Das Plasmaschneiden als Methode der Metallbearbeitung hat gegenüber anderen mehrere Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören Kosteneffizienz, ein breiteres Spektrum an Metallschnitten, hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit.
Was ist Plasmaschneiden? Wie funktioniert der Prozess? Welches Gas eignet sich ideal für diesen Prozess? Welche Materialien bearbeiten Plasmaschneider? Lesen Sie weiter, während wir diese Fragen ausführlich beantworten und Ihnen weitere wichtige Informationen zum Plasmaschneiden liefern.
Überblick über Plasmaschneiden
Plasmaschneiden ist ein Metallbearbeitungsprozess, bei dem ionisierte Gase verwendet werden, die auf Temperaturen über 20,000 °C erhitzt werden0C zum Schmelzen von Metallmaterialien. Dieses unter hohem Druck ausgestoßene Gas schmilzt das Material und entfernt Material aus dem Schnitt.
Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Prozess nur bei elektrisch leitfähigen Materialien wie Edelstahl, Kupfer, Aluminium und anderen Metallen funktioniert. Mit anderen Worten: Beim Plasmaschneiden können keine Steine, Papier, Glas und andere schlechte Stromleiter geschnitten werden.
Diese Technik ist hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit beim Schneiden dicker Metalle konkurrenzlos. Darüber hinaus ist es vielseitig einsetzbar und erfordert geringe Werkzeugwartungskosten. Darüber hinaus verfügt es über eine hohe Schnittpräzision und eignet sich daher ideal zum Schneiden von Teilen mit komplexen Geometrien.
Nachdem wir kurz wissen, was Plasmaschneiden ist, wollen wir etwas über seine Geschichte erfahren.
Geschichte des Plasmaschneidens
Das Verfahren des Plasmaschneidens gibt es seit 1957. Es begann als Erweiterung des GTAW-Verfahrens (Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen). Ursprünglich wurde sie hauptsächlich zum Schneiden von Stahl- und Aluminiumplatten mit einer Dicke zwischen einem halben und sechs Zoll verwendet.
Die damals verwendeten Plasmaschneider waren unberechenbar und hatten nicht die Präzision moderner Plasmaschneider. Außerdem gingen die verwendeten Elektroden und Düsen aufgrund der während des Prozesses entstehenden Hitze schnell kaputt. Der Austausch von Düsen und Elektroden machte das Plasmaschneiden in dieser Zeit oft teuer.
Ende des 1960. Jahrhunderts
In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren erlebte diese Technik jedoch einen Durchbruch, als Ingenieure einen Dual-Flow-Brenner entwickelten. Dieser Brenner trug dazu bei, die Lebensdauer von Elektroden und Düsen zu verlängern und gleichzeitig die Qualität und Präzision der Schnitte zu steigern.
1970er-Jahre
Ingenieure nutzten die 1970er-Jahre, um Dämpfe und Rauch, die zunächst während des Schneidprozesses auftraten, durch die Einführung eines Wasserschalldämpfers und eines Tisches zu kontrollieren. Sie entwickelten auch bessere Düsen, die dazu beitrugen, die Präzision des Lichtbogens zu verbessern und Bedienern und Maschinisten die Möglichkeit zur Feinabstimmung zu geben.
1980er-Jahre
Die 1980er Jahre waren für Ingenieure eine Zeit des Experimentierens, da sie mehrere neue Funktionen entwarfen und implementierten. Zu diesen Funktionen gehören Plasmaschneider auf Sauerstoffbasis, die durch unterschiedliche Leistungsstufen eine bessere Schnittkontrolle ermöglichen. Sie konzentrierten sich auch auf die Tragbarkeit der Plasmaschneideinheit, um sie ergonomischer zu gestalten.
Von den 1990er Jahren bis heute
In den 1990er Jahren waren hochauflösende Plasmaschneider aufgrund der Verwendung langlebiger Sauerstoffprozesse auf dem Markt. Diese langlebigen Sauerstoffprozesse in Kombination mit einem neuen Düsensystem ermöglichten es den Plasmaschneidern dieser Ära, die Energiedichte früherer Perioden zu vervierfachen.
Von den 1990er Jahren bis heute lag der Schwerpunkt der Ingenieure auf Energieoptionen und -steuerungen sowie der Verbesserung der Effizienz. Sie haben auch die Präzision von Plasmaschneidern verbessert, sodass die Modelle heute schärfere Kanten und exakte Schnitte bieten. Portabilität und Automatisierung sind weitere Aspekte des Plasmaschneiders, die Ingenieure erheblich verbessert haben, da immer mehr Handgeräte im Umlauf sind.
