Auswahl der richtigen Schneidparameter für CNC-Plasmaschneidmaschinen

Die Auswahl der Schneidprozessparameter für CNC-Plasmaschneidanlagen ist entscheidend für die Qualität, Geschwindigkeit und Effizienz der Schneidergebnisse.

Der richtige Einsatz einer CNC-Plasmamaschine für hochwertiges und schnelles Schneiden setzt ein tiefes Verständnis und die Beherrschung der Parameter des Schneidprozesses voraus.

I. Schneidestrom

Der Schneidstrom ist der kritischste Parameter im Plasmaschneidprozess, da er die Dicke und die Geschwindigkeit des Schnitts direkt beeinflusst und damit die Schneidfähigkeit bestimmt. Die Auswirkungen des Schneidstroms sind wie folgt:

1. Erhöhte Schneidfähigkeit und Geschwindigkeit: Mit steigendem Schneidstrom erhöht sich auch die Lichtbogenenergie, was zu einer höheren Schneidleistung und einer höheren Schnittgeschwindigkeit führt.
2. Breitere Schnitte: Eine Erhöhung des Schneidstroms vergrößert auch den Durchmesser des Lichtbogens, wodurch der Schnitt breiter wird.
3. Düse Überhitzung: Wenn der Schneidstrom zu hoch ist, kann die Düse überhitzen, was zu vorzeitigen Schäden und einer verminderten Schnittqualität führt. In extremen Fällen kann dies dazu führen, dass ein normales Schneiden nicht mehr möglich ist. Daher ist es wichtig, vor dem Schneiden den geeigneten Schneidstrom und die entsprechende Düse in Abhängigkeit von der Materialstärke auszuwählen.

II. Schnittgeschwindigkeit

Der optimale Schnittgeschwindigkeitsbereich kann anhand der Geräteanleitung oder durch Versuche ermittelt werden. Verschiedene Faktoren wie Materialstärke, Materialart, Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenspannung nach dem Schmelzen beeinflussen die Schnittgeschwindigkeit. Die Hauptauswirkungen der Schnittgeschwindigkeit sind wie folgt:

1. Verbesserte Schnittqualität: Eine mäßige Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit kann die Qualität des Schnitts verbessern, indem sie den Schnitt etwas verengt, die Schnittfläche glatter macht und die Verformung verringert.
2. Überhöhte Geschwindigkeit: Wenn die Schnittgeschwindigkeit zu hoch ist, reicht die Energie der Schnittlinie nicht aus, so dass der Strahl das geschmolzene Material nicht sofort abblasen kann. Dies führt zu einer größeren Menge an Rückschleppung und Schlacke, die am Schnitt hängen bleibt, wodurch die Qualität der Schnittfläche abnimmt.
3. Probleme bei niedriger Geschwindigkeit: Wenn die Schneidgeschwindigkeit zu niedrig ist, fungiert die Schneidposition als Anode des Plasmalichtbogens. Um die Stabilität des Lichtbogens aufrechtzuerhalten, muss der Anodenpunkt oder -bereich einen Platz finden, um den Strom in der Nähe des nächsten Schnitts zu leiten, wodurch mehr Wärme radial auf den Strahl übertragen wird. Dies führt zu:
   • Ein breiterer Schnitt.
   • Das geschmolzene Material sammelt sich und erstarrt am unteren Rand, wobei sich schwer zu reinigende Schlacke bildet.
   • Die obere Kante des Schnittes bildet eine abgerundete Ecke aufgrund von übermäßiger Erwärmung und Schmelzen.
   • In extremen Fällen kann der Lichtbogen erlöschen, wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist.

