Das Laserschneiden ist eines der fortschrittlichsten Verfahren zur Materialbearbeitung, bei dem ein fokussierter Lichtstrahl mit hoher Leistung eingesetzt wird. Dieser Prozess, der auf den ersten Blick einfach erscheint, umfasst eine Reihe komplexer physikalischer Phänomene, die die Qualität und Effizienz des Schneidens bestimmen. In diesem Artikel analysieren wir detailliert die Schlüsselmechanismen, die bei der Interaktion des Laserstrahls mit dem Material auftreten.
Schmelz- und Verdampfungsmechanismus des Materials
Absorption der Strahlung
Wenn der Laserstrahl auf die Metalloberfläche trifft, wird ein Teil der Energie reflektiert und ein anderer Teil vom Material absorbiert. Der Absorptionsgrad hängt ab von:
- der Wellenlänge der Laserstrahlung
- der Temperatur des Materials
- dem Zustand der Oberfläche (Rauheit, Vorhandensein von Oxiden)
- dem Einfallswinkel des Strahls
Die absorbierte Energie wird in Wärme umgewandelt, was zu einem lokalen Temperaturanstieg des Materials führt. Bemerkenswert ist, dass mit steigender Temperatur der Absorptionsgrad ebenfalls zunimmt, was zu einem positiven Rückkopplungseffekt führt.
Phasenübergänge
Im Bereich der Laserstrahlinteraktion durchläuft das Material folgende Phasen:
- Erwärmung bis zur Schmelztemperatur
- Phasenübergang von fest zu flüssig (Schmelzen)
- Erwärmung der Flüssigkeit bis zur Siedetemperatur
- Phasenübergang von flüssig zu gasförmig (Verdampfen)
Die Geschwindigkeit dieser Übergänge hängt von der Leistungsdichte des Laserstrahls und den thermophysikalischen Eigenschaften des Materials ab. Bei sehr hohen Leistungsdichten kann ein direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand (Sublimation) auftreten.
Bildung der Schnittfuge
Mechanismus der Fugenerzeugung
Die Bildung der Schnittfuge ist ein dynamischer Prozess mit folgenden Phasen:
- Initiation – lokales Schmelzen und teilweises Verdampfen des Materials
- Entwicklung – Entfernung des geschmolzenen Materials durch den Strahl des Prozessgases
- Stabilisierung – Bildung eines Kanals mit relativ konstantem Querschnitt
Die Geometrie der Schnittfuge wird beeinflusst durch:
- die Parameter des Laserstrahls (Leistung, Energiedistribution)
- die Schneidgeschwindigkeit
- den Druck und die Art des Prozessgases
- die Materialeigenschaften
Hydrodynamik des Prozesses
In der Schnittfuge treten komplexe Strömungsphänomene auf:
- Bewegung der flüssigen Metallschmelze durch den Gasdruck
- Bildung von Wirbeln und Turbulenzen
- Interaktionen zwischen flüssiger und gasförmiger Phase
- Temperatur- und Oberflächenspannungsgradienten
Entstehung und Kontrolle von Gratbildung
Mechanismus der Gratbildung
Grat entsteht durch:
- unzureichendes Entfernen des geschmolzenen Materials
- hohe Viskosität der Flüssigkeit
- ungeeigneten Gasdruck
- zu hohe Schneidgeschwindigkeit
Die Struktur des Grats hängt ab von:
- den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials
- den Prozessparametern
- den Kühlbedingungen
Methoden zur Gratkontrolle
Eine Minimierung des Grats kann erreicht werden durch:
- Optimierung der Prozessparameter
- Auswahl geeigneter Prozessgase
- Kontrolle der Strömungsdynamik in der Schnittfuge
- Einsatz spezieller Düsen
Wärmeeinflusszone (HAZ)
Charakteristik der HAZ
Die Wärmeeinflusszone ist der Bereich des Materials, in dem unter dem Einfluss des thermischen Zyklus strukturelle Veränderungen stattfinden. Ihre Größe und Eigenschaften hängen ab von:
- der Laserleistung
- der Einwirkzeit
- der Wärmeleitfähigkeit des Materials
- Phasenübergängen im festen Zustand
Einfluss auf die Materialeigenschaften
In der Wärmeeinflusszone können folgende Veränderungen auftreten:
- Änderungen der Mikrostruktur
- Änderungen der Härte
- Entstehung von Eigenspannungen
- Modifikationen der mechanischen Eigenschaften
Fazit
Das Verständnis der physikalischen Phänomene beim Laserschneiden ist entscheidend für die Optimierung des Prozesses und die Erzielung einer hohen Produktqualität. Die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl, Material und Prozessgas erfordert eine sorgfältige Auswahl der Prozessparameter sowie die Berücksichtigung der Materialeigenschaften. Die Weiterentwicklung dieser Technologie wird eng mit einer genaueren Erforschung und Kontrolle der beschriebenen Phänomene verbunden sein.
Literatur
- Steen, W. M., & Mazumder, J. (2010). Laser Material Processing. Springer.
- Ready, J. F. (2001). LIA Handbook of Laser Materials Processing. Laser Institute of America.
- Ion, J. C. (2005). Laser Processing of Engineering Materials. Elsevier.
- Pro Metal Form (2025) Physikalische Grundlagen des Laserschneidens von Metallen.