Lochstechen in Perfektion

Das Lochstechen gehört für viele Blechbearbeiter und Stahlbearbeitungszentren zum täglichen Brot, ist jedoch vor allem bei dickerem Material bislang alles andere als trivial. Nicht selten kommt es an den Brennern zu stark verbrannten oder mit einer dicken Schlackeschicht bedeckten Verschleißteilen. Abhilfe versprechen die neuesten Entwicklungen bei Plasmabrennern und Verschleißteilen.

Der typische Ablauf beim Lochstechvorgang mit einem Plasmabrenner: Der Plasmalichtbogen verbindet sich mit der Oberfläche der Platte und überträgt genug Energie, um das Metall in der Nähe der Oberfläche zu schmelzen. Dieses geschmolzene Material muss nun entfernt werden, was normalerweise durch das nicht stromführende kalte Gas und das Plasma-Sekundärgas erreicht wird. Während dieses geschmolzene Material entfernt wird, überträgt der Lichtbogen die Energie auf den Boden des gestochenen Loches und der Schmelzvorgang in der Platte wird fortgesetzt. Dabei dringt der Lichtbogen immer tiefer in die Platte ein, bis er diese schließlich ganz durchdrungen hat.

In der Theorie klingt dies zwar recht gut. Während das Lochstechen erfolgt und das Loch tiefer wird, beeinflussen jedoch drei einschränkende Faktoren den Vorgang.

Der erste ist mit der Energieübertragung auf den Boden des Loches verbunden. Diese Energieübertragung ist umso geringer je tiefer das Loch wird. Außerdem überträgt der Lichtbogen seine Energie nicht nur auf den Boden des Loches, sondern auch auf die Seiten und vergrößert dadurch das Loch an der Oberseite der Platte, was den Lochstechvorgang verlangsamt.

Verschleißteile sind starken Belastungen ausgesetzt

Während das Loch tiefer und breiter wird, verlängert sich der Abstand zwischen Brenner und Werkstück. Dadurch steigen die Lichtbogenspannung und die Gefahr, dass der Lichtbogen erlischt. Auch wenn die Stromquelle genug Spannung hat, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten, bedeuten die längeren Lochstechzeiten, dass der Brenner länger über dem heißen geschmolzenen Stahl bleibt, so dass die Verschleißteile, insbesondere das Schutzschild, zu schmelzen beginnen.

Der zweite einschränkende Faktor ist mit der Strömungsdynamik beim Entfernen des geschmolzenen Materials aus dem Loch verbunden. Kaltes Plasmagas und Sekundärgas sollen die geschmolzene Schlacke aus dem Loch und vom Lochstechvorgang weg blasen. Dies wird umso schwieriger, je tiefer das Loch wird. Als Folge staut sich das Gas häufig unten im Loch und das geschmolzene Metall bildet eine Pfütze am Boden.

Schäden durch zurückspritzendes Material

Der dritte und einflussreichste Faktor, der das Lochstechen von dicken Metallen einschränkt, ist das aus dem zu stechenden Loch austretende, geschmolzene Material. Ein Großteil davon spritzt zum Brenner zurück. Da sich der Brenner direkt über der Stelle befindet, an dem der Lochstechvorgang stattfindet, kehren die Hitze und das geschmolzene Material zum Brenner zurück. Weil dadurch die Temperatur des Brenners und insbesondere die des Schutzschilds steigt, bleibt geschmolzenes Material noch leichter daran haften. Dadurch wird noch größere Hitze auf das Schutzschild übertragen, was wiederum zu vermehrtem Anhaften von Schlacke und Hitzebildung führt. Diese zunehmende Anhaftung von Schlacke kann Lüftungslöcher blockieren, das Loch der Schutzkappe versperren und die Abstandshöhenregelung des Brenners beeinflussen. Dies alles beeinträchtigt die Lochstechfähigkeit und die Schnittgüte. Und schließlich können das Schutzschild und sogar die Düse schmelzen.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass geschmolzenes Metall, das in Richtung des Brenners spritzt, häufig auf der Oberseite der Platte anhaftet. Diese erheblichen Ablagerungen, die sich normalerweise an den Rändern des gestochenen Loches bilden, können sich über einen großen Bereich der Platte erstrecken und ziemlich dick sein. Wenn der Brenner später durch diese verfestigte Schlacke fährt, wird die Spitze des Brenners (normalerweise das Schutzschild) beschädigt.

Die Verwendung einer Brennerhöhenverstellung mit Spannungssteuerung bietet zwar die Möglichkeit, den Brenner über diese Schlacke zu heben und so einen Kontakt zu vermeiden. Das Anheben des Brenners während des Schnitts kann jedoch zu Rillen in den Schnittkanten führen, wenn der Brenner durch die Schlackeanhaftung fährt. Die beste Möglichkeit, dieses Problem zu vermeiden, ist ein besonders günstiger Anschnittweg, der verhindert, dass der Weg des Brenners die Schlackeanhaftung kreuzt. Als Daumenregel wird im Allgemeinen ein Anschnittweg in Länge der zu schneidenden Materialdicken empfohlen.

