Definition des Laserstrahls
Das „Werkzeug Laserstrahl“ wird durch bestimmte Eigenschaften charakterisiert. Grundsätzliche Eigenschaften von Laserlicht ist dessen Monochromasie (eine Wellenlänge) und Ausrichtung (schmale Divergenz). Entgegengesetzt zur Strahlung aus einer üblichen Lichtquelle kann Laserstrahlung extrem scharf gebündelt werden. Im Zusammenspiel mit einer hohen Leistungsdichte des Laserstrahles kann dadurch im Fokus lokal begrenzt eine so hohe Strahlungsintensität erzeugt werden, dass Materie geschmolzen oder verdampft werden kann.
In der Lasermaterialbearbeitung wird dies beispielsweise zum Laserstrahlschneiden oder -schweißen eingesetzt. Da der Laserstrahl dabei quasi berührungsfrei arbeitet kann er sich auch nicht während des Prozesses abnutzen wie ein Bohrer oder Fräskopf. Der Laserstrahl wird vom Strahlerzeuger (Lasergerät) über eine Strahlführung mittels Spiegel oder Glasfasertechnik zur Bearbeitungsoptik geleitet. Die Bearbeitungsoptik bündelt den Laserstrahl und fokussiert ihn mit an den jeweiligen Prozess angepassten Brennweiten. Die typischen Eigenschaften des fokussierten Laserstrahles werden dabei durch den minimal erreichbaren Strahldurchmesser (Fokus) und der Strahlkaustik beschrieben. Die Strahlkaustik gibt dabei den Verlauf des Strahldurchmessers von der Bearbeitungsoptik kommend zum Fokus und danach wieder.
Für die Lasermaterialbearbeitung ist dabei eine wichtige Größe die sogenannte Tiefenschärfe, definiert als Rayleighlänge. Sie gibt an, in welchem Abstand zum Fokus die Strahlquerschnittsfläche sich verdoppelt hat. Sind beispielsweise Rayleighlänge und Blechdicke beim Laserstrahlschneiden aufeinander angepasst, können gerade Schnittkanten erzeugt werden. Ist die Blechdicke zu groß, werden die Kanten zunehmend abgerundet.
Laserstrahl als Werkzeug kann somit wie folgt umschrieben werden:
- Die Leistung des Laserstrahls beschreibt die „Kraft“ bzw. „Stärke“ des Werkzeugs
- Die Strahlverteilung auf der Werkstückoberfläche bzw. im Fokus beschreibt die „Form des Werkzeugkopfes“
- Die Abmessungen des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche bzw. im Fokus beschreiben die „Schärfe“ des Werkzeugs, bzw. die „Werkzeugbreite“
- Die Rayleighlänge des Fokus beschreibt die nutzbare „Werkzeuglänge“
Aus dem genannten wird ersichtlich, dass sich eine Analyse des Werkzeugs Laserstrahl durch Strahldiagnose primär auf die vier genannten Strahleigenschaften richten muss, um die Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück während des Prozesses zu beschreiben bzw. zu analysieren und ggf. Fehlerquellen zu identifizieren.
