In der Laserschneidtechnologie ist der Laser-Ausgabemodus einer der Schlüsselfaktoren, der den Bearbeitungsmechanismus und die Schneidleistung bestimmt. Entsprechend der zeitlichen Verteilung der Laserenergieausgabe werden Laser hauptsächlich in kontinuierliche Laser und gepulste Laser eingeteilt. Diese beiden Lasertypen weisen unterschiedliche Energiekopplungseigenschaften, thermische Interaktionsverhalten und Bearbeitungsanpassungsfähigkeit in Schneidanwendungen auf.
I. Eigenschaften von kontinuierlichen Lasern in Schneidanwendungen
Ein kontinuierlicher Laser bezieht sich auf einen Laser, der während des Betriebs einen stabilen Laserstrahl mit konstanter Leistung ausgibt. Die Laserenergie wird kontinuierlich über die Zeit verteilt, und das Material bleibt während des gesamten Schneidprozesses unter konstanter thermischer Belastung.
Während des Schneidens erhitzt der kontinuierliche Laser kontinuierlich die Materialoberfläche, wodurch die Temperatur schnell ansteigt. Wenn die Temperatur den Schmelzpunkt oder den Verdampfungspunkt erreicht, bildet sich ein stabiles Schmelzbad. Mit Hilfe von Hilfsgas wird das geschmolzene Material effektiv aus dem Schnitt entfernt, wodurch eine kontinuierliche Materialtrennung ermöglicht wird.
Aufgrund der stabilen Energiezufuhr bietet das kontinuierliche Laserschneiden eine gute Schmelzbadstabilität und Schnittkontinuität, wodurch es sich für lange Schneidwege und die Bearbeitung komplexer Konturen eignet. Die anhaltende Wärmezufuhr verursacht jedoch auch eine thermische Diffusion innerhalb des Materials, was zu einer relativ größeren wärmebeeinflussten Zone führt. Randbereiche können thermische Verformungen oder mikrostrukturelle Veränderungen erfahren.
Das kontinuierliche Laserschneiden wird häufig in der Bearbeitung von mittel- und dickwandigen Metallplatten eingesetzt, beispielsweise beim industriellen Schneiden von Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Aluminiumlegierungen. Es eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Schneideffizienz und den Produktionsdurchsatz.
II. Eigenschaften von gepulsten Lasern in Schneidanwendungen
Ein gepulster Laser gibt Laserpulse von kurzer Dauer und hoher Energie bei einer bestimmten Wiederholfrequenz aus. Die Laserenergie wird intermittierend über die Zeit verteilt. Jeder Puls hat eine extrem kurze Dauer, aber eine hohe Spitzenleistung.
In Schneidanwendungen wirken gepulste Laser durch momentane hohe Energiedichte auf die Materialoberfläche und bewirken, dass sich lokale Bereiche schnell schmelzen oder verdampfen. Die Materialabtragung erfolgt schrittweise durch Puls-für-Puls-Überlagerung, und der Schneidprozess manifestiert sich als kontinuierliche Ansammlung von mikroskaliger Materialabtragung.
Da die Interaktionszeit jedes Pulses sehr kurz ist, hat die Wärme keine ausreichende Zeit, um in die umliegenden Bereiche zu diffundieren. Infolgedessen erzeugt das gepulste Laserschneiden eine kleinere wärmebeeinflusste Zone und hat einen begrenzten Einfluss auf die Materialmikrostruktur und die Kantenmorphologie. Diese Eigenschaft bietet klare Vorteile beim Präzisionsschneiden und bei der Bearbeitung von wärmeempfindlichen Materialien.
Gepulste Laser werden häufig für dünne Metallbleche, Präzisionskomponenten, Mikrobohrungen und die Bearbeitung schmaler Schnitte verwendet. Sie eignen sich auch für Materialien mit hohem Reflexionsvermögen oder für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Schnittkantenqualität.
III. Einfluss des Energieinteraktionsmodus auf die Schneidleistung
Die Unterschiede in der Schneidleistung zwischen kontinuierlichen und gepulsten Lasern ergeben sich im Wesentlichen aus Unterschieden in der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Laserenergie. Kontinuierliche Laser betonen die stabile Energiezufuhr und das kontinuierliche Schmelzen, wodurch sie sich besser für effizienzorientiertes Schneiden eignen. Gepulste Laser verlassen sich auf hohe Spitzenleistung, um eine präzise Materialabtragung zu erreichen, wobei der thermischen Kontrolle und der Bearbeitungsgenauigkeit größere Bedeutung beigemessen wird.
In praktischen Schneidprozessen weisen kontinuierliche Laser typischerweise höhere Schnittgeschwindigkeiten und eine stärkere Fähigkeit zur Bearbeitung von Dickplatten auf, während gepulste Laser Vorteile in Bezug auf das Durchstoßvermögen, die Kontrolle der Kantenqualität und die Unterdrückung thermischer Effekte aufweisen.
IV. Praktische Überlegungen zur Auswahl des Schneidprozesses
Bei der Auswahl zwischen kontinuierlichen und gepulsten Lasern für Schneidanwendungen müssen Faktoren wie Materialstärke, Wärmeleitfähigkeit, Reflexionsvermögen und die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit umfassend berücksichtigt werden. Für großformatige Platten und das Zuschneiden von Strukturteilen sind kontinuierliche Laser besser auf die Anforderungen der industriellen Produktion abgestimmt. Für die Präzisionsbearbeitung, das Schneiden von dünnen Materialien oder die Bearbeitung von Spezialmaterialien bieten gepulste Laser eine bessere Prozessanpassungsfähigkeit.
In bestimmten Anwendungen kann die Leistungsmodulation von kontinuierlichen Lasern eingesetzt werden, um ein quasi-gepulstes Bearbeitungsverhalten zu erzielen, wodurch ein Gleichgewicht zwischen Schneideffizienz und der Kontrolle thermischer Effekte erreicht werden kann.
Kontinuierliche Laser und gepulste Laser spielen unterschiedliche Prozessrollen in Schneidanwendungen. Sie weisen grundlegende Unterschiede in den Energieausgabeeigenschaften, den Materialinteraktionsmechanismen und den anwendbaren Schneidbereichen auf. Ein klares Verständnis der Funktionsprinzipien beider Lasertypen, kombiniert mit spezifischen Bearbeitungsanforderungen, ist unerlässlich, um eine stabile Schnittqualität zu erzielen und die Gesamtprozesseffizienz zu verbessern.