Was ist Plasmaschneiden
ist ein Metallbearbeitungsverfahren, das ionisierte Gase verwendet, die auf Temperaturen über 20.000 °C erhitzt werden, um Metallmaterialien zu schmelzen. Dieses Gas, das unter hohem Druck ausgestoßen wird, schmilzt das Material und entfernt Material aus dem Schnitt.
Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Verfahren nur bei elektrisch leitfähigen Materialien wie Edelstahl, Kupfer, Aluminium und anderen Metallen funktioniert. Mit anderen Worten, Plasmaschneiden kann keine Steine, Papier, Glas und andere schlechte elektrische Leiter schneiden.
Diese Technik ist unschlagbar in Bezug auf Kosteneffizienz beim Schneiden von dicken Metallen. Außerdem ist sie vielseitig und erfordert geringe Werkzeugwartungskosten. Sie bietet auch eine hohe Schnittpräzision, was sie ideal für das Schneiden von Teilen mit komplexen Geometrien macht.
Nachdem wir kurz verstanden haben, was Plasmaschneiden ist, wollen wir etwas über seine Geschichte erfahren.
Geschichte des Plasmaschneidens
Das Verfahren des Plasmaschneidens existiert seit 1957. Es begann als Erweiterung des GTAW-Verfahrens (Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen). Seine Hauptanwendung war zunächst das Schneiden von Stahl- und Aluminiumplatten mit Dicken zwischen einem halben Zoll und sechs Zoll.
Plasmaschneider aus dieser Zeit waren unvorhersehbar und besaßen nicht die Präzision moderner Geräte. Außerdem brachen die Elektroden und Düsen aufgrund der während des Prozesses auftretenden Hitze schnell. Häufiges Wechseln von Düsen und Elektroden machte das Plasmaschneiden damals teuer.
Ende der 1960er Jahre
In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren erlebte diese Technik jedoch einen Durchbruch, als Ingenieure eine Doppelstrom-Fackel entwickelten. Diese Fackel verbesserte die Lebensdauer von Elektroden und Düsen und steigerte gleichzeitig die Qualität und Präzision der Schnitte.
1970er Jahre
In den 1970er Jahren nutzten Ingenieure die Zeit, um die während des Schneidprozesses zunächst auftretenden Dämpfe und Rauch zu kontrollieren, indem sie einen Wasserschalldämpfer und einen Tisch einführten. Sie entwickelten auch bessere Düsen, die die Präzision des Lichtbogens verbesserten und den Bedienern und Maschinenführern die Möglichkeit gaben, fein einzustellen.
1980er Jahre
Die 1980er Jahre waren eine Phase des Experimentierens für Ingenieure, die mehrere neue Funktionen entwarfen und implementierten. Dazu gehören sauerstoffbasierte Plasmaschneider, die eine bessere Schnittkontrolle durch Variation der Leistungsstufen bieten. Sie konzentrierten sich auch auf die Portabilität der Plasmaschneideinheit und machten sie ergonomischer.
Von den 1990er Jahren bis heute
In den 1990er Jahren kamen hochauflösende Plasmaschneider auf den Markt, dank der Verwendung langlebiger Sauerstoffprozesse. Diese langlebigen Sauerstoffprozesse in Kombination mit einem neuen Düsen-System ermöglichten es den Plasmaschneidern dieser Zeit, die Energiedichte im Vergleich zu früheren Perioden zu vervierfachen.
Von den 1990er Jahren bis heute liegt der Fokus der Ingenieure auf Leistungsoptionen und Steuerungen sowie der Effizienzsteigerung. Sie haben auch die Präzision der Plasmaschneider verbessert, wobei heutige Modelle schärfere Kanten und exakte Schnitte bieten. Portabilität und Automatisierung sind weitere Aspekte, die Ingenieure deutlich verbessert haben, da immer mehr Handgeräte im Umlauf sind.
Jetzt, da wir wissen, wie sich das Plasmaschneiden im Laufe der Jahre entwickelt hat, wie funktioniert es?
