Plasmaschneiden - das robuste Schneidverfahren

Beim Lochstechen mit dem Plasmabrenner starker Funkenflug beim Plasmaschneiden
Plasmaschneiden mit Doppel-Plasmaschneidbrenner mit Feinstrahlplasma 260A-Brennern. Zuschnitt von Stahl S235 mit einer Materialdicke von 12mm.

Plasmaschneiden zählt generell zu den wirtschaftlichen Trennverfahren bei Stahl- und Metallzuschnitten. Doch seine "genetisch" bedingte hohe Wirtschaftlichkeit erreicht das Verfahren nur, wenn bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden. Plasmaschneiden kennt auch technische Grenzen, die es zu kennen und zu berücksichtigen gilt. Für den optimalen Einsatz der Plasmaschneidtechnologie lohnt es sich, die Hintergründe zu beleuchten.

Plasma wird auch als "robustes" Verfahren bezeichnet, weil es relativ geringe Anforderungen an die betriebliche Umgebung und das Schneidgut stellt. Welche dies im Einzelnen sind, erfahren Sie in diesem Kapitel.

Hier erfahren Sie herstellerneutral Wissenswertes in vielen Kapiteln rund um das Plasmaschneiden. Die dazu gehörigen Plasmaschneidanlagen werden in einem gesonderten Kapitel unter "Maschinen" betrachtet. Passende Lohnschneider für Plasmazuschnitte finden Sie im Marktplatz ebenso, wie Angebote für neue Plasmaschneidanlagen und Gebrauchtmaschinen, Prospekte, Videos oder eine Menge an geldwerten Informationen.

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Was versteht man unter Plasma?

Plasma wird als der 4. Aggregatzustand in der Natur bezeichnet. Wahrscheinlich hatte bereits jeder Mensch schon einmal Kontakt mit Plasma in der freien Natur - nämlich bei einem Gewitter. Die elektrische Entladung des Lichtbogens erzeugt Plasmagas - ein Gas, das man sogar riechen kann. Manche Menschen sprechen auch von "reiner 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, beispielsweise bis zu 160 mm dickem Edelstahl oder Aluminium erfahren Sie hier.

 

Wie funktioniert Plasmaschneiden?

Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden mit Plasmatromquelle, Plasmabrenner und Pilotlichtbogen
Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden

Ein Gas wird durch elektrische Energie ionisiert (d.h. die Elektronen auf den äußeren Atomschalen werden frei gesetzt). 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 bis zu 30.000 K erreicht. Das Material schmilzt sehr schnell, durch den Vorschub der Maschine und das Ausblasen der Schnittfuge entsteht ein Schnitt. Dabei bläst der Gasstrom kontinuierlich das weiche Material aus der Schnittfuge heraus und trennt so das Material. Die entstehenden Gase müssen über einen geeigneten Filter abgesaugt werden. Auch wenn Sauerstoff als Plasmagas zum Einsatz kommt, sprechen wir beim Plasmaschneiden von einem Schmelzschneidprozess, da der Einfluss der externen Hitze durch den Lichtbogen größer ist, als der des Brennschneidprozesses, der bei Verbrennung mit Sauerstoff zum Tragen kommt. 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 CO2-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 kVA Anschlussleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der Faserlaser, insbesondere der Halbleiter-Diodenlaser hingegen arbeitet mit einem rund drei- bis viermal so hohem Wirkungsgrad von bis zu 45%, 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 kVA.

Mit einer 600-Ampere Plasmastromquelle, die samt Kühlung eine elektrische Anschlussleistung von ca. 190 kVA samt Kühlung benötigt, kann 150 mm dicker Edelstahl mit einer Schnittgeschwindigkeit von rund 250 mm/min geschnitten werden.

Der Plasmastrahl ist zwar sehr energiereich, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf eine so kleine Fläche fokussieren wie beim Laser, seine Energiedichte ist somit geringer als beim Laser.  Dies bedeutet im praktischen Einsatz, dass sich eine breitere Schnittfuge bildet und damit auch ein größerer Materialaustrag entsteht.
Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmastrahls erhöht auch den Einfluss der Hitzeeinwirkung auf das Material und seine Gefügeänderung im Randzonenbereich des Schnittes.

