Was versteht man unter Plasma?

Feinstrahlplamsabrenner beim Einstechen mit Fasenkopf
Feinstrahlplamsabrenner mit Fasenkopf

Plasma wird als der 4. Aggregatzustand in der Natur bezeichnet. Wahrscheinlich hatte bereits jeder Mensch schon einmal Kontakt mit Plasma in der freien Natur - nämlich bei einem Gewitter. Die elektrische Entladung des Lichtbogens erzeugt Plasmagas - ein Gas, das man sogar riechen kann. Manche Menschen sprechen auch von "reiner Luft" nach einem Gewitter und meinen dabei das als "frisch" riechende Gas - Ozon O³ , das durch die elektrische Entladung entsteht. Wie man mit diesem "Gewitter" Stahl trennt, erfahren Sie hier.

 

Ein Gas wird durch elektrische Energie ionisiert (d.h. die Elektronen auf den äußeren Atom-Schalen werden frei gesetzt). Beim Auftreffen der Gasmoleküle auf den elektrisch leitfähigen, zu schneidenden Gegenstand fallen die Elektronen in ihren Ausgangszustand zurück und setzen dabei ihre Rekonfigurationsenergie frei. Im Auftreffpunkt werden Temperaturen um bis zu 30.000 K erreicht. Das Material schmilzt sehr schnell, durch den Vorschub der Maschine entsteht ein Schnitt. Dabei bläst der Gasstrom kontinuierlich das weiche Material aus der Schnittfuge heraus und trennt so das Material. Die entstehenden Gase müssen über einen geeigneten Filter abgesaugt werden. Auch wenn Sauerstoff als Plasmagas zum Einsatz kommt, sprechen wir beim Plasmaschneiden von einem Schmelzschneidprozess, da der Einfluss der externen Hitze durch den Lichtbogen größer ist, als der des Brennschneidprozesses, der bei Verbrennung mit Sauerstoff zum Tragen kommt. Charakteristisch für den Lichtbogen ist seine blasenförmige Ausgestaltung, womit sich die Notwendigkeit ergibt, über eine geeignete Z-Achsen Höhenregelung einen optimalen Brennpunkt für das Auftreffen des Lichtbogens einzustellen und nachzuführen.

Der Wirkungsgrad heutiger Plasmaschneidsysteme liegt bei 80 bis 90%, das bedeutet, dass seine elektrische Anschlußleistung bei vergleichbarer Schneidleistung erheblich geringer als bei einem CO2-Laser ausfällt.

 

CO2-Laser erreichen physikalisch bedingt einen Wirkungsgrad von 10 bis max. 15%, d.h. ein 5 kW Laser benötigt rund 50 bis 60 kW Anschlussleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der Faserlaser hingegen arbeitet mit einem rund doppelt so hohen Wirkungsgrad von bis zu 30%, der Halbleiter-Diodenlaser hingegen kommt auf rund 40%, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO2-Laser geringer ausfällt.

Die Schnittleistung beispielsweise eines 260A-Präzisions-Plasmabrenner entspricht ca. der eines 6 kW CO2-Lasers, wobei seine Anschlussleistung hingegen nur ¼ beträgt, ca. 35 kW.

Der Plasmastrahl ist zwar sehr energiereich, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf eine so kleine Fläche fokussieren wie beim Laser, seine Energiedichte ist somit geringer als beim Laser.
Dies bedeutet im praktischen Einsatz, das sich eine breitere Schnittfuge bildet und damit auch ein größerer Materialaustrag entsteht.
Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmastrahls erhöht auch den Einfluss der Hitzeeinwirkung auf das Material und seine Gefügeänderung im Randzonenbereich des Schnittes.