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 10 ⁶ W/cm ² 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