Cut Edge Surface Roughness

Einführung

Der Laserstrahl entfernt Werkstoff durch lokales Erhitzen der Oberfläche. Optische Energie wird vom Werkstück absorbiert, sobald der Strahl auf die Oberfläche trifft; der Großteil dieser Energie wird lokal in Wärme umgewandelt und erhitzt das Material unter dem Strahl auf sehr hohe Temperaturen. In Metallen wird das Werkstück durch die absorbierte Energie aufgeschmolzen. Das geschmolzene Material wird durch das Schneidgas ausgetrieben, ein Schnittspalt (kerf) bestimmter Tiefe entsteht, und die Schmelzrückstände werden von der Schnittfläche abgeführt. Wichtig ist, dass dieser Prozess stabil abläuft.

Die Vorbereitung des Laserschneidens lässt sich in drei Kategorien teilen:

1. Kategorie eins — Untersuchung der werkstoffspezifischen Eigenheiten, Bekämpfung von Defekten durch schlechte Blechqualität, Vorbereitung des Materials und Reinigung der Blechoberfläche.
2. Kategorie zwei — Auswahl der passenden Schneidparameter und Nutzung der Möglichkeiten der Laseranlage.
3. Kategorie drei — kontinuierliche Überwachung des Schneidprozesses.

Um Schneidqualität und Produktivität zu steigern, arbeiten wir vor allem an den Prozessparametern und kontrollieren bzw. beseitigen Anomalien.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Qualitätsmerkmale der Laserschnittkante — Schlackeanhaftung, Oberflächenrauheit und Rillenmuster — stark von der Schmelzbaddynamik abhängen.

Die Rauheit der Schnittfläche, bezeichnet als Rz, ist ein wichtiger Qualitätsparameter.

Schneidfront

Über die Blechdicke lassen sich drei Bereiche unterscheiden:

• Oberer Bereich (~2 mm), Zone (I). Geprägt von feinen, regelmäßigen Riefen, die Hauptursache der vergleichsweise hohen Rauheit. Die Riefen haben die geringste Tiefe und entstehen durch periodische Erosion von der oberen Kante.
• Mittlerer Bereich (~4 mm), Zone (II). Übergang vom typisch welligen Profil zum glatteren Bereich darunter; üblicherweise erreicht die Rauheit hier ihr Maximum. Die Riefen zeigen eine Krümmung und neigen sich leicht nach hinten. Sie sind tiefer, weil die Schmelze gleichzeitig von Laserstrahl und Schneidgas beeinflusst wird.
• Unterer Bereich (~9 mm), Zone (III). Der Prozess stabilisiert sich, die Schnittkante wird glatter. Die Riefen zeigen den größten Nachlauf (Neigung) entgegen der Schneidrichtung. Sie entstehen vorwiegend durch die Wirkung der abfließenden Schmelze und des Schneidgases auf die Kante.

Da im unteren Bereich drei gleichwertige Rauheits-Messlinien vorliegen, werden ihre Werte zum Vergleich mit Scherergebnissen gemittelt.

Die Rauheit hängt von Tiefe, Wiederholfrequenz und Neigung der Riefen ab und ändert sich über die Blechdicke. Mit steigender Schneidgeschwindigkeit und Leistungsdichte sinkt die Riefentiefe über die gesamte Schnittfläche — vorausgesetzt, der Gasdruck stimmt. Die Tiefe der Wärmeeinflusszone hängt von denselben Parametern ab wie die Schnittspaltbreite (kerf): vor allem vom Durchmesser des fokussierten Strahls und der Schneidgeschwindigkeit, die mit der Gaszufuhr abgestimmt sein muss (Regel "Geschwindigkeit nach Funken").

Schneidgeschwindigkeit "nach Funken"

1. Passende Geschwindigkeit. Die Funken streuen nach unten; die Schnittfläche wird glatt, ohne Rückstände am unteren Rand.
2. Zu hohe Geschwindigkeit. Die Schneidfunken werden abgelenkt.
3. Zu niedrige Geschwindigkeit. Die Funken streuen nicht, sind wenige und gruppiert oder weichen vom Lauf des Schneidkopfes ab.

