Laserschneiden und dessen Verarbeitungssystem

LaserschneidenAnwendung

Schnelle axiale CO₂-Laser werden aufgrund ihrer guten Strahlqualität hauptsächlich zum Laserschneiden von Metallen eingesetzt. Obwohl die meisten Metalle für CO₂-Laserstrahlen ein recht hohes Reflexionsvermögen aufweisen, steigt dieses bei Raumtemperatur mit zunehmender Temperatur und Oxidation. Sobald die Metalloberfläche beschädigt ist, nähert sich das Reflexionsvermögen dem Wert 1. Für das Laserschneiden von Metallen ist daher eine höhere mittlere Leistung erforderlich, die nur Hochleistungs-CO₂-Laser bieten.

1. Laserschneiden von Stahlmaterialien

1.1 CO2-Kontinuierliches Laserschneiden Zu den wichtigsten Prozessparametern des CO2-Kontinuierlichen Laserschneidens gehören Laserleistung, Art und Druck des Hilfsgases, Schnittgeschwindigkeit, Fokusposition, Fokustiefe und Düsenhöhe.

(1) Laserleistung Die Laserleistung hat einen großen Einfluss auf Schnittdicke, Schnittgeschwindigkeit und Schnittbreite. Bei gleichbleibenden anderen Parametern sinkt die Schnittgeschwindigkeit mit zunehmender Blechdicke und steigt mit zunehmender Laserleistung. Anders ausgedrückt: Je höher die Laserleistung, desto dickere Bleche können geschnitten werden, desto höher ist die Schnittgeschwindigkeit und desto größer die Schnittbreite.

(2) Art und Druck des Hilfsgases: Beim Schneiden von niedriggekohltem Stahl wird CO₂ als Hilfsgas verwendet, um die Wärme der Eisen-Sauerstoff-Verbrennungsreaktion zur Beschleunigung des Schneidprozesses zu nutzen. Dadurch wird eine hohe Schnittgeschwindigkeit und eine gute Schnittqualität erzielt, insbesondere ein schlackenfreier Schnitt. Beim Schneiden von Edelstahl wird ebenfalls CO₂ verwendet. Hierbei neigt die Schlacke dazu, sich im unteren Bereich des Schnitts festzusetzen. Daher wird häufig ein CO₂-N₂-Gemisch oder eine Zweischicht-Gasströmung eingesetzt. Der Druck des Hilfsgases hat einen signifikanten Einfluss auf die Schneidleistung. Durch eine angemessene Erhöhung des Gasdrucks kann die Schnittgeschwindigkeit erhöht und ein schlackenfreies Schneiden vermieden werden, da der Gasimpuls zunimmt und die Schlackenabfuhr verbessert wird. Ist der Druck jedoch zu hoch, wird die Schnittfläche rau. Der Einfluss des Sauerstoffdrucks auf die mittlere Rauheit der Schnittfläche ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der Körperdruck hängt auch von der Blechdicke ab. Beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl mit einem 1-kW-CO₂-Laser ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen Sauerstoffdruck und Blechdicke (siehe Abbildung unten).

(3) Schnittgeschwindigkeit Die Schnittgeschwindigkeit hat einen signifikanten Einfluss auf die Schnittqualität. Bei bestimmten Laserleistungsbedingungen existieren beim Schneiden von niedriggekohltem Stahl entsprechende obere und untere Grenzwerte für eine optimale Schnittgeschwindigkeit. Liegt die Schnittgeschwindigkeit über oder unter dem Grenzwert, kommt es zu Schlackenanhaftungen. Bei zu geringer Schnittgeschwindigkeit verlängert sich die Einwirkzeit der Oxidationsreaktionswärme an der Schneidkante, die Schnittbreite nimmt zu und die Schnittfläche wird rau. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit verjüngt sich der Schnitt allmählich, bis die Breite des oberen Schnittbereichs dem Durchmesser des Laserflecks entspricht. In diesem Stadium ist der Schnitt leicht keilförmig, oben breit und unten schmal. Steigt die Schnittgeschwindigkeit weiter an, verringert sich die Breite des oberen Schnittbereichs weiter, während der untere Teil des Schnitts relativ breiter wird und eine umgekehrte Keilform annimmt.

