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Magisch: Das Laserschneiden und die Reinheit der Gase

Gase werden in Abhängigkeit des jeweiligen Verfahrens und der Laserstrahlquelle für die Lasermaterialbearbeitung in diversen Prozessschritten benötigt. Beim Schneiden der Werkstoffe ist die Reinheit im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und Qualität von großer Bedeutung.

Die Lasertechnik ermöglicht heute wie mit keinem anderen Verfahren Lösungen für die Materialbearbeitung in der industriellen Fertigung. Die Vorteile der hohen Prozessgeschwindigkeit, des präzisen Wärmeeintrags und die flexible Ausrichtung sind jedoch erst durch den Einsatz von Gasen optimal realisierbar. Reines Lasergas dient als Lasermedium in einem CO2-Resonator und schützt gleichzeitig die optischen Teile. Helium wiederum leitet die freigesetzte Wärme schnell ab. Als effektives Schutzgas können unerwünschte Reaktionen im Werkstoff ausgeschlossen werden.

Gase für verschiedene Strahlquellen

Die CO2-Laser benötigen alle als Betriebs- oder Resonatorgas ein Gemisch aus CO2, Stickstoff und Helium. In welcher Zusammensetzung, ist allerdings von Anbieter zu Anbieter der verschiedenen Strahlquellen unterschiedlich. Gaslieferanten bieten ihre Produkte in zwei Varianten an. Bei der ersten Variante werden die Gase einzeln geliefert und die Mischung erfolgt mit geeichten Mischgeräten vor der Strahlquelle. Die zweite Variante besteht, meist bei geringeren Verbräuchen, aus einem fertigen Vorgemisch (Premix).

Denn die Art der Gasversorgung wird der Bedarfsmenge und Anwendung angepasst. Lasergase können durch Einzelflaschen, Flaschenbündel oder Tankversorgung bereitgestellt werden. Dabei ist auf eine fachgerechte Installation der einzelnen Komponenten sowie einen verunreinigungsfreien Transport vom Behältnis zum Laser zu achten.

Das Volumen der Verbrauchsmenge hängt von verschiedenen Faktoren ab: Laserleistung, Laserbauart und Anbieter. Wobei die Hersteller in den vergangenen Jahren bestrebt waren, die Verbräuche zu reduzieren. Etwa vor einem Jahrzehnt verbrauchten Laser mit Ausgangsleistungen von 1 kW und 1,7 kW zwischen 60 l und 80 l Gesamtgemisch pro Stunde. Heute benötigen Laser mit Ausgangsleistungen von 2, 3 kW oder 4 kW mit 10 l oder 20 l pro Stunde. Bei einem diffusionsgekühlten Slab-Laser hält eine 10-l-Druckgasflasche fast 12 Monate. In diesem Sinne stellt das Resonatorgas heute, obwohl es natürlich nicht gerade preiswert ist, keinen wichtigen Kostenfaktor mehr dar.

Hierbei ist zu beachten, dass die Angabe des Verbrauchs pro Stunde nicht ganz exakt sein kann. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Verbräuche immer von der Prozessdauer und der Werkstoffdicke abhängen. So ist auch beim Hochdruckschneiden der Verbrauch an inerten Gasen auf Grund der herrschenden höheren Drücke wesentlich größer als der von Sauerstoff beim Verfahren des Laserbrennschneidens.

Gase mit hohen Reinheitsgraden

Insbesondere an die Reinheit und konstante Qualität der Gase werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Denn selbst geringfügige Mengen von Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffen oder Staubpartikeln können den Schneidprozess ernsthaft stören. So beeinträchtigt Feuchte die Anregungsentladung und verhindert, dass der Laser zu seiner vollen Leistungsentfaltung kommt. Wogegen Kohlenwasserstoffe und Staubpartikel zu Schäden am optischen System führen und den Schneidprozess teilweise oder völlig verhindern können.

Reinheitsgebot

Reinheitsgrade von Gasen werden in Prozent als Zahlen mit vielen Stellen hinter dem Komma dargestellt. Dafür wurde zur Vereinfachung ein international gültiges Kennzahlensystem geschaffen. Jede Kennzahl setzt sich aus einer Ziffer, einem Punkt und einer zweiten Ziffer zusammen. Wobei die erste Ziffer eine Aussage über die Anzahl der „Neunen“ macht und die Ziffer nach dem Punkt die letzte Ziffer des Prozentwertes angibt. Die Kennzahl 2.5 zeigt also an, dass das Gas eine Mindestreinheit von 99,5 Prozent aufweist. Für die Kennzahl 4.6 gilt eine Mindestreinheit von 99,996 Prozent und für die Kennzahl 5.0 steht eine Mindestreinheit von 99,999 Prozent.

Die Reinheit für CO2 beträgt mindestens 99,995 Prozent (Qualität 4.5), die für Helium 99,996 Prozent (Qualität 4.6) und die für Stickstoff 99,999 Prozent (Qualität 5.0). Hochreiner Stickstoff kommt ebenfalls zum Spülen der Strahlführungssysteme zum Einsatz.

Arbeitsgase im Einsatz beim Laserschneiden

Beim Laserbrennschneiden wird Sauerstoff als Arbeitsgas benötigt. Durch höhere Reinheitsgrade der Gase kann die Schnittgeschwindigkeit deutlich erhöht werden.

„Schon die Qualität 3.5, die einer Reinheit von 99,95 Prozent entspricht, führte beim Vergleich mit dem üblichen technischen Sauerstoff zu Leistungssteigerungen von etwa 10 Prozent beim Bearbeiten von 2,5 mm dickem Blech bis über 30 Prozent bei 10 mm dickem Blech“, erklärt Dipl.-Ing. Michael Wolters, Technologie Management Schweißen und Schneiden bei der Messer Group GmbH. „Die Verwendung von noch reinerem Sauerstoff würde jedoch keine wesentliche Leistungssteigerung mehr bewirken.“

Des Weiteren verbessert eine optimierte Reinheit die Qualität der Schnittkanten und lässt die maximal mögliche Werkstoffdicke für einen sauberen Schnitt vergrößern. Das bedeutet, beispielsweise bei einer 3-kW- Strahlquelle auf rund 15 mm und bei einem 4-kW-Laser auf 20 mm. „Wichtig ist, dass die erhöhten Kosten für reinere Gase durch verkürzte Schneideprozesse überkompensiert werden“, so Wolters.

Das gleiche gilt auch für Aluminium oder Chromnickelstähle, die per Hochdruck-Laserschneideverfahren bearbeitet werden. Hier kommen inerte Gase zum Einsatz, die ebenso festgelegte Mindestreinheiten nicht unterschreiten dürfen. Die Empfehlung für einen Reinheitsgrad bei Stickstoff beläuft sich auf 99,990 Prozent (Qualität 4.0). In bestimmten Fällen wird auch die Qualität 5.0 angeraten.

Bereits geringe Abstriche bei dem Reinheitsgrad für Sauerstoff können schon die Qualität der Schnittflächen deutlich verschlechtern. Ebenso wird beim Laserschneiden von Titan ein sehr hoher Reinheitsgrad für Argon als Schneidgas empfohlen.

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