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Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Laserschneiden
Laserschneiden von Rohren
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Blech biegen-kanten
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Laserschneiden ist ein komplexer thermischer Prozess, bei dem ein konzentrierter Laserstrahl mit dem Werkstoff wechselwirkt und eine lokale Aufschmelzung sowie in bestimmten Fällen auch Verdampfung verursacht. Das Verständnis der begleitenden physikalischen Erscheinungen ist entscheidend für die Optimierung der Bearbeitungsparameter und das Erreichen einer hohen Schnittqualität. Dieser Artikel erläutert grundlegende physikalische Mechanismen beim Laserschneiden – mit besonderem Fokus auf Phasenumwandlungen des Werkstoffs, die Ausbildung der Schnittfuge sowie thermische Effekte in der Bearbeitungszone.
Der Laserschneidprozess beginnt mit der Absorption elektromagnetischer Strahlungsenergie durch den zu bearbeitenden Werkstoff. Die Effizienz dieser Absorption hängt vom Absorptionsgrad ab, der eine Funktion der Wellenlänge der Laserstrahlung und der optischen Eigenschaften des Materials ist. Für Metalle im Infrarotbereich, wie er typisch für CO₂-Laser (λ = 10,6 μm) und Faserlaser (λ ≈ 1,06 μm) ist, ist die Absorption bei Raumtemperatur relativ gering und beträgt für Stahl etwa 2–5 % für CO₂-Strahlung sowie 10–15 % für Faserlaser.
Mit zunehmender Werkstofftemperatur steigt der Absorptionsgrad deutlich an, wodurch eine positive Rückkopplung entsteht: Höhere Temperatur erhöht die Absorption, die wiederum eine weitere Erwärmung beschleunigt. Dieser Prozess lässt sich mit der Wärmeleitgleichung mit einem Quellterm beschreiben, der die absorbierte Laserleistung repräsentiert.
Nach Erreichen der Schmelztemperatur beginnt die Phasenumwandlung von fest zu flüssig. Die Schmelzfront bewegt sich mit einer Geschwindigkeit in die Materialtiefe, die von der Leistungsdichte des Lasers, den thermophysikalischen Materialkennwerten sowie den Bedingungen der Wärmeabfuhr abhängt. Die Schmelzzone ist durch thermische und kapillare Konvektion gekennzeichnet, die durch Temperatur- und Oberflächenspannungsgradienten ausgelöst wird.
Die Energiebilanz in der Schmelzzone berücksichtigt die durch den Laser eingebrachte Wärme, die latente Schmelzwärme, Verluste durch Wärmeleitung in den Werkstoff sowie den Abtransport des geschmolzenen Materials durch das Prozessgas. Für niedriggekohlten Stahl beträgt die latente Schmelzwärme etwa 247 kJ/kg und macht einen wesentlichen Anteil am gesamten Energiebedarf des Prozesses aus.
Bei ausreichend hoher Laserleistungsdichte kann die Temperatur im Strahlzentrum die Siedetemperatur des Werkstoffs überschreiten und eine intensive Verdampfung auslösen. Für Stahl liegt diese Temperatur bei Atmosphärendruck bei etwa 2862 °C. Die Verdampfung ist stark endotherm – die latente Verdampfungswärme von Stahl beträgt rund 6090 kJ/kg und ist damit mehr als 20-mal höher als die latente Schmelzwärme.
Der Sättigungsdampfdruck steigt gemäß der Clausius-Clapeyron-Gleichung exponentiell mit der Temperatur. In den heißesten Bereichen kann der Dampfdruck Werte von einigen Dutzend bis zu mehreren Hundert Kilopascal erreichen, was einen Rückstoßdruck (recoil pressure) erzeugt. Diese Kraft wirkt auf die Oberfläche des flüssigen Metalls und beeinflusst die Form der Schmelzfront sowie die Dynamik des Austrags des geschmolzenen Materials.
Intensive Verdampfung bildet über der Werkstoffoberfläche eine Plasmaschicht, insbesondere beim Schneiden metallischer Werkstoffe bei hohen Leistungen. Dieses Plasma kann Laserstrahlung teilweise absorbieren und streuen, wodurch die effektiv am Werkstoff ankommende Leistung sinkt – dieses Phänomen wird als Plasmaabschirmung bezeichnet.
Die Schnittfuge (Kerf) entsteht durch den Materialabtrag im Wirkbereich des Laserstrahls und weist eine charakteristische dreidimensionale Geometrie auf. Die Fugenbreite ist an der Oberseite des Materials meist größer als an der Unterseite. Ursache sind die Leistungsdichteverteilung im Strahl sowie Absorptions- und Streuprozesse während der Eindringung in den Werkstoff.
