Plasmaschneiden im Detail

Wir hatten in einem Artikel in diesem Blog bereits kurz die Prozedur des Plasmaschneidens angerissen. Nun wollen wir das ganze etwas detaillierter und vor allem chemischer betrachten.

Beim Plasmaschneiden wird mittels einer Elektrode Gas ionisiert, indem es energetisch aufgeladen wird. Die Ionen die hierbei entstehen sind sehr reaktiv, gehen also schnell neue Verbindungen ein. Dies tun sie sobald sie den Rand des Strahlenerzeugungssystem erreich. Hier reagieren Sie mit der umgebenden Luft in einer hochgradig exothermen Reaktion. Die Temperaturen, die dadurch erreicht werden sind hoch genug um Metalle zu schmelzen.

Als Plasmagase Verwendung finden dabei die Gase Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Luft.

Es ist möglich die Effizienz beim Plasmaschneiden zu erhöhen indem der Plasmaschneider über eine wassergekühlte Plasmadüse verfügt. Diese „schnürt“ das Plasmagas ein, sorgt also dafür, dass der Strahl wesentlich konzentriert und gezielter aus der Plasmadüse austritt. Die Energiedichte ist also maßgeblich höher mit wassergekühlter Düse und der Plasmastrahl trifft stark konzentriert mit Überschallgeschwindigkeit auf das Werkstück.

Eine noch wirksamere Effizienzsteigerung lässt sich mit der Wirbelgastechnologie erreichen. Man umgibt die Plasmaschneiderdüse mit einer sogenannten Wirbelkappe, die verschiedene Funktionen hat. Zum einen schützt sie die Elektrode vor hochspritzendem Material, zum anderen schnürt sie den Gasstrom ein. Dies geschieht, indem aus der Wirbelkappe Wirbelgas ausgegeben wird. Dieses umgibt das Plasmagas und schnürt es ein. Außerdem reagiert das Plasmagas nun ausschließlich mit dem Wirbelgas und nicht mit der umgebenden Luft. Dadurch werden Brandstellen vermieden, die durch Oxidation entstehen.

In der Gesamtheit betrachtet wird eine Energiebrücke zwischen Plasmaschneider und Werkstück aufgebaut. Wobei der Plasmaschneider die Anode und das Werkstück die Katode ist. Die Energiebrücke selbst besteht aus Plasmagas, das als sogenannter Plasmabogen Temperaturen von bis zu 30.000°c erreicht. Das Material wird daher extrem erhitzt, schmilzt und wird dann durch das nachströmende Plasmagas weggeblasen.

Das Plasmaschneiden hat sich als im Vergleich zu anderen Schneideverfahren hochgradig effizient und kostengünstig erwiesen. Da sich nahezu alle leitfähigen Materialien relativ schnell schneiden lassen. Eine alternative Technologien ist z. B. Wasserstrahlschneiden, dass allerdings vergleichsweise extrem langsam von statten geht und gerade bei dickerem Material durch die hohen Reibungskräfte eher geringe Schnittqualitäten erzielt. Eine weitere Alternative stellt das Laserstrahlschneiden dar. Dieses ist jedoch extrem kostenintensiv und folglich nur für sehr große Industriebetrieben interessant.

Daher hat sich Plasmaschneiden bisher als das am häufigsten verwendete Verfahren zum Trennen von Metallen durchgesetzt.