Thermisches Trennen

Unterteilung der thermischen Abtragvertahren nach DIN:

Thermisches Abtragen durch

Weitere Unterteilung:

Thermisches Abtragen durch elektr. Gasentladung

Einige dieser thermischen Abtrageverfahren sind auch thermische Schneidverfahren.

Als thermische Schneidverfahren werden in der Metallverarbeitung autogenes Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserstrahischneiden angewendet.

Hierbei wird angestrebt, Werkstücke mit geringen Form- und Maßabweichungen zu fertigen.

Die Formabweichungen der Schnittfläche (dazu gehören Rechtwinkligkeits- und Neigungs­toleranz sowie die gemittelte Rauhtiefe- und die Maßabweichung der Schnittbreite und Schnittlänge) sollten so gering sein, daß geschnittene Werkstücke ohne Nacharbeit zur Weiter-verwendung geeignet sind. Werkstücke, für die eine mechanische Bearbeitung vorgesehen ist, werden mit einem entsprechenden Aufmaß hergestellt.

Brennschneiden

Brennschneiden zählt neben Brennhobeln, Brennfugen (Fugenhobeln), Brennflämmen), Brennbohren (Sauerstoffbohren) und Flammstrahlen zu den Verfahren der Autogen-Technik. Bei allen diesen Verfahren des autogenen Trennens wird Werkstoff unter Ausnutzung seiner Oxidationswärme im zugeführten Sauerstoff verbrannt und abgetragen, oder das Werkstück wird durch Entfernen unerwünschter Beläge gereinigt. Beim Brennschneiden werden die zu trennenden Stahlteile zunächst auf 1000⁰C (Entzündungstemperatur) mit einer Heizflamme aus Brenngas-Sauerstoff vorgewärmt, dann mit Sauerstoff (Schneidsauerstoff) in Verbindung gebracht. Entsprechend der Breite des Schneidsauerstoffstrahles erfolgt eine Verbrennung. Die kinetische Energie der Brenngase schleudert Eisenoxid als Verbrennungsprodukt aus der Schnittfuge. Unlegierte Stähle lassen sich bis 3 m Dicke schneiden. Bei legierten Stählen bestehen Schwierigkeiten mit dem Abtransport der Oxide der Legierungselemente, deshalb ist die Schneidbarkeit von Eisenlegierungen begrenzt. Umfangreiche Schneidarbeiten werden mit Brennschneidmaschinen ausgeführt deren Brennerführung durch Handführung oder maschinelle Steuerung erfolgen kann.

Das Brennschneiden als thermisches Trennverfahren ist sowohl ein physikalischer als auch ein chemischer Vorgang, der sich in vier Phasen abspielt:

Reaktion: Durch die Heizflamme wird der zu schneidende Werkstoff auf Zündtemperatur gebracht und so weit erwärmt, daß er bei Sauerstoffzuführung unter Qxidbildung reagiert. Schmelzpunkt des Metalloxids muß dabei niedriger als der des Metalls sein, und die Oxidbildung soll mit großer Wärmeentwicklung verbunden sein.

Diffusion: Bei zunehmender Temperatur wandern immer mehr Atome, Ionen oder Molekühle wechselseitig und lockern den Zusammenhang.

3. Wärmetransport: Der Transport der Wärme, die zugeführt werden soll, geschieht durch das Brenngas. Sie soll nicht größer als notwendig sein, damit die Erwärmungszone möglichst klein bleibt.

4. Stofftransport; Er geschieht durch Wegblasen der Oxide mittels des Schneidsauerstoffes: Je dünnflüssiger die Oxidschlacke ist, um so besser kann sie weggeblasen werden.

Die bei diesem Brennverfahren notwendige Wärme wird erhalten

1. aus der Verbrennung des Brenngases (endothermer Vorgang) und

2. aus der Oxidation des Metallwerkstoffes in der Fuge (exothermer Vorgang).

Die freiwerdende Verbrennungswärme genügt allerdings nicht, um die Entzündungstemperatur aufrecht zu erhalten, weil der Druckabfall des austretenden Sauerstoffstrahles von 15 Mpa (150 bar) in der Flasche auf ca. 0,5 MPa (5 bar) im Brenner die Anschnittkante zu sehr abkühlen.Deshalb ist eine Vorwärmung, wie oben erwähnt, notwendig.

