Wat is plasmasnijden?
Plasmasnijden is een smeltproces dat ontwikkeld is om metalen te kunnen snijden waar voor het autogeen snijden niet of minder geschikt is zoals aluminium en roestvast staal. Tegenwoordig wordt het plasmasnijden echter ook steeds meer ingezet voor het snijden van ongelegeerd en laaggelegeerd staal. Een voordeel van het plasmasnijden is, dat het met de hand kan worden uitgevoerd, mits de verkregen snedekwaliteit voldoet aan de eisen. Dit wordt bijvoorbeeld veel toegepast voor het maken van gaten in luchtkanalen.
Principe
Bij het plasmasnijden wordt in het plasmagas een elektrische boog getrokken tussen een niet-afsmeltende elektrode en het werkstuk. De elektrische boog ontstaat omdat het gas ioniseert: er ontstaat een plasma. Deze boog wordt ook wel de overgedragen boog of hoofdboog genoemd (plasmastraal).
Figuur 1. Principe van het plasmasnijden
Om deze hoofdboog te kunnen ontsteken en te stabiliseren, wordt gebruikgemaakt van een zogenaamde hulpboog of pilootboog met een laag vermogen tussen de elektrode en het koperen snijmondstuk. De hulpboog zelf wordt ontstoken door middel van een hoogfrequente hulpspanning. Het (watergekoelde) koperen snijmondstuk zorgt ervoor, dat de plasmaboog sterk wordt ingesnoerd.
Door de sterke booginsnoering stijgt de temperatuur van de boog sterk (ca. 24.000 K, zie figuur 2) en krijgen de uitstromende gassen een zeer hoge snelheid met een overeenkomstige grote kinetische energie. Het resultaat hiervan is een zeer dunne, energierijke en zeer stabiele plasmaboog waarmee metalen gesneden kunnen worden.
Figuur 2. Verschil (temperaturen en vorm) tussen een TIG lasboog (links) en een plasmaboog (rechts)
Het verschil tussen het plasmasnijden en het autogeen snijden is, dat bij het plasmasnijden het materiaal door de plasmaboog gesmolten en uit de snede wordt geblazen en dat bij het autogeen snijden het materiaal door de zuurstofstraal verbrand wordt en als dunvloeibare slak uit de snede wordt geblazen. Hierdoor is het plasma snijproces ook te gebruiken voor materialen die voor het autogeen snijden niet geschikt zijn, zoals roestvast staal en aluminium.
Gassen
Bij een conventioneel plasmasnijsysteem wordt in de snijtoorts gebruikgemaakt van een wolfraamelektrode en wordt als snijgas argon, een argon/waterstofmengsel of stikstof gebruikt. Deze gassen worden gebruikt voor roestvast staal en de non-ferrometalen. Er kan ook gebruik worden gemaakt van oxiderende gassen of gasmengsels, zoals lucht en zuurstof.
Hiermee wordt ongelegeerd of laaggeleerd staal gesneden. Het staal smelt dan grotendeels door de plasmaboog maar verbrandt ook voor een deel zoals bij het autogeen snijden. In het laatste geval kan geen gebruik worden gemaakt van een wolfraamelektrode, maar wordt een hafnium of zirkonium elektrode gebruikt. De hoeveelheid plasmagas moet afgestemd zijn op de gebruikte snijstroom en de diameter van de boring in het snijmondstuk. Deze worden bepaald door de te snijden materiaalsoort en de te snijden materiaaldikte.
Plasmasnijmethoden
De plasmasnijmethode die we kiezen is afhankelijk van een aantal factoren, zoals:
- het soort plasmagas;
- de manier van koelen;
- het al dan niet toepassen van beschermgas;
- het te snijden metaal.
We onderscheiden onder meer de volgende plasmasnij technieken.
Plasmasnijden met een enkele gasstroom
Bij de conventionele methode van het plasmasnijden wordt uitsluitend gebruikgemaakt van snijtoortsen waarin alleen de boog door middel van een goed gekoeld snijmondstuk wordt ingesnoerd. Hierbij zijn twee uitvoeringen mogelijk, namelijk een gasgekoelde en watergekoelde snijtoorts. In figuur 3 is het conventionele plasmasnijden schematisch weergegeven voor een watergekoelde lastoorts.
Het conventionele plasmasnijden wordt in de praktijk nog steeds het meest toegepast, zowel bij het handmatig snijden als het gemechaniseerd snijden.
Figuur 3. Principe van het conventionele plasmasnijden met een watergekoelde snijtoorts
Het plasmaluchtsnijden
In de beginfase werd het plasmasnijproces alleen toegepast voor materialen die met autogene snijapparatuur niet konden worden gesneden. De kostprijs van de inerte snijgassen zoals argon maakte het plasmasnijden te duur voor het snijden van ongelegeerde staalsoorten. Door de toepassing van goedkope perslucht als snijgas werd het voordelig om ook ongelegeerde staalsoorten door middel van het plasmasnijden te snijden.
