Brennschneiden: Was Sie schon immer wissen wollten

• Die Entzündungstemperatur des Werkstoffs muss niedriger als seine Schmelztemperatur sein.
• Die Schmelztemperatur der entstehenden Oxide muss niedriger als die Schmelztemperatur des Werkstoffs sein.
• Reines Eisen erfüllt die Bedingungen optimal, ebenso niedriglegierte Stähle.
• Der Schneidsauerstoff muss eine Reinheit von min. 99,5% besitzen, empfohlen wird oftmals 99,995% Reinheit.
• Der Kohlenstoffgehalt muss zwischen 0,1 und 1,5% liegen. Wobei ab einem Kohlenstoffanteil von 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 Brennschneiden 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.

Für das Erhitzen des Materials auf Zündtemperatur wird ein Heizgas wie Acetylen oder Propan oder Erdgas oder neuerdings vermehrt als CO2-neutrales Gas Wasserstoff H2 eingesetzt.

Geschnitten wird beim autogenen Brennschneiden aber immer mit Sauerstoff, das Heiz- und Brenngas dient lediglich dazu, den Oxidationsprozess in Gang zu setzen und ihn während des Schneidens aufrecht zu halten. Die Aussage, die man öfters hört "wir schneiden mit Propan" ist eigentlich nicht korrekt, geschnitten wird immer mit Sauerstoff.

Für das Brennschneiden muss der Sauerstoff eine hohe Reinheit von min. 99,95 % besitzen. Je höher der Reinheitsgrad des Sauerstoffschneidgases, desto besser, sauberer und schneller erfolgt der Schnitt.

• Es müssen bestimmte metallurgische Bedingungen für den Verbrennungsprozess eingehalten werden, siehe weiter unten. Eine KO-Bedingung ist die Forderung, dass die Zündtemperatur (ca. 1.150°C) niedriger als die Schmelztemperatur des Metalls sein (ca. 1.500 °C) muss, wie bei kohlenstoffhaltigem Normal- bzw. Baustahl. Metalle, die diese Bedingung erfüllen lassen sich i.d.R. gut brennschneiden.
• Die zweite Bedingung zum Brennschneiden ist die Höhe des Kohlenstoffgehalts des Metalls, dieser sollte idealerweise < 0,3 % sein.
• Es lassen sich nur niedrig bis gering legierte Stähle schneiden.

Wir haben dazu eine Gegenüberstellung der Schnittgeschwindigkeiten verschiedener Masterialstärken im Vergleich zum Plasmabrennen in einer ausführlichen Tabelle erstellt. Natürlich hängt die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit von den verwendeten Brennertypen, (z.B. Normaldüse, Schnellschneiddüse, etc.) ab, vom Heizgas und auch von der Oberflächenbeschaffenheit des zu schneidenden Materials. Stahl, der bereits vorher gesandstrahlt wurde, lässt sich generell schneller Brennschneiden. Daher können die Werte um einige Prozent bis zu ± 15% von Deiner Anwendung abweichen. Doch die Angaben sollen uns als Richtschnur dienen.

Beispiel: Schnittgeschwindigkeit in der Gegenüberstellung Brennschneiden mit Acetylen, Brennschneiden mit Propan gegenüber Plasmaschneiden

Sowohl die Frage der Wirtschaftlichkeit als auch weitere Geschwindigkeitsdaten haben wir für Sie in einem eigenen Kapitel über die Wirtschaftlichkeit des Brennschneidens zusammen gestellt. Die Kosten müssen unterschieden werden in die reinen Betriebskosten der Brennschneidanlage.

Die Betriebskosten einer Schneidanlage werden meistens auf die laufenden Kosten des reinen Schnittes bezogen, diese setzen sich zusammen aus: Gase, elektr. Energie und den Verschleißteilen. In der Regel stellen diese Positionen rund ein drittel des Maschinenstundensatzes des Stundensatzes dar.   

Die Betriebskosten für das Brennschneiden liegen als Orientierungswert aus der Literatur bekannt: 1 Brennschneidkopf mit Sauerstoff - Acetylen betrieben, kostet rund sieben Euro pro Stunde an Betriebskosten ohne Material-, Personal- und Maschinenkosten. Natürlich abhängig von weiteren Parametern, wie der zu schneidenden Dicke, Teuerung des Gaspreises etc. Beim Einsatz von Propan reduziert sich der Preis, wobei die Schneiddauer ein wenig zunimmt, da auch die Lochstechzeiten bei Propan höher sind und die Schnittgeschwindigkeit ein wenig reduziert ist.

