Plasmaschneiden Expertenwissen

Plasmaschneiden dient zur Trennung von Metallen, die sich nicht dazu eignen, brenngeschnitten zu werden. Es findet hier im Gegensatz zum Brennschneiden nur eine geringe bis keine chemische Reaktion mit dem Werkstoff statt, vielmehr wird dieser aufgeschmolzen und die Schmelze durch einen Gasstrahl ausgetrieben.

Der Schneidprozess wird durch einen sogenannten Pilotlichtbogen, der per Zuführung eines Zündgases zwischen Elektrode und Düse durch Hochfrequenzspannung gezündet wird, ausgelöst. Das Plasmagas wird zugeschaltet, sobald der Pilotlichtbogen Kontakt mit dem Werkstück erhält. So entsteht der Hauptlichtbogen durch die automatische Erhöhung des Stromes. Der Werkstoff wird aufgeschmolzen und mit Hilfe der kinetischen Energie des Gases aus der Fuge getrieben.

Die Zahl 30.000 °C

Diese entspricht der Temperatur, die das elektrisch leitfähige Gas namens Plasma erreicht.

1. Verfahrensprinzip

Systematisch gehört das Plasmaschneiden zu den Lichtbogen-Trennverfahren und wurde zum Trennen von Metallen, die durch ihre chemische Zusammensetzung nicht brenngeschnitten werden können, wie z. B. Aluminium oder Kupfer und deren Legierungen, hochlegierte Stähle, aber auch Hartmetalle, entwickelt. Das Plasmaschneiden unterscheidet sich vom Brennschneiden im Wesentlichen dadurch, dass nur eine geringe bis keine chemische Reaktion (abhängig vom eingesetzten Gas) mit dem Werkstoff mehr stattfindet, sondern der Werkstoff aufgeschmolzen und die Schmelze durch einen Gasstrahl ausgetrieben wird (Schmelzschneiden).

Um den Schneidprozess zu starten, wird zunächst das Zündgas (meist Argon) zugeführt und dann ein Pilotlichtbogen zwischen Elektrode und Düse durch Hochfrequenzspannung gezündet (nicht übertragender Lichtbogen). Der energiearme Pilotlichtbogen ionisiert die Strecke zwischen Elektrode und Anode (Werkstück). Wenn der Pilotlichtbogen das Werkstück berührt, wird das Schneidgas zugeschaltet und der Hauptlichtbogen durch die automatische Erhöhung des Stromes gezündet (übertragender Lichtbogen). Durch die thermische Energie (Rekombination, Konvektion und Strahlung) des Lichtbogens wird der Werkstoff aufgeschmolzen und mit Hilfe der kinetischen Energie des Schneidgases aus der Fuge getrieben.

Elektrode und Düse

Elektrode und Plasmadüse sind Bauteile mit beschränkter Lebensdauer. Die Standzeit der Elektrode wird wesentlich durch die Höhe des Schneidstromes, die Anzahl der Zündungen und die Art des Plasmagases bestimmt. Darüber hinaus spielen das Gas- und Strommanagement am Schnittanfang und -ende sowie die Wärmeabfuhr von der Elektrode eine entscheidende Rolle. Als Stabelektrodenmaterial werden Wolfram, Zirkonium oder Hafnium verwendet. Dabei beschränkt sich der Einsatz von Wolframelektroden auf den Gebrauch von inerten Plasmagasen und deren Gemische sowie reaktionsträgen oder reduzierenden Plasmagasen. Bei reinem Sauerstoff und sauerstoffhaltigen Plasmagasen werden Zirkonium- oder Hafniumelektroden verwendet.

Einflussfaktoren der Düsenstandzeit sind:

• Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung
• Masse und Wärmeleitfähigkeit der Düse
• Leistung (Stromx Spannung)
• Einschaltdauer des Lichtbogens
• Anzahl der Zündungen
• Lochstechablauf
• Intensität der Kühlung

Werkstück

Der zu schneidende Werkstoff muss elektrisch leitfähig sein, da das Werkstück ein Teil des Stromkreises ist. Die Erdung sollte möglichst gleichmäßig sein.

