Wie Metallbauer Plasma herstellen können

Sep 01, 2023

Haben Ihre plasmageschnittenen Teile übermäßige Schlacke oder unrunde Löcher? Sind Löcher verzogen? Haben Sie Probleme, diese Kanten stromabwärts zu verschweißen? Diese bewährten Tipps können Metallbauern helfen. Getty Images

Wenn Sie eine hochwertige Plasma-Stromversorgung mit dem richtigen Schneidtisch oder -system kombinieren, ist es möglich, Teile mit glatten Kanten und wenig bis gar keiner Winkligkeit zu schneiden. Dennoch müssen Hersteller von Zeit zu Zeit mit einer nicht zufriedenstellenden Schnittqualität rechnen. Hier finden Sie einen Blick auf die häufigsten Herausforderungen bei der Schnittqualität und die Schritte, die erforderlich sind, um wieder auf den richtigen Weg zu kommen.

Das mit Abstand häufigste Problem bei der Schnittqualität, mit dem Hersteller konfrontiert sind, ist Schlacke. Obwohl es relativ einfach ist, das überschüssige Metall, das sich an der Ober- und Unterkante des Teils verfestigt, zu entfernen, ist es dennoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden. Wenn jemand einen sekundären Arbeitsgang wie Schleifen, Häckseln oder Schmirgeln durchführen muss, dient dies häufig der Entfernung von Schlacke.

Schlacke entsteht aus mehreren Gründen. Die Schnittgeschwindigkeit, entweder zu langsam oder zu schnell, ist ein häufiger Schuldiger, aber bei weitem nicht der einzige. Der Abstand zwischen dem Brenner und dem zu schneidenden Material sowie die Stromstärke, die Spannung und der Zustand der Verbrauchsmaterialien wirken sich ebenfalls auf die Krätze aus. Es gibt auch das Problem des zu schneidenden Materials – seine Dicke und Art, Qualität, chemische Zusammensetzung, Oberflächenbeschaffenheit, Ebenheit (oder deren Fehlen) und Temperaturänderungen während des Schneidens wirken sich alle auf den Prozess aus. Insgesamt spielen mehr als ein Dutzend Faktoren eine Rolle, aber glücklicherweise sind nur drei entscheidend: Schnittgeschwindigkeit, Stromstärke und Abstand.

Wenn die Schnittgeschwindigkeit zu langsam ist, sucht der Plasmalichtbogen nach mehr Material zum Schneiden. Der Durchmesser der Lichtbogensäule vergrößert sich, wodurch sich die Schnittfuge bis zu einem Punkt erweitert, an dem der Hochgeschwindigkeitsanteil des Plasmastrahls das geschmolzene Metall nicht mehr vom Schnitt wegbläst. Stattdessen sammelt sich dieses Metall entlang der Unterkante der Platte an und bildet bei niedriger Geschwindigkeit Schlacke. Auch das Schneiden mit einer zu hohen Stromstärke oder einem zu geringen Abstand kann zu Krätze bei niedriger Geschwindigkeit führen, da beide Änderungen dazu führen, dass mehr Energie vom Plasmalichtbogen einen bestimmten Bereich des Metalls berührt.

Dann liegt die Lösung auf der Hand: schneller schneiden. Leider bringt dies eine Reihe eigener Herausforderungen mit sich. Wenn die Schnittgeschwindigkeit zu hoch ist, kann der Lichtbogen nicht mithalten. Es fällt oder bleibt hinter dem Brenner zurück und hinterlässt einen kleinen, harten Wulst aus ungeschnittenem Material am Boden der Platte. In vielerlei Hinsicht ist diese Schlacke bei hoher Geschwindigkeit schlimmer als ihr Gegenstück bei niedriger Geschwindigkeit, da sie härter ist und in der Regel eine aufwändige Bearbeitung erfordert, um sie zu entfernen.

Bei extrem hohen Geschwindigkeiten kann der Lichtbogen sogar instabil werden. Es beginnt auf und ab zu vibrieren, wodurch ein Hahnenschweif aus Funken und geschmolzenem Material entsteht. Bei diesen Geschwindigkeiten kann es sein, dass der Lichtbogen das Metall nicht durchdringt und sogar stoppt. Eine zu niedrige Stromstärke oder ein zu hoher Abstand können ebenfalls zu Schlackenbildung bei hoher Geschwindigkeit führen, da beide Änderungen die Energiemenge des Lichtbogens verringern.

