Wissenswertes. Plasmaschneiden

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1 Wissenswertes Plasmaschneiden Was ist Plasma? Plasma wird als der 4. Aggregatzustand in der Natur bezeichnet. Jeder Mensch hatte schon mal Kontakt mit Plasma in der Natur - nämlich bei einem Gewitter. Die elektrische Entladung des Lichtbogens erzeugt Plasmagas - manche Menschen sprechen auch von einer "reinen Luft" nach einem Gewitter und meinen dabei das als "frisch" riechende Gas - Ozon O³, das durch die elektrische Entladung entsteht. Wie man mit diesem "Gewitter" Stahl trennt, erfahren Sie hier. Ein Gas wird durch elektrische Energie ionisiert (d.h. die Elektronen auf den äußeren Atom-Schalen werden frei gesetzt, das Gas erhält somit eine negative Polarität). Beim Auftreffen der Gasmoleküle auf den elektrisch leitfähigen, zu schneidenden Gegenstand fallen die Elektronen in ihren Ausgangszustand zurück und setzen dabei ihre Rekonfigurationsenergie frei. Im Auftreffpunkt werden Temperaturen um die K erreicht, das Material geht sofort in den gasförmigen Zustand über - es sublimiert. Charakteristisch für den Lichtbogen ist seine blasenförmige Ausgestaltung, womit sich die Notwendigkeit ergibt, über eine geeignete Z-Achsen Höhenregelung einen optimalen Brennpunkt für das Auftreffen des Lichtbogens einzustellen und nachzuführen. Der Wirkungsgrad heutiger Plasmaschneidsysteme liegt bei 80 bis 90%, das bedeutet, dass seine elektrische Anschlußleistung bei vergleichbarer Schneidleistung erheblich geringer als bei einem Laser ausfällt. CO2-Laser erreichen physikalisch bedingt einen Wirkungsgrad von 10 bis max. 15%, d.h. ein 5 kw Laser benötigt rund 50 bis 60 kw Anschlußleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der neue Faserlaser hingegen arbeitet mit einem rund doppelt so hohen Wirkungsgrad, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO2-Laser geringer ausfällt. Die Schnittleistung beispielsweise eines 260A-Präzisions-Plasmabrenner entspricht ca. der eines 6 kw CO2-Lasers, wobei seine Anschlußleistung hingegen nur ¼ beträgt ca. 35 kw.

2 Der Plasmastrahl enthält zwar viel Energie, jedoch läßt sich seine Energie nicht auf einen so kleinen Punkt fokusieren wie beim Laser. Somit ist seine Energiedichte geringer als beim Laser. Dies bedeutet im praktischen Einsatz eine breitere Schnittfuge und damit ein größerer Materialaustrag. Ebenso erklärt die geringe Bündelsungsfähigkeit des Plasmastrahls auch seine höhere Hitzeeinwirkung auf das Material gegenüber dem Laser. Das Funktionsschaubild zeugt den Aufbau eines modernen Feinstrahlplasmabrenners mit Sekundärgastechnik. Der blaue Pfeil zeigt den Kühlkreislauf des Kührwassers, das sowohl die Elektrode innen als auch die Düse umspült. Der rote Pfeil zeigt den Rückfluss des erhitzten Kühlwassers an, dass im Kühlaggregat der Plasmastromquelle wieder gekühlt wird. Der schwarze Pfeil gibt die Flussrichtung des Plasmagases an, dass durch den Lichtbogen zum Plasma gewandelt wird. Der grüne Pfeil deutet den Verlauf des Sekundär- oder Wirbelgases, dass neben der Kühlfunktion hauptsächlich die Aufgabe besitzt, den Plasmastrahl weiter einzuschnüren, ihn stabil zu halten und so für eine höhere Schnittqualität zu sorgen. Physikalische Eigenschaften Plasma besitzt als ionisiertes Gas neben der Polarität auch eine Masse. Masse ist bekanntlich träge, positiv ausgedrückt könnte man auch sagen, gemütlich. Diese Eigenschaft sowie seine Polarität bewirken nun ein ganz spezielles und typisches Verhalten beim Schneiden: 1. Nachlaufeffekt: Stellen Sie sich Plasma wie einen Gartenschlauch vor, mit dessen Hilfe Sie den Rasen sprengen möchten. Wird der Schlauch schnell bewegt, so dauert es ein wenig bis der 10m entfernt auftreffende Wasserstrahl der Bewegung nachfolgt. Das gleiche Verhalten finden Sie beim Plasma wieder - deshalb sehen die geschnittenen Konturen oft verwaschen aus. Die Ecken sind oben scharfkantig und unten verwaschen, eben nachlaufend. Besonders negativ fällt diese Eigenschaft in Innenkonturen und kleinen Löchern auf. Dies ist dann auch die große Einschränkung gegenüber dem Laserstrahl. Besonders die Maßhaltigkeit von Löchern zeichnete sich in der Vergangenheit durch große Abweichungen aus: Wollte man ein 17mm Durchgangsloch in 20mm Stahl erzeugen, so musste das Loch auf der Oberseite

