Die Wahl des Schutzgases beim Laserschneiden: Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft?

Das Hilfsgas ist einer der wichtigsten und zugleich am häufigsten unterschätzten Bestandteile des Laserschneidprozesses. Er ist nicht nur für die Entfernung des geschmolzenen Materials aus der Schnittfuge verantwortlich, sondern beeinflusst auch den Verlauf der thermischen Reaktion, die Kantenqualität, die Arbeitsgeschwindigkeit sowie den Umfang der anschließenden Bearbeitung des Werkstücks.

Bei der Wahl zwischen Sauerstoff, Stickstoff und Druckluft sollten die Art und Dicke des Materials, die Anforderungen an die Schnittkantenqualität, die geplanten Nachbearbeitungsprozesse sowie die Gesamtkosten für die Fertigung des Werkstücks berücksichtigt werden. Es gibt kein einziges Gas, das für jede Produktion ideal ist – daher zeigen wir Ihnen in diesem Leitfaden, wie Sie das Hilfsgas für eine bestimmte Faserlaserschneidmaschine und die tatsächlichen Betriebsbedingungen in Ihrem Betrieb auswählen können.

Welche Funktion erfüllt das Hilfsgas beim Laserschneiden?

Bei einer Faserlaserschneidemaschine erhitzt und schmilzt der Laserstrahl das Material entlang der Schnittfuge, während das über eine Düse zugeführte Schutzgas das geschmolzene Metall aus der Bearbeitungszone entfernt und für einen stabilen Prozessablauf sorgt. Je nach Art des Gases kann dieses zusätzlich aktiv am Schneidvorgang beteiligt sein oder die Oberfläche des Materials vor Oxidation schützen.

Aus diesem Grund wirkt sich ein Wechsel des Schneidgases unmittelbar auf die Schneidleistung und die Wirtschaftlichkeit des Laserschneidens aus. Dies beeinflusst unter anderem:

• Schnittgeschwindigkeit,
• Aussehen und Struktur der Kanten,
• die Menge der entstehenden Ablagerungen oder Oxide,
• die Möglichkeit, das Bauteil direkt zu schweißen oder zu lackieren,
• Gas- und Energieverbrauch,
• Herstellungskosten für ein einzelnes Bauteil,
• Bereich der Materialien und Materialstärken, die effektiv bearbeitet werden können.

Die Auswahl des Gases sollte daher nicht ausschließlich unter dem Gesichtspunkt des Anschaffungspreises betrachtet werden. Entscheidend sind die Gesamtkosten des Prozesses – die Schneidzeit, der Verbrauch des Schneidgases, die Vorbereitung der Anlage sowie der Umfang einer eventuellen Nachbearbeitung.

Laserschneiden mit Sauerstoff

Sauerstoff wird vor allem beim Laserschneiden von Kohlenstoffstahl und Baustahl eingesetzt. Er dient dabei nicht nur der mechanischen Entfernung des geschmolzenen Materials, sondern reagiert auch mit dem erhitzten Metall und löst eine Oxidationsreaktion aus, die zusätzliche Wärmeenergie liefert. Dadurch unterstützt Sauerstoff das Laserschneiden von Stahl, insbesondere bei größeren Materialstärken, und ermöglicht einen stabilen Prozess bei einem niedrigeren Gasdruck als bei der Verwendung von Stickstoff.

Die wichtigsten Vorteile des Sauerstoffschneidens

• zusätzliche Energie aus der Oxidationsreaktion,
• effizientes Schneiden von Kohlenstoffstahl,
• die Möglichkeit, dicke Stahlbleche mit einem Laser zu schneiden,
• ein geringerer Gasverbrauch (volumetrisch) als bei Hochdruckverfahren,
• ein stabiler Prozess bei korrekt gewählten Parametern.

Was ist zu beachten?

Die durch den Einsatz von Sauerstoff erzeugte Schnittkante ist mit einer Oxidschicht überzogen. Soll das Bauteil anschließend pulverbeschichtet, geschweißt oder beschichtet werden, muss die Oberfläche häufig zusätzlich gereinigt werden. Die chemische Reaktion beeinflusst zudem das Erscheinungsbild des Schnittes selbst, weshalb die Wahl des Gases auf die Anforderungen an das fertige Bauteil abgestimmt werden muss. Sauerstoff eignet sich vor allem für Kohlenstoffstahl – er ist jedoch nicht die Standardwahl für das qualitativ hochwertige Schneiden von Edelstahl oder Aluminium, da die Oxidation der Schnittkante deren Eigenschaften und Aussehen beeinträchtigt.

Laserschneiden mit Stickstoff

Stickstoff ist unter den Bedingungen des Schneidprozesses ein inertes Gas. Seine Aufgabe besteht darin, das geschmolzene Metall intensiv aus dem Spalt zu entfernen und den Kontakt der erhitzten Oberfläche mit dem Sauerstoff aus der Umgebung zu begrenzen. Das Ergebnis ist eine helle, nicht oxidierte Schnittkante. Daher ist Stickstoff das Gas der Wahl beim Laserschneiden von Edelstahl und Aluminium sowie überall dort, wo es auf die Sauberkeit der Oberfläche nach der Bearbeitung ankommt. Es kann auch bei Kohlenstoffstahl eingesetzt werden, wenn es darauf ankommt, die Oxidschicht zu minimieren.