Zusätzlich zu den Schlacken bei niedriger und hoher Geschwindigkeit gibt es noch eine dritte Art, die als Schlackenspritzer bezeichnet wird. Dies geschieht, wenn wiedererstarrtes Metall entlang der Oberseite des geschnittenen Stücks spritzt. Normalerweise ist es sehr leicht zu entfernen. Die Ursache hierfür ist meist eine verschlissene Düse, eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit oder ein zu großer Abstand. Es wird durch die Wirbelströmung des Plasmastrahls verursacht, der in einem bestimmten Winkel geschmolzenes Material vor die Schnittfuge hinausschleudert, anstatt durch die Schnittfuge hindurch.

Zwischen den beiden Extremen der Schlackenbildung bei niedriger und hoher Geschwindigkeit liegt ein „genau richtiges“ Fenster, das offiziell als schlackenfreie Zone bezeichnet wird. Dies ist der Schlüssel zur Minimierung sekundärer Bearbeitungsschritte an plasmageschnittenen Teilen. Ihr Fenster wird variieren. Wenn Sie Stickstoff oder Luft als Plasmagas auf Kohlenstoffstahl verwenden, werden Sie im Allgemeinen feststellen, dass Ihr schlackenfreies Fenster ziemlich klein ist. Hersteller, die mit Sauerstoffplasma schneiden, haben etwas mehr Spielraum. Obwohl es nicht immer einfach ist, diese optimale Schnittgeschwindigkeit zu finden, gibt es ein paar Dinge, die Sie tun können.

Führen Sie mehrere Schnitte mit unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten durch und wählen Sie die Geschwindigkeit, die den saubersten Schnitt erzeugt. Verzögerungslinien (kleine Grate in der Schnittoberfläche) sind eine gute Möglichkeit, Ihre Schnittgeschwindigkeit zu beurteilen. Wenn Sie zu langsam schneiden, werden Sie Verzögerungslinien sehen, die senkrecht zur Plattenebene verlaufen. Wenn Sie zu schnell schneiden, sehen Sie schräge S-förmige Verzögerungslinien, die parallel zur Platte entlang der Unterkante verlaufen.

Beobachten Sie außerdem den Lichtbogen (tragen Sie den richtigen Augenschutz) während des Schnitts und ändern Sie die Geschwindigkeit dynamisch, um optimale Lichtbogeneigenschaften zu erzielen. Beobachten Sie dazu den Winkel des Bogens, wenn er an der Unterseite des Werkstücks austritt. Wenn Sie mit Luftplasma schneiden, sollte der Lichtbogen vertikal sein, wenn er am unteren Ende des Schnitts austritt. Bei Stickstoff oder Argon/Wasserstoff ist ein leichter nachlaufender Lichtbogen am besten, während bei Sauerstoff ein leichter vorlaufender Lichtbogen am besten ist.

Abbildung 1 Der Abstand zwischen Brenner und Werkstück ist entscheidend. Wenn der Brenner richtig positioniert ist (oben), bleibt der Lichtbogen schmal. Wenn es zu nah (unten) oder zu weit von der Platte entfernt ist, wird der Bogen breiter, wodurch ein Teil mit einem übertriebenen Winkel entsteht.

Ein letzter Tipp zum Thema Krätze: Sehen Sie in der Bedienungsanleitung Ihres Schneidsystems nach. Plasmaprozessingenieure verbringen Monate in einem Labor damit, mit verschiedenen Parametern zu experimentieren, um umfassende Schnitttabellen zu erstellen, in denen empfohlene Schnittgeschwindigkeiten, Schnitthöhen und Stromstärken für viele Materialtypen und -stärken aufgeführt sind. Beginnen Sie immer mit diesen Sollwerten und passen Sie von dort aus in Schritten von 10 % nach oben und unten an.

Das Schneiden von Teilen mit möglichst geringer Kantenwinkeligkeit ist eine weitere Herausforderung für Hersteller. Dies liegt daran, dass ein Plasmabogen nicht vollkommen gerade ist. Dies bedeutet, dass jedes mit Plasma geschnittene Metall eine gewisse Winkligkeit aufweist, es gibt jedoch Möglichkeiten, diese zu minimieren.

