Schnittfehler beim Plasmaschneiden vermeiden - so gelingt der Plasmazuschnitt

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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!

Typische Schnitteigenschaften, Schnittfehler beim Plasmaschneiden

Die Schnittqualität eines Plasmaschnittes wird nicht nur durch den Brennertyp, die Schneidanlage oder die Erfahrung des Bedieners bestimmt, sondern auch durch eine Reihe weiterer Faktoren. 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 und die den typischen Schnitteigenschaften des Plasmaverfahrens folgen. 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. Gemäß dem Motto: "It is not a bug, it is a feature!"

Halten wir folgenden Gedanken einmal fest: 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 und definieren somit seine Schnitteigenschaften elementar.

Physikalische Effekte bestimmen die Schnitteigenschaften und die Schnittfehler beim 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.

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Möglichkeiten des Plasmaschneidens: Schneiden verschiedener Metalle

  • Unlegierter Stahl lässt sich hervorragend mit Qualitätsplasma schneiden, wenn die Konturen und Genauigkeitserfordernisse nicht zu hoch sind. Als Schneidgas wird Sauerstoff eingesetzt, doch auch mit Luft oder Stickstoff kann geschnitten werden, je nach gewünschtem Resultat.
  • Bei Edelstahl bildet sich eine Zunderschicht auf der Schnittkante, wenn Stickstoff als Plasmagas eingesetzt wird, die nicht nur bei Sichtkanten störend wirkt, sondern auch zum Verschweißen ungeeignet ist und daher abgeschliffen werden muss. Durch Verwendung von bestimmten Plasmabrennern beim Edelstahlzuschnitt, die mit Argon/Wasserstoff oder Formiergas betrieben werden können, kann diese Eigenart jedoch erheblich reduziert bis vermieden werden.
  • Aluminium läßt sich mit einigen Plasmatypen bis zu einer Dicke von 40 mm, laut Herstellerangaben neuster Brenner sogar bis 80 mm Dicke schneiden. Die Schnittkantenoberfläche ist leicht porös, aber überwiegend senkrecht und sauber und besitzt nur wenig bis keinen Grat. Geschnitten wird mit Luft, Stickstoff, H35 je nach Brenner und Materialdicke.
  • Messing, Kupfer können ebenfalls geschnitten werden. Häufig werden die Aluminium-Schneidtabellen auch für diese Metalle verwendet und lediglich vom Bediener leicht angepasst. Die Schnittgeschwindigkeit bzw. die maximale Schneiddicke reduzieren sich bei diesen Metallen erheblich.  
  • Auch Nichtmetalle lassen sich mit dem Plasmaschneider schneiden, wenn sie elektrisch leitfähig sind.
  • Über das Plasmaverfahren mit "nicht übertragendem" Lichtbogen lassen sich mit Hilfe einer Opferelektrode auch nicht elektrisch leitfähige Stoffe wie Beton schneiden.

Die Grenzen des Plasmaschneidens:

  • Die Herstellung kleiner Bohrungen mit dem Plasma Cutter stellte früher oftmals ein Problem dar. Mit den modernen Qualitätsplasmabrennern mit spezieller Lochschneidtechnologie hingegen können ansehnliche kleine Löcher, in manchen Dickenbereichen sogar im Verhältnis von 1 zu 1 (Materialdicke zu Lochdurchmesser) produziert werden.
  • Bisherige Lochgrenzen: Der kleinste Lochdurchmesser gleich min. 1½ der Materialdicke, d.h in 5 mm dickes Blech sollte das kleinste Loch 8 mm betragen. Ab 10 mm (Grenzen sind abhängig vom Plasma Cutter) gilt Faktor 1¼, ab 20 mm Materialdicke gilt Faktor 1, d.h. ein Loch mit einem Durchmesser von 20 mm in 20 mm dicken Baustahl sollte kein Problem für den Plasmaschneider sein. Vorsicht: Angaben sind natürlich vom Brennertyp und vom persönlichen Empfinden abhängig!
  • Erzielbare Höchstleistungen aktueller Lochgrenzen - sofern man über den geeigneten Plasmabrenner UND die geeignete Führungsmaschine verfügt: Lochdurchmesser ab 6 mm Blechdicke Faktor 1 und zum Teil noch besser. D.h. ein 6 mm Loch in 6 mm Baustahl ist für gute Plasma Cutter und Schneidanlagen modernster Bauart möglich. Diese Angaben beziehen sich immer auf Normalstahl. Bei Edelstahl sind die meisten Plasmabrenner noch nicht so weit.
  • Innenecken und Innenradien sind bei neusten Qualitätsplasmabrennern und Hochleistungsportalen heute ein geringeres Problem im Normalstahl-Bereich
  • Die typische Kerbe kann durch die neuen Lochschneidtechniken der Qualitätsplasmen weitestgehend vermieden bis stark reduziert werden.
  • Normalplasma erzeugen mehr Schlackereste und mehr Grat als moderne Qualitätsplasmabrenner
  • Die Schnittergebnisse und Einstellparameter sind abhängig von örtlichen Gegebenheiten und der Materialzusammensetzung, der Maschine und der Bedienererfahrung und können in weiten Grenzen variieren.
  • Gratbildung ist abhängig von der Material-Temperatur und dem Silizium-Gehalt des unlegierten Kohlenstoffstahls.
  • Gratbildung bei anderen Legierungen als Normalstahl können größer sein.
  • Eine Stärke beim Plasmaschneiden: Oberflächenbeschichtungen wie Rost, Öle, Farben sind weitaus unproblematischer für den Plasmaschneidprozess als dies beim Laser- oder Autogenschneiden der Fall ist
  • Plasma erfordert eine gute Masseverbindung des Schneidgutes mit der Stromquelle und eine spezielle Erdung des Tisches aus Sicherheitsgründen. Herstellerangaben beachten!
  • Falsch eingestellte Schnittparameter beeinflussen die Einstechzahlen beim Plasmaschneiden erheblich.
  • Enge Konturen oder enge Schnittspalte oder kleine Löcher oder exakt einzuhaltende Toleranzen von weniger als zwei/drei Zehnteln stellen für Plasma in der Regel ein Problem dar.

