In den letzten Jahren entwickelten sich Laser zu wichtigenWerkzeugen der industierellen Fertigung. HoheProzessgeschwindigkeit und gute Schweißqualität, niedrigeWärmebelastung sowie die hoheFlexibilität sind wesentlicheVorteile des Laserschweißens. Obwohl die heutigen lam-pengepumpten Nd:YAG-Laser teurer sind und eine schlech-tere Fokussierbarkeit als CO -Laser aufweisen, finden diesein immer mehr Anwendungsbereichen Verwendung, speziellbeim cw-Schweißen von 3D-Strukturen. Die kürzere Wellen-länge der Nd:YAG-Laser im Vergleich zu CO -Lasernmachtden Strahltransport durch Glasfasern möglich, welche einehohe Flexibilität sowie niedrige Kosten der Handhabungs-geräte erlauben. Des Weiteren wird der Laserstrahl mit derkürzeren Wellenlänge in Metallen besser absorbiert und istweniger empfindlich bezüglich des laserinduzierten Plasmas.Hinsichtlich dieser Aspekte und unter Berücksichtigung derKundenanforderungen, sowie einer marktgerechten Gestal-tung, sind neueste Entwicklungen darauf gerichtet, die obengenannten Nachteile der lampengepumpten Festkörperlaserzu reduzieren. Laser der neusten Generation, Scheibenlasersowie Faserlaser, zeichnen sich durch ihre sehr gute Fokus-sierbarkeit und hohe Effizienz aus. Für die Anwendung istüberdies die Fokussierbarkeit interessant. Sie beschreibt,wiestark sich ein Laserstrahl maximal mit optischen Elementenfokussieren lässt und wird über das inverse Strahlenpara-meterprodukt festgelegt. Stärkere Fokussierbarkeit lässtsich nutzen, um kleinere Fokusdurchmesser zu erzielen, dieDimensionen optischer Elemente und verwendender Bear-beitungsköpfe zu reduzieren, die Schärfentiefe (Rayleigh-Länge) auszudehnen und um größere Arbeitsabstände zwi-schen Fokussieroptik undWerkstück zuschaffen.

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dung 1 stellt die Einschweiß-tiefe für Stahl (links) undAluminium (rechts) beiverschiedenen Fokusdurch-messern in Abhängigkeit derVorschubgeschwindigkeit dar.Die Schweißergebnisse wur-den hierbei im Falle derFokusdurchmesser von 300bis 450 µm mit einem lampen-gepumpten Stablaser (LSL)mit 4 kW max. Leistung undbei Durchmessern von 75 bis200 µm mit einem diodenge-pumpten Scheibenlaser (DSL)durchgeführt.Die Diagramme zeigen für diebeiden Materialien einenbeachtlichen Einfluss desFokusdurchmessers auf dieEinschweißtiefe. Die dreiKurven, welche mit demlampengepumpten Systemrealisiert sind, zeigen die klareAbhängigkeit der Einschweiß-tiefe vom Fokusdurchmesserab einer Geschwindigkeit vonungefähr 6 m/min. DerWechsel zum Scheibenlaserermöglicht Fokusdurchmesservon 200 - 75 µm. Hierbei trittein unerwartetes Verhaltenauf : D ie Zunahme derEinschweißtiefe mit abneh-mendem Fokusdurchmessersetzt sich für beide Materialennur bis zum Durchmesser von1 5 0 µm fo r t . B e i derSchweißung mit den Fokus-durchmessern 100 und 75 µmvermindert sich die Eins-chweißtiefe.

