Materialbearbeitung mit handgeführtem Bearbeitungsoptikkopf (HBOK)

Abb.1: Prozesseinflussgrößen

Am LaserInstitut Mittelsachsen e.V. (LIM) an der Hochschule Mittweida wurde in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Sächsischen Anlagen und Maschinenbau GmbH, Cainsdorf ein einhandführbarer Handbearbeitungsoptikkopf zum Laserschweißen entwickelt. Vorteile dieses HBOK sind der Anschluss an Lichtleitfasern von HLDL- oder Nd:YAG-Lasern mit Laserleistungen bis 2,2 kW (am Werkstück), die interne Prozessvisualisierung (IPV) sowie die geschwindigkeitsabhängige Steuerung der Laserleistung. Mit einer speziell entwickelten Fokussieroptik (Brennweite f=50 mm) kann ein Bearbeitungsfleck von weniger als 900 µm erzielt werden, wodurch auf dem Werkstück eine Intensität von mehr als 2,2*10⁵ W/cm² erreicht wird. Der HBOK ist, entsprechend dem vorgesehenen Bearbeitungsverfahren, mit verschiedenen Düsenmodulen ausrüstbar.

Abb.2: Durchschweißung im Stumpfstoß - Edelstahl X5 CrNi 18 10 (1.4301)

Die sichere Handhabung des Bearbeitungskopfes zur Lasermaterialbearbeitung erfordert, neben besonderen Maßnahmen zur Lasersicherheit, eine Visualisierung des Bearbeitungsprozesses für den Bediener zur Prozesskontrolle sowie eine Einrichtung zur Unterstützung der Handführung entlang des Nahtverlaufs. Um ein gleichmäßig gutes Bearbeitungsergebnis zu erzielen, ist ein Konstanthalten der Streckenenergie erforderlich, zumal der Bediener seinerseits eine diskontinuierliche Vorschubbewegung verursacht. Dabei sind die Grenzen für manuell beherrschbare Prozesse für den Menschen aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen schnell erreicht. Außerdem sind die Toleranzgrenzen des Prozesses zwar beherrschbar, aber u.U. nicht sehr groß. Dies erfordert eine Prozessregelung, wobei für Materialwechsel in -dicke und -art unterschiedliche Prozessparameter bereitgestellt werden müssen.

Abb.3: Mikrocontrollersteuerung im HBOK

Der Zusammenhang von Einfluss- und Regelgrößen ist in Abb. 1 dargestellt. Zur Ermittlung der Regelparameter wurden Versuche zum Laserschweißen im Stumpfstoß an flachen Blechproben aus Edelstahl 1.4301 im Blechdickenbereich von 0,5 .. 3 mm mit einem fasergekoppelten 2,2 kW HLDL der Fa. JENOPTIK Laserdiode GmbH in einer 3-Achs-Bearbeitungsstation durchgeführt. Dabei wurde untersucht, mit welcher Laserleistung bei vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit ein Durchschweißen realisiert werden kann. In Abb. 2 sind die entsprechenden Kurven dargestellt. Zu erkennen ist, dass bei der Blechdicke von 0,5 mm im untersuchten Vorschubbereich (bis 100 mm/s) Wärmeleitungsschweißen realisiert wird. Blechdicken von 0,8 mm bis 2 mm werden im unteren Vorschubbereich durch Wärmeleitungsschweißen gefügt. Ab einer bestimmten Schwellintensität nimmt die Einschweißtiefe durch den einsetzenden Tiefschweißeffekt deutlich zu, so dass mit wesentlich höheren Vorschubgeschwindigkeiten ein Durchschweißen zu erreichen ist. Im Diagramm wurde mit einer gestrichelten Linie dieser Bereich hervorgehoben.

3 mm Blechproben wurden ausschließlich mittels Tiefschweißen gefügt.
Für die zu realisierende Prozessregelung wird an der Führungseinrichtung am HBOK ein Geschwindigkeitssignal generiert (Abb. 3), das im Mikrocontroller des HBOK in ein entsprechend den Prozessparametern erforderliches Signal für die Laserleistungssteuerung umgewandelt wird. Die Voreinstellung der Prozessparameter erfolgt dabei direkt am Bearbeitungskopf.

Kontakt: Jan Drechsel