Typische Fugenbreiten beim Schneiden mit einem Faserlaser liegen – abhängig von Materialdicke und Strahldurchmesser – zwischen 0,1 und 0,4 mm. Bei einem gaußförmigen Strahl ist die Fugenbreite im oberen Bereich näherungsweise gleich dem Fokusdurchmesser, vergrößert um einen Faktor, der das thermische Aufschmelzen berücksichtigt.
Die Schnittfront – die Oberfläche, die geschmolzenes Material vom festen Werkstoff trennt – besitzt eine komplexe Geometrie, die von Bewegungsrichtung des Strahls, Schnittgeschwindigkeit und Materialeigenschaften abhängt. Im stationären Zustand bildet sich eine geneigte Front, deren Winkel zur Strahlrichtung mit steigender Schnittgeschwindigkeit zunimmt.
Die Temperaturverteilung entlang der Schnittfront ist nicht homogen. Die höchste Temperatur tritt im oberen Bereich der Fuge auf, wo der Laser in den Werkstoff eintritt. Mit zunehmender Eindringtiefe wird Energie absorbiert und gestreut, wodurch die Temperatur im unteren Bereich sinkt. Dieser Temperaturgradient beeinflusst direkt die Viskosität des Schmelzbads und die Effizienz seines Austrags.
Der Austrag des geschmolzenen Materials erfolgt hauptsächlich durch den Prozessgasstrahl, der entlang der Schnittfront strömt. Der Mechanismus setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen: aerodynamische Kräfte des Gasstrahls, Druckgradienten entlang der Fuge, Gravitationskräfte sowie der Rückstoßdruck des Dampfes.
Beim Sauerstoffschneiden kommt zusätzlich eine exotherme Oxidationsreaktion hinzu, die erhebliche Zusatzenergie liefert – die Oxidationsenthalpie von Eisen beträgt etwa 6,68 MJ/kg und kann 50–70 % der gesamten Energiebilanz des Prozesses ausmachen. Eisenoxide besitzen eine niedrigere Schmelztemperatur (etwa 1377 °C für FeO) und eine geringere Viskosität als reines Metall, was den Austrag aus der Fuge erleichtert.
Beim Schneiden mit inertem Gas (Stickstoff, Argon) ist der Prozess rein physikalisch: Schmelzen und Austrag ohne chemische Unterstützung. Das erfordert höhere Laserleistungen, liefert jedoch Schnittkanten ohne Oxidschicht.
Während der Fugenbildung können verschiedene Prozessinstabilitäten auftreten. Kapillare Instabilitäten des Schmelzmetalls, ausgelöst durch Fluktuationen der Oberflächenspannung und des Gasdrucks, führen zu unregelmäßigem Materialaustrag und zur Bildung von Riefen auf der Schnittfläche. Die Riefenfrequenz ist mit der Schnittgeschwindigkeit und den Parametern des Gasstroms korreliert.
Thermische Instabilitäten, verbunden mit Schwankungen der Laserenergieabsorption, können lokale Änderungen der Fugenbreite und der Oberflächenrauheit verursachen. Dieses Phänomen ist besonders ausgeprägt bei Schnittgeschwindigkeiten nahe dem Maximum für die jeweilige Prozesskonfiguration.
Dross (Schlacke) ist erstarrtes Material, das an der unteren Kante der Schnittfuge anhaftet und entsteht, wenn das Schmelzmetall nicht vollständig durch den Prozessgasstrahl ausgetragen wird. Der Mechanismus hängt mit dem Kräftegleichgewicht in der unteren Fugenregion zusammen: aerodynamische Kräfte des Gases, Oberflächenspannung des flüssigen Metalls, Gravitation sowie Adhäsionskräfte an der Materialkante.
Im unteren Bereich der Fuge ist die Laserenergie teilweise erschöpft, wodurch die Schmelztemperatur sinkt und die Viskosität steigt. Gleichzeitig nimmt die Gasgeschwindigkeit infolge von Druckverlusten und Kanalaufweitung ab. Diese Faktoren begünstigen die Ansammlung von Schmelzmaterial an der unteren Kante.
Es lassen sich mehrere Drosstypen unterscheiden. Anhaftende Dross entsteht, wenn Schmelzmetall die Schnittkante benetzt und als kontinuierliche Schicht mit einer Dicke von einigen Dutzend bis mehreren Hundert Mikrometern erstarrt. Sie ist schwer zu entfernen und erfordert häufig eine zusätzliche mechanische Nachbearbeitung.
Kugelige Dross besteht aus kleinen erstarrten Metallkügelchen, die lose an der unteren Kante haften. Sie entsteht, wenn der Gasstrahl das Schmelzmetall zerstäubt und die Tropfen erstarren, bevor sie vollständig aus der Fuge ausgetragen werden. Dieser Drosstyp ist in der Regel leichter zu entfernen als anhaftende Dross.
