Welche Arten von Plasmabrennern gibt es, wie unterscheiden sie sich?

Welcher Plasmabrenner ist für welche Aufgabe geeignet? In Summe unterscheiden wir mindestens 3 Gruppen von Brennern: Brenner mit übertragenden Lichtbogen bei elektrisch leitfähigen Materialien und Brenner mit "nicht übertragende" Lichtbogen. Desweiteren unterscheiden wir maschinelle und handgeführte Brenner. Als letzte Gruppe unterscheiden wir Feinstrahlplasma und Normalplasmabrenner. Lernen Sie die Unterschiede und Einsatzmöglichkeiten kennen.

Inhaltsverzeichnis:

1. Gruppe: Plasmabrenner mit "übertragender" und "nicht übertragendem" Lichtbogen

Plasmabrenner mit starkem Funkenflug beim Zünden des Hauptlichtbogens und Lochstechens
Plasmabrenner beim Zünden des Hauptlichtbogens und Piercen (Lochstechen) mit übertragendem Lichtbogen

Plasmaschneiden mit übertragendem Lichtbogen

Dabei wird der Pilotlichtbogen des Plasma Brenners mithilfe einer Gasströmung auf das leitfähige zu schneidende Material übertragen - daher der Name "Übertragender Lichtbogen". Nach erfolgtem Pilotlichtbogenstart und der Übertragung auf das elektrisch leitfähige Schneidmaterial erfolgt die Freigabe des Hauptlichtbogens.

  • Der übertragende Lichtbogen ist natürlich nur dort einsetzbar, wo das Material elektrisch leitfähig ist, der zu schneidende Werkstoff muss Strom leiten können. Diese Bedingung erfüllen alle metallischen Werkstoffe in der stahl- und metallverarbeitenden Industrie und im Metall-Handwerk
  • Die Schnittqualität und die Schnittgeschwindigkeit dieses Plasmabrennens ist sehr hoch

Plasma mit nicht übertragendem Lichtbogen

Beim nicht übertragenden Lichtbogen brennt der konstante Lichtbogen zwischen Elektrode und Düse. Aus der Düse entweicht das heiße Plasmagas und trennt durch Aufschmelzung das Material, auf das der Lichtbogen auftritt. Ein Pilot Lichtbogen ist nicht erforderlich.

  • Mit nicht übertragendem Plasma kann man Beton, nichtleitende Stoffe oder auch Gitterroste schneiden - dabei darf man jedoch keine großen Ansprüche an die Schnittqualität der Werkstücke stellen, es handelt sich dabei um reine Trennschnitte gemäß dem Motto "Hauptsache getrennt".

  • Man kann mit diesen Plasma Brennern keine hohe Schnittqualität erwarten, da die Geometrie und Stabilität des Lichtbogens nicht konstant und unkontrolliert ist.

  • Beim Plasmareinigen oder Plasmabeschichten hingegen kommt dieses Plasmaverfahren primär zum Einsatz.

  • Das Schneiden mit Plasma nichtmetallischer Stoffe ist möglich, beispielsweise Beton, Glas, Stein etc. Doch mehr als Trennschnittqualität darf man dabei nicht erwarten.

Der "nicht übertragende Lichtbögen" spielt beim Schneiden mit Plasma in der Schneidindustrie eine geringere Rolle.

    2. Gruppe: Handgeführte, manuelle Brenner zu maschinengeführten CNC-Plasmabrennern

    Rückseite: Ein mit HyDefinition®-Plasma geschnittenes 10 mm dickes Teil aus S235 mit 8 mm Löchern
    Die Rückseite eines mit HyDefinition®-Plasma geschnittenem 10 mm dicken Teil aus S235 mit 8 mm Löchern

    Handgeführte Plasmabrenner

    • Stromquellen für Handgeräte, die es in einer großen Vielfalt auf Lager gibt, sollen leicht transportierbar sein, sodass sie mobil einsetzbar sind. Der Schwerpunkt dieser Artikel zielt auf hohe Mobilität und störungssichere und einfache Handhabung. Der Brenner wird von Hand geführt. Eventuell kommen mechanische Führungseinrichtungen zum Einsatz, beispielsweise Kreisschneider oder einfache Linearschlitten mit oder ohne externe Antriebshilfen.

