EP4363149A1 - Verfahren zum plasmaschneiden von werkstücken - Google Patents

Verfahren zum plasmaschneiden von werkstücken

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Publication number
EP4363149A1
EP4363149A1 EP22765421.7A EP22765421A EP4363149A1 EP 4363149 A1 EP4363149 A1 EP 4363149A1 EP 22765421 A EP22765421 A EP 22765421A EP 4363149 A1 EP4363149 A1 EP 4363149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
cutting
torch
workpiece
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP22765421.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André PÖTSCH
Thomas Steudtner
Volker Krink
René Nogowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kjellberg Stiftung
Original Assignee
Kjellberg Stiftung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102021005500.4A external-priority patent/DE102021005500A1/de
Application filed by Kjellberg Stiftung filed Critical Kjellberg Stiftung
Publication of EP4363149A1 publication Critical patent/EP4363149A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/003—Scarfing, desurfacing or deburring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B23K2103/05—Stainless steel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for plasma cutting of workpieces, in particular for hole cutting.
  • Plasma is a thermally highly heated, electrically conductive gas that consists of positive and negative ions, electrons, and excited and neutral atoms and molecules.
  • gases e.g. the monatomic argon or helium and/or the diatomic gases hydrogen, nitrogen, oxygen or air are used as the plasma gas. These gases ionize and dissociate with the energy of the plasma arc.
  • the parameters of the plasma jet can be greatly influenced by the design of the nozzle and electrode. These parameters of the plasma jet are z. B. the jet diameter, the temperature, energy density and the flow rate of the gas.
  • the plasma is constricted by a nozzle that can be gas or water-cooled.
  • the nozzle has a nozzle bore through which the plasma jet flows.
  • energy densities of up to 2 ⁇ 10 6 W/cm 2 can be achieved.
  • Temperatures of up to 30,000°C occur in the plasma jet, which, in conjunction with the high flow rate of the gas, result in very high cutting speeds on all electrically conductive materials.
  • Plasma cutting is now an established process for cutting electrically conductive materials, with different gases and gas mixtures being used depending on the cutting task.
  • Plasma torches typically have a plasma torch body in which an electrode and a nozzle are mounted. The plasma gas flows between them and exits through the nozzle bore. Most of the time, the plasma gas is fed through a gas duct between attached to the electrode and the nozzle, guided and can be made to rotate. Modern plasma torches also have a supply for a secondary medium, either a gas or a liquid. The nozzle is then surrounded by a secondary gas cap. In liquid-cooled plasma torches in particular, the nozzle is fixed by a nozzle cap, as described in DE 10 2004 049 445 A1, for example. The cooling medium then flows between the nozzle cap and the nozzle.
  • the secondary medium then flows between the nozzle or the nozzle cap and the secondary gas cap and emerges from the bore of the secondary gas cap. It affects the plasma jet formed by the arc and plasma gas. It can be set in rotation by a gas guide arranged between the nozzle or nozzle cap and the secondary gas cap.
  • the secondary gas cap protects the nozzle and nozzle cap from the heat or ejected molten metal of the workpiece, especially when the plasma jet pierces the material of the workpiece to be cut. It also creates a defined atmosphere around the plasma jet when cutting.
  • air, oxygen or nitrogen or a mixture thereof are usually used as plasma gases.
  • Air, oxygen or nitrogen or a mixture thereof are also usually used as secondary gases, with the composition and volume flows of the plasma gas and the secondary gas usually being different, but they can also be the same.
  • the plasma gases usually used are nitrogen, argon, an argon-hydrogen mixture, a nitrogen-hydrogen mixture or an argon-hydrogen mixture -nitrogen mixture used.
  • air can also be used as the plasma gas, but the oxygen content in the air leads to oxidation of the cut surfaces and thus to a deterioration in the cut quality.
  • Nitrogen, argon, an argon-hydrogen mixture, a nitrogen-hydrogen mixture or an argon-hydrogen-nitrogen mixture are also usually used as the secondary gas, with the composition and volume flows of the plasma gas and the secondary gas usually being different. but can also be the same.
  • the feed rate v is intended here to mean the speed at which a plasma torch is moved relative and parallel to a workpiece surface. It happens usually by a guidance system, e.g. by a CNC-controlled coordinate guidance machine or a robot.
  • FIGS. 1 and 2 Conventional arrangements for plasma cutting are shown in FIGS. 1 and 2 as a schematic example.
  • An electrical cutting current flows from a power source 1.1 of a plasma cutting system 1 via a line 5.1 to a plasma cutting torch 2 via its electrode 2.1 a plasma jet 3 constricted by a nozzle 2.2 and a nozzle opening 2.2.1 to a workpiece 4 and then via a line 5.3 back to the Power source 1.1.
  • the plasma cutting torch 2 is supplied with gas via lines 5.4 and 5.5 from a gas supply 6 to the plasma cutting torch 2 .
  • the plasma cutting system 1 there is a high-voltage ignition device 1.3, a pilot resistor 1.2, a power source 1.1 and a switching contact 1.4 and their control device (not shown). Valves for controlling the gases can also be present, but these are not shown here.
  • the plasma cutting torch 2 essentially consists of a plasma torch body 2.7 with a beam generation system comprising the electrode 2.1, the nozzle 2.2 and a gas supply 2.3 for plasma gas PG.
  • the plasma torch body 2.7 continues to supply the media (gas, cooling water and electricity).
  • the electrode 2.1 of the plasma cutting torch 2 is usually a non-consumable electrode 2.1, which essentially consists of a high-temperature material such as tungsten, zirconium or hafnium and therefore has a very long service life.
  • the electrode 2.1 often consists of two interconnected parts, an electrode holder 2.1.1, which is made of a material that conducts electricity and heat well (e.g. copper, silver, alloys thereof), and a high-melting emission insert 2.1.2 with a low electron work function (such as hafnium, zirconium, tungsten).
  • the nozzle 2.2 usually consists of copper and constricts the plasma jet 3.
  • a gas duct 2.6 for the plasma gas PG, which causes the plasma gas to rotate, can be arranged between the electrode 2.1 and the nozzle 2.2.
  • the part of the plasma cutting torch 2 from which the plasma jet 3 emerges from the nozzle 2.2 is referred to as the plasma torch tip 2.8.
  • the distance between the plasma torch tip 2.8 and the workpiece surface 4.1 is denoted by d.
  • a secondary gas cap 2.4 for supplying a secondary medium for example a secondary gas SG
  • a secondary gas cap 2.4 for supplying a secondary medium, for example a secondary gas SG
  • the combination of secondary gas cap 2.4 and secondary gas SG protects the nozzle 2.2 from damage when the plasma jet 3 pierces the workpiece 4 and creates a defined atmosphere around the plasma jet 3.
  • a gas guide 2.9 Between the nozzle 2.2 and The secondary gas cap 4 is a gas guide 2.9, which can set the secondary gas SG in rotation.
  • the location of the plasma cutting torch 2 from which the plasma jet 3 emerges from the secondary gas cap 2.4 is referred to as the plasma torch tip 2.8.
  • the distance between the plasma torch tip 2.8 and the workpiece surface 4.1 is also denoted.
  • a pilot arc is first ignited between the electrode 2.1 and the nozzle 2.2 with a low electrical current (e.g. 10 A - 30 A) and therefore low power, e.g. by means of high electrical voltage generated by the high-voltage ignition device 1.3.
  • the current (pilot current) of the pilot arc flows through the line
  • This low-energy pilot arc prepares the distance between the plasma torch tip 2.8 and the workpiece 4 for the cutting arc through partial ionization. If the pilot arc touches the workpiece 4, it occurs due to the electrical potential difference between the nozzle generated by the electrical resistor 1.2
  • the plasma cutting torch 2 is moved with a guide system (not shown) relative to a workpiece 4 or its surface 4.1.
  • a guide system (not shown) relative to a workpiece 4 or its surface 4.1.
  • This can e.g. B. be a robot or a CNC-controlled guide machine.
  • the control device of the guidance system communicates with the arrangement according to Figure 1 or 2.
  • the control device of the management system starts and ends the operation of the plasma cutting torch 2.
  • a large number of signals and information e.g. B. about operating states and data, as only ON and OFF between the control device of the management system and the plasma cutting system.
  • High cutting qualities can be achieved with plasma cutting. Criteria for this are, for example, a low squareness and inclination tolerance according to DIN ISO 9013. When adhering to the optimal cutting parameters, these include, among other things, the electric cutting current, the cutting speed, the distance between the plasma cutting torch and the workpiece and the gas pressure, smooth cut surfaces and dross-free edges can be achieved.
  • a typical cutting task for plasma cutting is cutting out one or more contours from a workpiece.
  • the workpiece 4 before the contour is cut, the workpiece 4 must be pierced and pierced through.
  • the plasma cutting torch 2 is positioned with a distance d1 between the torch tip 2.8 and the workpiece surface 4.1, as shown by way of example in FIG. 3, and the pilot arc 3.1 is ignited, as shown by way of example in FIG. d1 must usually be selected in such a way that the pilot arc reaches the workpiece surface and the arc can “translate” from the nozzle to the workpiece and the plasma jet can form towards the workpiece.
