Lasergasversorgung und mehr

In der Lasertechnik werden Gase vor allem in der Materialbearbeitung benötigt. Aufgrund der hohen Leistung haben sich bislang CO2-Laser und Festkörperlaser durchgesetzt. Eine Lasergasversorgung aus gastechnischer Sicht wird unterschieden in den Bereichen Betriebsgase (Lasergase) und Prozessgase (Schneid-/Schweißgase).

Betriebsgase (Lasergase)

Prozessgase (Schneid-/Schweißgase)

Der CO2-Laser benötigt zur Erzeugung des Laserstrahls die sogenannten Lasergase, in der Regel Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. CO2-Molekühle als namensgebende Komponente werden durch Hochfrequenz oder Gleichstrom angeregt. Dabei wird die Anregung durch Stickstoffmoleküle unterstützt. Nach der Anregung entsteht die spontane und schließlich die stimulierte Emission von Strahlung. Helium als dritte Komponente hat die Aufgabe den Prozess im Resonatorraum zu kühlen und stabil zu halten. Helium eignet sich besonders, weil es sehr schnell Wärme aufnehmen und wieder abgeben kann. Da der Resonatorraum aus vielen hochempfindlichen Spiegeln besteht, sind sehr hohe Gasreinheiten erforderlich. (CO2 4.5 = 99,995% CO2, He 4.6 = 99,996% He und N2 5.0 = 99,9990% N2). Niedrige Grenzwerte von Feuchte und Kohlenwasserstoff sorgen für einen sicheren Laserbetrieb. Feuchtigkeit führt im Resonator zur Spiegelverblindung, d.h. die Laserstrahlung wird vom Spiegel nicht mehr voll reflektiert. Ein extremes Beispiel ist der Duschvorgang morgens im Badezimmer. Wenn der Spiegel „blind“ ist, kann sich die Person nicht mehr betrachten. (Reflexion gering oder gegen Null). Kohlenwasserstoffe im Resonator machen Interferenzen oder auch Instabilitäten. Der Laseraufbau wird gestört.

Alle 3 Einzelgase werden über einen im Laser integrierten Gasemischer dem Resonatorraum zugeführt. Es gibt aber auch andere Systeme, die auf einen Gasemischer verzichten. Diese benötigen dann ein fertiges Lasergasgemisch. Diese Zusammensetzung ist aber abhängig vom jeweiligen Hersteller und kann nicht selber, wie bei einem Schweißschutzgas, optimiert werden. Sie ist genau auf den Resonatoraufbau abgestimmt. Für die hohe Qualität der Gase von der Flasche zum Resonator sind Reinstgasdruckminderer erforderlich. Diese besitzen anstelle einer Gummimembran eine Hasteloymembran. Diese Membran verhindert eine Diffusion von Feuchtigkeit und Kohlenwasserstoffe in den Gasstrom. Weiterhin sind die hochwertigen Druckminderer an den vernickelten Oberflächen zu erkennen. Nach dem Druckminderer sollte das Gas über geeignete Schläuche oder festen Verrohrungen zum Laser geführt werden. Wenn Schläuche verwendet werden, sollten diese über kurze Strecken verlegt werden und aus den Materialien PE oder Teflon bestehen. Andere Schlauchmaterialien besitzen entweder störende Weichmacher (Kohlenwasserstoffe) oder eine Diffusion oder Permeation anderer Stoffe führt zu negativen Verunreinigungen. Bei der Auswahl der Materialien sollten unbedingt die Spezifikationen der Hersteller beachtet werden, da teilweise sogar auch keine Kupferrohre verwendet werden dürfen. Bei einem Festkörperlaser entfallen die Lasergase, weil sich im Resonatorraum kein Gas, sondern ein Kristall (Festkörper) befindet. Zu den bekanntesten Festkörperlasern zählen heute die Scheiben- und Faserlaser. Durch die Weiterentwicklung im Bereich Prozess-optimierung, Schneidqualität und Wirkungsgrad gewinnen sie immer mehr an Bedeutung und sind dabei, den CO2Laser zu verdrängen. Heute sind 30 Prozent Wirkungsgrad bei einer Leistung von über 10 kW realisierbar und die Marktanteile gegenüber dem CO2-Laser liegen mittlerweile bei über 60%. Die kürzere Wellenlänge des Festkörperlasers (~ 1 µm) bietet gegenüber dem CO2-Laser (10,6µm) deutliche Vorteile: Dazu zählt vor allem die Absorption bei Metallen, was zu einer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit führt. Hochreflektierende Metalle wie Kupfer, Messing, aber auch Silber und Gold können so wirtschaftlich bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil ist die Strahlübertragung mittels Lichtleitfaser. Die Lichtleitfaser, welche auch als Faser bezeichnet wird, kann den Laserstrahl an Industrieroboter übertragen. Ergebnis: Deutliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu einer 3-D-Portalanlage. Zu beachten ist allerdings, dass das menschliche Auge für kürzere Wellenlängen anfälliger ist und die Netzhaut entsprechend sorgfältig geschützt werden muss. Geeignete Schutzkabinen sind so Voraussetzung für den Betrieb dieses Lasertyps. Der ursprüngliche Festkörperlaser für die Materialbearbeitung ist der Nd:YAG-Laser in der Form eines Stabes. Das laseraktive Medium ist hier ein YAG-Kristall, der mit Nd-Ionen dotiert wurde. Nd:YAGLaser arbeiten bei 1,06µm Wellenlänge. Mit vier Prozent Wirkungsgrad erreicht der Festkörperlaser in der klassischen Stabform allerdings nicht den rund zehnprozentigen Wirkungsgrad Deswegen des CO2-Lasers.

