Anleitung: Wie funktioniert Plasma?

Erklärung des Schaubilds "Systemaufbau eines Plasmastromkreises"

Ein elektrisch leitendes Gas wird durch einen dünnen Düsenkopf geleitet und durch einen Lichtbogen ionisiert, wodurch selbst dicke Materialien schnell und sauber geschnitten werden können. Plasmaschneiden bietet hohe Schnittgeschwindigkeit und -qualität und ist daher für verschiedene Anwendungen geeignet. Mit den richtigen Insider-Tipps können Sie perfekte Ergebnisse erzielen und Ihre Schneidprojekte effizient und präzise durchführen.

Das Bild zeigt den Stromkreislauf eines Plasmaschneiders. Beim Plasmaschneiden spielen mehrere Komponenten zusammen:

• Der Plasmaschneider mit seiner Plasmastromquelle
• Die Gase-Mischkonsole
• Das Schlauchpaket
• Den Plasmabrenner samt seinen Verschleißteilen
• Und nicht zu vergessen: Der CNC-Schneidanlage, die für die korrekte Ansteuerung und die geometrische Bahnbewegung verantwortlich ist.
• Sowie das zu schneidende Material, das Werkstück, das elektrisch leitfähig sein muss.

Plasmaschneiden mit übertragendem Lichtbogen basiert auf einem geschlossenen Stromkreis. Die Plasmastromquelle liefert zwei Anschlüsse:

1. Masse-Anschluss, über den der Brennschneidtisch mit der Stromquelle verbunden ist. Das zu schneidende Werkstück liegt auf dem elektrisch leitfähigen Schneidtisch.
2. Pluspol-Anschluss, der über das Schlauchpaket zur Kathode im Plasmaschneidkopf geführt wird.

Wichtig: Unbedingt daraus achten, dass der Stromkreis wirklich geschlossen ist, keine Leitungen offen sind oder zu hohe Übergangswiderstände den Stromfluss behindern - viele Probleme wie z.B. Zündverhalten, schlechte Schnittqualität etc. rühren daher.

Im praktischen Ablauf unterscheidet sich das Plasmaschneiden mit Handbrenner vom Zuschnitt mir dem Maschinenbrenner wesentlich.  

• Die Zündung eines Lichtbogens erfolgt in einem dafür geeigneten Brennerkörper zwischen einer Elektrode (Kathode) und einer Düse (Anode) mithilfe einer Hochfrequenz oder einer Hochspannung.
• Der Lichtbogen wird durch einen sogenannten Pilotlichtbogen gestartet. Dieser energiearme Pilotlichtbogen besitzt nur eine geringe Stromstärke und eignet sich nicht zum Schneiden.
• Durch den Lichtbogen wird das hindurchströmende Gas ionisiert, es entsteht das Plasma, ein leitfähiges Gas. Dabei werden Temperaturen um 30.000° Kelvin erreicht. Man bezeichnet den Plasmazustand auch als den 4. Aggregatzustand: 1. Fest - 2. Flüssig - 3. Dampf - 4. Plasma.
• War die Zündung des Pilotlichtbogens erfolgreich, schaltet die automatische Leistungserhöhung der Stromquelle auf den Hauptstrom um und der Zuschnitt kann beginnen. Dabei werden je nach Plasmastromquelle Ströme von 10 A bis 600 A zum Schneiden eingesetzt.
• Beide Teile, Düsen und Elektroden, werden als Verschleißteile betrachtet, sie nutzen durch den Lichtbogen ab.
• Das ionisierte Gas bläst das flüssige Material aus der Schnittfuge heraus, wodurch ein Schnittspalt entsteht. Die entstehenden Gase müssen über einen geeigneten Filter abgesaugt werden.
• Wird das Plasma durch die Gasströmung von der Innenseite der Düse auf ein zu leitendes Stück Metall, dem Werkstück, übertragen, spricht man von "übertragenden Lichtbogen", der primär in der metallverarbeitenden Industrie zum Schneiden von Metallen eingesetzt wird.
• Das Plasmagas besitzt je nach Plasmastromquelle einen Druck von 4 - 8 bar. Automatisierte Maschinenbrenner, Mehrgasbrenner, Feinstrahlplasmabrenner arbeiten mit höherem Druck von 8 - 12 bar. Die kinetische Energie des Plasmastrahls ist geprägt von der hohen Temperatur.
• Mehrgasplasmabrenner, wie beispielsweise die Hydefinition® oder XPR® von Hypertherm Europe und HiFocus® oder Q-Serie von Kjellberg Finsterwalde verfügen über ein Sekundärgas, das zur Kühlung des Schnittes und zur Einschnürung des Lichtbogens beim Schneiden dient.
• Wird der Plasmabrenner zusätzlich in mehreren Dimensionen bewegt, sei es manuell von Hand oder durch ein CNC-gesteuertes Koordinatensystem, so lassen sich Konturteile, Zuschnitte plasmaschneiden.

