Beim Laserbearbeiten von Metall das für die jeweilige Anwendung günstigste technische Gas zu ermitteln, ist eine Mühe, die sich lohnt: Mit dem richtigen Arbeitsgas sind höhere Prozessgeschwindigkeiten und sauberere Oberflächen möglich, Nacharbeit wird vermieden.
Dipl.-Ing. Günter Aichele ist Fachjournalist in Freiburg
Nach wie vor Schwerpunkt beim Einsatz des Lasers als Werkzeug in der Metallverarbeitung ist mit rund 70 % der Anwendungsfälle das Schneiden in seinen verschiedenen Varianten. Daneben gewinnt das Schweißen zunehmend an Bedeutung. In diesen Einsatzbereichen dominiert noch immer der CO2-Gaslaser, mit dem vor über 30 Jahren das Schneiden von Metallen begann. Inzwischen sind verschiedene Bauarten hinsichtlich der Anregung, der Faltung des Resonators und der Strömungsart des Lasergases entstanden.
Betriebsgase für CO2-Laser
Den verschiedenen CO2-Lasern gemeinsam ist, dass sie alle als Betriebs- oder Resonatorgas ein Gemisch aus CO2 – der aktiven und namensgebenden Komponente –, Stickstoff und Helium benötigen. In welcher Zusammensetzung, ist jedoch von Hersteller zu Hersteller der Strahlquellen verschieden. Die Gasehersteller liefern die erforderlichen Komponenten in zwei Formen: Entweder einzeln, wobei die Mischung mit geeichten Mischgeräten vor der Strahlquelle erfolgt, oder – bei geringerem Verbrauch – vorgemischt, als sogenannten Premix. Der Anwender kann zwischen den beiden Lieferformen wählen, wobei er die benötigten Mengen und die geforderten Preise berücksichtigen sollte.
Die Höhe des Verbrauchs hängt von Laserleistung, -bauart und Hersteller ab. Zu den Entwicklungszielen der vergangenen Jahre gehörte die Reduktion des Verbrauchs. Noch vor zehn Jahren, beispielsweise, benötigten von einem großen Hersteller gelieferte Schneidlagen mit Ausgangsleistungen von 1 und 1,7 kW zwischen 60 und 80 l Gesamtgemisch je Betriebsstunde. Wenig später waren für den 2,5-kW-Laser eines anderen Herstellers nur noch 40 l/h erforderlich. Heute kommen Laser mit Ausgangsleistungen von 2, 3 oder 4 kW mit 10 oder 20 l/h aus. Einer der jüngsten Entwicklungen, dem diffusionsgekühlten Slab-Laser, reicht eine 10-l-Druckgasflasche sogar für ein ganzes Jahr.
Bei diesen Mengen ist das Resonatorgas kein entscheidender Kostenfaktor mehr, obwohl es nicht gerade billig ist. Grund: An seine Reinheit und konstante Qualität werden sehr hohe Anforderungen gestellt, da schon Spuren von Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffen oder Staubpartikeln Betriebsstörungen verursachen können. Feuchtigkeit stört die Anregungsentladung und verhindert, dass der Laser seine volle Leistung erreicht. Kohlenwasserstoffe und Staub können zu Schäden am optischen System führen und den Laserprozess verhindern. Die Reinheit für CO2 beträgt mindestens 99,995 % (Qualität 4.5), diejenige für Helium 99,996 % (Qualität 4.6) und diejenige für Stickstoff 99,999 % (Qualität 5.0). Hochreiner Stickstoff wird auch zum Spülen der Strahlführungssysteme verwendet.
Arbeitsgase beim Laserschneiden
Beim Laserstrahl-Brennschneiden ist Schneidsauerstoff als Arbeitsgas erforderlich. Dabei kann die Schneidgeschwindigkeit durch höhere Reinheiten gesteigert werden. Schon die Qualität 3.5, die einer Reinheit von 99,95 % entspricht, führte beim Vergleich mit dem üblichen technischen Sauerstoff zu Leistungssteigerungen von etwa 10 % beim Bearbeiten von 2,5 mm dickem Blech bis über 30 % bei 10 mm dickem Blech. Der Einsatz von noch reinerem Sauerstoff bewirkte jedoch keine wesentliche Leistungssteigerung mehr.
Die höhere Reinheit wirkt sich auch positiv auf die Qualität der Schnittkanten aus. Außerdem lässt sich dadurch die maximal mögliche Blechdicke für einen sauberen Schnitt steigern – beispielsweise auf etwa 15 mm bei einem 3-kW-Laser und auf rund 20 mm bei einer 4-kW-Strahlquelle. Die etwas höheren Kosten des reineren Sauerstoffs werden durch die Einsparungen an Schneidzeit übertroffen. Wenn ein größerer Schneidbetrieb seinen Sauerstoff aus einer Flüssigversorgung bezieht, bekommt er die erforderliche Reinheit automatisch mitgeliefert.
Auch beim Hochdruck-Laserschneiden von Aluminium oder Chromnickelstählen mit inerten Gasen dürfen Mindestreinheiten nicht unterschritten werden. Für Stickstoff wird die Reinheit 99,990 % (Qualität 4.0), manchmal auch die Qualität 5.0 empfohlen. Schon geringe Sauerstoffgehalte können die Güte der Schnittflächen beeinträchtigen. Beim Bearbeiten von Titan empfehlen die Anbieter hochreines Argon als Schneidgas.
Der Verbrauch an Schneidgasen lässt sich nicht als Verbrauch pro Stunde angeben, da er von Blechdicke und Einschaltdauer der Anlage abhängt. Der Verbrauch an inerten Gasen beim Hochdruckschneiden ist wegen der höheren Drücke erheblich größer als der von Sauerstoff beim Laser-Brennschneiden.
