Abnutzung der Elektrode beim Luft- und Sauerstoffplasmaschweißen
How to tell good electrode wear from bad and improve system performance
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Elektroden für Hochleistungs-Plasmaschneidanlagen sind technisch ausgefeilte Verschleißteile, deren Konstruktion, Material und Funktion denen von Fahrzeug-Zündkerzen ähneln. Wie auch die Zündkerzen bauen Elektroden ein elektrisches Feld mit hoher Spannung in einer Umgebung hoher Temperatur auf. Die Materialien müssen der durch den Plasmalichtbogen verursachten Hitze standhalten, ultraschnell wirbelnde Gasstrahlen überdauern sowie Gase und Flüssigkeiten hohen Drucks hermetisch abriegeln. Die Elektrode ist wie die Zündkerze das am höchsten beanspruchte Teil im System.
Ein guter Mechaniker kann viel über den Zustand eines Verbrennungsmotors erfahren, indem er sich die Zündkerzen ansieht. Ein geschulter Plasma-Techniker erreicht das gleiche bei einer Plasmaanlage, wenn er die üblichen Abnutzungsmuster kennt, weiß, worauf er bei der Elektrode achten muss, und woran man Probleme im Voraus erkennt.
Die Elektrode leitet den Gleichstrom von der Plasma-Stromquelle zur Metallplatte. Sie besteht gewöhnlich aus einem Kupfer- oder Kupfer-Silber-Verbund-Halter mit einem Hafnium-Spenderelement: ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, mit dem ein stabiler Lichtbogen in Luft- und Sauerstoffschneidumgebungen erzeugt werden kann. Das Spenderelement wird durch die Hitze des Lichtbogens und die ultraschnellen Plasmagasstrahlen langsam abgenutzt. Der Großteil der Abnutzung findet zu Beginn und am Ende des Schneidens statt, wenn das geschmolzene Hafnium schnell aufgeheizt wird und abkühlt, und dabei schmilzt und wieder fest wird.
Bei einer gewöhnlichen Abnutzung bildet sich eine kleine Einbuchtung am Ende des Teils, die durch den Verschleiß jedes Mal um einige tausendstel Zoll tiefer wird. Je nach Brenner- und Verschleißteil-Konstruktion und -Materialien wird sie 0,04 Zoll bis 0,125 Zoll tief. (Siehe folgende Tabelle.) Wenn die Einbuchtung zu tief wird, greift der Lichtbogen auf das Haltermaterial über und schmilzt dieses. Die Elektrode „fällt aus“, wenn sie keinen Lichtbogen mehr erzeugen und aufrechterhalten kann. Gelangt das geschmolzene Material der Elektrode anschließend in die Düsenöffnung, dann führt das zum Ausfall von Elektrode und Düse.
| Plasmaschneidsystem (PAC) | Kupferelektroden Abnutzung in Zoll | Kupfer-Silber-Verbund Abnutzung in Zoll |
| PAC für hochpräzises Schneiden (Sauerstoffplasma) |
0,03–0,05 Zoll | 0,06–0,08 Zoll |
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PAC mit Wassereinspritzung |
0,04–0,08 Zoll | 0,10–0,14 Zoll |
| Konventionelle Zweigas-PAC (Sauerstoffplasma) | 0,04–0,08 Zoll | 0,10–0,14 Zoll |
| Konventionelle Zweigas-PAC | 0,09–0,12 Zoll | 0,10–0,14 Zoll |
Die gewöhnliche Standzeit beläuft sich bei modernen Sauerstoffplasmaanlagen auf 1–2 Stunden Lichtbogennutzungszeit und 200–300 Lochstiche. Luftanlagen erreichen für gewöhnlich die zweifache Standzeit, 400–600 Starts, da der Stickstoffanteil der Luft die Reaktion mit den Elektroden verringert. Sauerstoffplasmaanlagen mit inerten Startgasen und Stromstärkenanstieg kommen auf bis zu 1000 oder mehr Starts, bevor die Elektrode ausgetauscht werden muss.
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Abbildung 1
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Neuzustand Abbildung 1 zeigt eine neue Elektrode. Die Elektrode in diesem Beispiel ist eine Kupfer-Silber-Verbund-Konstruktion mit Silber am vorderen Teil der Elektrode und Kupfer am Ende. In der Mitte des Teils befindet sich das unbenutzte Hafnium-Element.
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Abbildung 2
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Gewöhnlicher Verschleiß Abbildung 2 zeigt eine Elektrode mit typischem Verschleißmuster. Der Hafnium-Einbrand ist mittig positioniert und einheitlich geformt, was auf eine korrekte Ausrichtung der Verschleißteile und ordnungsgemäß wirbelndes Plasmagas hinweist. Die Einbrandtiefe beträgt etwa 0,10 Zoll. Die Vorderkanten des Teils sind scharf und stehen klar hervor; es ist keine starke Verfärbung des Silbers erkennbar. Einige gräuliche Oxyde an der Vorderfläche des Teils sind normal.