Nachdem wir nun wissen, wie sich das Plasmaschneiden im Laufe der Jahre entwickelt hat, wie funktioniert es?
Wie Plasmaschneiden funktioniert
Beim Plasmaschneiden wird anstelle des mechanischen Schneidens ein Metall mithilfe von Hitze geschmolzen. Plasmaschneider funktionieren, indem sie einen Lichtbogen durch ein Gas schicken. Dieses Gas strömt dann durch eine verengte Öffnung (Düse). Durch die eingeschränkte Öffnung dringen die Gase mit hoher Geschwindigkeit hindurch und bilden Plasma. Beim Schneiden eines Werkstücks wird die Schneidspitze des Plasmaschneiders dem Werkstück ausgesetzt. Beachten Sie außerdem, dass aufgrund der Leitfähigkeit des Plasmas das Werkstück über den Schneidtisch mit dem Boden verbunden werden muss.
Nicht alle Plasmaschneidanlagen funktionieren gleich. Es gibt jedoch drei Arten von Schneidverfahren.
Drei Arten von Schneidprozessen
- Hochfrequenzkontakt: Dies ist eine Low-Budget-Form. Aufgrund der Gefahr von Interferenzen mit modernen Geräten aufgrund der hohen Frequenz ist dieses Verfahren für CNC-Plasmaschneider nicht verfügbar. Beim Hochfrequenz-Kontaktschneiden werden Hochfrequenzfunken und Hochspannung verwendet – der Funke entsteht, wenn der Plasmabrenner mit dem geschnittenen Metall in Kontakt kommt. Der Kontakt schließt den Stromkreis, erzeugt den Funken und erzeugt das zum Schneiden verwendete Plasma.
- Pilotbogen: Bei diesem Schneidprozess erfolgt die Funkenerzeugung im Inneren des Brenners durch eine Kombination aus Niederstromkreis und Hochspannung. Dieser Funke ermöglicht die Entstehung eines Pilotlichtbogens, einer kleinen Menge Plasma. Beim Kontakt mit dem Werkstück erzeugt der Plasmaschneider den Schneidlichtbogen, der es dem Maschinisten oder Bediener ermöglicht, mit dem Schneidvorgang zu beginnen.
- Federbelasteter Plasmabrennerkopf: Um einen Kurzschluss zu erzeugen, drückt der Bediener den Brenner gegen das Werkstück. Bei einem Kurzschluss beginnt der Strom zu fließen. Um den Pilotlichtbogen aufzubauen, lässt der Bediener den Druck ab.
Im Prozess verwendetes Gas
Die Art des während des Prozesses verwendeten Gases hängt von der Schneidmethode, dem Schneidmaterial und der Dicke ab. Neben der Bildung eines Plasmastrahls soll das verwendete Gas auch dazu beitragen, geschmolzenes Material und Oxid aus dem Schnitt auszutreiben. Zu den am häufigsten zum Plasmaschneiden verwendeten Gasen gehören:
Argon
Argon ist ein Edelgas und sein Plasmabogen ist stabil. Stabilität bedeutet, dass dieses Gas bei hohen Temperaturen kaum mit Metallen reagiert. Elektroden und Düsen, die zum Argonschneiden verwendet werden, haben oft eine längere Lebensdauer als diejenigen, die mit anderen Gasen verwendet werden.
Argongas unterliegt beim Schneiden aufgrund seines niedrigen Plasmalichtbogens und seiner geringen Enthalpie einer Einschränkung. Außerdem kann es beim Schneiden mit Argon in einer Argonschutzumgebung zwangsläufig zu Schlackenproblemen kommen. Dies liegt vor allem daran, dass die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls etwa 30 % höher ist als in einer Stickstoffumgebung. Diese Probleme sind einer der Gründe, warum Argon beim Plasmaschneiden selten verwendet wird.
Stickstoff
Stickstoff hat eine bessere Plasmabogenstabilität und einen Strahl mit höherer Energie als Argon, insbesondere bei einer höheren Spannungsversorgung. Außerdem bildet sich an den unteren Kanten des Einschnitts nur minimale Schlacke, selbst beim Schneiden von Metallen wie Nickelbasislegierungen und Edelstahl mit hoher Viskosität.
Stickstoffgas funktioniert als eigenständiges Gas oder in Kombination mit anderen Gasen. Es erleichtert auch das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Kohlenstoffstahl.
Luft
Luft enthält 78 Vol.-% Stickstoff und 21 Vol.-% Sauerstoff und ist somit ein geeignetes Gas zum Plasmaschneiden. Der Sauerstoffbestandteil der Luft macht sie zu einem der schnellsten Gase, die beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl verwendet werden. Da Luft überall vorhanden ist, ist es außerdem ein wirtschaftliches Gas, mit dem man arbeiten kann.
