The Role of Assist Gas in Metal Laser Cutting

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Wirkungsweise des Schneidgases

Der Laserstrahl wird auf der Schnittlinie fokussiert und dringt in das Metall ein — er beginnt mit einer Einstechbohrung (Pierce) und führt dann durch thermische Wirkung den Konturschnitt aus. Gleichzeitig wird in die Schnittzone koaxial ein Schneidgas (Prozess- bzw. Arbeitsgas) geleitet. Es bläst das geschmolzene Material aus dem Schnittspalt (Kerf). Je nach Gas reagiert es mit dem Metall oder kühlt es. Ein Teil des Metalls verdampft.

Beim Schneiden wird das Material in der Schnittzone unter der Wirkung des Laserstrahls aufgeschmolzen, entzündet, verdampft oder vom Gasstrahl ausgeblasen.

Gasqualität (Reinheit)

Sauberes (hochreines) Gas beeinflusst die Schnittkantenqualität und die Schnittgeschwindigkeit bei gleicher Laserleistung. Bei schlechter Gasqualität wird das Metall nicht sauber bei Standardgeschwindigkeit getrennt — bei hochlegierten Stählen können Bart, Zunder und Verfärbungen auftreten.

Die Gasqualität wird üblicherweise als prozentualer Anteil des Hauptmoleküls angegeben. Bei Stickstoff, Sauerstoff und Argon liegt die Reinheit typischerweise bei 99 % plus mehreren Nachkommastellen — je mehr „9" hinter dem Komma, desto höher die Reinheit. Je dicker das Metall, desto höher muss die Reinheit sein.

In Industriebetrieben wird üblicherweise technischer Sauerstoff mit Reinheiten von 99,5 % oder 99,7 % eingesetzt. Es lohnt sich nicht, ultrareines Gas mit besonders vielen Neunen anzustreben — 99,99 % reicht aus.

Die Gaswahl hängt vom Werkstoff, der Blechdicke und nachgelagerten Arbeitsgängen ab. Bei Stickstoff ist die Reinheit nicht immer der wichtigste Parameter; beim Sauerstoffschneiden hängen die Ergebnisse direkt von der Sauerstoffreinheit ab.

Faktoren des Gasverbrauchs

Beim Faserlaser-Metallschneiden beeinflussen den Gasverbrauch:

Gasart;
Druck;
Materialdicke;
Düse (Nozzle).

Gasarten für das Laserschneiden

Druckluft (Gasgemisch);
Sauerstoff (aktives Gas);
Stickstoff (bedingt inertes Gas);
Argon und Helium (echte Inertgase);
Flüssiges Kohlendioxid (aktives Gas).

Farbkennzeichnung der Flaschen

Kohlendioxid — schwarze Flasche mit gelber Beschriftung;
Sauerstoff — blaue Flasche;
Stickstoff — schwarze Flasche mit braunem Streifen;
Argon — schwarze Flasche mit weißem Streifen;
Helium — braun;
Druckluft — schwarze Flasche mit weißer Beschriftung.

Lagerformen des Gases

40-L- oder 70-L-Flaschen — nicht optimal: häufiger Flaschenwechsel nötig.
Flaschenbündel (Manifold) — über Schläuche verbundene Flaschen. Reichen länger, aber Befüllung und Transport sind aufwendig und sie beanspruchen viel Platz.
Kryotank (Vergaser) — Großbehälter mit verflüssigtem Gas. Bevorzugte Option: reineres Gas und geringerer Verbrauch.
Gasstationen (Eigenerzeugung) — erzeugen das Gas direkt vor Ort; in Großbetrieben.

Aktive und inerte Gase

Aktive Gase. Kohlendioxid schützt das Metall vor Kontakt mit Sauerstoff, während Sauerstoff als oxidierende Komponente dient: Er reagiert mit dem Metall und bildet Metalloxide. Da die Oberfläche fast aller Metalle und Legierungen von einer dünnen Oxidschicht bedeckt ist, geht das Gas eine exotherme Reaktion ein — gut geeignet für das Schneiden von Kohlenstoffstahl.

