Fertigungstechnik (Subject) / Laser I (Lesson)

Lasermaterialbearbeitung

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• Mit welcher Strahlung ist das Schneiden mittels Laser möglich: - gepulste Laserstrahlung, hohe Intensität - kontinueierlicher Strahlung, hohe Leistung verfügbar
• Welcher Hauptgruppe werden das Laserstrahlschneiden und das Laserstrahlbohren zugeordnet? Trennen
• Welche Grundprinzipien der Bohrverfahren kennen Sie: - Einzelpulsbohren - Perkussionsbohren - Trepanieren - Wendelbohren
• Merkmale und Einsatzbereich des Einzelpulsbohrens: - kurze Impulse im Bereich weniger Nanosekunden - Bohrtiefe abh. von Pulsleistung - Bohrrate von einigen tasend Löchern pro Sekunde - kommt im Luftfahrtbereich zum Einsatz (Bohrungen in Flügelteilen saugen turbulente Stömungsschichten ab)
• Merkmale des Trepanierens: - Schneide mit gepulster Strahlung wird realisiert - Perkussionsbohren + Bahnbewegung (gepulst) - konische Hinterschnitte möglich - einzelne Impulse durchtrennen das Material
• Merkmale des Perkussionsbohrens: - mehrfach auf derselben Position bohren - schrittweiser Vortrieb in Z-Richtung - tiefe Bohrung möglich - Strahleintrittsseite schlechte Bohrqualität durch recast
• Merkmale des Wendelbohrens: - Überlagerung des Trepanierbohrens und des Perkussionsbohrens - permanenter Laserstrahl in kreisförmiger Bahn
• Welche Hauptvarianten des Schneidens in Bezug auf Lasermaterialbearbeitung kennen Sie? - Brennschneiden - Schmelzschneiden - Sublimierscheiden
• Was sind Nachteile des Schmelzschneidens gegenüber dem Brennschneiden? - Schmelzschneiden ist langsamer - Der Energiebedarf ist größer, Schneidgeschwindigkeit halb so groß - Verluste durch Reflexion, Transmission und Wärmeleitung
• Was ist die erreichbare Schnittgeschwindigkeit beim Laserbrennschneiden? 15 m/min
• Was ist die mögliche Blechdicke die mittels Laserbrennnschneiden geschnitten werden kann? 40 mm
• Was ist mit sog. Striations gemeint? - die Ausbildung einer großen Oberflächenrauigkeit an der brenngeschnittenen Fläche
• Wie kann die Bildung von Strations vermindert werden? - Einsatz höherer Laserleistung - Einstellung entsprechender Parameter, wie einer erhöhten Schnittgeschwindigkeit (ca. 60   mm/sec)
• Mit welcher Strahlung ist das Schneiden mittels Laser möglich: - gepulste Laserstrahlung, hohe Intensität - kontinueierlicher Strahlung, hohe Leistung verfügbar
• Was sind Voteile des Sublimierschneidens? - gut geeignet für Nichtmetalle - sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten - Oxid- und riefenfrei
• Wie hoch sind die Vorschubgeschwindigkeiten beim Laserchemischen Schneiden? 50 µm/sec
• Weshalb ist das Laserchemische Schneiden trotz der sehr geringen Geschwindigkeit von Interesse? - keine thermische Beeinflussung des Werkstücks - Es können sehr hohe Oberflächenqualitäten erreicht werden - Sehr kleine Bauteile können sehr genau gefertigt werden
• Was sind die drei Oberflächenbearbeitungssysteme OHNE Zusatzmaterial: - Schockhärten - Umwandlungshärten - Umschmelzen
• Was sind die drei Oberflächenbearbeitungssysteme MIT Zusatzmaterial: - Legieren - Dispergieren - Beschichten
• Welche grundlegenden Verschleißmechanismen können in der Tribologie unterschieden werden? - Abrasion - Adhäsion - Oberflächenzerrüttung - Tribochemische Reaktion
• Was sind die grundsätzlichen Vorteile des Laserstrahlschweißens gegenüber herkömmlichen Methoden (bspw. Widerstandspunktschweißen)? - geringe Streckenenergie - geringer Verzug - höhere Schweißgeschwindigkeit - gute Skalierbarkeit - breites Blechdicken Spektrum