Um den Maschinenstundensatz zu ermitteln, sind neben den Betriebskosten die weiteren Kosten für Personal, allgemeine Kostenstellen, Programmierung, Investion/Abschreibung, Hallenmiete, Rüstzeiten, Maschinenwartung, Versicherung, Störungen und Ausfälle etc. hinzuzurechnen.

• Der übliche Einsatzbereich liegt vernünftigerweise von 20 mm (in seltenen Fällen auch schon ab 10 mm oder geringer) bis 200 mm (seltener auch bis 300 mm) Stahldicke.
• Sonderanlagen schneiden auch bis 500 mm oder gar bis 800 mm Materialdicke.
• Spezielle Hochleistungsbrennschneidmaschinen schneiden Stahl sogar bis zu 1.500 mm Materialdicke.
• Für viele Brennschneidbetriebe ist das Trennen mit dem autogenen Schneidprozess bis 200 mm oder 300 mm kein Problem.
• Natürlich hängt die Qualität des Schnittes und besonders in den hohen Dickenbereichen von den Erfahrungen der Maschinenbediener ab. Ebenso muss die Gasversorgung der Schneidanlage für den höheren Dickenzuschnitt und dem damit verbundenen höheren Gasdurchfluss ausgelegt sein. Oftmals scheitert ein Zuschnitt im dickeren Material an zu kleinen Ventilen, Gaszuleitungen etc. Auch muss die Schneidanlage baulich bedingt für den Einsatz bei höheren Temperaturen konstruiert worden sein, damit die Portalbrücke nicht unter thermischer Last verspannt, deformiert wird.  
• Im Labor wurde Baustahl bis zu einer Dicke von maximal 3.000 mm autogen geschnitten bzw. eher getrennt, denn von Schnittqualität reden wir hier nicht mehr. Es ging bei diesem Experiment nur darum, zu zeigen, wie man nahezu grenzenlos dick Brennschneiden kann. Der bei dieser Dicke von rund 3.000 mm erforderliche Sauerstoffdruck lag bei über 250 bar, woraus sich auch erklärt, warum dies nur im Labor unter besonderen Sicherheitsbedingungen durchführbar war. Ein physikalisches Experiment für das Labor. In der Praxis hört für die meisten Betriebe der Einsatz beim Brennschneiden bei 300 mm auf. Alles darüber hinaus sind Spezialanwendungen für Spezialbetriebe.  
• Problemfeld: Je dicker der Stahl desto komplizierter gestaltet sich das Lochstechen. Üblich: Mechanisches Vorbohren oder Lochstechen mit der Lanze (hohes Gefahrenpotential für Verletzungen des Bedieners!) Oder man fährt von der Seite an, sofern das geforderte Brennteil dies zulässt.

Industriell werden Dicken bis 1.500 mm von einigen wenigen Spezialbetrieben geschnitten.
Dabei ist zu beachten, dass der Kohlenstoffgehalt des Stahls kleiner als 0,3 % betragen sollte. Liegt er darüber, muss das Material vor- und eventl. auch nachgewärmt werden, um Risse und Spannungen zu reduzieren.
Liegt der Kohlenstoffgehalt über 1,5 / 1,8 % ist autogenes Brennschneiden in dieser Form nicht mehr möglich.

Prinzipiell kann Stahl ab einer Dicke von 3 mm autogen geschnitten werden. Aber:

• Die Hitzeinwirklung ist so groß, dass sich das Bauteil stark durch den thermischen Einfluss verwirft.
• Die Ungenauigkeit steigt proportional zur Hitzeeinwirkung beim Brennzuschnitt.
• Die Wirtschaftlichkeit beim Zuschnitt von dünnem Material ist beim Autogenbrennen nicht mehr gegeben. Plasmaschneiden oder Laserschneiden wäre bei dünnerem Material die preiswertere, die bessere Methode.
• In seltenen Ausnahmefällen wird dünnes Material unter 5 mm Dicke dennoch autogen gebrannt, nämlich wenn es sich um ein einzelnes Stück handelt und sich das Zurüsten einer anderen Schneidanlage im Verhältnis zu den Mehrkosten nicht lohnen würde. In jedem Fall muss es triftige Gründe geben, warum dünnes Material autogen geschnitten werden soll - im Normalfall ist dies tunlichst zu vermeiden.