Inertgase sind nahezu reaktionsträge und gehen keine exotherme Reaktion ein. Dadurch wird Oxidation vermieden und die Schnittkante sowie das Gefüge hochlegierter Stähle vor Korrosion und Strukturschäden geschützt.

Funktionen des Schneidgases

Schmelzaustrag aus der Schnittzone — die Hauptfunktion.
Kantenkühlung. Ein wichtiger Vorteil des Laserschneidens gegenüber anderen Trennverfahren ist die fehlende Wärmedeformation. Nur die Schnittzone wird stark erhitzt; das übrige Material erwärmt sich nicht stark genug, um sich zu verformen. Wesentlich liegt das an der Kühlung durch den Gasstrahl.
Plasmaunterdrückung. Der Gasstrahl verhindert die Bildung eines Plasmaherds, der den Prozess unvorhersehbar verändern würde.
Optikschutz. Richtig gerichtetes Gas schützt die Laseroptik vor geschmolzenem und verdampftem Metall, das sie beschädigen könnte.
Reaktionsfunktion — abhängig vom Gas:
- ein aktives Gas geht eine exotherme Reaktion ein und macht das Schneiden schneller und effizienter;
- ein inertes Gas schließt im Gegenzug die reaktiven Luftbestandteile aus und verhindert Reaktionen an den Schnittkanten.

Druckluft (Air)

Konstante Bestandteile der Luft: Sauerstoff — 21 %, Stickstoff — 78 %, Inertgase (überwiegend Argon) — 0,94 %; variable Bestandteile: Kohlendioxid — 0,03 %, weitere Verunreinigungen (Wasserdampf, Staub, Schwefel- und Stickoxide, andere gasförmige Stoffe).

Da Luft etwa 78 % Stickstoff enthält, genügt sie im Prinzip als Schneidgas für dünne Bleche (in der Regel bis 3 mm). Die beste Wirkung erzielt sie bei hochkohlenstoffhaltigen Legierungen; niedriglegierter Stahl sollte nicht mit den Beimengungen und dem CO₂ der Luft reagieren — hier ist Stickstoff besser. Die Luft muss jedoch sachgerecht getrocknet und gefiltert sein.

Mit Druckluft werden üblicherweise Schwarzstahl, verzinkter Stahl, Messing und Aluminium geschnitten.

Schnitte mit Druckluft sind bestenfalls mittelmäßig. Luft enthält etwa 75 % Stickstoff und 25 % Sauerstoff (in Volumen), und der Sauerstoff kann das Material oxidieren und die Kante verschlechtern. Andererseits kombiniert Luft eine leichte Sauerstoff-Brennwirkung mit der höheren Stickstoff-Geschwindigkeit — in gewisser Weise das Beste aus beiden Welten. Sie werden aber einen leicht gelblichen Schimmer an der Kante sehen — verursacht durch den Sauerstoff. Bei umfangreicher Nachbearbeitung ist Druckluft nicht zu empfehlen.

Druckluft ist zwar am wirtschaftlichsten, hat aber gravierende Nachteile.

Die atmosphärische Luft wird von einem Kompressor geliefert, der den nötigen Druck in der Leitung erzeugt. Eine wirksame Aufbereitung ist unverzichtbar.

Öl- und Wasserrückstände lagern sich auf dem Schutzglas des Schneidkopfs ab und verringern die Transmission. Die Lichtdurchlässigkeit fällt rasch, das Glas muss ersetzt werden. Luft transportiert Feuchtigkeit und Öltropfen aus den Kompressoren — das verunreinigt die Luft, beschädigt die Schutzlinse und im schlimmsten Fall den Schneidkopf. Auch die gesamte Luftleitung wird verschmutzt. Strenge, kompromisslose Filtration ist daher Pflicht.

Was passiert mit Edelstahl beim Schneiden mit Luft

Edelstahl ist fest und beständig gegen aggressive Umgebungen. Anders als Schwarzstahl korrodiert er bei Kontakt mit Luft und Feuchte nicht ohne weiteres — zumindest in dem Bereich, für den die jeweilige Sorte ausgelegt ist. Erreicht wird das durch Legierungselemente. Eines der wichtigsten ist Chrom.