Eine Möglichkeit besteht darin, Ihre Verbrauchsmaterialien und die Leistung an die zu schneidende Materialstärke anzupassen. Bedenken Sie dabei, dass niedrigere Stromstärken und langsamere Schnittgeschwindigkeiten zu einer geringeren Winkligkeit führen. Überprüfen Sie außerdem sorgfältig Ihre Verbrauchsmaterialien, insbesondere die Düse und den Schutzschild, auf etwaige Schäden. Selbst eine kleine Beule oder Kerbe kann die Schnittqualität beeinträchtigen. Stellen Sie abschließend sicher, dass Ihr Brenner nach dem Lochen und während des gesamten Schnitts den richtigen Abstand zur Platte hat (sieheAbbildung 1).

Hier sind ein paar Dinge, die Sie tun können, um ein Aufwickeln mit verzogenem Material und Teilen zu verhindern. Programmieren Sie zunächst Ihre CAM-Software so, dass Schnittpfade erstellt werden, die den Wärmeeintrag steuern, indem sie Abschnitte abkühlen lassen, bevor benachbarte Teile geschnitten werden. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie sehr dünnes Material schneiden.

Als nächstes verwenden Sie eine möglichst geringe Stromstärke und entsprechende Verbrauchsmaterialien bei möglichst hoher Schnittgeschwindigkeit für die Materialstärke. Wenn Sie einen Grundwasserspiegel haben, achten Sie darauf, dass das Wasser mit dem Material in Kontakt bleibt. Bedenken Sie jedoch, dass Wasser bei vielen Materialien die Kantenglätte und in manchen Fällen auch die Kantenhärte beeinträchtigen kann.

Jedes mit einem Plasmalichtbogen geschnittene Material weist an den Kanten metallurgische Effekte auf. Schließlich bringen Sie extrem viel Wärme in das Metall ein. Glücklicherweise können Sie diese Auswirkungen durch die Wahl des Gases abschwächen.

Wenn Sie Kohlenstoffstahl schneiden, erzielen Sie mit der Verwendung von Sauerstoff sowohl für Ihr Plasma als auch für Ihr Schutzgas die beste Kantenmetallurgie. Ein Sauerstoff/Sauerstoff-Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Zoll geschnitten werden. Tatsächlich sind die metallurgischen Auswirkungen so gering, dass sich dieses Verfahren häufig zum Gewindeschneiden eignet.

Darüber hinaus sind mit Sauerstoff geschnittene Teile zu 100 % schweiß- und bearbeitbar und reißen bei Umformvorgängen selten. Luft- oder Stickstoffplasma führt bei den meisten Stählen zu einer gewissen Kantenhärtung und Nitrierung, wodurch die Kanten spröde werden und bei einigen Schweißprozessen Porosität entstehen kann. Glücklicherweise ist diese Nitridschicht im Allgemeinen dünn, zwischen 0,006 und 0,010 Zoll dick und leicht zu entfernen.

Wenn Sie Edelstahl schneiden müssen, wird eine Gasmischung empfohlen. Mit einer Mischung aus 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff als Plasmagas ist es möglich, Edelstahl mit einer Dicke von weniger als 1/4 Zoll und einer sehr reinen Kante zu schneiden. Dickere rostfreie Abschnitte schneiden oft besser ab, wenn sie mit einer Mischung aus 35 % Wasserstoff und 65 % Argon geschnitten werden. Unabhängig von der Dicke wird ein Stickstoffschutzgas empfohlen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Edelstahl unter Wasser mit Stickstoff sowohl als Plasma als auch als Schutzgas zu schneiden und so die Oxidschicht zu beseitigen, die sich beim Schneiden in Umgebungsluft bildet.

Um es noch einmal zusammenzufassen: Verwenden Sie Sauerstoff, sofern Ihr System dies unterstützt, um die beste Kantenmetallurgie auf Kohlenstoffstahl zu erzielen. Verwenden Sie für Edelstahl eine Wasserstoff/Stickstoff-Mischung bei Materialien mit einer Dicke von weniger als 1/4 Zoll und eine Wasserstoff/Argon-Mischung bei Material mit einer Dicke von mehr als 1/4 Zoll. Verwenden Sie immer Stickstoff als Schutzgas, unabhängig von der Dicke.

Figur 2Das Schneiden von Löchern kann einiges an Versuch und Irrtum erfordern, da die Bediener Schwierigkeiten haben, unrunde oder konische Löcher sowie Löcher mit überschüssigem Metall entlang des Innenradius zu verhindern.