• Wovon ist die Fresnel-Adsorption beim Wärmeleitungsschweißen (WLS) abhängig? - Wellenlänge des Strahls - Werkstück-Material - Oberflächenbeschaffenheit - Wärme des Werkstücks
• Warum ist Nd:YAG-Laserstrahlung besser für das WLS geeignet als CO2 Laser? - kürzerer Wellenlänge (bessere Absorption) - bessere Fokussierbarkeit
• Welche Größen haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Größe des Schmelzbades beim WLS? - volumenbezogene Wärmekapazität (erforderliche Wärmemenge / Volumeneineit) - Wärmeleitfähigkeit → je größer, desto kleiner das Schmelzbad ⇒ Temperaturleitfähigkeit (Energieverlust durch Wärmeleitung in das Volumen hinein)     → je größer, desto höher muss Intensität sein
• Wichtige Zusammenhänge der Wärmeleitung: - Je größer die Wärmeleitfähigkeit, desto schneller verteilt die Wärme sich im Werkstück - Je größer die Wärmeleitfähigkeit ist, desto kleiner ist das Schmelzbad - Aus der Dichter und der Wärmekapazität kann die erforderliche Wärmemenge pro Volumeneinheit berechnet werden - Je größer die Temperaturleitfähigkeit, desto größer muss die Intensität an der Oberfläche sein, um das gleiche Ergebnis bezüglich der Erwärmung zu erreichen
• Welche Terme sind für die Energiebilanz der Wärmeleitungsschweißen von Bedeutung? - Wärmestrahlung des Schmelzbades - Wärmeabtransport durch über verdampfendes Metall - Wärmeleitung in das Grundmaterial - Energie für die Erwärmung und das Aufschmelzen
• WLS mit Diodenlasern: Wie verhält sich die Fresnelabsorption mit fallender Wellenlänge? - Absorption steigt
• Wie sieht der Strahlquerschnitt eines direkt eingekoppelten Diodenlasers aus? - rechteckig mit Seitenverhältnis >2 und dachförmiger Intensitätsverteilung
• Wie kann die typische Breite Naht beim WLS-Schweißen von Stahl verringert werden? (typisch: Breite / Tiefe 2:1) - Mittels Spalt und somit der Einkoppelung der Laserleistung über die Stoßkanten - Anwendung geeigneter Schutzgase, um Strömungen der Schmelze an der Oberfläche vom Rand zur Mitte hervor zu rufen (Marangoni-Strömung)
• Merkmale des Wärmeleitungsschweißen (WLS) - Die Schweißgeschwindigkeit beim WLS mittels Laser ist deutlich höher als beim WIG-Schweißen - Die Schweißgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Blechdicke ab - CO2-Laser sind bei 2 mm Einschweißtiefe mit 5 m/min 3 mal schneller als WLS - WLS weist eine hohe Prozessstabilität bezüglich des Einstrahlwinkels auf / max. Schweißgeschwindigkeit nur gering vom Anstellwinkel abhängig - geringe Streckenenergie - geringer Verzug - gute Skalierbarkeit
• Muss beim WLS mit einem transparenten Fügepartner (Überlappnaht) dieser für das menschliche Auge durchsichtig sein? Nein, da die Wellenlängen (um 111µm) außerhalb des Sichtspektrums des menschlichen Auge liegen, können auch für uns undurchsichtige Kunsstoffe geschweißt werden
• Welche Aspekte sind für das WLS von Kunsstoffen wichtig? - Intensiver Kontakt der Fügepartner für Wärmeleitung - Es muss sich um einen thermoplastischen Kunststoff handeln
• Aussagen zum "Puls mit Anfangspeak" - Schlechte Einkopplung bei stark reflektierenden Werkstoffen wird verbessert - Leistungssteigerung, ohne im weiteren Verlauf des Pulses die Schmelze zu überhitzen - Der hohe Peak am Anfang des Pulses beschleunigt den Aufbau des Keyholes - 30% erhöhte Einschweißtiefe (vgl mit Standardpuls)
• Was ist eine "Aufsteigende Rampe" (Laser Pulsform) leicht verdampfende Werkstoffe oder solche mit guter Absorption können durch eine aufsteigende Rampe allmählich erwärmt werden.
• Was ist eine "Absteigende Rampe" (Laser Pulsform) Durch eine absteigende Rampe wird die Abkühlgeschwindigkeit reduziert, wodurch Rissbildung und Martensitbildung unterdrückt werden können.
• Welche Terme gehören zu einer Energiebilanz? - Laserenergie ΔE_L - Metalldampf ΔE_V - Schmelzenergie ΔE_S - Strahlungsenergie ΔE_R - Wärmeleitung ΔE_C - Konvektion ΔE_K
• Welche Terme in der Energiebilanz können aufgrund von sehr kleinen Werten Schmelzschweißen vernachlässigt werden? - Strahlungsenergie ΔE_R - Metalldampf ΔE_V - Konvektion ΔE_K
• Wie wirkt sich eine höhere Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmenden Intensitäts x Strahlradius auf die Einschweißtiefe aus? - Eine höhere Vorschubgeschwindigkeit reduziert die Einschweißtiefe
• Bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit hat ein Laserstrahl höherer Leistung eine _____ Einschweißtiefe höhere
• Das Produkt aus der Intensität des Laserstrahls und dem Strahldurchmesser ist proportional der _____ und der _____. - Einschweißtiefe - Schweißgeschwindigkeit
• Ein Single-mode-Faserlaser erreicht eine _____ nomierte Einschweißtiefe, aufgrund _____ Strahlqualität, als ein Nd-YAG Laser. - höhere - besserer
• Wodurch kann der Wirkungsgrad des Laserschweißens erhöht werden durch schmale Schweißnähte mit hoher Gewschwindigkeit und geringer Leistung
• Mit welcher Positioniergenauigkeit muss ein Laserstrahl bei einem Stumpfstoß eingestellt werden, damit die Fügung als prozesssicher gilt? < 10 % des Strahldurchmesser
• Welche Schwierigkeit ergibt sich bei einem Überlappstoß? - Die Entgasung der Schweißaht, zum Beispiel beim Schweißen verzinkter Bleche, ist kritisch - Abhilfe bei Entgasungsproblemen kann ausreichend Zeit zwischen den einzelnen Pulsen oder eine Spannvorrichtung für einen Spalt zum Entgasen sein
• Merkmale vom Schweißen dünner Bleche: - Durch eine T-Naht können wesentlich größere Einschweißtiefen als die Summe der beiden Blechdicken erreicht werden - Die Positionierung des Fügespalts muss kleiner als 5% der geringeren Blechdicke betragen - Beim Schweißen im spitzen Winkel kann die Reflexion an der Metalloberfläche ausgenutzt werden
• Welche 5 Gruppen der Unregelmäßigkeiten einer laserstrahlgeschweißten Verbindung nach DIN 8563 Teil 11 kennen Sie? - Naht-, Wurzelerhöhung - Nahtunterwölbung, Wurzeldurchfall - Nahtdurchhang - Kantenversatz - Randkerben
• Warum gelten Al-Legierungen vielfach als nicht geeignet für Laserstrahl Tiefschweißen? - Aluminium benötigt eine höhere Strahlqualität als Stahl - Aluminium besitzt eine höhere Schwellintesität und Wärmeleitung (schnelles Abkühlen -> Rissbildung) - Eine hochschmelzende (schwer verdampfende) Oxidschicht erschwert die Ausbildung des Keyholes - Hohe Reflektivität der Oberfläche -> Gefahr für Rückreflexion in Strahlbildung, - führung und -formung - Niedrige Viskosität -> unruhiges Schmelzbad (Porenbildung) und Wurzeldurchhang / Nahteinfall
• Vor- und Nachteile des Laserstrahlschweißens mit Zusatzdraht: pro: - Der Zusatzdraht kann die metallurigischen Verhältnisse durch Auf- oder Ablegieren günstig beeinflussen - Spaltüberbrückbarkeit und Schweißungen eines Höhenversatz können verbessert werden contra:  - Je mehr Silizium, desto niedriger ist die Viskosität der Schmelze
• Was führt zur besseren Verteilung des Zusatzwerkstoffes im Schmelzbad? schleppende vs. stechende Zuführung des Zusatzdrahtes - schleppende Zuführung
• Wozu führt der große Unterschied von Schmelzpunkt von Stahl und dem Verdampfungspunkt von Zink während des Schweißens verzinkter Stahlbleche? - Spritzer - Löcher (schlechtere mechanische Eigenschaften) - Prozessporen - Spannsysteme werden für einen definierten Spalt benötigt (hohe Kosten) - Überlapp-Kehlnähte -> einseitige Abdampfung des Zinks möglich; aber sehr geringe Positioniertoleanzen - Anstatt Spannvorrichtung: Thermoelastische Vorverformung durch vorlaufenden Strahl - Idee: Schweißen einseitig verzinkter Bleche

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