Die wichtigsten Vorteile des Stickstoffschneidens

• eine Kante ohne die typische Oxidschicht, die beim Sauerstoffschneiden entsteht,
• gute Qualität der Schnittfläche,
• Einschränkung der Vorbereitung des Werkstücks für die Weiterbearbeitung,
• günstige Bedingungen für das anschließende Schweißen, Lackieren oder Aufbringen von Beschichtungen,
• Hohe Schnittgeschwindigkeit bei Dünnblechen und mittelstarken Stahlblechen bei entsprechender Leistung der Laserquelle.

In vielen Anwendungsbereichen kann ein unter Einsatz von Stickstoff hergestelltes Bauteil direkt in den nächsten Produktionsschritt übergehen. Die Einsparungen beim Schleifen und Reinigen der Kanten sind mitunter so erheblich, dass sie die höheren Kosten für das Gas selbst ausgleichen.

Einschränkungen und Anforderungen

Stickstoff wird in der Regel unter hohem Druck und in großen Mengen zugeführt, was eine Anlage mit entsprechender Produktivität, eine ordnungsgemäße Lagerung oder Erzeugung des Gases sowie stabile Lieferparameter erfordert. Die Kosten für das Schneiden mit Stickstoff hängen unter anderem von der Materialstärke und -art, dem Durchmesser der Düse, dem erforderlichen Druck, der Schneidzeit, der Anzahl der Durchbrüche sowie der Art der Gasversorgung und dem Gaspreis ab. Bei großem Produktionsumfang lohnt es sich, nicht nur den Preis für Gas aus Flaschen oder Tanks zu analysieren, sondern auch die Wirtschaftlichkeit eines Stickstoffgenerators – diese hängt jedoch vom tatsächlichen Bedarf des Betriebs, der erforderlichen Gasreinheit und der Art der Produktion ab. Von großer Bedeutung ist hier auch die richtige Auswahl der Leistung der Laserquelle, da diese die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit beim Schneiden mit Stickstoff bestimmt.

Laserschneiden mit Druckluft

Druckluft stellt mitunter eine wirtschaftliche Alternative zu Sauerstoff und Stickstoff dar. Da sie hauptsächlich Stickstoff, aber auch Sauerstoff enthält, ist sie kein vollständig inertes Gas – bei diesem Verfahren findet sowohl eine mechanische Abtragung von flüssigem Material als auch eine begrenzte Oxidationsreaktion statt. Diese Technologie wird beim Schneiden ausgewählter Stahlsorten, Edelstahl und Aluminium eingesetzt, insbesondere bei dünnen bis mitteldicken Werkstücken. Die tatsächlichen Möglichkeiten hängen von der Leistung der Laserquelle, der Maschinenkonstruktion, der Produktivität der Druckluftanlage und der geforderten Qualität des Werkstücks ab. Mehr zu dieser Methode erfahren Sie in einem separaten Artikel über das Druckluft-Laserschneiden (AirCut).

Die wichtigsten Vorteile von Druckluft

• niedrigere Kosten für das Medium im Vergleich zum Kauf von Stickstoff,
• Verringerung der Abhängigkeit von Gaslieferungen,
• hohe Schnittgeschwindigkeit bei dünnen Materialien,
• größere Flexibilität in der Produktion,
• die Möglichkeit, eine eigene Kompressoranlage zu nutzen.

Diese Lösung ist besonders interessant in der Serienfertigung mit einem hohen Anteil an Bauteilen aus dünneren Stahlblechen, bei der eine geringfügige Oxidation der Kanten kein technologisches Hindernis darstellt.

Die Qualität der Druckluft ist von entscheidender Bedeutung

Die der Laserschneidkopf zugeführte Luft muss entsprechend aufbereitet sein – sie darf weder übermäßige Feuchtigkeit noch Öl oder Feststoffverunreinigungen enthalten. Ein verunreinigtes Medium beeinträchtigt die Prozessstabilität und gefährdet die Komponenten des optischen Systems. Eine Laserschneidanlage sollte daher folgende, sorgfältig ausgewählte Komponenten umfassen:

• Kompressor,
• Luftentfeuchter,
• Filter,
• Trennzeichen,
• Pufferspeicher,
• Leitungen und Anlagenteile mit ausreichender Durchflusskapazität.

Bei STIGAL wählen wir komplette Kompressorsätze einschließlich der gesamten erforderlichen Ausrüstung aus und bieten diese an, die auf die jeweilige Laserschneidmaschine und die tatsächlichen Betriebsbedingungen in Ihrem Betrieb abgestimmt sind. Dadurch gewährleistet die Anlage bereits ab dem ersten Betriebstag die richtigen Luftparameter und die Stabilität des Prozesses.

Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft – ein Vergleich

Jedes dieser Gase eignet sich für unterschiedliche Bedingungen. Sauerstoff sorgt für zusätzliche Energie und ermöglicht das effiziente Schneiden von dickeren Stahlsorten, Stickstoff sorgt für eine saubere und nicht oxidierte Schnittkante, und Druckluft ermöglicht es, die Kosten für das Schneidmedium beim Schneiden dünnerer Materialien zu senken. Dank der STIGAL AirCut-Technologie und der richtigen Auswahl der Parameter ermöglicht die Verwendung von Luft eine sehr gute Schnittkantenqualität – die in vielen Anwendungsfällen mit anderen Gasen vergleichbar ist, wenn auch mit einem anderen optischen Erscheinungsbild: matt und dunkler, nicht glänzend wie beim Schneiden mit Stickstoff.

Die Bedeutung der Gasparameter und der Gasqualität

Die bloße Wahl der Gasart allein garantiert noch kein gutes Ergebnis. Ebenso wichtig ist die richtige Abstimmung aller technologischen Parameter:

• Gasdruck und Gasdurchfluss,
• des Typs und des Durchmessers der Düse,
• Lage des Feuers,
• Leistung der Laserquelle,
• Schnittgeschwindigkeit,
• Durchschlagparameter,
• Abstand der Düse zum Material.

Auch die Reinheit des Gases spielt eine Rolle – Verunreinigungen beeinträchtigen die Prozessstabilität, die Kantenqualität und die Lebensdauer der Systemkomponenten. Bei Druckluft ist die wirksame Entfernung von Feuchtigkeit, Öl und Feststoffpartikeln besonders wichtig. Die Parameter sollten als umfassendes technologisches Gesamtkonzept ausgewählt werden: Eine bloße Erhöhung des Gasdrucks verbessert nicht immer das Ergebnis, sondern führt häufig lediglich zu einem höheren Verbrauch des Mediums, ohne dass sich die Qualität entsprechend verbessert.

Kann ein einziger Laserschneider mit verschiedenen Gasen betrieben werden?

Ein industrieller Laserschneider für Stahlbleche kann für den Betrieb mit verschiedenen Arten von Hilfsgasen konfiguriert werden, wodurch die Technologie an das Material, die Dicke und die Qualitätsanforderungen des jeweiligen Auftrags angepasst werden kann. Derselbe Metallschneidlaser kann beispielsweise folgende Gase verwenden:

• Sauerstoff für ausgewählte Bauteile aus Kohlenstoffstahl,
• Stickstoff für Bauteile, bei denen eine nicht oxidierte Kante erforderlich ist,
• Druckluft für wirtschaftliches Serienschnittverfahren.

Dieser Ansatz erhöht die Flexibilität der Produktion, erfordert jedoch eine entsprechend vorbereitete Gasanlage sowie korrekt ausgearbeitete technologische Tabellen für jedes Medium.

Wie wählt man das richtige Hilfsgas für die eigene Produktion aus?

Bei der Auswahl des Gases empfiehlt es sich, zunächst die tatsächlich im Betrieb ausgeführten Aufträge zu analysieren. Die wichtigsten Fragen lauten:

• Welche Materialien werden am häufigsten bearbeitet?
• Welche Materialstärken werden in der Produktion vorwiegend verwendet?
• Kann die Kante oxidieren?
• Werden die Teile geschweißt, lackiert oder beschichtet?
• Wird nach dem Schneiden geschliffen?
• Wie hoch ist der Anteil der Serienfertigung?
• Welche Gas- und Kompressoranlagen stehen zur Verfügung?
• Was ist wichtiger – höchste Qualität, Geschwindigkeit oder minimale Stückkosten?

In vielen Betrieben besteht die beste Lösung nicht darin, sich für ein einziges Gas zu entscheiden, sondern je nach Aufgabe zwischen mehreren Medien wählen zu können. Bei einer solchen Analyse können unsere Leitfäden zu den Betriebskosten von Laserschneidmaschinen sowie zur Frage, wann man sich für Laser oder Plasma als Schneidtechnologie entscheiden sollte, hilfreich sein.

Auswahl der Laserschneidtechnologie bei STIGAL-Maschinen

STIGAL entwickelt und fertigt industrielle Faserlaserschneidmaschinen sowie komplette Metallschneidsysteme, die auf die tatsächlichen Produktionsprozesse zugeschnitten sind. Bei der Auswahl der Konfiguration analysieren wir die Materialarten, den Dickenbereich, die erwartete Produktivität, die Anforderungen an die Schnittkanten sowie den voraussichtlichen Verbrauch an Hilfsgasen. Dadurch können wir nicht nur die Laserleistung für das Metallschneiden, sondern auch die Gasanlage, das Druckluftsystem und Lösungen zur Gewährleistung einer stabilen Produktion optimal auswählen. In unserem Angebot finden Sie sowohl universelle Faserlaserschneidmaschinen als auch Maschinen, die als Schneidmaschinen für Stahlblechprofile konfiguriert sind.

Häufig gestellte Fragen – Auswahl des Gases für das Laserschneiden