III. Lichtbogenspannung

Die Lichtbogenspannung, die in der Regel als Schneidspannung bezeichnet wird, ist ein weiterer entscheidender Parameter beim Plasmaschneiden. Plasmaschneidanlagen arbeiten in der Regel mit hoher Leerlaufspannung und Arbeitsspannung. Die Auswirkungen der Lichtbogenspannung sind wie folgt:

1. Gase mit hoher Ionisierungsenergie: Bei der Verwendung von Gasen mit hoher Ionisierungsenergie, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Luft, ist die für einen stabilen Plasmalichtbogen erforderliche Spannung höher.
2. Erhöhte Lichtbogenenthalpie und Schneidfähigkeit: Wenn der Strom konstant ist, bedeutet eine Erhöhung der Spannung eine Erhöhung der Lichtbogenenthalpie, was die Schneidfähigkeit erhöht.
3. Verbesserte Schnittgeschwindigkeit und Qualität: Wird der Strahldurchmesser bei gleichzeitiger Erhöhung des Gasdurchsatzes und der Enthalpie verringert, führt dies häufig zu höheren Schnittgeschwindigkeiten und besserer Schnittqualität.

IV. Arbeitsgas und Durchflussmenge

Arbeitsgase beim Plasmaschneiden

Beim Plasmaschneiden sind die Auswahl und das Management der Arbeitsgase entscheidend für eine optimale Schneidleistung. Zu den Arbeitsgasen gehören in der Regel Schneidgas, Hilfsgas und in einigen Fällen auch Startgas. Das geeignete Arbeitsgas sollte je nach Art, Dicke und Schneidverfahren des zu bearbeitenden Materials ausgewählt werden.

Die Rolle von Schneidgas

Das Schneidgas erfüllt mehrere wichtige Funktionen:

1. Bildung eines Plasmastrahls: Das Schneidgas wird ionisiert, um den Plasmastrahl zu bilden, der das primäre Schneidwerkzeug ist.
2. Entfernung von geschmolzenem Metall und Oxiden: Es hilft beim Austreiben von geschmolzenem Metall und Oxiden aus dem Schnitt und sorgt für eine saubere Schnittkante.

Die Bedeutung der Gasdurchflussrate

Die Gasdurchflussmenge ist ein kritischer Parameter, der sorgfältig kontrolliert werden muss:

• Übermäßiger Gasfluss: Wenn der Gasfluss zu hoch ist, kann er mehr Lichtbogenwärme ableiten, die Plasmastrahllänge verkürzen, die Schneidfähigkeit verringern und eine Lichtbogeninstabilität verursachen.
• Unzureichender Gasfluss: Umgekehrt kann der Plasmalichtbogen bei zu geringem Gasdurchsatz seine notwendige Geradheit verlieren, was zu flachen Schnitten und erhöhter Schlackenbildung führt.

Daher muss der Gasdurchsatz gut auf den Schneidstrom und die Geschwindigkeit abgestimmt sein, um die Effizienz und Qualität des Schneidens zu erhalten.

Steuerung der Gasdurchflussrate

Bei den meisten modernen Plasmaschneidanlagen wird der Gasdurchsatz durch die Einstellung des Gasdrucks geregelt. Wenn die Düsenöffnung fixiert ist, steuert die Regelung des Gasdrucks effektiv die Durchflussrate. Der für das Schneiden einer bestimmten Materialstärke erforderliche Gasdruck wird in der Regel vom Anlagenhersteller angegeben. Für spezielle Anwendungen muss der Gasdruck möglicherweise durch tatsächliche Schneidversuche ermittelt werden.

Häufig verwendete Arbeitsgase

Zu den am häufigsten verwendeten Arbeitsgasen beim Plasmaschneiden gehören:

• Argon (Ar)
• Stickstoff (N₂)
• Sauerstoff (O₂)
• Luft
• H35 (eine Mischung aus 35% Wasserstoff und 65% Argon)
• Argon-Stickstoff-Gemisch

Jedes Gas oder Gasgemisch hat spezifische Eigenschaften, die es für unterschiedliche Materialien und Schneidbedingungen geeignet machen. Zum Beispiel:

• Argon: Erzeugt einen stabilen Lichtbogen und wird häufig zum Schneiden von Nichteisenmetallen verwendet.
• Stickstoff: Bietet hohe Schnittgeschwindigkeiten und ist für Edelstahl und Aluminium geeignet.
• Sauerstoff: Verbessert die Schnittgeschwindigkeit und -qualität bei Baustahl.
• Luft: Eine kosteneffiziente Option für das Schneiden verschiedener Materialien, die allerdings eine zusätzliche Filterung erfordern kann.
• H35: Aufgrund seiner hohen Energiedichte wird es zum Schneiden von dickem Edelstahl und Aluminium verwendet.