Wie Plasmaschneiden funktioniert
Die Plasmaschneiden Der Prozess beinhaltet die Verwendung von Hitze, um ein Metall zu schmelzen, anstatt es mechanisch zu schneiden. Plasmaschneider arbeiten, indem sie einen elektrischen Lichtbogen durch ein Gas senden. Dieses Gas strömt dann durch eine verengte Öffnung (Düse). Die eingeschränkte Öffnung bewirkt, dass die Gase mit hoher Geschwindigkeit hindurchgepresst werden und Plasma bilden. Das Schneiden eines Werkstücks erfordert, dass die Schneidspitze des Plasmaschneiders auf das Werkstück gerichtet wird. Beachten Sie auch, dass aufgrund der Leitfähigkeit von Plasma das Werkstück über den Schneidtisch geerdet werden muss.
Nicht alle Plasmaschneidsysteme funktionieren auf die gleiche Weise. Es gibt jedoch drei Arten von Schneidprozessen.
Drei Arten von Schneidprozessen
Hochfrequenzkontakt: Dies ist eine kostengünstige Form. Aufgrund des Risikos von Störungen bei moderner Ausrüstung durch die hohe Frequenz ist dieser Prozess bei CNC-Plasmaschneidern nicht verfügbar. Das Hochfrequenzkontakt-Schneiden beinhaltet die Verwendung von Hochfrequenzfunken und hoher Spannung – der Funke entsteht, wenn die Plasmabrennerdüse das zu schneidende Metall berührt. Der Kontakt schließt den Stromkreis, initiiert den Funken und erzeugt das Plasma, das zum Schneiden verwendet wird.
Pilotlichtbogen: Bei diesem Schneidprozess entsteht der Funke im Brenner durch eine Kombination aus Niedrigstromkreis und hoher Spannung. Dieser Funke ermöglicht die Erzeugung eines Pilotlichtbogens, einer kleinen Menge Plasma. Beim Kontakt mit dem Werkstück erzeugt der Plasmaschneider den Schneidlichtbogen, der es dem Bediener ermöglicht, den Schneidvorgang zu starten.
Federbeladener Plasmabrennerkopf: Um einen Kurzschluss zu erzeugen, drücken die Bediener den Brenner gegen das Werkstück. Sobald der Kurzschluss hergestellt ist, beginnt der Strom zu fließen. Um den Pilotlichtbogen zu erzeugen, lösen die Bediener den Druck.
Im Prozess verwendetes Gas
Die Art des während des Prozesses verwendeten Gases hängt von der Schneidmethode, dem Schneidmaterial und der Dicke ab. Neben der Sicherstellung der Bildung eines Plasmastrahls sollte das verwendete Gas auch helfen, geschmolzenes Material und Oxide aus dem Schnitt zu entfernen. Die am häufigsten verwendeten Gase für das Plasmaschneiden sind;
Argon
Argon ist ein inertes Gas, und sein Plasmalichtbogen ist stabil. Stabilität bedeutet, dass dieses Gas bei hohen Temperaturen kaum mit Metall reagiert. Elektroden und Düsen, die für das Argonschneiden verwendet werden, haben oft eine längere Lebensdauer als solche, die mit anderen Gasen verwendet werden.
Argongas hat beim Schneiden eine Einschränkung aufgrund seines niedrigen Plasmalichtbogens und seiner Enthalpie. Außerdem treten beim Schneiden mit Argon in einer Argon-Schutzumgebung häufig Schlackenprobleme auf. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls etwa 30 % höher ist als in einer Stickstoffumgebung. Diese Probleme sind einer der Gründe, warum Argon selten für das Plasmaschneiden verwendet wird.
Stickstoff
Stickstoff hat eine bessere Stabilität des Plasmalichtbogens und einen energiereicheren Strahl als Argon, insbesondere bei höherer Spannung. Außerdem bildet es minimale Schlacke an den unteren Schnittkanten, selbst beim Schneiden von Metallen wie Nickelbasislegierungen und Edelstahl mit hoher Viskosität.