Der Brennschneidvorgang wird durch einen Strahl reinen Sauerstoffs eingeleitet aufrechterhalten, die Eisenoxid-Schlacke ist jedoch das schneidende ,,Werkzeug'.

Die Verbrennungswärme spült den Werkstoff aus dem Material und bestimmt alle physikalischen und chemischen Vorgänge. Der Schneidstrahl - der als Überschallstrahl durch die Fuge strömt - ist Transportmittel für die Schlacke.

Die Brennschneiddüse ist das wichtigste Teil des Schneidgerätes und bestimmt Schneidrichtung, Schnittdicke und Schnittflächengüte. Die Aufgabe der Heizdüse ist fast ebenso wichtig, ihre Energie, die Form und Art der Flammenaufteilung, der Abstand zum Schneidsauerstoff und zur Werkstückoberfläche beeinflussen den Schneidvorgang.

Brennschneiddüsen werden in zwei Gruppen eingeteilt:

konzentrische Düsen für beliebige Schneidrichtungen, für maschinellen Brennschnitt erforderlich,

hintereinanderliegende Düsen, für nur eine Schneidrichtung, für gerade oder schwach gekrümmte Schnitte.

Eingesetzt werden:

Blockdüsen (die Schneiddüsenbohrung ist konzentrisch zu den Heizflammen einem Körper fest angeordnet),

zweiteilige Düsen mit konzentrisch angeordneten Heizflammenschlitzen oder -b einem gesonderten Heizdüsenmantel, der die Schneiddüse umschließt,

Ringdüsen, bei denen die Heizgase aus einem Ringspalt zwischen beiden Düsen austreten (veraltet, nur noch beim Handschneiden eingesetzt),

Stufendüsen, ein- oder zweiteilig, Heiz- und Schneiddüsen getrennt hintereinanderliegend angeordnet,

Gase mischende Düsen.

Brenngas und Heizsauerstoff werden normalerweise gemischt der Heizdüse zugeführt. Für Mehrbrenner-Schneid-maschinen, zum Lochstechen und für Warmschnitte sind jedoch Gase mischende Schneiddüsen erfo rder-lich, da diese völlig rückschlagsicher und unempfindlich gegen Erwärmung sind. Die Gemischbildung von Brenn-gas- und Sauerstoff erfolgt erst in den Heizgasbohrungen der Düse. Erfolgt der Mischvorgang nach dem Austritt der Gase, also vor der Düse, so ist es eine außenmischende Schneiddüse, die vorwiegend in Hüttenbereichen und in der Grobblechverarbeitung bei geringen Qualitätsanforderungen im Einsatz ist.

Vorteile der Gase mischenden Düsen sind: Stabilität der Schneidflamme auch bei rauhesten Bedingungen, großer Schneidbrennerabstand - etwa 60 mm - zum Werkstück, Erfordernis von nur drei Düsengrößen für den Bereich von 60 bis 1000 mm.

Voraussetzungen für einen sauberen Brennschnitt sind:

Richtiger Düsenabstand von der Schnittoberkante, sonst wird die Vor­wärmflamme nicht wirksam, oder das Eisenoxid klebt hinter dem Schneidstrahl wieder zusammen, weil die Wucht des Strahles zu gering ist.

Schneiddüsengröße entsprechend der Werkstückdicke.

Sauberer Brenner, aus dem ein wir­belfreier Sauerstoffstrahl austreten kann.

Richtiger Sauerstoffdruck, der von der zu schneidenden Werkstück-dicke abhängig ist. Vorwärmflamme dabei neutral.

Richtige Schneidgeschwindigkeit, entweder gleich oder etwas geringer als die Vorwärmgeschwindigkeit.

Brenngase und Brenneraustührungen

Als Brenngase werden vorwiegend Acetylen oder Propan angewendet, danach folgen Wasserstoff, Ferngas (veraltete Benennungen sind; Leuchtgas, Stadigas) und Erdgas. Schneidbrenner und Brennerdüsen müssen für den Brenngastyp geeignet sein.

