Plasmaschneiden von Edelstahl, Aluminium, Grauguss

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Edelstahlteil mit kleinen Löchern mit Plasma geschnitten unter Verwendung von Stickstoff
Edelstahlteil, plasmageschnitten mit Stickstoff und einem Normalplasmabrenner

Plasmaschneiden eignet sich auch zum Schneiden von Edelstahl, Aluminium und Grauguss, 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.

Hinweis zur Sicherheit: Beim Schneiden von Edelstahl entstehen für gesundheitsschädliche Stäube, die unbedingt abgesaugt werden müssen. Für ausreichend Frischluft ist zu sorgen.

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.

Kann man Aluminium mit Plasma schneiden?

  • Plasma eignet sich hervorragend zum Schneiden von Aluminium.
  • Aluminium kann mit Druckluft oder Stickstoff als Plasmagas geschnitten werden, je nach Modell
  • Durch automatisierte Gaskonsolen und optimierte Gasmischungen sind die Schnittqualitäten höher
  • Es sind hierfür spezielle Verschleißteile, Düsen und Elektroden einzusetzen, die der jeweilige Hersteller vorgibt
  • Die Schnittgeschwindigkeit ist dabei recht hoch bzw. etwas schneller als beim Schneiden von Edelstahl oder Stahl, dafür sinkt die maximal mögliche Schneiddicke um rund 15 bis 20% ab
  • Die Schnittqualität kann als sehr gut bezeichnet werden, ja nach Brennermodell sind Schnittkanten mit nur einem kleinen Winkel Schnittschräge möglich, der Schnitt hat nur wenig Grat, meistens bartfrei und nur Spritzer, die leicht entfernt werden können. Die Schnittkanten sind metallisch blank und sauber.
  • Die maximalen Schneiddicken hängen vom Plasmabrenner ab, so kann eine HT 4001 mit Zusatzstromquelle und einem Strom von 760 A bis zu 75 mm Aluminium trennen.
  • Eine HiFocus 600i von Kjellberg Finsterwalde schneidet mit 600 A und Argon-Wasserstoff-Gemisch Edelstahl und Alu bis 150 mm / 160 mm Dicke. 150 mm Aluminium kann mit 250 mm/min Schnittgeschwindigkeit geschnitten werden.
  • Problem beim Schneiden von Aluminium sind die entstehenden Rauchgase und Stäube, die dazu neigen können, sich im Filter selber zu entzünden. Hierzu ist der Einsatz spezieller Filter erforderlich.

Beispiele für Schnittgeschwindigkeiten einer Hypertherm Powermax 1650 Handplasmaanlage für Druckluft und einem Schneidstrom von 100 A, der Abstand zwischen Brenner und Werkstück beträgt für alle Schnitte und Materialien 3,2 mm:

  • Aluminium 9,5 mm dick mit 2.336 mm/min bis zu max. 3.606 mm/min
  • Aluminium max. 25,4 mm dick mit 533 mm/min bis zu max. 838 mm/min

Zum Vergleich: Edelstahl

  • Edelstahl 9,5 mm dick mit 2.006 mm/min bis zu max. 3.099 mm/min
  • Edelstahl 25,4 mm dick mit 381 mm/min bis zu max. 584 mm/min
  • Edelstahl max. 31,8 mm dick mit 228 mm/min bis zu max. 355 mm/min

Zum Vergleich: Baustahl

  • Baustahl 9,5 mm dick mit 1.955 mm/min bis zu max. 3.022 mm/min
  • Baustahl 25,4 mm dick mit 457 mm/min bis zu max. 711 mm/min
  • Baustahl max. 31,8 mm dick mit 305 mm/min bis zu max. 482 mm/min

Kann man Kupfer und Messing schneiden?