    • Da das Einhalten einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit manuell von Hand unmöglich ist, ist auch die Schnittqualität in der Regel geringer als beim maschinengeführten Brenner, der über CNC-gesteuerte Antriebe bewegt wird. Das Einhalten der passenden Schnittgeschwindigkeit ist ausschlaggebend für eine hohe Schnittqualität.

    • Häufig verfügen Baustellen, kleinere Werkstätten oder auch Haushalte nicht über große elektrische Energiequellen auf der Basis von 400V Drehstrom. Daher sind viele handgeführte Plasmaschneider auf die normalen 230 V Haushaltsanschlüsse ausgelegt. Besitzen diese keinen Pilot Lichtbogen so ist auch keine Hochfrequenzzündung oder Hochspannungszündung erforderlich.

    • Die Beschränkung auf verfügbare Stromstärken limitiert damit natürlich auch die Einsatzmöglichkeiten der Plasmaschneider im mobilen Gebrauch.

    • Mobile Handgeräte sind normalerweise ab Lager verfügbar, während viele Artikel aus dem Bereich der Maschinenstromquellen eine lange Lieferzeit besitzen.

    • Ebenso ist der Einsatz für technische Gase bei handgeführten mobilen Plasmabrennern beschränkt auf den Einsatz von i. d. R. Druckluft / Stickstoff. Einige wenige Modelle erlauben auch den Einsatz technischer Gase.

    • Die handgeführten Plasmacutter werden häufig vor Ort auf Baustellen eingesetzt, wenn es darum geht, noch schnell ein Öffnungsloch in einen Behälter zu schneiden oder ein Schrottteil zu zerlegen. Doch auch für das Erschaffen von Kunstwerken oder einfach ein Stück Stahl passend zu schneiden, eignen sich diese Geräte idealerweise. Sie finden weite Verbreitung in Werkstätten, Schlossereien, Lüftungs- und Schaltschrankbau, Metallbau bis hin zum Hobby- und Heimwerkerbereich.

    Beispiele für handgeführte Plasmabrenner und andere Artikel, beispielsweise: Stahlwerk® Plasmabrenner P60 mit 70 A oder einem Vector Welding® Plasmaschneider 100A mit IGBT Pilotzündung oder Kjellberg CutFire® 100i oder Hypertherm Powermax® SYNC-Serie

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      Maschinengeführte CNC-Plasmaschneider versus Handplasma Cutter

      • Einschaltdauer: Die maschinentauglichen CNC-gesteuerten Plasmastromquellen unterscheiden sich zum Beispiel durch ihre Fähigkeit eine Einschaltdauer von 100 % zu besitzen, die auch bei leistungsstarken Plasmaschneidern gilt. In der Regel haben Handplasmamodelle eher 60 % Einschaltdauer oder weniger.

      • Kühlung: Maschinenplasmabrenner verwenden ein aufwendiges System für die Kühlung des Schneidkopfes. Ihre Verschleißteile verfügen über mehrere Kanäle, die die Düse und die Elektrode während des Schneidvorgangs effektiv mit Kühlwasser abkühlen. Handplasmabrenner benutzen die weniger effektive Luftkühlung.

      • Ströme: Maschinenbrenner arbeiten in der Regel mit wesentlich höheren Strömen als die Handplasmageräte.

      • Mobilität: Handplasmabrenner sind auf Mobilität geeicht, sie sind tragbar und können oftmals an das normale 230 Volt Netz angeschlossen werden. Maschinenplasmabrenner eignen sich nur für eine feste Montage, dementsprechend hoch ist auch der Aufwand für die Montage. Manche Handplasmabrenner verfügen über optionale Schweißkabel auf Lager, die gegen das Plasmaschlauchpaket ausgetauscht werden können und somit zwei Funktionen besitzen.

