Schnittgeschwindigkeit in Baustahl: 2,5 kW Bramme vs. 4 kW Fast-Axial-Flow9

  Der Effekt einer verbesserten Strahlqualität ist sogar noch beeindruckender, wenn das Schmelzschneiden von Aluminium in Betracht gezogen wird (Abb. 7). Unterhalb einer Dicke von 2 mm ist die Geschwindigkeit für den 2,5-kW-Slab-Laser um 20 erheblich höher als für das System mit schnellem axialem Fluss, während er zwischen 2 und 4 mm fast gleich ist. Bei einer höheren Dicke kann jedoch der breitere Schnitt, der durch das 4-kW-System mit schnellem axialem Fluss erzeugt wird, einige Vorteile haben.Ähnliche Effekte wurden beim Schneiden von Edelstahl beobachtet, aber der breitere Balken kann sogar bei einer Dicke von etwa 2 mm vorteilhaft sein. Für das Schneiden mit hoher Geschwindigkeit bei oder unter 1 mm ist der Vorteil der hohen Strahlqualität jedoch beträchtlich. EINspezielles zweidimensionales Hochgeschwindigkeits-Schneidsystem mit einemEindringtiefe [mm]Dadurch werden die Wärmeeinflusszone und die Verzerrung des Teils reduziert.

Abb. 8: Vergleich der Schweißgeschwindigkeit für verschiedene Strahlqualitäten und Laser bzw. 11

  Als Beispiel kann ein Querschnitt von Getriebekomponenten,wurde für die Naht auf der rechten Seite verwendet11. Bei nahezu gleicher Schweißnahttiefe erzeugte der Laser mit schlechter Strahlqualität eine breitere Naht. Andererseits erfordern eine schmälere Naht und eine engere Wechselwirkungszone zwischen dem Laserstrahl und den zu schweißenden Teilen eine verbesserte Kantenvorbereitung im Fall des Stumpfschweißens, da sonst der Strahl "durchfällt". die Naht. Darüber hinaus erfordern einige Anwendungen aus metallurgischen Gründen einen breiteren Strahl, wie in Kapitel 2.1 dargelegt, wodurch der Strahl für den Donut-Modus erforderlich wurde.

Profil- und Rohrschweißen mit CO2-Plattenlaser

Abb. 9: Vergleich von Schweißnähten mit Lasern unterschiedlicher Strahlqualität bei gleicher Geschwindigkeit11

  Durch den Einsatz eines CO2-Slab-Lasers von 4,5 kW konnte eine deutliche Verbesserung der Geschwindigkeit gegenüber dem herkömmlichen WIG-Schweißverfahren erreicht werden(ROFIN DC045) für das Schweißen von Rohren aus Edelstahl: In einer Rohrmühle werden mit 16 m / min 18 x 1 [mm] -Röhren hergestellt, im Vergleich zu 5,5 m / min, die mit dem WIG erreicht wurden -Schweißprozess vor12. Und diese hohe Geschwindigkeit wird durch einen nachfolgenden Prozess und nicht durch den Laserschweißprozess selbst begrenzt. Für diese Aufgabe wird ein komplettes Strahlführungssystem mit integrierten Prozesssensoren, Spalterkennung und Nahtverfolgung mit einem CO2-Wellenleiterlaser (ROFIN PWS, Profile Welding System, Abb. 10 und Abb. 11) eingesetzt. Das berührungslose Sensorsystem, Linearmotorantriebe, eine PC-basierte Steuerung und eine integrierte SPS sorgen für eine exakte Positionierung des Laserspots mit einer Genauigkeit von 20 µm auch bei höchster Produktionsgeschwindigkeit von 60 m / min! Der an einem x-y-z-c-System montierte Schweißkopf bietet hohe Flexibilität durch unterschiedliche Brennweiten, verschiedene Düsen sowie die Gaszufuhr. Schweißbeispiele sind in Abb. 12 dargestellt.

Abb. 10: ROFIN PWS System (Skizze)

Abb. 11: ROFIN-Profilschweißanlage PWS mit 6 kW CO2-Plattenlaser

Abb. 12: Querschnitte von lasergeschweißten Rohren aus Edelstahl (1.4301)

Remote-Schweißsystem (RWS)

Bisher wurde die verbesserte Strahlqualität, die das CO2-Plattenkonzept bietet, zur Erzeugung einer höheren Leistungsdichte in einem kleineren Brennfleck verwendet. Höchste Leistungsdichte ist jedoch nicht immer notwendig. Eine angemessene Leistungsdichte ist ausreichend für das Dünnblechschweißen. In einer solchen Situation kann die verbesserte Strahlqualität in einen großen Arbeitsabstand im Bereich von einem Meter oder mehr umgesetzt werden! Eine solche Idee hat zu einem Konzept geführt, das eine ähnliche Strahlabtasttechnologie verwendet, wie sie in Markierungsanwendungen für einen Hochleistungsschweißprozess in einem sogenannten Remote-Laserschweißsystem verwendet wird. Das allgemeine Prinzip wird in der Skizze in Abb. 13 erläutert: Ein auf einem Kardanrahmen montierter Spiegel kann den Fokus sehr schnell auf einer Kugelfläche bewegen; um dies zu kompensieren, d. h. um den Fokus auf ein flaches Feld in der Arbeitsebene zu bringen, kann die Fokussierlinse verschoben werden (z). Schließlich kann der Spiegel auch linear bewegt werden, um das Arbeitsfeld in z-Richtung zu erweitern. Auf diese Weise kann der Fokus auf einer Fläche von 1500 mm x 2400 mm und einem Höhenbereich von 650 mm sehr schnell positioniert werden. Ein vollständiges System (ohne Arbeitskammer) ist in Abb. 14 dargestellt. Der Vorteil eines solchen Systems liegt auf der Hand: Durch die schnelle Bewegung kann die Technologie der Remote-Schweißsysteme die Anzahl der Punkt- oder Linienschweißungen in einem bestimmten Zyklus erhöhen Zeit um einen Faktor von bis zu zehn. Die unbegrenzte Vielfalt der Schweißkonturen im Arbeitsbereich eröffnet neue und aufregende Möglichkeiten in Konstruktion und Konstruktion. Die prominentesten Teile sind Autotüren, Motorhauben- oder Kofferraumabdeckungen und Säulen. Natürlich hängt die Bearbeitungszeit vom Einzelteil und von der Länge, Form und Anzahl der Schweißnähte ab, aber als grobe Schätzung können ungefähr 100 typische Schweißnähte innerhalb von etwa 40 Sekunden ausgeführt werden. Zur Befestigung der Teile sind spezielle Spannsysteme erforderlich, die gegebenenfalls Schutzgas liefern.

                                                   Abb. 13: Skizze des Remote-Laser-Schweißsystems (RWS)Abb. 14: RWS-Produktionssystem