Stickstoffgas wird als eigenständiges Gas oder in Kombination mit anderen Gasen verwendet. Es ermöglicht auch das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Kohlenstoffstahl.
Luft
Luft enthält 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff nach Volumen, was sie zu einem geeigneten Gas für das Plasmaschneiden macht. Der Sauerstoffanteil in der Luft macht sie zu einem der schnellsten Gase beim Schneiden von niedriglegiertem Stahl. Außerdem ist Luft überall verfügbar und daher ein kostengünstiges Gas.
Nachteilig ist, dass die für diesen Prozess verwendeten Elektroden und Düsen meist eine kurze Lebensdauer haben, was die Schneidkosten erhöht und die Effizienz verringert. Außerdem ist die Verwendung von Luft als alleiniges Gas problematisch, da sie Schlackenhängen und Schnittoxidation verursacht.
Sauerstoff
Wie Luft erhöht Sauerstoff ebenfalls die Schnittgeschwindigkeit bei niedriglegiertem Stahl. Die Verwendung von Hochenergie-Plasmalichtbogenschneiden und hoher Temperatur mit Sauerstoff steigert die Geschwindigkeit. Um Sauerstoff zu verwenden, ist es jedoch am besten, ihn mit Elektroden zu kombinieren, die hochtemperatur- und oxidationsbeständig sind.
Wasserstoff
Die Rolle von Wasserstoff besteht oft darin, als Hilfsgas mit anderen Plasmaschneidgasen gemischt zu werden. Eine der gebräuchlichsten Kombinationen ist Wasserstoff und Argon, die eines der leistungsstärksten Gase beim Plasmaschneiden erzeugt.
Die Mischung von Argon mit Wasserstoff erhöht die Lichtbogen-Spannung, die Enthalpie und die Schneidfähigkeit des Argon-Plasmastrahls erheblich. Die Schneideffizienz dieser Kombination steigt auch, wenn sie durch einen Wasserstrahl komprimiert wird.
Es gibt einige Gase, die häufig beim Plasmaschneiden verwendet werden. Die folgende Tabelle zeigt diese Gase, die geschnittenen Materialien und die Vorteile des Gases in Bezug auf das Material.
Materialstärke Plasmagas Sekundärgas Bemerkung
Baustahl 0,5 bis 8 mm Sauerstoff Sauerstoff oder Sauerstoff/Stickstoff oder Stickstoff Gratfreie Kanten können Rechtwinkligkeit tolerieren, mit einer Glätte ähnlich dem Laserschneiden
Baustahl 4 bis 50 mm Sauerstoff Sauerstoff/Stickstoff oder Stickstoff oder Luft Gratfrei bis 20 mm, die Schnittfläche hat ein glattes Erscheinungsbild, bis 25 mm Rechtwinkligkeitstoleranz, ähnlich dem Laserschneiden
Hochlegierter Stahl 5 bis 45 mm Argon / Wasserstoff / Stickstoff Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff Gratfrei bis 20 mm, glatte Schnitte, schlechte Toleranz für Rechtwinkligkeit
Aluminium 1 bis 6 mm Druckluft Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff Gratfreie Schnitte, die Oberfläche kann rau oder körnig sein, ermöglicht nahezu senkrechte Schnitte
Aluminium 5 bis 40 mm Argon / Wasserstoff / Stickstoff Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff Gratfrei bis 20 mm, körnige oder raue Oberfläche, ermöglicht nahezu senkrechte Schnitte
Materialien für das Plasmaschneiden
Es gibt viele Materialien, die für das Plasmaschneiden verwendet werden. Dies liegt hauptsächlich daran, dass der Prozess jedes leitfähige Material schneiden kann. Nachfolgend sind die gebräuchlichsten Materialien für diese Technik aufgeführt.
