Nozzle and Gas Pressure

Eine Düse ist eine konisch geformte Spitze mit einem Kanal, der den Laserstrahl führt. Der Durchmesser der Düsenbohrung hängt von der Dicke und Dichte des zu bearbeitenden Materials ab.

Der Kontakt des kapazitiven Sensors schließt direkt über die Düse (meist über einen Keramikisolator). Der Sensor erzeugt die Signale, die im Betrieb den vorgegebenen Abstand (Standoff) zwischen Düse und Werkstück halten.

Düsenwerkstoffe

Düsen werden aus Kupfer gefertigt, das Wärme gut ableitet und seine kapazitiven Eigenschaften bei hohen Temperaturen beibehält. Häufig werden sie verchromt, damit aus der Schnittzone ausgeblasene glühende Metalltropfen nicht an der Düsenoberfläche anhaften. Anhaftungen verändern den optimalen Abstand zwischen Düse und Werkstück, weshalb unbeschichtete Düsen häufiger ersetzt werden müssen.

Bauarten von Düsen

• Einlagige (Einfach-)Düsen dienen der Zufuhr von Stickstoff und Inertgasen beim Schneiden von Edelstahl und anderen hochlegierten Stählen, Aluminium, Titan, Zink und Messing.
• Zweilagige (Doppel-)Düsen werden beim Sauerstoffschneiden niedriglegierter Stähle eingesetzt. Im Innern befindet sich ein Einsatz, der zwei verschiedene Gase führt. Der innere Strom ist reiner Sauerstoff (99,999 %), der äußere schirmt den Sauerstoffstrahl gegen die Atmosphäre ab. Diese Abschirmung ist nötig, weil Luftverunreinigungen die Verbrennungsparameter und damit das Maschinenverhalten verändern.

Wahl des Bohrungsdurchmessers

Düsen werden umgekehrt proportional zum eingestellten Gasdruck gewählt.

Der Durchmesser der Austrittsbohrung richtet sich nach der Dicke des zu schneidenden Metalls. Mit zunehmender Materialdicke wächst auch der Düsendurchmesser.

Der Bohrungsdurchmesser beeinflusst zudem Querschnitt, Geschwindigkeit und Form des Gasstrahls. Je größer der Durchmesser, desto höher diese Werte, desto effizienter die Schmelzeaustragung und desto schneller der Schnittprozess.

Konkrete Zahlen (Düsendurchmesser) zu nennen, ist sinnlos, da im Einzelfall die Werte von Leistung, Brennweite, Standoff und weiteren Parametern bestimmt werden.

Schon der geringste Zutritt von Atmosphäre oder anderen Gasen ändert die Verbrennungsparameter und damit das Maschinenverhalten. Deshalb wirkt die äußere Gasschicht als schützende "Hülle" für die innere Gassäule.

Funktionen der Düse

Bei korrekter Zentrierung der Bohrung zum Laserstrahl erfüllt die Düse folgende Aufgaben:

• Schutz der Linse vor Staub, Spritzern und Fremdpartikeln; präzise Ausrichtung des Laserstrahls auf den Schnittbereich.
• Zufuhr des Schneidgases zur Schnittzone mit geregelter Durchflussmenge. Dies verbessert die Schnittkantenqualität und verhindert Wülste.
• Sicherstellung der Koaxialität von Gasstrahl und Laserstrahl.
• Austrag der Schmelze aus der Schnittzone, die beim Erhitzen des Metalls durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur entsteht.
• Mit Sauerstoff findet eine Oxidationsreaktion mit dem laserseitig erhitzten Metall statt. Die freigesetzte Wärme erhöht die Temperatur in der Schnittzone, wodurch Schnittgeschwindigkeit und Blechdicke steigen.
• Stickstoff und Inertgase (Argon, Helium) verdrängen die sauerstoffhaltige Atmosphärenluft aus der Schnittzone. Dadurch wird die Oxidation des Materials vermieden. Die Schnittkanten bleiben sauber und glatt — mechanisches Entzundern entfällt.
• Kühlt die Schnittkanten und verhindert thermische Verformungen des Materials.

Einige Ausführungen sind verchromt; die Beschichtung soll das Anhaften der aus der Schnittzone ausgeblasenen Schmelzetropfen ausschließen.

Die Düse ist ein Verschleißteil der Laserschneidmaschine. Sie ist Teil des Schneidkopfes und verhindert eine schnelle Oxidation oder ein Anbrennen der erhitzten Oberflächen.

Schneidgas (Assist-Gas)

Das Schneidgas wird koaxial zum Laserstrahl eingedüst, um die Linse vor Verschmutzung und heißen Spritzern zu schützen, in manchen Fällen — wenn es Sauerstoff ist — mit dem Metall zu reagieren und die geschmolzene Schlacke im unteren Bereich der Schnittzone auszublasen; bei Edelstahl, um das Metall zu kühlen und auszuspülen.

Gasdruck

Der Druck des Schneidgases bestimmt, wie wirksam die Schlacke ausgeblasen wird und beeinflusst damit unmittelbar die endgültige Schnittqualität.

Verschiedene Metalle erfordern unterschiedliche optimale Gasdrücke. Ist der Druck zu niedrig, kann das geschmolzene Material nicht rechtzeitig ausgeblasen werden und haftet an der Rückseite der Schnittkante.

