Physikalische Eigenschaften des Plasmabrenners

Edelstahl, 10mm dick: rechts gelasert / links mit Plasma geschnitten
Edelstahl, 10mm dick: rechts gelasert / links mit Plasma geschnitten (Stand: 2012)

Plasma besitzt als ionisiertes Gas neben elektrischen Eigenschaften auch eine Masse und unterscheidet sich damit wesentlich von masselosem Licht des Lasers. Masse ist bekanntlich träge, positiv ausgedrückt könnte man auch sagen "gemütlich". Diese Massenträgheit sowie die elektrischen Eigenschaften des ionisierten Gases bewirken nun das ganz spezielle und typische Verhalten beim Plasmaschneiden, das wir uns nun genauer ansehen werden. Doch auch seine elektrischen Eigenschaften, die mit dem Stromfluss verbunden sind sowie die geometrische Ausprägung des Lichtbogenkegels erzeugen physikalisch bedingte Störeinflüsse auf die Schnittqualität des Plasmazuschnitts und fordern die Schneidsysteme sowie die Maschinenbediener heraus.

 

Wovon hängt die Schnittqualität eines Plasmaschnittes ab?

Nicht nur der Typ des Plasmabrenners bestimmt das Schnittbild eines Plasmabrennteils, sondern seine physikalischen Eigenschaften sind die grundlegenden Parameter.

 

1. Nachlaufeffekt:


Stellen Sie sich den Plasmastrahl wie Wasser vor, das aus einen Gartenschlauch ausströmt. Wird der Rasen gesprengt und der Schlauch schnell hin- und herbewegt, so dauert es ein wenig bis die Spitze des Strahls in sagen wir mal 10 Metern Entfernung auf den Rasen trifft. Der Wasserstrahl folgt der Bewegung nach und benötigt Zeit - dies ergibt einen Nachlauf.
Das gleiche Verhalten wie beim Wassersprengen finden Sie beim Plasmastrahl wieder, es kostet Zeit bis der Gasdruckstrom der Bewegung nachfolgen konnte. 

Die Ecken sind oben scharfkantig und von unten sind sie verwaschen, eben nachlaufend.

Besonders negativ fällt diese Eigenschaft in Innenkonturen und kleinen Löchern auf. Dies ist dann auch eine große Einschränkung gegenüber dem Laserstrahl. Besonders die Maßhaltigkeit von Löchern zeichnete sich in der Vergangenheit durch hohe Abweichungen aus.

 

Ein weiterer Zusammenhang der sich aus der Massenträgheit und dem damit verbundenen Nachlauf ergibt, liegt in der Begrenzung der Schneidkopfgeschwindigkeit, mit der der Brenner bewegt wird. Je schneller das Antriebssystem schneidet, desto größer ist der Nachlauf des austretenden Gasstromes.

3 Wege, wie man das Problem der Massenträgheit des Gasstromes beim Lochschneiden mit dem Plasmabrenner umgehen kann:

  1. Um kleinere Löcher mit weniger Abweichung zu schneiden senken viele Schneidanlagen automatisch oder per CNC-Code gesteuert die Schnittgeschwindigkeit herab, so dass der Gasstrom mehr Zeit gewinnt, um der Geometriesollkontur zu folgen.
  2. Ein weiteres Mittel besteht darin, andere Sollwerte in der Geometrie vorzugeben. Beispiel: Man plant den Zuschnitt eines Durchgangslochs mit einem Durchmesser von 17 mm in einem 20 mm dickem Baustahl. Um auf der Unterseite die 17 mm Durchmesser sicher zu erhalten, schneidet man das Loch auf der Oberseite mit einem größeren Durchmesser aus, beispielsweise 18 mm oder 18,5 mm - je nach Brenner und Erfahrungswert. Somit kompensiert man den Nachlaufeffekt und die Schnittschräge und nimmt ein etwas größeres Loch in Kauf. 
  3. Die dritte Methode nutzt einfach neuere Brennertechnik mit einer besonderen Loch-Technik. Hierbei ist der technische Aufwand höher, denn es erfordert eine Abstimmung zwischen der Gasansteuerung des Plasmabrennerns, der Höhenregelung, der Maschinen-CNC-Steuerung und der Plasmastromquelle. Stimmen diese Aggregate technisch im Zusammenspiel überein, so erhält man hervorragende Lochgenauigkeiten auch im Dickblechbereich. Diese Technologie findet man beispielsweise unter den Namen "TrueHole®" bei Hypertherm oder "ConturCUT®" bei Kjellberg vor.   