  • part of the melted material 418 of the workpiece 4 sprays past the nozzle 2.2, the secondary gas cap 2.4 and the plasma torch tip 2.8 or the plasma cutting torch 2. Nevertheless, part of the high-splashing material remains, which, particularly in the case of greater sheet metal thicknesses, splashes against the components mentioned and damages them. Attempts are also made to guide the plasma cutting torch 2 in the direction of the contour to be cut out parallel to the workpiece surface 4.1 at a lower speed than the cutting speed in order to keep the spattering material away from the plasma cutting torch and the components mentioned.
  • the melted material squirts out of the underside of the workpiece 4.5 and it can be cut.
  • the present invention is therefore based on the object of avoiding, but at least reducing, damage to a plasma torch, a plasma torch tip, in particular a nozzle, a nozzle opening and/or a secondary gas cap when piercing a workpiece by high-splashing molten hot material, in order in particular also in to be able to pierce larger sheet metal thicknesses safely.
  • this object is achieved by a method according to claim 1.
  • the rinsing can also be referred to as a trough or indentation.
  • the present invention is based on the surprising finding that by producing a flushing on a workpiece surface before piercing into and through the workpiece, e.g. by parameters that deviate from the cutting, with which the plasma cutting torch is operated or moved, piercing into and through is opposed the prior art thicker material can be done safely.
  • 2 shows a further arrangement for plasma cutting according to the prior art
  • 3 shows an example of the process of positioning a plasma cutting torch during plasma cutting
  • FIG. 5 by way of example the process of piercing a plasma jet during plasma cutting
  • 6 to 13 show details of a method for plasma cutting of workpieces according to a particular embodiment of the present invention
  • FIG. 14 shows time curves for plasma torch distance and advance speed according to a special embodiment of the present invention
  • 15 shows the time curves of plasma torch distance and advance speed according to a further special embodiment of the present invention.
  • the piercing process up to the final piercing into and through the workpiece for mild steel with a material thickness 4.3 of 60 mm and a cutting current I4 of 300 A, for example, is explained as an example.
  • the feed rate v4 of the plasma cutting torch 2 is 300 mm/min, for example, and the plasma torch distance d4 is 7 mm, for example.
  • oxygen is used as the plasma gas PG, for example, and air, for example, is used as the secondary gas SG.
  • the kerf width 452 of the kerf 450 produced during cutting is approximately 6.5 mm.
  • the piercing process can essentially be divided into 4 phases, for example.
  • Phase 1 Positioning the plasma torch, igniting the pilot arc and initiating the main arc
  • Phase 2 Rinsing the workpiece from the workpiece surface
  • Phase 3 Plunging into and through the workpiece
  • Stage 4 Cutting The phases can merge directly into one another and even partially overlap. However, transition processes between the phases and, in principle, further and/or alternative phases are also possible.
  • FIG. 6 shows an example of how a plasma torch 2 with a plasma torch distance d1 of 9 mm, for example, is positioned between a plasma torch tip 2.8 and a workpiece surface 4.1 (phase 1).
  • d1 must usually be selected in such a way that the pilot arc reaches the workpiece surface and the arc can “translate” from the nozzle to the workpiece and the plasma jet can form towards the workpiece.
  • FIG. 7 shows that a pilot arc 3.1 has been ignited. This initially burns between an electrode 2.1 and a nozzle 2.2 (not shown here, see FIGS. 1 and 2) with, for example, 25 A (phase 1).
  • the current is increased to the cutting current of 300 A, for example.
  • the feed rate v with which the plasma cutting torch 2 is moved relative to the workpiece surface 4.1 in the feed direction 10, is increased from v1 of, for example, 0 mm/min to v2 of, for example, 2,800 mm/min. This is advantageously significantly greater than the feed rate v4 during cutting (phase 4).
  • the shape of the contour 430, which the plasma torch 2 describes in relation to the workpiece surface 4.1, seen from above onto the workpiece surface 4.1, with the feed speed v2, is in this case an oval contour 430 with a size of, for example, approx. 48 mm ⁇ 8 mm ( Figure 9b).
  • the feed speed v2 and the plasma torch distance d2 are so great that the molten material 418 spraying up from the workpiece surface 4.1 squirts away laterally in such a way that it does not affect the plasma cutting torch 2, the nozzle 2.2, a secondary gas cap 2.4 and the plasma torch tip 2.8, or only to a very small extent Share touches that they are not damaged, as shown in Figure 9a (phase 2). In this example, this is achieved in particular through the combination of the described parameters v2 and d2. Only material is removed. The plasma cutting torch is advantageously moved so quickly (v2) and is sufficiently far away (d2) that the melted material sprays away to the side. You can also imagine that the plasma beam is deflected against the direction of feed due to the rapid movement. The melted material then also sprays in this direction. Overall, one could also say that the energy input into the surface per unit length (mm) is advantageously smaller than when cutting.
  • Figure 9b shows the oval contour 430 described by the plasma cutting torch 2 in a plan view of the workpiece surface 4.1.
  • This is circumvented twice here, for example, and the result is a flushing 410, which is also shown, with a maximum length 419 of, for example, approx. 57 mm and a width 420 of 17 mm, for example.
  • the washout 410 has an oval shape 415 with a peripheral edge 413 at the transition between the washout 410 and the workpiece surface 4.1.
  • the distance 417 of the deepest point of the flushing 410, measured perpendicularly (i.e. according to the right-angled coordinate system drawn in the figures in the z-direction) to the workpiece surface 4.1, is 25 mm here, for example (phase 2).
  • the smallest distance 411 between the edge 413 of the resulting flushing 410 and the oval contour 430 described by the plasma cutting torch 2 is, for example, approx. 4.5 mm
  • the distance 412 of the longitudinal edges of the oval contour 430 described by the plasma cutting torch 2 is, for example, 8 mm.
  • the distance 411 is smaller than the distance 412 and the distance 412 is smaller than twice the distance 411.
  • FIG. 10 shows the plasma cutting torch 2 shortly after leaving the circumnavigation of the contour 430. It has been moved in the direction of the edge 413 of the flushing 410 for, for example, approx. 2 mm and positioned in such a way that the plasma jet 3 is at least partially on the edge 413 and/or or meets the slope 421 of the washout 410.
  • the feed rate v3 is significantly lower than the feed rate v2 during removal.
  • the length 419 of the flushing 410 is so great that the material 418 spraying up until it pierces can spray away through the flushing 410 in the opposite direction to the cutting direction 10 in such a way that it does not damage the plasma cutting torch 2, the plasma torch tip 2.8, the nozzle 2.2 and/or the secondary gas cap 2.4 or mostly untouched.
  • the washout 410 should advantageously be so large that the high Feed speed v2 can "fly through" molten material 418 that is splashing up laterally between the plasma cutting torch 2 and its components (nozzle 2.2, secondary gas cap 2.4, plasma torch tip 2.8) and the edge 413 and the slope 421 of the flushing 410. If the flushing is too small, the material spraying up hits the opposite part of the edge 413 and the slope 421 of the flushing 410 and can be deflected or deflected back in the direction of the plasma cutting torch 2 .
  • the plasma torch distance d3 is chosen to be 25 mm, equal to the plasma torch distance d2 during removal.
  • the plasma torch distance d3 is greater than the plasma torch distance d4 during cutting (phase 4).
  • the feed speed v4 selected for cutting e.g. 60 mm mild steel and the plasma torch distance d4 can be adjusted in order to carry out the cutting process in which a kerf 450 with a kerf width 452 is created (phase 4).
  • Figure 11 shows the plasma cutting torch 2 immediately after piercing through the workpiece
  • Figure 12 shows the plasma cutting torch during cutting
  • Figure 13 shows the top view of the workpiece surface 4.1 and the kerf 450 and flushing 410 created by the plasma cutting torch 2 (representation without plasma cutting torch 2).
  • the melted material 423 squirts out of the underside of the workpiece 4.5.
  • Figures 14 and 15 show an example of the schematic sequence of the plasma torch distance (d, d1, d2, d3, d4) and the feed speed (v, v1, v2, v3, v4) of the plasma cutting torch 2 during the temporal phases 1, 2, 3 and 4 shown.
  • FIG. 15 also shows that between phases 1, 2, 3 and 4 there can be at least one further phase. This can also just be the transition between two parameters, e.g. v1 and v2, v2 and v3, v3 and v4 and/or d1 and d2, d2 and d3, d3 and d4. In practice, this will usually be the case because the "abrupt" transitions shown in Figure 14 do not exist in this form. However, additional longer phases can also be intentionally present.
  • phase 5 with a time t5 can be provided in particular between phase 3 and phase 4, in which the plasma torch distance d5 and/or the feed speed d5 differs from that/those of phases 3 and 4.
  • the plasma torch distance d5 and/or the feed speed d5 differs from that/those of phases 3 and 4.
  • the current I can be "0", for example.
  • the vector of the feed rate can, in principle, in addition to a component parallel to the workpiece surface, i.e. H. in the right-angled coordinate system drawn in the figures, from which the y-axis runs into the plane of the drawing (perpendicular), in the x-y plane, also have a component (z-component) perpendicular to the workpiece surface. This would then cause the parameter d to change.
  • a higher feed rate v2 than feed rate v4 during cutting and a higher plasma torch distance d2 than plasma torch distance d4 during cutting were selected for removing or generating flushing 410 (phase 2).
