Plasmaschneiden von Edelstahl

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Plasmaschneiden von Edelstahl

Edelstahlteil, plasmageschnitten mit Stickstoff

Plasmaschneiden eignet sich auch zum Schneiden von Edelstahl, wobei einige Randbedingungen beachtet werden sollten. Edelstahlzuschnitt bleiben eine Herausforderung für Plasma. Warum das so ist? Ein Grund liegt in den Eigenschaften der zum Schneiden erforderlichen Gase: Argon/Wasserstoff, Argon/Stickstoff (Formiergas). Diese Gase weisen andere Eigenschaften und Verhalten im Lichtbogen auf, die Schnittwinkel sind größer als bei Sauerstoff, die Nachläufe um Ecken oder in Innenkonturen sind ausgewaschener, die Gase reagieren auch empfindlicher an Konturenden, Konturecken und an Luftspalten durch bestehende Schnittfugen. Möglicherweise liegt es an den atomaren Eigenschaften der hier zum Einsatz kommenden Gase und der zugehörigen Düsen, Elektroden. 

Schneiden von Edelstahl mit Stickstoff:

Folgende Schnitteigenschaften stellen sich ein:

  • Schwarze verzundere Schnittflanken,
  • hohe Gratbildung,
  • unsaubere Schnittfugen.

Prinzipiell sind die erzielbaren Edelstahl-Schnittqualitäten mit Plasma heute bei weitem besser, als dies noch vor wenigen Jahren der Fall war, dennoch sind wir gespannt, was die Zukunft bringen wird.

Besonderheiten beim Schneiden von Edelstahl:

1. Nicht jeder Plasmabrenner eignet sich in gleicher Art und Weise für diese Aufgabe.

2. Um Edelstahl optimal schneiden zu können, empfiehlt sich der Einsatz von Argon/Wasserstoff-Gemisch, dass es bereits fertig gemischt in Flaschen zu kaufen gibt. Aufgrund der hohen Energie eignet sich Argon/Wasserstoff zum Schneiden von dickem Edelstahl ab 5 mm. Unterhalb von 5 mm dünnem Edelstahl kann mit Argon/Sticksoff (Formiergas 5%, oder 10%) geschnitten werden. Achtung: Nicht jeder Brenner kann derartige Gase verarbeiten. Daher vorher sorgfältig prüfen und den Hersteller zu Rate ziehen! Die modernen Qualitätsplasmastromquellen bieten modellabhängig diese Option an.

Sind kleine Löcher zu schneiden, so kann man mit der Geschwindigkeit und der Stromstärke herunter gehen, natürlich sind dann auch die passenden Verschleißteile auszuwählen. Die Höhenregelung sollte generell beim Schneiden kleiner Löcher "eingefroren" werden, d.h. die Z-Achse darf nicht in die Bohrung abgesenkt werden.

Die Schnittgeschwindigkeiten beim Edelstahlzuschnitt weichen je nach gewähltem Gas vom Zuschnitt im Vergleich zum Schwarzmaterial ab, sie sind in der Regel langsamer.

 

 

3. Seit einigen Jahren gibt es Plasma-Brenner, die sich der Thematik Edelstahlschneiden angenommen haben. Beim Wasser-Injektionsplasma-Verfahren wird dem Brenner in seinen Sekundärkreislauf Wasser beigemischt. Beim Schneiden verdampft das Wasser im Lichtbogen und setzt sich im Schnittspalt ab. Aus Plasmasicht können damit ordentliche Schnittqualitäten in Edelstahl erzeugt werden. Auch im Streifenschneiden von Alu wird dieses Verfahren eingesetzt, da die Schnittfugen schneller abkühlen und Verspannungen des Materials reduzieren.
Durch Weiterentwicklungen und Optimierungen der Verschleißteile bei den Qualitätsplasmaschneidbrennern konnten ebenso erhebliche Schnittverbesserungen erreicht werden. Auf dem Gebiet der Edelstahlzuschnitte mit Plasma hat sich in den letzten Jahren erfreulicherweise viel Positives getan.

4. Eine weitere zu berücksichtigende Alternative stellt das Wasserstrahlschneiden das, dass nahezu jeden Stoff hervorragend schneiden kann.

