WAS BEDEUTET DER BEGRIFF LASER?

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1 Dieselstraße 19 A-4623 Gunskirchen Tel. +43 (0) 7246/20250 Fax-DW 20 WAS BEDEUTET DER BEGRIFF LASER? Der Begriff Laser ist ein amerikanisches Kunstwort und steht für die Abkürzung: L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation Licht Verstärkung durch angeregte Aussendung von Strahlung

2 Seite 2 von 33 EINSATZGEBIET DER LASER Der Laser hat in der Industrie einen festen Platz eingenommen. Mit dem Laserlicht wird Material getrennt und verbunden, gebohrt oder werden Oberflächen behandelt. Laserschneiden Laserschweissen Mit Laser kennzeichnen u. körnen Mit Laser Oberflächen behandeln

3 Seite 3 von 33 LASERSCHNEIDEN Der gebündelte Lichtstrahl eines CO²-Lasers hat als Schneidwerkzeug erst in den siebziger Jahren Einzug gehalten. Der große Durchbruch wurde erst mit der Entwicklung der Schneidanlagen erreicht. Der Laser benötigt nämlich ein System, das den Laserstrahl lenkt und direkt punktgenau an den Ort der Bearbeitung führt. Prinzip des Laserschneidens Was geschieht beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Werkstoff? Der Laserstrahl muss zunächst das Material an einer Stelle punktförmig durchdringen, bevor eine Kontur geschnitten werden kann. Das Einstechen kann schnell mit voller Laserleistung oder langsam (bei Bohrung kleiner als 1,2 x Blechdicke erforderlich.!!) über eine sog. Rampe erfolgen. Beim Erzeugen eines Startlochs im Rampenbetrieb wird die Laserleistung allmählich gesteigert, dann solange konstant gehalten bis das Startloch erzeugt wurde und anschließend wieder langsam reduziert. Schneidvorgang Durch die hohe Laserleistung wird das Material erhitzt, geschmolzen und teilweise verdampft. Das Material wird aus der Schnittfuge ausgeblasen. Der Schneidgasstrom, der das Entfernen der Schmelze unterstützt, tritt zusammen mit dem Laserstrahl aus der Düse aus. Der Schnittspalt entsteht durch das Bewegen des Werkstücks oder des Schneidkopfes. Sowohl beim Einstechen als auch beim Laserschneiden kann der Prozess durch Hinzufügen eines Gases unterstützt und die Schneidergebnisse beeinflusst werden.

4 Seite 4 von 33 Die Auswahl des Einstechgases oder des Schneidgases ist davon abhängig, welches Material bearbeitet und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden. Als Schneidgas verwendet man in der Regel entweder Sauerstoff, Stickstoff, Argon oder einfach Luft.

5 Seite 5 von 33 WELCHE MATERIALIEN KANN MAN BEARBEITEN Grundsätzlich jedes Material, daß nicht durch Wärme zerstört wird! Stahl, Alu (vorrangig AlMg3), Rostfreier Stahl, Kupfer, Titan, Messing, Plexiglas, Holz, Karton, Papier, Stoff,... Die Oberfläche muß sauber, rostfrei und frei von losen Zunder sein! Primer, Lacke, Schutzfarben, Verzinkungen, dgl. oder auch sandgestrahlte Oberflächen wirken sich meist negativ auf das Schneidergebnis aus. Das maximale Schneidformat beträgt bei uns 3000x1500mm bzw. max. 315mm Rohrdurchmesser! Durch Schrägverschachtelung können wir schlanke Teile bis zu einer Länge von max. ~3.300mm bearbeiten! Die eff. Teilefläche sollte mind. das Doppelte der Blechstärke betragen! Kleinste mögliche Durchbrüche (Löcher, Schlitze) 1,2-1,5 x Blechdicke. Jedoch können wir mit einer speziellen Schneidtechnologie, auch genannt gepulst Schneiden, Bohrungen bis zu 0,4 x s lasern. Bei bestimmten Vorraussetzungen teilweise noch darunter. Allerdings ist dieses Verfahren um ein Vielfaches langsamer als normales Schneiden. Vorschübe um ca. 0.1m/min und Einstechzeiten = Blechdicke müssen dabei eingehalten werden.

