lang=de|mini|Verfahrensprinzip des Brennschneidens mini|Brennschneiden von Schienen mini|Brennschneidemaschine 1959
Das autogene Brennschneiden oder Autogenschneiden ist ein Trennverfahren, mit dem unter anderem Metallbleche (insbesondere aus 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. Die entstehende flüssige Schlacke wird 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 Plasma-Schmelzschneiden und dem Laserschneiden zum thermischen Schneiden, das wiederum zum Abtragen zählt. Die Zusatzbezeichnung autogen dient der Abgrenzung vom Laser-Brennschneiden. Unter Brennschneiden oder Schneidbrennen versteht man allgemein sämtliche Schneidverfahren, bei denen Werkstoff verbrannt wird; meist ist damit jedoch das autogene Brennschneiden gemeint.
Hinsichtlich der Werkzeuge und der Verfahrensprinzipien ist es mit dem nur noch selten genutzten Gasschmelzschweißen verwandt.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 390.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 231. Ein wichtiger Unterschied besteht bei den Werkzeugen: Der Brennschneider besteht aus einer zentralen Düse, durch die der Schneidsauerstoff geleitet wird, und einer weiteren Düse, die ringförmig um die Sauerstoffdüse liegt und von einem Sauerstoff-Brenngas-Gemisch durchströmt wird, welches am Düsenausgang gezündet wird. Als Brenngas wird meist Acetylen verwendet. Beim Gasschweißen fehlt die Sauerstoffdüse; außerdem ist die kinetische Energie der Gase dort geringer, um die Schmelze nicht aus der zu schweißenden Fuge zu treiben, während dies zum Brennschneiden unbedingt 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, aber auch beispielsweise Eisenbahnschienen. Größere Mengen an Legierungselementen verhindern das Brennschneiden. Verglichen mit anderen Verfahren ist es 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.
Geschichte des Brennschneidens mini|hochkant|Arbeiter beim autogenen Brennschneiden (1948)
Bereits 1887 wurde in England ein Leuchtgas-Sauerstoff-Gebläsebrenner zum Aufschmelzen von Blech entwickelt, mit dem 1890 ein Bankeinbruch in Hannover verübt wurde. 1902 entwickelte Ernst Menne einen Wasserstoffbrenner mit starkem Sauerstoffüberschuss zum Aufschmelzen von Hochofenabstichöffnungen.Ralf Versemann: Autogenes Brennschneiden: Mehr als 100 Jahre Forschung und Entwicklung. Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., Ausschuss für Technik, Tagungsbeitrag 2006; dvs-aft.de (PDF). 1903 wurde in Frankreich der erste Schweißbrenner auf Acetylen-Basis patentiert, 1908 wurden erstmals Brennschnitte unter Wasser durchgeführt. Ebenfalls noch vor dem Ersten Weltkrieg wurden Längs- und Kreisschneidemaschinen mit Schablonensteuerung und elektrischem Antrieb entwickelt und Untersuchungen zu Schnittgeschwindigkeit und Gasverbrauch angestellt.Traugott Gutermann: Autogenes Brennschneiden: Es begann vor 75 Jahren. In: Der Praktiker, 1979, Heft 9, S. 44–47. Dieser erste Entwicklungszyklus endete in den 1920er Jahren, in denen auch erste Versuche mit flüssigen Brennstoffen stattfanden.
Reiner Sauerstoff konnte seit Beginn des 20. Jahrhunderts durch Luftverflüssigung (Linde-Verfahren) und Rektifikation hergestellt werden. Seit 1930 wurde in Deutschland flüssiger Sauerstoff großtechnisch mittels Wärmeaustauschern zu niedrigen Kosten erzeugt. Damit beschleunigte sich die Verbreitung von Schweiß- und Schneidbrennverfahren und die Forschung wurde angeregt. Etwa gleichzeitig wurde die Technik für das Abwracken von Schiffen unter Wasser eingesetzt. In den 1930er und 1940er Jahren wurden in Deutschland erste exakte Quantifizierungsversuche der chemisch wirksamen Sauerstoffmenge und der Verbrennungswärme sowie Experimente zur Optimierung der Düsenform unternommen. Auch wurden die Mechanismen der Schnittrillenbildung mit Hilfe schlierenoptischer Zeitlupenaufnahmen geklärt. In den 1950er Jahren wurde auf Grundlage der kinetischen Gastheorie die maximale Schneidgeschwindigkeit bestimmt.