5. Eine weitere Möglichkeit bietet des Laserschneiden insbesondere mit dem Faserlaser. Manche Plasmabrennerhersteller erweitern ihr Sortiment durch Faserlaserstrahlquellen, die sich unter bestimmten Bedingungen sogar an bestehende Plasmaschneidanlagen adaptieren lassen sollen. Der Faserlaser bietet im dünneren Blechdickenbereich unterhalb 6-8 mm auch im Edelstahlbereich ein interessantes wirtschaftliches Potential mit dem Nebeneffekt, hohe Schnittgenauigkeiten und Schnittqualitäten zu liefern, wenn gleich der Investitionsaufwand bei weitem höher ist und die Rauheit der Schnittoberfläche noch nicht das Niveau des Plasmaschnitts erreicht. Neuste Faserlaser schneiden Edelstahl auch oberhalb von 20 mm Materialdicke, doch sollte man dabei genau auf die Betriebskosten achten, damit die Kosten nicht aus dem Ruder laufen. Mit dem Laser, ebenso wie mit dem Wasserstrahl umgeht man eine Menge der Nachteile, die mit dem Plasmazuschnitt von Edelstahl entstehen: Die Schnittflanken sind senkrecht, die Innenradien extrem klein, die Genauigkeiten liegen wesentlich höher.

 

Edelstahlzuschnitt: Links lasergeschnitten, rechts mit Plasma geschnitten
Edelstahlzuschnitt: Linkes Teil mit Laser geschnitten, rechts mit Plasma geschnitten

Vergleich der Zuschnitte in Edelstahl: Plasmazuschnitt versus Laserzuschnitt

Material: Zuschnitte aus 1.4301 Edelstahl

Dicke: 10 mm

Kontur: Außenschnitt eines Bauteils mit Länge ca. 120 mm Breite ca. 60 mm. Eine Innenaussparung mit Breite ca. 15 mm. 

 

Geschnitten mit:

Linkes Teil: Laserzuschnitt

CO2-Laser mit Stickstoff: Ohne Kommentar! Klicken Sie auf das Bild rechts. 

Rechtes Teil: Plasmazuschnitt (Stand 2011)

Für den Schnitt wurde ein Plasmabrenner mit Qualitätsplasma verwendet. Als Plasmagas kam H35 Wasserstoff zum Einsatz und N2 als Schutzgas. Der Schneidstrom wurde auf 130 A eingestellt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug ca. 975 mm/min.
Es wurden folgende Schnittoptimierungen am CNC-Code durchgeführt, um ein gutes Schnittbild zu erzeugen: Ecken verrunden, Radien an Innenecken, diverse Verweilzeiten des Plasmabrenners in den Ecken wurden ausprobiert.
Hier sehen Sie das beste erzielbare Ergebnis beim Plasmazuschnitt mit Wasserstoff H35. (Stand 2011)

Die Rauheit des Plasmazuschnittes kann als hervorragend bezeichnet werden, wenn gleich heutige Brenner nochmals eine Leistungssteigerung erreichen. Die Außenkontur ist ebenfalls fast tadellos und kann dem Laserzuschnitt Paroli bieten. Doch, wie erwartet und in den Grundlagenkapiteln zuvor beschrieben, macht die Innenkontur dem Plasmaschneidprozess im Edelstahlbereich zu schaffen. Bei Normalstahl und Aluminium gäbe es das Problem in dieser Form nicht.   

Heutige Plasmabrenner setzen unter Umständen andere Gase beim Edelstahlzuschnitt ein und verwenden auch eine andere Brennertechnologie, sie erzielen weitaus bessere Ergebnisse als dies noch vor wenigen Jahren der Fall war. Eine Schnittverbesserung läßt sich auch durch einen geringeren Strom von beispielsweise 80 A oder weniger erzielen sowie mit Stromrampen und einer besonderen Gassteuerung, die moderne Systeme heute einsetzen.

Doch ohne Neid müssen wir feststellen, dass im Bereich Edelstahl der Laser auch heute noch die Nase vorn hat, wenn es um Genauigkeiten, feine Innenkonturen und kleine Innenradien geht.

FAQ Plasmaanwendungen
Runde Löcher ø 12 mm in Edelstahl mit Plasma mit der Kjellberg 161 i neo in 6 mm Blech

Bei den Plasmaquellen älterer Generation war bei schwarzem Material die Regel Blechdicke x 1,5 mm = min Durchmesser für runde Bohrungen. Die neuen Feinstrahlplasmaquellen garantieren Blechdicke vs. Durchmesser = 1:1. Bei Edelstahl trifft das nicht ganz so zu. Doch in Ihrem Fall liegt das Verhältnis bei 2 zu 1, also noch günstiger.

