Besser Plasmaschneiden

Vom technischen Gas zum optimierten Werkzeug für das Plasmaschneiden Im letzten Teil der Serie Technik Plasmatechnik gibt Linde Gas Hinweise zur Auswahl von Prozessgasen zum Plasmaschneiden anhand ihrer Eigenschaften.

20. Januar 2009
Das richtige Gasgemisch ist für die Wirtschaftlichkeit des Plasmaschneidens entscheidend. (Bilder: Linde Gas)
Bild 1: Besser Plasmaschneiden (Das richtige Gasgemisch ist für die Wirtschaftlichkeit des Plasmaschneidens entscheidend. (Bilder: Linde Gas))

Um ein qualitativ gutes Schneidergebnis zu erhalten und einen wirtschaftlichen Schneidprozess zu betreiben, ist es von großer Bedeutung, die plasmabildenden Prozessgase auf die jeweiligen Werkstoffe und Materialdicken abzustimmen. Hierbei muss besonders auf folgende physikalische Eigenschaften der Prozessgase geachtet werden:

Ionisationsenergie

Dissoziationsenergie

Wärmeleitfähigkeit

Atomgewicht

chemische Reaktionsfähigkeit

Im Folgenden soll nun auf die einzelnen Prozessgase und deren Gemische eingegangen werden.

Argon

Argon ist ein inertes Gas und reagiert während des Schneidprozesses nicht mit dem Werkstoff. Es hat mit 39,95?u [1] das höchste absolute Atomgewicht aller zum Plasmaschneiden eingesetzten Gase. Dadurch begünstigt es den Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes aus der Schnittfuge mittels der hohen kinetischen Energie im Plasmastrahl. Außerdem eignet sich Argon aufgrund seines geringen Ionisationspotenzials von 15,76?eV [1] hervorragend zum Zünden des Plasmalichtbogens. Wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit von 16,6?mW/mK [1] sowie seinem geringen Wärmeeinhalt eignet sich Argon nicht als Einzelgas zum Schneiden metallischer Werkstoffe.

Wasserstoff

Der große Vorteil des Wasserstoffes gegenüber dem Argon ist seine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von 168?mW/mK [1]. Ebenso vorteilhaft ist, dass es bei hohen Temperaturen dissoziiert. Dissoziation und Ionisation entziehen dem Plasmalichtbogen viel Energie, was zur Abkühlung der Randschichten des Lichtbogens führt. Durch diesen Effekt wird der Lichtbogen eingeschnürt und somit eine höhere Energiedichte erreicht. Die darauf folgende Rekombination setzt die entzogene Energie in Form von Wärme im Schmelzbad wieder frei. Das sehr kleine Atomgewicht von 1?u [1] ist der Grund dafür, dass Wasserstoff als Einzelgas ungeeignet ist, da nicht genügend kinetische Energie zum Austreiben der Schmelze erzeugt werden kann.

Stickstoff

Stickstoff ist ein reaktionsträges Gas. Es reagiert erst bei höheren Temperaturen (ca. 1.000?°C [2]) mit dem Werkstück und verhält sich bei tieferen Temperaturen inert. Wenn man seine Wärmeleitfähigkeit von 24,5?mW/mK [1], seine Enthalpie sowie sein Atomgewicht von 14?u [1] betrachtet, nimmt Stickstoff einen Platz zwischen Argon und Wasserstoff ein. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Stickstoff als Einzelgas bei dünnwandigen Blechen aus hochlegierten Stählen sowohl als Schneidgas als auch als Sekundärgas eingesetzt.

Sauerstoff

Sauerstoff nimmt mit seiner Wärmeleitfähigkeit von 24,7?mW/mK [1] und seinem Atomgewicht von 16?u [1] einen Platz neben Stickstoff ein. Da Sauerstoff eine gute Affinität zu Eisen hat, wird beim Oxidationsvorgang Wärme frei, die bei un- und niedriglegierten Stählen zu einer leicht erhöhten Schnittgeschwindigkeit führt. Trotzdem wird beim Plasmaschneiden mit Sauerstoff immer noch von einem Schmelzschneidprozess und nicht von einem Brennschneidprozess gesprochen, da die Reaktion des Sauerstoffes mit dem Werkstoff zu langsam abläuft und der Werkstoff vorher aufgeschmolzen wird. Sauerstoff wird hauptsächlich als Schneid- und Sekundärgas zum Schneiden von Blechen aus un- und niedriglegierten Stählen eingesetzt. Eine Ausnahme stellen dünne titanfreie hochlegierte Stähle im Bereich von 1 bis 2 Millimetern dar.

Luft

Da Luft im Wesentlichen aus Sauerstoff (20,8?% [1]) und Stickstoff (70,18?% [1]) besteht, können die jeweiligen Eigenschaften beider Gase genutzt werden. Luft kommt vor allem beim Schneiden von dünnen Blechen aus un-, niedrig- und hochlegierten Stählen sowie beim Schneiden von Aluminium von Hand zum Einsatz.

Prozessgasgemische

Des Weiteren werden die einzelnen Prozessgase kombiniert, um deren Eigenschaften in verschiedenen Gemischen zu vereinen. So werden beispielsweise die positiven thermischen Eigenschaften des Wasserstoffes mit dem hohen Atomgewicht von Argon kombiniert, um hochlegierte Stähle und Aluminium ab Werkstoffdicken von 5?mm zu schneiden.

Der Anteil des Wasserstoffes im Schneidgas richtet sich dabei nach der Materialdicke und kann bis zu 35?Vol% [1] betragen. Weitere Kombinationsmöglichkeiten sind Stickstoff-Wasserstoff-Gemische sowie Argon-Stickstoff-Wasserstoff-Gemische, die ebenfalls zum Schneiden von hochlegierten Stählen und Aluminium eingesetzt werden.

Jan Farcke

[1] Facts About Plasmaschneiden (2005), Linde AG, Höllriegelskreuth

[2] Steller F. (2007): Schweißfachingenieurausbildung nach DVS-Richtlinie, Teilgebiet 1, SLV-Nord

Erschienen in Ausgabe: 11-12/2008