Laser Cutting of Stainless Steel

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Allgemeines zum Edelstahl

Edelstahllegierungen enthalten mindestens 12 % Chrom als Legierungselement. Die Oberfläche von poliertem Edelstahl zeigt einen Spiegelglanz, eine lange Lebensdauer und Selbstheilungsvermögen. Die hohe Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer Oxidschicht aus unlöslichen Oxiden der Legierungselemente, die sich beim Kontakt mit Luftsauerstoff von selbst erneuert. Diese Schicht stellt ihre Unversehrtheit nach jeder Beschädigung selbstständig wieder her.

Als Legierungselemente werden eingesetzt: Chrom, Nickel, Silizium, Mangan, Molybdän, Wolfram, Niob, Bor, Kupfer, Vanadium, Titan usw. Der prozentuale Anteil der Legierungselemente und der Legierungsprozess bestimmen die physikalischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften des Stahls.

Die Korrosionsbeständigkeit erhält der Eisenwerkstoff durch Chrom- und Nickelzusätze — sie geben dem Stahl auch die helle Farbe und den Glanz. Die Legierung mit Nickel verhindert die Reaktion von Eisen mit Wasser bei Anwesenheit von Sauerstoff. Chrom oberhalb von 12 % bildet sofort einen gleichmäßigen Schutzfilm auf der Metalloberfläche, der die chemische Reaktion zwischen Sauerstoffmolekülen und Eisenatomen verhindert.

Klassifikation legierter Stähle

Nach Legierungsgrad:

niedriglegierter Stahl — Legierungselemente bis 2,5 %;
mittellegierter Stahl — Legierungselemente von 2,5 bis 10 %;
hochlegierter Stahl — Legierungselemente von 10 bis 50 %.

Nach Eigenschaften:

normaler und erhöhter Festigkeit;
kältebeständig;
warmfest (hitzebeständig);
beständig gegen Atmosphären- und Seewasserkorrosion;
durch thermische und thermochemische Behandlung härtbar usw.

Nach Verwendungszweck:

Baustähle (legiert). Für geschweißte Konstruktionen.
Maschinenbaustähle. Für Maschinenteile, Mechanismen und Gehäusekonstruktionen.
Werkzeugstähle. Für die Werkzeugfertigung.

Schwierigkeiten beim Bearbeiten von Edelstahl

Die Schwierigkeiten sind durch die Legierungseigenschaften bedingt:

der hohe Anteil an Legierungszusätzen kann zur Verschlackung der Schnittfläche führen;
in der Erwärmungszone bilden sich schwerschmelzbare Oxide, die den Laserdurchgang entlang der Schnittlinie erschweren und den Energieverbrauch erhöhen;
hochchromhaltige und Chrom-Nickel-Stähle haben eine geringe Fließfähigkeit, was den Schneidprozess zusätzlich erschwert.

Schneidprozess von Edelstahl

Der Prozess läuft in Stufen ab:

Erwärmung;
Schmelzen;
allmähliche Verdampfung der durch den Materialzerfall entstehenden Elemente.

Der Laserstrahl ist eine Wärmequelle, in der ein hochkonzentriertes Gas bei großer Temperatur gebündelt wird. Der Strahl hat einen Querschnitt von 10–20 µm und eine Leistungsdichte von 100 MW/cm². Auf so kleinem Bereich reicht diese Energie mehr als aus, um das Material augenblicklich aufzuschmelzen. Dank des thermophysikalischen Prozesses trennt sich der Stahl, und das Metallgefüge ändert sich nur im Kontaktbereich.

Besonderheiten von Edelstahl

Die Basis dieses Stahls ist eine Eisenmasse, vermischt mit Chrom. Je nach Hersteller werden Nickel und weitere Legierungsverbindungen zugesetzt, um die Eigenschaften zu verbessern.

Edelstahl hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer (mehrere Jahrzehnte). Seine Eigenschaften ändern sich auch nach Jahren des Einsatzes nicht. Edelstahl wird vielfältig für Bleche, Gewebe, Rohrleitungen usw. eingesetzt.

