Der Zusammenhang zwischen Fokus beim Laserschneiden und Gratbildung

Die Fokusposition beim Laserschneiden steht in einem direkten und deterministischen Zusammenhang mit der Gratbildung.Kurz gesagt, die Fokusposition beeinflusst direkt die Energieverteilung des Strahls innerhalb des Materials und bestimmt dadurch die Schnittfugenqualität, die Effizienz des Schmelzmaterialausstoßes und ob sich letztendlich Grate bilden.Die Beziehungen werden im Folgenden detailliert beschrieben.

Grundprinzip: Wie die Fokusposition den Schneidprozess beeinflusst

Das Prinzip des Laserschneidens besteht darin, das Werkstück mit einem Laserstrahl hoher Energiedichte zu bestrahlen, wodurch es schnell schmilzt oder verdampft.辅助Gas (wie Sauerstoff oder Stickstoff) bläst das geschmolzene Material weg, um den Schnitt zu bilden.

Fokus: Der Punkt, an dem die Energie des Laserstrahls am stärksten konzentriert ist und sein Fokusdurchmesser am kleinsten ist.

Fokusposition: bezeichnet die Lage des Brennpunkts relativ zur Werkstückoberfläche. Sie wird in drei Fälle unterteilt:

1. Positive Defokussierung: Der Brennpunkt befindet sich oberhalb der Werkstückoberfläche.

2. Negative Defokussierung: Der Brennpunkt befindet sich unterhalb der Werkstückoberfläche.

3. Keine Unschärfe: Der Brennpunkt liegt genau auf der Werkstückoberfläche.

Spezifischer Zusammenhang zwischen Fokusposition und Grat

Die Gratbildung entsteht dadurch, dass die Restschmelze, die nicht vollständig abgeführt wurde, am Schnittgrund wieder erstarrt. Die Fokusposition beeinflusst die Gratbildung hauptsächlich durch die Veränderung der Schnittform und der Luftstromstärke.

1. ist unscharf (Fokus auf das Werkstück)

• Energieverteilung: Nach dem Eintritt in das Material divergent verläuft der Strahl, und die Energiedichte nimmt von oben nach unten allmählich ab. Die Energie ist an der Oberseite am höchsten und an der Unterseite am niedrigsten.
• Schnittform: Es lässt sich leicht ein V-förmiger Schnitt mit einem breiten oberen und einem schmalen unteren Bereich formen.

Auswirkung auf den Grat:

• Aufgrund unzureichender Energie am Boden kann das Material dort nicht vollständig geschmolzen oder vergast werden.
• Die Strömungsgeschwindigkeit des Hilfsgases wird am schmalen Boden beschleunigt, aber die Blaskraft reicht möglicherweise nicht aus, um die zähflüssige Schmelze vollständig abzulösen und wegzublasen.

Ergebnis: Es ist leicht, eine große Anzahl hartnäckiger Grate an der Unterseite zu erzeugen. Dies ist eine der häufigsten Ursachen für Grate.

2. Negative Defokussierung (Fokus unterhalb des Werkstücks)

• Energieverteilung; der Strahl bündelt sich im Inneren des Materials, und die Energiedichte erreicht ihren Höchstwert in der Mitte oder im unteren Bereich des Materials.
• Schnittform: Es lässt sich leicht ein taillenförmiger Schnitt mit schmalem oberen und unteren Bereich und breitem mittleren Bereich formen.

Auswirkung auf den Grat:

• Der Vorteil besteht darin, dass die Energie am Boden nicht ausreicht und das Material gründlicher aufgeschmolzen werden kann.
• Allerdings ist die Mitte des Einschnitts am breitesten, was dazu führen kann, dass sich der Luftstrom hier ausbreitet und die Blaskraft beim Erreichen des Bodens abgeschwächt wird.
• Wenn die Parameter nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, kann die Schmelze aufgrund der unsauberen Reihe immer noch am Boden haften bleiben.

Ergebnisse: Im Vergleich zur positiven Defokussierung wird die Gratbildung verbessert, es können jedoch weiterhin geringe Mengen an weichem Grat entstehen. Beim Schneiden dicker Platten wird mitunter eine negative Defokussierung verwendet, um sicherzustellen, dass der Boden vollständig durchtrennt wird.

3. Null Unschärfe oder optimale Fokussierung (Fokussierung auf die Oberfläche des Werkstücks oder eine bestimmte Tiefe)

• Energieverteilung: Die höchste Energiekonzentration befindet sich an der Werkstückoberfläche, was für das Schneiden dünner Bleche optimal ist. Bei dicken Blechen ist in der Regel eine optimale Fokussierungsposition erforderlich. Das heißt, der Fokus muss bis zu einer bestimmten Tiefe im Material liegen (z. B. 1/3 der Blechdicke), um die Energieverteilung zwischen Oberfläche und Oberfläche auszugleichen.
• Schnittform: der idealste vertikale, parallele Schnitt.

