DIN 32540-2012 Laser beam removing - Thermal removing with laser beam - Terms and definitions influence factors procedure《激光束磨蚀 激光束热流磨蚀 术语和定义 影响因子 规程》.pdf

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1、August 2012DEUTSCHE NORM Normenausschuss Schweien und verwandte Verfahren (NAS) im DINPreisgruppe 9DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 25.160.10!$|eN“1896643www

2、.din.deDDIN 32540Laserstrahlabtragen Thermisches Abtragen mit dem Laserstrahl Begriffe, Einflussgren, DurchfhrungLaser beam removing Thermal removing with laser beam Terms and definitions, influence factors, procedureEnlvement par faisceau laser Enlvement thermique par faisceau laser Termes et dfini

3、tions, facteurs dinfluence, procdureAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinErsatz frDIN V 32540:1997-07www.beuth.deGesamtumfang 14 SeitenDIN 32540:2012-08 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 1 Anwendungsbereich 5 2 Normative Verweisungen . 5 3 Begriffe 5 4 Symbole . 6 5 Einflussgren un

4、d Kenngren beim Abtragen . 7 5.1 Allgemeines . 7 5.2 Einflussgren der Laseranlage . 7 5.3 Kenngren zur Bewertung der Abtragqualitt 9 5.3.1 Oberflchenkennwerte . 9 5.3.2 Werkstoffbeeinflussung . 10 5.3.3 Konturabweichungen . 10 5.4 Abtragrate und Flchenrate . 10 5.4.1 Allgemeines . 10 5.4.2 Bestimmun

5、g der Abtragrate Vw11 5.4.3 Bestimmung der Flchenrate Aw12 6 Hinweises zur Durchfhrung des Laserstrahlabtragens 12 6.1 Manahmen vor und nach der Bearbeitung 12 6.2 Durchfhrung der Verfahren . 12 6.2.1 Allgemeines . 12 6.2.2 Laserstrahlflchenabtragen . 13 6.2.3 Laserstrahlformabtragen . 13 6.2.4 Lase

6、rstrahlsublimationsabtragen . 13 6.2.5 Chemisch untersttztes Laserstrahlabtragen . 13 Literaturhinweise . 14 DIN 32540:2012-08 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Gemeinschaftsausschuss DIN/DVS NA 092-00-21 AA Laserstrahlschweien und verwandte Verfahren (DVS AG V 9.2)“ im Normenausschuss Schweien un

7、d verwandte Verfahren (NAS) erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. nderungen Gegenber DIN V 32540:1997-

8、07 wurden folgende nderungen vorgenommen: a) Laserabtragverfahren, die nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen, wurden herausgenommen; b) veraltete Angaben zu den verwandten Laserquellen und zur Laseranlagentechnik wurden ersetzt; c) die Klassifikation der Prozessrckstnde wurde entfernt. Frhere

9、 Ausgaben DIN V 32540: 1997-07 DIN 32540:2012-08 4 Einleitung Fr das Laserstrahlabtragen werden vorwiegend gepulste Festkrperlaser verwendet. Das Abtragen mit diesen Laserstrahlquellen ist ein thermischer Prozess, bei dem die absorbierte optische Energie in Wrme umgewandelt wird. In Abhngigkeit von

10、dem zu bearbeitenden Werkstoff und der Prozessfhrung kann ein Aufheizen, Schmelzen und Sublimieren erreicht werden. Fr unterschiedliche Aufgabenstellungen kann damit und durch zustzliche Manahmen (z. B. Prozessgaszufuhr) ein Abtrag realisiert werden. Die Bearbeitbarkeit der Werkstoffe wird wesentlic

11、h durch ihre Absorptionseigenschaften gegenber der Laserstrahlung und ihre thermophysikalischen Werkstoffkennwerte z. B. Wrmeleitfhigkeit, Schmelz-temperatur bestimmt. Damit kann sich das Laserstrahlabtragen auch fr Werkstoffe eignen, die sich aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften (z. B. Zers

12、panbarkeit, Hrte, elektrische Leitfhigkeit) mit konven-tionellen Fertigungsverfahren nur schwer bearbeiten lassen. Zustzliche Vorteile bieten die Laserstrahlverfahren durch die Mglichkeit der berhrungslosen und nahezu krftefreien Bearbeitung. Beim Laserstrahlabtragen wird die durch optische Elemente