(5) Fokustiefe

Die Schärfentiefe beeinflusst die Qualität der Schnittfläche und die Schnittgeschwindigkeit. Beim Schneiden relativ großer Stahlplatten sollte ein Strahl mit großer Schärfentiefe verwendet werden; beim Schneiden dünner Platten hingegen ein Strahl mit geringer Schärfentiefe.

(6) Düsenhöhe

Die Düsenhöhe bezeichnet den Abstand zwischen der Endfläche der Hilfsgasdüse und der Oberseite des Werkstücks. Bei einer großen Düsenhöhe kann der Impuls des austretenden Hilfsluftstroms schwanken, was die Schnittqualität und -geschwindigkeit beeinträchtigt. Daher wird die Düsenhöhe beim Laserschneiden in der Regel minimiert und liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 2,0 mm.

① Laseraspekte

a. Erhöhung der Laserleistung. Die Entwicklung leistungsstärkerer Laser ist ein direkter und effektiver Weg, die Schnittdicke zu erhöhen.

b. Pulsbearbeitung. Pulslaser weisen eine sehr hohe Spitzenleistung auf und können dicke Stahlplatten durchdringen. Durch den Einsatz der Hochfrequenz-Pulslaserschneidtechnologie mit schmaler Pulsbreite lassen sich dicke Stahlplatten schneiden, ohne die Laserleistung zu erhöhen. Die Schnittgröße ist dabei kleiner als beim kontinuierlichen Laserschneiden.

c. Neue Laser verwenden

② Optisches System

a. Adaptives optisches System. Im Gegensatz zum herkömmlichen Laserschneiden muss der Fokus nicht unterhalb der Schnittfläche platziert werden. Wenn die Fokusposition entlang der Dickenrichtung der Stahlplatte um einige Millimeter auf und ab schwankt, ändert sich die Brennweite im adaptiven optischen System entsprechend. Diese Änderungen der Brennweite fallen mit der Relativbewegung zwischen Laser und Werkstück zusammen, wodurch sich die Fokusposition entlang der Werkstücktiefe ändert. Dieses Schneidverfahren, bei dem sich die Fokusposition an die äußeren Bedingungen anpasst, ermöglicht qualitativ hochwertige Schnitte. Der Nachteil dieser Methode ist die begrenzte Schnitttiefe von in der Regel maximal 30 mm.

b. Bifokale Schneidtechnologie. Eine Speziallinse fokussiert den Laserstrahl zweimal auf unterschiedliche Bereiche. Wie in Abbildung 4.58 dargestellt, ist D der Durchmesser des mittleren Linsenbereichs und r der Durchmesser des Randbereichs. Der Krümmungsradius im Zentrum der Linse ist größer als im umgebenden Bereich, wodurch ein Doppelfokus entsteht. Während des Schneidprozesses befindet sich der obere Fokus auf der Oberseite des Werkstücks und der untere Fokus nahe der Unterseite. Diese spezielle Doppelfokus-Laserschneidtechnologie bietet viele Vorteile. Beim Schneiden von Baustahl kann sie nicht nur einen hochintensiven Laserstrahl auf der Metalloberfläche aufrechterhalten, um die Zündbedingungen zu erfüllen, sondern auch einen hochintensiven Laserstrahl nahe der Metallunterseite, um die Zündbedingungen zu gewährleisten. Dadurch werden saubere Schnitte über den gesamten Bereich der Materialstärken ermöglicht. Diese Technologie erweitert den Parameterbereich für hochwertige Schnitte. Zum Beispiel bei Verwendung eines 3-kW-CO₂-Lasers. Mit Laser kann die Schnittdicke konventionell nur 15–20 mm erreichen, während mit der Dual-Focus-Schneidtechnologie eine Schnittdicke von 30–40 mm erreicht werden kann.

③Düse und Hilfsluftstrom

Die Düse wird so konstruiert, dass die Strömungseigenschaften optimiert werden. Der Innendurchmesser der Überschalldüse verengt sich zunächst und erweitert sich dann wieder, wodurch am Auslass eine Überschallströmung erzeugt wird. Der Luftdruck kann sehr hoch sein, ohne dass Stoßwellen entstehen. Beim Laserschneiden mit einer Überschalldüse wird eine optimale Schnittqualität erzielt. Da der Anpressdruck der Überschalldüse auf die Werkstückoberfläche relativ konstant ist, eignet sie sich besonders für das Laserschneiden dicker Stahlplatten.