Druck und Art des Prozessgases beeinflussen die Drossbildung grundlegend. Höherer Druck verstärkt die aerodynamischen Austragskräfte und reduziert die Drosstendenz. Zu hoher Druck kann jedoch Turbulenzen in der Schnittzone verursachen und die Qualität der Seitenflächen verschlechtern.
Die Schnittgeschwindigkeit bestimmt die Verweilzeit des Schmelzmetalls in der Fuge sowie die Dicke der Schmelzschicht. Bei zu hoher Geschwindigkeit kann die Zeit für einen effektiven Austrag – besonders im unteren Fugenbereich – unzureichend sein. Zu niedrige Geschwindigkeit führt dagegen zu übermäßiger Erwärmung und einer größeren Schmelzmenge.
Die Fokuslage relativ zur Werkstückoberfläche bestimmt die Leistungsdichteverteilung über die Materialdicke. Ein Fokus leicht unterhalb der oberen Oberfläche (typisch etwa 1/3 der Materialdicke) bietet häufig einen optimalen Kompromiss aus effektivem Schmelzen im unteren Bereich und Prozessstabilität im oberen Bereich.
Die Optimierung der Gasströmungsparameter ist zentral für die Drosskontrolle. Der Einsatz hochreiner Gase (insbesondere Stickstoff ≥ 99,995 %) verhindert Oxidation und kann die Viskosität der Schmelze reduzieren. Die Düsenkonstruktion sollte eine laminare, gut kollimierte, koaxiale Gasströmung zum Laserstrahl sicherstellen.
Eine pulsierende Modulation der Laserleistung oder des Gasdrucks kann die Austragsdynamik verbessern. Pulse im Frequenzbereich von 100–1000 Hz induzieren periodische Druck- und Temperaturschwankungen, die die Oberflächenspannung überwinden und den Auswurf aus der Fuge erleichtern können.
Die Technik des Schneidens mit Doppelgasstrom – mit einem zusätzlichen Gasstrahl von der Unterseite des Werkstücks – kann die Dross bei dicken Materialien deutlich reduzieren. Sie erfordert jedoch spezielles Equipment und wird vor allem bei höchsten Qualitätsanforderungen eingesetzt.
Die Wärmeeinflusszone (WEZ; engl. Heat Affected Zone – HAZ) ist der Materialbereich, der nicht geschmolzen ist, jedoch so stark erwärmt wurde, dass sich Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften ändern. Beim Laserschneiden ist die WEZ in der Regel deutlich schmaler als bei konventionellen thermischen Verfahren und liegt typischerweise zwischen 0,05 und 0,5 mm – ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie.
Die Temperaturverteilung in der WEZ lässt sich durch die Lösung der Wärmeleitgleichung mit einer bewegten Wärmequelle beschreiben. Für das Laserschneiden eignen sich besonders gaußförmige Modelle oder mehrdimensionale volumetrische Wärmequellen. Die Maximaltemperatur tritt unmittelbar an der Fugenwand auf und nimmt mit der Entfernung exponentiell ab.
In Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen weist die WEZ – abhängig von der Spitzentemperatur – verschiedene mikrostrukturelle Zonen auf. Direkt an der Schnittkante, bei Temperaturen oberhalb der Austenitisierung (etwa 727–912 °C für Stahl), wandelt sich die Ausgangsstruktur in Austenit um.
Bei für das Laserschneiden typischen Abkühlraten (10² bis 10⁴ K/s) transformiert Austenit zu härtenden Gefügen: Martensit, Bainit oder einer Mischung aus beiden – abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der lokalen Abkühlgeschwindigkeit. Martensit zeichnet sich durch hohe Härte (bis zu 600–800 HV bei hochkohlenstoffhaltigen Stählen) aus, jedoch auch durch erhöhte Sprödigkeit und Rissanfälligkeit.
Weiter entfernt von der Schnittkante, in Bereichen, die unterhalb der Austenitisierung, aber oberhalb von etwa 400–500 °C erwärmt wurden, laufen Anlassprozesse früher vorhandener Härtungsgefüge oder Änderungen in der Ausscheidungsverteilung ab, was zu lokalen Härte- und Eigenschaftsänderungen führt.
Der thermische Zyklus des Laserschneidens erzeugt einen komplexen Zustand von Eigenspannungen. Während der Erwärmung möchte sich das Material in der WEZ thermisch ausdehnen, wird jedoch durch das kältere Umfeld behindert, wodurch Druckspannungen entstehen. Beim Abkühlen kehrt sich die Situation um: Das Schrumpfen wird durch das Umfeld gehemmt, was Zugspannungen erzeugt.