13、 (z. B. Linsen, Spiegel und Lichtleitfasern) geformte Laserstrahlung auf das Werkstck geleitet. Das Werkstck wird dabei lokal begrenzt auf Temperaturen erwrmt, die ein Schmelzen, eine Oxidation oder eine Verdampfung ermglichen. Der lokal beeinflusste Werkstoff wird gegebenenfalls durch eine Absaugvo

14、rrichtung oder unter Einwirkung von Prozessmedien, in der Regel Gasen, aus der Wirkzone entfernt. Als Fertigungsverfahren wird das Laserstrahlabtragen zum definierten Abtrennen von Werkstoff aus festen Werkstcken eingesetzt. Die abgetragenen Flchenelemente werden durch die Steuerung der Handhabungs-

15、einrichtung (Positionierung des Laserstrahls zum Werkstck) vorgegeben. Die Tiefe der Abtrge wird durch die Prozessfhrung bestimmt. Die geometrische Auflsung und Genauigkeit der Verfahren ist damit durch die Handhabungseinrichtung, die Abmessungen des Arbeitsflecks auf der Werkstckoberflche und die S

16、teuer-barkeit der Energieeinbringung begrenzt. DIN 32540:2012-08 5 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt Verfahren zur abtragenden thermischen Bearbeitung von Werkstcken mit Lasern (Laserstrahlabtragen) fest und gibt Hinweise zur Anwendung und Durchfhrung. Laserstrahlabtragen wird angewendet mit dem Z

17、iel: dreidimensionale Strukturen in Werkstcken zu erzeugen; dnne Oberflchenschichten zu entfernen; bestimmte Oberflcheneigenschaften (z. B. geometrische, optische, chemische) einzustellen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zi

18、tiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokumentes erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 4760, Gestaltabweichungen; Begriffe, Ord

19、nungssystem DIN 32532, Schweien Laserstrahlverfahren zur Materialbearbeitung Begriffe fr Prozesse und Gerte DIN 50103-3, Prfung metallischer Werkstoffe Hrteprfung nach Rockwell Teil 3: Modifizierte Rockwell-Verfahren Bm und Fm fr Feinblech aus Stahl DIN EN ISO 1101, Geometrische Produktspezifikation

20、 (GPS) Geometrische Tolerierung Tolerierung von Form, Richtung, Ort und Lauf DIN EN ISO 4287, Geometrische Produktspezifikation (GPS) Oberflchenbeschaffenheit: Tastschnitt-verfahren Benennungen, Definitionen und Kenngren der Oberflchenbeschaffenheit DIN EN ISO 6506-1, Metallische Werkstoffe Hrteprfu

21、ng nach Brinell Teil 1: Prfverfahren DIN EN ISO 6507-1, Metallische Werkstoffe Hrteprfung nach Vickers Teil 1: Prfverfahren DIN EN ISO 11145, Optik und Photonik Laser und Laseranlagen Begriffe und Formelzeichen DIN ISO 2768-1, Allgemeintoleranzen; Toleranzen fr Lngen- und Winkelmae ohne einzelne Tol

22、eranzeintragung VDI 3402 Blatt 1, Elektroerosive Bearbeitung; Definitionen und Terminologie 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 Laserstrahlabtragen Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen im festen, flssigen oder dampffrmigen Zustand von einem festen Kr

23、per durch wrmeinduzierte Prozesse Anmerkung 1 zum Begriff: Die an der Wirkstelle erforderliche Wrme entsteht durch Energieumsetzung beim Auftreten und Eindringen eines Laserstrahles auf bzw. in das Werkstck. Zustzliche Prozesswrme kann durch Oxidationsvorgnge entstehen. Das Abtragen bezieht sich sow

24、ohl auf das Entfernen von Werkstoffschichten als auch auf das Abtrennen von Werkstckteilen (siehe auch DIN 8590 und DIN 32532). DIN 32540:2012-08 6 3.2 Laserstrahlflchenabtragen Entfernen dnner Werkstoffschichten ohne gezielte Vernderung der vorhandenen Oberflchengestalt des Werkstcks 3.3 Laserstrah

25、lentschichten Entfernen einer vom Trgerwerkstoff verschiedenen Deckschicht ohne gezielte Vernderung der vorhandenen Oberflchengestalt eines Werkstcks 3.4 Laserstrahlformabtragen Abtrennen von Werkstoffteilchen zur gezielten Vernderung der vorhandenen Oberflchengestalt oder Geometrie eines Werkstcks

26、3.5 Laserstrahlsublimationsabtragen Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen in dampffrmigen Zustand, wobei der abzutragende Werkstoff dabei unter Einwirkung der Laserstrahlung direkt vom festen Ausgangs- in den dampffrmigen Zustand berfhrt wird 3.6 chemisch untersttztes Laserstrahlabtragen Lasers

