Schneiden aus Licht

Die Laserstrahlschneid-Verfahrensvarianten, 2. Teil

T. H. Maimann erzeugte im Jahre 1960 in einem Rubinkristall eine „induzierte Lichtlawine“. Mit der ersten „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ im Rubin-Laser wurde eine stürmische Entwicklung eingeleitet, bei der das Bestreben zunächst darauf hinauslief, weitere Stoffe zu finden, die man zur Emission von Strahlung anregen konnte. Man ermittelte eine sehr große Anzahl von Laserübergängen in den verschiedensten Stoffen in allen Aggregatzuständen. Heute gibt es praktisch über den gesamten Spektralbereich von Ultraviolett bis Infrarot Laserstrahlquellen. Es gelang im Verlaufe der Forschungsarbeiten, Laserstrahlquellen zu entwickeln, die selbst unter extremen Umweltbedingungen wie Weltraum, Tiefsee oder Tropen zuverlässig arbeiten.

22. März 2001

Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Laserstrahlung - monochromes, kohärentes Strahlenbündel von geringer Konvergenz - ließen sich für die verschiedensten Werkstoffe neuartige Bearbeitungsmethoden verwirklichen. Kennzeichnend ist dabei, daß die durch die Wärmeeinbringung unvermeidbare Strukturänderung des Werkstoffs auf einen viel kleineren Bereich beschränkt werden konnte als bei den meisten anderen thermischen Bearbeitungsverfahren. Dies ermöglicht beispielsweise das verzugsarme Schneiden dünner Bauteile.

Funktion des Lasers

Die Hauptkomponenten eines Lasersystems sind die Strahlerzeugung und Strahlführung. Die Versorgungseinheit orientiert sich an dem jeweiligen Lasertyp. Elektrische Energie wird von ihr in Form von Gleich- oder Wechselstrom oder Spannungsimpulsen in den Laserkopf geleitet. Das darin enthaltene Lasermedium - es ist je nach Lasertyp fest, flüssig oder gasförmig - setzt einen Teil der zugeführten Energie in Strahlung um. Der Rest wird in Wärme umgewandelt, die durch ein Kühlaggregat abgeführt werden muß.

Entsprechend dem Lasertyp - für die technische Anwendung werden hauptsächlich Rubin, Neodym-YAG (Festkörperlaser) sowie Argon und Kohlendioxid (Gaslaser) eingesetzt - wird Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge emittiert. Die Wellenlänge („Farbe“) der Laserstrahlung ist maßgebend für den Grad der Absorption in dem zu bearbeitenden Werkstoff sowie den kleinsten erreichbaren Brennfleckdurchmesser. Leistungsdichten im Brennfleck von bis 1.016 W/cm2 sind heute schon erreichbar. Maßgebend für derart große Werte sind die zur Fokussierung verwendeten Linsen- und Spiegelsysteme sowie die Verteilung der Laserausgangsleistung über dem Strahlquerschnitt. Erwünscht ist dazu meistens eine glockenförmige (Gaußsche) Verteilung mit einem einzigen Leistungsdichtemaximum. Dieser Betriebszustand des Lasers wird „Single-Mode- Betrieb“ oder „TEM00“ genannt.

Vorteile des Kohlendioxidlasers

Für das Laserstrahlschneiden macht man sich in vielen Fällen die Vorteile des Kohlendioxidlasers (CO2-Lasers) zunutze. Dies sind der besonders hohe Wirkungsgrad von 10 bis 20 Prozent - in einer normalen Glühlampe werden weniger als 5 Prozent der elektrischen Energie in Licht umgewandelt - und die sehr hohe Ausgangsleistung. Es wurden bereits CO2-Laser mit Strahlleistungen über 25 kW konstruiert; schwerpunktmäßig erreichen die Ausgangsleistungen je nach Bearbeitungsaufgabe 0,05 bis 2 kW. Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt mit 10,6 µm im Infrarotbereich (sichtbares Licht reicht etwa von 0,38 bis 0,77 µm), der Brennfleckdurchmesser beträgt in der Regel 0,1 bis 4 mm. Für den Betrieb eines solchen Lasers sind drei Gassorten erforderlich, das eigentliche Lasergas Kohlendioxid sowie die „Puffergase“ Helium und Stickstoff. Die Ausgangsleistung der Strahlquelle ist im wesentlichen von der Größe des laseraktiven Volumens im Resonator abhängig. Da je Meter Rohrlänge 50 bis 70 W erreichbar sind, wählt man für hohe Ausgangsleistungen gefaltete Resonatoren, um die Baugröße zu begrenzen. Die Wirkstelle des Laserstrahls wird für einige Bearbeitungsaufgaben mit Schutz- oder Schneidgas überströmt. Dazu werden Düsenanordnungen verwendet, die radialsymmetrisch zur Strahlachse liegen.