  • the current I2 advantageously has the same magnitude as the cutting current I4 during cutting.
  • phase 2 it is possible to work with the following parameters that have changed compared to cutting (phase 4):
  • the oxidizing fraction means the volume percentage of oxidizing gas, for example oxygen or carbon dioxide, in the plasma gas or secondary gas.
  • the reducing proportion means the proportion by volume of reducing gas, for example hydrogen or methane, in the plasma gas or secondary gas.
  • Rinsing is moved in phase 2: oval, 35 mm x 6 mm, circled twice
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 43 mm x 14 mm
  • Rinsing is moved in phase 2: oval, 48 mm x 8 mm, circled 2x
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 57 mm x 17 mm
  • Rinsing is moved in phase 2: oval, 48 mm x 8 mm, circled 2x
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 57 mm x 17 mm
  • Plasma gas Argon-hydrogen mixture
  • Rinsing is moved in phase 2: oval, 40 mm x 6 mm, circled 2x
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 45 mm x 11 mm
  • Plasma gas Argon-hydrogen mixture
  • Rinsing is moved in phase 2: oval, 60 mm x 6 mm, circled 3x
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 65 mm x 11 mm
  • Plasma gas Argon-hydrogen mixture
  • Rinsing in phase 2 is moved: oval, 40 mm x 6 mm, 1x circumnavigated
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 50 mm x 15 mm
  • Plasma gas Argon-hydrogen mixture
  • Rinsing in phase 2 is moved: oval, 60 mm x 6 mm, 1x circumnavigated
  • Shape and size (max. length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, approx. 62 mm x 8 mm
  • Plasma gas Argon-hydrogen mixture
  • Rinsing in phase 2 is moved: oval, 60 mm x 8 mm, 1x circumnavigated
  • Shape and size (length 419 x width 420) of the resulting washout 410 oval, ca. 66 mm x 14 mm
  • phase 4 plasma gas p1 plasma gas pressure p11 plasma gas pressure in phase 1 p12 plasma gas pressure in phase 2 p13 plasma gas pressure in phase 3 p14 plasma gas pressure in phase 4 p2 secondary gas pressure p21 secondary gas pressure in phase 1 p22 secondary gas pressure in phase 2 p23 secondary gas pressure in phase 3 p24 secondary gas pressure in phase 4

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken, bei dem mindestens ein Plasmaschneidbrenner mit zumindest einem Plasmabrennerkörper, einer Elektrode und einer Düse, durch deren Düsenöffnung zumindest ein Plasmagas oder Plasmagasgemisch strömt und die den Plasmastrahl einschnürt, eingesetzt wird, wobei vor dem Einstechen des Plasmastrahls in und durch das Werkstück eine Ausspülung (410) ausgebildet wird, indem das Werkstück von der Werkstückoberfläche her zumindest für eine Zeitdauer t2 derart dem Plasmastrahl ausgesetzt wird, dass Material des Werkstücks von der Werkstückoberfläche her abgetragen wird und die Ausspülung (410) entsteht.

Description

Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken, insbesondere zum Lochschneiden.
Als Plasma wird ein thermisch hoch aufgeheiztes elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.
Als Plasmagas werden unterschiedliche Gase, z.B. das einatomige Argon oder Helium und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase ionisieren und dissoziieren durch die Energie des Plasmalichtbogens.
Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden. Diese Parameter des Plasmastrahls sind z. B. der Strahldurchmesser, die Temperatur, Energiedichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.
Beim Plasmaschneiden beispielsweise wird das Plasma durch eine Düse, die gas- oder wassergekühlt sein kann, eingeschnürt. Dazu verfügt die Düse über eine Düsenbohrung, durch die der Plasmastrahl strömt. Dadurch können Energiedichten bis 2 x 106 W/cm2 erreicht werden. Im Plasmastrahl treten Temperaturen bis 30.000°C auf, die in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten an allen elektrisch leitfähigen Werkstoffen realisieren.
Das Plasmaschneiden ist heute ein etabliertes Verfahren zum Schneiden elektrisch leitender Werkstoffe, wobei je nach Schneidaufgabe unterschiedliche Gase und Gasgemische eingesetzt werden.
Plasmabrenner weisen üblicherweise einen Plasmabrennerkörper auf, in dem eine Elektrode und eine Düse befestigt sind. Zwischen ihnen strömt das Plasmagas und tritt durch die Düsenbohrung austritt. Meistens wird das Plasmagas durch eine Gasführung, die zwischen der Elektrode und der Düse angebracht ist, geführt und kann in Rotation gebracht werden. Moderne Plasmabrenner verfügen zudem über eine Zuführung für ein Sekundärmedium, entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit. Die Düse wird dann von einer Sekundärgaskappe umgeben. Die Düse wird insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten Plasmabrennern durch eine Düsenkappe, wie beispielsweise in DE 10 2004 049 445 A1 beschrieben, fixiert. Zwischen der Düsenkappe und der Düse strömt dann das Kühlmedium. Zwischen der Düse oder der Düsenkappe und der Sekundärgaskappe strömt dann das Sekundärmedium und tritt aus der Bohrung der Sekundärgaskappe aus. Es beeinflusst den durch den Lichtbogen und das Plasmagas gebildeten Plasmastrahl. Es kann durch eine Gasführung, die zwischen Düse oder Düsenkappe und Sekundärgaskappe angeordnet ist, in Rotation versetzt werden.
Die Sekundärgaskappe schützt die Düse und die Düsenkappe vor der Wärme oder dem herausspritzenden geschmolzenen Metall des Werkstücks, insbesondere beim Einstechen des Plasmastrahls in den Werkstoff des zu schneidenden Werkstücks. Außerdem schafft es um den Plasmastrahl beim Schneiden eine definierte Atmosphäre.
Zum Plasmaschneiden un- und niedriglegierter Stähle, auch Baustähle genannt, bspw. S235 und S355 nach DIN EN 10027-1 , werden als Plasmagase meist Luft, Sauerstoff oder Stickstoff oder ein Gemisch daraus verwendet. Als Sekundärgase kommen ebenfalls meist Luft, Sauerstoff oder Stickstoff oder ein Gemisch daraus zur Anwendung, wobei die Zusammensetzung und Volumenströme des Plasmagases und des Sekundärgases meist unterschiedlich sind, aber auch gleich sein können.
Zum Plasmaschneiden hochlegierter Stähle und nichtrostender Stähle, bspw. 1.4301 (X5CrNi10-10) oder 1.4541 (X6CrNiTi18-10), werden als Plasmagase meist Stickstoff, Argon, ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, ein Stickstoff- Wasserstoff-Gemisch oder ein Argon- Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eingesetzt. Grundsätzlich ist auch der Einsatz von Luft als Plasmagas möglich, jedoch führt der Sauerstoffanteil in der Luft zur Oxidation der Schnittflächen und damit zur Verschlechterung der Schnittqualität. Als Sekundärgas kommen ebenfalls meist Stickstoff, Argon, ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, ein Stickstoff-Wasserstoff- Gemisch oder ein Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eingesetzt, zur Anwendung, wobei die Zusammensetzung und Volumenströme des Plasmagases und des Sekundärgases meist unterschiedlich sind, aber auch gleich sein können.
Im Folgenden wird das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem beschrieben.
Hier soll mit Vorschubgeschwindigkeit v die Geschwindigkeit gemeint sein, mit der ein Plasmabrenner relativ und parallel zu einer Werkstückoberfläche bewegt wird. Die geschieht in der Regel durch ein Führungssystem, bspw. durch eine CNC-gesteuerte Koordinatenführungsmaschine oder einen Roboter.
Übliche Anordnungen zum Plasmaschneiden sind in den Figuren 1 und 2 beispielhaft schematisch dargestellt. Dabei fließt ein elektrischer Schneidstrom von einer Stromquelle 1.1 einer Plasmaschneidanlage 1 über eine Leitung 5.1 zu einem Plasmaschneidbrenner 2 über dessen Elektrode 2.1 einen von einer Düse 2.2 und einer Düsenöffnung 2.2.1 eingeschnürten Plasmastrahl 3 zu einem Werkstück 4 und dann über eine Leitung 5.3 zurück zur Stromquelle 1.1. Die Gasversorgung des Plasmaschneidbrenners 2 erfolgt über Leitungen 5.4 und 5.5 von einer Gasversorgung 6 zum Plasmaschneidbrenner 2 hin. In der Plasmaschneidanlage 1 befinden sich ein Hochspannungszündgerät 1.3, ein Pilotwiderstand 1.2, eine Stromquelle 1.1 und ein Schaltkontakt 1.4 und deren Steuereinrichtung (nicht gezeigt). Ebenso können Ventile zur Steuerung der Gase vorhanden sein, diese sind hier aber nicht dargestellt.
Der Plasmaschneidbrenner 2 besteht im Wesentlichen aus einem Plasmabrennerkörper 2.7 mit einem Strahlerzeugungssystem, umfassend die Elektrode 2.1 , die Düse 2.2 und eine Gaszuführung 2.3 für Plasmagas PG. Der Plasmabrennerkörper 2.7 nimmt weiterhin die Zuführung der Medien (Gas, Kühlwasser und elektrischen Strom) auf.
