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Cut Quality Problems: Dross / Mill Scale

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Bartbildung (Schlacke, Dross) — was sie ist und warum sie entsteht

Bart oder Schlacke ist erstarrtes, oxidiertes Schmelzgut, das nach dem Strahldurchlauf in der Schnittfuge zurückbleibt. Es ist das häufigste Qualitätsproblem beim Laserschneiden. Der Bart kann sich bilden als:

  • große blasenartige Ablagerungen an der Unterkante des Blechs — Niedriggeschwindigkeits-Bart;
  • kleine erstarrte Streifen ungeschnittenen Materials — Hochgeschwindigkeits-Bart;
  • ein dünner Belag entlang der Oberseite des Blechs — Oberflächenspritzer (top spatter).

Die Bartbildung hängt von vielen Prozessgrößen ab: Verfahrgeschwindigkeit des Schneidkopfes, Abstand Düse–Werkstück, Gasdruck, Spannung und Zustand der Verschleißteile. Außerdem beeinflussen sie die Materialeigenschaften — Dicke, Sorte, Güte, chemische Zusammensetzung, Oberflächenzustand, Planheit und sogar Temperaturschwankungen während des Schneidens. Die drei einflussreichsten Parameter sind: Schnittgeschwindigkeit, Gasdruck und Abstand Düse–Werkstück.

Niedriggeschwindigkeits-Bart

Ist die Schnittgeschwindigkeit zu niedrig, beginnt der Laserstrahl nach zusätzlichem Material zu "suchen". Unzureichender Gasdruck kann das Schmelzgut nicht aus der Schnittfuge ausblasen. Die Schmelze sammelt sich daher an der Unterkante des Blechs in Form dicker kugeliger Ablagerungen — das ist der Niedriggeschwindigkeits-Bart. Zu hohe Leistung bedeutet, dass in einem bestimmten Moment mehr Energie in die Schnittzone eingebracht wird. Auch eine zu hohe Leistung oder ein zu geringer Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück können Niedriggeschwindigkeits-Bart verursachen.

So lässt sich Niedriggeschwindigkeits-Bart vermeiden:

  • Schnittgeschwindigkeit erhöhen.
  • Abstand zwischen Düse und Werkstück vergrößern.
  • Leistung reduzieren.
  • Bringt keine dieser Maßnahmen eine Verbesserung, eine kleinere Düse in Betracht ziehen.

Hochgeschwindigkeits-Bart

Ist die Schnittgeschwindigkeit zu hoch, beginnt der Schnitt entlang der Fuge nachzuhinken; es entstehen kleine erstarrte Streifen unzerschnittenen Materials oder "rollender" Bart an der Unterkante. Hochgeschwindigkeits-Bart ist beständiger — seine Entfernung erfordert in der Regel erheblichen mechanischen Nacharbeitsaufwand. Bei zu hohen Geschwindigkeiten wird der Schnitt instabil: Die Länge der Strahlsäule in der Fuge nimmt abwechselnd zu und ab, es entsteht ein "Längskamm" aus Funken und Schmelzgut. Der Strahl kann das Metall nicht über die volle Dicke durchstoßen oder erlöschen.

Auch ein großer Düse-Werkstück-Abstand oder zu niedrige Leistung (für die gegebene Materialdicke und Schnittgeschwindigkeit) können Hochgeschwindigkeits-Bart erzeugen.

So lässt sich Hochgeschwindigkeits-Bart vermeiden:

  • Düse auf Verschleißmerkmale prüfen (Kerben, Übermaß des Bohrungsdurchmessers, ovale Öffnung).
  • Schnittgeschwindigkeit reduzieren.
  • Abstand zwischen Düse und Werkstück verringern.
  • Leistung erhöhen.

Bart durch Oberflächenspritzer

Oberflächenspritzer sind eine Anhäufung erstarrten Metalls, das auf die Oberseite des Werkstücks geschleudert wird. Diese Art von Bart lässt sich leicht entfernen. Ursachen: zu hohe Schnittgeschwindigkeit oder zu großer Düsenabstand. Sie entstehen durch die wirbelnde Plasmafackel, die unter einem bestimmten Anstellwinkel das Schmelzgut nicht in die Fuge hinunter, sondern vor die Fuge hinausdrückt.

So lassen sich Oberflächenspritzer vermeiden:

  • Düse auf Verschleißmerkmale prüfen.
  • Geschwindigkeit reduzieren.
  • Abstand zwischen Düse und Werkstück verringern.

Bartfreies Fenster

Zwischen den hohen und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen Bart entsteht, liegt ein bestimmter Geschwindigkeitsbereich (Fenster), in dem kein oder nur minimaler Bart entsteht. Dieses Fenster zu treffen, ist die zentrale Aufgabe, um die Nacharbeit an lasergeschnittenen Teilen zu minimieren.

Das Fenster hängt vom Gas ab. Stickstoff und Druckluft ergeben beim Schneiden niedriglegierten Stahls ein vergleichsweise schmales bartfreies Fenster, während es mit Sauerstoff breiter ist. (Sauerstoff reagiert mit dem niedriglegierten Stahl und bildet feine Spritzer; jeder Tropfen hat eine geringere Oberflächenspannung und wird leichter aus der Fuge ausgeblasen.)

Das bartfreie Fenster hängt außerdem vom Materialtyp ab. Beim Schneiden kaltgewalzten oder gebeizten Stahls entsteht weniger Bart als bei warmgewalztem oder ungebeiztem Stahl.

So bestimmt man die optimale Schnittgeschwindigkeit:

  • Methode 1. Mehrere aufeinanderfolgende Schnitte bei verschiedenen Geschwindigkeiten ausführen und diejenige wählen, bei der am wenigsten Bart entsteht. Ein guter Geschwindigkeitsindikator sind die Riefen (drag lines) — die feinen Wellen auf der Schnittfläche. Bei niedriger Geschwindigkeit verlaufen die Riefen senkrecht zur Blechebene; bei hoher Geschwindigkeit sind sie geneigt, S-förmig und verlaufen entlang der Unterkante parallel zum Blech. Anhand der Riefen erkennt der Bediener, ob die Geschwindigkeit erhöht oder verringert werden muss, um ins bartfreie Fenster zu kommen. Viele Bediener verlangsamen instinktiv die Maschine, sobald Bart erscheint — oft ist jedoch das Erhöhen der Geschwindigkeit richtig.
  • Methode 2. Den Strahl während des Schnitts beobachten und die Geschwindigkeit deutlich variieren, um die optimalen Eigenschaften des Strahlbogens zu erzielen. Achten Sie auf den Winkel, unter dem der Bogen aus dem Werkstück austritt. Bei Druckluft sollte der Bogen an der Unterseite des Blechs senkrecht austreten. Bei Stickstoff ist ein leichtes Nachhinken des Bogens am besten. Bei Sauerstoff ist die optimale Geschwindigkeit jene, bei der der Bogen leicht vorauseilt.