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Automatisierte Schweißnahtvorbereitung mit CNC-Maschinen

Prozesssichere 3D-Bearbeitung (Fasenschneiden) mit Plasma-, Laser-, Wasserstrahl- und Autogentechnologie

Laut Feldstudien müssen bis zu 50 Prozent der Teile, die unter Verwendung von CNC-Maschinen weltweit hergestellt werden, mit Schweißnahtvorbereitungen versehen werden. Gleichzeitig ist aber nur ein wesentlich geringerer Prozentsatz der verwendeten Maschinen mit Technologien zum Schweißkanten schneiden ausgestattet. Ein Grund dafür könnten die Investitionskosten für eine zeitgemäße technologische Ausstattung sein. Naheliegender ist aber die Vermutung, dass Entscheidungsträger in vielen Unternehmen schlicht zu wenige Informationen über die Möglichkeiten von modernen Technologien für die Schweißnahtvorbereitung auf Portalschneidanlagen haben. Wer sich intensiver mit dem Thema beschäftigt, wird zügig feststellen: Höhere Anschaffungskosten amortisieren sich in kürzester Zeit. Denn die komparativen Vorteile moderner, zeitgemäßer Lösungen sind erheblich. Beispielsweise ist dank einer hohen Präzision nahezu keine Nacharbeit notwendig. Zudem gibt es immense Einsparung von Produktionszeit und Ressourcen, weil unterm Strich weniger Materialhandling zwischen unterschiedlichen Bearbeitungsstationen notwendig ist. Und geht es um eine automatisierte Anarbeitung von Schweißnahtvorbereitungen bei Behälterböden, Rohren, Rechteck- oder IPE-Profilen ist die Integration eines Aggregats zum Fasenschneiden auf Portalschneidanlagen sogar erheblich günstiger als die Anschaffung eines für diesen Einsatzzweck bisher üblicherweise verwendeten Roboters.

MicroStep hat den Anspruch, Schneidmaschinen zu liefern, die Schweißnahtvorbereitungen in höchster Qualität und Präzision herstellen können. Seit der Einführung des MicroStep-Plasmarotators im Jahr 2000 und des MicroStep-Wasserstrahlrotators im Jahr 2001 wurden daher kontinuierlich große Anstrengungen unternommen, um das automatisierte Fasenschneiden als eine gängige und hocheffiziente Produktionstechnologie für die Vorbereitung von Schweißkanten an verschiedenen Materialtypen zu etablieren. Im Laufe der Jahre gingen Weiterentwicklungen der Mechanik und der Bewegungssteuerung von MicroStep-Fasenaggregaten zudem einher mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Plasma- und Lasertechnologie durch Lieferanten von MicroStep. Vor diesem Hintergrund kann MicroStep heute Lösungen für das 3D-Schneiden für ein äußerst breites Spektrum verschiedener Materialien und Materialstärken anbieten. Unsere Anlagenlösungen ermöglichen unseren Kunden – dank automatischem Kalibriersystem und adaptiver Fasenwinkelkompensation – Fasen unkompliziert und unter Verwendung von Plasma-, Wasserstrahl, Autogen- oder Lasertechnologie zu schneiden. Je nach verwendeter Schneidtechnologie können Fasen in einem Materialstärkenbereich von 5 bis 300 mm geschnitten werden. Darüber hinaus sind MicroStep-Maschinen in der Lage, verschiedene Technologien (z. B. Plasma und Wasserstrahl) innerhalb eines einzigen Schneidplans zu kombinieren – dank einzigartiger Merkmale des von uns entwickelten Steuerungssystems iMSNC und eines fundierten Wissens zu den unterschiedlichen Schneidtechnologien.