Bei der Elektrode 2.1 des Plasmaschneidbrenners 2 handelt es sich üblicherweise um eine nicht abschmelzende Elektrode 2.1 , die im Wesentlichen aus einem Hochtemperaturwerkstoff, wie z.B. Wolfram, Zirkonium oder Hafnium, besteht und dadurch eine sehr lange Lebensdauer hat. Oft besteht die Elektrode 2.1 aus zwei miteinander verbundenen Teilen, einem Elektrodenhalter 2.1.1, der aus gut elektrisch und wärmeleitendem Material (z. B. Kupfer, Silber, Legierungen daraus) gebildet ist, und einem hochschmelzenden Emissionseinsatz 2.1.2 mit geringer Elektronenaustrittsarbeit (wie z.B. Hafnium, Zirkonium, Wolfram). Die Düse 2.2 besteht meist aus Kupfer und schnürt den Plasmastrahl 3 ein. Zwischen der Elektrode 2.1 und der Düse 2.2 kann eine Gasführung 2.6 für das Plasmagas PG, die das Plasmagas in Rotation versetzt, angeordnet sein. In dieser Ausführungsform wird der Teil des Plasmaschneidbrenners 2, aus dem der Plasmastrahl 3 aus der Düse 2.2 austritt, als Plasmabrennerspitze 2.8 bezeichnet. Der Abstand zwischen der Plasmabrennerspitze 2.8 und der Werkstückoberfläche 4.1 ist mit d bezeichnet.
In Figur 2 ist zusätzlich um die Düse 2.2 des Plasmaschneidbrenners 2 eine Sekundärgaskappe 2.4 zur Zuführung eines Sekundärmediums, z.B. eines Sekundärgases SG, angebracht. Die Kombination aus Sekundärgaskappe 2.4 und Sekundärgas SG schützt die Düse 2.2 vor Beschädigungen beim Einstechen des Plasmastrahls 3 in das Werkstück 4 und schafft um den Plasmastrahl 3 eine definierte Atmosphäre. Zwischen der Düse 2.2 und der Sekundärgaskappe 4 befindet sich eine Gasführung 2.9, die das Sekundärgas SG in Rotation versetzen kann. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird die Stelle des Plasmaschneidbrenners 2, aus der der Plasmastrahl 3 aus der Sekundärgaskappe 2.4 austritt, als Plasmabrennerspitze 2.8 bezeichnet. Der Abstand zwischen der Plasmabrennerspitze 2.8 und der Werkstückoberfläche 4.1 ist ebenfalls mit d bezeichnet.
Für den Schneidprozess wird zunächst ein Pilotlichtbogen, der zwischen Elektrode 2.1 und Düse 2.2 mit geringem elektrischem Strom (z.B. 10 A - 30 A) und damit geringer Leistung brennt, z.B. mittels elektrischer Hochspannung, die durch das Hochspannungszündgerät 1.3 erzeugt wird, gezündet. Der Strom (Pilotstrom) des Pilotlichtbogens fließt durch die Leitung
5.1 zur Elektrode 2.1 und von der Düse 2.2 durch die Leitung 5.2 über den Schaltkontakt 1.4 und den elektrischen Widerstand 1.2 zur Stromquelle 1.1 und wird durch den elektrischen Widerstand 1.2 begrenzt. Dieser energiearme Pilotlichtbogen bereitet durch teilweise Ionisation die Strecke zwischen der Plasmabrennerspitze 2.8 und dem Werkstück 4 für den Schneidlichtbogen vor. Berührt der Pilotlichtbogen das Werkstück 4, kommt es durch den vom elektrischen Widerstand 1.2 erzeugten elektrischen Potentialunterschied zwischen Düse
2.2 und Werkstück 4 zur Ausbildung des Schneidlichtbogens. Dieser brennt dann zwischen der Elektrode 2.1 und dem Werkstück 4 mit meist größerem elektrischem Strom (z.B. 20 A bis 900 A) und damit auch mit größerer Leistung. Der Schaltkontakt 1.4 wird geöffnet und die Düse 2.2 von der Stromquelle 1.1 potentialfrei geschaltet. Diese Betriebsweise wird auch als direkte Betriebsweise bezeichnet. Dabei wird das Werkstück 4 der thermischen, kinetischen und elektrischen Wirkung des Plasmastrahls 3 ausgesetzt. Dadurch ist das Verfahren sehr effektiv und es können Metalle bis zu großen Dicken, z.B. 180 mm bei 600 A Schneidstrom mit einer Schneidgeschwindigkeit von 0,2 m/min, geschnitten werden.
Dazu wird der Plasmaschneidbrenner 2 mit einem Führungssystem (nicht dargestellt) relativ zu einem Werkstück 4 bzw. seiner Oberfläche 4.1 bewegt. Dies kann z. B. ein Roboter oder eine CNC-gesteuerte Führungsmaschine sein. Die Steuereinrichtung des Führungssystems kommuniziert mit der Anordnung nach Figur 1 oder 2.
Im einfachsten Fall startet und beendet die Steuereinrichtung des Führungssystems den Betrieb des Plasmaschneidbrenners 2. Nach dem heutigen Stand der Technik können jedoch eine Vielzahl von Signalen und Informationen, z. B. über Betriebszustände und Daten, als nur EIN und AUS zwischen der Steuereinrichtung des Führungssystems und der Plasmaschneidanlage ausgetauscht werden.
Beim Plasmaschneiden können hohe Schnittqualitäten erreicht werden. Kriterien dafür sind beispielsweise eine geringe Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz nach DIN ISO 9013. Beim Einhalten der optimalen Schneidparameter, dazu gehören unter anderem der elektrische Schneidstrom, die Schneidgeschwindigkeit, der Abstand zwischen dem Plasmaschneidbrenner und dem Werkstück sowie der Gasdruck, können glatte Schnittflächen und bartfreie Kanten erreicht werden.
Eine typische Schneidaufgabe für das Plasmaschneiden ist das Ausschneiden einer oder mehrerer Konturen aus einem Werkstück. Dazu muss vor dem Schneiden der Kontur in das Werkstück 4 eingestochen und dieses durchgestochen werden. Der Plasmaschneidbrenner 2 wird dazu, wie in Figur 3 beispielhaft gezeigt, mit einem Abstand d1 zwischen Brennerspitze 2.8 und Werkstückoberfläche 4.1 positioniert und der Pilotlichtbogen 3.1 , wie in Figur 4 beispielhaft gezeigt, gezündet. d1 muss üblicherweise so gewählt werden, dass der Pilotbogen die Werkstückoberfläche erreicht und der Lichtbogen von der Düse auf das Werkstück „übersetzen“ und der Plasmastrahl sich zum Werkstück hin ausbilden kann.
Beim Einstechen, in Figur 5 beispielhaft gezeigt, in und durch das Werkstück 4 muss im Gegensatz zum Start an der Werkstückkante, die gesamte Werkstückdicke 4.3 „durchstochen“ werden. Dabei spritzt das durch die Wirkung des Plasmastrahls 3 aufgeschmolzene Material 418 nach oben in Richtung Plasmaschneidbrenner 2, insbesondere gegen die Düse 2.2 oder die Sekundärgaskappe 2.4 und die Plasmabrennerspitze 2.8 und kann diese beschädigen. Nach dem Stand der Technik wird versucht, das beim Einstechen aufgeschmolzene und hochspritzende Material 418 von der Düse 2.2, der Sekundärgaskappe 2.4 und Plasmabrennerspitze 2.8 und vom Plasmabrenner 2 durch einen größeren Plasmabrennerabstand d2 fernzuhalten. Durch den größeren Plasmabrennerabstand d2 spritzt ein Teil des aufgeschmolzenen Materials 418 des Werkstücks 4 an der Düse 2.2, der Sekundärgaskappe 2.4 und Plasmabrennerspitze 2.8 bzw. dem Plasmaschneidbrenner 2 vorbei. Dennoch verbleibt ein Teil des hochspritzenden Materials, das insbesondere bei größeren Blechdicken gegen die genannten Bauteile spritzt und diese beschädigt. Es wird auch versucht, den Plasmaschneidbrenner 2 in Richtung der auszuschneidenden Kontur parallel zur Werkstückoberfläche 4.1 mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Schneidgeschwindigkeit zu führen, um das hochspritzende Material vom Plasmaschneidbrenner und den genannten Bauteilen fernzuhalten.
Nach dem Durchstechen des Werkstücks 4 spritzt das aufgeschmolzene Material aus der Werkstückunterseite 4.5 heraus und es kann geschnitten werden.
So ist es üblicherweise beim Plasmaschneiden mit einem Schneidstrom von 300 A möglich, eine maximale Werkstückdicke von 80 mm zu schneiden und in eine maximale Werkstückdicke von 50 mm einzustechen. Dabei kommt es bereits ab einer Werkstückdicke 4.3 von 40 mm dazu, dass hochspritzendes Material 418 des aufgeschmolzenen Werkstücks 4 die Plasmabrennerspitze 2.8, die Düse 2.2 und Düsenspitze oder die Sekundärgaskappe 2.4 und die Sekundärgaskappenspitze berührt und durch seine hohe Temperatur beschädigt. Danach ist das Schneiden eines Bauteils aus dem Werkstück in guter Qualität oftmals nicht mehr möglich, da die den Schneidlichtbogen bzw. den Plasmastrahl 3 formende Düsenöffnung 2.2.1 und/oder die Sekundärgaskappenbohrung beschädigt und nicht mehr rund sind. Es kann sogar dazu kommen, dass die Düse 2.2 oder die Sekundärgaskappe 2.4 regelrecht zerstört werden, wenn sich ein parasitärer sogenannten Nebenlichtbogen, der von der Elektrode zur Düse und/oder Sekundärgaskappe und zum Werkstück brennt, ausbildet.