konnte er sich in den klassischen 2d-Schneidanwendungen auch nicht durchsetzen. Daraus resultierte die Entwicklung einer neuen Festkörperbauform: der Scheibenlaser. Statt des Stabes entstand hier eine Fläche. Das vorhandene Volumen liefert mehr Leistung und die Kühlung der Scheiben ist erheblich einfacher. Speziell für die Telekommunikationsbranche ist parallel der Faserlaser entwickelt worden. Der Stab wurde anstelle in die Fläche, zu einer langen Faser gezogen. Der Faserlaser verfügte zunächst nur über eine sehr geringe Leistung, die für die branchentypischen Anforderungen ausreichte. Durch Weiterentwicklung und aus der Kopplung der Strahlquellen in Modulbauweise, entstanden Hochleistungsfaserlaser mit sehr hohen Wirkungsgraden. Beide Bauformen, Scheibe und Faser, stehen mit hoher Leistung auf dem Markt zur Verfügung. Somit können heute die wirtschaftlichen und technischen Vorteile des Festkörperlasers für die Materialbearbeitung genutzt werden. In der Betrachtung der Lasergasversorgung auf der Prozessgasseite unterscheiden sich beide Laserarten (CO2 und Festkörperlaser) nicht. Hier werden die Schneidgase oder auch die Schweißschutzgase als Prozessgas benötigt. Insbesondere das Laserschneiden erfordert die richtige Versorgung. Das Laserschneiden mit Sauerstoff wird auch als Brennschneiden bezeichnet. Der Laserstrahl erwärmt den Werkstoff örtlich auf Zündtemperatur und verbrennt ihn anschließend im Sauerstoffstrom. Hierzu werden mit der Reinheit von O2 3.5 = 99,95% O2 und einem Druck von bis zu 5 Bar die besten Schneidergebnisse erzielt. Die Verwendung dieser Qualität führt gegenüber dem technischem Sauerstoff zu Geschwindigkeitssteigerungen von bis zu 15%. Weitere Vorteile sind eine geringere Bartbildung und weniger Auskolkungen am Material. Sauerstoffschneiden mit höheren Drücken finden heute Anwendung beim Schneiden von Kupfer mit einem Festkörperlaser. Beim Laserschmelzschneiden wird das gesamte Material aufgeschmolzen und mit Stickstoff aus der Schneidfuge ausgeblasen. Dieses geschieht mit einem hohen Druck von bis zu 20 Bar. Hierbei wird Stickstoff in der Reinheit von N2 5.0 = 99,9990% N2 verwendet, um oxidfreie Schnitte zu realisieren. Beim Edelstahlschneiden sind bereits ab 30 ppm Sauerstoffverunreinigungen Anlauffarben an den Schnittkanten möglich. Neben Edelstahl werden auch verzinkter Stahl, Aluminium und auch Stahl, welcher anschließend Pulverbeschichtet wird, mit Stickstoff geschnitten. Damit auch die richtigen Drücke und vor allem die notwendigen Volumenströme vorne an der Düse ankommen, sind passende Versorgungskonzepte erforderlich. Hochleistungsdruckminderer oder Bündelstationen für große Volumen und hohe Drücke sind hier unverzichtbar. Umschaltstationen für Bündel sind auch von Vorteil, um einen reibungslosen Bündelwechsel zu realisieren. Wie beim Lasergas ist auch beim Schneidgas auf absolute Sauberkeit der Verrohrung zu achten. Hier gibt es teilweise sehr genaue Anforderungen von den Laserherstellern (Aufstellbedingungen sind zu beachten). Wenn Rohrleitungen verlötet werden, sollten diese formiert gelötet werden. Weiterhin sollten diese Rohre der entsprechenden DIN 1786 entsprechen und Öl- und Fettfrei sein (Standard bei Technischen Gasen). Einen Nachweis über die Partikelarmut kann über eine entsprechende Partikelmessung gegeben werden.