Der Endzustand nach dem Schneiden ist häufig durch Zugspannungen in der WEZ gekennzeichnet, die 50–100 % der Streckgrenze des Werkstoffs erreichen können. Diese Spannungen können Risse initiieren – insbesondere bei geringer Duktilität oder bei vorhandenen Kerb- bzw. Spannungskonzentrationen.
Die Spannungsverteilung ist sowohl über die Fugentiefe als auch senkrecht zur Schnittkante inhomogen. Gradientenspannungen können nach dem Abtrennen dünnwandiger Teile zu Verzug führen.
Eine Reduktion der WEZ-Breite erfordert die Minimierung des gesamten Wärmeeintrags bei gleichzeitiger Prozessstabilität. Das lässt sich durch Erhöhung der Leistungsdichte erreichen, z. B. durch Verringerung des Fokusdurchmessers. Moderne Faserlasersysteme mit hoher Strahlqualität (M² < 1,1) ermöglichen Fokusdurchmesser unter 50 μm.
Eine höhere Schnittgeschwindigkeit reduziert die thermische Einwirkzeit pro Materialvolumen und führt zu einer schmaleren WEZ. Es existiert jedoch eine obere Geschwindigkeitsgrenze, die sich aus der Dynamik des Schmelzens und des Materialaustrags ergibt. Die optimale Geschwindigkeit ist eine Funktion von Laserleistung, Materialdicke und Qualitätsanforderungen.
Mehrfachdurchlauf-Schneidstrategien, bei denen das Material schrittweise abgetragen wird, können die WEZ reduzieren, indem der Wärmeeintrag zeitlich und räumlich verteilt wird. Die Methode ist jedoch weniger produktiv und wird vor allem in Spezialanwendungen eingesetzt.
Eine unterstützende Kühlung, bei der ein Kühlmittelstrahl (Wasser, Emulsion) von der dem Laser entgegengesetzten Seite an die Schnittkante geführt wird, kann die Abkühlrate erhöhen und die WEZ-Breite reduzieren. Dies erfordert spezielle Zuführsysteme und ist durch das Risiko von Härterissen bei extrem schneller Abkühlung begrenzt.
Bei härtungsempfindlichen Stählen kann ein Vorwärmen des Werkstoffs auf 100–300 °C die Abkühlrate reduzieren und die Bildung von hochhartem Martensit begrenzen. Das Vorwärmen kann durch zusätzliche Wärmequellen (induktiv, resistiv) oder durch einen defokussierten Laserstrahl in einem vorgeschalteten Durchgang erfolgen.
Eine Anpassung der Stahlanalyse – insbesondere eine Reduktion des Kohlenstoffgehalts und härtungssteigernder Legierungselemente – verringert die Martensitneigung in der WEZ. Der Einsatz niedriggekohlter Stähle (C < 0,1 %) oder ferritischer Werkstoffe minimiert strukturelle Änderungen.
Eine Wärmebehandlung nach dem Schneiden, z. B. Anlassen bei 150–650 °C, kann Eigenspannungen reduzieren und die Duktilität härtender Gefüge in der WEZ verbessern. Temperatur und Haltezeit werden in Abhängigkeit von der Stahlanalyse und den geforderten Endeigenschaften gewählt.
Die physikalischen Phänomene beim Laserschneiden bilden ein komplexes, gekoppeltes System aus thermischen, phasenbezogenen und hydrodynamischen Prozessen. Schmelz- und Verdampfungsmechanismen bestimmen die Energiebilanz und erfordern eine präzise Kontrolle von Laserleistungsdichte und Einwirkzeit. Die Ausbildung der Schnittfuge ist das Ergebnis eines dynamischen Gleichgewichts zwischen Energieeintrag, Aufschmelzen und Austrag durch den Prozessgasstrom.
Die Drossbildung zählt zu den zentralen technologischen Herausforderungen und verlangt eine Optimierung der Gasströmungsparameter sowie der thermophysikalischen Prozessbedingungen. Die Minimierung der Wärmeeinflusszone ist entscheidend für den Erhalt der mechanischen Materialeigenschaften und erfordert ein ausgewogenes Vorgehen, das sowohl Strahlparameter als auch Prozessdynamik berücksichtigt.
Ein tiefes Verständnis dieser Phänomene ermöglicht die gezielte Auslegung von Laserschneidprozessen, die Optimierung technologischer Parameter sowie die Entwicklung neuer Bearbeitungsstrategien, die hohe Qualität und Reproduzierbarkeit bei minimalem Einfluss auf die Eigenschaften des Grundwerkstoffs gewährleisten.