Das Problem mit Chrom: Es reagiert bereitwillig mit dem in der Luft stets vorhandenen CO₂. Theoretisch reagiert es auch unter Normalbedingungen, aber so langsam, dass in einem Menschenleben keine Veränderungen zu sehen sind. In der Schmelze beim Laserschneiden reagiert Chrom mit CO₂ jedoch sofort.

Folgen:

Die entstehenden Chromcarbidkörner verringern die Bauteilfestigkeit — in der homogenen, metallisch gebundenen Matrix entstehen Einschlüsse, die diese Bindungen nicht tragen. Es gibt viele Schwachstellen.
So gebundenes Chrom erfüllt seine Legierungsaufgabe nicht mehr. Hochwertiger Edelstahl verhält sich, als hätte „der Hausmeister die Hälfte des Chroms gestohlen" — er rostet plötzlich dort, wo er es eigentlich nicht sollte.

Wer Titan in atmosphärischer Luft schneidet, ruiniert das Material — die Luft muss durch reines Argon ersetzt werden.

Sauerstoff (O₂)

Sauerstoff ist ein chemisch aktives Gas, das exotherme Eisenoxidationsreaktionen eingeht. Er wirkt als Katalysator und bringt nahezu 40 % zusätzliche Energie in die Schnittzone. Es entstehen niedrigviskose Oxide. Sauerstoff beschleunigt die Oxidationsreaktion: Erst oxidiert er die Schmelze, dann werden die Reste ausgeblasen.

Das Sauerstoffschneiden beruht darauf, dass das Metall in einem Strahl technisch reinen Sauerstoffs verbrennt, wenn es nahe an die Schmelztemperatur des Stahls erhitzt wird. Es umfasst:

Vorwärmen des Metalls auf Zündtemperatur im Sauerstoffstrahl;
Verbrennen des Metalls;
Ausblasen von Oxiden und geschmolzenen Partikeln durch den Sauerstoffstrahl.

Die nötige Vorwärmtemperatur am Schnittanfang hängt von der Masse (Dicke) und vor allem von der Zusammensetzung des Metalls ab: Mehr Masse und mehr Legierungselemente erfordern höheres Vorwärmen. Die Oxidationsintensität nimmt mit der Sauerstoffreinheit und mit der Temperatur zu. Das Ausblasen der Oxide (Schlacke) beginnt zeitgleich mit der Metalloxidation.

Sauerstoff bläst also nicht nur die Schmelze aus — gemeinsam mit der Laserstrahlung schmilzt er das Metall und treibt es aus der laserbeheizten Zone. Daher muss man beim Sauerstoffschneiden den Gasdruck sowie Laserleistung, Geschwindigkeit und Fokuslage sorgfältig einstellen.

Für Dünnbleche (bis 3 mm) sind sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff möglich. Beim Sauerstoffschneiden dünner Materialien muss die Laserleistung niedriger sein als bei Stickstoff, um Kantenbrand zu vermeiden, was aber auch die Geschwindigkeit gegenüber Stickstoff reduziert.

Das Schneiden dünner Metalle mit 99,5%igem Sauerstoff liegt geschwindigkeits- und qualitätsmäßig nahe an Druckluft; für dicke Stähle (über 10 mm) ist diese Reinheit ungeeignet.

Da Sauerstoff ein aktives Gas ist, wird er mit niedrigerem Druck als Stickstoff oder Luft betrieben, was den Verbrauch senkt. Eine präzise Druckregelung ist nötig: Nach dem Einstich muss der Druck angehoben werden, sonst entstehen beim Schneiden Spritzer. Der Schneiddruck mit Sauerstoff überschreitet typisch 1 bar nicht, während mit Stickstoff bis etwa 20 bar üblich sind. Sauerstoff ist wirtschaftlicher als Stickstoff.

Sauerstoff wird üblicherweise für niedrig- und mittellegierte Stähle eingesetzt — außer für Teile, deren Schnittkanten später lackiert werden. Die Brennweite ist mit Sauerstoff kürzer, und der Fokus sollte in der Regel auf der Blechoberseite liegen.