6 Seite 6 von 33 SCHNEIDVERFAHREN Schneiden mit Sauerstoff: Brennschneiden Prinzip Beim Schneiden mit Sauerstoff (Gasreinheit 99,95 Volumenprozent 3,5) und einem Schneidgasdruck von maximal 6 bar wird das Material geschmolzen und zu einem großen Teil oxidiert. Die entstandene Schmelze wird zusammen mit den Eisenoxiden aus der Schnittfuge ausgeblasen. Der Oxidationsvorgang liefert zusätzliche Energie (exotherme Reaktion), die den Schneidprozess dahingehend beeinflusst, dass höhere Schneidgeschwindigkeiten möglich sind und grössere Materialdicken bearbeitet werden können als beim Schneiden mit Stickstoff. Die Oxidationsschicht, die sich an den Schnittflächen bildet, hebt den Korrosionsschutz der Flächen bei Edelstahl auf. Nachbehandlung der Schnittflächen sind erforderlich, wenn Teile Pulverbeschichtet werden sollen. Beim Verzinken ist dies kein Problem. Schneiden mit Sauerstoff: Ausschnitt einer Schnittkante!!!

7 Seite 7 von 33 Schneiden mit Stickstoff: Schmelzschneiden Prinzip Beim Schmelzschneiden werden Stickstoff oder Argon als Schneidgase verwendet. Auch bei diesem Vorgang wird das Material erst geschmolzen und mit Hilfe eines Schneidgases in der Regel Stickstoff aus der Schnittfuge ausgeblasen. In der Praxis wird mit einem Gasdruck zwischen 8 bis 20 bar (sogenanntes Hochdruckschneiden) gearbeitet bei einer Gasreinheit des Stickstoffes von 99,999 Volumenprozent (5,0). Bei Argon gilt eine Gasreinheit von 99,996 Volumenprozent (4.6). Durch hohen Gasdruck wird erreicht, dass die Schnittkanten weitgehend frei von Gratbildung bleiben und sich keine Schlacke festsetzt. Der Einsatz von inerten Gasen liefert oxidfreie Schnittkanten, erschwert jedoch das Einstechen zu Beginn des Schneidprozesses. Aus diesem Grund wird beim Einstechen Sauerstoff verwendet und zum Schneiden wird dann auf Stickstoff umgestellt. Mit Stickstoff ist das Lasern kleiner schwieriger Konturen prozeßsicherer, da die Schneidkante ständig gekühlt wird.! Schneiden mit Stickstoff: Teile mit oxidfreier Schnittkante!!!

8 Seite 8 von 33 MATERIAL UND LASERLEISTUNG Die Laserleistung muss der Materialart und Materialdicke angepasst sein. Die maximale Materialdicke, die geschnitten werden kann, hängt von der Materialart und der Laserleistung ab. Allgemein gilt der Grundsatz: Mit zunehmender Laserleitung nimmt auch die Materialdicke zu, die noch bearbeitet werden kann.

9 Seite 9 von 33 SCHNEIDGESCHWINDIGKEIT Die Schneidgeschwindigkeit muss wie die Laserleistung der Materialart und Materialdicke angepasst werden. Eine falsche Schneidgeschwindigkeit kann zu Rauigkeit, und Gratbildung oder Einbränden an der geschnittenen Kontur führen. Wird die Kontur zu schnell geschnitten, kann es vorkommen, dass das Material gar nicht mehr getrennt wird. Grundsätzlich gilt: Die Schneidgeschwindigkeit muss mit zunehmdender Materialdicke reduziert werden.

10 Seite 10 von 33 VERGLEICH GASVERBRAUCH BEIM SCHMELZ - BRENNSCHNEIDEN Gasverbrauch beim Brennschneiden und Schmelzschneiden Der Gasverbrauch ist abhängig vom Schneidgasdruck und der Größe der Düsenbohrung. Grundsätzlich gilt: Je höher der Gasdruck und größer die Düsenbohrung ist, umso mehr Schneidgas wird verbraucht. Schneiden mit O2 Schneiden mit N