PLASMAROTATOR
Fasenschneiden/ Schweißnahtvorbereitung mittels Plasmatechnologie bis 50°

LASERROTATOR
Fasenschneiden/ Schweißnahtvorbereitung mittels Lasertechnologie bis 45°

AUTOGENROTATOR
Fasenschneiden/ Schweißnahtvorbereitung mittels Autogentechnologie bis 60°

WASSERSTRAHLROTATOR
Fasenschneiden/ Schweißnahtvorbereitung mittels Wasserstrahltechnologie bis 45°

MicroStep-Maschinen bieten zwei Arten von Fasenschneidverfahren:

DBP – Direct Beveling Process – stellt die klassische Art der Schweißnahtvorbereitung dar, bei der die Fase direkt in das Rohmaterial geschnitten wird (Blech, Rohr, Profil oder Behälterboden). Die gewünschte Fase – A, V, Y, X oder K – wird erzeugt, indem das Fasenaggregat eine Schnittkante mehrfach bearbeitet (z.T. unter Verwendung unterschiedlicher Schnittwinkel). MicroStep-Portalschneidanlagen mit zwei Fasenaggregaten ermöglichen zudem das parallele Schneiden zwei identischer Teile.

ABP – Additional Beveling Process – ermöglicht das nachträgliche Anfasen von Teilen, die bereits mittels Plasma, Laser, Autogen oder sogar Wasserstrahl zugeschnitten wurden

Walter Eberle
stv. Produktionsleiter Fertigungsplanung
Doppelmayr Seilbahnen GmbH

„Beim Thema Fasenschneiden in dieser Qualität hat MicroStep ein Alleinstellungsmerkmal die für das Roboterschweißen erforderlichen Toleranzen einzuhalten.“

Marcel Meier
Bereichsleiter Beschaffung & Unternehmensentwicklung
stürmsfs AG

„Wir hatten von Beginn an den Eindruck, dass wir das Fasenaggregat kriegen, das State-of-the-Art und technologisch führend ist. Die Anlage ist sehr produktiv und sie ist auch prozesssicher – sie hat sämtliche Erwartungen erfüllt.“

Technologien für prozesssichere und präzise Ergebnisse erfolgreich im Einsatz

Im Allgemeinen wird die Genauigkeit des Fasenschneidens durch die mechanische Präzision der Schneidmaschine, die Präzision der verwendeten Schneidtechnologie sowie der Qualität der Algorithmen zur Steuerung des Brennerabstands vom geschnittenen Material bestimmt. Neben der konsequenten Verwendung von hochwertigen Komponenten wird die mechanische Präzision von MicroStep-Fasenschneidanlagen durch mehrere innovative Technologien gewährleistet:

ITH – Intelligent Torch Holder – gewährleistet den Schutz des Brenners im Falle einer zufälligen Kollision. Seine Slip-Back-Funktion sorgt dafür, dass der Brenner nach Beseitigung der Kollision wieder in die richtige Position gebracht wird. Der ITH-Körper enthält ein fortschrittliches Sensorsystem zur Erkennung der genauen Brennerposition und bietet auch die Endlosdrehfunktion.

ACTG – Automatic Calibration of Tool Geometry – stellt sicher, dass beim Drehen und Kippen eines Rotators die Brennerspitze immer exakt in die gewünschte Position verfährt. Das ACTG-System besteht aus einer Kalibrierstation, einem Kalibrierwerkzeug und einer erweiterten Steuerungssoftware. ACTG reduziert die Notwendigkeit einer mechanischen Rejustierung des Faserkopfes und reduziert damit – z.B. im Falle einer Kollision – die Rüstzeit der Maschine von mehreren Stunden auf einige Minuten.

Kompensation von Längsverschiebungen – ist eine optionale Funktion, die eine absolute Genauigkeit der Schneidanlage in Längsrichtung gewährleistet: Während der Installation wird die Maschine mit einem Laserinterferometer ausgemessen. Die gemessenen Werte werden dann für die Kalibrierung des Positioniersystems verwendet. Die Messung kann auf Anfrage durchgeführt werden, wenn lange Teile mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen geschnitten werden.
Die Genauigkeit der Schneidtechnologie wird zudem durch die Beseitigung von natürlich auftretenden Strahlabweichungen verbessert, sobald sich der Brenner in einer geneigten Position in Bezug auf das Material befindet und so eine unerwünschte Differenz des Schnittwinkels von der theoretisch programmierten Neigung verursacht.