Wegen der großen Volumenströme und somit dem hohen Verbrauch kommt nicht selten beim Stickstoff auch eine Tankversorgung in Frage. Wenn der Verbrauch an Gasen aus Flaschen/Bündel die Menge von ca. 600-800m³/Monat (60-80 Flaschen bzw. 5-7 Bündel) übersteigt, ist es sinnvoll auf eine Tankversorgung umzustellen. Der Kunde hat nicht nur den Vorteil vom Wegfall des ständigem Bündelwechsel mit dem logistischem Aufwand, sondern wirtschaftlich ist es auch deutlich günstiger. In einem Tank kann deutlich mehr Inhalt auf kleinem Raum gelagert werden, bzw. auch transportieren werden. Hierbei liegt allerdings der Stickstoff in tiefkalter (-196°C), flüssiger Form vor. Dabei ist zu beachten, dass bei zu geringer Entnahme, ein Teil des Stickstoffes über ein Überdruckventil abbläst und somit Verluste verursacht. Bei passender Auslegung des Versorgungskonzeptes über Mengenermittlung kann dieses optimiert werden. Dabei ist noch zu beachten, dass für eine Tankversorgung häufig eine Baugenehmigung erforderlich ist. Deswegen ist es ratsam, rechtzeitig mit dem Gaslieferant Kontakt aufzunehmen. Viele Hersteller von Laseranlagen geben Informationen über die Verbräuche in Abhängigkeit von der Materialstärke und Gasart. Teilweise werden auch Verbrauchskurven über Druck und Düsendurchmesser mitgeteilt. Mit diesen Daten kann über die Schweißapp von Westfalen (mit einer Rubrik Laserschneiden) eine grobe Mengenermittlung für einen Monatsbedarf an Gasen vorgenommen werden. Dazu sind neben dem Düsendurchmesser, Druck, den Arbeitsstunden im Monat auch die Einschaltdauer und den Anteil von Stickstoff/Sauerstoff erforderlich. Mit diesen Monatsmengen kann dann der passende Tank ausgelegt werden. Er wird so ausgelegt, dass er ungefähr einmal im Monat befüllt wird. Ist der Befüllzeitraum länger, besteht die Gefahr des Abblasens. Ist der Zeitraum kürzer, entstehen höhere Logistikkosten. Somit ist die Auslegung eine Abwägung zwischen dem technisch Machbaren und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Beim Laserschweißen wird der Laserstrahl über eine Optik auf die Oberfläche fokussiert und bringt das Material so zum Schmelzen. Das Schutzgas erfüllt hierbei 2 Aufgaben: Zum einen wird das Plasma in der Schweißnaht positiv beeinflusst und zum anderen schützt es die abkühlende Schmelze vor der Luftatmosphäre. Ideal geeignet sind hierfür Helium und Argon. Welches Gas verwendet wird, ist teilweise abhängig von der Wellenlänge und somit der Laserquelle und auch von der Materialart. Beim Laserschweißen mit dem CO2-Laser wird häufig mit Helium und Argon /Heliumgemischen gearbeitet, weil dieses Gas nicht so stark ionisiert. Auswirkungen falscher Gase sind dann ein starkes Metalldampfplasma, welches die Einbrandtiefe verschlechtert. Da der