    • Auswahl Qualitäts- oder Normalplasma, abhängig von:
      • Geometrie
      • Größe und Komplexität —
      • Toleranz der Kontur
      • weiterer Verarbeitung des Teils

     

    Hinweis: In jedem Fall gelten die Vorschriften und die Schneidtabellen des Herstellers, daher zuerst die Anweisungen im Handbuch beachten und im Zweifel den Hersteller zu Rate ziehen.

1. Schnittfehler: Nachlaufeffekt des Plasmastrahls

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 Möglichkeiten, wie Sie die Schnittqualität beim Plasmazuschnitt verbessern:

  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.   

Durch diese drei Möglichkeiten können Sie das Problem der Massenträgheit des Gasstromes beim Lochschneiden mit dem Plasmabrenner verbessern. Noch bessere Werte erzielen Sie natürlich durch den Einsatz des Lasers oder eines Wasserstrahlschneider.

2. Schnittfehler: Elektrische Eigenschaften des übertragenden Lichtbogens auf den Plasmaschnitt

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 Sie die Kerbe beim Plasmaschneiden optimieren und so die Schnittqualität verbessern

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.

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!

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3. Schnittfehler: Die Strahlform des Lichtbogens führt zur Schnittschräge

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.

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 "LIBO" 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.

Wie finde ich die richtige Höhenregelung? Auswahlkritieren:

  • Die Höhenregelung, auch Z-Achsensupport genannt, 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!
  • Die Eingabe der Schneidhöhe sollte in Millimeter möglich sein. Noch besser jedoch ist die auto. Übergabe des Sollwertes durch die CNC in die Regelung der Z-Achse. Eine Nachjustage der Sollwertvorgabe durch den Maschinenbediener sollte jederzeit möglich sein.
  • Das Einfrieren der Schneidhöhe für manuelle Trennschnitte sollte möglich sein.
  • Beim Beschleunigen bzw. abbremsen der Portalschneidantriebe muss die Höhrenregelung den konstanten Sollwert einfrieren, damit sie nicht unerlaubt abtaucht und so die Standzeiten der Verschleißteile senkt.

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.

Richtige 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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4. Schnittfehler: 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 Mischgase 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 bewegen 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. Feinstrahlplasma setzt ein weiteres Gas, das Sekundärgas, mit einer speziellen Düsen- und Schraubkappengeometrie ein und erreicht so eine effiziente weitere Einschnürung des Lichtbogens.

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.

Die meisten Feinstrahlplasmen arbeiten im Normalstahlbereich optimal, der häufig mit Sauerstoff als Plasmagas geschnitten wird. Wird hingegen Edelstahl geschnitten können die Schnittwinkel etwas schlechter ausfallen.

Wie Sie die schräge Schnittkante beim Plasmaschnitt reduzieren und so die Schnittqualität verbessern:

  • Einsatz von Feinstrahlplasma.
  • Verwendung eines 3D-Schwenkkopfes und entsprechender Korrektur-Software, die den Schneidkopf um den ensprechenden Winkel von 1 bis 6 ° schwenken kann.
  • Auf korrekte Einstellung der LiBo und aller anderen Plasmaeinstellwerte achten. Frische Verschleißteile helfen ebenso für bessere Schnittwinkel.
  • Achten Sie auf eine gute und gleichmässige Erdung des gesamten Brennschneidtisches. Fließen parasitär Ströme ungleichmässig ab, so verhält sich der Stromfluss am Schneidtisch inhomogen und man erhält Probleme, nicht nur beim Starten des Pilotlichtbogens, sondern auch bei der Schnittqualität.
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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. Schnittfehler: Aufhärtung des Schneidmaterials 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.