Auswirkung auf den Grat:

• Die Energieverteilung im gesamten Einschnittbereich ist relativ gleichmäßig, und das Material kann kontinuierlich und stabil aufgeschmolzen werden.
• Die parallelen Einschnitte ermöglichen einen reibungslosen Durchgang für das Hilfsgas, das über genügend kinetische Energie verfügt, um die Schmelze gleichmäßig vom Boden abzutransportieren.

Ergebnis: Dies ist der optimale Zustand, um keine oder nur sehr wenige Grate zu erzeugen. Das Schmelzmaterial wurde rückstandsfrei entfernt.

Zusammenfassung und Analogie

Man kann es sich so vorstellen:

• Ist unscharf: wie ein „stumpfer Meißel“, die Oberseite ist sehr hart, aber die Unterseite ist stumpf, man kann nur Material „abreiben“, sodass eine raue Oberfläche zurückbleibt.
• Negative Defokussierung: Ähnlich wie bei einer „Sprengung“ im Inneren des Materials, wobei es zwar zu einer Explosion kommen kann, der Austritt jedoch nicht sauber ist und einige Trümmer mit sich bringt.
• Bester Fokus: Wie ein „scharfes Skalpell“, sauber von oben bis unten geschnitten, sauber und ordentlich.

Übungsanleitung: Wie man den Fokus bei Störungen anpasst

Sollten im tatsächlichen Betrieb Grate festgestellt werden, sind folgende Schritte zur Überprüfung und Justierung durchzuführen:

1. Beachten Sie die Gratform:

• Am Boden befinden sich viele harte, körnige Grate: Wahrscheinlich wurde der Boden aufgrund einer zu hohen Fokussierung oder unzureichender Leistung/zu hoher Drehzahl nicht vollständig durchtrennt. Die Fokussierung sollte nach unten korrigiert werden.
• Am unteren Rand befindet sich ein kleiner, weicher, leicht abfallender, bartartiger Grat. Dies könnte auf eine zu geringe Fokussierung (negative Defokussierung) oder unzureichenden Gasdruck bzw. verunreinigtes Gas zurückzuführen sein, wodurch die Schmelze nicht vollständig ausgeblasen wird. Versuchen Sie, die Fokussierung nach oben zu korrigieren und die Gasparameter zu überprüfen.

2. Fokuskalibrierung und -prüfung:

• Verwenden Sie ein Fokussierinstrument, um die Nullfokusposition genau zu bestimmen.
• In der Software zur Einstellung der Schnittparameter wird die Anpassung des ±-Wertes üblicherweise vom Nullpunkt aus vorgenommen. Führen Sie eine Reihe von Fokussierungstests durch (z. B. von +1 bis -3 in 0,5-Schritten), schneiden Sie dieselbe Figur und beobachten Sie anschließend, welche Position den glattesten Schnitt und die geringste Gratbildung aufweist. Diese Position ist die optimale Fokussierung für die verwendeten Materialien, Materialstärken und Geräte.

Odrei Schlüsselfaktoren, die Störungen beeinflussen (die koordiniert berücksichtigt werden müssen)

Fokus ist nicht der einzige Faktor und muss in Verbindung mit anderen Prozessparametern optimiert werden:

Hilfsgas:

Druck:Unzureichender Druck kann die Schlacke nicht effektiv wegblasen; zu hoher Druck kann Turbulenzen verursachen, die die Stabilität beeinträchtigen.

Reinheit:Insbesondere beim Schneiden von Edelstahl ist die Verwendung von hochreinem Stickstoff (99,99 % oder mehr) wichtig. Restlicher Sauerstoff führt zur Bildung von oxidierter Schlacke und verstärkt die Gratbildung.

Schnittgeschwindigkeit:Ist die Geschwindigkeit zu hoch, ist der Energieeintrag unzureichend, und das Material wird nicht vollständig durchtrennt, wodurch sich Grate am Boden bilden; ist die Geschwindigkeit zu niedrig, kommt es zu übermäßigem Abtrag, rauen Schnitten und es können ebenfalls Grate entstehen.

Laserleistung:Leistung und Geschwindigkeit müssen zusammenpassen. Die Leistung ist zu gering, um durchzuschneiden.

Düse:Die Öffnungsweite, Höhe und Konzentrizität der Düse beeinflussen den Luftstrom direkt. Eine mangelnde Konzentrizität ist eine häufige Ursache für ungleichmäßige Schnittqualität und Gratbildung.

Das Material selbst:Die Zusammensetzung des Materials und der Oberflächenzustand (z. B. ob Rost oder Öl vorhanden ist) spielen ebenfalls eine Rolle.

Die Fokusposition ist der wichtigste Einstellparameter zur Kontrolle des Grates beim Laserschneiden.Die ideale Fokusposition erzeugt einen vertikalen, glatten Schnitt und ermöglicht den effizienten Abtransport der Schmelze durch das Hilfsgas. Bei Gratbildung sollten Sie zunächst systematisch einen Fokustest durchführen, um die optimale Fokussierung zu ermitteln. Anschließend passen Sie die übrigen Parameter wie Gaszufuhr und Schnittgeschwindigkeit an, um ein perfektes, gratfreies Schnittergebnis zu erzielen.