Verfahrensmerkmale

Typische Verfahrensmerkmale des Laserstrahlschneidens sind hohe Leistungsdichte, schmale Wärmeeinbringzone (dadurch verzugarmes Schneiden möglich), große Schneidgeschwindigkeit, schmale Schnittfuge und enge Schnitt-Toleranzen. Für die Wirtschaftlichkeit des Laserstrahlschneidens sind außerdem die berührungslose Energieübertragung (Arbeiten in definierter Atmosphäre mit oxidierenden, reduzierenden oder inerten Gasen oder im Vakuum möglich) und die leichte Automatisierbarkeit, zum Beispiel durch fotoelektrisch oder numerisch gesteuerte Führungsmaschinen, von Bedeutung. In drei Stunden bearbeitet ein dreidimensional geführtes Lasersystem beispielsweise 90 Getriebegehäuse. Für diese Aufgabe wurden vorher 90 überdurchschnittlich gute Facharbeiter benötigt. Ein weiteres Beispiel ist das Fertigen von einer Innenhaut eines Kofferraumdeckels. In 33 Stunden produziert der Laser zehn solcher Vorserienteile. Die Handarbeit hätte jedoch fast 200 Stunden in Anspruch genommen.

Die Laserstrahlschneidverfahren

Man unterscheidet beim Laserstrahlschneiden drei Verfahrensvarianten. Diese werden nach der beherrschenden Art der Umwandlung des Werkstoffs eingeteilt in:

Laserstrahl-Brennschneiden

Laserstrahl-Schmelzschneiden

Laserstrahl-Sublimierschneiden.

Beim Laserstrahl-Brennschneiden wird das zu schneidende Material auf der Blechoberfläche im Bereich der Schnittfuge durch den fokussierten Laserstrahl auf Zündtemperatur, bei Baustahl etwa 1.150 °C, erwärmt. Der Schneidsauerstoff verbrennt das Material in der Schnittfuge und bildet eine dünnflüssige Schlacke, die durch die kinetische Energie des Schneidsauerstoff-Strahls aus der Schnittfuge geblasen wird. Durch Bewegung des Blechs oder des Laserstrahls über das Blech entsteht die Schnittfuge. Die exotherme Reaktion des Schneidsauerstoffs mit dem zu schneidenden Werkstoff bringt einen Teil der notwendigen Energie und ermöglicht dadurch hohe Schneidgeschwindigkeiten bei geringer Laserstrahlleistung. Werkstoffe, die mit dem autogenen Brennschneiden nicht geschnitten werden können, wie zum Beispiel nichtrostende Stähle, sind aufgrund der höheren Temperatur und daher dünnflüssigeren Schlacke zum Laserstrahl-Brennschneiden geeignet.

Beim Laserstrahl-Schmelzschneiden wird der zu schneidende Werkstoff durch den fokussierten Laserstrahl über die gesamte Schnittdicke aufgeschmolzen und durch ein Schneidgas aus der Schnittfuge geblasen. Als Schneidgas, das auch zum Schutz der Schneidoptik dient, kommen Stickstoff, Argon, Helium oder Druckluft zum Einsatz. Beim Laserstrahlschmelzschneiden muß die gesamte Wärme zum Schmelzen des Materials in der Schnittfuge vom Laserstrahl, also über den Einsatz elektrischer Energie, aufgebracht werden. Da bei diesem Verfahren das Schneidgas nicht exotherm reagiert und den Schneidprozeß fördert, beträgt die maximale Schneidgeschwindigkeit bei brennschneidgeeigneten Werkstoffen bei gleichem Druck weniger als die Hälfte der Schneidgeschwindigkeit des Laserstrahl-Brennschneidens. Der Schneidvorgang des Laserstrahl-Schmelzschneidens ist ähnlich dem des Plasmaschneidprozesses, bei dem auch das gesamte aus der Schnittfuge auszutragende Material aufgeschmolzen werden muß.

Beim Laserstrahl-Sublimierschneiden wird der zu schneidende Werkstoff durch die hohe Energiedichte des Laserstrahls spontan verdampft. Das verdampfte Material wird durch den Dampfdruck und durch ein reaktionsträges Schneidgas, wie Stickstoff, Argon oder Helium, aus der Schnittfuge geblasen. Das Schneidgas dient auch zum Schutz der Schneidoptik. Beim Laserstrahl-Sublimierschneiden muß die notwendige Energie ebenfalls wie beim Laserstrahl-Schmelzschneiden in Form von elektrischer Energie zugeführt werden. Beim Laserstrahl-Sublimierschneiden muß das Material in der Schnittfuge zum größten Teil verdampft werden.

Erschienen in Ausgabe: 10/2000