Anwendung: Autogenes Brennschneiden bei unlegierten und niedrig legierten Stählen von 2-400 mm, zum Trennen bis 3000 mm Dicke.

Verfahrensvarianten des Brennschneide

Das pulverbrennschneiden erweitert das autogene Brennschneiden auf höher legierte Stähle und Nichteisenmetalle.

Bei Werkstoffen, deren Schmelzpunkt tiefer als der des Qxids liegt (Schmelzpunkt des GG

1150 ⁰C. . .1 300⁰C, Schmelzpunkt der GG-Qxidhaut ca. 1 400⁰C) oder bei Werkstoffen mit hochschmelzenden Chromoxiden, z.B. bei Chrom-Nickelstählen, wird der Schneidvorgang durch Eisenpulverzugabe ermöglicht. Eisenpulver wird mittels Druckluft gesondert um die Heizdüse herum in den Schneidsauerstoff geblasen und verbrannt. Die erhöhte Verbrennungswärme erreicht die Entzündungstemperatur und erzeugt nun dünnflüssige Schlacke, die thermisch oder mechanisch aus der Schnittfuge herausgeblasen wird. Saubere, glatte Schnitte sind nicht möglich, die Schnittflächengüte ist geringer als Güte II.

Das Verfahren wird, wie erwähnt, bei Ohrom-Nickelstählen, GG und Nickel angewendet. bedingt auch bei Aluminium, im Dickenbereich von 15 bis 600 mm, sowie bei feuerfesten Steinen und bei Beton.

Beim Sauerstoffbohren (Sauerstoffianze) wird durch ein Stahlrohr Sauerstoff geleitet, das zur Leistungssteigerung mit Eisendrähten gefüllt wird. Sobald das Stahlrohran einem Ende auf Entzündungstemperatur erhitzt ist, kann der dann durchströmende Sauerstoff die Verbrennung eingeleitet. Die Verbrennungswärme bewirkt örtliches Aufschmelzen durch Aufsetzen des Rohres. GG und mineralische Stoffe wie Stein oder Beton können bearbeitet oder getrennt werden. Statt eingelegter Eisendrähte kann auch Eisenpulver verwendet werden. Da ohne Brenngas gearbeitet wird, kann der Schneidsauerstoff das Eisenpulver zum Rohrende blasen und dort verbrennen. Das Rohr wird dann nicht gegen das Werkstück gedrückt, so daß die Reaktionswärme vorwiegen vom Eisenpulver erzeugt und die Nutzungsdauer des Rohres verlängert werden.

Für das Brennfugen (Fugenhobeln) werden gesonderte Brenner und leicht gebogene Hobeldüsen benötigt. Durch verlangsamten Schneidsauerstoff-Aus­tritt wird nur etwa 20 ⁰/o Eisen verbrannt, vorwiegend also schmelzflüssiger Werkstoff weggeblasen. Das Brenn­fugen wird zum Vorbereiten von Schweißfugen, zum Wurzellage-Aus-fugen (Kapplageschweißen) oder zum Freilegen von Nahtfehlern eingesetzt.

Schneidbrenner mit größeren Schneid­düsen oder Schlitzdüsen werden zum Flämmhobeln von Brammen, Stahl-blöcken und Walzknüppeln eingesetzt, wenn die verzunderte oder fehlerhafte Oberflächenschicht vor der Weiterver­arbeitung längsseitig in Walzrichtung entfernt werden muß. Bei höherlegier­ten Stählen oder als Starthilfe beim Flämmhobeln wird hierbei mit Eisen­pulverzusatz gearbeitet.

Das KohIelichtbogen-Druckluftschnejden wird bei Baustählen zur Nahtvorbereitung, besonders für U-förmige Schweißfugen, angewendet.

Das Sauerstoff-Lichtbogentrennen ist ein junges Verfahren. Wie beim MSG-Schweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Drahtelektrode und dem zu trennenden Werkstück, wobei ein koaxialer Schneidsauerstoffstrahl von einem abschirmenden Hüllstrahl umgeben ist. Die Drahtelektrode schmilzt im Sprühlichtbogen ab, dieser Werkstoff verbrennt zusammen mit dem zu trennenden Werkstoff durch den Schneidsauerstoff und wird nun als Schlacke aus der Schnittfuge geblasen Eisenwerkstoffe bis 80 mm Dicke können mit Schneidgeschwindigkeiten >50 mm/min geschnitten werden.