11 Seite 11 von 33 VORTEILE UND EINSATZMÖGLICHKEITEN DES LASERSCHNEIDENS Vorteile In der Konkurrenz zu alternativen Trennverfahren wie Plasmaschneiden, Stanzen und Nibbeln oder Drahterodieren weist das Laserschneiden folgende Vorteile auf: Es ist eine berührungslose und kräftefreie Bearbeitung des Werkstücks möglich. Anders als beim Stanzen und Nibbeln kann nahezu jede Konturform erzeugt werden, ohne dass ein einziger Werkzeugwechsel erforderlich ist. Mit dem Laserstrahl lassen sich sowohl sehr grosse Ausschnitte in beliebigen Formen als auch kleine, filigrane und komplizierte Konturen schneiden. Besonders schnell werden Geometrien mit nur wenigen Einstichen bearbeitet. Das Trennen erfolgt präzise. Der Schnittspalt ist sehr gering und kann weitgehende konstant gehalten werden. Das Einhalten von Toleranzen bis zu 0,05 mm kann auch in der Serienproduktion eingehalten werden. Die Schneidgeschwindigkeit ist hoch. Dadurch ist z.b. im Vergleich zum Drahterodieren eine erhebliche Beschleunigung des Produktionsablaufs möglich. Durch die hohe Energiedichte kann die Wärmeeinflusszone sehr klein gehalten werden: Einhärtetiefe von 0,1 bis 0,2 mm sind möglich. Es bildet sich eine Oxidschicht beim Schneiden mit Sauerstoff. Die kleine Wärmeeinflusszone gewährleistet einen allenfalls geringen Verzug des Werkstücks. Die Rautiefe der Schnittfläche ist gering: kleiner als 100 µm. Eine Nachbearbeitung des Werkstücks entfällt. Bei den gebräuchlichsten Stählen kann ohne jeden Grat geschnitten werden, das nachträgliche Entgraten entfällt. Durch die rasante Weiterentwicklung sowohl beim Laser als auch bei der Schneidtechnologie ist das Laserschneiden auch wirtschaftlich eine echte Alternative zu anderen Verfahren geworden. Nimmt man hier noch das Argument der fast grenzzenlosen Flexibilität in der Anwendung hinzu, dann lässt sich voraussagen, dass das Laserschneiden den herkömmlichen, Verfahren mehr und mehr den Rang ablaufen wird.

12 Seite 12 von 33 Einsatzmöglichkeiten In der industriellen Praxis werden mit dem Laserstrahl flache Werkstücke, aber auch runde oder eckige Rohre und Profile mit unterschiedlichen Querschnitten und aus unterschiedlichen Materialien bearbeitet. Vierkantrohr und Zentrierstern mit Laser geschnitten Es werden hauptsächlich metallische Werkstoffe wie Baustahl, Werkzeugstahl, rostfreie Stähle (CrNi-Stähle) und Aluminium und Aluminiumlegierung geschnitten. Lasergeschnittene Teile bei einer Autotür aus Baustahl. Lasergeschnittene Edelstahlkanne Bei nichtmetallischen Werkstücken wie Pappe, Holz, Leder, Glas, Keramik, Kunststoffen (wie z.b. Plexiglas, Polyethylen, Polyamiede, Polyurethan usw.) kann der Laserstrahl nur bedingt als Trennwerkzeug eingesetzt werden. Insbesondere beim Laserschneiden von Kunststoffen können giftige Stoffe freigesetzt werden. Das Schneiden von Kunststoffen ist mit den Laserschneidmaschinen nicht zulässig!!!

13 Seite 13 von 33 ROHRE UND PROFILE mit dem Laser bearbeiten Definitionen Rohr Profil Zweiseitig offener Holhlkörper, dessen Länge grösser als das zweifache des Außendurchmessers ist. Zur näheren Bezeichnung wird nach der Querschnittsform des Rohres unterschieden, z.b. Rundrohr, Rechteckrohr, Sechskantrohr, usw. Allgemeine Benennung eines Querschnittes beliebiger Form aus beliebigem Werkstoff. Welche Querschnittsformen können mit dem Laser bearbeitet werden? Rohre mit den unterschiedlichsten Querschnittsformen können bei Einsatz der geeigneten Spanntechnik mit dem Laser bearbeitet werden. Beispiel für Standard- Querschnittsformen

14 Seite 14 von 33 Profile mit Profile mit großen Innenradien können bearbeitet werden, indem Innenradien das Profil unter dem Schneidkopf während der Bearbeitung um 90 gedreht wird. Grundsätzlich gibt es aber für die Bearbeitung von Profilen mit Innenradien Einschränkungen. Abhängig von der Geometrie des Laserschneidkopfes und der Schneiddüse kann es bei der Bearbeitung von Profilen mit kleinen Innenradien zur Kollision des Schneidkopfs mit dem Werkstück kommen.