Hier einige Tipps:

Tipp 1: Beim Plasmaschneiden hängt die Schnittschräge stark vom Abstand des Brenners zum Blech ab. Durch Änderung der Libo-Spannung kann man näher zum Blech oder weiter weg. Ansonsten hängen unrunde Löcher in erster Linie von der Geschwindigkeit ab. Der Strahl ist oben weiter als unten, ist also oben früher am Schnittende, als unten und dann schaltet die Stromquelle ab. Unten ist der Schnitt praktisch noch nicht fertig und somit nicht rund. Weitere Faktoren sind Anschnittfahne und Ausschnittfahne. Es macht teilweise Sinn gerade auf die Kontur zu fahren, manchmal ist es besser gerade mit Bogen anzufahren. Beim Ausfahren das Gleiche. Manchmal erzielt man die besten Schnittergebnisse ohne Ausschnittfahne, manchmal ist es besser, eine Fahne zu setzen. Aber es gibt leider keine Anleitung, die für alle Anlagen passt. Das kann von Maschine zu Maschine anders sein. Leider. Im Endeffekt heißt das probieren, probieren, probieren.

Tipp 2: Teilweise wird auch das Argument gebracht, dass die Erdung des Tisches entscheidend ist.

Tipp 3: Und natürlich überprüfen Sie, ob auch die Daten für Edelstahlschneiden eingespielt sind? Nicht, dass Sie mit Daten für Baustahl schneiden.

Tipp 4: Das Gas ist bei Edelstahl ebenso von großer Bedeutung. Bei Edelstahl im dünnen Bereich wird Formiergas 5 % verwendet. Sie können es auch mal mit Formiergas 10 % versuchen. Argon/Wasserstoff-Gemisch eignet sich bei dickeren Blechdicken. Auch hier hilft austesten.

Tipp 5: Was sind Ihre Erwartungen? Was hat man Ihnen vor dem Kauf der Anlage zugesagt? Was brauchen Sie an Genauigkeit? Vielleicht liegen Ihre Erwartungen einfach eher beim Laserschnitt als beim Plasma. Ich würde aber auf jeden Fall dem Hersteller mit ins Boot holen.

Hoffe, Ihnen damit geholfen zu haben.

Wie schneidet man Streifen mit Plasma/Autogen?

Das Problem liegt im Verzug durch Einbringung von Energie in Form von Hitze durch den Plasma- oder Autogen-Prozess. Das Material dehnt sich aus, so dass bei langen Streifenschnitten diese sich verziehen.

Diese Problem wird in der DIN ISO 9013 dadurch berücksichtigt, dass die Genauigkeitstabellen nur für max. Streifenverhältnisse von 4 zu 1 definiert sind, d.h. das Verhältnis von Länge zur Breite des Bauteils beträgt 4 zu 1. Doch in der Praxis müssen Streifen auch mit Verhältnissen von 100 zu 1 geschnitten werden, z.B. 100mm breit und 10.000mm lang! Was tun?

1. Verwenden eines Wasserbrenntisches, dass für ausreichende Kühlung des Materials sorgt.

2. Schneiden Sie die Streifen von beiden Seiten. Die Schnittreihenfolge wird bei Erstellung des CNC-Programms so geändert, dass der Brenner den Streifen mal von unten, mal von oben beginnend schneidet (mit unten und oben sind die Seiten des Streifens gemeint, nicht die Blechtafelseiten!). Dabei wird die Hitze besser verteilt.

3. Außerdem muss der Anstich immer so gewählt werden, dass das Material sich frei schneiden, also ausdehnen kann. Nachteil: Lange Bearbeitungsdauer, mehrere Einstiche erforderlich, ...

Probleme beim Schneiden von Löchern in Edelstahl und Alu?

Wir arbeiten mit einer CNC Plasmaschneidanlage mit einer Plasmaquelle Kjellberg Smart Focus 130 mit Quality Hole Funktion. Nun zum Problem: 2 und 3 mm Edelstahl und Alu. Gewünschter Lochdurchmesser: 5 mm. Ergebnis: Das Loch hat oben 5.2 mm und unten 4 mm Duchmesser. Schrauben passen nicht durch. Was müssen wir tun um eine Lochdurchmesser oben von so auf 5,3 mm und unten so auf 5,1 bis 5,2 mm hinzubekommen?

