Rohrlaserschneidsysteme: Analyse der Schlüsseltechnologien

Metallrohre werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, darunter in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Baumaschinenbau, in der Automobilindustrie, der Petrochemie und in der Landwirtschaft. Verschiedene Anwendungen erfordern Teile unterschiedlicher Formen und Größen, um den unterschiedlichen Anforderungen dieser Branchen gerecht zu werden.

Die Laserbearbeitungstechnologie eignet sich besonders gut für die Bearbeitung unterschiedlicher Metallrohre. Rohrlaserschneiden Systeme zeichnen sich durch hohe Flexibilität und Automatisierung aus und ermöglichen die Produktion kleiner Chargen unterschiedlicher Materialien und Produkttypen.

Einführung in das Rohrlaserschneidsystem

Strahlführungs- und Fokussierungssystem

Das Strahlführungs- und Fokussierungssystem leitet den vom Generator emittierten Laserstrahl zur Fokussierungsoptik des Schneidkopfes. Beim Laserrohrschneiden ist zum Erzielen eines qualitativ hochwertigen Schnitts ein fokussierter Laserstrahl mit kleinem Durchmesser und hoher Leistung erforderlich, was eine Ausgabe im Modus niedriger Ordnung vom Lasergenerator erfordert.

Um beim Laserschneiden von Rohren einen kleineren fokussierten Strahldurchmesser zu erreichen, sollte der Laser in einem Quermodus niedrigerer Ordnung arbeiten, idealerweise im Grundmodus. Der Schneidkopf der Laserschneidanlage ist mit einer Fokussierlinse ausgestattet, die es ermöglicht, den Laserstrahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren und so ein qualitativ hochwertiges Rohrschneiden zu ermöglichen.

Steuerung der Schneidkopfbahn

In Rohrlaserschneiden, das Werkstück ist typischerweise eine komplexe räumlich gekrümmte Oberfläche. Herkömmliche Programmiermethoden können eine Herausforderung darstellen und erfordern daher, dass die Bediener den richtigen Verarbeitungspfad und die entsprechenden Referenzpunkte basierend auf den Anforderungen des Prozesses auswählen.

Das numerische Steuerungssystem zeichnet den Vorschub jeder Achse und die Koordinaten der Referenzpunkte auf. Die räumlichen Linear- und Kreisinterpolationsfunktionen des Laserschneidsystems werden genutzt, um die Koordinaten während des Prozesses aufzuzeichnen und das Bearbeitungsprogramm zu generieren.

Automatische Steuerung der Fokusposition beim Laserschneiden

Die Kontrolle der Position des Brennpunkts beim Laserschneiden ist ein kritischer Faktor, der die Schnittqualität beeinflusst. Eine der Schlüsseltechnologien beim Laserrohrschneiden besteht darin, die Fokusposition senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks durch automatische Mess- und Kontrollgeräte beizubehalten.

Durch die integrierte Kontrolle der Position des Laserfokus und der Linearachsen (XYZ) des Laserbearbeitungssystems wird die Bewegung des Laserschneidkopfes agiler und präziser, wodurch Kollisionen mit dem zu schneidenden Rohr oder anderen Objekten während der Bearbeitung verhindert werden.

Einfluss der wichtigsten Prozessparameter

Einfluss der Laserleistung

Bei Dauerstrich-Lasergeneratoren hat die Leistung des Lasers großen Einfluss auf den Schneidvorgang. Theoretisch ermöglicht eine höhere Laserleistung höhere Schneidgeschwindigkeiten.

Allerdings ist die maximale Schneidleistung aufgrund der spezifischen Eigenschaften der Rohre nicht immer die beste Wahl. Mit zunehmender Schneidleistung ändert sich auch der Lasermodus, was sich auf den Fokus des Laserstrahls auswirkt.

In der Praxis entscheiden wir uns häufig für eine Leistungseinstellung unterhalb des Maximums, um eine möglichst hohe Leistungsdichte im Brennpunkt zu gewährleisten und so die Effizienz und Qualität beim Laserschneiden sicherzustellen.

Einfluss der Schnittgeschwindigkeit

Um eine gute Schnittqualität zu erzielen, muss die Schnittgeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, sammelt sich übermäßige Hitze auf der Oberfläche des Rohrs, wodurch die Wärmeeinflusszone vergrößert wird, der Schnitt breiter wird und die Schnittkanten verbrennen, was zu einer rauen Oberfläche führt.

Durch Erhöhen der Geschwindigkeit verringert sich die durchschnittliche Schnittbreite um den Rohrumfang. Dieser Effekt ist bei kleineren Rohrdurchmessern stärker ausgeprägt.

Mit zunehmender Geschwindigkeit verkürzt sich die Interaktionszeit des Lasers, wodurch die vom Rohr absorbierte Gesamtenergie reduziert wird, die Temperatur an der Vorderseite des Rohrs sinkt und die Schnittbreite verringert wird. Bei zu hoher Geschwindigkeit können unvollständige Schnitte oder Brüche auftreten, was die Gesamtschnittqualität beeinträchtigt.

Einfluss des Rohrdurchmessers

Beim Laserschneiden von Rohren beeinflussen die Eigenschaften der Rohre selbst den Prozess stark. Beispielsweise hat die Größe des Durchmessers eines runden Rohrs erhebliche Auswirkungen auf die Qualität des Schnitts.

Untersuchungen zum Laserschneiden dünnwandiger nahtloser Stahlrohre haben gezeigt, dass bei konstanten Prozessparametern eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers zu einem breiteren Schnitt führt.

Art und Druck des Hilfsgases

Zum Schneiden nichtmetallischer und einiger metallischer Rohre können Druckluft oder Inertgase (wie Stickstoff) als Hilfsgase verwendet werden, während für die meisten metallischen Rohre aktive Gase (wie Sauerstoff) vorzuziehen sind.

Nach der Wahl des Hilfsgases ist auch die Bestimmung seines Drucks entscheidend. Beim Schneiden dünnwandiger Rohre bei hoher Geschwindigkeit ist hoher Druck erforderlich, um zu verhindern, dass Schlacke an den Schnittkanten haften bleibt.

Umgekehrt sollte beim Schneiden dickerer Wände oder bei niedrigeren Geschwindigkeiten der Hilfsgasdruck reduziert werden, um unvollständige Schnitte zu vermeiden. Auch die Position des Brennpunkts des Laserstrahls beim Rohrschneiden ist von entscheidender Bedeutung.

Der Brennpunkt sollte im Allgemeinen auf der Oberfläche des zu schneidenden Rohrs liegen. In der optimalen Position wird der Schnitt minimiert, die Schneideffizienz maximiert und es werden die besten Schneidergebnisse erzielt.