Aluminium
Aluminium ist leitfähig, was das Plasmaschneiden zu einem idealen Verfahren für die Fertigung macht. Außerdem bietet das Verfahren Vorteile bei dickeren Metallen im Vergleich zu anderen Aluminiumfertigungsmethoden wie dem Laserschneiden. Es kann Aluminium mit einer Dicke von bis zu 160 mm schneiden.
Aluminium
Darüber hinaus ist die Fertigung von Aluminium mittels Plasmaschneiden kostengünstiger aufgrund niedrigerer Betriebs- und Gerätekosten.
Weichstahl
Weichstahl ist eine Stahlart mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, normalerweise etwa maximal 2,11 %. Es ist eine der am häufigsten verwendeten Stahlformen aufgrund seiner Eigenschaften, die für viele Zwecke geeignet sind. Außerdem ist Weichstahl preiswert zu beschaffen und besitzt Eigenschaften wie hohe Schlagfestigkeit, Schweißbarkeit und Duktilität.
Stahl
Edelstahl
Edelstahl ist eine Eisenlegierung, die sowohl korrosions- als auch rostbeständig ist. Plasmaschneiden ist eine der effektivsten Methoden zur Fertigung dieses Metalls, da es das Schneiden von Dicken bis zu 30 mm ermöglicht. Die für das Schneiden idealen Edelstahlsorten umfassen: 304, 304L, 316, 316L, 321, 310S, 317 usw.
Edelstahl
Messing
Messing ist ein weiteres Metall, das sich leicht mittels Plasmaschneiden fertigen lässt. Dies liegt an seiner hohen Leitfähigkeit. Beim Fertigen von Messing mit dieser Methode sollte jedoch in gut belüfteten Bereichen gearbeitet werden. Dies liegt daran, dass Messing Zink enthält und das Einatmen von Dämpfen, die brennendes Zink enthalten, gesundheitsschädlich ist.
Messing schneiden
Kupfer
Kupfer hat 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. Wie bei Messing ist es jedoch wichtig, dieses Metall in gut belüfteten Bereichen zu schneiden.
Kupfer schneiden
Gusseisen
Dieses Metall ist wegen seiner niedrigen Kosten und Verformbarkeit 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, was es ideal für das Plasmaschneiden macht.
Gusseisen schneiden
Vorteile des Plasmaschneidens
Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung von Plasmaschneiden für die Metallverarbeitung gegenüber anderen Methoden, von Kosteneffizienz bis hin zu höherer Produktivität und besserer Schnittqualität. Hier sind einige weitere Vorteile.
Hohe Schnittqualität
Im Vergleich zu anderen Metallverarbeitungsprozessen wie Flammenschneiden oder Wasserstrahlschneiden bietet das Schneiden mit Plasmaschneidern eine höhere Schnittqualität bei Metallen. Dies liegt an der Abwesenheit von Rückständen am Schnittkante und dem kleineren Bereich der wärmebeeinflussten Zone.
Vielseitigkeit und Flexibilität
Dieser Prozess kann jedes elektrisch leitfähige Metall schneiden, was ihn sehr vielseitig macht. Er kann problemlos Metalle wie Aluminium und hochlegierten Stahl mittlerer und hoher Dicke schneiden. Er eignet sich hervorragend für Nutenschneiden, Planieren oder Markieren von Metallen. Darüber hinaus kann der Prozess Metalle auch unter Wasser mit reduzierten Geräuschpegeln schneiden.
Hohe Geschwindigkeit
Plasmaschneiden ist 100-mal schneller als Laserschneiden und etwa 10-mal schneller als Brennschneiden. Mit anderen Worten, es steigert die Produktivität und reduziert die Zeit für die Metallverarbeitung im Vergleich zu anderen Methoden.
Höhere Präzision und Wiederholbarkeit
Die geschnittenen Teile weisen aufgrund der im Prozess involvierten Hitze eine höhere Präzision und Oberflächenqualität auf. Außerdem verbessert die Fertigungsgeschwindigkeit die Wiederholbarkeit und reduziert die Zeit für die Metallbearbeitung.
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