ABC – Adaptive Bevel Compensation – ist eine erweiterte Funktion der iMSNC-Steuerung zur Kompensation eben dieser Strahlabweichungen. ABC ermöglicht die Implementierung von Datenbanken mit Kompensationswinkeln und weiteren Werten für verschiedene Schneidtechnologien (z.B. Hypertherms True Bevel™-Technologie). Die Kompensationswerte können auch direkt vom Maschinenbediener eingestellt werden.

Und schließlich hat MicroStep ein intelligentes Höhenkontrollsystem entwickelt, um eine präzise Verfolgung der Materialoberfläche während des Plasmaschrägschnitts zu gewährleisten, wobei der Brenner stets in der richtigen Schnitthöhe positioniert ist:

STHC – Self-Teaching Height Control – ist eine Kombination aus 3D-Bewegungssteuerung, selbstlernenden Algorithmen und adaptiver Höhensteuerung auf Grundlage der Plasmalichtbogenspannung. STHC gewährleistet die Positionierung des Brenners in exakt der richtigen Höhe in jedem Winkel (z. B. während des Schneidens von variablen Fasen).

Alle beschriebenen Funktionen tragen wesentlich zur Verbesserung der Genauigkeit des Prozesses der Schweißnahtvorbereitung bei. Weltweit tun mehr als 700 Fasenaggregate von MicroStep aktuell ihren Dienst, rund die Hälfte davon sind mit der patentierten ACTG-Technologie ausgestattet – exzellente Schneidergebnisse begeistern Hunderte Anwender rund um den Globus.

3D-Schneiden in Aktion

Rytz AG: 3D-Laser mit multifunktionaler Ausstattung

MicroSteps Autogenrotator: ABP mit Autogen

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Dr.-Ing. Alexander Varga
Leiter Abteilung F&E
MicroStep

„Bei der Entwicklung unserer Fasenaggregate haben wir von jeher unseren Fokus auf höchste Präzision, Prozesssicherheit und Wiederholgenauigkeit gelegt.“

Kriterien für den idealen Fasenschnitt

Damit Schneidanlagen optimale Ergebnisse liefern und dabei eine exakte Wiederholbarkeit ermöglichen, müssen eine Reihe von Kriterien erfüllt sein. Innovative Hersteller haben in den vergangenen Jahren eine Reihe von Systemen entwickelt, um abhängig von der verwendeten Schneidtechnologie (Plasma, Laser, Autogen, Wasserstrahl) prozesssicher und präzise zu arbeiten. MicroStep ist Vorreiter der Branche in Sachen Prozesssicherheit bei der Schweißnahtvorbereitung. Nachstehend drei Kriterien für den idealen Fasenschnitt beim Plasmaschneiden.

Präzise kalibrierte Werkzeuge

Präzise kalibrierte Werkzeuge bilden eine absolut notwendige Basis für präzise Fasen. Oftmals besteht der Irrglaube, dass es ausreicht, Messdaten zu erheben und die Werkzeuge auf Grundlage dieser Daten entweder mechanisch oder allein über eine manuelle Eingabe der entsprechenden Korrekturwerte in die Maschinensteuerung zu kalibrieren. Mit dieser Vorgehensweise lassen sich Winkelabweichungen des Brenners allerdings kaum unter die 0,5 mm Grenze bringen – vom hohen Zeitaufwand ganz abgesehen, der bei der rein mechanischen Einstellung anfällt.

An diesem Punkt setzt der MicroStep Plasmarotator an. Der gesamte Kalibrierprozess läuft vollständig automatisiert ab und eliminiert Abweichungen im Hundertstel-Millimeter-Bereich. Durch die selbstständig nachspannende Brennerhalterung des Fasenschneidkopfs wird bereits gewährleistet, dass die Abweichung selbst nach einer Brennerkollision nicht größer als 0,5 mm ist.

Den Rest erledigt die Steuerung der Kalibrierstation: Dazu werden die genauen Endpunkte der Brennerspitze bei unterschiedlicher Rotation (X-, Y- und Z-Koordinaten) gemessen. Auf Basis der gemessenen Abweichungen errechnet die Steuerung alle erforderlichen Korrekturwerte, welche beim nächsten Schneidprozess automatisch angewendet werden. Dieses automatische Kalibriersystem (ACTG® – Automatic Calibration of Tool Geometry) sorgt für eine gänzlich neue Qualität in Bezug auf das Fasenschneiden. Es verbessert signifikant die Präzision und Maßhaltigkeit des Schneidprozesses, macht langwierige mechanische Einstellarbeiten überflüssig und steigert erheblich die Produktivität der Anlage.

Adaptive Höhensteuerung

Um eine möglichst hohe Präzision am geschnittenen Bauteil zu erreichen, ist es wichtig, den Abstand von der Brennerspitze zur Oberfläche des zu bearbeitenden Materials während des Schneidprozesses exakt beizubehalten. Die sogenannte Schneidhöhe wird dabei über die Lichtbogenspannung geregelt – was bei einfachen 2D-Schnitten problemlos und zuverlässig funktioniert.

Beim Fasenschneiden kommen jedoch weitere Faktoren ins Spiel, die Einfluss auf den korrekten Abstand von der Brennerspitze zur Oberfläche des zu bearbeitenden Materials nehmen. Dafür hat MicroStep® das Verfahren der adaptiven Höhensteuerung (ATHC® – Adaptive Torch Height Control) entwickelt: Alle für die Schweißnahtvorbereitung erforderlichen Parameter werden von der Steuerungssoftware dabei automatisch angepasst, so dass jederzeit ein einwandfreier Fasenschnitt umgesetzt wird.

Adaptive Fasenwinkel-Kompensation

Neben den oben erwähnten Faktoren wird die Präzision der geschnittenen Werkstücke auch maßgeblich durch die Ausbildung der Schnittfuge, welche beim Schneiden mit dem Plasmalichtbogen entsteht, beeinflusst. Für eine bessere Veranschaulichung wird in der nebenstehenden Abbildung die Form der Schnittfuge bei einer Stromstärke von 260 Ampere mit unterschiedlichen Neigungswinkeln gezeigt (15°, 30° und 45°).

Wie man in der Abbildung erkennen kann, sind die Fasenwinkel auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Schnittfuge nicht identisch. Dies liegt einerseits an der Form des Lichtbogens, welche nicht ganz der idealen zylindrischen Form entspricht, andererseits am Austrag größerer Materialmengen an der negativen Fase als auf der positiven. Gleichzeitig kommt es zur Schlackebildung und dadurch zur Abrundung der oberen Kante der negativen Fase - im Gegensatz zur unteren Kante der positiven Fase, welche scharf bleibt. Dies führt zur Notwendigkeit weiterer Korrekturen – sowohl am Neigungswinkel des Brenners als auch am Maß des Werkstücks, und zwar so, dass das fertig geschnittene Teil exakt die gewünschten Maße erhält.

Diese Korrekturen sind entsprechend unterschiedlich, wenn es sich um die Konturen des positiven Werkstücks bzw. des negativen Werkstücks handelt. Wobei beide durch den Neigungswinkel des Brenners, sowie der Stärke des Schneidstroms beeinflusst werden. Um Abweichungen, die durch die „natürliche Beschaffenheit des Plasmalichtbogens“ entstehen, zu minimieren, verfügen alle mit einem MicroStep Rotator ausgestatteten Schneidanlagen serienmäßig über die Adaptive Fasenwinkel-Kompensation (ABC® – Adaptive Bevel Compensation). Dieses Korrektursystem sorgt gemeinsam mit dem oben beschriebenen Automatischen Kalibriersystem (ACTG) und der Adaptiven Höhensteuerung (ATHC) dafür, die Präzision und Maßhaltigkeit des Fasenschneidens mit Plasma zu gewährleisten.

Unterschiedliche Fasenarten (V-Naht, X-Naht, Y-Naht, K-Naht)

V-NAHT

Bei einer V-Naht stehen die Bleche, an denen der Schweißvorgang durchgeführt wird, in einem Winkel zueinander, der vom Querschnitt aus einem V ähnelt. Eine V-Fase zählt zu den einfachsten Fasenschneidaufgaben. Hierbei muss der Brenner schräg gestellt werden, Höhenregulierung und Winkelkompensation sind allerdings systemseitig so zu lösen, dass der Schnitt maßhaltig und möglichst nachbearbeitungsfrei wird.

