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Plasmaschneiden

Plasmaschneiden ist ein Schmelzproess und gehört zu den Lichtbogen Trennverfahren.

Verfahrensprinzip

Systematisch betrachtet gehört das Plasmaschneiden zu den Lichtbogen-Trennverfahren und wurde entwickelt, um Metalle zu trennen, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung nicht mit Brennschneiden bearbeitet werden können, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer und deren Legierungen sowie hochlegierte Stähle und Hartmetalle. Der Hauptunterschied zwischen Plasmaschneiden und Brennschneiden besteht darin, dass beim Plasmaschneiden nur eine geringe bis gar keine chemische Reaktion (abhängig vom verwendeten Gas) mit dem Werkstoff stattfindet. Stattdessen wird der Werkstoff aufgeschmolzen, und die Schmelze wird durch einen Gasstrahl herausgedrückt (Schmelzschneiden).

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Um den Schneidprozess einzuleiten, wird zunächst das Zündgas (in der Regel Argon) zugeführt. Anschließend wird ein Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse durch Hochfrequenzspannung gezündet (nicht übertragender Lichtbogen). Dieser energiearme Pilotlichtbogen ionisiert den Bereich zwischen Elektrode und Anode (Werkstück). Berührt der Pilotlichtbogen das Werkstück, wird das Schneidgas aktiviert, und der Hauptlichtbogen wird durch die automatische Erhöhung des Stroms gezündet (übertragender Lichtbogen). Die thermische Energie des Lichtbogens (Rekombination, Konvektion und Strahlung) schmilzt den Werkstoff, während die kinetische Energie des Schneidgases die Schmelze aus der Fuge drängt.

Elektrode und Düse

Elektrode und Düse sind Komponenten mit begrenzter Lebensdauer. Die Standzeit der Elektrode wird maßgeblich durch den Schneidstrom, die Anzahl der Zündungen und die Art des Plasmagases beeinflusst. Zudem spielen das Gas- und Strommanagement zu Beginn und am Ende des Schnitts sowie die Wärmeabfuhr von der Elektrode eine entscheidende Rolle. Als Materialien für Elektroden kommen Wolfram, Zirkonium oder Hafnium zum Einsatz. Wolframelektroden werden dabei ausschließlich in Verbindung mit inerten Plasmagasen und deren Mischungen sowie reaktionsträgen oder reduzierenden Plasmagasen verwendet. Bei reinem Sauerstoff und sauerstoffhaltigen Plasmagasen hingegen kommen Zirkonium- oder Hafniumelektroden zum Einsatz.

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Die Standzeit der Düse wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter:

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  • Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung

  • Masse und Wärmeleitfähigkeit der Düse

  • Leistung (Strom x Spannung)

  • Einschaltdauer des Lichtbogens

  • Anzahl der Zündungen

  • Ablauf beim Lochstechen

  • Intensität der Kühlung

Werkstücke

Der Werkstoff, der geschnitten werden soll, muss elektrisch leitfähig sein, da das Werkstück Teil des Stromkreises ist. Zudem sollte die Erdung möglichst gleichmäßig erfolgen.

Varianten der Plasmaschneidverfahren

Die verschiedenen Verfahren des Plasmaschneidens unterscheiden sich hauptsächlich in der Konstruktion des Plasmabrenners, einschließlich der Auslegung, Medienzuführung, Kühlungsart und des Elektrodenmaterials. Ziel ist es, eine möglichst starke Einschnürung des Lichtbogens zu erreichen, um hohe Schneidegeschwindigkeiten und eine optimale Schnittqualität zu gewährleisten. Die DIN 2310-6 klassifiziert die Varianten basierend auf der Art der Einschnürung wie folgt:

  • Plasmaschneiden ohne Sekundärmedium

  • Plasmaschneiden mit Sekundärmedium

    • über der Wasseroberfläche

    • auf der Wasseroberfläche

    • unter der Wasseroberfläche

  • Plasmaschneiden mit Wasserinjektion

    • über der Wasseroberfläche

    • auf der Wasseroberfläche

    • unter der Wasseroberfläche

  • Plasmaschneiden mit erhöhter Einschnürwirkung

  • Plasmafugen

Zusätzlich gibt es weitere Varianten des Plasmaschneidens:

  • Unterwasserplasmaschneiden

  • Plasmamarkieren

  • Plasmakerben

  • Plasmakörnen

Gase

Mit Plasmagas sind sämtliche Gase gemeint, die sowohl bei der Entstehung des Lichtbogens als auch während des Schneidprozesses eine Rolle spielen. Man unterscheidet dabei zwischen:

  • Zündgas (dient der Erleichterung des Zündvorgangs)

  • Schneidgas (gestaltet den Schneidvorgang so, dass optimale Ergebnisse bei verschiedenen Werkstoffen erzielt werden)

  • Sekundärgas (verengt den Plasmastrahl, kühlt die Düse und verbessert die Schnittqualität)

  • Stickstoff: als Schneidegas bei dünwändigen Blech aus hochlegierten Stahl 

  • Sauerstoff: wird hauptsächlich zum Schneiden von Blechen aus un- und niedriglegierten Stählen eingesetzt. 

  • Wasser: Als Sekundärmedium zur Einschnürung des Lichtbogens und Wärmeübertragung

  • Luft: Sauerstoff und Stickstoff Kombination

  • Argon-Wasserstoff-Gemisch: zum Schneiden von hochlegierten Stählen und Aluminium eingesetzt

  • Stickstoff-Wasserstoff-Gemische: werden heutzutage hauptsächlich als Sekundärgas eingesetzt.
     

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