7 Lösungen für Probleme beim Laserschneiden von Blechen

Technologie der Schneidperforation

Als allgemeine Regel gilt, Bohren Ein kleines Loch im Blech ist für jedes Heißschneideverfahren erforderlich, mit wenigen Ausnahmen, bei denen das Schneiden vom Rand des Blechs aus beginnen kann.

In der Vergangenheit wurde ein Loch mit Hilfe einer Stanzform in eine Form gestanzt. Laser-Prägemaschine bevor der Laserschneidprozess begann.

Es gibt zwei grundlegende Methoden für Laserschneiden ohne die Verwendung eines Stempelgeräts:

Sprengperforation

Bei kontinuierlicher Laserbestrahlung bildet sich in der Mitte des Materials ein lokaler Schmelzesee. Dieses geschmolzene Material wird durch das Hochdruck-Sauerstoffhilfsgas, das den Laserstrahl begleitet, schnell herausgeschleudert, was zur Bildung eines Durchgangslochs führt.

Die Abmessungen der Perforation werden in erster Linie durch die Blechdicke, die Laserleistung und die Hilfsgasparameter beeinflusst. In der Regel beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Strahlperforation etwa 50-60% der Blechdicke. Mit zunehmender Blechdicke werden die Perforationen tendenziell größer und können aufgrund der Ausdehnung der wärmebeeinflussten Zone und der Schwerkraftwirkung auf das geschmolzene Material von einer Kreisform abweichen.

Diese Methode wird im Allgemeinen nicht für Bauteile empfohlen, die hohe Präzision oder enge Toleranzen erfordern. Es eignet sich am besten für die schnelle Herstellung von Löchern in unkritischen Bereichen oder für Ausschussmaterial. Das Verfahren kann durch Anpassung der Laserparameter und des Gasflusses für bestimmte Anwendungen optimiert werden.

Es ist wichtig zu wissen, dass der beim Perforieren verwendete Sauerstoffdruck oft dem beim Schneiden verwendeten Druck ähnelt. Dieser hohe Druck ist zwar effektiv für den Materialabtrag, kann aber zu übermäßigem Verspritzen und potenzieller Oberflächenverschmutzung an der Perforationsstelle führen. Für Anwendungen, die sauberere Perforationen erfordern, können alternative Hilfsgase wie Stickstoff oder Argon in Betracht gezogen werden, allerdings auf Kosten einer geringeren Schneidgeschwindigkeit.

Pulsperforation

Ein gepulster Laser mit hoher Spitzenleistung wird zum schnellen Schmelzen oder Verdampfen von lokalisiertem Material eingesetzt. Inerte Gase wie Stickstoff oder saubere Druckluft werden als Hilfsgase verwendet, um die durch die exotherme Oxidation verursachte Lochausdehnung zu verringern. Der Gasdruck wird niedriger gehalten als beim sauerstoffunterstützten Schneiden. Jeder Laserpuls erzeugt Mikrotröpfchen, die ausgestoßen werden und allmählich in das Material eindringen. Daher kann das Perforieren dicker Bleche mehrere Sekunden dauern.

Nach Abschluss der Perforation wird das Hilfsgas schnell auf Sauerstoff umgeschaltet, um den Schneidvorgang einzuleiten. Diese Technik führt zu einem kleineren Perforationsdurchmesser und einer besseren Lochqualität als herkömmliche Strahlperforationsverfahren. Um dies zu erreichen, muss das Lasersystem nicht nur über eine höhere Ausgangsleistung verfügen, sondern auch eine präzise räumliche und zeitliche Strahlcharakteristik aufweisen. Standard-CO2-Durchflusslaser erfüllen diese strengen Anforderungen in der Regel nicht.

Darüber hinaus erfordert die Impulsperforation ein hochentwickeltes Gassteuerungssystem, das in der Lage ist, Gasart, Druck und Perforationsdauer präzise zu regulieren. Um qualitativ hochwertige Schnitte während der Pulsperforation zu gewährleisten, muss der Übergang von der gepulsten Perforation zum kontinuierlichen Schneiden sorgfältig gesteuert werden.

Theoretisch können Schneidparameter wie Brennweite, Düsenabstand und Gasdruck während der Beschleunigungsphase angepasst werden. In industriellen Anwendungen erweist sich jedoch die Modulation der durchschnittlichen Leistung des Lasers als praktischer und effizienter. Dies kann durch eine Änderung der Pulsbreite, der Frequenz oder einer Kombination aus beidem erreicht werden. Umfangreiche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der letztgenannte Ansatz, d. h. die gleichzeitige Anpassung von Pulsbreite und Frequenz, optimale Ergebnisse in Bezug auf die Schnittqualität und Prozessstabilität liefert.

Analyse der Verformung beim Schneiden kleiner Löcher (kleiner Durchmesser und Dicke)

Beim Schneiden kleiner Löcher mit Hochleistungslasersystemen kann es aufgrund der Energiekonzentration in einem begrenzten Bereich zu Verformungen und Qualitätsproblemen kommen. Herkömmliche Impulsperforationstechniken (Soft Punch) sind zwar bei weniger leistungsstarken Systemen wirksam, können aber bei Hochleistungsanwendungen zu Verkohlung und Lochverformung führen.

Die Hauptursache für dieses Phänomen ist die intensive Lokalisierung der Laserenergie während der Pulsperforation. Dieser konzentrierte Wärmeeintrag kann zu übermäßigem Materialschmelzen, Verdampfen und thermischer Belastung im umgebenden Nicht-Bearbeitungsbereich führen. Infolgedessen wird die Lochgeometrie beeinträchtigt, und die Bearbeitungsqualität verschlechtert sich insgesamt.

Um diese Probleme bei Hochleistungs-Laserschneidsystemen zu entschärfen, wird empfohlen, von der Impulsperforation auf die Sprengperforation (auch bekannt als Einzelimpuls-Perforation oder einfaches Durchstechen) umzustellen. Bei dieser Methode wird ein einziger, hochenergetischer Impuls verwendet, um das erste Loch schnell zu erzeugen, wodurch die Wärmeeinflusszone reduziert und der Materialverzug minimiert wird.

Zu den wichtigsten Vorteilen der Strahlperforation für das Schneiden kleiner Löcher mit Hochleistungslasern gehören:

1. Geringerer Wärmeeintrag in das umgebende Material
2. Schnellere Bearbeitungszeiten
3. Verbesserte Lochgeometrie und Kantenqualität
4. Minimiertes Risiko der Materialverkohlung und -verformung

Bei Laserschneidanlagen mit geringerer Leistung ist dagegen die Pulsperforation nach wie vor die bevorzugte Methode für das Schneiden kleiner Löcher. Diese Technik bietet bei weniger leistungsstarken Systemen mehrere Vorteile:

1. Bessere Kontrolle über den Schneidprozess
2. Verbesserte Qualität der Oberflächenbehandlung
3. Geringeres Risiko von thermischen Schäden an empfindlichen Materialien
4. Bessere Präzision für komplizierte Designs

Gratbildung beim Laserschneiden von kohlenstoffarmem Stahl

Beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl mit CO2-Lasertechnologie kann die Gratbildung ein großes Problem darstellen. Um saubere, präzise Schnitte zu erzielen, ist es entscheidend, die Ursachen zu verstehen und geeignete Lösungen zu implementieren. Hier sind die wichtigsten Faktoren, die zur Gratbildung beitragen, und die entsprechenden Abhilfemaßnahmen:

1. Falsche Brennpunktposition: Führen Sie einen Test der Fokusposition durch und passen Sie den Versatz entsprechend an. Eine korrekte Fokussierung gewährleistet eine optimale Energiekonzentration am Schnittpunkt.
2. Unzureichende Laserleistung: Überprüfen Sie die Funktionsfähigkeit des Lasergenerators und die Leistungseinstellungen auf dem Bedienfeld. Passen Sie die Leistung an die Materialstärke und die Schneidanforderungen an.
3. Suboptimale Schnittgeschwindigkeit: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit über das Steuerungssystem der Maschine. Für saubere Schnitte ist es wichtig, das richtige Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Leistung zu finden.
4. Unzureichende Qualität des Hilfsgases: Stellen Sie sicher, dass hochreines Hilfsgas (normalerweise Stickstoff oder Sauerstoff) verwendet wird. Die Gasreinheit wirkt sich direkt auf die Schnittqualität und die Gratbildung aus.
5. Brennpunktdrift: Führen Sie regelmäßig Tests des Brennpunkts durch, insbesondere bei langen Schnittsitzungen. Passen Sie den Offset an, um eine durch thermische Effekte oder mechanischen Verschleiß verursachte Drift zu kompensieren.
6. Systeminstabilität bei längerem Betrieb: Wenn nach längerem Betrieb anhaltende Probleme auftreten, sollten Sie einen vollständigen Neustart des Systems in Betracht ziehen. Dadurch können Softwarefehler oder thermisch bedingte Instabilitäten behoben werden.

Analyse des Grats auf dem Werkstück beim Schneiden von rostfreiem Stahl und Aluminium-Zinkblech mit dem Laserschneider.

Beim Schneiden von kohlenstoffarmen Stahl-, Edelstahl- oder Aluminium-Zink-Blechen mit einem Laserschneider ist die Gratbildung eine häufige Herausforderung, die die sorgfältige Berücksichtigung mehrerer Faktoren erfordert. Die Ursachen für die Gratbildung können je nach Materialeigenschaften und Schneidparametern variieren.

Bei kohlenstoffarmem Stahl sollte man sich zunächst auf die Schlüsselfaktoren konzentrieren, die die Gratbildung beeinflussen, z. B. Laserleistung, Schneidgeschwindigkeit, Brennpunktposition und Hilfsgasdruck. Eine einfache Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit ist jedoch nicht immer eine effektive Lösung, da sie die Fähigkeit des Lasers, das Material vollständig zu durchdringen, beeinträchtigen kann, insbesondere bei der Bearbeitung dickerer Bleche oder stark reflektierender Materialien wie Aluminium-Zink-Legierungen.

Bei Aluminium-Zink-Blechen, die für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und ihr Reflexionsvermögen bekannt sind, sind zusätzliche Überlegungen erforderlich. Die Interaktion des Lasers mit diesen Materialien kann komplexer sein und erfordert oft ein feines Gleichgewicht zwischen Leistung, Geschwindigkeit und Fokuspunkteinstellung, um saubere Schnitte mit minimalem Grat zu erzielen.

Um die Schnittleistung zu optimieren und die Gratbildung zu verringern, sollten Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:

1. Zustand der Düse: Eine abgenutzte oder beschädigte Düse kann den Gasfluss unterbrechen, was zu ungleichmäßigen Schnitten und erhöhtem Grat führt. Regelmäßige Inspektion und Austausch der Düsen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Schnittqualität.
2. Stabilität des Bewegungssystems: Vibrationen oder Instabilitäten in der Führungsbewegung können Schwankungen in der Brennpunktposition verursachen, was zu ungleichmäßigen Schnitten und Gratbildung führt. Stellen Sie sicher, dass das Bewegungssystem der Maschine ordnungsgemäß gewartet und kalibriert ist.
3. Auswahl des Hilfsgases und Druck: Bei Edelstahl- und Aluminium-Zink-Platten wird häufig Stickstoff als Hilfsgas bevorzugt, um Oxidation zu verhindern. Optimieren Sie den Gasdruck, um geschmolzenes Material effektiv zu entfernen, ohne übermäßige Turbulenzen zu verursachen.
4. Brennweite und Position: Passen Sie die Position des Brennpunkts relativ zur Materialoberfläche an, um die optimale Leistungsdichte für saubere Schnitte zu erreichen. Dies kann je nach Materialstärke und -zusammensetzung variieren.
5. Optimierung der Schneidparameter: Feinabstimmung von Laserleistung, Schneidgeschwindigkeit und Pulsfrequenz (falls zutreffend) auf der Grundlage der materialspezifischen Anforderungen. Nutzen Sie Parameterdatenbanken oder führen Sie Schneidversuche durch, um die optimalen Einstellungen für jeden Materialtyp und jede Materialstärke zu ermitteln.
6. Strahlqualität und optischer Zustand: Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl richtig ausgerichtet und fokussiert ist und dass alle optischen Komponenten sauber und in gutem Zustand sind, um eine gleichbleibende Schneidleistung zu gewährleisten.