Beim Einstechen in noch dickeres Material kommt es mit hoher Sicherheit zur Beschädigung der Düse und/oder der Sekundärgaskappe, oftmals sogar zur Beschädigung des Plasmabrenners.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Beschädigung eines Plasmabrenners, einer Plasmabrennerspitze, insbesondere einer Düse, einer Düsenöffnung und/oder einer Sekundärgaskappe beim Einstechen in ein Werkstück durch hochspritzendes aufgeschmolzenes heißes Material zu vermeiden, zumindest aber zu verringern, um insbesondere auch in größere Blechdicken sicher einstechen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, Die Ausspülung kann auch als Mulde oder Vertiefung bezeichnet werden.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen desselben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Herstellung einer Ausspülung auf einer Werkstückoberfläche vor dem Einstechen in und durch das Werkstück bspw. durch vom Schneiden abweichende Parameter, mit denen der Plasmaschneidbrenner betrieben bzw. bewegt wird, ein Einstechen in und durch gegenüber dem Stand der Technik dickeres Material sicher erfolgen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung zum Plasmaschneiden gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine weitere Anordnung zum Plasmaschneiden gemäß dem Stand der Technik; Fig. 3 beispielhaft den Vorgang des Positionierens eines Plasmaschneidbrenners beim Plasmaschneiden;
Fig. 4 beispielhaft den Vorgang des Zündens eines Pilotbogens im Rahmen des Plasmaschneidens;
Fig. 5 beispielhaft den Vorgang des Einstechens eines Plasmastrahls beim Plasmaschneiden;
Fig. 6 bis 13 Einzelheiten eines Verfahrens zum Plasmaschneiden von Werkstücken gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 zeitliche Verläufe von Plasmabrennerabstand und Vorschubgeschwindigkeit gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 15 zeitliche Verläufe von Plasmabrennerabstand und Vorschubgeschwindigkeit gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Dazu wird beispielhaft der Einstechprozess bis hin zum letztlichen Einstechen in und durch das Werkstück für Baustahl mit einer Materialdicke 4.3 von beispielhaft 60 mm und einem Schneidstrom I4 von beispielhaft 300 A erläutert. Beim Schneiden beträgt die Vorschubgeschwindigkeit v4 des Plasmaschneidbrenners 2 beispielhaft 300 mm/min und der Plasmabrennerabstand d4 beispielhaft 7 mm. Beim Schneiden wird als Plasmagas PG beispielhaft Sauerstoff und als Sekundärgas SG beispielhaft Luft eingesetzt. Die Schnittfugenbreite 452 der beim Schneiden entstehenden Schnittfuge 450 beträgt ca. 6,5 .mm.
Dabei kann der Einstechprozess hier beispielhaft im Wesentlichen in 4 Phasen unterteilt werden.
Phase 1 : Positionieren des Plasmabrenners, Zünden des Pilotlichtbogens und Einleiten des Hauptlichtbogens
Phase 2: Ausspülen des Werkstücks von der Werkstückoberfläche her
Phase 3: Einstechen in und durch das Werkstück
Phase 4: Schneiden Die Phasen können direkt ineinander übergehen und sich sogar teilweise überlappen. Es sind aber auch Übergangsvorgänge zwischen den Phasen und grundsätzlich auch weitere und/oder alternative Phasen möglich.
Figur 6 zeigt beispielhaft, wie ein Plasmabrenner 2 mit einem Plasmabrennerabstand d1 von beispielhaft 9 mm zwischen einer Plasmabrennerspitze 2.8 und einer Werkstückoberfläche 4.1 positioniert ist (Phase 1). d1 muss üblicherweise so gewählt werden, dass der Pilotbogen die Werkstückoberfläche erreicht und der Lichtbogen von der Düse auf das Werkstück „übersetzen“ und der Plasmastrahl sich zum Werkstück hin ausbilden kann.
Figur 7 zeigt, dass ein Pilotlichtbogen 3.1 gezündet worden ist. Dieser brennt zunächst zwischen einer Elektrode 2.1 und einer Düse 2.2 (hier nicht dargestellt, siehe Figuren 1 und 2) mit bspw. 25 A (Phase 1).
Der anodische Ansatzpunkt setzt nach Zündung des Pilotlichtbogens 3.1 von der Düse 2.2 zum Werkstück 4 über, ein Plasmastrahl 3 bildet sich aus und der Plasmabrennerabstand d wird von d1 auf d2 = 25 mm erhöht, wie in Figur 8 dargestellt (Phase 2).
Der Strom wird auf den Schneidstrom von beispielhaft 300 A erhöht. Die Vorschubgeschwindigkeit v, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 gegenüber der Werkstückoberfläche 4.1 in Vorschubrichtung 10 bewegt wird, wird von v1 von beispielhaft 0 mm/min auf v2 von beispielhaft 2.800 mm/min erhöht. Diese ist vorteilhafterweise deutlich größer als die Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden (Phase 4). Die Form der Kontur 430, die der Plasmabrenner 2 gegenüber der Werkstückoberfläche 4.1 , von oben auf die Werkstückoberfläche 4.1 gesehen, mit der Vorschubgeschwindigkeit v2 beschreibt, ist in diesem Fall eine ovale Kontur 430 mit einer Größe von beispielsweise ca. 48 mm x 8 mm (Figur 9b). Die Vorschubgeschwindigkeit v2 und der Plasmabrennerabstand d2 sind so groß, dass das von der Werkstückoberfläche 4.1 her hochspritzende aufgeschmolzene Material 418 seitlich so wegspritzt, dass es den Plasmaschneidbrenner 2, die Düse 2.2, eine Sekundärgaskappe 2.4 und die Plasmabrennerspitze 2.8 nicht oder nur zu einem so geringen Anteil berührt, dass diese nicht beschädigt, wie in Figur 9a gezeigt (Phase 2), werden. Dies wird in diesem Beispiel insbesondere durch die Kombination der beschriebenen Parameter v2 und d2 erreicht. Es wird nur Material abgetragen. Dabei wird der Plasmaschneidbrenner vorteilhafterweise so schnell bewegt (v2) und ist ausreichend weit entfernt (d2), dass das aufgeschmolzene Material seitlich wegspritzt. Man kann sich das auch so vorstellen, dass durch die schnelle Bewegung der Plasmastrahl entgegen der Vorschubrichtung abgelenkt wird. In diese Richtung spritzt dann auch das aufgeschmolzene Material. Insgesamt könnte man auch sagen, dass vorteilhafterweise der Energieeintrag in die Oberfläche pro Längeneinheit (mm) kleiner ist als beim Schneiden.
Die Figur 9b zeigt in Draufsicht auf die Werkstückoberfläche 4.1 die durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebene ovale Kontur 430. Diese wird hier beispielhaft zweimal umfahren und es entsteht die ebenfalls gezeigte eine Ausspülung 410 mit einer maximalen Länge 419 von beispielhaft ca. 57 mm und einer Breite 420 von beispielhaft 17 mm. Die Ausspülung 410 weist eine ovale Form 415 mit einer umlaufenden Kante 413 am Übergang zwischen der Ausspülung 410 und der Werkstückoberfläche 4.1 auf. Der Abstand 417 des tiefsten Punktes der Ausspülung 410, senkrecht (d.h. gemäß dem in den Figuren eingezeichneten rechtwinkligen Koordinatensystem in z-Richtung) zur Werkstückoberfläche 4.1 gemessen, beträgt hier beispielhaft 25 mm (Phase 2).
Der kleinste Abstand 411 zwischen der Kante 413 der entstandenen Ausspülung 410 und der durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebenen ovalen Kontur 430 beträgt beispielhaft ca. 4,5 mm, der Abstand 412 der Längskanten der durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebenen ovalen Kontur 430 beträgt beispielhaft 8mm. Damit ist in diesem Beispiel der Abstand 411 kleiner als der Abstand 412 und der Abstand 412 kleiner als das Doppelte des Abstands 411.
Die Figur 10 zeigt den Plasmaschneidbrenner 2 kurz nach dem Verlassen der Umfahrung der Kontur 430. Er ist in Richtung Kante 413 der Ausspülung 410 für beispielhaft ca. 2 mm bewegt worden und so positioniert, dass der Plasmastrahl 3 zumindest teilweise auf die Kante 413 und/oder die Schräge 421 der Ausspülung 410 trifft.
