Technologie des Autogenschneidens

Das autogene Brennschneiden ist wie folgt definiert: Der kohlenstoffhaltige Werkstoff wird durch eine Heizflamme auf Zündtemperatur erwärmt und dann im Schneidsauerstoffstrahl verbrannt. Das ausströmende Schneidsauerstoffgas bläst das flüssige Material aus der Schnittfuge. Der gleichzeitige Vorschub des Brenners mit Hilfe einer geeigneten Koordinatenschneidanlage erzeugt eine Schnittkontur. Die freiwerdende Verbrennungswärme erhitzt das Material in den darunter liegenden Schichten, so dass sich der Verbrennungsprozess selbständig (=autogen) in der Tiefe des Materials fortsetzt und im Grunde daher kaum eine Materialgrenze kennt. Autogenes Brennschneiden wurde bereits bei Materialdicken von bis zu 3.000 mm durchgeführt.

In der Praxis wird jedoch zusätzlich zum Schneidsauerstoff auch ein geeignetes Heizgas verwendet, da die Wärme sich nicht allein auf den Schnittspalt konzentriert, sondern in das Material und den Auflagetisch, den Brenntisch, sowie die Umgebung abgeführt wird, so dass der autogene Schneidprozess erlöschen würde. Durch das zusätzliche Heizgas bleibt der Verbrennungsprozess im Gleichgewicht und überbrückt die parasitären Energieabflüsse.   

Bedingungen für das das autogene Brennschneiden:

• Die Entzündungstemperatur des Werkstoffs muss niedriger als seine Schmelztemperatur sein.
• Der Schneidsauerstoff muss eine Reinheit von min. 99,5% besitzen, empfohlen wird oftmals 99,995% Reinheit.
• Die Schmelztemperatur der entstehenden Oxide muss niedriger als die Schmelztemperatur des Werkstoffs sein.
• Reines Eisen erfüllt die Bedingungen optimal, ebenso niedriglegierte Stähle.
• Der Kohlenstoffgehalt muss zwischen 0,1 und 1,5% liegen. Wobei ab 0,3 - 1,5% die Gefahr der Rissbildung besteht. Um diese Gefahr zu reduzieren sollte mit speziellen Brennern ( = Heizduschen) vor- bzw. nachgeglüht werden. Idealerweise sollte beim autogenen Brennschneiden der Kohlenstoffgehalt des Schneidgutes daher zwischen 0,1 % bis 0,3 % liegen.

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich die Entzündungstemperatur und die Schmelztemperatur nimmt ab, so dass ein Stahl mit mehr als 1,6 % bis 1,8 % C die Voraussetzung des Brennschneidens nicht mehr erfüllt. Beispielsweise besitzt Stahl mit 0,1% C eine Entzündungstemperatur von 1050° C und eine Schmelztemperatur von 1526° C. Daraus folgt: 1050 < 1526 = Bedingung für das autogene Brennschneidsen somit erfüllt, ein Brennschnitt ist damit möglich!

Die Schmelztemperatur ist bei jedem Stoff unterschiedlich hoch und in vielen Fällen vom Druck abhängig. Hervorgerufen wird die Selbstentzündung durch eine exotherme Oxidationsreaktion.

Sonderfälle: Autogenes Brennschneiden von Titan und Edelstahl

Titan: Der Schmelzpunkt von Titanoxid liegt bei ca. 1.970°C, während der von Titan ca. 1670°C  beträgt. Damit ist eine der Grundvoraussetzungen des Brennschneidens nicht erfüllt, die Schmelztemperatur des Titanoxids ist größer als die des Titans. Dennoch lässt sich Titan brennschneiden. Dies stellt eine Ausnahme dar.

Guss und hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle

Mit einem Sonderverfahren lassen sich auch Guss und hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle schneiden, doch spricht man dann nicht mehr von einem autogen Brennschneidprozess sondern von einem Schmelzschneiden, dem Pulverbrennschneiden. Dabei wird ein kohlenstoffarmes Eisenpulver in die Heizflamme geblasen, wodurch mehr Wärme frei wird und so die Schmelztemperatur erreicht wird. Die auftreffende Schmelze und das Metallpulver bewirken dann ein Schmelzen des Werkstoffs.