Analyse des unvollständigen Schneidezustands des Lasers.

Nach einer umfassenden Analyse wurden die folgenden Faktoren als die Hauptursachen für instabile Laserschneidprozesse ermittelt:

1. Falsche Wahl der Düse im Verhältnis zur Plattendicke:
   Die Düsengeometrie und der Düsendurchmesser haben einen erheblichen Einfluss auf die Gasflussdynamik und die Schneideffizienz. Unpassende Düsen können zu einem unzureichenden Hilfsgasdruck oder einer falschen Strahlfokussierung führen, was unvollständige Schnitte zur Folge hat.
2. Überhöhte Schnittgeschwindigkeit:
   Wenn die Verfahrgeschwindigkeit die optimale Geschwindigkeit für ein bestimmtes Material und eine bestimmte Dicke überschreitet, kann dies zu einer unzureichenden Energiedichte an der Schnittfront führen. Dies führt häufig zu Krätzebildung, unvollständigem Eindringen oder unregelmäßiger Schnittfugenbreite.
3. Falsche Brennweite für dickere Materialien:
   Für das Schneiden von 5 mm dicken Kohlenstoffstahlplatten ist es wichtig, die Standardlinse durch eine Laserlinse mit 7,5″ Brennweite zu ersetzen. Durch diese Anpassung wird die Fokustiefe des Strahls optimiert und die richtige Energiekonzentration über die gesamte Materialstärke gewährleistet.

Weitere Faktoren, die zu einer instabilen Verarbeitung beitragen können, sind unter anderem:

• Druck und Typ des Hilfsgases stimmen nicht überein
• Verschmutzte oder beschädigte Fokussieroptiken
• Schwankungen der Laserleistung
• Unzureichender Abstand zwischen Düse und Werkstück
• Materialunregelmäßigkeiten oder Oberflächenverunreinigungen

Die Lösung für unregelmäßige Funkenmuster beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl

Abnormale Funkenmuster beim Laserschneiden von kohlenstoffarmem Stahl können die Qualität der Schnittkanten und die Gesamtpräzision des Teils erheblich beeinträchtigen. Wenn andere Schneidparameter innerhalb normaler Bereiche liegen, sollten Sie die folgenden möglichen Ursachen und Lösungen in Betracht ziehen:

1. Verschlechterung der Düse:
   Die Laserdüse ist möglicherweise verschlissen oder beschädigt. Ersetzen Sie die Düse umgehend durch eine neue, um die optimale Schneidleistung wiederherzustellen. Die regelmäßige Inspektion und der Austausch der Düse sollten Teil Ihres vorbeugenden Wartungsplans sein.
2. Einstellung des Schneidgasdrucks:
   Wenn ein sofortiger Düsenwechsel nicht möglich ist, besteht eine vorübergehende Lösung darin, den Schneidgasdruck zu erhöhen. Dies kann dazu beitragen, den verringerten Gasfluss aufgrund von Düsenverschleiß oder teilweiser Verstopfung auszugleichen. Überwachen Sie jedoch die Schnittqualität genau, da ein zu hoher Druck zu anderen Problemen, wie z. B. einer verstärkten Krätzebildung, führen kann.
3. Lose Düsenverbindung:
   Die Gewindeverbindung zwischen Düse und Laserschneidkopf hat sich möglicherweise gelöst. In diesem Fall:

