Warum Quadratrohre andere Herausforderungen als Flachblech darstellen

Die meisten Konstrukteure unterschätzen bei ihrem Wechsel vom Flachblechschneiden zur Rohrverarbeitung, wie stark sich die Programmier- und Einrichtungsanforderungen tatsächlich unterscheiden. Eine Rohrlasermaschine verarbeitet runde, quadratische und rechteckige Profile, doch quadratische und rechteckige Rohre stellen eine spezifische Herausforderung dar: Übergänge in der Eckgeometrie, Schwankungen der Oberflächenebenheit auf den flachen Seiten sowie die Notwendigkeit, dass der Schneidkopf beim Umlaufen einer 90-Grad-Ecke einen konstanten Fokusabstand beibehält.

Die physikalischen Vorgänge an der Ecke sind verständlich zu machen. Wenn der Laserkopf von einer ebenen Fläche in den Eckradius übergeht, ändert sich die Fokustiefe relativ zur Materialoberfläche. Die meisten modernen Rohrlasersysteme kompensieren diesen Effekt automatisch mittels kapazitiver Höhenmessung; die Reaktionsverzögerung bei schnellen Richtungsänderungen kann jedoch immer noch die Schnittqualität beeinträchtigen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit an den Annäherungspunkten zu den Ecken nicht angepasst wird.

Spannung, Konfiguration der Vorschubspannfutter und Materialvorbereitung

Bevor der erste Schnitt erfolgt, bestimmt die Einrichtung der Materialhandhabung weitgehend den weiteren Ablauf. Quadratisches Rohrmaterial kommt häufig mit einer geringfügigen Verdrehung entlang der Länge an, insbesondere bei Profilen mit dünneren Wänden. Ein Rohr, das mit einer Verdrehung von sogar nur zwei Grad in die Maschine eingelegt wird, läuft bei Drehbewegungen des Spannfutters für Profilschnitte seitlich aus der Achse, wodurch bei Merkmalen, die senkrecht zur Rohrachse stehen sollten, ein Winkelfehler entsteht.

Das Überprüfen der Verdrehung vor dem Laden und das Aussortieren von Material, das die Toleranz überschreitet, ist schneller, als im Nachbearbeitungsprozess eine Kompensation zu versuchen. Die meisten Hersteller von Rohrlasermaschinen geben einen maximalen Verdrehwert pro Meter für das Material an, das die Maschine zuverlässig verarbeiten kann.

Der Anpressdruck der vorderen und hinteren Spannfutter ist bei quadratischen Rohren stärker ausschlaggebend als bei runden Rohren. Runde Rohre zentrieren sich selbst bei symmetrischem Spanndruck. Bei quadratischen Rohren müssen die Spannbackenflächen mit den ebenen Seiten des Profils ausgerichtet sein. Eine fehlerhafte Ausrichtung der Backen führt während des Vorschubzyklus zu einer Mikro-Drehung, die sich als Positionsdrift bei aufeinanderfolgenden Merkmalen bemerkbar macht.

Programmieransatz für sich schneidende Schnitte und Gehrungsverbindungen

Quadratrohre werden in der Stahlkonstruktion häufig eingesetzt, weshalb ein großer Teil der Schneidarbeiten Gehrungsverbindungen, Sattelschnitte sowie Endaussparungen für die Schweißvorbereitung umfasst. Die Programmierung dieser Schnitte auf einer Rohrlasermaschine folgt einer anderen Logik als das Nesting von Flachblechen.

Die Schneidsoftware benötigt genaue Querschnittsdaten für das Rohr, einschließlich des Eckradius. Die meisten kaltgeformten quadratischen Rohre weisen einen Eckradius von etwa dem 1,5- bis 3-fachen der Wandstärke auf. Wenn das Programm die Ecke als exakten rechten Winkel behandelt, weicht der tatsächliche Schnitt an jedem Eckübergang von der programmierten Bahn ab, und bei einer Gehrungsverbindung zeigt sich eine Lücke beim Zusammenfügen – selbst wenn die Maße auf der Zeichnung korrekt erscheinen.

