Schnittqualität und Schnittfehler beim Plasmaschneiden

Sie sehen ein Plasmazuschnitt mit leichtem Grat. Schnittqualität ist nicht optimal, leichter Grat unter dem Schnittgut. Schnittgeschwindigkeit zu hoch oder zu niedrig, beides ist möglich!
Schnittqualität ist nicht optimal, leichter Grat unter dem Schnittgut. Schnittgeschwindigkeit zu hoch oder zu niedrig, beides ist möglich!

Die Schnittqualität eines Plasmaschnittes wird nicht nur durch den Brennertyp, die Schneidanlage oder die Erfahrung des Bedieners bestimmt, sondern auch eine Reihe weiterer Faktoren kommen dabei in Betracht. Die Schnittqualität des Plasmaschnittes wird elementar von der Schnittgeschwindigkeit und der richtigen Höhe des Plasmabrenners zum Schneidmaterial bestimmt, die korrekten Einstellwerte und präzisen Verschleißteile werden dabei vorausgesetzt.

Die Schnittqualität wird in der ISO 9013 beschrieben und definiert die Genauigkeit eines Zuschnitts, die Rechtwinkligkeit und die Rauheit der Schnittkanten.

In einer vergleichenden Übersicht über alle Schneidverfahren haben wir eine Gegenüberstellung der Schneidprozesse für Sie erstellt. Die Schnittfehler ergeben sich zum Teil aus den physikalischen Eigenschaften des Plasmastrahls, die es zu kennen und zu beachten gilt. Oftmals wird ein schlechter Plasmaschnitt einem Schnittfehler zugeordnet, doch in Wirklichkeit ist das Plasma nur an seine physikalischen Grenzen gestoßen und als solches sind manche Fehler nicht vermeidbar. Es gilt zu erkennen, wann ein Schnittfehler nicht auf einem Schnittfehler beruht sondern eine typische Schnitteigenschaft darstellt.

Typische Schnitteigenschaften beim Plasmaschneiden

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.

 

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Physikalische Effekte kennzeichnen den Plasmazuschnitt

Nicht nur der Typ des Plasmabrenners, Feinstrahl- oder Normalplasma, bestimmt das Schnittbild eines Plasmabrennteils, sondern seine physikalischen Schnitteigenschaften geben die grundlegenden Parameter vor.

Wenn man diese Zusammenhänge nicht kennt oder nicht berücksichtigt, wird man viele Fehler im praktischen Alltag nicht beheben können. Daher ist es wichtig, die Schnitteigenschaften des Plasmas zu verstehen und so das Instrument richtig anwenden zu können.

 

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 reduzieren 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 verbessert 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.

Die konische Form des Lichtbogens erfordert eine Z-Achsen-Höhensteuerung, die den Lichtbogen in einem günstigen Abstand nachführt.

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4. Plasma erzeugt eine schräge Schnittkante

Zunächst einmal unterscheiden wir die Plasmaarten: Normalplasma und Qualitätsplasma bzw. Feinstrahlplasma.
Normalplasma setzt i.d.R. ein Gas als Plasmagas ein, z.B. Druckluft oder Stickstoff. Die Kühlung des Brenners erfolgt über Luft. Feinstrahlplasmabrenner setzen Mehrgastechnik auch Mischagse ein, sie nutzen als Plasmagas die Sorten, die für das jeweilige Metall das beste Schnittergebnis liefern. Die Kühlung erfolgt über einen geschlossenen internen Wasserkreislauf. Der Plasmalichtbogen wird durch ein Sekundärgas eingeschnürt und stabilisiert. Eine aufwendige Ansteuerelektronik regelt das Hochfahren der Gase und des Stromes. Auf diese Weise erreichen Feinstrahlplasmabrenner hervorragende Schnittqualitäten. Gemeinsam haben alle Brenner, dass sie zur Verwirbelung des Plasmagases einen Wirbelring verwenden. Es gibt Wirbelringe mit Links- oder Rechtsdrall. Und genau darin finden wir die Erklärung für die schrägen Schnittkanten. Die Verwirbelung hat das Ziel, den Lichtbogen zu stabilisieren, ihn einzuschnüren.