Gasarten beim Plasmaschneiden: Eigenschaften und Anwendungen

1. Argon Gas

Argongas zeigt bei hohen Temperaturen eine minimale Reaktivität mit Metallen und trägt so zu einem äußerst stabilen Plasmalichtbogen bei. Die Langlebigkeit von Düse und Elektrode wird durch die Verwendung von Argon ebenfalls erhöht. Allerdings arbeitet der Argonplasmalichtbogen mit einer niedrigeren Spannung und hat einen relativ niedrigen Enthalpiewert, was seine Schneidfähigkeit einschränkt. Im Vergleich zum Schneiden mit Luft verringert sich die mit Argon erreichbare Schnittdicke um etwa 25%. Außerdem ist die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls in einer argongeschützten Umgebung um etwa 30% höher als in einer Stickstoffumgebung, was zu einer stärkeren Schlackenbildung führen kann. Selbst wenn es mit anderen Gasen gemischt wird, neigt Argon dazu, klebrige Schlacke zu erzeugen, was reines Argongas für das Plasmaschneiden weniger geeignet macht.

2. Wasserstoffgas

Wasserstoffgas wird in der Regel als Hilfsgas in Kombination mit anderen Gasen verwendet. Ein bemerkenswertes Beispiel ist das Gas H35, das aus 35% Wasserstoff und 65% Argon besteht. Dieses Gemisch ist beim Plasmaschneiden sehr effektiv, da die Lichtbogenspannung durch den Wasserstoff deutlich erhöht wird, was zu einem Plasmastrahl mit hoher Enthalpie führt. In Kombination mit Argon wird die Schneidleistung deutlich verbessert. Zum Schneiden von Metallwerkstoffen, die dicker als 70 mm sind, wird üblicherweise ein Argon-Wasserstoff-Gemisch verwendet. Die Schneideffizienz kann durch die Verwendung eines Wasserstrahls zur Verdichtung des Argon-Wasserstoff-Plasmalichtbogens weiter gesteigert werden.

3. Stickstoffgas

Stickstoff ist ein weit verbreitetes Arbeitsgas beim Plasmaschneiden. Bei hohen Versorgungsspannungen bieten Stickstoffplasmalichtbögen im Vergleich zu Argon eine bessere Stabilität und eine höhere Strahlenergie. Dadurch eignet sich Stickstoff besonders gut zum Schneiden von hochviskosen Werkstoffen wie Edelstahl und Nickelbasislegierungen mit minimaler Schlackenbildung. Stickstoff kann allein oder im Gemisch mit anderen Gasen verwendet werden. In automatisierten Schneidprozessen werden häufig Stickstoff oder Luft verwendet, die damit zum Standardgas für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Kohlenstoffstahl werden. Stickstoff wird auch als Startgas für den Lichtbogen beim Sauerstoffplasmaschneiden verwendet.

4. Sauerstoffgas

Sauerstoff kann die Schnittgeschwindigkeit von kohlenstoffarmem Stahl erheblich erhöhen. Der Schneidmechanismus mit Sauerstoff ähnelt dem Brennschneiden, bei dem der Hochtemperatur-Plasmalichtbogen mit hoher Energie den Schneidprozess beschleunigt. Sauerstoff muss jedoch mit Elektroden verwendet werden, die gegen Hochtemperaturoxidation beständig und gegen Stöße während der Lichtbogenzündung geschützt sind, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

5. Luft

Luft, die etwa 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff enthält, erzeugt beim Schneiden eine ähnliche Schlackenbildung wie Stickstoff. Das Vorhandensein von Sauerstoff in der Luft erhöht die Schnittgeschwindigkeit von kohlenstoffarmem Stahl. Luft ist auch das wirtschaftlichste Arbeitsgas. Die Verwendung von Luft allein zum Schneiden kann jedoch zu Problemen wie Schlackenbildung, Oxidation und Stickstoffanstieg an den Schnittkanten führen. Auch die verkürzte Lebensdauer von Elektroden und Düsen kann die Arbeitseffizienz beeinträchtigen und die Schneidkosten erhöhen.