      • Datenbank, CNC-Schnittstelle: CNC-Maschinenplasmabrenner verfügen über manuelle und automatische Gaskonsolen. Die auto. Gaskonsolen lassen sich über ±10 V oder ± 20 mA oder digitale Schnittstellen von der CNC oder dem CAD/CAM ansteuern. Die Schneiddaten für verschiedenste Materialien sind in einer Datenbank der CNC oder der Plasmastromquelle hinterlegt. Über eine spezielle CNC-Schnittstelle kann die CNC des Schneidportals die Plasmastromquelle ein- und ausschalten. Außerdem wird ein Spannungssignal des Lichtbogens an die Lichtbogenhöhenregelung der CNC übergeben, so dass die korrekte Z-Höhe, der Abstand zwischen Düse und zu schneidendem Werkstoff korrekt eingestellt werden kann.  

      • Genauigkeit, Schnittqualität: Da Handplasmabrenner manuell von Menschenhand geführt werden, können sie kaum eine gleichmäßige Bewegung mit z. B. 1.250 mm/min Vorschub durchführen. Exakte Schnittgeschwindigkeiten kann nur eine CNC-gesteuerte Schneidanlage ausführen. Mit suboptimaler Schnittgeschwindigkeit schwindet natürlich auch die Schnittqualität.
        Allerdings können Handplasmastromquellen sehr wohl an eine CNC-gesteuerte Schneidanlage adaptiert werden, wenn diese eine CNC-Schnittstelle besitzen. Beispielsweise erfolgt dies häufig im Heizungs-Klima-Lüftungs-Bereich (HKL) oder im Metallbau. Das Ergebnis kann sich durchaus sehen lassen. Wird der Handplasmabrenner maschinell geführt entstehen ansehnliche Schneidresultate. Mögliche Einschränkung: Je nach eingesetztem Gas muss das Werkstück für ein porenfreies Verschweißen eventuell nachgearbeitet werden.

      • Betriebskosten: Sowohl die Betriebskosten der Handplasmacutter liegen aufgrund der preiswerten Verschleißteile i. d. R. sehr viel günstiger als die aufwendigen Verschleißteile der Maschinenplasmabrenner als auch die Investition in die Maschinenplasmastromquelle selber.

      • Digitale Schnittstelle OPC/UA: Eine Reihe der modernsten Stromquellen verfügt über digitale Schnittstellen, mit deren Hilfe Prozesszustände in Echtzeit überwacht werden können.

      Unterschiede zwischen: Maschinenbrenner versus manueller Plasmabrenner

      Von der Theorie zur Praxis: So geht effektives Schneiden in der Werkstatt

      Beide Arten des Plasmabrenners sind zu umfangreich, um sie mit wenigen Sätzen hinreichend zu beschreiben. Schneidforum bietet hierzu mehrtägige Schneidseminare an. Der Lesbarkeit der Webseite geschuldet, fassen wir hier daher nur einen Auszug der Unterschiede zusammen.

      Handgeführte bzw. manuelle Plasmabrenner:

      Manuelle Handplasmastromquellen besitzen oftmals eine geringere Einschaltdauer von ED von 60 % bis 80 % oder weniger. Die Einschaltdauer bezieht sich auf einen 10 minütigen Schneidbetrieb, d. h. bei 60 % ED darf der Brenner nur 6 Minuten schneiden und danach muss er abkühlen - das wäre für eine Maschinenanwendung unwirtschaftlich. Eine Schnittstelle zu einer CNC fehlt meistens. Damit ist auch gleich der nächste Unterschied sichtbar:

      Der Preis. Denn um hohe Einschaltdauern zu erreichen, braucht es leistungsstärkere Elektronik, mehr Kühlung, mehr Abschirmung und eine andere Gasversorgung. Damit wird klar, warum manuelle handgeführte Plasmabrenner aus dem Lidl, Aldi, OBI, Amazon, Bauhaus etc. nur wenige hundert Euro kosten und ein Profigerät von Hypertherm®, Kjellberg etc. gleich bei ein oder mehreren Tausend Euro angesiedelt ist.