Ist der Druck zu hoch, schwächt er die Schneidleistung des Laserstrahls — die Schnittfuge wird breiter und rauer.

Einfluss des Schneidgases auf das Einstechen (Piercing)

1. Bei niedrigem Gasdruck ist das Einstechen schwieriger und die Bearbeitungszeit steigt.
2. Bei zu hohem Gasdruck wird die Einstechstelle übermäßig aufgeschmolzen; es bildet sich ein großer Schmelzfleck.

Deshalb ist der Gasdruck beim Einstechen in dünnes Blech höher als bei dickem.

Düsengeometrie

Gasdruck und Abstand vom Metall zur Düse (Standoff) sind sehr wichtige Faktoren beim Laserschneiden — sie beeinflussen die Schnittqualität.

Schwankungen des Druckgradienten und der Querkraft an der Schnittfront beeinträchtigen die Schlackenaustragung durch den Gasstrahl, was zu einer Verschlechterung der Schnittqualität führt.

Prüfen Sie die Düsengeometrie ein paar Mal pro Tag; bei Verformung tauschen Sie die Düse sofort. Hinweis: Die Düse ist ein Verschleißteil.

Düsentypen

• Typ A "Rock". Standarddüse mit Kegelstumpf. Der Name stammt von der optischen Ähnlichkeit mit einem Rock. Schlecht geeignet zum Schneiden eng benachbarter Konturen (läuft auf die Nachbarkante auf). Vorteil: Der Sensor hat deutlich mehr Zeit, eine mögliche Kollision der Düse mit der Schnittkante zu verhindern.
• Typ B "Sombrero". Benannt nach der Ähnlichkeit mit dem mexikanischen Hut. Der konische Teil ist höher und hat flache Flankenwinkel. Hervorragend zum Schneiden eng benachbarter Konturen geeignet (läuft nicht auf die Nachbarkante auf). Nachteil: Der Sensor hat deutlich weniger Zeit, eine Kollision zu verhindern — Beschichtung oder Keramikring können beschädigt werden.
• Typ C "Sombrero-Parabel" (Halb-Sombrero), Hochgeschwindigkeitsdüsen. Sombrero mit parabolischen Wänden — eine Modifikation, deren Geometrie Hindernisse sanft "umströmt" und Kollisionen mit der Schnittkante vermeidet. Hochgeschwindigkeitsdüsen sind ein Mittelweg zwischen klassischen Düsen und Sombrero. Die parabolische Form gibt dem kapazitiven Sensor mehr Reaktionszeit. Wie das Sombrero erlauben sie eng benachbarte Konturen, schneiden in diesem Punkt jedoch schlechter ab als das Sombrero.
• Typ D "Sombrero-Pfeil". Düse mit abgerundeter Spitze, geeignet für Werkstücke bis 0,3 mm Dicke. Im Gegensatz zur flachköpfigen Variante zieht dieser Typ das Blech nach dem Abheben in den ersten Millimetern nicht mit, die Schnittgenauigkeit bleibt erhalten. Die Form verhindert ein "Ankleben" des Blechs an der Düse beim Anheben des Schneidkopfes.

Sombrero-Düsen werden hauptsächlich auf Maschinen über 4 kW eingesetzt. Der Druck nach Materialeinsparung führt jedoch zum Einsatz dieses Typs auch auf Maschinen über 1 kW.

Sitzfläche der Düse

Bei allen oben genannten Düsentypen kann die Sitzfläche im Querschnitt sechseckig oder rund sein. Sechseckige Modelle eignen sich für Maschinen mit automatischem Düsenwechsel. Ohne Automatik passen beide Formen.

Wichtig: Jede Form hat Vor- und Nachteile.

Der Einsatz der richtigen Düsenform verhindert Beschädigungen der Keramik, ein Verrutschen des Blechs, einen Wirkungsverlust und eine Verschlechterung der Schnittqualität.

Bekannte Marken

1. WSX — chinesisches Äquivalent zum Teil des deutschen Herstellers Precitec (Light Cutter). Kompatibel mit den meisten Schneidkopfmodellen. Werkstoff: hochwertiges Kupfer. Verfügbar als einlagige und zweilagige Variante.
2. Raytools. Hochfeste Düsen. Je nach Anwendung in verschiedenen Größen lieferbar. Nicht kompatibel mit IPG-Precitec-Köpfen.
3. Unimach. Düsen eines russischen Herstellers. Ausgelegt für hohen Gasdruck. Werkstoff: Kupferlegierung mit Chrombeschichtung. Luftspülung sorgt für Kühlung.
4. Tag. Zylindrische Kupferdüsen. Einsatz: manuelles Laserschneiden von Baustahl, Edelstahl und Aluminium.
5. IPG Photonic — konisches Kupferteil mit Chrombeschichtung und scharfer Spitze. Hohe Genauigkeit. Für Standard- und Mikroschneiden. Kompatibel mit Precitec-, WSX- und anderen Köpfen.
6. Bodor. Ein- und zweilagige Düsen, mit oder ohne Chrombeschichtung. Hohe Laser- und Gasgenauigkeit. Lange Standzeit.

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