Bewertung der Rauheit

Es gibt mehrere Methoden:

• Ra — arithmetischer Mittenrauwert (mittlere Rauheit);
• Rz — gemittelte Rautiefe;
• Ry — maximale Profilhöhe.

Die ersten beiden werden am häufigsten verwendet. Für die Laserschnittkante ist Ra ein praktischer Kennwert.

Da die Rauheit beim Laserschneiden schichtweise über die Blechdicke verteilt ist (je näher zur Unterseite, desto rauer), erfolgt die Messung üblicherweise bei 1/3 der Kantenhöhe von unten.

Oberer Bereich — Zone (I)

Defektursachen:

• falsche Düsenwahl — Durchmesser zu groß;
• falscher Gasdruck — verbrannte Riefen durch zu hohen Druck;
• falsche Schneidgeschwindigkeit — Verbrennungen durch zu niedrige oder zu hohe Geschwindigkeit.

Lösungen:

• Düse mit kleinerem Durchmesser einsetzen;
• Gasdruck reduzieren, um die Qualität des Schnittabschnitts zu verbessern;
• Schneidgeschwindigkeit so anpassen, dass die Leistung zur Geschwindigkeit passt.

Zonen (II) und (III)

Die Hauptparameter sind Laserleistung W, Schneidgeschwindigkeit V, Schneidgasdruck P und Materialdicke t.

In der Praxis muss verstanden werden, wie die Schneidparameter — vor allem Laserleistung und Schneidgeschwindigkeit — von der Blechdicke abhängen.

Im ersten Schritt wird für die gewählte Leistung die optimale Lage des Fokuspunkts gegenüber der Metalloberfläche ermittelt. Dieser Parameter beeinflusst Breite und Geometrie des Schnittspalts stark. Der nächste Schritt ist die optimale Schneidgeschwindigkeit V.

Auch die Pulsfrequenz beeinflusst die Rauheit: sie kann je nach Parameterkombination sinken oder steigen. Bei höherer Pulsfrequenz wird die Schmelzzone schmaler und besser kontrollierbar. Bei schlechter Parameterwahl können jedoch "Überhitzungs"-Effekte und höhere Rauheit auftreten.

Beim Vorrücken der Schmelzfront beobachten Sie ihre Parameter — Dicke und Geschwindigkeit. Schwankungen in der absorbierten Laserleistung und in der Geschwindigkeit des Hochdruck-Gasstrahls erzeugen zusammen mit ungünstigen Parametern Störungen in der Schmelze, was wiederum fluktuierende Riefenmuster auf der Schnittkante hervorruft.

Nach dem Laserschneiden zeigt die Schnittfläche halbkreisförmige Rillen oder Wellen, die sogenannten Riefen (striations). Sie entstehen durch die Fokussierung des Strahls, den Einfluss der Schneidgeschwindigkeit auf die Schnittspaltbildung und durch die Art, wie flüssiges Metall aus dem Schnittspalt ausgetragen wird.

Defektursachen:

• Düse zu klein; Schneidfokus dejustiert;
• Gasdruck zu niedrig oder zu hoch;
• Schneidgeschwindigkeit zu hoch;
• minderwertiges Blech; kleine Düsen können Schlacke schlecht austreiben.

Lösungen:

• Düse mit größerem Durchmesser verwenden;
• Fokus und Düsenabstand zum Blech in die richtige Lage bringen;
• Gasdruck erhöhen oder senken, bis der Gasstrom passt;
• hochwertiges Metall verwenden.

Ergänzende Hinweise

• Wirbel und Rillen an der Schnittfläche dicker Bleche haben ihre Ursache in der Physik des Laserschneidens. Sie entstehen meist durch Ablösung des Gasstrahls, der das Metall außerhalb des Strahlbereichs beaufschlagt. Sie lassen sich durch Korrektur des Gasaustrittsdrucks an der Düse vermeiden.

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