Metall-Laserschneiden: Prinzipien und Einflussfaktoren

Der Bearbeitungseffekt des Laserschneidens wird von verschiedenen Parametern beeinflusst, von denen einige von der technischen Leistungsfähigkeit des Lasers selbst abhängen und andere einstellbare variable Parameter sind.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Erläuterung der Prozesselemente im Zusammenhang mit Strahl und Fokus beim Laserschneiden, analysiert deren wesentlichen Einfluss auf den Schneideffekt und trägt zur Optimierung bei. Laserschneidverfahren und die Verarbeitungseffizienz und -qualität zu verbessern.

Prinzip des Laserschneidens

Laserschneiden ist eine Präzisionsbearbeitungstechnologie, die einen Hochleistungslaserstrahl auf die Oberfläche fokussiert. Metallteil laserschneiden, schmilzt oder verbrennt das Werkstückmaterial, bläst die Schlacke mit Schneidgas weg und bildet durch die Bewegung des Schneidkopfes auf der Werkstückoberfläche einen Schnittspalt, wodurch letztendlich die Trennung des Werkstücks erreicht wird.

Laser-Ausgangsleistung und Modus

Laser-Ausgangsleistung

Die Laserleistung ist der entscheidende Parameter für die Bearbeitungsleistung einer Laserschneidmaschine und beeinflusst direkt die Schnitteffizienz, die Schnittfugenqualität und den Bearbeitungsbereich. Generell gilt: Je dicker das Werkstück, desto höher die erforderliche Laserleistung.

Beim Schneiden von Platten aus gleichem Material und gleicher Dicke gilt: Je höher die Laserleistung, desto schneller die Schnittgeschwindigkeit, desto glatter die Schnittfläche und desto höher die Bearbeitungseffizienz.

Es ist jedoch zu beachten, dass bei der Festlegung der Laserausgangsleistung die Schnittgeschwindigkeit genau auf das Material und die Plattendicke abgestimmt werden muss, um den besten Schnitteffekt zu erzielen – eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit führt zu ungleichmäßiger Schnittfuge und unvollständigem Schneiden, während eine zu niedrige Geschwindigkeit zu übermäßigem Materialschmelzen und einer Verbreiterung der Schnittfuge führt und somit die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt.

Laser-Ausgangsmodus

Die Strahlqualitätsverteilung von Lasern lässt sich im Wesentlichen in zwei Typen unterteilen: Einmoden- und Mehrmodenlaser. Der Hauptunterschied liegt in der Verteilungsform der Strahlenergiedichte: Einmodenlaser besitzt nur einen Konzentrationspunkt der Energiedichte, während Mehrmodenlaser zwei oder mehr Konzentrationspunkte aufweisen.

Beim Laserschneiden bestimmt die Qualität des fokussierten Strahls direkt die Schnittgenauigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit. Der Kerndurchmesser des Einmodenlasers ist relativ gering, und die Strahlqualität ist besser als die des Mehrmodenlasers.

Die Energieverteilung ist gaußförmig, mit der höchsten Energiedichte im Zentrum, und die dreidimensionale Form ähnelt einem scharfen, runden Berggipfel; der Kerndurchmesser des Multimode-Lasers ist relativ groß, die Strahlqualität ist etwas geringer als die des Einmodenlasers, die Energieverteilung ist gleichmäßiger, die dreidimensionale Form ähnelt einem umgedrehten Becher, und die Kantensteilheit ist viel höher als die des Einmodenlasers.

Es gibt keinen Unterschied zwischen Singlemode- und Multimode-Faserlasern; sie eignen sich lediglich für unterschiedliche Anwendungsbereiche: Singlemode-Laser sind besser für das präzise Schneiden dünner Bleche geeignet, Multimode-Laser hingegen für das effiziente Schneiden dicker Bleche. Beide sind Kernkonfigurationen von Faserlasern. Ähnlich wie ein Auto für Straßenfahrten und ein Geländewagen für Bergfahrten geeignet ist, hängt die Wahl zwischen Singlemode- und Multimode-Laser von den konkreten Bearbeitungsanforderungen des Endkunden ab (z. B. Blechdicke, Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit usw.).

Laserschneiden Fokusgröße, Fokustiefe und Fokusposition

Fokusgröße und Fokustiefe

Während des Prozesses Metallteile per LaserschneidenFokusposition, Fokusgröße und Fokustiefe sind entscheidende Prozessfaktoren, die den Schneideffekt und die Bearbeitungseffizienz beeinflussen. Werkstücke unterschiedlicher Materialien und Dicken erfordern entsprechende Parametereinstellungen.

Nach der Fokussierung des Strahls durch eine Linse mit kurzer Brennweite ist der Strahldurchmesser klein, die Brenntiefe gering und die Leistungsdichte im Fokus extrem hoch. Dies eignet sich für das Hochgeschwindigkeitsschneiden dünner Materialien und verbessert die Schnittgenauigkeit sowie die Schnittfugenqualität. Nach der Fokussierung durch eine Linse mit langer Brennweite ist die Brenntiefe groß und der Strahldurchmesser relativ hoch. Bei ausreichender Leistungsdichte kann dieses Verfahren auch zum Schneiden dicker Platten eingesetzt werden, wobei Schnittleistung und Schnittfugenqualität berücksichtigt werden.

Wie die Fokusposition beim Laserschneiden die Oberflächengüte beeinflusst

Die sinnvolle Einstellung der Fokusposition ist entscheidend für die Schnittqualität von Blechen unterschiedlicher Dicke:

Beim Schneiden dünner Bleche liegt der Fokus üblicherweise auf der Werkstückoberfläche, wodurch ein Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsschneiden ermöglicht und der Materialverlust reduziert werden kann.

Beim Schneiden dicker Edelstahlplatten muss der Fokus tief in die Platte reichen, etwa 1/3 bis 1/4 der Plattendicke, im negativen Defokusbereich, um ein Eindringen des Schnitts zu gewährleisten und ungleichmäßige Schnittfugen zu vermeiden;

Beim Schneiden dicker Kohlenstoffstahlplatten muss der Fokus oberhalb der Werkstückoberfläche eingestellt werden. Mit zunehmender Plattendicke vergrößert sich der Abstand des Fokus von der Plattenoberfläche, sodass er sich im positiven Defokusbereich befindet. Dies reduziert Schlackenrückstände und verbessert die Glätte der Schnittfläche.

Zusammenfassung

Laserleistung und Betriebsmodus bestimmen die Schneidleistung und den anwendbaren Dickenbereich, während Fokusgröße, Fokustiefe und Fokusposition die Schnittfugenqualität, die Oberflächengüte und die Maßgenauigkeit direkt beeinflussen. Durch die wissenschaftliche Abstimmung von Leistung, Geschwindigkeit und Fokuseinstellungen auf unterschiedliche Materialien und Dicken erzielt die Laser-Magnetfeldabtragung (LVMA) eine höhere Schnittpräzision, verbesserte Stabilität und eine insgesamt höhere Bearbeitungseffizienz.