Arbeitsgase beim Laserschweißen
Beim Schweißen per Laser werden zwei Methoden verwendet:
- das Wärmeleitungsschweißen bis etwa 1 mm Blechdicke, bei dem der Strahl an der Werkstückoberfläche absorbiert und die Wärme in tiefere Materialschichten geleitet wird, sowie
- das Tiefschweißen, bei dem eine Dampfkapillare tiefen Einbrand ermöglicht.
In beiden Fällen muss die Schmelze vor Oxidation geschützt werden, und beim Tiefschweißen muss ein entsprechendes Arbeitsgas das laserinduzierte Metalldampfplasma im Interesse der Prozessgestaltunq beeinflussen.
Dr. Alfward Farwer vom Krefelder Gasehersteller Messer Griesheim GmbH berichtet, dass Helium nach wie vor das bevorzugte Schutzgas sei. Dies gelte insbesondere für lange Nähte mit hohen mechanischen und optischen Ansprüchen, wie sie beispielsweise im Automobil- und Schiffbau vorkommen. Eine Umstellung auf das erheblich preiswertere Argon gelingt nicht immer. So stieg beispielsweise bei einem Karosseriehersteller bei gleicher Schweißleistung die Nacharbeitsquote drastisch an. Bei einem Getriebehersteller dagegen wurde erfolgreich auf ein Argon-Helium-Gemisch umgestellt, dessen Helium-Anteil deutlich unter 50 % liegt. Auch beim Laserlöten verzinkter Bleche in der Karosseriefertigung hat sich Argon als Schutzgas bewährt.
Die Entwicklung hat inzwischen zu Gemischen geführt, die nicht nur Inertgas-Bestandteile enthalten, sondern auch Aktivgase wie Sauerstoff oder CO2. Damit wird bewusst Einfluss auf die Plasmawolke über dem Dampfkanal und so auf die Leistungseinkoppelung genommen. Mit dem richtigen Prozessgas sind höhere Schweißgeschwindigkeiten und glattere Oberflächen möglich, Einbrandkerben und Nacharbeit werden vermieden. Allerdings ist die Zusammensetzung oft nur die Folge von Optimierungsversuchen. Auch in dieser Beziehung ist Laser nicht gleich Laser: Im Strahl des CO2-Lasers reagieren Prozessgase anders als beim Nd:YAG- oder gar beim Diodenlaser. Es bietet sich daher an, erst die Bearbeitungsparameter mit Helium zu ermitteln und dann zu versuchen, durch Optimierung kostengünstigere Gase einzusetzen.
Besonders wirtschaftlich für den Anwender ist es, wenn die Optimierung zu Standardgemischen führt, die beim Schutzgasschweißen weit verbreitet und damit preisgünstig sind. Ein Beispiel ist das Laserschweißen von Hülsen für Trockenbatterien, wo mit dem Standardgemisch Argomix 4 der Messer Griesheim GmbH, Krefeld, gegenüber dem bis dahin verwendeten Argon ein höherer Einbrand auch bei gesteigerter Schweißleistung erreicht wurde.
Die Auswertung der für die Öffentlichkeit freigegebenen Berichte über erfolgreiche Anwendungen zeigt eine Fülle von Möglichkeiten. Der Anwender sollte daher die Mühe nicht scheuen, mit Hilfe seines Lieferanten für technische Gase in Versuchen die jeweils kostengünstigste Lösung zu ermitteln.
Resonatorgas ist kein entscheidender Kostenfaktor mehr
Umstellung auf das preiswertere Argon gelingt nicht immer
Aluminium sauber geschnitten
Für das Laserschneiden von Aluminium-Werkstoffen bietet das Laserline-Programm der Linde AG, Höllriegelskreuth, ein spezielles Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch. Besonders bei eloxiertem Aluminium, wie es etwa für Schaltschrank- und andere Designblenden eingesetzt wird, soll der Anwender damit eine sehr saubere Schnittqualität erzielen können. Laut Anbieter ergeben sich mit hochreinem Stickstoff metallisch blanke Schnitte, bei Edelstählen bleibt die Korrosionsbeständigkeit erhalten. Stickstoff mit gezielt zugemischtem Sauerstoff-Anteil soll bei verschiedenen Aluminium-Legierungen Vorteile im Hinblick auf Schnittqualität und Produktivität bieten.
Deutsche Hersteller von
Gasen für Laser
- Linde AG, Höllriegelskreuth, www.linde-gas.com
- Messer Griesheim GmbH, Krefeld, www.messergroup.com
- Westfalen AG, Münster, www.westfalen-ag.de
CO2 führt Diodenlaser zum Tiefschweißen
Durch gezielten Gaseinsatz kann der Schweißverlauf des Diodenlasers gravierend verändert werden, berichtet die Linde AG, Höllriegelskreuth: Erhöht das verwendete Gas bei CO2- und YAG-Lasern lediglich die Schweißgeschwindigkeit, so unterstützt es beim Diodenlaser den Übergang vom Wärmeleitungs- zum Tiefschweißen. Beispielsweise führt der Wechsel des Schweißgases – vom bisher üblichen Helium oder Argon zu einem Argon-CO2-Gemisch – von einer flachen Einschweißung zu einer Durchschweißung. Durch ein Zumischen von Aktivgaskomponenten zum Schweißgas lässt sich die Richtung der Konvektionsströmung im Schweißbad umkehren. So sollen tiefere und schlankere Nähte von hoher Qualität entstehen.
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