Die erste CNC-gesteuerte Brennschneidmaschine wurde 1964 gebaut. Seit den 1970er Jahren existieren differenzierte Modelle der chemischen und physikalischen Vorgänge beim Brennschneiden.Ivan Boschnakow: Brennschneiden: Neue Erkenntnisse und Technologien. Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen des Zentralinstituts für Schweißtechnik der DDR, Halle/Saale 1974. Der Einsatz des Brennschneidens in der Offshore-Technik wurden seit den 1970er Jahren vor allem von japanischen Wissenschaftlern und Technikern optimiert, wobei oft flüssige Brennstoffe zum Einsatz gelangen, um die Bildung explosiver Gemische aus Brenngas und Luft bzw. Sauerstoff zu verhindern. Für die Massenproduktion entstanden CNC-gesteuerte Mehrkopf-Brennschneidmaschinen. Die Entwicklung seit 1990 konzentriert sich auf die Prozessautomation, die Entwicklung von Brennschneidrobotern und die Zerlegung von Blechen großer Dicke mit hoher Schneidgeschwindigkeit beispielsweise beim Rückbau kerntechnischer Anlagen.
Die Entwicklung der konkurrierenden Methoden des Plasmaschneiders und Laserschneidens in den 1980er Jahren hat zu vermehrten Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen geführt, die trotz des Vordringens der Plasma- und Lasertechnologie die Vorteile des Brennschneidens bei unlegierten Stählen mit Blechstärken von über 50 bis 60 Millimeter in der Regel bestätigten. Das Laserschneiden stößt in diesem Bereich ohnehin auf technische Grenzen. Die Wirtschaftlichkeit der Brennschneidtechnik lässt sich jedoch durch den Einsatz von kombinierten Brennschneid-/Laserschneidmaschinen weiter steigern.
Bedeutung, Einsatzbereiche und Werkstoffspektrum mini|Vergleich der erreichbaren Schneidgeschwindigkeiten beim Autogenen Brennschneiden, Laserschneiden und Plasma-Schmelzschneiden 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. Für hochlegierte Cr-Ni-Stähle oder Aluminium existieren jedoch Sonderverfahren, die zwar schlechter geeignet sind als das Plasmaschneiden, aber mit niedrigeren Investitionen verbunden sind. Beim Brennschneiden sind die Investitionen für die Anlagen und Werkzeuge relativ gering. Auch die Kosten für die Betriebsstoffe (Sauerstoff und Brenngas) sind niedrig, die Arbeitskosten im Verhältnis dazu jedoch hoch.
Neben anderen Profilen liegen die schneidbaren Blechdicken zwischen 2 mm und 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 Gehrungsschnitte möglich. Durch spezielle Brenneranordnungen 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 jährlich etwa 750.000 km.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 401.
Die erreichbaren Genauigkeiten sind unabhängig von der Blechdicke immer schlechter als bei konkurrierenden Verfahren, die Schneidgeschwindigkeiten betragen knapp 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.Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1 – Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Auflage. Springer, S. 255.
Verfahrensprinzip mini|Ergebnis einer Trennscheibe (Bildmitte) und eines Brennschneiders (Vorne rechts) an Eisenbahnschienen Die Heizflamme, auch Vorwärmflamme genannt, erwärmt die Oberfläche des zu trennenden Werkstückes lokal begrenzt auf Zündtemperatur, die bei Baustahl zwischen 1150 und 1250 °C liegt. Anschließend verbrennt der Werkstoff mit dem zugeblasenen 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 bei der 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.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 390 f.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 244 f.
Voraussetzungen Um einen Werkstoff durch Brennschneiden trennen zu können, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein. Die Zündtemperatur muss unter der Schmelztemperatur liegen. Bei Baustahl liegt erstere bei 1150 °C aufwärts.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 11. Auflage. Springer, 2015, S. 391. Bei 0,25 % Kohlenstoffgehalt 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 höherem Kohlenstoffgehalt liegt teilweises Schmelzschneiden vor. Bis 1,6 % Kohlenstoffgehalt 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.Hans J. Fahrenwaldt, Volkmar Schuler, Jürgen Twrdek: Praxiswissen Schweißtechnik – Werkstoffe, Prozesse, Fertigung. 5. Auflage. Springer, 2014, S. 245 f.