So spritzt das jetzt beim Einstechen, wie Figur 10 gezeigt, in und durch das Werkstück 4 hochspitzende heiße Material 418 vor allem in Richtung der Ausspülung 410 seitlich so weg, dass es den Plasmaschneidbrenner 2 und seine Bestandteile die Düse 2.2, Brennerspitze 2.8, Sekundärgaskappe 2.4 nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil berührt. Während des Einstechens (Phase 3), in Figur 10 gezeigt, in und durch das Werkstück 4 kann die Vorschubgeschwindigkeit v des Plasmaschneidbrenners 2 v3 = Om/rnin oder zwischen 0 und Vorschubgeschwindigkeit v4, mit der das Werkstück 4 geschnitten wird, sein. Die Vorschubgeschwindigkeit v3 ist vorteilhafterweise deutlich geringer als die Vorschubgeschwindigkeit v2 während des Abtragens sein. Die Länge 419 der Ausspülung 410 ist so groß, dass das bis zum Durchstechen hochspritzende Material 418 entgegengesetzt der Schneidrichtung 10 so durch die Ausspülung 410 wegspritzen kann, dass es den Plasmaschneidbrenner 2, die Plasmabrennerspitze 2.8, die Düse 2.2 und/oder die Sekundärgaskappe 2.4 nicht oder zum größten Teil nicht berührt. Mit anderen Worten sollte die Ausspülung 410 vorteilhafterweise so groß sein, dass das durch die hohe Vorschubgeschwindigkeit v2 seitlich hochspritzende aufgeschmolzene Material 418 zwischen dem Plasmaschneidbrenner 2 und seinen Bestandteilen (Düse 2.2, Sekundärgaskappe 2.4, Plasmabrennerspitze 2.8) und der Kante 413 sowie der Schräge 421 der Ausspülung 410 "durchfliegen" kann. Ist die Ausspülung zu klein, trifft das hochspritzende Material auf den gegenüberliegenden Teil der Kante 413 und die Schräge 421 der Ausspülung 410 und kann in Richtung Plasmaschneidbrenner 2 umgelenkt bzw. zurückgelenkt werden.
Im Beispiel beträgt die Vorschubgeschwindigkeit v3 = 0 m/min. In der Phase 3 ist der Plasmabrennerabstand d3 mit 25 mm gleich dem Plasmabrennerabstand d2 während des Abtragens gewählt. Der Plasmabrennerabstand d3 ist größer als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden (Phase 4).
Nachdem das Werkstück 4 durchstochen wurde, wie in Figuren 11 , 12 und 13 gezeigt, können die für das Schneiden von beispielsweise 60 mm Baustahl gewählte Vorschubgeschwindigkeit v4 und der Plasmabrennerabstand d4 eingestellt werden, um den Schneidprozess durchzuführen, bei dem eine Schnittfuge 450 mit einer Schnittfugenbreite 452 entsteht (Phase 4).
Dabei zeigt die Figur 11 den Plasmaschneidbrenner 2 unmittelbar nach dem Durchstechen durch das Werkstück, die Figur 12 den Plasmaschneidbrenner während des Schneidens und die Figur 13 die Draufsicht auf die Werkstückoberfläche 4.1 und die durch den Plasmaschneidbrenner 2 erzeugte Schnittfuge 450 und Ausspülung 410 (Darstellung ohne Plasmaschneidbrenner 2). Hier spritzt das aufgeschmolzene Material 423 aus der Werkstückunterseite 4.5 heraus.
In den Figuren 14 und 15 ist beispielhaft der schematische Ablauf der Plasmabrennerabstandes (d, d1, d2, d3, d4) und der Vorschubgeschwindigkeit (v, v1, v2, v3, v4) der Plasmaschneidbrenners 2 während der zeitlichen Phasen 1 , 2, 3 und 4 gezeigt. Figur 15 zeigt zusätzlich, dass zwischen den Phasen 1, 2, 3, und 4 zumindest eine weitere Phase vorhanden sein kann. Dies kann auch nur der Übergang zwischen zwei Parametern, bspw. v1 und v2, v2 und v3, v3 und v4 und/oder d1 und d2, d2 und d3, d3 und d4 sein. In der Praxis wird dies meist der Fall sein, weil es die in Figur 14 gezeigt “abrupten“ Übergänge so nicht gibt. Es können aber auch bewusst zusätzliche längere Phasen vorhanden sein.
Beispielsweise kann insbesondere zwischen der Phase 3 und der Phase 4 eine weitere Phase 5 mit einer Zeit t5 vorgesehen sein, bei der sich der Plasmabrennerabstand d5 und/oder die Vorschubgeschwindigkeit d5 von denjenigen/derjenigen oder denjenigen der Phasen 3 und 4 unterscheidet/n. Dies ist besonders sinnvoll, wenn sich ein auf der Werkstückoberfläche befindlicher Anteil ausgeschmolzenen Materials befindet, dann gilt: v3 < v5 < v4 und/oder d3<= d5 > d4
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, zwischen den Phasen oder mindestens zwei Phasen Pausen einzufügen, bspw. um das Werkstück 4 oder den Plasmaschneidbrenner 2 abkühlen zu lassen oder Spritzer des aufgeschmolzenen Werkstücks 4 auf der Werkstückoberfläche 4.1 zu entfernen. In Pausen kann der Strom I beispielsweise „0“ sein.
In jeder Phase kann der Vektor der Vorschubgeschwindigkeit grundsätzlich neben einer zur Werkstückoberfläche parallelen Komponente, d. h. in dem in den Figuren eingezeichneten rechtwinkligen Koordinatensystem, von dem die y-Achse in die Zeichenebene (senkrecht) hinein verläuft, in der x-y-Ebene, auch noch eine zur Werkstückoberfläche senkrechte Komponente (z-Komponente) aufweisen. Diese würde dann die Änderung des Parameters d bewirken.
Zumindest in den Übergängen zwischen den Phasen ändert sich in Beispielen d. Damit gibt es die senkrechte Komponente von v.
Im beschriebenen Beispiel wurden für das Abtragen bzw. die Erzeugung der Ausspülung 410 (Phase 2) eine höhere Vorschubgeschwindigkeit v2 als die Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden und ein höherer Plasmabrennerabstand d2 als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden (Phase 4) gewählt. Der Strom I2 hat hier vorteilhafterweise die gleiche Größe wie der Schneidstrom I4 beim Schneiden.
Es sind aber auch andere Kombinationen der Parameter beispielsweise gemäß der Ansprüche 3 bis 9 möglich. Dabei kommt es vor allem darauf an, diese so zu kombinieren, dass das von der Werkstückoberfläche 4.1 her hochspritzende aufgeschmolzenen Material 418 seitlich so wegspritzt, dass es den Plasmabrenner 2, insbesondere seine Düse 2.2 oder seine Sekundärgaskappe oder seien Plasmabrennerspitze 2.8 nicht oder nur zu einem geringen Anteil berührt und somit nicht beschädigt.
So ist zum Beispiel möglich, während der Phase 2 des Abtragens und Ausspülens mit folgenden gegenüber dem Schneiden (Phase 4) veränderten Parametern zu arbeiten:
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und/oder mit einem geringeren Strom I2 als I4 und/oder mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und/oder mit einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14 und/oder mit einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Plasmagases als m14 und/oder mit einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24 und/oder mit einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24 und/oder mit einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der Phase 2 aufweist, und/oder mit einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der Phase 2 aufweist, und/oder mit einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der Phase 2 aufweist, und/oder mit einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der Phase 2 aufweist.
Dabei sind auch unterschiedliche Kombinationen der Parameter möglich.
Für eine besonders einfache Umsetzung ist es sinnvoll, das Abtragen bzw. Ausspülen nicht mit allen gegenüber dem Schneiden geänderten aufgeführten Parameter zu ändern, sondern möglichst nur drei, besser nur zwei geänderte Parameter zu verwenden.
Folgende Kombinationen sollen zum besseren Verständnis beispielhaft genannt sein:
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 des Plasmagases als m14.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist. Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil aufweist.
Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Plasmagases als m14.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der Phase 2 aufweist.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der Phase 2 aufweist.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der Phase 2 aufweist.
Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der Phase 2 aufweist.
Es sind jedoch auch anderen Kombinationen möglich.
Mit oxidierendem Anteil ist der Anteil in Volumenprozent an oxidierendem Gas, bspw. Sauerstoff oder Kohlendioxid, im Plasmagas oder Sekundärgas gemeint. Mit reduzierendem Anteil ist der Anteil in Volumenprozent an reduzierendem Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Methan, im Plasmagas oder Sekundärgas gemeint.
Beispielhaft werden nachfolgend vorteilhafte Parameter angegeben. Die nachfolgende Tabelle stellt den Bezug zwischen den Parametern und den entsprechenden Bezugszeichen her.
