Lasertechnik

In der Lasertechnik werden technische Gase vor allem in der Materialbearbeitung benötigt. Unter fertigungstechnischen Aspekten ist die Laser-Materialbearbeitung gegenüber konventionellen Verfahren durch hohe Verfahrens-, Produkt- und Mengenflexibilität gekennzeichnet. Um höhere Produktionsraten und bessere Bearbeitungsqualität bei gleichzeitig sinkenden Kosten zu erzielen, kommt den Gasen große Bedeutung zu.

Laserstrahlquellen

Laser für die Materialbearbeitung

Wegen des hohen Leistungsvermögens haben sich bisher der CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser und Excimer-Laser durchgesetzt. Zunehmend gewinnt auch der Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) an Bedeutung. CO₂- und Excimer-Laser sind »Gaslaser«: Beide benötigen technische Gase als Betriebsvoraussetzung.

• Betriebsgase für CO₂-Laser: CO₂ 4.5, He 4.6 und N₂ 5.0 als Einzelgase
  Gemische je nach Laserstrahlquelle Lasergas I, Lasergas II, Lasergas III.
• Betriebsgase für Excimer-Laser: He 4.6, KrF, ArF, XeCI

CO₂-Laser

CO₂-Laser erzeugen infrarote Laserstrahlung bei 10,6 µm Wellenlänge. Die Ausgangsleistungen betragen bis 20 kW. Der Betrieb ist kontinuierlich (cw) und gepulst (pw) möglich. Der Wirkungsgrad erreicht bis zu zwölf Prozent. Die daraus resultierende überschüssige Wärmeenergie wird durch Umwälzen des Gases abgeführt.

Excimer-Laser.

Excimer-Laser arbeiten im Pulsbetrieb bei einer mittleren Ausgangsleistung von maximal 200 W. Sie werden vorwiegend zur Fein- und Mikrobearbeitung eingesetzt und können mit verschiedenen Edelgas-Halogen-Gemischen betrieben werden. Excimere (excited dimers) sind instabile Edelgas-Halogen-Moleküle mit kurzer Lebensdauer, die im Laser erzeugt werden. Dieser emittiert im UV-Wellenlängenbereich zwischen 190 und 350 mm. Der Wirkungsgrad beträgt maximal zwei Prozent. Die Ableitung der Verlustwärme erfolgt ebenfalls durch Gasumwälzung.

Nd:YAG-Laser.

Nd:YAG-Laser sind Festkörperlaser. Das laseraktive Medium ist ein YAG-Kristall mit Nd-Ionen dotiert. Nd:YAG-Laser arbeiten bei einer festen Wellenlänge von 1,06 µm und können sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden. Der Wirkungsgrad beträgt maximal drei Prozent; die Koppelung von Nd:YAG- und Diodenlaser erzielt Wirkungsgrade bis zehn Prozent. Die Verlustwärme wird durch eine Wasserkühlung abgeführt. Dieser Lasertyp ist sowohl für die Fein- als auch für die Makrobearbeitung interessant. Seine Strahlung lässt sich fast verlustfrei über flexible Lichtleitfasern führen und so kostengünstig an den Bearbeitungsort leiten.

Hochleistungsdiodenlaser.

Der neueste Laser für die Materialbearbeitung ist der Hochleistungsdiodenlaser (HLDL), dessen Leistungskapazitäten vier kW und mehr betragen. Besonderer Vorteil des HLDL ist ein sehr hoher Wirkungsgrad von über 40 Prozent. Mit einem deutlich geringeren Bauvolumen sind HLDL-Geräte zudem kompakter und damit platzsparender als alle anderen Laser-Typen für die Materialbearbeitung. Die laufende Optimierung der Strahlqualität erschließt zunehmend das große Einsatz-Potential: Erfolgreich bewährt hat sich die HLDL-Technologie bereits beim Kunststoffschweißen sowie beim Laserlöten und –härten. Auch beim Wärmeleitungsschweißen zeigen gute Test-Ergebnisse die Leistungsstärke des Lasers.

Verfahren

Materialbearbeitung mit Lasern.

In der Laser-Materialbearbeitung werden die hohe Intensität und Bündelungsschärfe der Laserstrahlung zum Schneiden, Bohren, Schweißen, Strukturieren, Beschriften und Oberflächenbehandeln unterschiedlichster Materialien genutzt.

Laserschneiden

Das klassische Verfahren ist das Laserschneiden. Dazu wird die Laserstrahlung mit einer Linse oder einem Spiegel auf oder in das zu trennende Werkstück fokussiert. Je nach eingebrachter Strahlungsenergie schmilzt, verbrennt oder verdampft das Material. Ein koaxial zum Laserstrahl geführter Gasstrom entfernt das Material aus der Schnittfuge. Bei Einsatz inerter Prozessgase spricht man vom Laser-Schmelzschneiden. Das Trennen mit Sauerstoff wird als Laser-Brennschneiden bezeichnet. Durch veränderte Parameter, wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Lage des Fokus, Brennweite der Linse, Art und Druck des Prozessgases, kann die Bearbeitung optimiert werden. Schneiden lassen sich alle Materialien, die die Laserstrahlung ausreichend absorbieren.

• Prozessgase: Sauerstoff 3.5 für unlegierte Stähle Stickstoff 4.8/5.0 für hochlegierte Stähle, Aluminium und unlegierte Stähle, deren Schnittflächen Oxydfreiheit erfordern.

Laser-Schweißen.

Das Laser-Schweißen ist ein atmosphärisches Schweißverfahren. Es ermöglich das Punkt- und Nahtschweißen, meist ohne Zusatzmedium. Man unterscheidet zwischen Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen. Beim Wärmeleitungsschweißen wird der Laserstrahl durch Wärmeleitung ins Material geführt. So entsteht eine flache, breite Naht. Der Tiefschweißeffekt tritt erst bei größeren Strahlungsintensitäten auf: Der Laserstrahl wird in dem in der Schweißfuge erzeugten Plasma in die Tiefe reflektiert und erzeugt so eine besonders tiefe Schweißnaht. Um die hohe Nahtqualität zu gewährleisten und die Geschwindigkeit zu erhöhen, wird zumeist ein Schutzgas verwendet. Dieses schirmt das Schweißgut von der Umgebungsluft ab und beeinflusst zudem das Schweißplasma positiv.

Gase zum Laser-Schweißen

Prozessgase erfüllen beim Laser-Schweißen zwei wichtige Aufgaben: Zum einen wird das Plasma in der Schweißnaht positiv beeinflusst, zum anderen schützen die Gase das Schweißgut vor unerwünschten Einflüssen der Umgebungs-Luft. Ideal geeignet sind hierfür Helium und Argon mit Reinheiten ab 4.6 (99,996 Vol.-%) und deren Gemische.

Laser-Oberflächenbehandlung.

Die Laser-Oberflächenbehandlung (Härten, Umschmelzen, Beschichten) ist bisher noch wenig verbreitet. Das Härten erfolgt unterhalb der Schmelztemperatur durch Selbstabschreckung ohne externes Kühlmedium und wird an Teilbereichen komplexer Bauteile eingesetzt. Das Umschmelzen findet oberhalb der Schmelztemperatur statt und wird überwiegend bei Gusswerkstoffen angewandt. Das Beschichten erfolgt durch Aufbringen des meist pulverförmigen Fremdmaterials oberhalb der Schmelztemperatur. Die Verschleißfestigkeit des bearbeitenden Materials kann so wesentlich erhöht werden.

Laserbohren.

Das Laserbohren ermöglicht Bohrungen mit Durchmessern zwischen etwa 10 µm und 1 mm. Das Verfahren ist zum Herstellen von Düsenbohrungen, Kühlbohrungen, Ölbohrungen für Schmierungszwecke sowie Schrägbohrungen in Luftleitflächen interessant. Auch extrem kleine Bohrungsdurchmesser können realisiert werden.

Laserhybrid bzw. Laser-MIG-Schweißen

Die Kombination des Laserschweißens mit einem anderen Schweißverfahren bezeichnet man als Hybridschweißverfahren. Es wirken also ein Laserstrahl und ein Lichtbogen zeitgleich in einer Schweißzone und beeinflussen bzw. unterstützen sich gegenseitig. Beim Laserschweißprozeß ist die Spaltüberbrückbarkeit aufgrund des kleinen Fokusdurchmessers sehr gering, jedoch können sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden. Der MIG-Schweißprozeß weist eine wesentlich geringere Energiedichte auf, besitzt einen größeren Brennfleck auf der Werkstückoberfläche und ist durch eine gute Spaltüberbrückbarkeit charakterisiert. Beide Verfahren als Kombination bewirken hohe Schweißgeschwindigkeiten in einem stabilen Prozeß.