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BSc in MaschinentechnikBIBEBUVAGreenMix LaserschweissenMaschinentechnik / Betreuer: Prof. Dr. Beat NeuenschwanderExperte: Peter Paul KnobelProjektpartner: Rofin-Lasag AG, ThunDas GreenMix Laserschweissen ist eine Technologie, die von Rofin-Lasag AG, Thun entwickelt wurde mitdem Ziel Kupfer reproduzierbar schweissen zu können. Dabei wird ein Teil der Wellenlänge 1064 nm (IR) zu532 nm (Grün) konvertiert. Bei diesem Verfahren treffen IR und grüne Laserstrahlen zeit- und Ortsgleich aufdas Werkstück. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit gegenüber reiner IR-Strahlung, z. B. Nd:YAG, beimSchweissen von Kupfer verbessert, da die Schmelzintensität deutlich verringert wird. Ziel der Arbeit ist dieErforschung der Konversionseffizienz bei hohen mittleren Leistungen (>100 W).Während das Schweissen vonStahl und Chromstahl keine grösserenProbleme für einen Industriellgenutzten Laser darstellt, istdies bei stark reflektierendenWerkstoffen nicht problemlosmöglich. Bei Kupfer werden beiRaumtemperatur und in festemZustand nur ca. 4% der Energieabsorbiert, während der Rest reflektiertwird.Durch das stark ändernde Absorptionsverhaltenentstehen folgendeNachteile:– Fehlende Schweissstellen– Unvorhersehbare Resultate,grosse Variation– Schlechte Reproduzierbarkeit– »Hot Bonds» – SchmelzbadüberhitzungenUm Kupfer dennoch schweissen zukönnen gibt es die Möglichkeit, dieOberfläche des Werkstoffes zu behandeln(z. B. beschichten) oder dieWellenlänge des Strahls zu verändern.Die Oberflächenbehandlungist jedoch aufwändig und teuer.Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser)arbeiten mit einer Wellenlänge von1064 nm. Durch Frequenzkonversionkann ein Gemisch aus grünemLicht mit einer Wellenlänge von532 nm und infrarotem Licht generiertwerden. Dieses Gemisch wirdvom Kupfer gut absorbiert und hatgegenüber reinem grünen Lichteine bessere Prozesseffi zienz.Zur Frequenzverdopplung (bzw.der Halbierung der Wellenlänge)wird der IR-Laserstrahl auf einennichtlinearen Kristall fokussiert.Hierbei wird durch einen nichtlinearenProzess ein Teil der infrarotenStrahlung zu Grün konvertiert (5-10%). Es gibt verschiedene Kristalle,mit denen die Frequenzkonversiondurchgeführt werden kann,darunter KTP, KDP, LBO, BBO undweitere. KTP sind Kristalle die fürdie Frequenzkonversion geeigneteEigenschaften (z. B. hoher NichtlinearerEffekt, grosser Akzeptanzwinkel,geringer Walk-off) abertiefere Zerstörschwellen gegenüberandern Kristallen aufweisen.Für eine zuverlässige Auslegungmussten die Strahlqualität (M 2 )und die Polarisation ausgemessen,der Brennpunkt auf dem Kristallermittelt und Versuche zurZerstörschwelle des Kristallsdurchgeführt werden. Die Zerstörschwelledes Kristalls liegt bei10 MW/cm 2 .Bei zunehmender mittlerer Leistungverschlechtert sich dieStrahlqualität des Lasers. Dadurchlässt sich der Strahl wenigergut fokussieren. Der Anteil an grünemLicht nimmt somit ab.Richard Eugen FuchsLinks: Spots mit IR-Licht, Rechts:Spots mit GreenMixGreenMix Laser (Rofin-Lasag SLS GX 1500) mit KonversionsboxLeistungsdichte in Abhängigkeit derBrennweiteti.bfh.ch199