Einfluss des Fokusdurch-messers auf die Quer-schnittsflächeUm den Mechanismus zuerklären, der diese Abnahmeder Einschweißtiefe verur-sacht, wird zunächst die Quer-schnittsfläche der Schweiß-naht untersucht, welche reprä-sentativ für den Prozess-wirkungsgrad ist. Es liegt dieVermutung nahe, dass einlaserinduziertes Plasmas dieBedingungen für die Energie-einkopplungdurchAbsorptionund Reflektion verändernkönnte. Vom Schweißen mitCO -Lasern kennt man denstarken Einfluss von Gasen,besonders Helium, auf diePlasmaausbildung. Dies wirdhier selbst bei stärkster Fokus-sierung auf 75 µm nichtbeobachtet, siehe Abbildung 2(links).Abbildung 2 (rechts) zeigt,dass die Querschnittsfläche imWesentlichen unabhängigvom eingestellten Fokus-durchmesser ist. Dies bedeutetwiederum, dass der Prozess-wirkungsgrad nicht durch dieGröße des Fokusdurchmessersverändert wird.Dagegen ist ein starkerEinfluss der Fokussierung aufdie Schweißnahtform zu beo-bachten (Abb. 3): Oberhalbeiner Geschwindigkeit von6 m/min zeigt sich, dass sichdie Schweißnahtformen inAb-hängigkeit der Fokussier-

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Anwendungspotenzial stark fokussierender Laser

Abb. 1: Einschweißtiefe in Abhängigkeit des Vorschubs in Stahlund Aluminium.

St 14PL = 3 kWt = 4 mm

0

1

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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Vorschubgeschwindigkeit in m/min

df = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSL

AlMgSi1PL = 3 kWt = 4 mm

0

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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Vorschubgeschwindigkeit in m/min

df = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSL

St 14PL = 3 kWt = 4 mm

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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Vorschubgeschwindigkeit in m/min

df = 75 µm df = 100 µmdf = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSLdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSLdf = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSL

AlMgSi1PL = 3 kWt = 4 mm

0

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2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Vorschubgeschwindigkeit in m/min

df = 75 µm df = 100 µmdf = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSLdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSLdf = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSLdf = 300 µm df = 450 µmdf = 600 µm

LSL

Von den genannten Möglich-keitenwird bisher lediglich dieletztgenannte in größeremUmfang genutzt. Für die Nut-zung von Scannern zum soge-nannten Remoteschweißen isteine starke Fokussierbarkeitnotwendige Bedingung. Auchwirkt sich dabei eine Stei-gerung der Fokussierbarkeitbesonders stark aus.Wenig beachtet werden hin-gegen die Möglichkeiten, diesich aus der Reduzierung desFokusdurchmessers ergeben.B e i aus re i chend hoherVorschubgeschwindigkeit(v>=6 m/min) skaliert dieEinschweißtiefe mit P/d , d. h.der Einfluss des Fokusdurch-messers auf die Schweißtiefeweist den gleichen Stellen-wert auf wie die Laserleis-

f

tung. Mit der Verfügbarkeitdes 4 kW Scheibenlasers sinderstmalig Tiefschweißungenim hohen Leistungsbereichmit Fokusdurchmessern bis zu75 µm möglich. Im Folgen-den soll das hieraus resul-tierende Potential zur Erzie-lung von Schweißnähten mithohem Aspektverhältnisdargestelltwerden.

ExperimentelleErgebnisseEinfluss des Fokusdurch-messers auf die Einschweiß-tiefeDie Einschweißtiefe wird beiSchweißgeschwindigkeitenüber 6 m/min maßgeblichdurch den Fokusdurchmesserbeeinflusst, da mit dessenAbnahme die mittlere Intensi-tät im Fokus ansteigt. Abbil-