Wer es noch genauer haben möchte, der muss in das Lager zum Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden wechseln.

2. Elektrische Eigenschaften des übertragenden Lichtbogens

Nach der Zündung des Pilotlichtbogens erfolgt der Start des Hauplichtbogens. Mit Hilfe des ausströmendes Gases wird der Lichtbogen auf das Material übertragen und der Hauptstrom frei gegeben. Damit nun ein Stromfluss zustande kommt, muss der elektrische Kreislauf geschlossen sein. Das bedeutet, das zu schneidende Material muss eine elektrische Leitfähigkeit besitzen und es muss eine Masseverbindung zur Stromquelle bestehen.
Der Energieerhaltungssatz aus der Physik erklärt das nun folgende Verhalten: Ist eine Innenkontur nahezu fertig ausgeschnitten, so löst sich bereits das Innenteil des Ausschnitts 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 gerne durch die Luft abfließt, sucht er sich seinen elektrischen Gegenpol im Material, so dass sich die Restenergie des Strahls im Restmaterial entlädt und damit die bei Plasma berühmten Ausfahrkerben (üblicher Fachbegriff beim Beenden einer geschlossenen Kontur, wenn der Brenner aus der Sollgeometrie entfernt wird: engl. "Leadout") erzeugt.

Somit wird beim Beenden des Plasmastrahls die Schnittkontur durch die plasmatypische Kerbe beschädigt.

Wie kann der Effekt der Ausfahrkerbe beim Plasmaschneiden verhindert werden?

Auch dieser physikalisch bedingte Effekt 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.

Übrigens, Aufklärung eines Irrtums: Bei Plasma reden manche Menschen von Einbrandkerben (man startet den Einstich im Schlechtmaterial, dem Abfall, und fährt dann durch einen Bogen oder eine Linie an die Sollkontur heran, diesen Bogen/Linie nennt man "Leadin". Doch diese Annahme ist falsch, es handelt sich um Ausfahrkerben, die am Schnittende entstehen und nicht am Schnittanfang!  Die hässliche Materialbeschädigung erfolgt nicht am Anfang des Schnittes, sondern wenn der Strom seinen eignen Luftspalt am Ende erreicht hat. Diese Art der Beschädigung hat nichts mit dem Lochstechen des Pilotlichtbogens zu tun - denn der Arbeitsvorbereiter bzw. CAD-Zeichner legt den Anstich in das Abfallprodukt, so dass die Lochstechkerbe im Normalfall nur wenig stören würde, wenn sie denn zu Beginn entstünde!

 

3. Die Strahlform des Lichtbogens

Die Strahlform des Lichtbogens sorgt für die Schnittschräge. Hierbei gilt: Je dünner das Material, desto größer tritt die Schräge beim Plasmazuschnitt in Erscheinung. Bei dicken Materialien stabilisiert sich der Gasstrahl, so dass häufig sogar konventionelle Plasmabrenner im Dickblechbereich geringe Schnittschrägen erzielen können, wenn gleich die Schnittschrägen bei Verwendung eines Qualitätsplasmabrenners weitaus besser ausfallen. Schnittschrägen bei konventionellen Normalplasmabrenner können im Bereich 5 - 15° liegen, während die Schnittschrängen bei Qualitätsplasma im Bereich 1-3° liegen sollten, abhängig von der Schneiddicke, dem Gas und der Materialgüte und den korrekten Maschinen- und Brennereinstellungen.

4. Aufhärtung des Schneidgutes sowie Gefügeveränderung

Aufgrund der hohen thermischen Energie erfolgt eine Aufhärtung der Schnittflanken, die bei einer mechanischen Nacharbeit des Zuschnitts zu unterwartenden Problemen beispielsweise erhöhtem Werkzeugverschleiß führen kann. So erlebten wir hier und da den einen oder anderen Abbruch eines Gewindeschneiders in einer Bohrung, die mit Plasma erzeugt wurde. Das tritt zum Glück nicht immer auf, aber man muss damit rechnen.

Ebenso ist eine Gefügeveränderung im benachbarten Metallbereich der Schneidflanken feststellbar, die Einfluss auf die Materialeigenschaften besitzt.

Im Vergleich zum Autogenschneiden fällt die Gefügeveränderung beim Plasmazuschnitt geringer aus als beim Autogenschneiden. Jedoch höher als beim Laserzuschnitt. Hingegen ist die Aufhärtung der Schneidflanken beim Laser i. d. R. höher als beim Plasma, Autogenzuschnitte besitzen die geringste Aufhärtung der drei thermischen Schneidverfahren.


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

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