Das Laserschneiden von Metallen gehört zu den fortschrittlichsten thermischen Bearbeitungsprozessen in der modernen Industrie. Es vereint optische, thermodynamische, hydrodynamische und metallurgische Phänomene, die in sehr kurzer Zeit und auf mikroskopischer Ebene ablaufen. Das Verständnis der Prozessphysik ermöglicht die Optimierung technologischer Parameter, die Verbesserung der Schnittkantqualität sowie die Steigerung der Effizienz und Prozessstabilität.
1. Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Metalloberfläche
Absorption und Reflexion der Strahlung
Wenn ein Laserstrahl auf eine Metalloberfläche trifft, wird ein Teil der Energie reflektiert und ein Teil vom Material absorbiert. Das Ausmaß der Absorption hängt ab von:
- der Wellenlänge der Strahlung,
- der Materialtemperatur,
- dem Oberflächenzustand (Oxidation, Rauheit),
- dem Einfallswinkel des Strahls.
Metalle bei Raumtemperatur reflektieren einen Großteil der Strahlung, weshalb die anfängliche Absorption begrenzt ist. Mit steigender Temperatur nimmt die Absorption zu, was eine positive Rückkopplung erzeugt – das erwärmte Material absorbiert Energie zunehmend effizienter.
Die Absorption lässt sich schreiben als:
A = 1 – R
wobei:
- A – Absorption,
- R – Reflexionsgrad.
Im Dampfzustand ist die Energieabsorption sehr hoch, was den Prozess stabilisiert.
2. Energiekonzentration und Strahlleistungsdichte
Der entscheidende physikalische Parameter ist die Leistungsdichte des Laserstrahls, die folgende Werte erreicht:
- 10⁶ – 10⁸ W/cm² – Bereich des Materialaufschmelzens,
- oberhalb von 10⁸ W/cm² – Verdampfung und Bildung eines Dampfkanals.
Die starke Energiefokussierung bewirkt einen raschen Temperaturanstieg in einem sehr kleinen Bereich und ermöglicht das lokale Schmelzen oder Verdampfen des Metalls.
3. Mechanismen des Schmelzens und Verdampfens
Nach Überschreiten der Schmelztemperatur geht das Material in den flüssigen Zustand über. Die weitere Energiezufuhr führt zu:
- Überhitzung der Schmelze,
- intensiver Verdampfung,
- Entstehung hohen Metalldampfdrucks.
Der Übergang Flüssigkeit → Dampf schwächt die intermolekularen Bindungen und löst Materialteilchen von der Oberfläche ab.
4. Bildung des Dampfkanals (Keyhole)
Bei hoher Leistungsdichte entsteht im Material ein Dampfkanal, das sogenannte Keyhole. Es handelt sich um einen schmalen, tiefen Spalt:
- gefüllt mit Metalldampf,
- mit Wänden, die mit einer dünnen flüssigen Metallschicht bedeckt sind,
- stabilisiert durch Oberflächenspannung und Dampfdruck.
Der Dampfkanal erhöht die Energieabsorption durch Mehrfachreflexionen der Strahlung im Inneren des Spalts, was die Prozesseffizienz verbessert.
5. Dynamik des flüssigen Metallbads
Im Wechselwirkungsbereich des Strahls bildet sich ein flüssiges Metallbad. Sein Verhalten hängt von zahlreichen physikalischen Phänomenen ab.
Kräfte, die auf das flüssige Metall wirken
- Oberflächenspannung,
- Viskosität der Schmelze,
- Metalldampfdruck,
- Marangoni-Kräfte (bedingt durch Temperaturgradienten),
- Wechselwirkung mit dem Prozessgasstrahl.
Strömungsphänomene
Im Spalt treten komplexe Strömungen des flüssigen Metalls auf, die bestimmen über:
- die Qualität der Schnittfläche,
- die Prozessstabilität,
- die Entstehung von Defekten.
6. Rolle des Prozessgases
Das Hilfsgasgemisch spielt eine entscheidende Rolle im Prozess.
Entfernung des flüssigen Metalls
Der Gasstrahl bläst das geschmolzene Material aus dem Schneidspalt heraus.
Schutz vor chemischen Reaktionen
Inertgase wie Stickstoff oder Argon verhindern die Oxidation.
Unterstützung exothermer Reaktionen
Sauerstoff reagiert mit dem Metall, setzt zusätzliche Wärmeenergie frei und erhöht die Schnittgeschwindigkeit.
