Laserzuschneiden von dickem Stahl: Prozessfenster und Anforderungen an die Strahlqualität

Unterhalb von 10 mm sind die meisten Faserlaserprobleme Parameterprobleme. Oberhalb von etwa 16 mm werden sie zu physikalischen Problemen.

An dieser Schwelle verschieben sich drei Faktoren gleichzeitig:

• Tiefer Kerbkanal: Die Kerbe wird zu einem tiefen Kanal, in den das Hilfsgas nur schwer eindringen kann.

• Strahldivergenz: Rayleigh-Längeneffekte und Strahldivergenz führen dazu, dass der Fokus 20 mm unterhalb der Oberfläche messbar größer wird.

• Durchstechrisiken: Das Durchstechen – nicht das Schneiden – wird zur Operation, die am ehesten zu Ausschuss von Teilen, Düsen und Schutzlinsen führt.

Dieser Leitfaden behandelt das Schneiden von Kohlenstoffstahl und hochfestem Blech mit Dicken zwischen 16 und 30 mm und umfasst Grenzwerte für das Strahlparameterprodukt (BPP), Zoomoptiken, schrittweises Durchstechen, Sauerstoffdynamik, Taper-Kontrolle und Schlackevermeidung.

Ein fokussierter Laserstrahl hat die Form eines Kegels, nicht die eines Zylinders. Die Leistungsdichte am Boden eines 25-mm-Schnitts ist deutlich geringer als an der Oberseite, und die geschmolzene Metallmasse muss einen wesentlich längeren Weg zurücklegen, bevor sie ausgestoßen wird. Eine kleine Fokusfleckgröße, eine hohe Schnittgeschwindigkeit und eine enge Fokussierung – alles Faktoren, die beim Schneiden dünner Bleche gut funktionieren – wirken hier gerade entgegen.

Bei einer 3-mm-Platte erreicht das Hilfsgas sofort die Schnittzone. Bei einer 25-mm-Platte muss das Gas durch einen engen Kanal mit geschmolzenen Wänden und oft weniger als 1,0 mm Breite nach unten strömen. Der statische Düsendruck verrät Ihnen sehr wenig über den dynamischen Druck an der Unterseite; viele Beschwerden über »unzureichende Laserleistung« beruhen tatsächlich auf Problemen der Gasdynamik.

Bei 20 mm stellt eine seitliche Neigung von 0,3 mm pro Seite einen dimensionsbezogenen Fehler von 1,5 % dar, den die Qualitätskontrolle sofort bemerkt. Bei 3 mm bleibt derselbe Fehler praktisch unbemerkt.

Das Beam Parameter Product (BPP) ist der halbe Divergenzwinkel multipliziert mit dem Taille-Radius (gemessen in mm·mrad). Es definiert, wie stark ein Laserstrahl fokussiert werden kann und wie schnell er divergiert. Im Gegensatz zur reinen Laserleistung lässt sich das BPP nicht einfach durch Hinzufügen weiterer Leistungsmodulen verbessern.

Für eine 1-µm-Faserquelle liegt die theoretische Beugungsgrenze nahe bei 0,34 mm·mrad. Reale industrielle Quellen weisen jedoch erhebliche Unterschiede auf:

• Hochleistungs-Einmodus-Quellen: ca. 0,3–1,5 mm·mrad

• Standard-Multimodus-Schneidquellen: ca. 2,0–6,0 mm·mrad

• Veraltete Hochleistungsquellen: 8,0 mm·mrad und darüber

Fleckgröße und Rayleigh-Länge (Fokus-Tiefe) hängen über den BPP zwangsläufig zusammen. Bei festem BPP verringert eine Halbierung des Fleckdurchmessers die Rayleigh-Länge auf ein Viertel. Ein 0,15-mm-Fleck, der ideal für 4-mm-Edelstahl ist, liegt bereits nach einem Drittel der Durchdringungstiefe einer 25-mm-Platte stark außerhalb des Fokus.

Dickbleche erfordern einen größeren Fleck mit einer langen nutzbaren Fokus-Tiefe – dies setzt eine höhere Strahlqualität (niedrigerer BPP) voraus. Zwei Maschinen mit jeweils 20 kW Nennleistung können sich rein aufgrund der Strahlqualität um bis zu 100 % in der erreichbaren Materialdicke unterscheiden.

Käufertipp: ‚20 kW‘ ist keine vollständige Spezifikation. Erfragen Sie stets den ausgegebenen BPP, den Faserkern-Durchmesser und die tatsächlich am Schneidkopf erreichte Fleckgröße.