V. Düsenhöhe beim Plasmaschneiden

Definition und Bedeutung

Die Düsenhöhe bezieht sich auf den Abstand zwischen der Düsenstirnfläche und der Schneidfläche. Dieser Abstand ist ein kritischer Parameter beim Plasmaschneiden, da er die Gesamtlänge des Lichtbogens und damit die Schneidleistung beeinflusst.

Auswirkungen auf die Lichtbogeneigenschaften

Beim Plasmaschneiden werden in der Regel Stromquellen mit konstantem Strom oder steilem Abfall verwendet. Wenn die Düsenhöhe zunimmt, bleibt der Strom relativ stabil. Die Lichtbogenlänge nimmt jedoch zu, was zu einem Anstieg der Lichtbogenspannung und damit der Lichtbogenleistung führt. Dieser Anstieg der Lichtbogenleistung wird durch den Energieverlust der Lichtbogensäule, die der Umgebung ausgesetzt ist, wieder ausgeglichen.

Auswirkungen auf die Schnittleistung

Das Zusammenspiel von erhöhter Lichtbogenleistung und Energieverlust kann zu einer Verringerung der effektiven Schneidenergie führen. Diese Verringerung äußert sich auf verschiedene Weise:

• Abschwächung der Schneidstrahlkraft: Die Kraft des Schneidstrahls nimmt ab, wodurch die Schneidleistung sinkt.
• Zunahme der Schlackenreste: Am unteren Ende des Schnitts bleibt mehr Schlacke zurück, was auf einen weniger sauberen Schnitt hindeutet.
• Abrundung der Oberkante: Die obere Kante des Schnitts wird abgerundet, was für Präzisionsschnitte unerwünscht ist.
• Breiterer Einschnitt: Da sich der Plasmastrahl beim Austritt aus der Düse nach außen ausdehnt, führt eine größere Düsenhöhe zu einem breiteren Schnitt, was die Präzision und Qualität des Schnitts beeinträchtigen kann.

Optimale Düsenhöhe

Um die Schnittgeschwindigkeit und -qualität zu verbessern, ist es im Allgemeinen vorteilhaft, die kleinstmögliche Düsenhöhe beizubehalten. Ist die Düsenhöhe jedoch zu gering, kann es zur Bildung von Doppelbögen kommen, die den Schneidprozess beeinträchtigen.

Verwendung von keramischen Außendüsen

Die Verwendung von keramischen Außendüsen kann die mit niedrigen Düsenhöhen verbundenen Probleme entschärfen. Diese Düsen ermöglichen den direkten Kontakt der Düsenstirnfläche mit der Schnittfläche und setzen die Düsenhöhe effektiv auf Null. Mit dieser Konfiguration können hervorragende Schneidergebnisse erzielt werden, da die Bogenlänge minimiert und die effektive Schneidenergie maximiert wird.

VI. Dichte der Schneidleistung

Hochkompressionsplasmalichtbogen zum Schneiden

Um einen Plasmalichtbogen mit hoher Kompression für das Schneiden zu erreichen, verfügt die Schneiddüse über eine kleine Düsenöffnung, eine erweiterte Bohrungslänge und verbesserte Kühlmechanismen. Diese Merkmale zusammengenommen erhöhen den Strom, der durch die effektive Querschnittsfläche der Düse fließt, und steigern so die Leistungsdichte des Lichtbogens. Diese Verdichtung führt jedoch auch zu einem erhöhten Leistungsverlust des Lichtbogens. Folglich ist die tatsächlich zum Schneiden genutzte Energie geringer als die von der Stromquelle abgegebene Leistung, wobei die typische Verlustrate zwischen 25% und 50% liegt.

Überlegungen zum Energieverlust

Bestimmte Verfahren, wie z. B. das Wasserdruckplasmaschneiden, können höhere Energieverlustraten aufweisen. Dieser Faktor sollte bei der Festlegung der Parameter für den Schneidprozess oder bei der wirtschaftlichen Bewertung der Schneidkosten berücksichtigt werden.