      Maschinenbrenner:

      Hierbei handelt es sich um automatisierte Plasmastromquellen speziell für CNC-gesteuerte Schneidmaschinen, die man Maschinenbrenner bezeichnet. Besonderheit: Die maschinentauglichen Stromquellen besitzen Schnittstellen zur CNC-Steuerung, wodurch sie sich elektrisch ansteuern lassen, gleichzeitig geben sie Rückkopplungs- und Störungssignale an die CNC zurück, so dass der Schneidprozess automatisierbar wird. Außerdem besitzen Maschinenbrenner 100 % Einschaltdauer ED, was eine wesentlich stärkere Kühlung der Stromquellen und Brenner erforderlich macht, z. B. einen Wasserkühlkreislauf und eine robustere Elektronik, die auch gegen Metallstaub und Schmutz besser abgeschirmt sein muss. Alle Infos zu Maschinenbrennern finden Sie in einem eigenen Kapitel zu CNC-Schneidmaschienen.

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      Es werden 4 komplexe Verschleißteile eines Hochleistungsmaschinenbrenners gezeigt: Düse, Elektrode, neue und abgenutzte Version
      Komplexe Verschleißteile eines Hochleistungsmaschinenbrenners: Düse, Elektrode, neue und abgenutzte Version

      Gruppe 3: Wie unterscheiden sich maschinengeführte Plasmabrenner?

      Maschinenbrenner besitzen weitaus mehr Möglichkeiten einer Automatisierung und einer Digitalisierung gegenüber Handplasmabrennern.

      Handplamaschneider und deren Auswahl haben wir in diversen Fachzeitschriften  veröffentlicht und im Schneidforum grundlegenden Artikel eingestellt.

      Plasmabrenner unterscheiden sich durch die Gastechnik

      Es gibt Plasmabrenner, die nur mit einer Gasart betrieben werden und es gibt komplexe Plasmabrenner, die mit Mehrgastechnik betrieben werden.

      - Einfache Druckluft-Plasmaschneider

      Der Plasmaschneider ist nur für ein Gas konzipiert worden. Die Kühlung des Plasmabrenners erfolgt in der Regel mit Luft.

      Einsatzmöglichkeiten der Druckluft-Plasmaschneider:

      • Für einfache Aufgaben
      • Als Plasmagas wird Druckluft oder Stickstoff eingesetzt
      • Geringe Betriebskosten, preiswerte Verschleißteile, geringere Schnittqualität
      • Auszug Typenbeispiele: Hypertherm® HT40C, MAX100®, Thermadyne PAK®, StakPak®, Cebpora ... 

      - Konventionelle Dualgas/Mischgase Brenner

      Bei Mehrgasplasmabrennern übernimmt das Sekundärgas mehrere Funktionen.

      • Zum einen ist das Sekundärgas verantwortlich für die Kühlung des Plasmaschneidkopfes, der Plasmaschneiddüse.
      • Zum anderen besitzt es Einfluss auf die Schnittqualität und kann zum Schneidmaterial passend gewählt werden, um eine bessere Schnittqualität zu erreichen.
      • Zwei Gase können eingesetzt werden, dies ermöglicht eine bessere Anpassung an die Schneidaufgabe/Material
      • Sauerstoff bei Normalstahl
      • Geeignet für komplexe Aufgaben und wird eingesetzt bei Plasmaströmen von bis zu 1.600 A, Schneiddicke bis zu 160 mm
      • Mittlere Schnittqualität, wobei im dicken Materialbereich die Qualität sogar für viele Anwendungen akzeptabel gut ist
      • Auszug Typenbeispiele: Hypertherm® HT2000, HT4000, Kjellberg Finefokus® 800 / 1600, SmartFocus®, Thermadyne AutoCut, Kaliburn, OCP Oxytome-Baureihe von SAF die besonders im Ausland stark vertreten ist und weitere Plasmastromquellen.

        - Mehrgasplasmabrenner mit erhöhter Einschnürwirkung

        Diese Art der Plasmabrenner, welche die zurzeit höchste Schnittqualität erreichen wird auch als Qualitätsplasma oder Feinstrahlplasma oder sonstige firmeneigene Bezeichnung je nach Hersteller, betitelt. Im Schneidforum verwenden wir die Begriffe synonym und sprechen von Qualitäts- oder Feinstrahlplasma. Gemeint sind damit immer Mehrgasplasmabrenner mit erhöhter Einschnürwirkung des Plasmastrahls.