Wichtigste Legierungselemente

Nickel. In austenitischen Edelstahlsorten vorhanden; beeinflusst die Energieeinkopplung und den Wärmeaustausch und begrenzt die Schneiddicke bei gegebener Laserleistung.
Chrom. Ferritbildner. Wird sowohl allein als auch in Kombination mit anderen Elementen verwendet. Seine Zugabe erweitert das Erstarrungsintervall und steigert Festigkeit und Härte ohne Verlust der Duktilität. Schon 1 % verbessert die mechanischen Eigenschaften; bei 5 % erhöht sich die Wärmebeständigkeit, während säure- und hitzebeständige Legierungen Chromgehalte bis 28 % aufweisen.
Silizium. Ferritbildner. Beeinflusst die Viskositätseigenschaften nicht, erhöht aber Zug- und Streckgrenze, magnetische Permeabilität und elektrische Leitfähigkeit. Verbessert Duktilität, Säurebeständigkeit und Festigkeit.
Mangan. Austenitbildner; verbessert die Härtbarkeit und erhöht die Fließgrenze des Metalls. Steigert die Verschleiß- und Schlagfestigkeit.
Molybdän. Erhöht Härte, Festigkeit und Härtbarkeit deutlich. Höchste Anteile in warmfesten und Schnellarbeitsstählen; in Baustählen üblicherweise unter 0,4 %.
Wolfram. Karbidbildner, der Festigkeit und Härte steigert. In Schnellarbeitsstahl-Legierungen bis zu 18 %, optimiert Warmfestigkeit und Schlagzähigkeit.
Niob. Starker Karbidbildner. In Edelstählen zur Minimierung der interkristallinen Korrosion, in manganlegierten Stählen zur Verringerung der Anlassversprödung.
Bor. Erhöht die Härtbarkeit. Beste Alternative zum teuren Molybdän und Nickel.
Kupfer. Zugabe erhöht Streckgrenze, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Im Schiffbau bekämpft Kupfer effektiv den Bewuchs des Unterwasserrumpfs durch Algen und Muscheln.
Vanadium. Karbidbildner, der Festigkeit und Zähigkeit steigert. Vanadiumhaltige Legierungen zeigen hervorragende Schlagzähigkeit und Spannungsinertheit, sind aber sehr teuer.
Titan. Bindet Kohlenstoff in stabilen Karbiden, verfeinert das Austenitkorn und reduziert die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion. Steigert die Säurebeständigkeit und fördert zusammen mit anderen Karbidbildnern die Selbsthärtung des Stahls.

Laserschneiden von Edelstahl mit Inertgas und Sauerstoff

Das Laserschneiden mit Inertgas und echtem Inertgas ist das gängigste Verfahren für Edelstahl. Das Laserschneiden mit Sauerstoff wird ebenfalls eingesetzt, wenn die Oxidation der Schnittkante unkritisch ist. Nachfolgend werden das Laserschneiden von Edelstahl mit Inertgas (Stickstoff) und reaktivem Gas (Sauerstoff) als Schneidgase sowie Arbeitsschutzfragen für beide Verfahren behandelt.

Beim Laserschneiden mit Inertgas (auch Laserschmelzschneiden genannt) ist der Laserstrahl die einzige Wärmequelle, und der Hochdruck-Inertgasstrahl liefert die mechanische Kraft zum Austreiben der Schmelze.

Edelstähle haben eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, was relativ hohe Schnittgeschwindigkeiten erlaubt, da die Energie an der Schnittfront bleibt und sich nicht in das Material vor der Schnittkante zerstreut.

Stickstoff ist das am häufigsten verwendete Schneidgas für diese Technik, wegen seines niedrigen Preises und seiner geringen chemischen Reaktivität im Vergleich zu echten Inertgasen wie Argon und Helium.

Schneiden mit Stickstoff liefert hochwertige Schnittkanten, und die Schnittgeschwindigkeit ist meist höher als beim Sauerstoffschneiden.

Anhaftungen an der unteren Materialkante durch die hohe Viskosität des Schmelzguts können beim Stickstoffschneiden ein Problem sein, lassen sich aber meist durch sehr hohen Schneidgasdruck lösen. Hochdruck-Stickstoff wird eingesetzt, wenn die Schnittkantenqualität wichtiger ist als die Schnittgeschwindigkeit.

Stickstoff ist das bevorzugte Schneidgas für Edelstahl, hochlegierte Stähle sowie Aluminium- und Nickellegierungen; zum Austragen des Schmelzguts aus der Schnittfuge wird ein höherer Gasdruck benötigt. Der hohe Gasdruck liefert die zusätzliche mechanische Kraft, um die Schmelze aus dem Schnitt zu blasen. Beim Hochdruck-Stickstoffschneiden von Edelstahl ergibt sich eine helle, oxidfreie Kante, allerdings ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit geringer als mit Argon oder Helium.

Hauptproblem beim Schneiden mit Inertgas ist die Bartbildung aus abgelagertem Material an der Schnittfugenunterseite. Sie wird durch Optimierung der Kernparameter behoben: Düsendurchmesser, Fokuslage und Gasdruck.

Der Stickstoffdruck liegt im Bereich 10–20 bar und steigt mit der Materialdicke. Die Reinheit des Stickstoffgases muss über 99,8 % liegen.