Hypertherm hat es jetzt geschafft, diese Einschränkungen des Plasma-Lochstechens zu beseitigen. Die erste Einschränkung beim Lochstechen einer dicken Metallplatte, also die Energieübertragung auf den Boden des Loches, wird hauptsächlich durch die Architektur der HPR XD-Stromquelle behoben. Für ein effektives Lochstechsystem muss die Stromquelle so konstruiert sein, dass sie hohe Spannungen zusammen mit Möglichkeiten der Stromsteuerung (insbesondere zu Beginn des Lochstechvorgangs) unterstützt. Wenn ein System nicht über diese Möglichkeit verfügt, kann der Bediener nichts tun, um dies zu ändern. Es gibt jedoch einige Techniken, zum Beispiel doppeltes Lochstechen oder eine geringe Übertragung/Lichtbogenlänge, die die Lochstechfähigkeit einer Stromquelle mit niedriger Spannung verbessern können.

Kühlung verhindert Anhaften der Spritzer

Die zweite Einschränkung beim Lochstechen einer dicken Metallplatte in Bezug auf das Entfernen des geschmolzenen Materials kann durch verschiedene Lochstechtechniken behoben werden. Zum Beispiel können Bewegungs- und doppelte Lochstechtechniken den Abtragvorgang unterstützen. Ebenfalls hilfreich beim Entfernen des geschmolzenen Materials ist eine in HPR-Systemen von Hypertherm integrierte Funktion namens ‚pierce complete‘ (Lochstechabschluss). Diese Funktion kann den Sekundärgasfluss nach Abschluss des Lochstechvorgangs – wenn das Sekundärgas normalerweise in den Modus der geringeren Schneidgasströmung wechselt – auf einer höheren Vorströmungseinstellung halten. Dies führt zu höheren Sekundärgasströmungen während des Lochstechens, was das Auswerfen flüssigen Metalls unterstützt, sowie eine zusätzliche Kühlung für das Schutzschild während des Lochstechvorgangs bietet.

Der dritte und einflussreichste Faktor, der die Verwendung von Plasma zum Lochstechen von dickem Metall einschränkt, hat hauptsächlich mit dem geschmolzenen Metall zu tun, das auf den Brenner und die Verschleißteile geblasen wird. Es gibt zwar keine Möglichkeit, das Auftreffen geschmolzenen Material zu verhindern. Ingenieure bei Hypertherm haben jedoch eine Möglichkeit gefunden, zu verhindern, dass das Metall dort anhaftet. Sie entdeckten, dass die Neigung des Metalls, am Schutzschild haften zu bleiben, durch eine Verringerung der Temperatur des Schutzschilds reduziert werden kann. Bei Versuchen mit verschiedenen Kühlmethoden fanden sie schließlich eine Möglichkeit, Kühlmittel zu dem Teil des Schutzschilds zu leiten, das dem geschmolzenen Metall am stärksten ausgesetzt ist. Daraus entstand ein System, bei dem das Schutzschild direkt über einen Flansch an der Rückseite mit dem geschlossenen Kühlkreislauf der Anlage verbunden wird.

Testreihe bestätigt die Erwartungen

Umfangreiche Teste bestätigten inzwischen die Erwartungen. Die Testreihe umfasste das Lochstechen einer 38 mm dicken Platte aus unlegiertem Stahl, unter der erschwerten Bedingung einer verringerter Brennerhöhe, die mit dem neuesten System von Hypertherm, der HyPerformance Plasma HPR400XD, durchgeführt wurde. Der Plan war, das 400 A Sauerstoff-Schneidsystem für 300 Lochstechvorgänge zu verwenden. Bei jedem Test wog Hypertherm das Schutzschild und die Schutzkappe vor Beginn des Tests und nach jeweils 25 Lochstechvorgängen, um die angesammelte Schlacke am Schutzschild zu überwachen. Dies erfolgte bis zum Abschluss der 300 Lochstechvorgänge. Bei den Tests wurde die Temperatur des Kühlmittels, das in Kontakt mit dem Schutzschild kommt, variiert und in einigen Fällen der Kühlmittelfluss zum Schutzschild komplett unterbunden.

Die Ergebnisse der Tests waren dramatisch. Ohne Kühlmittelfluss baute sich am Schutzschild sehr schnell eine dicke Schlackeschicht auf und das Schutzschild schmolz. Bei erhitztem Kühlmittel konnte das Schutzschild den Test mit 300 Lochstechvorgängen ohne Schmelzen abschließen, es sammelte sich aber eine große Menge Schlacke an. Wenn aber die Temperatur des Kühlmittels weiter reduziert wurde, verringerte sich die Menge der angesammelten Schlacke ebenfalls und erreichte schließlich einen Punkt, an dem die kleine Schlackenmenge, die am Schutzschild anhaftete, keine Auswirkung auf den Betrieb des Brenners hatte.

Die Integration dieser, von Hypertherm PowerPierce genannten Technologie in die Plasmabrenner und Verschleißteile erweitert heute die Fähigkeiten von Plasma erheblich. Hypertherm erwartet, dass sich heute Produktionslochstechvorgänge bei unlegiertem Stahl mit einer Dicke von bis zu 50 mm durchführen lassen, was die Vorteile von Plasma für immer mehr Unternehmen erschließt. W

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