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Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

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Grundlagen zu Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl (unlegierter Stahl) ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 2 %. Je nach Kohlenstoffgehalt wird er unterteilt in:

  • Niedrig gekohlten Stahl — Kohlenstoffgehalt unter 0,25 %.
  • Mittel gekohlten Stahl — Kohlenstoffgehalt 0,25–0,6 %.
  • Hoch gekohlten Stahl — Kohlenstoffgehalt über 0,6 %.

Nach dem Walzverfahren wird zwischen warmgewalztem und kaltgewalztem Stahl unterschieden. Der wesentliche Unterschied ist die Bearbeitungstemperatur.

Warmgewalzter Stahl wird aus minderwertigerem Vormaterial gefertigt; sein Preis ist daher niedriger als der des kaltgewalzten Pendants. Die Dicke kann über 160 mm betragen.

Kaltgewalzter Stahl wird üblicherweise für dünnblechige Konstruktionen von 0,4 mm bis 6 mm eingesetzt. Er hat eine höhere Qualität als warmgewalzter Stahl, und sein Preis ist entsprechend höher.

Materialwahl

Sortenklassen des gelieferten Stahls:

  1. Erste Sorte
  2. Zweite Sorte
  3. Dritte Sorte
  4. Nicht konform

Für das Laserschneiden eignen sich erste und zweite Sorte, besonders bei lackierten oder dekorativen Bauteilen. Die Sorten unterscheiden sich in Legierungsqualität und Herstellungsverfahren.

Für eine stabile Bearbeitung sollte der Bediener vom Hersteller ein Probeblech in der benötigten Dicke anfordern, mit Angabe der Stahlgüte und des Herstellungsprozesses. So lassen sich Mängel erkennen, Risiken bewerten und in Abstimmung ein stabiles Regime für die Serienfertigung festlegen — bei dauerhafter Zusammenarbeit mit diesem Lieferanten oder Wechsel zu einem anderen, um Probleme in der Serie zu vermeiden.

Materialzusammensetzung

Das eingesetzte Material ist entscheidend. Minderwertiger Stahl enthält oft Verunreinigungen, die beim Erwärmen stark reaktiv sind. Mehrere thermische Reaktionen beeinflussen Zunderbildung, Materialspritzer und andere Schnittfehler. Bei hoher Schmelzviskosität haftet der Zunder am Material und erfordert Nacharbeit. Geschwindigkeitsreduzierung oder Nacharbeit ist nachteilig.

Materialqualität

Wurde das Blech nicht technologiegerecht gewalzt und falsch gelagert, ist mit rostigem, unebenem, in der Dicke variierendem und porösem Blech zu rechnen — das alles erzeugt Schnittfehler.

Gasauswahl

Sauerstoff und Druckluft werden typischerweise zum Schneiden von Baustahl und niedriglegierten Stählen verwendet. Stickstoff ist als universelles Schneidgas geeignet, wird aber wegen seines hohen Verbrauchs nur in Ausnahmefällen eingesetzt.

Sauerstoffschneiden

Erzeugt eine exotherme Reaktion, die das Schneiden von unlegiertem Stahl begünstigt. Allerdings entstehen oxidierte Schnittkanten; eine sorgfältige Prozesssteuerung ist nötig, um Zunder-, Schlacke- und Bartanhaftungen, Oberflächenrauheit und Wärmeeinflusszone (WEZ / HAZ) zu minimieren.

  • Der Sauerstoffdruck an der Düse liegt typischerweise bei 0,5–5 bar.
  • Mit zunehmender Blechdicke wird der Sauerstoffdruck reduziert (zur Vermeidung von Abbrand) und der Düsendurchmesser vergrößert.
  • Hohe Gasreinheit zählt: 1-mm-Stahl lässt sich mit 99,9-%- oder 99,99-%-O₂ bis zu 30 % schneller schneiden als mit 99,7-%-Standardqualität.
  • Die maximal schneidbare Materialdicke ist beim Sauerstoffschneiden relativ höher als beim Hochdruck-Stickstoffschneiden.

Druckluft

  • Geeignet für dünne Bleche. Die Schnittgeschwindigkeit liegt deutlich über der mit Sauerstoff.
  • Ab 2 mm sind Schnittfehler kaum zu vermeiden — Nacharbeit ist erforderlich.
  • Ein Luftdruck von 5–6 bar reicht aus, um die Schmelze aus der Schnittfuge zu blasen.
  • Da rund 80 % der Luft Stickstoff ist, ist das Druckluftschneiden im Kern ein Schmelzschneiden.
  • Nachteil des Kompressors: regelmäßige Wartung (Ölwechsel) und gelegentlich versagende Filter. Nach drei Monaten Normalbetrieb können sie zu „spucken" beginnen: Kondensat aus dem Receiver gelangt in die Leitung. Ist der Pfad einmal verunreinigt, helfen neue Filter allein nicht — die Leitung selbst muss mit Alkohol durchgespült werden.

Strahlzentrierung sowie Prüfung von Optik und Düse

Stellen Sie zu Schichtbeginn sicher, dass die Justage des Laserstrahls in Ordnung und die Schutzgläser sauber sind. Bei Schnittfehlern beginnen Sie die Diagnose mit der Prüfung der Strahlmitte und der Sauberkeit der Schutzgläser. Beim Sauerstoffschneiden sollten Doppeldüsen verwendet und die Geometrie der Austrittsöffnung regelmäßig kontrolliert werden.

Schnittfehler: Zunder, Bart, Schlacke, Grat

Zunder ist eine unerwünschte Ansammlung von Schmelzrückständen — ein Nebenprodukt des Schnittprozesses.

