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Plasmaschneiden

Plasmaschneiden

Plasmaschneiden ist der thermische Schmelzschneidprozess, der mit einem durch eine Düse eingeschnürten Lichtbogen (Plasmalichtbogen) ausgeführt wird

Zum Schneiden von elektrisch leitfähigen Materialien wird der übertragene Lichtbogen eingesetzt, bei dem zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode (Katode) und dem Werkstück (Anode) ein Strom fließt.

Dies ist die am häufigsten eingesetzte Variante des Plasmaschneidens. Beim nicht übertragenen Plasmalichtbogen brennt dieser zwischen Elektrode und der Düse. Auch beim Einsatz sauerstoffhaltiger Schneidgase überwiegt die Wärmewirkung des Plasmalichtbogens, deshalb stellt diese Verfahrensvariante keinen Brennschneidprozess, sondern einen Schmelzschneidprozess dar.

Die Plasmagase werden im Lichtbogen teilweise dissoziiert und ionisiert und damit elektrisch leitfähig (Plasmazustand). Durch die hohe Energiedichte und Temperatur expandiert das Plasma und strömt mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit in Richtung Werkstück.

Durch Rekombination der Atome und Moleküle auf der Werkstückoberfläche wird die aufgenommene Energie schlagartig frei und verstärkt die thermische Wirkung des Plasmalichtbogens auf das Werkstück. Im Plasmalichtbogen entstehen Temperaturen bis 30.000 K, die in Verbindung mit der hohen kinetischen Energie des Plasmagases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten, in Abhängigkeit von der Materialdicke, an allen elektrisch leitfähigen Werkstoffen ermöglichen. Für den Schneidprozess wird zunächst ein Pilotlichtbogen zwischen Düse und Elektrode mittels Hochspannung gezündet. Dieser energiearme Pilotbogen bereitet durch teilweise Ionisation die Strecke zwischen Plasmabrenner und Werkstück vor. Berührt der Pilotbogen das Werkstück (fliegendes Anschneiden, fliegendes Anstechen), wird durch eine automatische Leistungserhöhung der Hauptlichtbogen gezündet.

Mit der thermischen Energie des Lichtbogens und des Plasmagases wird der metallische Werkstoff auf geschmolzen und teilweise verdampft. Durch die kinetische Energie des Plasmagases wird die Schmelze aus der Schnittfuge getrieben. Im Gegensatz zum Brennschneidverfahren, bei dem etwa 70 % der Wärmeenergie durch Verbrennung des Eisens entsteht, wird beim Plasmaschmelzschneiden die notwendige Energie zum Schmelzen des Materials in der Schnittfuge nur elektrisch erzeugt.

Die Plasmagase werden nach dem zu schneidenden Material ausgewählt. Als Plasmagas und gleichzeitig als Schneidgas werden z.B. das einatomige Argon und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, deren Gasgemische und gereinigte Luft eingesetzt. Hinsichtlich der Kühlung wird zwischen wasser- und gasgekühlten Brennern unterschieden. Plasmaschneidprozesse werden nach dem Ort ihrer Anwendung (über und auf Wasser, sowie unter der Wasseroberfläche) eingeteilt.

Je nach Art des zu schneidenden Werkstoffes, der Materialstärke und der Leistung der Stromquelle, stehen bereits zahlreiche Varianten des Verfahrens zur Verfügung.

Diese Varianten unterscheiden sich hauptsächlich in der Auslegung des Plasmabrenners, der Medienzuführung und durch das verwendete Elektrodenmaterial.

Man unterscheidet nach der Art der Einschnürwirkung nachfolgende Varianten des Plasmaschneidens.

Konventionelles Plasmaschneiden/Standardplasmaschneiden
Plasmaschneiden mit Sekundärmedium
Plasmaschneiden mit Sekundärgas
Plasmaschneiden mit Sekundärwasser
Plasmaschneiden mit Wasserinjektion
Plasmaschneiden mit erhöhter Einschnürwirkung

Definition der Plasmagase

Plasmagas

Hierunter sind alle Gase oder Gasgemische zu verstehen, die für die Erzeugung des Plasmastrahls und Durchführung des Schneidprozesses eingesetzt werden können. Im Plasmalichtbogen finden zwei hauptsächliche Phasen statt, die Zündphase und die Schneidphase. Dementsprechend wird das Plasmagas in Zündgas und Schneidgas unterteilt.

Diese können sich sowohl in der Gasart als auch im Volumenstrom unterscheiden.

Zündgas

Dieses Gas wird für den Zündvorgang des Plasmalichtbogens eingesetzt. Es hat die Aufgabe, den Zündvorgang zu erleichtern und/oder die Lebensdauer der Elektrode zu erhöhen.

Schneidgas

Dieses Gas wird für das Schneiden des Werkstückes mit Hilfe des Plasmalichtbogens benötigt. Es hat dabei die Aufgabe, den Schneidvorgang so zu gestalten, dass optimale Schneidergebnisse bei unterschiedlichen Werkstoffen erreicht werden.

Sekundärgas – Wirbelgas – Zusatzgas

Dieses Gas hüllt den Plasmastrahl ein – kühlt und verengt den Plasmastrahl. Es trägt damit zur weiteren Verbesserung der Schnittqualität bei und schützt die Schneiddüse beim Einstechen sowie beim Schneiden unter Wasser.

Die Auswahl der plasmabildenden Medien hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität und die Wirtschaftlichkeit des Plasmaschneidprozesses.

Das Plasmaschneiden der verschiedenen Werkstoffe und Materialstärken erfordert den Einsatz abgestimmter plasmabildender Medien. Diese können Gase, Gasgemische oder auch Wasser sein. Nachfolgend wird auf deren Auswahlkriterien und hier vorzugsweise auf Gase eingegangen. Für einen nachbearbeitungsfreien Plasmaschnitt sind die Plasmagase auf den jeweiligen Werkstoff abzustimmen. Hierbei sind insbesondere die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Gase zu berücksichtigen. Um eine hohe Schneidgeschwindigkeit und eine gute Schnittqualität zu erzielen, ist es notwendig, dass der Plasmastrahl einen hohen Energieinhalt und eine gute Leitfähigkeit für den Wärmetransfer in das Metall aufweist, sowie zudem über eine hohe kinetische Energie verfügt. Die chemischen Eigenschaften (reduzierend, neutral, oxidierend) beeinflussen in sehr starker Weise die Ausbildung der Schnittkanten und damit die entstehenden Nacharbeitskosten. Da das Plasmagas mit dem geschmolzenen Metall in Wechselwirkung tritt, kann es außerdem die Schnittqualität wesentlich bestimmen.

Folgende Qualitätsfaktoren werden beeinflusst: