Autogenes Brennschneiden

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Brennschneiden von Schienen
Brennschneidemaschine
Arbeiter beim autogenen Brennschneiden (1948)
Ergebnis einer Trennscheibe und eines Brennschneiders an Eisenbahnschienen

Das autogene Brennschneiden oder Autogenschneiden ist ein Fertigungsverfahren mit dem Metalle (insbesondere Baustahl) getrennt werden indem eine Flamme den Werkstoff an der Oberfläche auf Zündtemperatur erhitzt und durch die Zufuhr von Sauerstoff verbrennt. Die freiwerdende Verbrennungswärme erhitzt die darunter liegenden Werkstoffschichten wiederum auf Zündtemperatur, sodass der Prozess sich selbsttätig (autogen) in die Tiefe fortsetzt. Währenddessen wird die entstandene flüssige Schlacke durch den Schneidsauerstoff aus der Fuge geblasen. Das Werkzeug ist ein Brennschneider, die Werkzeugmaschine ist eine Brennschneidemaschine; genormt ist das Verfahren in der DIN 2310-6. Das autogene Brennschneiden zählt gemeinsam mit dem Plasmaschneiden und dem Laserschneiden zum thermischen Schneiden das wiederum zum Abtragen zählt. Der Zusatz autogenes Brennschneiden dient als Abgrenzung gegenüber dem Laser-Brennschneiden bei dem der Werkstoff mit dem Laser auf Zündtemperatur erhitzt wird, aber ansonsten dem autogenen Brennschneiden entspricht. Unter Brennschneiden versteht man allgemein sämtliche Schneidverfahren bei denen der Werkstoff verbrannt wird, meist ist damit jedoch das autogene Brennschneiden gemeint.

Es ist hinsichtlich der Werkzeuge und der Verfahrensprinzipien verwandt mit dem nur noch selten genutzten Gasschmelzschweißen.[1][2] Ein wichtiger Unterschied liegt in den Werkzeugen: Der Brennschneider besteht aus einer zentralen Düse durch die der Schneidsauerstoff geleitet wird und einer weiteren Düse die ringförmig um die Sauerstoffdüse angeordnet ist und von einem Sauerstoff-Brenngas-Gemisch durchströmt wird, das am Düsenausgang gezündet wird. Als Brenngas wird meist Acetylen verwendet. Beim Gasschweißen fehlt die Sauerstoff-Düse. Außerdem ist die kinetische Energie der Gase dort geringer um die Schmelze nicht aus der zu schweißenden Fuge zu treiben, während dies zum Brennschneiden erforderlich ist. Analog dazu ist das Plasma-Schmelzschneiden verwandt mit dem Plasmaschweißen und das Laserschneiden mit dem Laserschweißen.

Eingesetzt wird das autogene Brennschneiden bei un- und niedriglegierten Stählen bei mittleren bis großen Blechdicken. Größere Mengen an Legierungselementen verhindern das Brennschneiden. Es ist verglichen mit anderen Verfahren relativ wirtschaftlich, die Schneidkanten haben jedoch nur mäßige Qualitäten. Wichtige Alternativen sind neben dem Plasma- und Laserschneiden, das Wasserstrahlschneiden, die funkenerosive Bearbeitung und die Elektronenstrahl-Bearbeitung.

Bedeutung, Einsatzbereiche und Werkstoffspektrum[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Brennschneiden wird insbesondere bei un- und niedriglegierten Stählen eingesetzt. Außerdem lässt sich mit der Standardvariante Titan trennen. Für fast alle anderen Werkstoffe ist dies nicht möglich. Die Investitionen für die Anlagen und Werkzeuge sind relativ gering und die Kosten für die Betriebsstoffe (Sauerstoff und Brenngas) niedrig. Für hochlegierte Cr-Ni-Stähle oder Aluminium existieren jedoch Sonderverfahren, die zwar schlechter geeignet sind als das Plasmaschneiden, aber mit niedrigeren Investitionen verbunden sind.

Die schneidbaren Blechdicken liegen zwischen 2 mm und reichen bis zu 3 Metern; üblich sind jedoch Dicken zwischen 10 mm und 300 mm. Im Bereich bis 5 mm ist der Temperatureinfluss besonders groß und sorgt für Wärmeverzug der Bleche. Hier sind andere Verfahren wirtschaftlicher, schneller und erreichen bessere Oberflächenqualitäten. Dicken über 300 mm lassen sich dagegen ausschließlich durch Brennschneiden trennen.

Es sind senkrechte Schnitte und Gehrungschnitte möglich. Durch spezielle Brennerandordnungen sind vielfältige Fugenformen möglich, weshalb das Brennschneiden zum Vorbereiten der Bleche für anschließendes Schweißen eingesetzt wird. Schätzungen zufolge werden 75 % aller Schweißfugen durch Brennschneiden erzeugt. In Deutschland beträgt die Schnittlänge aller durch Brennschneiden hergestellten Schnitte etwa 750.000 km.[3]

Die erreichbaren Genauigkeiten sind unabhängig von der Blechdicke immer schlechter als bei konkurrierenden Verfahren, die Schneidgeschwindigkeiten betragen etwa 1 m/min bei Blechdicken von etwa 10 mm und fallen oberhalb von 100 mm schnell ab. Oberhalb von etwa 13 mm Dicke ist es jedoch das schnellste Verfahren, darunter ist das Plasmaschneiden schneller.[4]

Verfahrensprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Heizflamme (auch Vorwärmflamme genannt) erwärmt an der Oberfläche des zu trennenden Werkstückes lokal begrenzt den Werkstoff auf Zündtemperatur die bei Baustahl zwischen 1150 °C und 1250 °C liegt. Anschließend verbrennt der Werkstoff mit dem zugeblasenem Sauerstoff. Bei Eisen werden dabei etwa 54 kJ/cm³ an Verbrennungswärme frei, was ausreicht um angrenzende Werkstoffschichten auf Zündtemperatur zu erhitzen. Bei Stahl reagiert das Eisen mit dem Sauerstoff zu dünnflüssigem Eisenoxid das als Schlacke bezeichnet wird. Die Schlacke und etwa 20 % des flüssigen Eisens werden durch die kinetische Energie des Schneidsauerstoffs ausgeblasen. Er wird daher mit Drücken von 7 bis 9 bar eingeblasen, mit Hochleistungsdüsen sind auch bis zu 20 bar möglich. Der Schneidsauerstoffstrahl hat demnach einerseits die Aufgabe den für die Verbrennung nötigen Sauerstoff bereitzustellen und andererseits die entstehende Schlacke auszublasen. Durch die Verbrennung freiwerdende Wärme, werden auch die darunterliegenden Werkstoffschichten auf Zündtemperatur erhitzt und durch den Sauerstoffstrahl verbrannt. In die Tiefe setzt sich der Prozess daher ohne Hilfe der Heizflamme fort, diese ist nur nötig für die Bewegung in Schnittrichtung um die Oberseite des Werkstücks auf Zündtemperatur zu erhitzen.[5][6][7]

Voraussetzungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um einen Werkstoff durch Brennschneiden trennen zu können müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein.

  1. Die Zündtemperatur T_z muss unter der Schmelztemperatur T_s liegen. Bei Baustahl liegt T_z bei 1150 °C aufwärts.[8] Bei 0,25 % Kohlenstoff liegt sie bei 1250 °C, während die Schmelztemperatur bei etwa 1500 °C liegt. Die erste Bedingung ist somit für Baustahl erfüllt. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt steigt jedoch die Zündtemperatur, während gleichzeitig die Schmelztemperatur sinkt. Bei einem Gehalt von 0,85 % Kohlenstoff liegt die Zündtemperatur bei der Solidustemperatur. Bis zu diesem Wert ist reines Brennschneiden möglich. Bei höheren Kohlenstoffgehalten liegt teilweises Schmelzschneiden vor. Bis 1,6 % C sind Stähle grundsätzlich brennschneidbar, jedoch nur mit schlechter Schnittqualität, während Werkzeugstahl und Gusseisen, die beide einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen nicht brennschneidbar sind. Die meisten Legierungselemente im Stahl erhöhen die Zündtemperatur.[9]
  2. Die Oxide die bei der Verbrennung entstehen müssen einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als der Werkstoff. Eine Ausnahme bildet hier Titan das brennschneidbar ist obwohl der Schmelzpunkt des Titanoxids mit etwa 1970 °C höher liegt als der von Titan (1670 °C).[10] Der Schmelzpunkt von Aluminium liegt mit 660 °C deutlich unter dem von Aluminiumoxid (2050 °C). Chromoxide und Nickeloxid haben ebenfalls Schmelzpunkte über denen von Stahl, weshalb weder Aluminium noch Cr-Ni-Stähle brennschneidbar sind.
  3. Außerdem müssen die Schlacken möglichst dünnflüssig sein um sie durch den Schneidsauerstoff auszutreiben. Bei Aluminium, Chrom und Silizium sind sie relativ dicht und fest und können nicht ausgeblasen werden.[11][12]
  4. Der Werkstoff sollte eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Verbrennungswärme aufweisen. Bei Werkstoffen wie Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wird sehr viel Wärme von der Schnittfuge weggeleitet, sodass die Zündtemperatur nicht erreicht wird in Tiefen die von der Heizflamme nicht mehr erreicht werden.[13]

Einfluss der Legierungselemente bei Stahl[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Brennschneidbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wichtigstes Kriterium zur Beurteilung der Brennschneidbarkeit ist das Kohlenstoffäquivalent, der soganannte CEV-Wert. Er wird auch genutzt um die Schweißeignung zu bestimmen.

CEV = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}

Werte kleiner als 0,5 gelten als gut brennschneidbar oder schweißbar. Bis etwa 0,45 % C sind Stähle ohne Vorwärmung brennschneidbar. Bis 1,6 % C können sie nur noch mit Vorwärmung geschnitten werden, da der Wärmebedarf ansteigt. Die Elemente Silizium, Mangan, Wolfram, Molybdän und Kupfer erhöhen die Zündtemperatur von Stahl. Außerdem bilden sie meist Oxide mit hohen Schmelztemperaturen und können daher nur schwer ausgeblasen werden. Die Wirkungen einzelner Elemente können sich bei gemeinsamen Auftreten abschwächen oder verstärken.

Werkstoff[14] Zündtemperatur Schmelztemperatur des Werkstoffes Brennschneidbarkeit
Reines Eisen 1050 °C 1536 °C sehr gut
Stahl mit unter 0,1 % C 1050 °C 1520 °C sehr gut
Stahl (0,1–0,3 % C) 1000–1200 °C 1450–1500 °C gut
Stahl (0,3–2,0 % C) ca. 1250 °C ca. 1400 befriedigend
Gusseisen (2,5–3,5 % C) 1350–1450 °C 1150–1200 °C nur mit Pulverbrennschneiden
(Fe-Pulver in Schneidstrahl zusetzen)
Legierungselement[15] oberer Grenzgehalt
ohne Vorwärmung
oberer Grenzgehalt
mit Vorwärmung
Kohlenstoff 0,45 % 1,6 %
Silicium 2,9 % 4,0 % bei max 0,2 % C
Mangan 13,0 % bei max 1,3 % C
Chrom 1,5 % 10,0 % bei max 0,2 % C
Wolfram 10,0 % bei max 5 % Cr; 0,2 % Ni; 0,8 % C 17,0 %
Nickel 7,0 % 34 % min 0,3 % C und min 0,5 % C
Molybdän 0,8 %
Kupfer 0,7 %

Änderung der Zusammensetzung in den Randzonen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In den Bereichen an der Schnittfläche ergeben sich einige Veränderungen der Zusammensetzung der Werkstoffe. Sie resultieren nicht nur aus der Verbrennung selbst sondern auch durch den Einfluss der Wärme.

An der Schnittkante reichert sich Kohlenstoff an, der aus dem Werkstoff stammt und durch eine Oxidschicht zurückgehalten wird. Bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten kann daher die Härte des Werkstoffes stärker zunehmen als der ursprünglich vorhandene Gehalt ermöglichen würde. Die Temperaturen reichen jedoch nicht aus um Kohlenstoff aus dem Inneren des Werkstoffes in die Randzonen diffundieren zu lassen. Auf der Oberkante des Werkstücks kann der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff des Schneidsauerstoff-Strahls reagieren, weshalb sein Gehalt dort abnimmt. Die Härtezunahme und Aufkohlung an der Schnittfläche ist je nach Legierungsanteilen unterschiedlich stark und kann bei höheren Gehalten ab 0,45 % C zu Härterissen führen. Dazu zählen auch Werkstoffe wie S355Jo (St 52-3), 13CrMo4-5 oder C 60 bei denen die Härte zwischen 600 bis 700 HV 0,5 betragen kann.

Das Verhalten anderer Legierungselemente hängt von deren Affinität zu Sauerstoff und Eisen ab. Elemente wie Kupfer, Nickel oder Molybdän haben eine geringere Affinität zu Sauerstoff als Eisen und reichern sich daher in den Randschichten an, während Chrom, Mangan oder Silizium oxidieren.[16]

Randzoneneigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der hohen Heiz- und Abkühlgeschwindigkeiten ändern sich die Werkstoffeigenschaften in der sogenannten Wärmeeinflusszone zu beiden Seiten der Schnittfuge. Bei Stählen die Martensit bilden können kommt es zu Aufhärtungen, bei allen anderen auch zu Eigenspannungen wegen Verzug und möglicherweise zu Rissen als Folge der Aufhärtung und des Verzuges.

Da sich in den Randzonen Kohlenstoff anreichert und hier nach dem Schnitt hohe Abkühlgeschwindigkeiten herrschen kommt es zur Martensitbildung. Die damit verbundene Volumenvergrößerung führt zu Druckeigenspannungen. Nach der Abkühlung bleiben am Rande der Wärmeeinflusszone Zugeigenspannungen zurück die durch die plastische Stauchung resultieren. Diese Eigenspannungen verbessern grundsätzlich die (Dauer-)Festigkeit des Werkstücks. Die Härte beträgt etwa 700 HV1 und fällt nach etwa 0,5 mm bis 1 mm im inneren des Werkstoffes schnell ab. Durch eine Vorwärmung des Werkstoffes lässt sich die Härte der Randzone verringern auf etwa 400 HV1. Die aufgehärtete Zone reicht dann jedoch tiefer in den Werkstoff hinein.

Auf der Schnittfläche bilden sich jedoch Rillen, die eine schwache Kerbwirkung entfalten, die die Dauerfestigkeit herabsetzt. Ihre Wirkung wird jedoch durch die Eigenspannungen verringert, sodass relativ hohe Dauerfestigkeiten vorhanden sind. Wenn diese Rillen abgetragen werden, verringert dies zwar die Kerbwirkung, baut jedoch auch die Eigenspannungen ab, sodass mit vergleichsweise viel Aufwand für die Nacharbeit nur geringe Verbesserungen der Dauerfestigkeit möglich sind. Eine Wärmebehandlung beeinflusst die Kerbwirkung nicht, verschlechtert aber die Wirkung der Eigenspannungen, sodass insgesamt die Bauteileigenschaften verschlechtert werden.

Bei geringen Blechdicken wandert ein verhältnismäßig großer Anteil der Wärme in den Werkstoff und führt zu großem Verzug wegen der Wärmeausdehnung. Für die Standardvariante des autogenen Brennschneidens sind daher Blechdicken von mindestens 5 mm nötig. Beim Laser-Brennschneiden erfolgt durch den Laser eine konzentrierte Erwärmung einer lokal eng begrenzten Stelle, die zu einer deutlich geringeren Wärmeeinflusszone führt, sodass mit Lasern auch deutlich geringere Blechdicken geschnitten werden können. Für das autogene Brennschneiden existieren Sonderverfahren mit Wasserkühlung. Dadurch wird einerseits das Werkstück gekühlt und andererseits werden die Verbrennungsgase abgebunden.[17][18]

Verfahrensparameter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wichtigsten Einflüsse auf die Schnittqualität haben die Betriebsgase, die Schneiddüse, die verwendete Maschine und der Werkstoff.

Bei den Betriebsgasen spielen der Druck, die Menge, ihre Temperatur, die Reinheit, das Mischungsverhältnis und die Strömungseigenschaften eine Rolle. Bei den Schneiddüsen sind neben dem Alter und Zustand, die genaue Konstruktion und ihr Abstand zum Blech von Bedeutung. Bei den Maschinen beeinflussen ebenfalls Konstruktion, Alter und Zustand das Ergebnis. Zusätzlich ist der Vorschub, also die Schneidgeschwindigkeit von Bedeutung. Beim Werkstoff spielt vor allem die Blechdicke, die Zusammensetzung und Temperatur eine Rolle. Gemeinsam mit dem Zustand der Oberfläche und möglichen Fehlern im Inneren beeinflussen sie die Reaktion zu Eisenoxid.

Die genauen Einflüsse und möglichen Fehler sind in den DVS-Merkblättern 2102 und 2103 zusammengestellt. Häufigster Fehler ist eine zu große oder zu kleine Schnittgeschwindigkeit.[19]

Genauigkeiten, Qualitäten und Toleranzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Qualität der Schnitte kann durch zahlreiche Parmeter bestimmt werden. In der DIN EN ISO 9013 werden drei genormt: Die Rechtwinkligkeits- oder Neigungstoleranz u, die gemittelte Rauhtiefe Rz, und die Maßabweichungen. Weitere Einflussgrößen sind der Rillennachlauf, die Anschmelzung n der Oberkante, Oxidreste und an der Unterkante die Bartbildung oder Schmelztropfen sowie Kolkungen, also Auswaschungen, die eist in Richtung der Schnittdicke verlaufen. Der Rillennachlauf ist charakteristisch für Brennschnitte und kann nicht vermieden werden. Da er mit bloßem Auge gut zu erkennen ist wird er häufig als Maß für die Schnittqualität herangezogen obwohl der kaum von Bedeutung ist, sofern die Rillentiefe gering ist. Bei der Angabe der Toleranzen nach der DIN erfolgt durch Angabe der Norm gefolgt von drei Ziffern die der Reihe nach die Rechtwinkligkeits- oder Neigungstoleranz, die Rautiefe und die Toleranzklasse angeben. ISO9013-342 bedeutet demnach eine Rechtwinkligkteit nach Bereich 3, eine Rauhtiefe nach Bereich 4 und die Toleranzklasse 2. Sie alle hängen ab von der Blechdicke a.[20][21]

Bereich Rechtwinkligkeits- oder Neigungstoleranz u in mm[22]
1 0,05 + 0,003a
2 0,15 + 0,007a
3 0,4 + 0,01a
4 0,8 + 0,02a
5 1,2 + 0,035a
Bereich Gemittelte Rauhtiefe Rz5 in μm[23]
1 10 + 0,6\frac{a}{mm}
2 40 + 0,8\frac{a}{mm}
3 70 + 1,2\frac{a}{mm}
4 110 + 1,8\frac{a}{mm}

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Autogenes Brennschneiden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 390.
  2. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 231.
  3. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 401.
  4. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 255.
  5. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 390f.
  6. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 231.
  7. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 244f.
  8. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 391.
  9. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 245f.
  10. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 391.
  11. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 246.
  12. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 391.
  13. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 246.
  14. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 247.
  15. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 235.
  16. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 236.
  17. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 391f.
  18. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien Springer, 3. Auflage, S. 236f.
  19. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 251f.
  20. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 250f.
  21. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 399f.
  22. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 250.
  23. Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung, Springer, 2014, 5. Auflage, S. 250.