Drei Hauptursachen: Niedriggeschwindigkeitszunder, Hochgeschwindigkeitszunder und feindisperser Zunder (Schlacke).

Hochgeschwindigkeitszunder. Ist die Geschwindigkeit zu hoch, bleibt der Lichtbogen im Schnittspalt zurück und lässt unzertrenntes Material an der Blechunterseite. Zunder lagert sich an, die Qualität sinkt.

Niedriggeschwindigkeitszunder. Ist die Geschwindigkeit zu niedrig, „sucht" der Schneider zusätzliches Material zum Schneiden. Der Lichtbogendurchmesser wächst, die Fuge wird breiter, und der Hochgeschwindigkeitsanteil des Plasmas verteilt die Schmelze nicht mehr — sie sammelt sich an der Unterseite.

Schlacke (feindisperser Zunder). Entsteht, wenn wiedererstarrtes Metall Ablagerungen auf der Oberfläche bildet, die später als kleine Stücke abplatzen. Meist durch zwei Faktoren: zu hohe Geschwindigkeit oder zu niedriger Düsendruck. Anders als die anderen lässt sie sich mühelos entfernen.

Grat (Dross). Erstarrte Schmelzetropfen an der Werkstückkante, die auftreten, wenn Geschwindigkeit oder andere Verfahrensparameter beim Dickblechschneiden falsch sind.

  • Perlenförmiger Grat mit nach unten gerichteten Rillen, anhaftend an Baustahl. Ursache: zu hohe Fokuslage gegenüber Nominal oder zu hohe Schnittgeschwindigkeit. Lösung: 10 % langsamer schneiden oder Fokus absenken.
  • Grat mit Krümeln und Vertiefungen am Werkstück. Ursache: Fokus unter Nominal kombiniert mit zu hohem Sauerstoffdruck und Partikelanhaftung bei hoher Geschwindigkeit. Lösung: Fokus anheben und Prozess um 5–10 % verlangsamen.

Bart (Burr) ist stark haftendes, erstarrtes Material oder erstarrte Oxidschlacke an der Schnittunterseite. Schmelzen mit hoher Oberflächenspannung und niedriger Viskosität lassen sich mit dem Schneidgas schwerer von der Schnittfront entfernen und führen zu Zunderanhaftungen unten.

Wärmeeinflusszone (WEZ / HAZ)

Beim Laserschneiden entsteht neben der Schnittkante eine Wärmeeinflusszone (WEZ). Sie ist der Teil des Metalls, dessen Gefüge durch Wärme beeinflusst wird, ohne zu schmelzen. Die Gefügeänderung in der WEZ ist eine der Kenngrößen für die Schnittqualität.

Die WEZ verursacht Gefügeänderungen, die das Bauteil in diesem Bereich schwächen, sodass Materialspritzer das weitere Schneiden erschweren. Lösungen: Vorpiercen, kontinuierliches Spülen, Schneiden von der Mitte nach außen in verschiedene Richtungen, zusätzliches Spülen.

Werkstückausbruch / Piercing-Krater

Riss am Einstich, Krater beim Lochstich. Verursacht durch zu niedrigen Fokus, falsche Parameter (geringe Schnitthöhe, hohe Frequenz, zu große Düse, überhöhte Piercingleistung).

Zur Vermeidung:

  • Fokus anheben;
  • kleinere Düse einsetzen;
  • Standard-Einstichparameter wählen;
  • Vorpiercen durchführen.

Bedingungen für das Sauerstoffschneiden

Für das Sauerstoffschneiden müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

(a) Die Brenntemperatur des Metalls in Sauerstoff muss niedriger sein als seine Schmelztemperatur, sonst schmilzt das Metall, bevor es in Sauerstoff zu brennen beginnt.

(b) Die entstehenden Metalloxide müssen bei einer Temperatur schmelzen, die unter der Brenntemperatur des Metalls liegt, und dürfen nicht zu viskos sein.

(c) Die beim Verbrennen des Metalls in Sauerstoff freigesetzte Wärme muss groß genug sein, um den Schnittprozess aufrechtzuerhalten. Beim Stahlschneiden stammen ca. 70 % der Vorwärmwärme aus der Verbrennung des Metalls in Sauerstoff, nur 30 % aus der Vorwärmflamme.

(d) Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls darf nicht zu hoch sein, sonst kann die intensive Wärmeabfuhr den Schnitt unterbrechen.

Einfluss der Stahlzusammensetzung

Reines Eisen und niedrig gekohlte Stähle erfüllen die genannten Bedingungen am besten. Reines Eisen hat eine Zündtemperatur in Sauerstoff von 1050 °C und eine Schmelztemperatur von 1528 °C. Bei 0,7 % Kohlenstoff steigt die Zündtemperatur in Sauerstoff auf 1300 °C — entspricht dem Schmelzbeginn dieser Zusammensetzung. Laut A. N. Shashkov beginnt die selektive Oxidation des Eisens in Sauerstoff beim Stahlschneiden bei etwa 1130 °C; ab 1300 °C setzt der intensive Kohlenstoffabbrand ein.

Neben der Zusammensetzung beeinflussen Oberflächenzustand, Stückgröße sowie Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs die Zündtemperatur. Eine raue Oberfläche begünstigt die Zündung. Eisenpulver kann sich in reinem Sauerstoff bereits bei 315 °C entzünden — weit unterhalb von gewalztem Metall. Die Oberfläche eines großen Stahlstücks entzündet sich bei 1200–1300 °C. Bei 25 kgf/cm² Druck und 180 m/s Strömungsgeschwindigkeit sinkt die Zündtemperatur von Kohlenstoffstahl in Sauerstoff auf 700–750 °C.