Erklärung des Schaubilds "Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden":

Beim Plasmaschneiden spielen mehrere Komponenten zusammen, wenn man der Einfachheit von dem "Plasmaschneiden" spricht, so umfasst der Begriff eine Vielzahl von erforderlichen Komponenten:

  1. Die Plasmastromquelle
  2. Die Gase-Mischkonsole
  3. Das Schlauchpaket
  4. Den Plasmabrenner samt seinen Verschleißteilen
  5. Und nicht zu vergessen: Der CNC-Schneidanlage, die für die korrekte Ansteuerung und die geometrische Bahnbewegung verantwortlich ist.

Wir werden im Folgenden über alle Punkte ausführlich berichten.

Plasmaschneiden basiert auf einem geschlossenen Stromkreis. Die Plasmastromquelle liefert zwei Anschlüsse, die Masse, mit der der Brennschneidtisch verbunden wird, auf dem über elektrische leitende Metallstreben das Metall aufliegt und den Pluspol, der über das Schlauchpaket zur Plasmaschneidkopf geführt wird.

Störungen beim Plasmaschneiden treten mitunter häufig dadurch auf, dass eine der Leitungswege unterbrochen ist oder Übergangswiderstände oder lose Schraub- oder Klemmverbindungen den Stromfluss behindern.

Was genau im Inneren des Brenners passiert, hängt ein Stück weit vom Modell des Brenners ab. Ausgehend von den weit verbreiteten Maschinenbrennern wird die erste Zündung, der Pilotlichtbogen, zwischen Elektrode und Düse gezündet. War die Zündung erfolgreich wird der Lichtbogen auf das Werkstück übertragen indem das Gas einströmt. Die Gasemischkonsole spielt ebenso wie die Regelung des Stromflusses eine große Rolle beim wirtschaftlichen Plasmaschneiden.

Der übertragende Lichtbogen erzeugt in der Blechtafel das Einstechloch, man spricht vom piercing. Das Lochstechen mit dem Plasmabrenner erfolgt in kürzester Zeit, in der Regel auch in größeren Materialdicken von z.B. 40 mm in rund 1 Sekunde. Nach erfolgtem Einstechen schaltet die Stromquelle den Hauptstrom ein und erteilt ein Freigabesignal an die CNC-Steuerung des Portalschneidsystems - der Ausschnitt kann nun beginnen.

So weit die vereinfachte Darstellung des Schneidverfahrens beim Plasmaschneiden.

Für einen wirtschaftlichen Schnitt sind neben der Schnittqualität und der Schnittgeschwindigkeit auch die Lebensdauer der Verschleißteile ein wichtiges Kriterium. Sprunghafte Anstiege vom Strom-und Gasdurchfluss sind zu vermeiden. Moderne Qualitätsplasmastromquellen sorgen für geregeltes Ein- und Absenken der Energien und erreichen durch optimierte Verschleißteile lange Standzeiten und sehr hohe Schnittqualitäten.

Da Plasmaschneiden auf einem Stromfluss basiert liegt die Vermutung nahe, dass Plasmastromquellen und die Plasmaschneidmaschine samt dem Plasmabrenntisch sehr gut geerdet sein sollten. Die Plasmahersteller geben hier unterschiedliche Richtlinien vor, an die man sich tunlichst halten sollte. Denn die Ströme und Spannungen sind hoch genug, um Personen zu gefährden. Daher ist eine sorgfältige Erdung der Anlage zwingend erforderlich. In einem besonderen Fall sollte eine Plasmaschneidanlage bei einem Kunden im Rheingebiet aufgebaut werden. Da das Grundwasser im Gebiet des Rheinufers für die Trinkversorgung der Gegend verwendet wird, liegt der Grundwasserspiegel sehr tief. Der Hersteller des Plasmaschneiders gab nun vor, dass der Erdungswiederstand kleiner 3 Ohm einzuhalten sei, was nur durch einen eigenen Erder zu erreichen war. Dieser Erder sollte aber auch im Sommer immer mit dem Grundwasser in Kontakt stehen. Damit diese Vorgaben erfüllt werden konnte, musste ein 18 m tiefen Erder in den Boden eingeschlagen werden. Sicherheit geht vor. Planen Sie solche Unwägbarkeiten lieber im voraus mit ein, wenn Sie sich dafür entscheiden, ein Plasmaschneidsystem zu installieren.

An anderer Stelle im Schneidforum sprechen wir auch über Fundamente, Logistik, Krananlagen und weiteren Tools, die mit dem wirtschaftlichen Plasmaschneiden zusammen hängen. Haben Sie spezielle Fragen, können Sie diese im Forum stellen.


© Quelle: Dipl.-Ing. Gerhard Hoffmann, Schneidforum Consulting GmbH & Co.KG, Solingen

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