Laserschneiden

Das Laserschneiden von Metall erfreut sich aufgrund seiner „Präzision“, „Effizienz“, „Vielseitigkeit“ und „Kosteneffizienz“ in allen Branchen großer Beliebtheit. Einer der großen Vorteile besteht darin, dass die Werkzeugkosten durch den „Wegfall von Formen“, die „Minimierung von Materialverschwendung“ und die „Verbesserung der Produktionsflexibilität“ erheblich gesenkt werden können. Nachfolgend finden Sie eine kurze Liste der Vorteile:

 

 

Merkmale des Laserschneidens verschiedener Metallmaterialien

 

Aluminium

Dicke: typischerweise bis zu ‌20 mm‌ mit Hochleistungs-Faserlasern (mehr als oder gleich 6 kW), dünne Bleche (1–6 mm) erzielen die beste Qualität

Schnittfugenbreite‌: ‌0,1–0,3 mm‌, beeinflusst durch Materialreflexion und Hilfsgas (Stickstoff wird bevorzugt, um Oxidation zu vermeiden) ‌Toleranz‌: ±‌0,05–0,1 mm‌ für dünne Bleche; dickere Materialien (±0,15 mm) aufgrund thermischer Verformung.

Schnittqualität‌, glatte Kanten mit minimaler Bartbildung bei Verwendung von Stickstoff.

Risiko einer ‌Oxidation‌ mit Sauerstoffunterstützung, die eine Nachbearbeitung erforderlich- macht.

Faserlaser bieten einige Vorteile, die sie zu einer bevorzugten Metallschneidemethode für Aluminium machen:

 

√Hohe-Leistungsdichte, die ihre Energie auf einen sehr kleinen Punkt konzentriert und so ein effizientes Schneiden auch bei reflektierenden Materialien wie Aluminium ermöglicht.

√Die hohe Schnittgeschwindigkeit, die hohe Leistung und die hervorragende Strahlqualität von Faserlasern ermöglichen ein schnelles Schneiden und steigern die Produktivität.

√Minimierte (HAZ) Wärmeeinflusszone-kann weniger Wärme erzeugen als andere Lasertypen, was zu saubereren Schnitten mit weniger thermischer Verformung führt.

√Vielseitig einsetzbar: Es kann ein breites Spektrum an Aluminiumdicken und -legierungen schneiden.

 

Überlegungen zum Laserschneiden von Aluminium

 

Es gibt nur wenige sehr kritische Faktoren, die beim Laserschneiden von Aluminiummaterialien eine Rolle spielen, und die Bediener müssen immer die folgenden Aspekte berücksichtigen:

 

√Bei der Hilfsgasoption Stickstoff wird häufig zum Schneiden von Aluminium der Vorzug gegeben, da er oxidfreie Schnitte erzeugt. Bei dickeren Materialien wird hingegen häufig Sauerstoff verwendet, der jedoch zu einer oxidierten Kante führen kann. Der Nachteil von Stickstoff sind die Kosten.

√Fokuspunkt: Es ist ratsam, die Fokusposition relativ zur Materialoberfläche auszuprobieren, bevor mit dem Massenschneiden begonnen wird. Ein erfahrener Bediener versucht immer, die Einstellung für einen positiven oder negativen Fokus vorzunehmen, da dies manchmal die Schnittqualität verbessern kann.

√Bei der Schnittgeschwindigkeit ist es von entscheidender Bedeutung, das richtige Gleichgewicht zwischen Schnittgeschwindigkeit und Leistung zu finden, da eine niedrige Geschwindigkeit zu einer übermäßigen Wärmezufuhr führen kann, während bei einer hohen Geschwindigkeit möglicherweise keine vollständige Durchdringung erreicht wird.

√Sauberkeit: Der Bediener muss stets sicherstellen, dass die Aluminiumbleche sauber und frei von Ölen oder Verunreinigungen sind, die die Schnittqualität beeinträchtigen könnten.

√Wärmemanagement, regelmäßige Abkühlintervalle, um einen Wärmestau zu verhindern, der zu Materialverformungen führen könnte.

√Kantenqualität: Der Bediener muss die Parameter anpassen, wenn er Probleme wie Krätzebildung oder übermäßiges Schmelzen feststellt.

 

Qualitätsprobleme beim Laserschneiden von Aluminium

 

 

Beim Laserschneiden von Aluminiummaterialien wie Rohren, Blechen oder Platten gibt es kaum Probleme. Wenn Sie diese Hürden verstehen, können Sie optimale Ergebnisse erzielen und gleichzeitig Ihre Kosten für das Metallschneiden minimieren.

 

√Reflexionsvermögen ist fast die größte Herausforderung beim Laserschneiden von Aluminium, da es auch zu Rückreflexionen führen kann, die die Maschine beschädigen. Aluminium reflektiert von Natur aus einen erheblichen Teil des Laserstrahls, was bei unsachgemäßer Handhabung die Schneideffizienz verringern und möglicherweise das Lasersystem beschädigen kann. Dieses Reflexionsvermögen erfordert die Verwendung spezifischer Lasertypen und Leistungsstufen, um ein effektives Schneiden zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist der Faserlaser eine sehr beliebte Wahl.

√Wärmeleitfähigkeit: Die gute Wärmeleitfähigkeit macht das Laserschneiden zu einer echten Herausforderung, da das Material Wärme schnell ableitet, was es schwierig machen kann, das für präzise Schnitte erforderliche lokale Schmelzen zu erreichen. Daher kann die gute Wärmeleitfähigkeit zu größeren Schnittfugenbreiten und potenziell wärmebeeinflussten Zonen rund um die Schnittkanten führen.

√Oxidschicht, die dünne Oxidschicht, die sich auf Aluminiumoberflächen bildet, stört normalerweise den Laserschneidprozess und hat einen höheren Schmelzpunkt als das Aluminium selbst, was möglicherweise zu Unstimmigkeiten in der Schnittqualität führt oder zusätzliche Energie zum Eindringen erfordert.

√Molekulare Struktur, ihre formbare molekulare Struktur kann manchmal zu einer schlechteren Kantenqualität führen, und oft weist die Kante Grate auf oder weist entlang der Schnittkanten einen leichten Schmelzeffekt auf; bei einigen anspruchsvollen Projekten ist eine Nachbearbeitung erforderlich.

 

Edelstahl

 

 

√ Leistungseinstellung, abhängig von der Dicke und Art des Edelstahlmaterials. Es ist wichtig, dass das lasergeschnittene Loch koaxial zur Düsenmitte liegt. Die beliebte Stromversorgungsoption wird wie folgt angezeigt:

‌1. Dünne Platte (1–3 mm), 1000–2000 W Leistung mit Stickstoffschutz zur Verhinderung thermischer Verformung

2‌. Es wird eine mittlere Platte (10–25 mm) mit einer Leistung von 4000–6000 W empfohlen. Zur Reduzierung von Schlackendefekten wird Sauerstoff verwendet

‌3. Extra thick plate (>50 mm): 12000 W + Leistung sind in Kombination mit der Mehrfachperforationstechnologie erforderlich, während gleichzeitig die Gasdruckstabilität kontrolliert wird, um die Verjüngungssituation zu reduzieren.

 

√ Die Düsengröße bestimmt die Form des in den Einschnitt eintretenden Gasstroms, den Gasdiffusionsbereich und die Gasdurchflussrate und beeinflusst dadurch die Stabilität der Schmelzeentfernung und des Schneidens. Der in den Einschnitt eintretende Luftstrom ist groß, die Geschwindigkeit ist hoch und die Position des Werkstücks im Luftstrom ist richtig, je stärker die Sprühfähigkeit ist, das geschmolzene Material zu entfernen. Je dicker der Edelstahl, desto größer sollte die Düse verwendet werden, desto größer ist die Einstellung des Proportionalventils und desto größer ist die Durchflussrate, um den Druck sicherzustellen und den normalen Abschnittseffekt zu reduzieren. Der empfohlene Düsendurchmesser zum Schneiden unterschiedlicher Edelstahlstärken ist wie folgt:

1. 1mm, φ1,0mm

2. 2-3mm, φ1,5mm

3. 3-5mm, φ2,0mm

4. 5-10mm,φ 3,0 mm +

 