Festkörperlaser eine andere Wellenlänge hat, sind die Wechselwirkungen nicht so ausgeprägt. Somit werden auch mit reinem Argon gute Ergebnisse erzielt. Zumischungen von CO2 oder Sauerstoff können die Fließeigenschaften bei Stahlwerkstoffen verbessern. Zumischungen von Wasserstoff führen bei Austenitischen Edelstählen zur Reduzierung der Anlauffarben und auch zu besserem Nahtaussehen. Stickstoff in reiner Form oder auch mit Wasserstoff, wird eher als Formiergas eingesetzt. Beim Aluminiumschweißen mit dem Laser ist auf Grund der Wärmeleitfähigkeit Helium immer von Vorteil. Das Beispiel Kopiererwalze zeigt beim Laserschweißen mit einem 2kW CO2-Laser eine Verbesserung der Geschwindigkeit durch ein Gaswechsel von Argon auf das Sagox 3k (0,5% CO2, 30%He, Rest Argon). Das 2. Ziel, ein Automatenstahl mit einem normalen ST-Stahl zu verbinden, konnte auch nicht mit dem Laser ohne Rissbildung realisiert werden. Abhilfe kann hier mit Hilfe einer Induktionserwärmung geschafft werden. Da aber die Stückzahlen zu gering waren, wurde dieses Ziel aber nicht weiter verfolgt. Laserschweißen von Wärmetauscherplatten ist heute gängige Praxis. Für ganz spezielle Werkstoffe kann ein Ar/He/H2-Gemisch Verbesserungen der Korrosionsbeständigkeit erzielen. In einem anderen Fall konnte eine Reduzierung des Heliumanteils die Rauhigkeit der Nahtoberfläche verbessern. Durch den höheren Argonanteil war das Plasma größer und bewirkte somit im oberen Teil der Naht eine Aufweitung, aber auf Kosten der Einschweißtiefe. Beim Laserschweißen von Wärmetauscherrohren können mit dem Laserstrahl Verbindungen von Stahl mit Kupfer, wie auch Alu-Alu realisiert werden. Mit dem CO2-Laser wird dort unter einem bestimmten Winkel geschweißt und hochreines Argon schützt die abkühlende Schmelze. Allgemein lässt sich sagen, dass rotationssymetrische Bauteile sich gut laserschweißen lassen. Der Vorteil liegt in der drehtechnischen Vorbereitung, was zu einem optimierten „Nullspalt“ führt. Andere Blechkonstruktionen sind auch machbar, unterliegen aber aufwendigen Spannvorrichtungen. Denn sollte der Luftspalt größer einiger Zehntel Millimeter betragen, können die Schweißkanten nicht verbunden werden. Abhilfe könnten hier Zusatzdraht, Hybridprozesse oder auch pendelnde/rotierende Laserstrahlen sein.