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Was ist Plasmaschneiden?

Und wie funktioniert es?

Plasma wird bei Websters definiert als eine „Ansammlung geladener Teilchen … die etwa gleich viele positive Ionen und Elektronen enthalten und einige Eigenschaften eines Gases aufweisen, sich aber von einem Gas dadurch unterscheiden, dass sie ein guter Leiter für Elektrizität sind …“. Man kann es sich auch als einen elektrisch erhitzten Gasstrom vorstellen. Ich stelle es mir gerne als einen Zustand vor, in dem alle Elektronen jedes Atoms von Atom zu Atom fließen, anstatt nur umeinander zu kreisen. Unabhängig davon, was im Inneren eines Plasmastroms vor sich geht, ist die Art und Weise, wie man damit Metalle schneidet, ziemlich simpel. Man nehme den Strom, der durch ein Gas fließt, und verenge ihn durch eine kleine Öffnung. Jetzt ist dieser Strom sehr dicht und bewegt sich sehr schnell. Der resultierende Strom kann die meisten Metalle schmelzen und durchblasen, und zwar ganz einfach. Das ist ein Plasmabrenner.

Plasmaschneidbrenner verwenden in der Regel eine Kupferdüse, um den Gasstrom mit dem durch sie fließenden Lichtbogen einzuschränken. Dieser Lichtbogen springt von einer Elektrode im Brenner auf etwas anderes – in der Regel das leitende Material, das geschnitten wird. Das ist ein ‚übertragener Lichtbogen‘. Es gibt einige Systeme, die einen „nicht übertragenen“ Lichtbogen verwenden, bei dem er von der Elektrode zurück zur Düse springt, aber diese werden normalerweise nicht zum Schneiden verwendet. Das bedeutet, dass das Plasmaschneiden nur für leitfähige Materialien verwendet wird, vor allem für Baustahl, Edelstahl und Aluminium. Aber auch viele andere Metalle und Legierungen sind leitfähig, z. B. Kupfer, Messing, Titan, Monel, Inconel, Gusseisen usw. Das Problem ist, dass die Schmelztemperatur einiger dieser Metalle es schwierig macht, sie mit einer guten Schneidequalität zu schneiden.

Die Elektrode ist normalerweise aus Kupfer, aber mit einem Metalleinsatz an der Stelle, an der der Lichtbogen ansetzt. Der Grund dafür ist, dass das Kupfer zu schnell schmelzen würde, wenn der Lichtbogen direkt an ihm hängen würde. Wolfram ist ein hervorragendes Elektrodenmaterial, daher haben viele Elektroden einen Wolframeinsatz. Einige kleinere Brenner verwenden eine „bleistiftartige“ Elektrode, die vollständig aus Wolfram besteht und deren Ende angespitzt ist. Das Problem mit Wolfram ist, dass es in Gegenwart von Sauerstoff verbrennt. Bei der Verwendung von Sauerstoff oder Druckluft als Schneidgas wird der Einsatz daher aus einem Material namens Hafnium hergestellt. Hafnium hält in Gegenwart von Sauerstoff viel länger, nutzt sich aber bei jedem Start des Lichtbogens ein wenig ab.

Warum also Sauerstoff in einem Plasmabrenner verwenden? Aus demselben Grund, aus dem man Sauerstoff in einem Acetylenbrenner verwendet – der Sauerstoff im Plasmastrom reagiert mit Baustahl. Deshalb wird reiner Sauerstoff nur zum Schneiden von unlegiertem Stahl oder „Kohlenstoffstahl“ verwendet. Diese chemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff im Plasmagas und dem unedlen Metall trägt dazu bei, den Schneidprozess zu beschleunigen und die Kantenqualität zu verbessern. Da Sauerstoff jedoch nicht die gleiche Reaktion mit rostfreiem Stahl oder Aluminium eingeht, können für diese Metalle kostengünstigere Gase wie Stickstoff oder Druckluft (die ohnehin größtenteils aus Stickstoff besteht) verwendet werden.

Andere Spezialgase werden manchmal für andere Zwecke eingesetzt. Argongas wird bei der Plasmamarkierung verwendet (ein ganz anderes Thema). Ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff wird oft zum Schneiden von dickerem Edelstahl oder Aluminium verwendet. Manche Leute verwenden ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff oder Methan und Stickstoff zum Schneiden von dünnerem rostfreien Stahl. Jedes Gemisch hat seine Vorteile (bessere Schnittqualität) und seine Nachteile (Kosten & Handhabung).

Das sind also einige der Grundlagen des Plasmaschneidens – ein Lichtbogen, der in einem Gasstrom von einer Elektrode durch eine Öffnung und dann in das zu schneidende leitfähige Metall getragen wird. Es gibt noch viele andere Aspekte, auf die ich später eingehen werde, wie z. B. Gasverwirbelungen, Schnittfugen, Höhenkontrolle, Lichtbogenzündung, Schutzgas usw. Aber ob handgehalten oder auf einer CNC-Maschine montiert, die Grundlagen sind die gleichen.