In einer detaillierten Anleitung erklären wir wie mit dem Handbrenner, dem Maschinenbrenner geschnitten wird, gehen nochmals tiefer in die Funktionsweise ein und beschreiben, was alles zum Plasmaschneiden erforderlich ist.

Der übertragende Lichtbogen erzeugt beim Plasmaschneiden 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 einer bis zwei Sekunden. Bei Dünnblechen um 1 mm erfolgt die Zündung in deutlich unter einer 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.

Für einen wirtschaftlichen Plasmaschnitt 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 der Schneidprozess auf einem Stromfluss basiert muss der Stromkreis geschlossen sein.

Plasmastromquellen und die Schneidmaschine sowie dem Brenntisch müssen sehr gut geerdet sein. Die Plasmahersteller geben hier unterschiedliche Richtlinien vor, an die man sich aber tunlichst halten sollte, denn die Ströme und Spannungen sind hoch genug, um Personen zu gefährden. Daher ist eine sorgfältige Erdung der Anlage zwingend erforderlich. So verlangt beispielsweise Hypertherm® für seinen weit verbreiteten Plasmabrenner HT2000® und die HPR®-Baureihe einen Erdungswiderstand von 0,3 Ohm.

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 Hauptlichtbogen auf das Werkstück übertragen.

Die Gasemischkonsole spielt ebenso wie die Regelung des Stromflusses eine große Rolle beim wirtschaftlichen Schneiden.

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

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 eines japanischen 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 tiefer 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.

Was ist ein eingeschnürter Plasmastrahl?

• Das untere Bild Nr. 3 zeigt das Schnittbild eines modernen Plasmaschneidkopfes für Feinstrahlplasmabrenner, einen Mehrgasschneidkopf mit eingeschnürtem Plasmastrahl.
• Der Brennerkörper unterscheidet sich von Normalplasmacuttern durch seine zwei Gasströmungskanäle und den Einsatz von mindestens zwei verschiedenen Gasarten. Er besitzt zwei Schraubköpfe, einen äußeren und einen inneren, welche auch den Kühlkreislauf beinhalten.
• Im Zentrum des Brennerkörpers befindet sich die Elektrode, auch Kathode genannt, die für die Erzeugung des Lichtbogens verantwortlich ist.
• In der Elektrode befindet sich ein Hafnium-Kern, welcher den Abbrand der Elektrode verzögert. Einfache Elektroden setzen das preiswerte Zirkonium ein, doch damit verkürzt sich die Lebensdauer der Elektrode enorm.
• Als Plasmagas kommt beim Schneiden von FE-Stählen häufig Sauerstoff zum Einsatz. Dieses Plasmagas wird von einem einschnürenden Sekundärgas gebündelt. Häufig wird als Sekundärgas Stickstoff oder auch Druckluft eingesetzt.
• Je nach zu schneidendem Material werden andere Gaszusammenstellungen verwendet, über die sich jedoch der Maschinenbediener nur selten Gedanken machen muss. Denn bei vielen Schneidanlagen übernimmt die CNC-Steuerung die korrekte Gaseinstellung automatisch. Aus einer Materialdatenbank werden alle erforderlichen Einstellungen wie Gasdrücke, Gasmengen, Schnittgeschwindigkeit und Düsenabstand zum Material sowie die Schnittfuge eingestellt. Derartige Automatiken sind nur bei Maschinenbrennern mit CNC-Schnittstelle möglich. Handplasmabrenner oder einfache Normalplasmastromquellen müssen sich in der Regel mit manuellen Einstellungen und Tabellenbüchern begnügen.
• Der Plasmalichtbogen wird durch das Sekundärgas stark verjüngt und stabilisiert, sodass er nahezu rechtwinklige und glatte Schnittfugen erzeugt. Ebenso erhält der Anwender damit eine höhere Schnittgenauigkeit und eine Kühlung von Schneidsystem und den Schnittkanten des Werkstücks. Durch eine spezielle Regelung und Ansteuerelektronik dieser Hochleistungsbrenner können nahezu rechtwinklige Löcher geschnitten werden.

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