V-NAHT

X-NAHT

Die X-Naht, wird auch Doppel-V-Naht oder DV-Naht genannt. Von der Seite betrachtet ist es die Kombination zweier gegensätzlich ausgerichteten V-Nähte. Somit muss beim Schweißvorgang von zwei Seiten eine Wurzel eingebracht werden. Für die Herstellung der Fase ist dies eine schwierigere Schneidaufgabe: Zuerst muss das Schneidteil mit einer V-Fase versehen werden und anschließend eine negative Fase, also eine Unterschneidung des Materials erfolgen. Eine Herausforderung für Bediener und Schneidsystem bei der Einstellung der erforderlichen Winkel.

X-NAHT

Y-NAHT

Die Herstellung einer Y-Naht erfordert zwei Schnitte: einen senkrechten Schnitt und einen Schrägschnitt. Dabei bleibt ein Steg stehen, sodass die Seitenansicht beim Zusammenfügen zweier Teile ein Y ergibt. Die Herstellung der Y-Fase stellt dabei eine Herausforderung an das System unter anderem bei der Regulierung der Höhe des Brenners sowie des Winkels des Plasmalichtbogens. Nur mit optimaler Einstellung ergibt sich die entsprechende Fase und ein meist mit Genauigkeiten im Zehntel-Millimeter-Bereich vordefinierter Steg.

Y-NAHT

K-NAHT

Die K-Naht, die auch unter den Bezeichnungen HV-Naht sowie mit Steg als Doppel-H-V-Naht oder DHV-Naht bekannt ist, ist die anspruchsvollste der gängigen Fasen. Ein Werkstück ist dabei senkrecht abgeschnitten, das schwierigere Gegenstück weist eine positive und einen negative V-Fase oder eben zwei konträre Y-Fasen mit Steg auf. Die K-Fase mit Steg kommt vor allem dort zum Einsatz, wo hohe Materialstärken eine stärkere Verbindungsnaht erfordern.

K-NAHT

Nachträgliche Schweißnahtvorbereitung
(ABP^® – Additional Beveling Process)

TECHNOLOGIEN

VORTEILE

Alternative zum Roboter
Keine manuelle Nacharbeit mehr
Einsparung Material
Einsparung Betriebskosten

Mehr erfahren

Vorteile von CNC-Schneidanlagen zur Schweißnahtvorbereitung

Kostengünstige Alternative zum Roboter
Keine manuelle Nacharbeit mehr
Einsparung Material
Einsparung Produktionszeit

Weniger Materialhandling
Geringere Rüstzeiten
Eine Anlage für Blech, Rohr, Profil oder Behälterboden
Hoher Schneidbereich (Länge und Breite modular erweiterbar)

3D-Schneiden in verschiedenen Branchen

Im Allgemeinen lassen sich alle gängigen Schneidverfahren wie Plasma, Autogen, Wasserstrahl und Laser für das Schneiden von Fasen nutzen. Nicht nur Flachbleche, sondern auch geometrische Werkstücke (Rohre, Träger, Profile, Behälterböden) können auf diese Weise mit V-, Y-, und K-Fasen aber auch variablen Fasen, die für eine Vielzahl an Schweißverfahren notwendig sind, versehen werden. Fasenschneiden spielt im Rahmen verschiedener Anwendungsbereiche der metallverarbeitenden Industrie heutzutage eine große Rolle: Beim Lohnzuschnitt von Einzelteilen, bei Konstruktionen für den Schiffsbau und für den Energiesektor, bei der Materialbearbeitung in der Bau- und Fahrzeugindustrie sowie beim Behälter- und Apparatebau.

Fasenschneiden mit unterschiedlichen Schneidverfahren

Einfache und multifunktionale Baureihen zur Schweissnahtvorbereitung

CNC-Schneidanlagen mit Rotatortechnologie

Egal ob mit Plasma, Autogen, Wasserstrahl oder Laser: MicroStep hat die passgenaue Technologie im Angebot für Ihre Schneidaufgabe: Präzise und prozesssicher. Wählen Sie Ihre Maschine!

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