Der Nachteil besteht darin, dass die für diesen Prozess verwendeten Elektroden und Düsen in der Regel eine kurze Lebensdauer haben, wodurch die Schnittkosten steigen und die Effizienz sinkt. Auch die Verwendung von Luft als eigenständiges Gas ist problematisch, da es zum Hängenbleiben der Schlacke und zur Oxidation des Schnittguts führt.
Sauerstoff
Wie Luft erhöht auch Sauerstoff die Geschwindigkeit beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl. Durch den Einsatz von hochenergetischem Plasmalichtbogenschneiden und hoher Temperatur für Sauerstoff wird die Geschwindigkeit erhöht. Um Sauerstoff zu verwenden, ist es jedoch am besten, ihn mit hochtemperatur- und oxidationsbeständigen Elektroden zu kombinieren.
Wasserstoff
Die Rolle von Wasserstoff besteht häufig darin, als Hilfsgas zum Mischen mit anderen Plasmaschneidgasen zu dienen. Eine der häufigsten Kombinationen ist Wasserstoff und Argon, wodurch eines der stärksten Gase beim Plasmaschneiden entsteht.
Das Mischen von Argon mit Wasserstoff erhöht die Lichtbogenspannung, die Enthalpie und die Schneidfähigkeit des Argon-Plasmastrahls erheblich. Die Schneidleistung dieser Kombination erhöht sich auch, wenn sie durch einen Wasserstrahl komprimiert wird.
Es gibt einige Gase, die üblicherweise beim Plasmaschneiden verwendet werden. Die folgende Tabelle zeigt diese Gase, die geschnittenen Materialien und die Vorteile des Gases im Verhältnis zum Material.
| Materialstärke | Plasmagas | Sekundärgas | Anmerkung |
| Baustahl 0.5 bis 8 mm | Sauerstoff | Sauerstoff oder Sauerstoff/Stickstoff oder Stickstoff | Gratfreie Kanten tolerieren eine Rechtwinkligkeit mit einer Glätte, die dem Laserschneiden ähnelt |
| Baustahl 4 bis 50 mm | Sauerstoff | Sauerstoff/Stickstoff oder Stickstoff oder Luft | Die Schnittfläche ist bis zu 20 mm gratfrei und hat ein glattes Aussehen mit einer Rechtwinkligkeitstoleranz von bis zu 25 mm, ähnlich wie beim Laserschneiden |
| Hochlegierter Stahl 5 bis 45 mm | Argon / Wasserstoff / Stickstoff | Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff | Bis zu 20 mm gratfrei, glatte Schnitte, geringe Rechtwinkligkeitstoleranz |
| Aluminium 1 bis 6 mm | Druckluft | Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff | Gratfreie Schnitte, die Oberfläche kann rau oder körnig sein, sodass nahezu vertikale Schnitte möglich sind |
| Aluminium 5 bis 40 mm | Argon / Wasserstoff / Stickstoff | Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff | Gratfrei bis 20 mm, körnige oder raue Oberfläche, ermöglicht nahezu vertikale Schnitte |
Materialien für das Plasmaschneiden
Beim Plasmaschneiden werden viele Materialien verwendet. Dies liegt vor allem daran, dass mit dem Verfahren jedes leitfähige Material geschnitten werden kann. Nachfolgend sind die gängigsten Materialien für diese Technik aufgeführt.
Aluminium
Aluminium ist leitfähig, was das Plasmaschneiden zu einem idealen Verfahren für die Herstellung macht. Darüber hinaus bietet das Verfahren bei dickeren Metallen Vorteile im Vergleich zu anderen Aluminiumherstellungsverfahren wie dem Laserschneiden. Es kann Aluminium mit einer Dicke von bis zu 160 mm schneiden.
Darüber hinaus ist die Herstellung von Aluminium mittels Plasmaschneiden aufgrund geringerer Betriebs- und Ausrüstungskosten kostengünstiger.
Baustahl
Weichstahl ist eine Stahlsorte mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, normalerweise maximal etwa 2.1 %. Aufgrund seiner Eigenschaften, die für viele Zwecke geeignet sind, ist es eine der am häufigsten verwendeten Stahlformen. Außerdem ist Weichstahl nicht teuer in der Anschaffung und verfügt über Eigenschaften wie hohe Schlagzähigkeit, Schweißbarkeit und Duktilität.
