Laserstrahl-Mikroschweißen mit Strahlquellen hoher Brillanz und örtlicher Leistungsmodulation

Durch die Entwicklung der hochbrillanten Laserstrahlquellen und die damit einhergehende Verbesserung der Strahlqualitäten bis annähernd Grundmode ergeben sich für das Laserschweißen neue Verfahrensvarianten, die zu einem optimierten, weil intensitätsangepassten Energieeintrag führen. Gerade beim Schweißen in der Mikrotechnik sind die kontrollierte Energiedeposition und die zeitliche und räumliche Anpassung der Leistungsdichteverteilung wichtig, um nachteilige thermische Beeinflussungen des Gesamtbauteils zu vermeiden. Weiterhin müssen die Temperaturfelder, Schmelzvolumina und die Schmelzbaddynamik kontrolliert werden, um eine Verbindung mit den gewünschten Eigenschaften und metallischen Phasen herzustellen.

Einen neuen Freiheitsgrad in der Einstellung eines definierten Energieeintrags stellt für das Laserschweißen eine örtliche Leistungsmodulation durch eine schnelle Strahlablenkung dar, die erstmals mit der Verfügbarkeit hochbrillanter Strahlquellen ermöglicht wird. Dabei wird der Vorschubbewegung eine kreisförmige oder pendelnde Oszillation des Laserstrahls überlagert, ein Prinzip, das aus dem Elektronenstrahlschweißen bekannt ist und dort zu einer Prozessstabilisierung und -verbesserung führt.

Die derzeit existierenden Ansätze zur örtlichen Leistungsmodulation beruhen auf einer sehr geringen Dynamik, die auf die Verwendung mit CO2-Lasern und großen Aperturen zurückzuführen ist. Hierbei wird die Dampfkapillare bei sehr kleinen Modulationsgeschwindigkeiten in der erstarrten Schmelze bewegt. Erst durch die Verfügbarkeit hochbrillanter Strahlquellen wird eine für eine hochdynamische örtliche Leistungsmodulation zwingend erforderliche Eigenschaft erfüllt: kleine Rohstrahldurchmesser im optischen Strahlengang bei gleichzeitig kleinen Strahldurchmessern am Werkstück. Hierdurch bietet sich die Möglichkeit, die Ablenkfrequenzen für die örtliche Manipulation der Laserstrahlung durch neuartige, miniaturisierte und hochdynamische Strahlablenkprinzipien signifikant über den Stand der Technik hinaus zu steigern. Erst die Verfügbarkeit hochbrillanter Strahlquellen ermöglicht diese Art der Prozessführung.

Für das Schweißen von Metallen gibt es jedoch derzeit einen Mangel in der gegenwärtigen Systemtechnik zur Strahlablenkung, wenn eine überlagerte Oszillationsbewegung angewendet werden soll. Für das Kunststoffschweißen mit Vorschubgeschwindigkeiten 100 mm/s und auch bei reduzierten Oszillationsamplituden bis zu 50 µm müssen Oszillationsfrequenzen deutlich oberhalb von 5 kHz zu Verfügung stehen. Strahlablenkende Systeme, die eine derartige Charakteristik aufweisen, werden beim Laserstrahl-Mikroschweißen von Metallen derzeit nicht angewendet. Derzeit existieren auch keine Erfahrungen, wie sich eine derartige Oszillationsbewegung auf den Schweißprozess auswirkt.

Die Arbeit beschreibt zum einen die systematische Ermittlung der Anforderungen an eine neue, hochdynamische Systemtechnik, die Charakterisierung der vorhandenen Systemtechnik und die Auswahl und Umsetzung eines darauf aufbauenden Systems zur schnellen Strahlablenkung. Für eine Weiterentwicklung des Laserstrahl-Mikroschweißens in Kombination mit der örtlichen Leistungsmodulation ist die Verfügbarkeit einer neuen Systemtechnik eine zwingende Voraussetzung. Ohne hochdynamische Strahlablenkprinzipien kann diese Verfahrensausprägung beim Laserstrahl-Mikroschweißen von Metallen in der Zukunft nicht angewendet werden.

Zum anderen werden die Grundlagen zum Schweißprozess mit örtlicher Leistungsmodulation beim Laserstrahl-Mikroschweißen von Metallen unter besonderer Berücksichtigung derzeit existierender Prozessmodelle zum Lasertiefschweißen erarbeitet. Die grundlegenden Charakteristiken bei dieser neuen Prozessstrategie werden mit verschiedenen diagnostischen Ansätzen demonstriert und zeigen die enormen Potenziale auf, welche die örtliche Leistungsmodulation bietet und die zu einer Erweiterung der Prozessgrenzen des Laserschweißens führen werden.