Plasmaschneiden

Mit dem Plasmaschmelzschneidverfahren können alle elektrisch leiffähigen Metalle geschnitten werden. Hauptsächlich schließt es neben dem Lasersch neiden die Lücke der Schneidverfahren für Metalle, die nicht autogen brennschneidbar sind.

Verfahrensbeschreibung:

Zwischen einer nichtabschmelzenden Flektrode (meist aus Wolfram) und dem Werkstück entsteht durch zugeführte Energie ein eingeschnürter, übertragener Lichtbogen.

Es sind auch Plasma-Anlagen mit nichtübertragenem Lichtbogen im Einsatz. In diesem Lichtbogen werden einatomige Gase (Argon) oder Gasgemische (z.B. aus 35 % Argon, 65 % Wasserstoff) ionisiert, mehratomige Gase (wie Stickstoff) dissoziiert. Zunehmend im unteren Leistungsbereich wird auch Druckluft angewendet.

Im Lichtbogenbereich bilden diese Gase einen Plasmastrahl von hoher Temperatur mit großer kinetischer Energie. Der Werkstoff schmilzt, die Strahlenenergie drückt den flüssigen Werkstoff aus der entstehenden Schnittfuge. Bei 18 000 bis 25 000 K wird das Metall rasch aufgeschmolzen. Die Wärmeableitung in die Schnittflanken ist gering, da mit hohen Schneidgeschwindig gearbeitet werden kann, der Verzug ist gering.

Beim Wasser-Plasmaschneiden erfolgt - abweichend von der üblichen Plasmaschmelztechnik - zusätzlich radiales Einspritzen von Wasser (ca. 3 Umin) in den Plasmastrahl.

Durch die radiale Wasserbewegung bildet sich ein einseitig intensiver wirkendes Plasma, so daß der Schnitt auf der einen Seite fast senkrecht ausfällt, auf der anderen Seite aber bis zu 10° von dieser ldealform abweicht (Gut-Schlecht-Seite).

Der frei gesetzte Sauerstoff des Wassers bewirkt besonders hohen Energiegehalt des Plasmastrahls und schlackenfreie Schnittflächen und Schnittunterkan­ten. Entstehende Metalldämpfe und Schneidstäube werden durch das nicht verdampfte Wasser mitgerissen. Zu­gleich wird der Lärm um etwa 15dB (A) verringert. Auch die gesundheitsschäd­lichen Reizgase Ozon, Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid werden im Wasser­nebel größtenteils gebunden. Darüber­hinaus läßt sich erhebliche Umweltent­lastung dadurch erreichen, daß 10 cm bis 20 cm über einem Wasserbad geschnitten wird.

Eine starke Geräuschentwicklung entsteht durch die hohe Ausströmgeschwindigkeit der Plasmagase. Darüber hinaus wachsen die Geräusche mit zunehmender Stromstärke an.

Bei Anwendung von Stickstoff als Schneidgas wird mit einer Wolframelektrode gearbeitet. Bei

Anwendung von Druckluft ist zur Bildung eines stabileren Brennflecks die Elektrode mit Zirkonium

oder Hafnium beschichtet. Von der Druckluft mitgerissene, aus dem Druckluftsystem stammenden

Wassertröpfchen verursachen Elektrodenverschleiß. Daher müssen Mikrofilter verwendet werden.

Anwendung:

Bei allen schmelzschneidbaren Metallen. Das Verfahren wird vielfach bei nicht brennschneidgeeigneten Metallen von 1,5 bis etwa 120 mm eingesetzt. Bei Chrom-Nickelstählen liegt die Anwendbarkeitsgrenze z.Zt. bei 200 mm. Anwendung erfolgt auch bei unlegierten und niedriglegierten Stählen bis 15 mm Dicke. Bei Vernachlässigung der Schnittgüte ist das Plasmaschneiden bis 25 mm Werkstückdicke anderen thermischen Trennverfahren überlegen. ,,Gut-SchIecht-Seite" erfordert sog. Gitterfertigung.