Schneiden von Metallplatten

Bei industriellen Anwendungen liegen die Blechdicken in der Regel unter 50 mm. In diesem Bereich werden beim herkömmlichen Plasmaschneiden häufig Schnitte mit einer größeren Oberkante und einer kleineren Unterkante erzeugt. Diese Diskrepanz kann die Größengenauigkeit des Schnittes verringern und zusätzliche Bearbeitungsarbeiten erforderlich machen.

Werkstoffspezifische Schneideigenschaften

Bei der Anwendung des Sauerstoff- und Stickstoffplasmaschneidens für Materialien wie Kohlenstoffstahl, Aluminium und Edelstahl können folgende Feststellungen getroffen werden:

• Blechdicke 10-25mm: Bei Platten in diesem Dickenbereich ist das Material dicker, was zu einer besseren Vertikalität der Kante führt. Der Winkelfehler der Schnittkante liegt typischerweise zwischen 1 Grad und 4 Grad.
• Blechdicke <1mm: Mit abnehmender Plattendicke nimmt der Winkelfehler der Inzision deutlich zu und reicht von 3-4 Grad bis 15-25 Grad.

Ursachen für Winkelfehler

Die Hauptursache für den Winkelfehler ist der ungleichmäßige Wärmeeintrag des Plasmastrahls auf die Schnittfläche. Die Energiefreisetzung des Plasmalichtbogens ist im oberen Teil des Schnittes stärker konzentriert als im unteren Teil. Diese ungleiche Energieabgabe wird von mehreren Prozessparametern beeinflusst, darunter der Grad der Kompression des Plasmalichtbogens, die Schneidgeschwindigkeit und der Abstand zwischen Düse und Werkstück.

Optimierung der Schnittparameter

Durch die Erhöhung des Kompressionsgrades des Lichtbogens kann der Hochtemperatur-Plasmastrahl verlängert werden, wodurch ein gleichmäßigerer Hochtemperaturbereich entsteht. Dadurch erhöht sich auch die Strahlgeschwindigkeit, was den Breitenunterschied zwischen dem oberen und unteren Rand des Einschnitts verringern kann. Eine übermäßige Komprimierung herkömmlicher Düsen kann jedoch zu Doppelbögen führen, die nicht nur Elektroden und Düsen verbrauchen, sondern auch die Qualität des Einschnitts beeinträchtigen und den Schneidprozess zum Stillstand bringen können.

Darüber hinaus können eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit und Düsenhöhe den Breitenunterschied zwischen der oberen und unteren Kante des Einschnitts verschlimmern. Daher ist eine sorgfältige Optimierung dieser Parameter von entscheidender Bedeutung, um qualitativ hochwertige Schnitte mit minimalen Winkelfehlern und Breitendiskrepanzen zu erzielen.

VII. Tabelle der Parameter des Plasmaschneidprozesses

Bei diesem Verfahren wird ein elektrischer Kanal aus überhitztem, elektrisch ionisiertem Gas (Plasma) vom Plasmaschneider durch das Werkstück erzeugt, wodurch dieses geschnitten wird. Die Parameter für das Plasmaschneiden können je nach Art des Plasmagases und des verwendeten Schneidstroms variieren. Nachstehend finden Sie die optimierten Parameter für das Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl mit verschiedenen Plasmagasen:

Luftplasma-/Luftschutz-Schneidstrom für kohlenstoffarmen Stahl 130A

Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl mit Sauerstoffplasma/Luft-Schutzstrom 130A

Praktische Tipps

• Richtige Belüftung sicherstellen: Beim Plasmaschneiden entstehen Dämpfe und Gase, die ordnungsgemäß belüftet werden müssen, um eine sichere Arbeitsumgebung zu gewährleisten.
• Regelmäßige Wartung: Überprüfen und warten Sie den Plasmaschneider und seine Verbrauchsmaterialien regelmäßig, um eine optimale Leistung und Schnittqualität zu gewährleisten.
• Sicherheitsvorkehrungen: Tragen Sie beim Plasmaschneiden immer eine geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA), einschließlich Handschuhe, Augenschutz und flammfeste Kleidung.

Wenn Sie diese Parameter und Überlegungen beachten, können Sie bei der Bearbeitung von kohlenstoffarmen Stählen mit der Plasmaschneidtechnik effiziente und hochwertige Schnitte erzielen.