Lochstechen beim Autogenschneiden

Damit eine Kontur ausgeschnitten werden kann muss ein Startpunkt der Kontur erzeugt werden. Erst wenn an diesem Startpunkt der Prozess des autogenen Brennschneidens gestartet wurde kann die Maschine mit der eigentlichen Konturfahrt und damit mit dem Ausschneiden beginnen. Zu diesem Zweck erhitzt der Maschinenbediener den Startpunkt mit einem geeigneten Heizgas und bringt diesen Punkt auf die Entzündungstemperatur. Je dicker das zu schneidende Material ist, desto länger dauert dieser Aufheizprozess. Seine Erfahrung und die Beobachtung der Farbe des Aufheizpunktes sagen ihm, wann es soweit ist und wann er den Schneidsauerstoff für die eigentliche Verbrennung des Stahls frei geben kann. Diese gesamte Prozedur nennt man das "Lochstechen".

Beim Lochstechen erzeugt der hinzugegebene Schneidsauerstoffstrahl einen starken Funkenflug und es baut sich ein Schlackehaufen am Lochrand auf, bis das geschmolzene Material durchgestoßen ist. Dieser Schlackehaufen am Rand kann je nach Materialdicke sehr groß werden und führt beim Überfahren des Brennstrahls zum Prozessabbruch - der oxygene Schneidprozess erlischt. Der Bediener übernimmt daher oft die Aufgabe, diese Schlackehaufen manuell, während des Schneidprozesses, mit einem Schaber zu entfernen, den Prozess zu beobachten und gegebenenfalls wichtige Prozessparameter, wie die Schnittgeschwindigkeit, den Düsenabstand zum Schneidgut oder die Vorheizzeit für das Lochstechen zu korrigieren. Der beim Lochstechen entstehende Funkenflug wird in modernen Schneidanlagen durch Verwendung von Proportionalventilen stark reduziert. Proportionalventile fahren den Gasdruck langsam nach bestimmten Faktoren, wie der Zeit oder der Steigung der Kennlinie hoch und erlauben damit quasi ein schonendes "Eingraben" das Sauerstoffstrahls in das Schneidgut.

Nun kommt die Erfahrung des Bedieners bzw. der Arbeitsvorbereitung ins Spiel, die in der Regel für die Erstellung des CNC-Codes verantwortlich ist. Durch Setzen eines geeigneten Anstechpunktes und damit durch Verschieben des Anstechpunktes von der Sollgeometrie des Konturteils in das Restblech und durch Wahl eines geeigneten Anschnittweges oder gar einer Anschnittgeometrie, englisch "Leadin" für den Einstich und "Leadout" für das Rausfahren des Brenners aus der Sollgeometrie, wird erreicht, dass der Schlackehaufen, der beim Lochstechen entsteht, nur minimalen bis keinen Schaden erzeugt, indem er weit genug weg von der Sollkontur des Zuschnitts positioniert wird.     

Genau daher ist eine Automatisierbarkeit des Autogenschneidens nur bedingt möglich. Auch die Brennerhöhe, Schnittgeschwindigkeit und die Gasdichtigkeit der Schläuche überwacht der Maschinenbediener manuell.

Schneidprozess in Gang halten

Da beim Schneiden von Stahl viel Wärme in den Brenntisch und in das Schneidgut als Ganzes abgeleitet wird, reicht die beim Verbrennen mit Sauerstoff freiwerdende Wärme nicht aus, um den Oxidationsprozeß kontinuierlich in Gang zu halten. Deshalb wird zusätzliches Gas durch die Heizflamme zugeführt, welches die Aufgabe hat, den Werkstoff auf die Entzündungstemperatur zu bringen und die Wärmeverluste auszugleichen.

Weitere Störgrößen beim autogenen Brennschneiden

Neben Kohlenstoff beeinflussen Legierungsbestandteile wie Chrom, Nickel, Wolfram etc. die Brennschneidbarkeit des Strahls. Je höher der Kohlenstoffgehalt desto höher die Zündtemperatur.

Keine Regel ohne Ausnahme:

Titan und Titanlegierungen lassen sich Brennschneiden, obwohl die Voraussetzungen nicht erfüllt sind, daher empfiehlt es sich, vorab einen Schneidtest auszuführen, wenn man bei einem Material und seinen Legierungsinhalten sicher gehen möchte ob sie mit dem autogenen Schneidprozess schneidbar sind oder nicht.