7. Mechanismen der Materialentfernung
Je nach Prozessparametern werden drei Hauptmechanismen unterschieden:
- Schneiden durch Aufschmelzen und Ausblasen des flüssigen Metalls.
- Reaktionsschneiden unter Sauerstoffbeteiligung (Verbrennen des Metalls).
- Schneiden durch direktes Verdampfen des Materials.
8. Bildung des Schneidspalts und der Schnittkante
Der Schneidspalt ist ein dynamisches System, in dem:
- der Laser als konzentrierte Energiequelle wirkt,
- das flüssige Metall durch Gas entfernt wird,
- die Schneidfront sich mit der Bewegung des Schneidkopfes fortbewegt.
Die Spaltgeometrie hängt ab von Laserleistung, Schnittgeschwindigkeit, Gasdruck sowie den Materialeigenschaften.
9. Entstehung von Schlacke (Dross) und ihre Kontrolle
Schlacke entsteht, wenn geschmolzenes Metall nicht vollständig entfernt wird und an der Unterkante des Werkstücks erstarrt.
Ihre Entstehung wird beeinflusst durch:
- die Viskosität des flüssigen Metalls,
- Druck und Art des Gases,
- Schnittgeschwindigkeit,
- lineare Energieeinbringung des Prozesses.
10. Wärmeeinflusszone (WEZ)
Charakteristik
Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist der Bereich, in dem das Material nicht aufgeschmolzen wurde, dessen Gefüge sich jedoch infolge der hohen Temperatur verändert hat.
Mikrogefügeänderungen
In der WEZ können auftreten:
- Phasenumwandlungen,
- Härteänderungen,
- erhöhte Sprödigkeit,
- Eigenspannungen.
Die Größe dieser Zone hängt von den Prozessparametern und den thermischen Eigenschaften des Materials ab.
11. Wärmeleitung und thermische Phänomene
Die Temperaturverteilung beim Schneiden hängt ab von:
- der Wärmeleitfähigkeit des Metalls,
- der Materialdicke,
- der Einwirkzeit des Strahls,
- dem Betriebsmodus des Lasers (kontinuierlich oder gepulst).
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit dissipieren Energie schneller, was die Breite der Wärmeeinflusszone beeinflusst.
12. Parameter, die die Prozessstabilität beeinflussen
Strahlparameter
- Wellenlänge,
- Strahlqualität (M²),
- Fokusposition,
- Betriebsmodus.
Technologische Parameter
- Laserleistung,
- Schnittgeschwindigkeit,
- Art und Druck des Gases,
- Düsenhöhe.
Materialeigenschaften
- Absorptionsvermögen,
- Wärmeleitfähigkeit,
- Schmelztemperatur,
- Viskosität des flüssigen Metalls.
13. Prozessinstabilitäten
Der Prozess kann instabil werden infolge von:
- Schwingungen des Dampfkanals,
- Turbulenzen in der flüssigen Metallströmung,
- instabiler Energieabsorption,
- Oberflächenverunreinigungen,
- fehlerhafter Strahlf okussierung.
Die Stabilität des Keyholes sowie das Gleichgewicht zwischen Verdampfung und Entfernung des flüssigen Metalls sind entscheidend für die Schnittqualität.
14. Aktuelle Forschungsrichtungen
Die aktuelle Forschung zum Laserschneidprozess konzentriert sich auf:
- die Modellierung gekoppelter thermischer und hydrodynamischer Phänomene,
- die Analyse der dynamischen Energieabsorption,
- die Echtzeitüberwachung des Prozesses,
- den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Parameteroptimierung,
- die Minimierung der Wärmeeinflusszone.
Zusammenfassung
Die Physik des Laserschneidens von Metallen umfasst komplexe Wechselwirkungen zwischen Laserstrahlung und Material, Schmelz- und Verdampfungsprozesse, die Hydrodynamik des flüssigen Metalls sowie thermische und metallurgische Phänomene. Von entscheidender Bedeutung sind die Energieabsorption, die Bildung des Dampfkanals, die Strömung des flüssigen Metallbads sowie die effektive Materialentfernung mithilfe des Prozessgases. Die Kontrolle dieser Phänomene ermöglicht die Erzielung hochwertiger Schnittkanten, die Minimierung der Wärmeeinflusszone und eine stabile Prozessführung – was das Laserschneiden zu einer der präzisesten und effizientesten Metallbearbeitungstechnologien macht.