15 Seite 15 von 33 Das oben dargestellte Profil mit kleinem Innenradius kann nicht bearbeitet werden, da der Schneidkopf und das Werkstück bereits kollidieren. Bevor das Profil für die Bearbeitung des Innenradius gedreht werden kann. Definitionen Die Ausgangsqualität des zu bearbeitenden Rohres ist von entscheidender Bedeutung für die erzielbare Genauigkeit der Konturen auf dem Werkstück. Die Qualität eines Rohres wird bestimmt durch Geradheitsabweichungen Durchmesserabweichungen Wanddickenabweichungen Verdrehung (Torsion) Verwindungssteifigkeit Herstellverfahren (geschweisst oder gezogen) Oberflächengüte (Rauigkeit, Korrosion) Konstanz der Eckenradien (Schwankungen innerhalb einer Charge)

16 Seite 16 von 33 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN BEI DER ROHR- BEARBEITUNG MIT 2D-MASCHINEN Um Anschlussteile (ebene Platten, bearbeitete oder unbearbeitete Rohre) mit der Schnittkante eines Rohrs verbinden z.b. verschweissen zu können, muss das Anschlussteil lückenlos auf der Schnittkante liegen. Beim zweidimensionalen Rohrschneiden wird der Laserstrahl in einer horizontalen Ebene geführt, während sich das Rohr um seine Längsachse dreht. Der Strahl steht senkrecht zum bearbeiteten Rohr. Für eine saubere Verbindungsnaht ist es ausreichend, wenn einmal die Aussenhaut des Rohrs aufliegt und einmal die Innenhaut. Allerdings nur dann, wenn die Verbindungsnaht über ein konventionelles Schweissverfahren mit Zusatzdraht hergestellt wird.

17 Seite 17 von 33 KONTUREN IN DER EBENE BEARBEITEN Kleine Konturen auf Rundrohren können auch in der Ebene bearbeitet werden. Dabei wird die Rundachse währende der Bearbeitung nicht gedreht. Programmiert werden die Bewegungen der X- und der Y-Achse. Die Bewegungen der Z-Achse werden von der Abstandsregelung gesteuert. Vorteile Originalkontur, kein Polygonzug wenige Sätze, geringer Speicherplatzbedarf schnelle Abarbeitungsgeschwindigkeit parallele Schnittkanten Grenzwinkel α Bei der Bearbeitung von Konturen in der Ebene, sollte der Laserstrahl nicht steiler als im Grenzwinkel α zum Rohr stehen (Richtwert: 25 ).

18 Seite 18 von 33 MASSTOLERANZEN Als Nennmaß gilt das Zeichnungsmaß. Die Istmaße werden an den gesäuberten Schnittflächen festgestellt. Die Grenzabmaße nach Tabelle u.a. Tabelle gelten für Maße ohne Toleranzangabe, wenn auf Zeichnungen oder in sonstigen Unterlagen (Lieferbedingungen) auf diese Norm verwiesen ist. Für das Laserstrahlschneiden hängen die einhaltbaren Maßtoleranzen wesentlich von der Geometrie und dem Vorbehandlungszustand des Werkstücks ab. Gegebenenfalls sind die Grenzabmaße gesondert zu vereinbaren. Die Grenzabmaße für die Schnittflächenqualität (Rechtwinkligkeitsund Neigungstoleranz) sind getrennt von den Grenzabmaßen für die Maßabweichungen des Werkstückes zu behandeln, um die unterschiedlichen Einflüsse auf das Werkstück zu verdeutlichen. Die Festlegungen für die Granzabmaße basieren auf dem Unabhängigkeitsprinzip nach ISO 8015, wonach Maß-, Form- und Lagetoleranzen unabhängig voneinander gelten. Die Grenzabmaße schließen den durch Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz verursachten Anteil nicht mit ein. Wenn andere Form- und Lagetoleranzen, z.b. Geradheitstoleranz, Rechtwinkligkeitstoleranz in Schnittlängen- und Schnittbreitenrichtung, eingehalten werden müssen, sind sie besonders zu vereinbaren. Nennmaße Werkstückdicke 0 bis unter bis unter 3000 Über 0 bis 1 0,04 0,10 Über 1 bis 3,15 0,10 0,20 Über 3,15 bis 6,3 0,15 0,30 Über 6,3 bis 10 0,20 0,40 Über 10 bis 20 0,40 0,70

19 Seite 19 von 33 SCHNITTSPALT Definition Beim Laserschneiden entsteht ein Schnittspalt, der in der Regel von der Schnittoberkante zur Schnittunterkante schmäler wird. Der Schnittspalt auch als Schnittfugenbreite bezeichnet wird In [mm] angegeben. Richtwerte für Schnittspaltbreiten Material Blechdicke [mm] Schnittspalt [mm] Baustahl (QSt37-2) ,15 0,20 0,30 0,35 0,40 0,50 Rostfreier Stahl (1.4301) Hochdruckschneiden mit N ,15 0,20 0,50 Aluminiumlegierungen (AlMg3, AlmgSi1) Hochdurckschneiden mit N ,15 0,20 0,30

20 Seite 20 von 33 GEMITTELTE RAUTIEFE Definition Rautiefe = Rillentiefe Die gemittelte Rautiefe RZ5 ist das arithmateische Mittel aus den Einzelrautiefen von fünf aneinandergrenzenden, repräsentativen Einzelmessstrecken. Die Rautiefe wird in [µm] angegeben.