Abdruck aus Laser Magazin 6/2005

tem Fokusdurchmesser durchVeränderung des Abbildungs-verhältnisses und des Kern-durchmessers der Glasfaservariiert. Auf diesem Weglassen sich zwei verschiedeneDivergenzwinkel ( = 11,31°und = 8,59°) bei einemF o k u s d u r c h m e s s e r v o n100 µm realisieren.Der Einfluss der unterschied-lichen Divergenzwinkel aufdie Einschweißtiefe für Stahlund Aluminium sind deutlichin Abbildung 4 zu sehen.Dabei führt die kleinereDivergenz zu einer größerenEinschweißtiefe im gesamtenuntersuchten Geschwindig-keitsbereich. Für Vorschub-g e s c h w i n d i g k e i t e n b i sv<=6 m/min, bei denen dieEinschweißtiefe zunehmendvon Wärmeleitung geprägtwird, nähern sich die beidenKurven einanderan. Hingegenführt bei größeren Geschwin-digkeiten der kleinere Diver-genzwinkel zu einem Tiefen-gewinn bis ungefähr 0,45 mmfür Stahl und sogar 1 mm fürAluminium.Für zwei reprä-sentative Vorschubgeschwin-digkeiten und die beidenMaterialien Stahl und Alumi-nium fasst Abbildung 5 dieoben geschilderten Ergebnissezusammen: Bei Fokusdurch-messern zwischen d = 600 µmund 200 µm ist die Ein-

θθ

0

0

f

schweißtiefe, in Überein-s t immung mit f rüherenAussagen, tatsächlich propor-tional zu 1/d . Jedoch setzt beica. 150 µm eine plötzlicheUmkehr ein, die sogar zu einerAbnahme der Einschweißtiefeführt. In einer tiefer gehendenBetrachtung wird dies durchdie Intensitätsverteilung ent-lang der Strahlpropagationerklärt. Durch eine Vermin-derung des Divergenzwinkels(z. B. durch ein kleineresStrahlparameterprodukt des

f

bedingungen verändern undzusätzlich in drei Gruppenklassifizieren lassen. DieNähte mit der größtenEinschweißtiefe (d = 150 µmund 200 µm) weisen eineschlanke Form auf. Dies ist dieFolge der verbesser tenFokussierbarkeit und des Ab-bildungsverhältnisses von 1:1( = 5,71°). Eine nähere Be-trachtung der Nahtgeometriefür d = 75 µm und 100 µm( = 11,31°) zeigt, dass dieseitliche Neigung der Naht-flanken den gleichen Winkelwie der fokussierte Laserstrahlin freier Propagation aufweist.Offensichtlich spielt bei solchstarken Fokussierungen nichtnur der Taillendurchmesserdes Strahls sondern auch seineDivergenz eine entscheidendeRolle für die Energieein-kopplung und die dadurchresultierende Einschweißtiefe.

Aus den bisherigen Ergeb-nissen lässt sich ableiten, dassder Divergenzwinkel dieNahtform beim SchweißenmitFokusdurchmessern kleinerals 200 µm entscheidendbeeinflusst. Um diesen Effektauf d i rek tem Wege zudemonstrieren, wird derDivergenzwinkel bei konstan-

f

f

0

θ0

θ

Einfluss des Divergenz-winkels bei Fokusdurch-messern kleiner 200 µm

eines sehr kleinen Fokus-durchmessers und geringenDivergenzwinkels möglichmachen würde, wird eineweitere Erhöhung der Ein-schweißtiefe und eine Verbes-serung der Schweißnaht-qualität erwartet. Stark fokus-sierbare Laser, wie der Schei-benlaser oder der Faserlaser,haben das Potential, umdiesenAnsatz weiter zuverfolgen.

Abb. 2: Querschnittsfläche für verschiedene Schutzgase (links)und Fokusdurchmesser (rechts) in Abhängigkeit derVorschubgeschwindigkeit.

Institutsadresse:Institut für StrahlwerkzeugePfaffenwaldring 4370569 StuttgartTel.: +49 (0)711-685 6840Fax: +49 (0)711-685 6842http://www.ifsw.uni-stuttgart.de

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Dipl.-Ing. Jan Weberpals

Abb. 3: Querschnittsfläche für Fokusdurchmesser bis 450 µmbei einer Vorschubgeschwindigkeit von 9 m/min in 4 mm dickemStahl.

Abb. 5: Einschweißtiefe für Stahl und Aluminium als Funktiondes inversen Fokusdurchmessers.

Lasersystems) lässt sich dem-nach die Einschweißtiefeerhöhen.