27、trahlabtrag untersttzt durch eine chemische Reaktion, die durch den Laser gezielt beeinflussbar ist 4 Symbole Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Symbole: AwFlchenrate i,nEinstrahlwinkel atAbtragtiefe dxAbmessung Arbeitsfleck in X-Richtung (rechteckiger Strahlquerschnitt) dyAbmess

28、ung Arbeitsfleck in Y-Richtung (rechteckiger Strahlquerschnitt) dwDurchmesser Arbeitsfleck (runder Strahlquerschnitt) i,n Rotationswinkel aWEZ Tiefe der Wrmeeinflusszone P Pulsberdeckung S Spurberdeckung RaMittenrauwert RnAchsabstand Ptx,yProfiltiefe RZx,ygemittelte Rautiefe tHPulsdauer tpPulsperiod

29、endauer DIN 32540:2012-08 7 vs Vorschubgeschwindigkeit VwAbtragrate x Vorschub je Pulsperiode y Versatz z Zustellung znArbeitsabstand achsversetzter Dsen ziArbeitsabstand Koaxialdse zfFokuslage 5 Einflussgren und Kenngren beim Abtragen 5.1 Allgemeines Fr Angaben, die das Lasergert, den Laserstrahl s

30、owie die Laserstrahlfhrung und formung betreffen, sind die Begriffe nach DIN 32532 und DIN EN ISO 11145 anzuwenden. 5.2 Einflussgren der Laseranlage Fr die verfahrensspezifischen Maschinenparameter gelten die Festlegungen nach Bild 1. Auf der Basis eines kartesischen Koordinatensystems (z-Achse norm

31、al zur Oberflche des Werkstcks, Ursprung im Schnittpunkt zwischen Laserstrahlachse und Oberflche des Werkstcks vor dem Bearbeitungsdurchgang) werden die Anordnung von Laserstrahl, gegebenenfalls Prozessgasdsen und Relativbewegungsrichtungen von Laserstrahl und Werkstck beschrieben. Dabei sind mit de

32、n Begriffen Versatz und Zustellung die an der NC-Steuerung der Handhabungsanlage programmierten Werte fr die jeweiligen Bewegungsrichtungen in y- und z-Richtung abgedeckt. Der Bestrahlungsdurchmesser dwbzw. die Abmessungen der Bestrahlungsgeometrie dxund dybezeichnen den Durchmesser bzw. die Abmessu

33、ngen des auf die Ausgangsoberflche des Werkstcks projizierten Laserstrahls (Arbeitsfleck). In dimensionslosen Gren werden die Spurberdeckung S sowie die Pulsberdeckung P beschrieben. Die Pulsberdeckung P und die Spurberdeckung S sind wie folgt zu ermitteln. Pulsberdeckung P: +=swp1tvdtPs(1) Spurberd

34、eckung S: =w1dyS(2) DIN 32540:2012-08 8 Bei achsversetzter Dse aVorschubrichtung bVersatzrichtung cZustellrichtung Bild 1 Einflussgren der Laserstrahlbearbeitung zum Abtragen Die Pulsberdeckung P gibt an, in welchem Ma sich die whrend der einzelnen, aufeinanderfolgenden Laserpulse bestrahlten Flchen

35、 auf der Vorschubachse berdecken. Bild 2 veranschaulicht die Definition von P und gibt Beispiele fr verschiedene Wertebereiche an. Gem der gewhlten Definition ergibt sich P 1, wobei der Maximalwert von P = 1 bei vollstndiger berdeckung der bestrahlten Flchen aufeinanderfolgender Pulse erreicht wird

36、(nur mglich bei vs= 0). Entsprechendes gilt auch fr die Spurberdeckung. DIN 32540:2012-08 9 1 Werkstck Beispiele: 1Hswps+ Ptvdtv Bestrahlungsflchen der Laserpulse berhren sich nicht (Texturieren, Strukturieren) Bild 2 Pulsberdeckung P 5.3 Kenngren zur Bewertung der Abtragqualitt 5.3.1 Oberflchenkenn

37、werte Zu den Einflussgren, die zur Beschreibung des Abtragergebnisses herangezogen werden knnen, zhlen die Oberflchenkennwerte Profiltiefe Ptund gemittelte Rautiefe Rzbzw. der arithmetische Mittenrauwert Ra. Zur Kennzeichnung wird die jeweilige Messrichtung nach DIN EN ISO 4287 angegeben. Eine Messu