21 Seite 21 von 33 Die folgende Tabelle gibt den Messort der Rautiefe an, abhängig von Blechdicke und Materialart. Diese Werte sind, vom heutigen technischen Stand betrachtet, als Richtwerte zu sehen. S [mm] Messort* [mm] Baustahl Messort [mm] Edelstahl Messort [mm] Aluminium 1-0,5-0,5-0, ,6-2,6-2,6 5-3,3-1,6-3, ,3-7 -5, * Die Messorte für Baustahl, Edelstahl und Aluminium in der Tabelle beziehen sich auf Blechoberkante. Beispiel: -0,5 bedeutet 0,5mm unterhalb der Blechoberkante (=Strahleintrittseite). Das Maximum der Rautiefe wandert bei Baustahl > 8mm Blechdicke von der Blechunterseite zur Blechoberseite. Bei Edelstahl und Aluminium ist dies nicht zu beobachten. Richtwerte für gemittelte Rautiefe Rz In der folgenden Tabelle finden Sie Maximalwerte für gemittelte Rautiefen zu Ihrer Orientierung. Blechdicke [mm] Baustahl, Maximalwerte RZ [µm] Edelstahl Maximalwerte RZ [µm] Aluminium Maximalwerte RZ [µm] , , Diese Werte sind Richtwerte, die mit dem heutigen Stand der Technik ermittelt wurden

22 Seite 22 von 33 RECHTWINKLIGKEITS- und NEIGUNGSTOLERANZ Definition Die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz u ist der Abstand zweier paralleler Geraden zwischen denen das Schnittflächenprofil unter dem theoretisch richtigen Winkel bei Senkrechtschnitten also unter 90 - liegen muss. In der Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz ist sowohl die Geradheits- als auch die Ebenheitsabweichung enthalten. Die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz wird bei Senkrechtschnitten oder bei Fasenschnitten in [mm] gemessen.

23 Seite 23 von 33 In der DIN EN ISO 9013:2002 werden für das Schneiden mit dem Laser drei Bereiche angegeben: Bereich 1 bis 3. Abweichend von der Norm werden richtigerweise die Bereiche, abhängig vom Material, durch folgende Formeln definiert: Formel für Obergrenze Baustahl (Brennschneiden) Edelstahl (Schmelzschneiden) Aluminium (Schmelzschneiden) u = 0,05 + 0,01s u = 0, ,033s u = 0,03 + 0,035s s=blechdicke

24 Seite 24 von 33 WÄRMEEINFLUSSZONE Beim Laserschneiden und Laserschweissen können an den Randzonen des bearbeiteten Materials Werkstoffveränderungen auftreten. Die folgende Tabelle enthält Richtwerte für die Ausdehnung der Wärmeeinflusszone in Abhängigkeit von Rundwerkstoff und Werkstoffstärke. Werkstoffstärke [mm] Wärmeeinflusszone [mm] ST 37 Edelstahl Aluminium 1 0,05 0,05 0,10 2 0,10 0,10 0,20 3 0,15 0,15 0,30 4 0,20 0,35 0,40 5 0,25 0,34 0,50 6 0,30 0,55 0,60 8 0,40 0,75 0, ,50 0, , Bei kohlenstoffarmen und bei rostfreien Stählen ist die Aufhärtung in der Wärmeeinflusszone gering. Bei kohlenstoffreichen Stählen (bespielsweise Ck 60) treten In den Randzonen Aufhärtungen auf. Bei hartgewalzten Aluminiumlegierungen ist die Wärmeeinflusszone eher etwas weicher als das übrige Material.

25 Seite 25 von 33 MUSTERBEISPIELE FÜR DEN WERKSTOFF BLECH

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33 Seite 33 von 33 LASER SCHNEIDEN Zahlen, Daten, Fakten Herausgeber S&S Steinhuber GmbH, 4623 Gunskirchen Autoren Gerhard Steinhuber Michaela Scheibmayr Erstellung Im Jahr 2004 Aktueller Stand Oktober 2013 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Die Autoren und der Herausgeber versichern, dass die in diesem Werk angegebenen Zahlen, Daten, Fakten sorgfältig recherchiert wurden und lediglich als unverbindliche Informationen ausschließlich für unsere Kunden dienen. Jegliche Haftung im Zusammenhang mit der Erstellung dieser Publikation, insbesondere für die Richtigkeit und Vollständigkeit ihres Inhaltes ist ausgeschlossen.