Die Wechselwirkung zwischen Brennweite und Düsenhöhe hinsichtlich des Schneideffekts

Bei Laser-Schneidprozessen sind Brennweite und Düsenhöhe zwei miteinander verknüpfte wichtige Prozessparameter. Sie beeinflussen direkt die Verteilung der Laserenergie, die Stabilität des Schmelzbades, die Wirkung des Hilfsgases sowie die endgültige Schnittqualität. Eine korrekte Abstimmung der Fokusposition und der Düsenhöhe ist eine grundlegende Voraussetzung, um die Schnittstabilität und die Qualität der Schnittkanten sicherzustellen.

I. Grundlegende Definition und Funktion der Brennweite

Die Brennweite bezeichnet den Abstand zwischen der Fokussierlinse und der Position, an der der Laserstrahl nach dem Durchlaufen des optischen Systems seinen kleinsten Punkt bildet. Bei Schneidprozessen wird die Fokusposition normalerweise in Bezug auf die Werkstückoberfläche als Nullpunkt angegeben und kann in positiven Fokus, Nullfokus und negativen Fokus unterteilt werden.

Die Fokusposition bestimmt die Energiedichteverteilung des Lasers auf der Materialoberfläche oder im Inneren des Materials und beeinflusst direkt folgende Aspekte:

Anfängliche Schmelzfähigkeit

Tiefe und Morphologie des Schmelzbades

Schnittbreite und Konizität

Größe der wärmeeinflussten Zone

Eine übermäßige Abweichung der Fokusposition kann zu unzureichender oder ungleichmäßiger Energiedichte führen, was zu unvollständigem Schneiden, Schlackeanhaftung oder rauen Schnittflächen führt.

II. Grundlegende Definition und Funktion der Düsenhöhe

Die Düsenhöhe bezeichnet den vertikalen Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Werkstückoberfläche und wird in der Regel durch ein Höhenerfassungssystem in Echtzeit geregelt. Die Hauptfunktion der Düsenhöhe liegt in der Beeinflussung des Zusatzgasstrahls und der Stabilität der Luftströmung in der Schneidzone.

Eine geeignete Düsenhöhe kann:

Einen stabilen, achsensymmetrischen Zusatzgasstrom sicherstellen

Die Effizienz der Entfernung von geschmolzenem Metall verbessern

Die Schlackenrückstände innerhalb des Schnittspalts verringern

Den Spritzer-Einfluss auf das optische System minimieren

Wenn die Düsenhöhe zu groß ist, zerstreut sich der Gasstrom und die Schlackenentfernungsfähigkeit nimmt ab. Wenn die Düsenhöhe zu klein ist, kann dies zu einer Kollision der Düse, zur Anlagerung von Spritzern und zu turbulenter Strömung führen.

III. Kopplungsbeziehung zwischen Brennweite und Düsenhöhe

Brennweite und Düsenhöhe sind keine unabhängigen Parameter. Im tatsächlichen Schneidprozess besteht zwischen ihnen eine deutliche Kopplungsbeziehung.

Einfluss von Änderungen der Fokusposition auf die optimale Düsenhöhe

Wenn die Fokusposition nach unten wandert (tieferer negativer Fokus), erstreckt sich die Schmelzpool weiter in das Material hinein. In diesem Fall muss die Düsenhöhe in der Regel angemessen verringert werden, um die direkte Wirkung des Hilfsgases auf das geschmolzene Metall zu verstärken.

Einfluss von Düsenhöhenänderungen auf die Nutzung der Fokusenergie

Änderungen der Düsenhöhe beeinflussen die Gasdruckverteilung und verändern dadurch indirekt die Morphologie des Schmelzpool sowie den Laser-Material-Wechselwirkungsbereich, wodurch die effektive Nutzung der Fokusenergie beeinflusst wird.

Einfluss der Parameterabstimmung auf die Schneidstabilität

Eine ungeeignete Abstimmung der Brennweite und Düsenhöhe kann leicht Instabilität des Schmelzpool während des Schneidens verursachen, die sich beispielsweise in periodischen Spaltstreifen, Anhaftung von Schlacken am Schnittboden oder Unterbrechungen des Schneidvorgangs äußern kann.

IV. Parameterabstimmungsmerkmale unter verschiedenen Materialbedingungen
Schneiden dünner Bleche

Ein nahezu nuller Fokus oder leicht positiver Fokus wird typischerweise in Kombination mit einer geringen Düsenhöhe verwendet, um einen schmalen Schnittspalt und eine hohe Schneidgeschwindigkeit zu erzielen.

Schneiden von mittleren und dicken Platten

Beim Schneiden wird häufig eine negative Fokusposition gewählt, wobei die Düsenhöhe relativ verringert wird, um die Tiefe des Schmelzbades und die Schlackenabführung durch das Hilfsgas zu verbessern.

Schneiden von hochreflektierenden Materialien

Es ist eine präzise Steuerung der Fokusposition erforderlich, während gleichzeitig eine stabile Düsenhöhe aufrechterhalten wird, um Energiefluktuationen zu vermeiden und das Risiko von Rückreflexionen zu verringern.

V. Häufige Schneidefehler und Parameterkorrelation

Unvollständiges Schneiden: Fokusposition zu hoch oder Düsenhöhe zu groß

Schlackenanhaftung an der Unterseite: unzureichende negative Fokusposition oder zu große Düsenhöhe

Übermäßige Schnittbreite: zu stark positive Fokusposition oder Düsenhöhe zu niedrig

Raue Schnittfläche: ungeeignete Kombination von Brennweite und Düsenhöhe, was zu einer instabilen Wechselwirkung zwischen Gasströmung und Schmelzbad führt

VI. Empfehlungen zur Prozessoptimierung

Die Brennweitenanpassung sollte vorrangig auf der Grundlage der Materialdicke bestimmt werden

Die Düsenhöhe sollte so gering wie möglich gehalten werden, solange die Betriebssicherheit gewährleistet ist

Während der Parameteroptimierung sollten Brennweite und Düsenhöhe gleichzeitig und nicht unabhängig voneinander angepasst werden

Probeschneiden sollte genutzt werden, um die Schnittfuge-Form und die Qualität der Schnittfläche zu beobachten, um schrittweise die optimale Parameterkombination zu ermitteln

Brennweite und Düsenhöhe sind Schlüsselparameter beim Laserschneiden, die sich gegenseitig beeinflussen und beschränken. Ihre richtige Abstimmung bestimmt unmittelbar die Effizienz der Laserenergienutzung, die Stabilität des Schmelzpfades sowie die Schneidqualität. In der praktischen Anwendung sollten Brennweite und Düsenhöhe systematisch entsprechend Materialart, Dicke und prozessbedingten Zielen angepasst werden, um stabile und wiederholbare Schneidresultate zu erzielen