Es konnte gezeigt werden,dass bei sehr hohen Intensi-täten, wie sie mit stark fokus-sierenden Lasern erreichtwerdenkönnen, die Divergenzdes fokussierten Strahls einebeachtliche Rolle spielt: ImBereich von Fokusdurchmes-sern unter 200 µm stellt derDivergenzwinkel des fokus-sierten Strahls einen limitie-renden Faktor bezüglich derEinschweißtiefe dar. Von einerweiteren Steigerung derFokussierbarkeit, welche diegleichzeitige Verwendung

Zusammenfassung

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3df = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µm LSL

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

St 14PL = 3 kWt = 4 mm

Helium Arg onStickstoff Kohlendioxidohne

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St 14PL = 3 kWdf = 75 µm

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

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3df = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µm LSL

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

St 14PL = 3 kWt = 4 mm

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3df = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µm LSL

df = 75 µm df = 100 µmdf = 75 µm df = 100 µmdf = 150 µm df = 200 µm DSLdf = 150 µm df = 200 µm DSL

df = 300 µm df = 450 µm LSLdf = 300 µm df = 450 µm LSL

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

St 14PL = 3 kWt = 4 mm

Helium Arg onStickstoff Kohlendioxidohne

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St 14PL = 3 kWdf = 75 µm

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

Helium Arg onStickstoff Kohlendioxidohne

Helium Arg onStickstoff Kohlendioxidohne

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St 14PL = 3 kWdf = 75 µm

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

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St 14PL = 3 kWdf = 75 µm

02 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Vorschubgeschwindigkeit in m/min

d f = 100 µmSt 14; t = 4 mm

0

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Vorschubgeschwindigkeit in m/min

Divergenzwinkel 8,59°

Divergenzwinkel 11,31°

df = 100 µmAlMgSi1; t = 4 mm

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Vorschubgeschwindigkeit in m/min

Divergenzwinkel 8,59°

Divergenzwinkel 11,31

d f = 100 µmSt 14; t = 4 mm

0

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Vorschubgeschwindigkeit in m/min

Divergenzwinkel 8,59°

Divergenzwinkel 11,31°

df = 100 µmAlMgSi1; t = 4 mm

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Vorschubgeschwindigkeit in m/min

Divergenzwinkel 8,59°

Divergenzwinkel 11,31

Abb. 4: Einschweißtiefe als Funktion der Vorschubgeschwin-digkeit für zwei verschiedene Divergenzwinkel in Stahl (links)und Aluminium (rechts);P = 3 kW, d = 100 µm.L f

t = 4 mmv = 5 m/min

0 3 6 9 12 151/Fokusdurchmesser in 1/mm

St 14

A lMgSi1

t ~ 1/df

θ0 = 11,31°St 14

AlMgSi1

θ0 = 8,59°

d f = 75 µmd f = 600 µm

df = 2 00 µm t = 4 mmv = 10 m/min

0 3 6 9 12 151/Fokusdurchmesser in 1/mm

St 14

A lMgSi1

t ~ 1/df

θ0 = 11,31°St 14

AlMgSi1

θ0 = 8,59°

df = 75 µm

d f = 600 µm

df = 200 µm

0

1

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4

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4t = 4 mmv = 5 m/min

0 3 6 9 12 151/Fokusdurchmesser in 1/mm

St 14S t 14

A lMgSi1A lMgSi1

t ~ 1/df

θ0 = 11,31°St 14

AlMgSi1

θ0 = 8,59°St 14St 14

AlMgSi1AlMgSi1

θ0 = 8,59°

d f = 75 µmd f = 600 µm

df = 2 00 µm t = 4 mmv = 10 m/min

0 3 6 9 12 151/Fokusdurchmesser in 1/mm

St 14S t 14

A lMgSi1A lMgSi1

t ~ 1/df

θ0 = 11,31°St 14

AlMgSi1

θ0 = 8,59°St 14St 14

AlMgSi1AlMgSi1

θ0 = 8,59°

df = 75 µm

d f = 600 µm

df = 200 µm

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df = 75 µm df = 100 µm df = 150 µm df = 200 µm df = 300 µm df = 450 µm