Wie Sie die Aufhärtung beim Plasmazuschnitt reduzieren und so die Schnittqualität erhöhen:

  • Je schneller Sie schneiden, desto weniger Leistung pro Zeiteinheit führen Sie dem Material zu, desto weniger Energie wird in das Material eingebracht.
  • Je weniger Strom Sie einsetzen, desto weniger Energie wird zugeführt.
  • Verwendung eines anderen Schneidverfahrens, beispielsweise dem Kaltschneidverfahren Wasserstrahl
  • Kühlen Sie das Schneidgut ab, manchmal bietet sich der Einsatz eines flutbaren Wassertisches an. Das Material kann je nach Wasserpegel "Aufwasser" oder "Unterwasser" geschnitten werden. Vorausgesetzt natürlich, dass Ihre Plasmaschneidmaschine dies zulässt. Will man hochfeste Stähle schneiden, die besonders wärmeempfindlich sind, ist dies oft die einzige Möglichkeit. Durch das Wasserbad wird die Wärme gleichmässig vom Metall ins Wasser abgegeben. Doch Vorsicht: Nach einigen Stunden Schneidbetrieb erhitzt sich auch das Wasser und sollte extern gekühlt werden.
FAQ Plasma Schnittfehler
Wie reduziere ich Teile mit Nachlauf und Nasen bei der Kjellberg 360i mit PerCut 370.2 Plasmabrenner?

Das verwendete Material ist S235, 20mm. Der Vorschub beträgt 1600 mm/min. und geschnitten wir mit 250 Ampere.

Ergebnis: Die Teile haben zeigen starken Nachlaufeffekt und unschöne Nasen.

Folgende Maßnahmen schaffen Abhilfe:

  • Brenner rechtwinklig ausrichten.
  • Vorschubgeschwindigkeit reduzieren.
  • Neue Verschleißteile benutzen.
  • Höhenregelung anders einstellen: Thema Eckensignal. Am Potentiometer die Werte ausprobieren, manchmal hat bereits die Einstellung vom Wert 1 auf 10 geholfen, damit die Teile wieder akzeptabel geschnitten werden.
Schräger Schnitt mit Plasma vermeiden?

Ich möchte ein Rechteck aus einer 15 mm dicken Stahlplatte ausschneiden. Dabei habe ich folgendes Problem: Wenn ich das Rechteck ausschneide, dann ist der Schnitt auf den Seiten A und B gerade, also senkrecht, der Schnitt auf den Seiten C und D ist aber leicht schräg. Wie kann ich den schrägen Schnitt vermeiden?

Genau dies ist bei Plasma physikalisch bedingt normal. Wobei wir hier von Normalplasma reden. Beim Normalplasma sind häufig 2 Seiten besonders schhräg. Die Erklärung findest Du im Wirbelring des Brennerns. Das Plasmagas wird im Brenner verwirbelt. Es gibt Wirbelringe die linkserherum verwirbelen oder rechtsherum. Die Verwirbelung hat das Ziel, den Lichtbogen zu stabilisieren, ihn einzuschnüren. Bei Normalplasmabrennern gelingt das in der Regel weniger gut, als bei Feinstrahlplasmabrennern.

Das Problem im einzelnen erklärt: Stelle Dir in der Draufsicht den Gaswirbel vor und zeichne im Kopf einen Vektorpfeil in Drehrichtung des Wirbels. Und nun bringe im Gedanken diesen Wirbel an das Metall und bewege den Wirbel in Schneidrichtung. Dann kannst Du feststellen 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 Voraussetzungen und zwei Seiten werden schräg. Diese Physik gilt auch bei Feinstrahlplasmabrennern, doch dort wird durch eine zusätzliche innere Schraubkappe durch die ein zusätzliches Sekundärgas geleitet wird, der Lichtbogen weit aus stärker eingeschnürt und stabilisiert, so dass dort in der Regel drei Seiten gerade sind und eine Seite in wenig schräg verläuft.

Auch die Schnittschräge unterscheidet sich elementar: Während bei Normalplasma Schnittschrägen um 8° vorkommen können, liegen sie bei Feinstrahlplasma in der Regel unter 3°.

Soweit zur Physik der Plasmaschneidsysteme. Es kann aber auch eine andere ganz einfache Ursache haben:

1. Sitzt der Brennerkörper 100% senkrecht auf dem Blech? Das kannst Du mit einem Winkel sehr schnell selber nachprüfen und solche Fehler sind die einfachsten und die häufigsten. Nach einem Crash oder einem Düsenweschel kann sich die Brennerhalterung dejustieren. Also einfach nachstellen.

2. Eine weitere Ursache können abgebrannte, abgenutzte Düsen sein, wenn z.B. die Innenbohrung nicht mehr 100% rund ist, bekommst Du auch Probleme dieser Art.

3. Ein weiterer Grund könnte in einer schlechten Masseverbindung/Erdung des Schneidtisches liegen, so dass der Lichtbogen einseitig abgelenkt wird - dies tritt zwar deutlich seltener auf, aber möglich.

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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