3 rund 18 bis 18,5mm groß sein, damit es - mit ein wenig Übung - auf der Unterseite noch 17mm Durchmesser aufwies. 2. Polarität: Die elektrische Polarität des ionisierten Gases braucht auch einen elektrisch leitenden Gegenpol. Plasma kann nur fliessen, wenn der Stromkreis auch geschlossen ist. Ergo muss das Schneidgut auch elektrisch leitfähig sein und mit der Masse der Stromquelle verbunden werden. Strom fliesst nicht gern durch Luft, also sucht Strom sich immer den besten Leiter aus - in unserem Fall das Metall. Der Energieerhaltungssatz aus der Physik erklärt das nun folgende Verhalten: Ist eine Innenkontur nahezu fertig ausgeschnitten, so löst sich bereits das Innenteil und fällt nach unten weg bzw. wenn die Kontur groß genug ist, trifft der Strahl mit seinem Durchmesser in jedem Fall auf den zuvor erzeugten Schnittspalt des Anfangs. Da der Strom aber nicht durch Luft abfließt, sucht er sich seinen elektrischen Gegenpol im Material, so dass sich die Restenergie des Strahls im Restmaterial entladen wird und damit die bei Plasma berühmten Ausfahrkerben erzeugt. Somit wird beim Beenden des Plasmastrahls die Schnittkontur durch die plasmatypische Kerbe erzeugt und beschädigt. Dies ist pysikalisch bedingt und kann nur durch entsprechende Steuerungstechnik und erheblichem technischen Aufwand minimiert werden - ganz ausschalten lässt sich dieser Effekt jedoch nicht. Moderne Plasmastromquellen beherrschen die Minimierung der Ausfahrkerbe durch eine spezielle Gas-Steuerungstechnik und moderates Powermanagement bei Löchern. Im Maschinen-Forum können Sie mehr darüber erfahren. Übrigens, Aufklärung eines Irrtums: Bei Plasma reden manche Menschen von Einbrandkerben - dies ist aber falsch, es handelt sich um Ausfahrkerben. Die häßliche Materialbeschädigung erfolgt nicht am Anfang, sondern wenn der Strom seinen eignen Luftspalt am Ende erreicht. Diese Art der Beschädigung hat nichts mit dem Lochstechen des Pilotlichtbogens zu tun - denn der Arbeitsvorbereiter legt den Anstich in das Abfallprodukt, so dass die Lochstechkerbe im Normalfall nur wenig stört! 3. Strahlform des Lichtbogens ergibt die Schnittschräge, hierbei gilt: Je dünner das Material, desto größer tritt die Schräge in Erscheinung. Bei dicken Materialien stabilisiert sich der Strahl, so dass häufig konventionelle Plasmabrenner im Dickblechbereich geringe Schnittschrägen erreichen, wenn gleich nicht so gut wie die Feinstrahlplasmabrenner, jedoch weit aus besser, als der Ruf des Normalplasmas es erwarten liesse.