  • Ja, auch Kupfer und Messing lassen sich hervorragend mit Plasma schneiden
  • Als Plasmagas setzt man auch hier vereinfacht Druckluft oder Stickstoff ein, je nach Modell
  • Es sind hierfür spezielle Verschleißteile, Düsen und Elektroden einzusetzen, die der jeweilige Hersteller vorgibt. Gibt der Hersteller für diese Nischenanwendung keine speziellen Schneidtabellen vor, so werden häufig der Einfachheit die Einstellparameter für Baustahl mit Druckluft angewendet. Die korrekten Schnittgeschwindigkeiten ermittelt man durch Versuche.   
  • Dabei zeigt sich, dass die Schnittgeschwindigkeit geringer ist und auch der maximale Dickenbereich wesentlich abnimmt.
  • Die Schnittqualität kann als dabei als gut bezeichnet werden, ja nach Brennermodell sind Schnittkanten mit nur einem kleinen Winkel Schnittschräge möglich, der Schnitt hat nur wenig Grat, meistens nur Spritzer, die leicht entfernt werden können. Die Schnittkanten sind meistens metallisch blank und sauber.
FAQ Plasmaanwendungen
Kann man Grauguss 20 mit Plasma schneiden? Wenn ja, wie?

Am Beispiel GG20 (EN-GJL-200 neue Bezeichnung) mit 60 mm Dicke wird beschrieben, wie man am besten Grauguss schneiden kann.

Autogenschneiden scheidet in der Regel aus, weil der Kohlenstoffgehalt von Grauguss zu hoch ist! Eine Autogen-Schneidbarkeit mit Hilfe eines Opferblechs könnte theoretisch möglich sein, wobei Risse sich als Folge des hohen C-Anteils bilden können. Evtl. zusätzliches Vor- und Nachglühen erforderlich - also kein einfaches Unterfangen.

Somit kommt Plasma als Schneidwerkzeug für Grauguss zum Einsatz

  • Für Plasma liegt das Problem im hohen Siliziumgehalt von 1,7 bis 3,5 %, das bedeutet: es ist Grat- und Bart-Bildung an der Unterseite des Zuschnitts zu erwarten und es muss nachgearbeitet und entgratet werden!
  • Prinzipiell läßt sich Grauguss wie Stahl schneiden, d.h. man kann die meisten Parameter aus den Tabellangaben von Stahl übernehmen (leichte Anpassungen erforderlich).
  • Ein weiteres Problem ist möglich: Sand! Da wir nicht wissen, wie der Grauguss entstanden ist, besteht die Möglichkeit, dass das Material in Sand gegossen wurde und somit Sandpartikel zurück geblieben sind. Diese führen zu einer Ablenkung des Plasmastrahls, höherer Bartbildung und zu schlechteren Schnitten.
  • Ein weiteres Risiko sind mögliche Lunker und Verunreinigungen im Material - dies kann zu Schnittabrissen oder Rückschlägen führen.
    Außerdem: Lochstechen in 60 mm Materialdicke bedeutet hohen Düsenverschleiß, eventuell könnte es hilfreich sein, mit einer alten Düse die Lochstechpunkte vorzustechen oder vorzubohren.
  • Eine weitere Herausforderung könnte beim Schneiden kleiner Löcher und zu hohen Anforderungen an die Schnitttoleranzen liegen, denn Zuschnitte in 60 mm Dicke sind generell nicht unkompliziert!
  • Zu berücksichtigen ist auch die Stückzahl, wie viel Teile davon zu schneiden sind. Es empfiehlt sich die geschnittenen Teile häufiger nachzumessen und durch rechtzeitigen Austausch der Verschleißteile schlimmere Fehler zu vermeiden.
  • Einstellparameter für das Plasma: Die Stromquelle kann im Prinzip genauso eingestellt werden, wie bei Schwarzblech mit der entsprechenden Materialdicke.
  • Grauguss kann mit Luft oder Sauerstoff geschnitten werden. Das Plasmagas Luft ergibt jedoch viel mehr braunen Rauch und Schadstoffe. Besser ist es mit Sauerstoff und dem Wirbelgas Luft zu schneiden. Ansonsten ist ein normaler Schneidvorgang entsprechend den Schneiddaten der Plasmahersteller sinnvoll.
  • Für 60 mm Materialdicke sollte eine Stromstärke von min. 300 A eingesetzt werden.

Wir bedanken und bei den folgenden Herstellern für die Unterstützung und Hilfe bei diesem Beitrag: Fa. Hypertherm, Fa. Kjellberg Finsterwalde

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.

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