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Untersuchungen zur Strukturfestigkeit bei der Bearbeitung beschichteter Oberflächen mit Laserstrahlung
Beyer, Stefan
Die Arbeit evaluiert Zusammenhänge zwischen Laserparametern bei der Materialbearbeitung und der mechanischen Stabilität von Beschichtungen. Ziel ist es, die Skalierbarkeit der Laserparameter in Hinblick auf die mechanische Strukturfestigkeit einer Beschichtung zu untersuchen. Den Ausgangspunkt bilden experimentelle Beobachtungen bei der Laserablation lackierter Flächen mit gütegeschalteten Nd:YAG- Festkörperlasern. Um die Fülle an in Frage kommenden Werkstoff- Substratpaarungen einzugrenzen, wird ein Probenstandard beschrieben. Nach der Methode des vergleichenden Experiments werden herkömmliche Verfahren zur Bestimmung der Festigkeit- Ritztest und Stirnzugversuch – aufgebaut und Untersuchungen am Probenstandard durchgeführt. Die gleichen Proben werden anschließend mit Laserstrahlen unterschiedlicher Systeme bearbeitet. Es werden verschiedene bei der Laserablation auftretende Ablationsmechanismen erläutert und untersucht. Thermische und mechanische Modelle werden miteinander verglichen, um über die Abtragsraten zu einer Unterscheidung hinsichtlich der auftretenden Mechanismen – mechanisch oder thermisch - zu gelangen. Die quasi- rückseitige Ablation wird als prozessdominierender Mechanismus bei verschiedenen Anwendungen im Bereich der lasergestützten Materialbearbeitung von Beschichtungen identifiziert. In Erweiterung des Grundansatzes werden die Proben auch unterhalb der Zerstörschwelle der verwendeten Lacke bearbeitet. Hierbei werden Schockwellen in Folge geometrischen oder zeitlichen Einschlusses der Prozessenergie (Transfer der Laserenergie) generiert. Für den Fall thermoelastischer Schockwellen kann man die resultierenden Druckverläufe berechnen. Frequenz und Amplitude von dabei auftretenden Schwingungen lassen sich mit Laser-Doppler-Vibrometer bestimmen. Hieraus ergibt sich ein Verfahren zur Detektion nicht haftender Bereiche einer Beschichtung mit interessanten Anwendungsmöglichkeiten. Bei deutlich verminderter Haftung lassen sich signifikante Unterschiede im Schwingungsverhalten einer Beschichtung berührungslos und aus einiger Distanz aufzeigen. Diese Schwingungen treten auch auf, wenn man das Material nicht direkt bestrahlt, sondern durch ein laserinduziertes Plasma in Luft anregt. Die Möglichkeit zur Anwendung in der Qualitätssicherung zeigt sich in Beispielen zum Abscannen von Musterproben, wobei nicht haftende Areale ortssensitiv detektierbar sind.
This study evaluates correlations between laser parameters in laser material processing and the adhesive strength of coatings. The objective is to establish a scalability of laser parameters with respect to the mechanical properties of coatings and interfaces. Starting point is the experimental observation of laser ablation phenomena when processing painted areas with q-switched Nd:YAG solid state laser sources. To limit the possible combinations of coatings and substrates, a standard sample has been defined. Following the idea of comparative experiments, well known mechanical testing methods such as the scratch- and pulling test are applied to the sample standard. The identical samples then are processed using different laser sources. Different phenomena which occur during laser ablation are investigated and elucidated. To distinguish whether the nature of the involved interaction effects is mechanical or thermal, ablation rates calculated using thermal and mechanical models are compared with experimental results. The quasi-rear-side ablation is found to be the dominating process in different applications in the field of laser supported material processing of coatings. Expanding the basic idea of this work, the samples were also treated below the coatings damage threshold. In this case, shock waves are generated by thermal or geometrical confinement in addition with a fast transfer of the laser energy into the coating. When dealing with thermoelastic waves, the resulting pressure transients can be calculated. Frequency and amplitudes of so induced vibrations are measured by means of a Laser-Doppler-Vibrometer. As a result of this approach a method is presented to detect non-adhesive regions of coatings. Significant differences in the adhesion between substrate and coating lead also to clearly different vibration patterns. They can be detected over a broad distance range up to several meters. The vibrations are even generated, if the sample is not irradiated directly, but excited by a laser induced plasma in air. The method can potentially be used to detect localisation and shape of non adhesive regions of coatings in non destructive contact free quality assurance.