Die nachstehende Tabelle bietet einen praktischen technischen Rahmen für das Sauerstoffschneiden von Baustahl (nicht theoretische Trenngrenzen):

Hinweis: Die Geschwindigkeiten sind Richtwerte für unlegierten Stahl unter Verwendung von Sauerstoff. Die vom Hersteller angegebenen „maximalen Dicken“ beziehen sich häufig auf die Trennung (Plattentrennung) und nicht auf eine kantenqualitativ akzeptable Schnittführung.

Werkstoffe wie S690/S700 sowie gehärtete und angelassene Verschleißplatten (400–500 HB) bergen zwei spezifische kommerzielle Risiken:

1. Wärmeeinflusszone (HAZ) – Aufweichung: Sauerstoffschnitt führt hohe Wärme in wärmebehandelte Legierungen ein und erzeugt eine aufgeweichte Wärmeeinflusszone (HAZ), die unter die erforderliche Härtespezifikation für Tiefziehvorgänge fallen kann.

2. Randrisse: Dickes hochfester Blech weist ein erhöhtes Risiko für Randrissbildung auf, wenn es heiß geschnitten und anschließend ohne Spannungsarmglühen umgeformt wird.

Für kantenbezogene Härtekritikalität ist häufig der Schnitt mit Stickstoff oder Hochdruckluft bei reduzierter Geschwindigkeit die bevorzugte technische Lösung gegenüber Sauerstoffschnitt.

Zoom-Schneidköpfe integrieren motorisierte kollimierende Optiken, die das Strahlweitungverhältnis anpassen, bevor der Strahl die Fokussierlinse erreicht. Dadurch ist eine dynamische Anpassung von Fleckgröße und Fokus-Tiefe ohne physischen Linssauswechsel möglich.

• Konturen in Blechstärken ab 20 mm: Vergrößern Sie die Fleckgröße, um die Fokus-Tiefe zu verlängern; dabei wird die Spitzenintensität zugunsten einer geraderen, weniger konischen Schnittkante reduziert.

• Piercing-Vorgänge: Erweitern Sie die Fleckgröße, um die Spitzenintensität zu senken und explosionsartiges Spritzbacken zu verhindern; koppeln Sie die Zoom-Anpassungen dynamisch mit einer Leistungsrampe.

• Kleine Lochgeometrie: Verringern Sie die Fleckgröße, um Löcher mit geringerer Dicke als die Plattendicke zu schneiden; dabei muss der erste Durchstich mit einem erweiterten Fleckprofil erfolgen, um ein Aufplatzen zu verhindern.

Steuerungsanforderung: Stellen Sie sicher, dass Ihre CNC-Steuerung das Umschalten der Fleckgröße innerhalb einer Schicht unterstützt. Zoom-Köpfe, die auf Anpassungen pro Schicht beschränkt sind, verlieren bei dickem Material den größten Teil ihres Nutzens.

Ein statischer Sauerstoff-Durchstich mit voller Leistung an einer 25-mm-Platte führt zu einer Explosion: Geschmolzenes Metall und Eisenoxid schießen nach oben, wodurch Schlacke am Düsenkopf festgeschweißt und die Schutzschienen beschädigt werden.

Schrittweises Durchstechen eliminiert dieses Risiko durch eine mehrstufige Abfolge:

1. Starke Defokussierung zu Beginn: Erhöhte Durchstichhöhe mit Fokus oberhalb der Plattenoberfläche, um die anfängliche thermische Energie zu verteilen.

2. Gepulste Schlüsselloch-Initiierung: Hohe Spitzenleistung bei geringem Tastverhältnis initiiert das Schmelzen, ohne eine unkontrollierbare exotherme Reaktion auszulösen.

3. Stufenweise Abwärtsausführung: Der Fokus senkt sich, während Leistung/Tastverhältnis in 3 bis 6 diskreten Stufen ansteigt und das Loch schrittweise vertieft wird.

4. Bodenverweilphase: Eine Verweilphase mit reduzierter Leistung schließt die Durchbruchphase ab und ermöglicht das Klären des geschmolzenen Bades.

5. Schneidübergang: Druck, Fokus und Leistung wechseln nahtlos zu den Schneidparametern, bevor die Achsenbewegung beginnt.

Bei Werkstücken mit Dutzenden von Durchstichen in dickem Blech dominiert die Durchstichzeit die gesamten Verarbeitungskosten. Beurteilen Sie vor dem Gerätekauf die „Durchstichzykluseffizienz“ neben der reinen Laserleistung.

Beim Sauerstoff-Laserschneiden erfolgt der Schnitt durch exotherme Eisenoxidation statt durch reine mechanische kinetische Ausstoßung. Ein zu hoher Gasdruck stört die geschmolzene Grenzschicht, kühlt die Reaktionszone ab und erzeugt einen breiten, ausgehöhlten und überoxidierten Schnitt.