Betrachten wir in der Draufsicht den Gaswirbel und zeichen im Kopf einen Vektorpfeil in Drehrichtung des Wirbels. Und nun legen wir im Gedanken diesen Wirbel an das Metall an und bewege gleichzeitig den Wirbel in Schneidrichtung. Dann stellen wir fest, dass die Vektoren der Bewegungsrichtung der Maschine und der Drehrichtung des Wirbelvektors sich in zwei Achsen aufheben und in den anderen zwei Achsen verstärken. Damit besitzt das System an zwei Achsen nicht mehr die idealen Schneidvoraussetzungen, woraus sich die Schnittschräge der zwei Seiten beim Normalplasma ergeben. Bei Feinstrahlplasmen ist der Effekt an drei Seiten weniger stark ausgeprägt, nur an einer Seite fällt die Schnittschräge ins Auge.

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.

Der Einfluss der Hitze beim Plasmaschneiden ist an den Lochrändern gut zu erkennen. Sie gibt Aufschluss über die starke Hitzeeinwirkung des Plasmastrahls.
Der Einfluss der Hitze beim Plasmaschneiden ist an den Lochrändern gut zu erkennen. Sie gibt Aufschluss über die starke Hitzeeinwirkung des Plasmastrahls.

5. 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.

Der Plasmastrahl bringt eine hohe Energie in das Material ein, so dass die Schnittränder aufhärten und das Materialgefüge in der Randzone des Schneidmaterials beim Plasmaschneiden verändert werden. Diese Eigenschaft hat Einfluss auf EN 1090 Verordnung. Die Gefügeveränderung, Aufhärtung ist bei manchen Schneidaufgaben nicht gewünscht und lässt sich nur minimieren aber gänzlich nicht abstellen. Mit einem Unterwasserschnitt wird die Gefügeänderung zwar kleiner, die Aufhärtung an den Schnittkanten jedoch größer. 

Tröstlich an dieser Stelle sei angemerkt, dass das Plasmaschneidverfahren noch ganz gut dasteht.
Zum Vergleich: 

  • Beim Laserschneiden ist die Aufhärtung an den Schnittkanten gegenüber dem Plasmazuschnitt in der Regel größer.
  • Beim Autogenschneiden ist die Gefügeänderung gegenüber dem Plasmazuschnitt in der Regel größer.

 

Qualitätskriterium beim Plasmaschneiden: Prozesshöhe des Brenners

Die Höhe des Plasmabrenners beim Zuschnitt ist mit dem Augenmaß nicht einstellbar, da die Schnitthöhe sich in einem Bereich von wenigen Zehntel-Millimetern bis zu wenigen Millimetern bewegt.

Im Brennfleck herrschen Temperaturen von rund 30.000 Kelvin - in einem solchen Lichtbogen kann das Auge nichts mehr erkennen. Außerdem arbeitet das Plasmaschneidverfahren mit recht hohen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen jede nachträgliche Korrektur zu spät käme. Diese Aufgabe übernimmt in der Regel eine hochwertige elektronische Regeleinheit oder ein mechanisches System.

Rückblick:

Anfang der 1990er gab es nur wenige Hersteller die in der Lage waren, lichtbogengesteuerte Höhenregelungen sogenannte "LIBos" zu bauen. Häufig wurde die Höhenregelung des Plasmaschneidkopfes über einen mechanischen Abstandsteller geregelt, der über einen Pneumatikzylinder den Brennkopf auf das Blech drückte. Über einen zur Schneiddüse einstellbaren Auflageschlitten mit Kugelrollen konnte der Relativabstand von der Düse zu den Kugelrollen eingestellt werden. Das ist eine sehr einfache Lösung mit einigen Nachteilen, die aber auch heute noch bei einfachen Anwendungen zum Beispiel im Dünnblechbereich in der Klimaindustrie vorzufinden ist und dort durchaus ihre Berechtigung hat. Diese mechanische Höhenregelung des Plasmaschneidkopfes nennt man "Platerider".

Die LIBO - Lichbogengesteuerte Höhenregelung

Hochwertige CNC-gesteuerte Schneidmaschinen und Anwendungen bei denen dickeres Material geschnitten werden soll, sind häufig mit einer elektronischen Lichtbogen Höhenregelung und einer CNC gesteuerten Z-Achse ausgestattet - Kurzbezeichnung: LIBO.

