Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

2 Strahlwerkzeug Laser
Schweißen ist nach DIN 1910-1 [1] das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone
unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft mit oder ohne Schweißzusatz. Die
dafür erforderliche Energie wird von außen zugeführt. Grundsätzlich lassen sich die
unterschiedlichen Verfahren nach ihrem physikalischen Ablauf in Press- und Schmelzschweißverfahren
einteilen [2]. Das Laserstrahlschweißen, nach DIN 1910-2 [3] ein
Vertreter der Schmelzschweißverfahren, beruht auf der Absorption energiereicher
Strahlung bzw. deren Umwandlung in thermische Energie (Wärme) beim Auftreffen
auf bzw. Eindringen in das zu bearbeitende Werkstück. Bei dieser Arbeit kommen
ausschließlich kontinuierlich (cw) betriebene Hochleistungsfestkörperlaser zum Einsatz.
In diesem Kapitel werden die für das Laserstrahlschweißen mit Festkörperlasern
wichtigen Grundlagen kurz erläutert.
2.1 Strahlqualität der Laserstrahlung
Die räumliche Ausbreitung von Laserstrahlen in deren Strahlrichtung, die so genannte
Propagation, wird durch die Größe des kleinsten Strahldurchmessers (innerhalb der
rotationssymmetrischen Kreisfläche sind 1/e² � 86% der Laserleistung enthalten) und
den Divergenzwinkel charakterisiert. Für die Strahlqualität sind die Divergenz �0 im
Fernfeld und der Radius w0 des Laserstrahles in der Strahltaille maßgeblich. Physikalisch
bedingt liegt durch die Beugung und Modenart immer eine Divergenz, dass heißt
eine Aufweitung der Strahlung, vor. Ein Maß für die Strahlqualität liefert das Strahlparameterprodukt,
welches sich aus dem Produkt von Strahltaillenradius w0 und Diver-
genzwinkel �0 (halber Öffnungswinkel der Strahlkaustik)
SPP � w
(2.1)
0 ��
0
ergibt. Diese charakteristische Größe bleibt während der gesamten Propagation – auch
beim Durchgang durch (nicht fehlerbehaftete) optische Elemente zur Strahlumlenkung
bzw. -fokussierung – erhalten [4]. Die physikalische Grenze ist durch
�
(SPP ) 00 �
(2.2)