Gasauswahl und Druckeinstellungen für verschiedene Wanddicken

Die Wahl des Hilfsgases beim Laserschneiden von Rohren beeinflusst sowohl die Schnittkantenqualität als auch das Schlackenverhalten an der Innenseite des Rohrs. Bei kohlenstoffarmem Stahlrohr führt das Schneiden mit Sauerstoffunterstützung zu einer schnelleren Trennung bei geringerer Leistung, hinterlässt jedoch eine Oxidschicht auf der Schnittfläche. Das Schneiden mit Stickstoff erzeugt eine sauberere, oxidfreie Kante, erfordert jedoch höhere Druck- und Leistungseinstellungen.

Bei dünnwandigen Vierkantrohren (unter 3 mm) liefert Stickstoff bei 12 bis 16 bar in der Regel das sauberste Ergebnis. Bei dickwandigeren Abschnitten über 6 mm wird die Sauerstoffunterstützung aus Kosten- und Durchsatzgründen praktikabler, insbesondere wenn die Kantenqualität durch die nachfolgende Schweißnachbearbeitung verdeckt wird.

Ein Fertigungsprojekt bei einem Lieferanten für Strukturkomponenten in Jiangsu war mit einem wiederkehrenden Schlackenproblem bei quadratischen Rohren aus weichem Stahl mit einer Wanddicke von 4 mm konfrontiert. Der Wechsel von Sauerstoff bei 6 bar zu Stickstoff bei 14 bar beseitigte das innere Schlackenproblem vollständig, obwohl die Schnittgeschwindigkeit um etwa 15 % sank. Der Kompromiss war akzeptabel, da die Teile in eine sichtbare architektonische Anwendung eingesetzt wurden, bei der Schleifspuren nicht zulässig waren.

Fokussierungsposition und Leistungsdichte für quadratische Rohre mit dicker Wand

Bei quadratischen Rohren mit einer Wanddicke über 5 mm wirkt sich die Fokussierungsposition relativ zur Materialoberfläche stärker auf die Schnittkantenqualität aus als bei dünnwandigen Blechen. Eine Fokussierung auf der Oberfläche maximiert die Leistungsdichte beim Eintritt, führt jedoch zu einem breiteren Schnittspalt an der Austrittsseite. Eine Fokussierung in der Mitte der Wandstärke erzeugt eine gleichmäßigere Schnittspaltgeometrie durch die gesamte Wanddicke.

Die meisten Faserlaserschneidanlagen für Rohre ermöglichen eine Justierung des Fokusversatzes in den CNC-Parametereinstellungen. Das Durchführen von Schnittqualitätstests mit Fokusversätzen von 0, -1 mm und -2 mm auf einer bestimmten Material- und Dickenkombination dauert etwa 20 Minuten, liefert jedoch den optimalen Parametersatz, der über die gesamte Serienfertigung hinweg gültig bleibt.

Nachbearbeitung nach dem Schneiden und Entgraten der Enden

Die geschnittenen Enden von Vierkantrohren nach der Laserbearbeitung sind im Allgemeinen sauberer als mechanisch gesägte Enden; allerdings ist die Bildung von Grat an den inneren Ecken des Profils ein bekanntes Problem – insbesondere an den Ecken, an denen sich die Laserbahnrichtung ändert. Innerer Eckengrat an Vierkantrohren ist mit herkömmlichen Entgratwerkzeugen schwerer zu erreichen.

Ein speziell für Vierkant- und Rechteckprofile entwickeltes Endentgratwerkzeug bewältigt dieses Problem effektiver als Entgratsets für runde Profile. Für die Serienfertigung sind bei mehreren Werkzeuganbietern Inline-Entgratvorrichtungen erhältlich, die mit den automatisierten Bündelladeeinrichtungen der Rohrlaseranlagen kompatibel sind.

RAYMAX-Rohrlaserschneidmaschinen sind so konfiguriert, dass sie die gesamte Bandbreite an quadratischen und rechteckigen Profilgrößen verarbeiten können; dazu gehören Spannsysteme und Höhenerkennungssysteme, die darauf ausgelegt sind, die Schnittgenauigkeit während der geometrischen Übergänge zu gewährleisten – was die Bearbeitung von Quadratrohren anspruchsvoller macht als die von Flachblechen.