Het plasmaluchtsnijden (zie figuur 4) gebruikt als plasmagas uitsluitend perslucht. Omdat het elektrodemateriaal niet of zeer beperkt in zuurstof mag verbranden, wordt hafnium of zirkonium als elektrodemateriaal gebruikt. Deze materialen vormen in verbinding met zuurstof aan het oppervlak een hoogsmeltende, elektrisch geleidende film, die de elektrode beschermt. Voor het plasmasnijden met gassen die geen zuurstof bevatten, zijn deze elektroden overigens niet geschikt, dan wordt meestal een veel goedkopere wolframelektrode gebruikt.
De snedekwaliteit is over het algemeen goed. Het plasmaluchtsnijden is zeer geschikt voor het snijden van dunne materialen (vanaf 1 mm). Hierbij kunnen zeer hoge snijsnelheden worden bereikt (bij dunne plaatmaterialen ongeveer 6 m/min), met beperkte warmte-inbreng tijdens het snijden. Hierdoor zijn de vervormingen bij het snijden van plaatdiktes tot 3 mm klein.
Het optredende lawaai bij het plasmaluchtsnijden is aanzienlijk en er komen veel stoffen vrij (vooral snijrookdeeltjes). Uit arbotechnisch oogpunt moet om deze reden een krachtige afzuiging met filterapparatuur worden geïnstalleerd. Het plasmaluchtsnijden is zonder meer in staat met het autogeen snijden in zijn traditionele toepassingsgebied -het snijden van laaggelegeerd koolstofstaal- te concurreren.
Figuur 4. Plasmasnijden met perslucht
Plasmasnijden met een secundaire gasstroom
Door gebruik te maken van een extra secundaire gasstroom, die als een mantel om de plasmaboog wordt gelegd, wordt de plasmaboog nog verder ingesnoerd. Hierdoor lopen de energiedichtheid en de temperatuur nog verder op. Schematisch is deze methode in figuur 5 weergegeven. De voordelen van het plasmasnijden met een secundaire gasstroom ten opzichte van de conventionele methode zijn vooral de hogere snijsnelheden en een vermindering van de afronding aan de bovenkant van de snede.
De constructie van de snijtoorts maakt het mogelijk dat er een wolframelektrode kan worden gebruikt, zelfs als er met actieve gassen, zoals lucht of zuurstof wordt gewerkt als secundair gas. Voorzien van een aangepaste constructie kan dit type snijbrander ook voor het onderwatersnijden worden toegepast.
Het principe van het plasmasnijden met een secundaire gasstroom is gelijk aan het conventionele plasmasnijden. Het plasmagas is doorgaans argon, een argon/waterstof mengsel of stikstof. De samenstelling van het secundaire gas wordt bepaald door het te snijden materiaal:
- Staal: lucht, zuurstof of stikstof.
- RVS: stikstof, argon/waterstof mengsel of CO2.
- Aluminium: stikstof, argon/waterstof mengsel.
Figuur 5. Plasmasnijden met een secundaire gasstroom
Plasmasnijden met waterinjectie
Bij het plasmasnijden met waterinjectie wordt in het mondstuk tangentieel (spiraalsgewijs) water geïnjecteerd (zie figuur 6).
Hierdoor wordt de plasmastraal sterk ingesnoerd, wat samen met de verdamping en ionisatie van een gedeelte van het water leidt tot een zeer energierijke plasmaboog met een temperatuur van circa 30.000 °C. Het proces leent zich vooral voor het plasmasnijden onder water.
Figuur 6 Plasmasnijden met waterinjectie [49]
Voordelen van het plasmasnijden met waterinjectie zijn:
- de standtijd van het mondstuk wordt gunstig beïnvloed, doordat de hete plasmaboog het snijmondstuk niet extra verhit;
- het werkstuk wordt sterk gekoeld, waardoor minder oxiden aan het snedeoppervlak ontstaan;
- door de koeling van het werkstuk ontstaan minder vervormingen.
Het plasmasnijden met waterinjectie wordt veelal uitgevoerd met stikstof als plasmagas. De materiaaldikte die kan worden gesneden en de snijsnelheden hangen af van een aantal factoren, zoals het vermogen van de installatie en de gekozen snijgassen.
Plasmasnijden met een waterscherm/-douche
Het met water omgeven van de plasmastraal (zie figuur 7) is een methode om het geluid, de straling en de snijrook sterk te verminderen. Ook wordt een langere levensduur van het snijmondstuk verkregen. Hoe effectief de toepassing van een watergordijn op de verlaging van de geluidsoverlast is, blijkt uit metingen. Bij het conventionele plasmasnijden met relatief hoge stroomsterkten wordt een geluidsniveau van ca. 115 dB gemeten.