√ Beim Laserschneiden von Edelstahl werden normalerweise die Hilfsgase Sauerstoff, Stickstoff und Luft verwendet, die jeweils unterschiedliche Auswirkungen auf die Schnittqualität haben. Der Sauerstoff unterliegt einer exothermen Reaktion, wodurch der Schnittfläche zusätzliche Wärme zugeführt wird, was zu einer glatteren Schnittkante führt, jedoch auch einen Gelbstich an der Schnittkante erzeugt. Stickstoff kann verhindern, dass die ursprüngliche Farbe von Edelstahl oxidiert, und das Schneiden mit Stickstoff führt aufgrund der fehlenden exothermen Oxidationsreaktion zu einer schmalen Schnittfuge, sodass höhere Stickstoffdrücke erforderlich sind, um das geschmolzene Metall aus der unteren Schnittfuge auszutreiben. Daher ist Stickstoff das bevorzugte Hilfsgas für das Schneiden von Edelstahl. Das Hilfsgas wird koaxial neben dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet und hat vor allem die Aufgabe, geschmolzenes Material aus der Schnittfuge auszutreiben und die Bildung von Krätze zu verhindern.

 

√ Fokusposition, unterschiedliche Plattenstärken und Edelstahlqualitäten erfordern unterschiedliche Fokusposition. Vor dem Schneiden wird der tatsächliche Nullfokus gemessen und die Prüfung und Analyse der Schneidprozessparameter kann mit dem Nullfokus als Benchmark durchgeführt werden. Die negative Defokussierung ist die Hauptrichtung der Prozessauswahl beim Schneiden von Edelstahl. Beim Schneiden dicker Platten sollte der Schwerpunkt innerhalb der Platte liegen (normalerweise 1/3 bis 1/4 der Plattendicke), um die Energieverteilung zu optimieren.

 

√ Frequenzeinstellung, Hochfrequenzschneiden (400–500 Hz) kann Schlackenrückstände reduzieren und die Schnittqualität bei dünnen Blechen und Werkstücken mit hohen Präzisionsanforderungen verbessern. Beim Schneiden mitteldicker Platten (6–10 mm) kann eine Reduzierung der Frequenz auf 200–300 Hz die Schnittqualität verbessern, während die Einstellung auf 100 Hz zu Schnittfehlern führt.

 

√ Einschaltdauer, Einschaltdauer 53 % ist der kritische Wert. Wenn Sie die Einschaltdauer weiter reduzieren, werden auf der Unterseite Spuren unvollständigen Schnitts sichtbar, die Einschaltdauer erhöht sich auf 60 % und der Abschnitt wird rau und schichtig. Das Puls-Tastverhältnis bezieht sich auf den Anteil der Strahlbestrahlungszeit in jedem Puls.

 

Kohlenstoffstahl

 

 

Das Laserschneiden von Kohlenstoffstahl erfordert normalerweise einen bestimmten Leistungsbereich, eine bestimmte Stahldicke sowie einen Düsendurchmesser. Nachfolgend finden Sie eine beliebte, von vielen Herstellern gewählte Einstellung mit festen Parametern:

 

√Stahlstärke: 1,0–3,0 mm, 1–2 kW mit Düse 1,0–1,5 mm

√Stahlstärke: 3,0–6,0 mm, 2–4 kW mit Düse 1,5–2,0 mm

√Stahldicke 6,0–10,0 mm, 4–6 kW mit Düse 2,0–2,5 mm

√Bei einer höheren Stahldicke ist eine Leistung von über 6.000 kW erforderlich, und die Düsengröße ist häufig größer als 2,5 mm.

 

Überlegungen zum Laserschneiden von Kohlenstoffstahl

 

8 mm Kohlenstoffstahlplatte

Bei der Erörterung der Ermittlung der besten Prozessparameter für das Laserschneiden müssen wir normalerweise mehrere Schlüsselfaktoren berücksichtigen, darunter Laserleistung, Schnittgeschwindigkeit, Gasart, Düsengröße und Druck. Durch die richtige Einstellung dieser Parameter kann der Laserschneideffekt von Kohlenstoffstahlplatten optimiert und die Produktionseffizienz und Schnittqualität verbessert werden. Darüber hinaus wirken sich unterschiedliche Schnittmuster auf die Auswahl und Anpassung der Schnittprozessparameter aus, was wiederum Auswirkungen auf die Schnittgeschwindigkeit und -qualität hat. Der Bediener muss verstehen, dass vor dem Massenschneiden Experimente und Optimierungsparameter festgelegt werden müssen. Gleichzeitig können wir durch kontinuierliche Versuche und Optimierung schrittweise Erfahrungen sammeln und die Genauigkeit und Effizienz des Schneidens verbessern. Nach einer Reihe von Experimenten können wir die optimalen Prozessparameter für eine Faserlaserschneidmaschine mittlerer Leistung zum Schneiden von 8 mm dickem Kohlenstoffstahl ermitteln. Als nächstes werden wir uns eingehend mit der Auswahl und den Anpassungen für das Laserschneiden von 8 mm und 3 mm Kohlenstoffstahl befassen.