• Halten Sie den Schneidvorgang sofort an, um weitere Schäden zu vermeiden.
• Untersuchen Sie den Laserkopf sorgfältig und achten Sie dabei besonders auf den Düsenanschluss.
• Wenn die Verschraubung lose ist, ziehen Sie sie fest an und achten Sie dabei auf die richtige Ausrichtung.
• Führen Sie einen Testschnitt durch, um zu überprüfen, ob das Problem behoben wurde.

1. Zusätzliche Überlegungen:

• Überprüfen Sie die Sauberkeit der Düsenöffnung und beseitigen Sie eventuelle Verstopfungen.
• Prüfen Sie, ob der Laserstrahl in der Düse richtig zentriert ist.
• Stellen Sie sicher, dass der Brennpunkt des Lasers für die Materialstärke richtig eingestellt ist.
• Überprüfen Sie den Zustand der Schutzscheibe und tauschen Sie sie gegebenenfalls aus.

Auswahl der Einstichstellen beim Laserschneiden

Das Arbeitsprinzip des Laserstrahlschneidens:

Während des Laserschneidens erzeugt der fokussierte Laserstrahl ein örtlich begrenztes Schmelzbad auf der Materialoberfläche. Wenn der Strahl weiter strahlt, bildet er in der Mitte eine Vertiefung. Das Hochdruck-Hilfsgas, das koaxial zum Laserstrahl angeordnet ist, treibt das geschmolzene Material schnell aus und erzeugt ein Schlüsselloch. Dieses Schlüsselloch dient als erster Eindringpunkt für den Konturschnitt, analog zu einer Pilotbohrung bei der konventionellen Bearbeitung.

Der Laserstrahl bewegt sich in der Regel senkrecht zur Tangente an die Schnittkontur. Wenn der Strahl vom anfänglichen Eindringen zum Schneiden der Kontur übergeht, ändert sich der Schnittvektor erheblich. Insbesondere dreht sich der Vektor um etwa 90° und richtet die Schnittrichtung an der Konturtangente aus.

Diese schnelle vektorielle Verschiebung kann zu Problemen mit der Oberflächenqualität am Übergangspunkt führen, die sich in einer erhöhten Rauheit oder Schwankungen der Schnittfugenbreite äußern können.

Bei Standardoperationen, bei denen die Anforderungen an die Oberflächengüte nicht so hoch sind, bestimmt in der Regel eine automatisierte CNC-Software die Einstichpunkte. Bei Anwendungen, die eine hohe Oberflächenqualität oder enge Toleranzen erfordern, ist jedoch ein manueller Eingriff unerlässlich.

Bei der manuellen Anpassung des Einstichpunkts wird die ursprüngliche Einstichstelle strategisch neu positioniert. Ziel dieser Optimierung ist es, die Auswirkungen der Vektoränderung auf die Schnittqualität zu minimieren. Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören:

1. Materialeigenschaften (Dicke, Wärmeleitfähigkeit)
2. Laserparameter (Leistung, Frequenz, Pulsdauer)
3. Hilfsgasart und Druck
4. Gewünschte Konturgeometrie

Durch die sorgfältige Auswahl des Einstichpunkts können die Ingenieure die Gesamtschnittqualität erheblich verbessern, die Nachbearbeitungsanforderungen reduzieren und die Präzision der Teile erhöhen. Zur weiteren Optimierung des Einstichprozesses können auch fortschrittliche Techniken wie Rampen oder Dimpling eingesetzt werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass die manuelle Auswahl der Einstichstellen zwar zu besseren Ergebnissen führen kann, aber Fachwissen erfordert und die Programmierzeit erhöhen kann. Daher sollte eine Kosten-Nutzen-Analyse durchgeführt werden, um festzustellen, wann dieser Grad der Optimierung gerechtfertigt ist.