Obwohl die vorherigen Tipps die Schnittqualität bei den meisten Teilen und Formen verbessern, erfordert das Schneiden von Löchern etwas mehr Arbeit. Als Faustregel gilt, dass der Lochdurchmesser nicht kleiner sein sollte als die Dicke der Platte. Wenn Sie also eine Platte mit einer Dicke von 1/2 Zoll schneiden, sollten Sie Löcher mit einer Dicke von 1/2 Zoll schneiden Durchmesser oder größer. Doch auch dabei haben die Bediener häufig Probleme mit unrunden oder konischen Löchern, bei denen die Oberseite des Lochs größer als die Unterseite ist (sieheFigur 2).

Luftplasma erzeugt aufgrund des nacheilenden Bogenwinkels des Plasmastrahls immer ein Loch mit einer natürlichen, wenn auch sehr geringen Verjüngung. High-Definition- und X-Definition-Plasmasysteme erzeugen eine nahezu nicht vorhandene Verjüngung.

Als allgemeine Best Practice beim Plasmaschneiden von Löchern gilt es, die Platte in der empfohlenen Schnitthöhe zu durchstechen und eine Lochverzögerungszeit zu verwenden. In der Bedienungsanleitung Ihres Plasmas erfahren Sie normalerweise, wie lange eine Verzögerung erforderlich ist. Dadurch wird ein Rückschlag geschmolzenen Metalls auf Ihren Schutzschild und Ihre Düse verhindert oder zumindest verringert.

Ein zweiter Tipp ist, mit dem Einstieg in Ihr Loch zu spielen. Beginnen Sie mit der Einführung nahe der Mitte des Lochs und nicht am Radius. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kerbe, die sich beim Einstechen bildet, im weggeschnittenen Metall entsteht und nicht am Rand Ihres Lochs. Das Starten in der Mitte hat einen zweiten Vorteil: Dadurch hat der Lichtbogen mehr Zeit, sich zu stabilisieren, und die Brennerhöhensteuerung hat mehr Zeit, sich auf die Schnitthöhe zu bewegen, bevor sie den Radius erreicht. Obwohl die meisten Maschinen hervorragende Löcher produzieren können, wenn die Einlaufformen gerade und senkrecht zum Loch sind, profitieren langsamere Maschinen von der Verwendung eines radialen oder gebogenen Einlaufs (sieheFigur 3).

Idealerweise soll der Lichtbogen an oder hinter der 360-Grad-Einführungsfuge stoppen oder abschalten. Einige Softwareprogramme können den Plasmalichtbogen an der Schnittfuge abschalten, während die Bewegung aktiv bleibt. Dies ist die beste Methode zum Schneiden von Löchern, da sie einen sanfteren Schnittende-Übergang und eine sehr kleine Einkerbung beim Drehen des Lichtbogens ermöglicht aus.

Die Schnittgeschwindigkeit sollte etwa 60 % der Geschwindigkeit betragen, mit der Sie die Außenkontur des Teils schneiden. Durch diese Anpassung der Schnittgeschwindigkeit kommt es zwar zu etwas Schlacke bei niedriger Geschwindigkeit, aber der Kompromiss lohnt sich, da dadurch die Lochverjüngung minimiert wird. Beim Schneiden von Löchern mit einem Durchmesser von weniger als 1 1/4 Zoll ist es am besten, die Lichtbogenspannungssteuerung und die Spannungshöhenkorrektur zu deaktivieren und stattdessen die Lochstechhöhe und die Funktion „Indizierung zur Schnitthöhe“ zu aktivieren. Dies wird empfohlen, da die langsamere Geschwindigkeit zum Schneiden von Löchern dazu führt, dass die Lichtbogenspannungsregelung den Brenner zu nahe an die Platte bewegt.

Diese Tipps sind ein guter Ausgangspunkt. Dennoch wird, wie bereits erwähnt, Ihr spezifisches System Ihre Endergebnisse in hohem Maße beeinflussen. Dies liegt daran, dass die Prozessfähigkeit der Plasma- und Tischhersteller stark variiert. Unterschiede in der Art der Brennerhöhensteuerung, der CAM-Software sowie den Tischbewegungs- und Beschleunigungsmöglichkeiten können sich erheblich auf Ihr Endergebnis auswirken. Dennoch verbessern diese Tipps und Vorschläge mit Sicherheit die Schnittqualität und die Lochform für alle, die Plasma verwenden, unabhängig von der Art – Luft, konventionell, High-Definition, X-Definition – oder der Marke.

Figur 3Obwohl eine senkrechte Einführung (links) bei den meisten Maschinen funktioniert, ist eine gebogene Einführung (rechts) hilfreich, wenn Sie eine langsamere Maschine verwenden.