Kriterien, die Ihnen bei der Auswahl einer Höhenregelung helfen können:

  • Der Z-Achsensupport sollte einen Havarieschutz besitzen, der in allen Bewegungsrichtungen des Schneidportals auslöst, ohne dass der Brennerkopf beschädigt wird, dies ist umso mehr von Bedeutung, wenn es sich um einen hochwertigen teuren Brennerkopf handelt. Auch werden durch einen Havarieschutz die Ausfallzeit und die Wartungskosten bei einer Crashfahrt und der damit verbundenen Unfallgefahr drastisch reduziert.
  • Der Brenner darf weder bei kleinen Löchern noch am Ende eines Trennschnittes in die Schnittfuge abtauchen, d.h. sich in das Loch absenken und dem Material so unerlaubt zu nahe kommen. Geschieht dies dennoch und sei es nur um wenige Zehntel Millimeter, quasi unbemerkt, steigt der Düsenverbrauch schleichend an - es kostet also Ihr Geld!

 

Das Geheimnis der Lichtbogenspannung beim Plasmaschneiden

Die Lichtbogenspannung ist eine Funktion, die sich in Abhängigkeit vieler Parameter ändert und damit nicht einfach zu regeln ist.

  • Zum einen ändert sich die Lichtbogenspannung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, das bedeutet eine brauchbare Messgröße wird erst erzeugt, wenn die Geschwindigkeit konstant ist, das Delta-v also = 0 ist. Dies wird nur bei konstanten Bewegungen erreicht.
  • Beim Richtungswechsel hingegen, muss die Maschine abbremsen und wieder neu beschleunigen, die Geschwindigkeit ändert sich also stetig. Daraus folgt, dass in dieser Zeit die Lichtbogenmessung nicht arbeiten darf, sie muss disabled (gesperrt) werden, sonst wären ihre Messergebnisse, die sie liefern würde, falsch.
  • Ebenso bei Kreiszuschnitten, wo die geforderte Winkelgeschwindigkeit aufgrund eines kleinen Radiuses erst gar nicht erreicht werden kann und die Maschine 180° beschleunigt und 180° für die Bremsung verwenden muss. Also muss auch hier die Höhenregelung ein entsprechendes Signal von der CNC erhalten, um gesperrt zu werden.
  • Außerdem ändert sich die Lichtbogenspanung in Abhängigkeit des Zustandes der Verschleißteile und nicht selten beträgt der Unterschied zwischen frischen Verschleißteilen und abgenutzten einige 10 Volt, was bereits einige Millimeter falscher Stellgröße ausmacht.
  • Die Lichtbogenspannung ändert sich natürlich auch mit dem Abstand des Plasmaschneidkopfes zum Schneidmaterial.

Viele Höhenregelungen neusten Typs berücksichtigen diese Zusammenhänge und sorgen für eine konstante Schnittqualität in Abhängigkeit des Verschleißes der Teile und somit für eine längere Lebensdauer der Verschleißteile.

Zündhöhe für den Einstich beim Plasmaschneiden

Doch auch beim Start des Pilotlichtbogens müssen bestimmte Parameter eingehalten werden, die sogenannte Zündhöhe. Je nach Brennertyp gibt es große Unterschiede in der Zündhöhe.
In der Vergangenheit mussten diese Einstellungen der Höhenregelung manuell in Volt aus einer Tabelle entnommen und eingegeben werden, häufig war eine Nachjustage erforderlich. Während moderne Höhenregelungen bei der Erstfindung sich selber kalibrieren und somit lästige und ungenaue Handeinstellungen entfallen. Auch wurden die Volt-Tabellen vieler Brenner in echte Millimeter-Abstandsangaben übertragen, so dass die Benutzer heute exakte Werte beispielsweise 3,4 mm Zündhöhe und 1,2 mm Schneidhöhe eintragen können. Je nach Maschinenmodell liefert bereits die CNC-Steuerung eine Schneiddatenbank, die diese Werte kennt und die Vorgaben selber an die Regelelemente weitergibt. 


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