4 Grenzen und Möglichkeiten beim Plasmaschneiden Die Komplexität und Toleranz der Kontur sowie die weitere Verarbeitung des auszuschneidenden Materials entscheiden darüber, ob der Feinstrahl- oder Normalplasmaschnitt, der Wasserstrahl- oder der Laserzuschnitt die optimale Lösung für das Schneidproblem darstellen. Erst die Einbeziehung der Komplexität der zu schneidenden Kontur gibt Aufschluss über die technischen Anforderungen des Schneidsystems. Prinzipiell kann aber angenommen werden, dass Teile, die anschließend eingeschweißt oder in der weiteren Verarbeitung gefräst, gedreht oder gekantet werden oder sonstigen mechanischen Bearbeitungsschritten unterzogen werden, preiswert mit Plasma geschnitten werden können (Vorausgesetzt das Dickenspektrum passt!). Unlegierter Stahl lässt sich hervorragend mit Feinstrahlplasma/HyDefinition-Plasma schneiden, wenn die Konturen und Genauigkeitserfordernisse nicht zu hoch sind. Bei Edelstahl bildet sich eine Zunderschicht auf der Schnittkante, die nicht nur bei Sichtkanten störend wirkt, sondern auch zum Verschweißen ungeeignet ist und daher abgeschliffen werden muss. Durch Verwendung von bestimmten Plasmabrennern beim Edelstahlzuschnitt, die mit Argon/Wasserstoff oder Formiergas betrieben werden können, kann diese Eigenart jedoch erheblich reduziert bis vermieden werden. Aluminium läßt sich mit einigen Plasmatypen bis zu einer Dicke von 40mm, laut Herstellerangaben neuster Brenner sogar bis 60mm, schneiden. Die Schnittkantenoberfläche ist leicht porös, aber überwiegend senkrecht und sauber und besitzt nur wenig bis keinen Grat. Enge Konturen oder enge Schnittspalte oder kleine Löcher oder exakt einzuhaltende Toleranzen von weniger als zwei Zehntel stellen für Plasma in der Regel ein Problem dar. Auswahl Feinstrahl oder Normalplasma, abhängig von: o Geometrie, o Größe und Komplexität o Toleranz der Kontur o weitere Verarbeitung des Teils: nachher eingeschweißt oder in der weiteren Verarbeitung zu kanten sind oder sonstigen mechanischen Bearbeitungsschritten unterzogen werden, gut und preiswert mit Plasma geschnitten werden können (Vorausgesetzt das Dickenspektrum passt!). Unlegierter Stahl lässt sich hervorragend mit Feinstrahlplasma/HyDefinition- Plasma schneiden. Edelstahl.

5 Aluminium kleine Bohrungen = Problem, wobei durch neue Verfahren moderne Plasmabrenner durchaus ganz ansehnliche Löcher herstellen können Der kleinste Lochdurchmesser gleich min. 1½ der Tafeldicke, d.h in 5mm Blech sollte das kleinste Loch 8 mm. AB 10mm gilt Faktor 1¼, ab 20mm gilt Faktor 1 = Brennertypabhängig Innenecken und Radien = Problem Einbrandnase negativ Normalplasma besitzt Schlackereste, weniger bei Feinplasma Schnittergebnisse und Einstellparameter abhängig von örtlichen Gegebenheiten und Materialzusammensetzung und Maschine und Bediener Gratbildung abhängig von Material-Temperatur Oberflächenbeschichtungen, schlechte Masse, falsch eingestellte Schnittparameter beeinflussen Einstichzahlen Vorteile / Nachteile Die Diskussion der Vor- Nachteile des Plasmaschnittes und Differenzierung der verschiedenen Plasmaverfahren sind relativ zu betrachten und beziehen sich immer nur auf bestimmte Plasmabrennertypen. Es gibt ganz einfache Maschinen-Brenner, die nur wenige kosten, während qualitativ hochwertige Brenner je nach Stromstärke und Ausstattung bis kosten können und somit auch ganz andere Eigenschaften mit sich bringen. Vorteile Schnelles thermisches Trennverfahren Hohe Schnittqualität (nicht hoch im Sinne von Laser/Wasserstrahl!) Weniger thermischen Einfluss als Autogen Mannloses Schneiden zum Teil möglich, gute Automatisierbarkeit Schneidet alle elektrisch leitfähigen Metalle Schnittgeschwindigkeiten abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit Relativ wenig Nachbearbeitung Kleinere Innenkonturen und Bohrungen als bei Autogen sind schneidbar Wirtschaftlichstes Schneidverfahren im Stahl-Bereich bis 35/40mm Dicke Schnittdicken bis 160mm sind möglich und bei Edelstahl sinnvoll Spezielle Schneidtechnologien: Trockenschnitte und Unterwasserschnitte Spezielle Anwendungen: Maschinen- und Handgeführte Brenner; Tafel-, Coilund Rohranwendungen Komplette CAD/CAM gesteuerte Fertigung mit durchgehendem Datenbestand ist realisierbar Robustes Verfahren, dass keine besonderen Anforderungen an die Umgebung stellt im Gegensatz zum Laser Schneidet auch rostigen Stahl Investitions- und Betriebskosten geringer als beim Laser

6 Nachteile Stromverbrauch Staubbelastung Lärmentwicklung bei Trockenschnitt (z.t. >108 dba bei 200A) Innenkonturen durch Nachlaufeffekt oft nicht präzise genug Aufhärtung des Plasmaschnittes in den Randzonen, bei Unterwasserschnitten größer! Teilweise Nachbearbeitung erforderlich Investition höher als bei Autogen, Filteraufwand erforderlich Schnittqualität von Laser nicht erzielbar! Besondere Gase für besondere Materialien erforderlich. Schnittqualität nicht konstant von vielen Parametern/Verschleiß/Dauer etc. abhängig. Je nach Brennertyp/Einstellung/Zustand auch hohe Verschleißteilekosten möglich!