2. Varianten des Plasmaschneidverfahren

Die Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich im Aufbau des Plasmabrenners (Auslegung, Medienzuführung, Kühlungsart und Elektrodenmaterial). Hierbei möchte man möglichst eine große Einschnürung des Lichtbogens erreichen, um eine möglichst hohe Schneidgeschwindigkeit und Schnittqualität zu erreichen.

Die DIN 2310-6 unterscheidet nach der Art der Einschnürung die nachfolgenden Varianten:

• Plasmaschneiden ohne Sekundärmedium
• Plasmaschneiden mit Sekundärmedium
  • über der Wasseroberfläche
  • auf der Wasseroberfläche
  • unter der Wasseroberfläche

• Plasmaschneiden mit Wasserinjektion
  • über der Wasseroberfläche
  • auf der Wasseroberfläche
  • unter der Wasseroberfläche

• Plasmaschneiden mit erhöhter Einschnürwirkung
• Plasmafugen

Weitere Varianten des Plasmaschneidens

• Unterwasserplasmaschneiden
• Plasmamarkieren
• Plasmakerben
• Plasmakörnen

3. Gase

Mit Plasmagas sind alle Gase gemeint, die beim Entstehen des Lichtbogens sowie am Schneidprozess beteiligt sind. Man unterscheidet zwischen:

→           Zündgas (soll den Zündvorgang erleichtern)
→           Schneidgas (soll den Schneidvorgang so gestalten, dass optimale Schneidergebnisse bei unterschiedlichen Werkstoffen erreicht werden)
→           Sekundärgas (soll den Plasmastrahl verengen und die Düse kühlen sowie die Schnittqualität verbessern)
 

Einfluss der Gase auf die Qualität des Plasmaschneidprozesses

Die Auswahl der Plasmagase hat einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität und die Wirtschaftlichkeit des Plasmaschneidprozesses. Um etwaige Nachbearbeitungsschritte zu vermeiden, sind die Plasmagase auf den Werkstoff abzustimmen. Hierbei muss insbesondere auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften geachtet werden. Es ist notwendig, dass der Plasmastrahl eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen großen Energieinhalt hat und über eine hohe kinetische Energie verfügt, um bei einer hohen Schnittgeschwindigkeit eine gute Schnittqualität zu erzielen. Durch die chemischen Eigenschaften (reduzierend, oxidierend und inert) wird die Ausbildung der Schnittkanten sehr stark beeinflusst. Bei der Wahl des richtigen Plasmagases müssen die nachfolgenden Eigenschaften unbedingt berücksichtigt werden:

• Ionisationsenergie der einatomigen Gase
• Dissoziationsenergie der mehratomigen Gase
• Wärmeleitfähigkeit
• Atomgewicht / Molekulargewicht
• Spezifisches Gewicht
• Chemische Reaktionsfähigkeit

Stickstoff
Stickstoff als Schneidgas wird bei dünnwandigen Blechen aus hochlegierten Stählen eingesetzt, um schnelle und oxidfreie Schnitte zu erzielen. Nachteilig können sich die starke Riefenbildung und die nicht parallelen Schnittkanten auswirken. Auf die parallelen Flanken hat im Wesentlichen die Gasmenge sowie die Schneidgeschwindigkeit Einfluss.

Sauerstoff
Sauerstoff wird hauptsächlich zum Schneiden von Blechen aus un- und niedriglegierten Stählen eingesetzt. Verbessernd kommt hinzu, dass der Sauerstoff eine gute Affinität zu Eisen hat, was beim Schneiden von un- und niedriglegierten Stählen zu höheren Schnittgeschwindigkeiten führt. Man spricht beim Plasmaschneiden mit Sauerstoff aber immer noch von einem Schmelzschneidprozess und nicht von einem Brennschneidprozess, da die Reaktion des Sauerstoffes mit dem Werkstoff in der Schnittfuge zu langsam abläuft und der Werkstoff vorher aufgeschmolzen wird. Durch die schnelle Wärmeeinbringung (Schnittgeschwindigkeit) entstehen kleine Wärmeeinflusszonen, die die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nur gering bis gar nicht beeinträchtigen. Durch die Wechselwirkung des Sauerstoffes in der Schnittfuge mit dem Werkstoff wird die Schmelze dünnflüssiger und dadurch erhält man eine bart- und rundungsfreie Kante an der Unterseite des Werkstückes. Ein weiterer Vorteil sind Schnittkanten, die nicht aufnitriert sind, wodurch die Gefahr von Porenbildung bei eventuell folgenden Schweißprozessen minimiert wird.