(1) Diese Zeit ist abhängig von der Größe des auszuschneidenden Bauteils
Beispiel 1
Material: niedriglegierter Stahl (Baustahl) S235
Materialdicke: 40 mm
Schneidgeschwindigkeit v4: 500 mm/min
Schneidstrom 14: 150 A
Plasmagas: Sauerstoff
Sekundärgas: Luft
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Ausspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 35 mm x 6 mm, 2x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 43 mm x 14 mm
Beispiel 2
Material: niedriglegierter Stahl (Baustahl) S235
Materialdicke: 60 mm
Schneidgeschwindigkeit v4: 300 mm/min
Schneidstrom 14: 300 A
Plasamagas: Sauerstoff
Sekundärgas: Luft
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Äusspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 48 mm x 8 mm, 2x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 57 mm x 17 mm
Beispiel 3
Material: niedriglegierter Stahl (Baustahl) S235
Materialdicke: 70 mm
Schneidgeschwindigkeit v4: 170 mm/min
Schneidstrom 14: 300 A
Plasamagas: Sauerstoff
Sekundärgas: Luft
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Äusspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 48 mm x 8 mm, 2x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 57 mm x 17 mm
Beispiel 4
Material: Hochlegierter Stahl (Edelstahl) 1.4301
Materialdicke: 40 mm
Schneidgeschwindigkeit v4: 250 mm/min
Schneidstrom 14: 150 A
Plasamagas: Argon-Wasserstoff-Gemisch
Sekundärgas: Stickstoff
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Äusspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 40 mm x 6 mm, 2x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 45 mm x 11 mm
Beispiel 5
Material: Hochlegierter Stahl (Edelstahl) 1.4301
Materialdicke: 50 mm
Schneidstrom 14: 150 A
Schneidgeschwindigkeit v4: 170 mm/min
Plasamagas: Argon-Wasserstoff-Gemisch
Sekundärgas: Stickstoff
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Ausspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 60 mm x 6 mm, 3x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 65 mm x 11 mm
Beispiel 6
Material: Hochlegierter Stahl (Edelstahl) 1.4301
Materialdicke: 60 mm
Schneidstrom 14: 300 A
Schneidgeschwindigkeit v4: 410 mm/min
Plasamagas: Argon-Wasserstoff-Gemisch
Sekundärgas: Stickstoff
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Ausspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 40 mm x 6 mm, 1x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 50 mm x 15 mm
Beispiel 7
Material: Aluminium AIMg3
Materialdicke: 50 mm
Schneidstrom 14: 150 A
Schneidgeschwindigkeit v4: 300 mm/min
Plasamagas: Argon-Wasserstoff-Gemisch
Sekundärgas: Stickstoff
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Ausspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 60 mm x 6 mm, 1x umfahren
Form und Größe (max. Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 62 mm x 8 mm
Beispiel 8
Material: Aluminium AIMg3
Materialdicke: 60 mm
Schneidstrom 14: 300 A
Schneidgeschwindigkeit v4: 700 mm/min
Plasamagas: Argon-Wasserstoff-Gemisch
Sekundärgas: Stickstoff
Form und Größe (Länge x Breite) der Kontur 430, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 zum
Ausspülen in Phase 2 bewegt wird: Oval, 60 mm x 8 mm, 1x umfahren
Form und Größe (Länge 419 x Breite 420) der entstandenen Ausspülung 410: Oval, ca. 66 mm x 14 mm
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Plasmaschneidanlage
1.1 Stromquelle
1.2 Pilotwiderstand
1.3 Hochspannungszündgerät
1.4 Schaltkontakt
2 Plasmaschneidbrenner
2.1 Elektrode
2.1.1 Elektrodenhalter
2.1.2 Emissionseinsatz
2.2 Düse
2.2.1 Düsenöffnung
2.3 Gaszuführung Plasmagas
2.4 Sekundärgaskappe
2.5 Sekundärgaszuführung Sekundärgas
2.6 Gasführung für Plasmagas
2.7 Plasmabrennerkörper
2.8 Plasmabrennerspitze
2.9 Gasführung für Sekundärgas
3 Plasmastrahl
3.1 Pilotlichtbogen
4 Werkstück
4.1 Werkstückoberfläche
4.3 Werkstückdicke
4.5 Werkstückunterseite
5 Zuleitungen
5.1 Leitung Schneidstrom
5.2 Leitung Pilotstrom
5.3 Leitung Werkstück - Plasmaschneidanlage 5.4 Leitung Plasmagas
5.5 Leitung Sekundärgas 1
6 Gasversorgung
10 Vorschubrichtung des Plasmaschneidbrenners
410 Ausspülung
411 Abstand Kontur 430 und Kante 413 der Ausspülung 410
412 Abstand der Längskanten der Kontur 430
413 Kante der Ausspülung
415 Kontur der Ausspülung auf der Werkstückoberfläche
417 Tiefe der Ausspülung
418 aufgeschmolzenes hochspritzendes Material des Werkstücks
419 maximale Länge der Ausspülung 410 entlang der Werkstückoberfläche
420 Breite der Ausspülung entlang der Werkstückoberfläche
421 Schräge der Ausspülung zur Kante hin
423 aufgeschmolzenes aus der Werkstückunterseite wegspritzendes Material
430 Kontur, mit der der Plasmabrenner gegenüber der Werkstückoberfläche geführt wird
450 Schnittfuge
452 Schnittfugenbreite d Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche d1 Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche in Phase 1 d2 Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche in Phase 2 d3 Plasmabrennerabstand in Phase 3 d4 Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche beim Schneiden in Phase 4 d5 Plasmabrennerabstand in Phase 5
11 Strom in Phase 1
12 Strom in Phase 2
13 Strom in Phase 3 14 Strom in Phase 4, (Schneidstrom) m Massestrom m1 Massestrom Plasmagas m11 Massestrom Plasmagas in Phase 1 m12 Massestrom Plasmagas in Phase 2 m13 Massestrom Plasmagas in Phase 3 m14 Massestrom Plasmagas in Phase 4 m2 Massestrom Sekundärgas m21 Massestrom Sekundärgas in Phase 1 m22 Massestrom Sekundärgas in Phase 2 m23 Massestrom Sekundärgas in Phase 3 m24 Massestrom Sekundärgas in Phase 4
PG Plasmagas p1 Plasmagasdruck p11 Plasmagasdruck in Phase 1 p12 Plasmagasdruck in Phase 2 p13 Plasmagasdruck in Phase 3 p14 Plasmagasdruck in Phase 4 p2 Sekundärgasdruck p21 Sekundärgasdruck in Phase 1 p22 Sekundärgasdruck in Phase 2 p23 Sekundärgasdruck in Phase 3 p24 Sekundärgasdruck in Phase 4
SG Sekundärgas v Vorschubgeschwindigkeit v1 Vorschubgeschwindigkeit in Phase 1 v2 Vorschubgeschwindigkeit in Phase 2 v3 Vorschubgeschwindigkeit in Phase 3 v4 Vorschubgeschwindigkeit beim Schneiden (in Phase 4) v5 Vorschubgeschwindigkeit in Phase 5

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken, bei dem mindestens ein Plasmaschneidbrenner (2) mit zumindest einem Plasmabrennerkörper (2.7), einer Elektrode (2.1) und einer Düse (2.2), durch deren Düsenöffnung (2.2.1) zumindest ein Plasmagas (PG) oder Plasmagasgemisch strömt und die den Plasmastrahl (3) einschnürt, eingesetzt wird, wobei das Verfahren umfasst:
Positionieren des Plasmaschneidbrenners (2) in Bezug zu einem Werkstück (4),
Zünden eines Pilotlichtbogens zwischen der Elektrode (2.1) und der Düse (2.2) des Plasmaschneidbrenners (2) und Erzeugen eines übertragenen Plasmalichtbogens zwischen der Elektrode (2.1) des Plasmaschneidbrenners (2) und dem Werkstück (4),
Einstechen des Plasmastrahls (3) in das Werkstück (4), bis der Plasmastrahl (3) durch das Werkstück (4) hindurch ist, und danach Schneiden des Werkstücks (4) durch Führen des Plasmaschneidbrenners (2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v4 in einem Plasmabrennerabstand d4 vom Werkstück (4) bei einem Schneidstrom I4 , so dass eine Schnittfuge (450) mit einer Schnittfugenbreite (452) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einstechen des Plasmastrahls (3) in und durch das Werkstück (4) eine Ausspülung (410) ausgebildet wird, indem das Werkstück (4) von der Werkstückoberfläche (4.1) her zumindest für eine Zeitdauer t2 derart dem Plasmastrahl (3) ausgesetzt wird, dass Material des Werkstücks (4) von der Werkstückoberfläche (4.1) her abgetragen wird und die Ausspülung (410) entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zumindest folgende Phasen umfasst:
Phase 1 mit einer Zeitdauer t1, die das Positionieren des Plasmaschneidbrenners (2) und das Zünden des Pilotlotbogens sowie das Erzeugen des übertragenen Plasmalichtbogens umfasst,
Phase 2 mit der Zeitdauer t2, die das Ausbilden der Ausspülung (410) umfasst,
Phase 3 mit einer Zeitdauer t3, die das Einstechen in und durch das Werkstück (4) umfasst, und
Phase 4 mit einer Zeitdauer t4, die das Schneiden umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der Zeitdauer t2 der Plasmaschneidbrenner (2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v2 geführt wird, die sich von der Vorschubgeschwindigkeit v4 des Plasmaschneidbrenners (2) beim Schneiden unterscheidet, und/oder der Plasmaschneidbrenner (2) mit einem Strom I2 betrieben wird, der sich von dem Schneidstrom I4 beim Schneiden unterscheidet, und/oder