Interessant: Mit Sauerstoff — im Gegensatz zu Stickstoff — sollte der Druck mit zunehmender Dicke gesenkt und nicht erhöht werden, um zu starke exotherme Reaktionen zu vermeiden, die außer Kontrolle geraten und den Schnitt sowie das gesamte Werkstück ruinieren könnten. Bei Stahl über 12 mm reichen meist nicht mehr als 1 bar Sauerstoff. Die Kehrseite dieses niedrigen Drucks: Schon kleine Druckschwankungen wirken sich deutlich auf die Schnittgleichmäßigkeit aus — zuverlässige Druckregler sind Pflicht.

Das Sauerstoffschneiden hat Nachteile: Der Oxidationseffekt wirkt auch auf die Kanten, was höchst unerwünscht ist. Mit präzisen Parametern lässt sich dieser Nebeneffekt bei Schwarz- und niedriglegiertem Stahl mildern. Bei Edelstahl ist die Kontrolle wesentlich schwieriger. Unter hoher Temperatur und Sauerstoffüberschuss oxidiert das Kantenmaterial und verbrennt; ein Materialdurchbruch (Burn-through) ist wahrscheinlich. Das Metall verliert dabei seine wichtigste Eigenschaft — die Korrosionsbeständigkeit. Laserschneiden von Edelstahl in Sauerstoffatmosphäre liefert also keine Qualität und verwandelt die Kante von „rostfrei" in „rostend".

Sauerstoffschneiden bei Aluminium ergibt eine raue Schnittkante. Falls unebene Kanten und eine Oxidschicht in der Schnittzone für Sie unkritisch sind (bei Pulverlackierung von Kanten sind sie ein Problem), ist Sauerstoff in Ordnung.

Zum Einstechen und Schneiden von Kupfer wird in der Regel Sauerstoff unter hohem Druck verwendet.

Was bewirkt Sauerstoff beim Aluminiumschneiden? Er ruiniert die Hauptqualität des Laserschneidens — saubere, gerade Schnittkanten. Aluminium mit Sauerstoff hat unebene, gratbehaftete Kanten. Früher schnitt man Aluminium dennoch mit Sauerstoff, weil die Laserleistung fehlte — danach wurden die Kanten mechanisch nachgearbeitet, was Produktion verlängerte und verteuerte. Heute liefern leistungsstarke Quellen mit Stickstoff sofort sauberen Schnitt.

Stickstoff (N₂)

Dieses Gas gilt als bedingt inert. Für das Laserschneiden kann Stickstoff ab Reinheit 99,5 % verwendet werden. Stickstoff und andere Inertgase verursachen keine exothermen Reaktionen. „Bedingt" inert ist er, weil die Dreifachbindung im N₂-Molekül schwer zu brechen ist — Stickstoff reagiert nicht ohne Weiteres. Grundsätzlich kann er aber Reaktionen mit anderen Stoffen eingehen. Beim Titan ist das kritisch: Es bilden sich Titannitrid-Moleküle, die die Festigkeit ebenso ruinieren wie Chromcarbide den Edelstahl.

Deshalb wird Titan in Argon geschnitten — einem echten Inertgas, dessen Atome „selbstgenügsam" sind und nicht reagieren.

Stickstoff macht über 70 % der Luft aus, ist also leicht zu beschaffen. Im Gegensatz zu Argon verbindet er sich mit anderen Stoffen und nimmt an chemischen Reaktionen teil. Als inert gilt er, weil er nicht oxidiert: In Stickstoffatmosphäre gibt es keine Verbrennung und keine Plasmabildung.

Mit Stickstoff werden vorwiegend geschnitten: Edelstahl, hochlegierter Stahl, Nickel, Aluminium. Stickstoff kann auch Schwarzstähle bearbeiten, ist hier aber deutlich weniger produktiv als Sauerstoff. Da keine Edelstahl-Eigenschaften zu erhalten sind, kann die durch Sauerstoff verursachte Oxidation vernachlässigt werden.