Edelstahl
Edelstahl ist eine Eisenlegierung, die sowohl korrosions- als auch rostbeständig ist. Das Plasmaschneiden ist eine der effektivsten Methoden zur Herstellung dieses Metalls, da es eine Schnittdicke von bis zu 30 mm ermöglicht. Zu den Edelstahlsorten, die sich ideal zum Schneiden eignen, gehören: 304, 304L, 316, 316L, 321, 310S, 317 usw.
Messing
Messing ist ein weiteres Metall, das sich leicht durch Plasmaschneiden herstellen lässt. Dies liegt an seiner hochleitfähigen Beschaffenheit. Bei der Herstellung von Messing mit dieser Methode ist es jedoch am besten, dies in gut belüfteten Bereichen zu tun. Dies liegt daran, dass Messing Zink enthält und das Einatmen von Dämpfen, die brennendes Zink enthalten, gesundheitsschädlich ist.
Kupfer
Kupfer verfügt über die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aller Materialien außerhalb der Edelmetalle. Zu den wichtigen Eigenschaften dieses Metalls gehören: Korrosionsbeständigkeit, hohe Duktilität und Schweißbarkeit. Diese Eigenschaften, einschließlich seiner hohen Leitfähigkeit, machen Kupfer zu einem idealen Metall für das Plasmaschneiden. Allerdings ist es wie bei Messing wichtig, dieses Metall in Bereichen mit guter Belüftung zu schneiden.
Gusseisen Kochgeschirr
Dieses Metall ist wegen seiner geringen Kosten und Formbarkeit beliebt. In geringen Mengen enthält es Elemente wie Mangan, Schwefel, Phosphor und Silizium. Gusseisen ist sehr leitfähig, hat eine hohe Druckfestigkeit und eine niedrige Schmelztemperatur und eignet sich daher ideal zum Plasmaschneiden.
Vorteile des Plasmaschneidens
Der Einsatz von Plasmaschneiden zur Metallherstellung bietet im Vergleich zu anderen Methoden mehrere Vorteile, die von der Kosteneffizienz bis hin zu höherer Produktivität und besserer Schnittqualität reichen. Hier sind einige weitere Vorteile.
Hohe Schnittqualität
Im Vergleich zu anderen Metallbearbeitungsverfahren wie Brennschneiden oder Wasserstrahlschneiden bietet das Schneiden mit Plasmaschneidern eine höhere Schnittqualität. Dies liegt daran, dass sich an der Kante des Metallschnitts kein Schaum bildet und die Wärmeeinflusszone kleiner ist.
Vielseitigkeit und Flexibilität
Dieses Verfahren kann jedes Metall schneiden, das Strom leitet, was es sehr vielseitig macht. Es kann problemlos Metalle wie Aluminium und hochlegierten Stahl mittlerer und hoher Dicke schneiden. Es eignet sich hervorragend zum Nutenschneiden, Planen oder Markieren von Metallen. Darüber hinaus können mit dem Verfahren auch Metalle im Wasser bei reduziertem Geräuschpegel geschnitten werden.
Flexibilität
Plasmaschneiden ist 100-mal schneller als Laserschneiden und etwa 10-mal schneller als Autogenschneiden. Mit anderen Worten: Es verbessert die Produktivität und reduziert den Zeitaufwand für die Metallherstellung im Vergleich zu anderen Methoden.
Höhere Präzision und Wiederholbarkeit
Aufgrund der dabei entstehenden Hitze weisen die geschnittenen Teile eine höhere Präzision und Oberflächenqualität auf. Darüber hinaus verbessert die Fertigungsgeschwindigkeit die Wiederholgenauigkeit und reduziert gleichzeitig den Zeitaufwand für die Bearbeitung von Metallen.
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Nachteile des Plasmaschneidens
Obwohl die Herstellung von Metallen mittels Plasmaschneiden viele Vorteile mit sich bringt, gibt es auch Nachteile.
- Schneidet nur leitfähige Materialien
- Nicht ideal für Dicken über 150 mm
- Während des Prozesses entstehende helle Blitze könnten sich negativ auf das menschliche Auge auswirken
- Der Betrieb ist teilweise laut
- Beim Schneiden an der Luft entstehen Dämpfe
- Bei Verbrauchsmaterialien mit geringer Lebensdauer wie Düse und Elektrode könnte es kostenintensiv sein
Fazit
Beim Plasmaschneiden handelt es sich um einen Prozess, bei dem die vierte Materialstufe zum Schneiden leitfähiger Metalle eingesetzt wird. Dieses Verfahren bietet viele Vorteile, darunter höhere Produktivität, Vielseitigkeit, Präzision und Oberflächenqualität.
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