        • Zwei oder mehr Gase können für verschiedene Metalle eingesetzt werden
        • Gasdruck und Stromanstieg werden geregelt, sodass Stoßbelastungen reduziert werden und höhere Standzeiten möglich sind
        • Schneidkopfaufbau unterscheidet sich wesentlich: Meist werden zwei Schraubkappen eingesetzt, die normale äußere, sowie eine innere Schraubkappe, die auch den Kühlwasserkreislauf abschirmt
        • Aufwendige auto. Gase-Mischkonsolen kommen bei diesen Feinstrahlplasmabrennern zum Einsatz.
        • 100% Einschaltdauer der Systeme ist die Regel bei maschinentauglichen Brennern und gehört zum Standard der führenden Produkte.
        • Plasmaverschleißteile für Mehrgastechnik kosten im Durchschnitt mehr als Verschleißteile konventioneller Brenner.
        • Plasmaschneidanlagen mit erhöhter Einschnürwirkung erzeugen die maximale Schnittqualität, die zurzeit zu erreichen ist.
        • Typenbeispiele folgender Artikel ohne Artikelnummer: Hypertherm®: Alt HD3070/HD4070, HPR130/260/400/600 Neu: XPR-Baureihe. Kjellberg: HiFocus® 80i/161i/280i/360i/440i/600i sowie die neue Q-Baureihe, Thermadyne Ultracut® 200/300/400, Spirit® von Kaliburn, sowie die M3 von Esab und weitere.
        • Besondere Ausführungen für den Warenkorb, wenn Wasserinjektionstechnik infrage kommt, die H2O als Sekundärmedium einsetzen, wie z. B. Hypertherm XPR®-Baureihe oder die Ultracut.

        In der Literatur existieren noch weitere Unterteilungen, doch für den praktischen Alltag genügt uns dieser Terminus.

        Hinweis: Wirtschaftliche Alternativen: Aktuelle Maschinenangebote aus der Industrie: Schneidsysteme für Ihren Betrieb. Die Listung der Plasmastromquellen ist beispielhaft und stellt in der Reihenfolge keine Wertung dar.

        Wie funktioniert ein moderner Feinstrahlplasmabrenner?

        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.
        Erforderlich für Plasmaschneiden: Der Plasmaschneidkopf des Brenners - hier im Schnittbild gezeigt. Aufwendig: Seine Kühlung sowie die Einschnürung des Plasmastrahls durch Bündelung des Gasflusses.
        Bild 3: Der Plasmaschneidkopf eines Maschinenbrenners mit Mehrgastechnik - hier im Schnittbild gezeigt.

        Fazit zu den Plasmabrenner-Arten

        Plasmazuschnitt mit kleinen Löchern plasmageschnitten mit Sauerstoff und Stickstoff als Sekundärgas
        Hervorragende Plasmazuschnitte

        Der manuelle Handplasmabrenner wird häufig auf Baustellen eingesetzt, wenn es schnell gehen muss. Die Geräte sind in der Regel leicht transportabel, einfach an eine 400V-Steckdose anzuschließen und manche Geräte erlauben auch den Betrieb am normalen 230V-Netz. Noch ein wenig Druckluft oder Stickstoff hinzu und schon kann es losgehen. Sind jedoch besonders dicke Stähle zu trennen, beispielsweise Schienen und Profile, Bauträger etc., so eignet sich das autogene Brennschneiden hierfür besser.

        Der Maschinenplasmabrenner wird gerne in Werkstätten eingesetzt, wenn die Komplexität, Genauigkeit und Toleranz der zu schneidenden Konturen, deren Stückzahlen sowie die beabsichtigte weitere Verarbeitung des auszuschneidenden Materials dies erfordern. Die zur Verfügung stehenden Plasmaschneidverfahren Normalplasma oder Feinstrahlplasma mit eingeschnürtem Lichtbogen gestatten ein breites Einsatzgebiet, so dass nicht immer ein Laser erforderlich ist.

        Teile, die anschließend eingeschweißt oder in der weiteren Verarbeitung gefräst, gedreht oder gekantet werden oder sonstigen mechanischen Bearbeitungsschritten unterzogen werden, können häufig mit Plasma preiswert geschnitten können, wenn die oben genannten Voraussetzung erfüllt sind.

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