Es gibt Materialien, die sich mit Stickstoff nicht sauber schneiden lassen — geschweige denn mit Sauerstoff. Eines davon ist Titan. Stickstoff ist nicht inert genug, reagiert mit Titan, und das Material beginnt zu zerbröckeln, ändert Eigenschaften und Gefüge. Hier ist ein neutraleres Gas nötig — Argon, das mit keinem Material wechselwirkt.

Vorteile des Edelstahlschneidens mit Stickstoff:

keine Veränderung von Gefüge und chemischer Zusammensetzung des Edelstahls im Schnittbereich;
hochwertige Kontur- und Lochfertigung in Dünnblech;
ausgezeichnete Genauigkeit ohne thermische und mechanische Verformung — Teile können ohne zusätzliche mechanische Bearbeitung in die nächste Montagestufe.

Warum Stickstoff verwendet wird:

Edelstahl. Schon geringe Mengen Sauerstoff bei Hochtemperaturbearbeitung oxidieren die Kante und vernichten die Korrosionsbeständigkeit. In Stickstoffatmosphäre bleibt die chromhaltige Passivschicht intakt und der Edelstahl behält seine Eigenschaften.
Verzinkte Oberflächen, einschließlich galvanisiert. Das Stickstoffschneiden bewahrt die Schutzschicht.
Lackierte Oberflächen. Stickstoff als Schneidgas verhindert Zunder und reduziert die Nacharbeit.
Kanten, die lackiert werden sollen. Stickstoff verhindert Oxidbildung an der Kante, die die Haftung der Pulverbeschichtung beeinträchtigt.
Aluminium und Nichteisenmetalle. Sauerstoff steigert hier die Geschwindigkeit nicht, und in Stickstoffatmosphäre ist die Qualität höher.

Für Messing ist Stickstoff das richtige Schneidgas.

Wer dünne Stähle schneidet, Wert auf Geschwindigkeit und Qualität legt und die höheren Gaskosten nicht scheut, wählt Stickstoff.

Bei Stickstoff sollte der Laserfokus näher an der Unterseite des Blechs liegen. Der Schnittspalt wird breiter, und mehr Druckstickstoff strömt durch. In der Regel werden Düsen mit 1,5 mm Durchmesser oder größer verwendet.

Argon (Ar) und Helium (He)

Echte Inertgase — Argon und Helium — nehmen weder an der Oxidation teil noch reagieren sie überhaupt mit dem geschmolzenen Material. Sie verdrängen aus der Schnittzone alle Gase, die mit ihm reagieren könnten.

Bei den meisten Metallen ist das schlicht nicht nötig. Es passiert nichts Schlimmes, wenn Aluminium mit Stickstoff reagieren darf. Aber zum Beispiel bei Titan…

Titan gilt zu Recht als eines der schwer zu bearbeitenden Materialien. Es ist etwas härter als Edelstahl, daher lässt sich Titan nicht in derselben Dicke schneiden wie Edelstahl. Interessant: Titan ist fast 40 % leichter als Edelstahl.

Beim Titanschneiden in anderen Gasen können nicht nur unerwünschte Oxide entstehen, sondern auch Titan-Stickstoff-Verbindungen — extrem spröde und nicht erwünscht. Daher kann Titan nicht in Stickstoff geschnitten werden, wohl aber in echten Inertgasen. Inertgase werden auch häufig bei Edelstahl und Aluminium eingesetzt — sie verhindern Oxidation und liefern eine saubere, glatte Schnittfläche. Sie kosten jedoch deutlich mehr als Stickstoff und werden nur dort eingesetzt, wo sie wirklich unverzichtbar sind.

Argon:

Anteil in der Luft: 0,9 Vol.-% und 1,3 Massen-%;
Dichte bei Normalbedingungen: 1,78 kg/m³;
Siedepunkt: −186 °C.

Argon ist ein Inertgas, das mit den meisten Metallen nicht reagiert und keine chemischen Reaktionen eingeht. Ein Vorteil des Argonschneidens ist das Ausbleiben einer Oxidationsreaktion an der entstehenden Fläche. Argon liefert hohe Reinheit und Schnittpräzision, glatte und ebene Kanten — besonders wichtig bei dünnen Blechen.