Figuur 7 Plasmasnijden met een waterscherm
Bij het snijden met een waterscherm daalt dit naar ca. 96 dB, wat echter nog wel te hoog is om zonder gehoorbescherming te werken (wettelijke grens ≤ 80 dBa).
Plasmasnijden in combinatie met een watertafel (plasma onderwatersnijden)
Bij het plasma onderwatersnijden ligt het werkstuk onder water. Dit doen we om minder last te hebben van straling, schadelijke dampen en geluid. Het werkt het beste bij het snijden met een plasmatoorts met een secundaire gasstroom of waterinjectie en als het werkstuk ca. 60-80 mm onder het wateroppervlak ligt. Aangezien het water slechts beperkt stikstofoxides op kan nemen, blijft afzuiging noodzakelijk.
Het plasma onderwatersnijden vraagt meer energie dan het snijden boven water zodat hierbij met de aanschaf van de apparatuur rekening mee moet worden gehouden. In de praktijk kunnen ongelegeerd en laaggelegeerd staal tot 15 mm en hooggelegeerd staal tot 20 mm rendabel onder water gesneden worden. Bij het onderwatersnijden van dunne materialen treedt vrijwel geen vervorming op, tevens is de snijkant nagenoeg oxidevrij. Afhankelijk van de materiaalsoort moet rekening worden gehouden met het opharden van het snijoppervlak. Het geluidsniveau ligt bij onderwatersnijden tussen 52 en 85 dB, zodat veelal zonder gehoorbescherming kan worden gewerkt.
Fijnstraal plasmasnijden
Het fijnstraal plasmasnijden (ook bekend onder de Engelse namen High Tolerance Plasma en HyDefinition) maakt gebruikt van een zeer sterk ingesnoerde plasma boog (zie figuur 8). De sterke booginsnoering zorgt voor een energiedichtheid die twee- tot driemaal groter is ten opzichte van het conventionele plasmasnijden. Deze sterke booginsnoering wordt verkregen door het boogplasma geforceerd te laten roteren. Bovendien wordt kort voordat de plasmaboog uittreedt nog een tweede gasstroom in het mondstuk geïnjecteerd.
Bij sommige systemen wordt soms nog een magneetveld om de plasmaboog aangebracht, waardoor de boog wordt gestabiliseerd en het roteren van de gasstroom beter in stand wordt gehouden. Het resultaat is een snede van een kwaliteitsniveau die tussen het conventionele plasmasnijden en het lasersnijden in ligt. De kosten liggen ongeveer een kwart lager dan die van lasersnijden.
Figuur 8 Schematische weergave van het fijnstraal plasmasnijden
Voordelen van het fijnstraal plasmasnijden zijn:
- de snedekwaliteit ligt tussen die van het conventionele plasma snijden en het lasersnijden;
- er ontstaat steeds een zeer smalle snede;
- minder vervorming van het werkstuk, doordat de warmte beïnvloede zone veel kleiner is;
- twee rechte snijkanten.
Samenvatting
De hoge boogtemperatuur maakt het plasmasnijproces uitermate geschikt voor het snijden van materialen die niet autogeen kunnen worden gesneden. Voor het snijden van onder andere aluminium, koper, brons, mangaanstaal, gietijzer en roestvast staal is men binnen de thermische scheidingstechnieken dan ook aangewezen op het plasma- of lasersnijproces.
Het plasmasnijproces is zowel geschikt voor het snijden van rechte naden, als voor het snijden van willekeurige contouren. In de praktijk betekent dit dat aluminium- en roestvast staal verwerkende bedrijven vaak een enorme tijdwinst kunnen behalen door het toepassen van het plasmasnijproces, gekoppeld aan een grote mate van flexibiliteit ten aanzien van de uit te snijden vormen.
Het snijden van ongelegeerd staal met plasma op perslucht heeft vooral bij dunne plaat als voordeel, dat de snijsnelheid hoog is en dus de warmte-inbreng laag, met als gevolg nagenoeg geen vervorming van de plaat. Materiaaldiktes tot 3 mm in staal, roestvast staal en aluminium kunnen probleemloos en met een goede kwaliteit met behulp van het plasmasnijden worden gesneden. Het is ook mogelijk onder een hoek te snijden (max. 45°), bijvoorbeeld voor het aanmaken van lasnaadkanten. Dit vraagt echter om grotere investeringen in vergelijking tot autogeen snijden. Door het plasmasnijden onder water of met toepassing van een waterdouche uit te voeren, blijft de vervorming van de producten beperkt en zijn de arbeidsomstandigheden voor de uitvoerder aanzienlijk gunstiger.