Wasser
Das Wasser wird hierbei als Sekundärmedium eingesetzt und dient einerseits der Einschnürung des Lichtbogens und andererseits der Wärmeübertragung. Eine weitere Aufgabe des Wassers ist die Kühlung der Düse und des Werkstückes beim Schneidprozess. Durch die hohe Temperatur zerfällt ein Teil des Wassers in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch die guten Eigenschaften der Elemente beim Schneidprozess ausgenutzt werden können.

Luft
Da Luft im Wesentlichen aus Sauerstoff und Stickstoff besteht, können die Eigenschaften der beiden Gase genutzt werden. Die Kombination der beiden Gase stellt ein energetisch sehr gutes Gemisch dar. Dieses kommt vor allem beim Plasmaschneiden von dünnen Blechen mit un-, niedrig- und hochlegierten Stählen sowie beim Plasmaschneiden von Aluminium von Hand zum Einsatz. Hierbei muss vor allem bei nachfolgenden Schweißprozessen auf die Aufnitrierung der Kanten geachtet werden. Eine Verfärbung der Schnittkanten kann beim Schneiden von Aluminium und hochlegierten Stählen auftreten. Ein wesentlicher Nachteil der Luft ist der an der Unterkante entstehende Schmelzbart, der durch Nacharbeit entfernt werden muss.

Argon-Wasserstoff-Gemisch
Argon-Wasserstoff-Gemische werden häufig zum Schneiden von hochlegierten Stählen und Aluminium eingesetzt. Bereits die Zugabe von einigen Prozent Wasserstoff zum Argon ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit und eine Verbesserung der Schnittqualität. Darüber hinaus bewirkt die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs metallisch blanke, das heißt oxidfreie, Schnittflächen. Die Gemische werden häufig zum Schneiden von dicken Blechen verwendet.

Stickstoff-Wasserstoff-Gemische
Stickstoff-Wasserstoff-Gemische werden heutzutage hauptsächlich als Sekundärgas eingesetzt. Durch die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs werden metallisch blanke, das heißt oxidfreie, Schnittflächen erzeugt. Auch als Schneidgas werden Stickstoff- Wasserstoff-Gemische verwendet. Hierbei werden die guten Eigenschaften der einzelnen Gase kombiniert, was zu einer hohen Schnittgeschwindigkeit führt. Es werden fast parallele Flanken der Schnitt- kanten erreicht. Außerdem ist die Oxidbildung geringer als bei reinem Stickstoff. Das Gemisch wird hauptsächlich zum Schneiden von hochlegierten Stählen und Aluminium verwendet.

Empfohlene Gaskombinationen und ihre Auswirkungen auf die Schnittqualität

4. Schnittführung und Schnittfolge

Mit der richtigen Schnittführung und Schnittfolge kann der durch die Wärmeeinbringung des Plasmaschneidstrahls entstehende Verzug vermindert werden.

1. Zuerst Innenausschnitte schneiden
2. Schnittführung so wählen, dass der Abfall abwandern kann
3. Das auszuschneidende Bauteil sollte möglichst lange mit der Grundplatte verbunden bleiben
4. Im Rahmen schneiden

5. Schnittgüte

Die Qualität von Schnittflächen ist nach DIN EN 9013 genormt, z. B.

• Rechtwinkligkeitstoleranz – Neigungstoleranz „U“
• Gemittelte Rautiefe R

6. Typische Qualitätsprobleme beim Plasmaschneiden und Möglichkeiten zu deren Beseitigung