 

√Lasertyp: Faserlaser

√Schnittgeschwindigkeit: 13 mm/s

√Leistung: 5 kW

√Fokusposition:+3.2mm

√Düsengröße: 2,3 mm

√Hilfsgas: Sauerstoff

√Gasdruck bei 0,04 MPa.

√Perforationsfrequenz: 80 Hz.

 

3 mm Kohlenstoffstahlplatte

√Lasertyp: Faserlaser

√Schnittgeschwindigkeit: 70 mm/s

√Leistung: 3 kW

√Fokusposition:+2mm

√Düsengröße: 2,3 mm

√Hilfsgas: Sauerstoff

√Gasdruck bei 0,35 MPa.

√Perforationsfrequenz: 300 Hz.

 

Bei industriellen Anwendungen beträgt die Schnittfugenbreite beim CO2-Laser im Allgemeinen etwa 0,2 bis 0,3 mm, was sich besonders zum Schneiden mittlerer und dicker Bleche eignet und auch von der Art des Laserschneidens und der Dicke des Stahlmaterials abhängt. Die Sauerstoffunterstützung vergrößert die Schnittfugenbreite, erhöht aber die Geschwindigkeit, und der Stickstofflaserschnitt sorgt für saubere, schlackefreie Kanten, während die Sauerstoffunterstützung Grate erzeugt, die ein Nachschleifen erfordern.

Kupfer‌ und Messing

 

 

Das hohe Reflexionsvermögen, die Leitfähigkeit und die Vielseitigkeit von Kupfer und Messing haben das Laserschneiden vor einzigartige Herausforderungen gestellt. Die beiden Hauptfaktoren sind Reflexionsvermögen und Wärmeleitfähigkeit, die sich auf die Effizienz und Präzision des Laserschneidens auswirken. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden häufig Faserlaser eingesetzt, und der Bediener muss beim Laserschneiden von reflektierenden Metallen wie Edelstahl, Aluminium, Kupfer und Messing die folgenden Parameter berücksichtigen:

 

√Für Faserlaser wird üblicherweise eine Wellenlänge von 1 μm empfohlen, die von reflektierenden Metallen wie Kupfer, Aluminium und Edelstahl gut absorbiert werden kann.

√Leistung und Puls: Es ist sehr sinnvoll, die Laserleistung und Pulsdauer anzupassen, um den Schneidprozess zu optimieren und übermäßige Wärmeentwicklung und Reflexionen zu verhindern. Bei dünnen Kupferblechen kann eine Impulsstechtechnik effektiv sein. Dabei wird die Laserleistung schrittweise über eine Reihe kurzer Impulse erhöht, bis das Material durchstochen ist, wodurch unvollständige Schnitte und Krätzebildung vermieden werden.

√Hilfsgase, Stickstoff und Sauerstoff sind beim Laserschneiden von reflektierenden Metallen üblich und können dabei helfen, geschmolzenes Material wegzublasen und Reflexionen zu verhindern.

√Bei der Fokussieroptik muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Fokussieroptik sauber und richtig ausgerichtet ist, um Reflexionen zu minimieren und die Schneideffizienz zu optimieren.

√Strahlführung: Hochwertige Strahlführungssysteme mit reflektierenden Beschichtungen können dazu beitragen, Reflexionen zu minimieren.

√Die Kalibrierung von Schnittparametern wie Geschwindigkeit, Leistung und Brennweite, um die gewünschte Schnittqualität ohne übermäßige Reflexion oder Hitzestau zu erreichen, sowie ein Testschnitt in kleinem Maßstab werden dringend empfohlen, bevor mit der Massenproduktion begonnen wird.