Dicke Platten erfordern eine hohe Volumenstromrate bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Größere Düsen-Durchmesser bei mäßigem Druck leiten das Gas ohne Turbulenzerzeugung den tiefen Kanal hinab. Bei Materialstärken von 20–30 mm stellen Einzelschichtdüsen (1,2–2,5 mm) im Betriebsdruckbereich von 0,6–1,5 bar das Standardbetätigungsfenster dar.

• Unterhalb der optimalen Geschwindigkeit: Der Schnittspalt überhitzt, wodurch starke Oxidation und grobe, klumpige Drosselbildung mit niedriger Geschwindigkeit entsteht.

• Oberhalb der optimalen Geschwindigkeit: Der Laserstrahl läuft der Oxidationsreaktion davon und hinterlässt feine, stark haftende Hochgeschwindigkeitsdrossel am unteren Rand.

Bei einer Plattendicke von 25 mm kann das nutzbare Geschwindigkeitsfenster weniger als ±20 % der Nenn-Geschwindigkeit betragen. Statt einer einzigen globalen Vorschubgeschwindigkeit sollten kontur-spezifische Vorschubkorrekturen angewendet werden. Eckdrossel entsteht nahezu ausschließlich durch Verzögerung ohne Leistungs- bzw. Gasanpassung.

Gasreinheit unter 99,5 % führt sofort zu Geschwindigkeitsverlust beim Schneiden und starker Schlackenbildung. Messen Sie die Gasreinheit und den dynamischen Druck stets direkt am Einlass des Schneidkopfs bei vollständigem Durchfluss.

• Ursache: Natürliche Geometrie der Sauerstoffreaktion, bei der die Gasfrische an der Oberseite am höchsten ist.

• Abhilfemaßnahme: Senken Sie den Fokuspunkt leicht tiefer ins Material; vergrößern Sie die Fleckgröße, um die vertikale Leistungsdichte auszugleichen; richten Sie die Düsenkonzentrisität aus.

• Ursache: Zu tiefer Fokus in Kombination mit übermäßigem Hilfsgasdruck oder ein zu kleiner Düsendurchmesser.

• Abhilfemaßnahme: Heben Sie die Fokusposition an; senken Sie den Gasdruck; vergrößern Sie die Düsenöffnung.

• Ursache: Übermäßige Wärmezufuhr pro Längeneinheit (Überbrennen).

• Abhilfemaßnahme: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit, verringern Sie die Laserleistung oder reduzieren Sie den Sauerstoffdruck.

• Ursache: Der Laserstrahl läuft der Oxidationsfront davon.

• Abhilfemaßnahme: Verringern Sie die Schnittgeschwindigkeit oder senken Sie die Fokusebene ab. Erhöhen Sie den Gasdruck nicht, da dies den Hochgeschwindigkeits-Grat verschlechtert.

Bei der Bewertung von Hochleistungs-Faserlasermaschinen für die Bearbeitung von 16–30 mm dickem Material müssen Lieferanten nachweisen:

• Tatsächlichen BPP am Ausgang und tatsächliche Fleckgröße am Werkstück durch den Bearbeitungskopf.

• Optisches Zoomverhältnis sowie Fähigkeit zu dynamischen, schichtinternen Anpassungen der Fleckgröße.

• Dokumentierte maximale progressive Durchstichdicke (nicht nur die maximale Trennschnittdicke).

• Berechnete Sauerstoffverbrauchsrate (m³/h) bei 20–30 mm und daraus abgeleitete Betriebskosten.

• Vor-Ort-Schneidproben mit Ihrem spezifischen Stahlguß, wobei die Taper-Messung durchgeführt und die Schlacke unter standardisierter Beleuchtung fotografiert wird.

Die Dickblechschneidfähigkeit wird vor Ausstellung der Bestellung festgelegt – bestimmt durch Strahlqualität, Durchstichfähigkeit und Gasdynamik.

Falls Sie Maschinen für 16–30 mm Baustahl oder Verschleißstahl spezifizieren, geben Sie bitte Ihre Dickenanforderungen, Werkstoffgüten und Toleranzvorgaben an. Unser Anwendungstechnik-Team liefert eine maßgeschneiderte Leistungs-/BPP-Empfehlung, eine schrittweise Durchstichroutine sowie Werksproben-Tests vor Auslieferung.

[Dickblech-Anwendungsanalyse anfordern] →Geben Sie für eine technische Bewertung Blechdicke, Werkstoffgüte, minimale Lochdurchmesser sowie Randtoleranzanforderungen an.