27 der Plasmaschneidbrenner (2) in einem Plasmabrennerabstand d2 positioniert ist, der sich von dem Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden unterscheidet und/oder sich der Druck p12 und/oder der Volumenstrom und/oder der Massestrom m12 des Plasmagases PG oder des Plasmagasgemisches vom Druck p14 und/oder vom Volumenstrom und/oder vom Massestrom m14 des Plasmagases PG beim Schneiden unterscheidet/unterscheiden und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches eine andere ist als beim Schneiden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei während der Zeitdauer t2: die Vorschubgeschwindigkeit v2 des Plasmaschneidbrenners (2) größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit v4 des Plasmaschneidbrenners (2) beim Schneiden und/oder der Strom I2 kleiner ist als der Schneidstrom I4 beim Schneiden und/oder der Plasmabrennerabstand d2 größer als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden und/oder der Druck p12 und/oder der Volumenstrom und/oder der Massestrom m12 des Plasmagases PG oder des Plasmagasgemischs geringer ist/sind als der Druck p14 und/oder der Volumenstrom m14 beim Schneiden und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches einen geringeren Anteil oxidierenden und/oder reduzierenden Gases aufweist als beim Schneiden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei während der Zeitdauer t2 oder zumindest eines Teils der Zeitdauer t2: die Vorschubgeschwindigkeit v2 des Plasmaschneidbrenners (2) mindestens das Anderthalbfache, besser mindestens das Doppelte, noch besser mindestens das Vierfache, am besten mindestens das Achtfache der Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden beträgt und/oder der Strom I2 höchstens 85%, besser höchstens 70%, am besten höchstens 50% des Schneidstroms I4 beim Schneiden beträgt und/oder der Plasmabrennerabstand d2 mindestens das 1,5-fache, besser mindestens das Doppelte, am besten mindestens das 2,5 fache des Plasmabrennerabstands d4 beim Schneiden beträgt und/oder der Druck p12 und/oder Volumenstrom und/oder Massestrom m12 des Plasmagases PG oder des Plasmagasgemischs höchstens 90%, besser höchstens 80%, am besten höchsten 70% des Drucks p14 und/oder des Volumenstroms und/oder des Massestromes m14 beim Schneiden beträgt und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches einen um mindestens 15 Vol.%, besser um mindestens 30 Vol.%, am besten um mindestens um 50 Vol.% verringerten Anteil oxidierenden und/oder reduzierenden Gases aufweist als die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches beim Schneiden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plasmaschneidbrenner (2) zusätzlich eine Sekundärgaskappe (2.4) aufweist, die zumindest teilweise die Düse (2.2) umschließt und zwischen der Sekundärgaskappe (2.4) und der Düse (2.2) ein Sekundärgas (SG) strömt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei während der Zeitdauer t2 der Druck p22 und/oder Volumenstrom und/oder der Massestrom m22 des Sekundärgases SG oder des Sekundärgasgemischs geringer ist/sind als der Druck p24 und/oder der Volumenstrom und/oder der Messestrom m24 des Sekundärgases PG oder des Sekundärgasgemischs beim Schneiden und/oder das Sekundärgas SG und/oder das Sekundärgasgemisch eine andere Zusammensetzung hat als das Sekundärgas SG und/oder das Sekundärgasgemisch beim Schneiden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei während der Zeitdauer t2 der Druck p22 und/oder Volumenstrom und/oder Massestrom m22 des Sekundärgases SG oder des Sekundärgasgasgemischs höchstens 90%, besser höchstens 80%, am besten höchsten 70% des Drucks p24 und/oder des Volumenstroms und/oder des Massestromes m24 des Sekundärgases und/oder des Sekundärgasgemisches beim Schneiden beträgt und/oder die Zusammensetzung des Sekundärgases und/oder des Sekundärgasgemisches einen um mindestens 15 Vol.%, besser um mindestens 30 Vol.%, am besten um mindestens um 50 Vol.% verringerten Anteil oxidierenden und/oder reduzierenden Gases aufweist als die Zusammensetzung des Sekundärgases und/oder des Sekundärgasgemisches beim Schneiden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Zeitdauer t2 die Vorschubgeschwindigkeit v2 des Plasmaschneidbrenners (2) und/oder der Strom I2 des Plasmaschneidbrenners (2) und/oder der Plasmabrennerabstand d2 des Plasmaschneidbrenners (2) und/oder der Druck p22 und/oder der Volumenstrom und/oder der Massestrom m22 des Plasmagases PG oder des Plasmagasgemischs und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches so gewählt sind, dass zumindest der größte Teil des aufgeschmolzenen hochspritzenden Materials (418) des Werkstücks (4) den Plasmaschneidbrenner (2) und/oder die Plasmabrennerspitze (2.8) und/oder die Düse (2.2) und/oder die Sekundärgaskappe (2.4) nicht berührt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausspülung (410) auf der Werkstückoberfläche (4.1) eine Länge (419) aufweist, dass das bis zum Durchstechen durch das Werkstück (4) hochspritzende aufgeschmolzene Material (418) entgegengesetzt der Schneidrichtung (10) so durch die Ausspülung 410 wegspritzen kann, dass es den Plasmaschneidbrenner (2), die Plasmabrennerspitze (2.8), die Düse (2.2) und/oder die Sekundärgaskappe (2.4) nicht oder zum größten Teil nicht berührt.
11. Verfahren nach den Anspruch 9 und 10, wobei mit dem größten Teil mindestens 90%, besser mindestens 95%, noch besser 99% und am besten 100% des aufgeschmolzenen hochspritzenden Materials (418) gemeint sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausspülung (410) senkrecht von der Werkstückoberfläche (4.1) her gemessen eine maximale Tiefe (417) von mindestens 15% der Werkstückdicke (4.3) und/oder mindestens 10 mm aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausspülung (410) auf der Werkstückoberfläche (4.1) eine Länge (419) von mindestens 40% der Werkstückdicke (4.3) und/oder mindestens 20 mm aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kleinste Abstand
(411) zwischen einer durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430) und einer Kante (413) der entstandenen Ausspülung (410) größer ist als der kleinste Abstand
(412) der durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430).
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kleinste Abstand (412) zwischen der durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebenen Kontur (430) und der Kante (413) der entstandenen Ausspülung (410) und der durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430) kleiner oder gleich dem Doppelten des kleinsten Abstands (412) der durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430) ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei der Plasmaschneidbrenner (2) nach dem Ausbilden der Ausspülung (410) und vor dem Schneiden für die Zeitdauer t3 so positioniert wird, dass der Plasmastrahl (3) bei Beginn des Einstechens in und durch das Werkstück auf die Kante (413) und/oder eine Schräge (421) der Ausspülung (410) trifft.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei nach dem Ausbilden der Ausspülung (410) und vor dem Schneiden für die Zeitdauer t3 eine Vorschubgeschwindigkeit v3 zum Einstechen in und durch das Werkstück (4) kleiner als die Vorschubgeschwindigkeit v2 während des Ausbildens der Ausspülung (410) oder 0 ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Vorschubgeschwindigkeit v3 höchstens die Hälfte, besser höchstens ein Viertel, noch besser höchstens ein Achtel der Vorschubgeschwindigkeit v2 beträgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, wobei nach dem Ausbilden der Ausspülung (410) und vor dem Schneiden für die Zeitdauer t3 die Vorschubgeschwindigkeit v3 zum Einstechen in und durch das Werkstück (4) kleiner als die Vorschubgeschwindigkeit v4 während des Schneidens oder 0 ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei ein Plasmabrennerabstand d3 zum Einstechen während der Zeitdauer t3 in und durch das Werkstück größer ist als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Plasmabrennerabstand d3 zum Einstechen in und durch das Werkstück (4) kleiner oder gleich dem Plasmabrennerabstand d2 beim Ausbilden der Ausstülpung(410) ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 21 , wobei während der Zeitdauer t1 der Plasmabrennerabstand d1 kleiner ist als der Plasmabrennerabstand d2 während der Zeitdauer t2 und/oder kleiner ist als der Plasmabrennerabstand d3 während der Zeitdauer t3 und/oder größer ist als der Plasmabrennerabstand d4 während des Schneidens.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 22, wobei während der Zeitdauer t1 die Vorschubgeschwindigkeit v1 des Plasmaschneidbrenners (2) kleiner ist als Vorschubgeschwindigkeit v2 während der Zeitdauer t2 und/oder kleiner ist als die Vorschubgeschwindigkeit v4 während des Schneidens.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 23, wobei sich zwischen der Phase 3 und der Phase 4 zumindest eine weitere Phase befindet, bei der der Plasmabrennerabstand d kleiner/gleich dem Plasmabrennerabstand d3 und größer als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 24, wobei sich zwischen der Phase 3 und der Phase 4 zumindest eine weitere Phase befindet, bei der die Vorschubgeschwindigkeit v des Plasmaschneidbrenners (2) größer als die Vorschubgeschwindigkeit v3 und kleiner als der Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden ist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 25, wobei zwischen den Phasen 1, 2, 3 und 4 weitere Phasen vorhanden sind.
27. Verfahren nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Phasen 1 , 2, 3 und 4 die Vorschubgeschwindigkeit v und/oder der Strom I und/oder der Plasmabrennerabstand d und/oder der Druck p1 und/oder der Volumenstrom und/oder der Massestrom m1 des Plasmagases PG oder des Plasmagasgemischs und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Plasmagasgemisches und/oder der Druck p2 und/oder Volumenstrom und/oder der Massestrom m2 des Sekundärgases SG und/oder die Zusammensetzung des Sekundärgases SG und/oder das Sekundärgasgemisches ändert/ändern.
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