Normalerweise bringen diese hier genannten Maßnahmen eine erhöhte Lochqualität:

1. Vorschubgeschwindigkeit deutlich verringern

2. Kleineren Schneidstrom verwenden

3. Günstigere Einstech- oder Ausstechgeometrie und deren Optimierung. Auch Lochstechen mit "fliegendem Anstich" ist eine gute Möglichkeit  

Aber: Deine Ansprüche sind mit diesem Normalplasmabrenner gar nicht erfüllbar. Die von Dir gewünschte Genauigkeit liegt bei ± 0,05 bis ± 0,1 mm - dies schafft nur der Laser, das bekommt man nicht einmal mit dem Feinstrahlplasma hin. Kann es sein, dass Du die falsche Schneidtechnologie ausgesucht hast?
Stimmt die Grundsatzfragen:

  • Plasma schneidet im Schwarzblechbereich "hervorragend", wenn man die besten Brenner einsetzt, wobei das Wort "Hervorragend" niemals mit dem Maßstab eines Lasers gleichzusetzen ist. Deine Toleranzwünsche bei der Bohrung sprechen eher dafür, dass Du mit keinem Plasma zufrieden sein wirst. Denn eine Bohrung mit der gewünschten Genauigkeit in dem für Plasma schwer zu schneidenden Metall Edelstahl ist gar nicht möglich. Daher überprüfe,  ob Plasma überhaupt das richtige Verfahren für Deine Anforderungen ist, ob nicht das Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden hier die besseren Antworten liefern würden.
  • Um kleine Bohrungen in Edelstahl mit möglichst guter Toleranz zu erzeugen, benötigt man auch den entsprechenden Plasmabrenner. Die Smart Focus ist ein solides und preiswertes Basisgerät, aber eben keine HiFocus-Plasmaschneidanlage, die ein Mehrfaches davon kostet und die gerade im Dünnblechbereich besser abschneidet.
  • Will man Edelstahl schneiden, so sollte man auch ein passendes Plasmagas einsetzen. Bei dem dünnen Material, eignet sich ein leichtes Formiergas gut - aber VORSICHT: Das Gas ist nicht für jedem Plasmabrenner zulässig - bitte im Handbuch nachschauen und Hersteller zu Rate ziehen.
    Alu kann man hingegen ganz gut mit Stickstoff schneiden, manche schwören auch auf Druckluft, der Unterschied ist meistens nicht besonders groß. In jedem Fall benötigt jedes Gas auch seine spezifischen Plasmaverschleißteile, diese müssen zum Gas und zur Stromstärke passen.
  • Übrigens, wie genau ist die Schneidmaschine? Kann sie die gewünschte Kontur in der erforderlichen Genauigkeit erzeugen?

Fazit: Wenn alle diese Tipps nicht greifen, sollte man an eine höherwertige Plasmaschneidanlage oder an einen Laser denken.

Qualitätsprobleme Schnittfläche Feinstrahlplasma 30A, Material C75 2mm

1. Betrachten wir als erstes den Werkstoff. C75 ist ein nicht rostfreier Federstahl mit hohem Kohlenstoffanteil, der bei uns in Solingen für besondere Projekte und wertige Küchenmesser mit hoher Schärfe eingesetzt wird. Dies liefert uns bereits einen ersten Hinweis, dass dieser Stahl nicht vom Typ 0815 ist, sondern besondere Materialeigenschaften besitzt. Dass die Schnittkante sehr scharfkantig ist, ist dem Material geschuldet. Auch der hohe Kohlenstoffanteil dürfte in Verbindung mit dem Material eine gewisse Rolle spielen. Je nach Materialzusammensetzung kann man Überraschungen erleben. Auch Chargenschwankungen können tückisch sein und die Schneidparameter auf den Kopf stellen. Es gibt  Materialgüten, die sich nur schwer schneiden lassen und wo man Abstriche bei der Schnittqualität machen muss, was aber generell für alle Schneidverfahren gilt.  

2. Ich gehe davon aus, dass Ihr Original-Verschleißteile einsetzt und diese auch richtig eingebaut sind und nicht verschlissen. Auch die Einstellung der Gasart, Gasdrücke etc. stimmt. Achtet auch auf sauberes Gas und Armaturen. Rohrleitungen, Anschlüsse sind sauber und fettfrei.

3. Wie sieht denn der Schnitt bei S235 oder S355 mit der gleichen Dicke aus? Habt Ihr diesen Test schon gemacht? Evtl. könnt Ihr mit anderen Einstellparametern am Plasmabrenner etwas optimieren.

Wenn keiner dieser Tipps hilft, dann hilft nur noch maschinelles Entgraten und Verrunden.

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