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Abbildung 3
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Typischer Verschleiß nach halber Standzeit Abbildung 3 zeigt eine Elektrode mit typischem Verschleißmuster, die aus anderen Gründen vorzeitig entfernt wurde. Brennerfahrtisch, Brennerkollision, Änderung der Spannung und Schnittqualität, etc. Die Einbrandtiefe beträgt 0,078 Zoll. Obwohl dieses Teil abgenutzt erscheint, kann es mehr als 100 weitere Starts ausführen und eine Einbrandtiefe von 0,10 Zoll oder sogar bis zu 0,14 Zoll erreichen, bevor es ausfällt.
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Abbildung 4
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Verschobenes Einbrandmuster Abbildung 4 zeigt ein nicht mittiges Einbrandmuster. Dieses Problem lässt sich leicht erkennen. Es deutet für gewöhnlich auf ein schweres Gasdurchflussproblem (z. B. einen beschädigten oder verstopften Wirbelring) oder eine Fehlausrichtung der Brennerteile (aufgrund von fehlerhafter Montage und Problemen beim Zusammenfügen) hin. Wird das Problem durch vollständiges Auswechseln der Teile nicht behoben, dann ist vermutlich der Brenner beschädigt.
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Abbildung 5
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Feuchtigkeit beim Starten Abbildung 5 zeigt, dass beim Starten des Lichtbogens Feuchtigkeit vorhanden war. Diese Teile weisen eine grob gewundene Lichtbogenspur auf, die von den Drehkanten bis zur Vorderseite der Elektrode verläuft. Feuchtigkeit im Vorströmungsgas verursacht die Hochfrequenz, die das Silbermaterial angreift. Die Vorderkanten des Silberteils sind nicht scharf; geglättet mit einer „sandgestrahlt“ erscheinenden Oberfläche. Vorströmungsgas auf Anzeichen für Feuchtigkeit überprüfen. Dies lässt sich schnell durch den Papierhandtuch-Test feststellen. Halten Sie ein sauberes Papierhandtuch unter den Brenner, während Gas durch die Anlage strömt. (Ausschließlich im TEST- oder GASTEST-Modus!) Es darf kein Anzeichne für Feuchtigkeit oder Verunreinigung vorliegen.
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Abbildung 6
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Kühlmittel tritt aus Abbildung 6 – Probleme durch austretendes Kühlmittel lassen sich am leichtesten erkennen. Starke Lichtbogenbildung der Elektrodenvorderseite und der Elektrodenseiten lässt sich an Einbränden und Einbuchtungen auf der Elektrodenoberfläche erkennen. Die vordere Oberfläche ist rau und schwarz, und weist schimmernde geschmolzene Stellen am Haltermaterial auf. Dieses Problem wird häufig durch gerissene O-Ringe, unzureichendes Schmiermittel am O-Ring oder locker sitzende bzw. falsch ausgerichtete Teile verursacht.
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Abbildung 7
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Niedrige Vorströmung Abbildung 7 – Unzureichende Gasversorgung beim Zünden des Lichtbogens führt zu einem sog. „trägen Start“. Der Lichtbogen braucht ungewöhnlich lange, um vom Startpunkt (gewöhnlich eine scharfe Kante, wie z. B. eine Drehkante) zum Spenderelement zu gelangen. Diese Teile besitzen einen relativ einheitlichen Ring aus geschmolzenem Haltermaterial um das Einbrandmuster herum. Die Oberfläche kann wie ein Lötspritzer oder Schweißschlacke entlang der Vorderseite des Teils erscheinen.
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Abbildung 8
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Ausfall Abbildung 8 zeigt eine vollständig ausgefallene Elektrode. Da die Elektrode vor der Düse liegt, wird letztere beschädigt, wenn geschmolzenes Material aus dem Ende des Teils ins Düseninnere schießt. Von einem solchen Ausfall sind alle Teile betroffen, wenn sie lange genug in Betrieb waren.
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Abbildung 9
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Ausfall Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für eine zu niedrige Plasmagasversorgung (Erlöschen). Wenn die Elektrode kleine Einbuchtungen am Ende des Teils aufweist, sowie eine entsprechende Beschädigung im Inneren der Düse, dann liegt eine zu niedrige Gasversorgung vor. Eine zu niedrige Gasversorgung führt zu einer unkontrollierten Lichtbogenbildung zwischen Düse und Elektrode. Überprüfen Sie die Gasdurchflussmenge, die zum Brenner geleitet wird. Die beste Art, dies zu tun, ist mithilfe eines Durchflussmessers (0–400 cfh) und Schlauch am Brenneraustritt. Die Anlage muss dazu im Testmodus betrieben werden. Haben Sie dies nicht zur Hand, dann lässt sich der Gasdurchfluss schnell prüfen, indem nur das Plasmagas eingeschaltet und der Gasdurchfluss am Brenneraustritt gefühlt wird. Es sollte ein wirbelnder Gasstrahl mit Saugkraft spürbar sein.
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Abbildung 10
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Hoher Gasdurchfluss Abbildung 10 – Wenn die Düse in gutem Zustand ist, die Elektrode aber eine tiefe konzentrische Einbrandmarkierung hat, dann ist die Plasmagasdurchflussmenge möglicherweise zu hoch. Wenn der wirbelnde Plasmagasstrahl zu stark ist, wird das Element zu schnell abgenutzt. Dies verursacht ein schnell tiefer werdendes Abnutzungsmuster. Prüfen Sie die volumetrisch ermittelte Plasmagasdurchflussmenge.
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