38、ng parallel zur Vorschubrichtung (Lngsprofil) wird durch einen Index x, eine Messung in Versatzrichtung (Querprofil) durch einen Index y gekennzeichnet (siehe Bild 1). DIN 32540:2012-08 10 5.3.2 Werkstoffbeeinflussung Aufgrund der thermischen Vorgnge beim Abtragen mittels Laserstrahlung knnen Beeinf

39、lussungen der Randschicht in Form Aufhrtung, Rissbildung, selektivem Abbrand, Verfrbung oder Verschmelzen sowie durch Reaktionsschichten vorliegen. Aufgrund thermisch bedingter Gefgenderungen und nderungen der chemischen Zusammensetzung knnen Vernderungen der Festigkeitseigenschaften und des Korrosi

40、onsverhaltens bewirkt werden. Zur Ermittlung der Aufhrtung der Randschicht bei metallischen Werkstoffen knnen die Verfahren zur Hrtebestimmung nach DIN EN ISO 6506-1 (Brinell-Verfahren) und nach DIN 50103-3 (Rockwell-Verfahren) verwendet werden. An laserstrahlabgetragenen Proben werden vorwiegend di

41、e Verfahren zur Bestimmung der Vickershrte (DIN EN ISO 6507-1) eingesetzt. Verfahrensbedingt ist die Wrmeeinflusszone (WEZ) beim Laserstrahlabtragen metallischer Werkstoffe blicherweise auf wenige Zehntelmillimeter begrenzt, so dass die Hrtebestimmung im Kleinlastbereich (z. B. HV 0,2) und im Bereic

42、h der Mikrohrteprfung (z. B. HV 0,5) durchgefhrt wird. Die Bestimmung der Ausdehnung der WEZ (aWEZ), siehe Bild 1 wird anhand metallographischer Schliffe durchgefhrt. Die dominierende Schdigungsart bei der abtragenden Bearbeitung keramischer Werkstoffe ist die Rissbildung. Hierzu stehen Ultraschall-

43、 und Rntgenstrahlmessverfahren zur Verfgung, die eine Detektion von Rissen um m-Bereich ermglichen. Zur Qualifizierung des Bearbeitungsergebnisses hinsichtlich Rissinduzierung Makrobereich lsst sich das Farbeindringverfahren einsetzen. Dazu wird das Werkstck mit Penetrierl bearbeitet, das unter UV-B

44、estrahlung fluoresziert und eine quantitative Bestimmung der Risslnge und Risstiefe auf der Probenoberflche zulsst. Beim Laserstrahlformabtragen und flchenabtragen (Reinigen) von Natursteinen treten Werkstoffbeein-flussungen in der Form wiedererstarrter Schmelzschichten, Verfrbung und Rissbildung au

45、f. Neben der visuellen makroskopischen und mikroskopischen Bewertung werden quantitative Untersuchungen der Wrmeeinflusszone anhand petrographischer Schliffe sowie mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM) und energiedispersiver Elementanalyse (EDX) durchgefhrt. Die abtragende Vorbehandlung von ko

46、hlenstofffaserverstrkten Kunststoffen kann zu Faserschdigungen, Rissen im Matrixharz und thermisch bedingten Gefgevernderungen fhren. Faserschdigungen werden mit mikroskopischen Untersuchungsverfahren, z. B. Licht-, Elektronenstrahlmikroskopie, erkannt, die Detektion von Rissen sowie die Charakteris

47、ierung der Wrmeeinflusszone erfolgt anhand plastographischer Querschliffe. 5.3.3 Konturabweichungen Wesentliches Kriterium zur Bewertung der Abtragqualitt ist die makroskopische Beschreibung der Kontur. Hierunter sind Abweichungen der Istoberflche von der geometrischen Oberflche nach DIN 4760 zu ver

48、stehen. Zu bercksichtigen sind hier Fehler der Handhabungsanlage, die von verfahrensbedingten Gestaltabweichungen berlagert werden. Es sind die Festlegungen zur Beschreibung und Bestimmung von Toleranzen an Freiformflchen nach DIN EN ISO 1101 und DIN ISO 2768-1 anzuwenden. Fr die Verfahren des Formabtragens hat sich als wesentliches Merkmal die Rechtwinkligkeitstoleranz im Kantenbereich der Kontur gezeigt. Die Bestimmung ist nach DIN EN ISO 1101 durchzufhren. 5.4 Abtragrate und Flchenrate 5.4.1 Allgemeines Fr die Bewertung der Verfahren zum Lase