Argon und Helium werden beim Faserlaserschneiden selten verwendet. Argon hat eine höhere spezifische Wärmekapazität und kann Wärme aus der Schnittzone aufnehmen. Das kann zu lokaler Härtung und schneller Abkühlung im Schnittbereich führen und das Material schädigen. Daher wird Argon nur als Alternative für Metalle eingesetzt, die mit Stickstoff reagieren können.

Argonschneiden bearbeitet Metalle unterschiedlicher Dicken und Zusammensetzungen — Edelstahl, Aluminium, legierte Metalle u. a. Hohe Kosten, Verbrauch und Schädigungsrisiko machen Argon zu einem seltenen, speziellen Gas im Laserschneiden.

Helium. Hat den niedrigsten Siedepunkt aller bekannten Stoffe. Helium ist nicht brennbar, nicht giftig und nicht explosionsgefährlich. Die Wärmeleitfähigkeit ist höher als die von Argon — das erlaubt höhere Geschwindigkeit und reduziert den Wärmeeintrag ins Metall. Helium wird oft beim Schneiden dünner Metalle eingesetzt, wo hohe Präzision gefordert ist.

Flüssiges Kohlendioxid (aktives Gas)

Beim Laserschneiden — in unserem Fall an Faseranlagen — wird CO₂ als Arbeitsgas selten genutzt, obwohl es nur schwach mit dem Metall reagiert und es nicht oxidiert. CO₂ ist schwerer als Luft und isoliert die Schmelze daher zuverlässig vom Atmosphärenkontakt. Es ist eine Alternative, wenn kein Kompressor verfügbar ist: günstiger als Stickstoff, aber teurer als Sauerstoff. Geeignet für Edelstahl, mit klar geringerer Qualität als Stickstoff. CO₂ lässt sich schlecht komprimieren — in eine Flasche passt weniger Gas.

Wird nur im Notfall eingesetzt und von keinem Laserhersteller empfohlen.

Warum das Laserschneiden von Messing und Kupfer so schwierig ist

Die geringe Absorption von infrarotem Laserlicht erschwert das Schneiden dieser Metalle.
Kupfer und Messing (Kupfer-Zink-Legierung) sind gute Reflektoren — und damit schlechte Absorber — von infrarotem (IR) Laserlicht, vor allem im festen Zustand.
Reines festes Kupfer reflektiert > 95 % der nahen IR-Strahlung (Wellenlänge ~1 µm).
Die Reflektivität von Kupfer und anderen reflektierenden Metallen sinkt beim Erwärmen und fällt beim Schmelzen schlagartig (z. B. auf < 70 % bei flüssigem Kupfer). Im flüssigen Zustand absorbieren diese Metalle deutlich mehr Laserenergie.

Wegen der hohen Oxidationsneigung von Metallen wie Bronze, Messing und Aluminium muss beim Laserschneiden mit Inertgasen gearbeitet werden. Inertgase schaffen in der Bearbeitungszone eine sauerstofffreie Atmosphäre und verhindern eine schnelle Oxidation. Beim Schneiden von Aluminium, Kupfer oder Bronze in Sauerstoffatmosphäre entstehen unebene, gratbehaftete Kanten, die mechanisch nachbearbeitet werden müssen.

In der Praxis wird in Betrieben am häufigsten Stickstoff verwendet. Wirtschaftlich die beste Wahl, und in der Regel reicht es für die geforderte Schnittqualität.

Faktoren bei der Planung der Gasversorgung

Werkstoffart und -dicke (Dielektrika, Metalle, welche Metalle);
Vorhandensein und Anzahl der Verbrauchsspitzen sowie Bedarf bei Lastspitzen;
mittlerer Monatsverbrauch;
geplanter Arbeitsdruck am Verwendungspunkt (Schneidkopf);
Düsendurchmesser;
Druckabfall in Lastspitzen zwischen Gasquelle (Kryotank oder Verteiler) und Verwendungspunkt;
vorgesehener Mindestflüssigkeitsstand im Kryotank für sicheren, störungsfreien Betrieb;
Lieferhäufigkeit pro Monat;
erwartetes Produktionswachstum und steigender Gasbedarf.