Die Qualität eines Brennzuschnitts wird in der DIN EN ISO 9013 beschrieben. Die ISO 9013 ist für die drei thermischen Schneidverfahren Plasmaschneiden, Laserschneiden und Brennschneiden gültig. Von diesen dreien besitzt das Brennschneiden die geringste Genauigkeit.

• Eine pauschale Genauigkeit kann niemals seriös durch einen einzigen Wert angegeben werden. Die ISO 9013 geht da sehr praxisrelevant vor und berücksichtigt ganz genau die Probleme beim thermischen Zuschnitt. Sie beschreibt die erzielbaren Genauigkeiten in Abhängigkeit der Materialdicke und der Größe der Kontur. Die Angaben für Brennzuschnitte sind nur im Dickenbereich von 3 mm bis 300 mm definiert. Alle Dicken außerhalb dieses Bereichs sind individuelle Genauigkeiten des jeweiligen Brennbetriebes und unterliegen nicht mehr der Norm.
• Des Weiteren werden nur Brennteile bis zu einer Größe von max. 8.000 mm und erst ab einer Mindestlänge von 350 mm beschrieben. Alles was darüber hinaus oder darunter geht, wird nicht durch die Norm abgedeckt.   
• Außerdem wird vorausgesetzt, dass keine Ausschnitte im Brennteil vorhanden sind, welche einen wesentlich höheren Energieeintrag zur Folge haben und damit die Genauigkeit des Brennteils durch thermische Ausdehnung stark beeinflussen.
• Ergo kann eine Genauigkeit immer nur bezogen auf eine Materialdicke und einer Größe der Brenngeometrie im Toleranzrahmen der ISO 9013 benannt werden.
• Wichtig ist auch die Lage, an dem eine Genauigkeitsmessung vorgenommen werden darf. Man kann Brennteile nicht nach Lust und Laune an jeder Stelle der Kontur vermessen. Auch dies wird in der ISO 9013 definiert.
• Brennzuschnitte werden in der ISO9013 mit der Genauigkeitsklasse 2 definiert, unter die auch das Plasmaschneiden fällt.
• Manche Brennbetriebe geben Genauigkeiten von ± 5 mm bei einem Material mit 300 mm Dicke an.
• Wenn wir von "hoher Genauigkeit" beim Brennschneiden sprechen, so ist das immer relativ zu verstehen.

Ein großes Hindernis für eine bessere Genauigkeit des Brennschneidens ist der Verzug des Schneidmaterials. Die eingebrachte thermische Energie in das Material erlaubt problemlos das Beheizen der Halle oder das Kochen eines Dreigänge-Menüs auf einer geschnittenen Blechtafel. Das Material dehnt sich unter dem Einfluss der Hitze enorm aus, was abhängig ist von seiner Dicke, der Anzahl der eingesetzten Brenner und den zu schneidenden Geometrien und der Anzahl der Innenausschnitte, von denen jeder einen Lochstechpunkt benötigt mit entsprechender Vorheizzeit auf die Zündtemperatur.

Hier kann man bereits erahnen, wie bedeutend beim thermischen Schneiden die Erfahrungen des Bedieners und der Arbeitsvorbereitung sind. Damit die Zuschnitte möglichst genau sind, muss diese Ausdehnung, die Lochstechpunkte, die Fahrtrichtungen etc. an die gewünschten auszuschneidenen Konturen angepasst werden. Moderne Verschachtelungsprogramme versuchen auf der CAD/CAM-Ebene durch Rechenalgorithmen die Lochstechpunkte und die Anfahrgeometrien optimal zu setzen und unterstützen die Bediener so weit wie möglich, um eine max. Genauigkeit bei geringem Materialverschnitt zu erreichen.

Doch am Ende des Tages bleibt es dabei, die Genauigkeit beim Brennschneiden ist verfahrensbedingt begrenzt und stellt die geringste der Schneidtechnologien Laser, Wasserstrahl und Erodieren dar. Doch viel entscheidender dabei ist die Frage, welche Mindestgenauigkeit für mein spezielles technisches Teil überhaupt erforderlich ist? Und da zeigt sich in der Praxis, dass in vielen Bereichen der Technik die Genauigkeit des Autogenschneidens völlig ausreichend ist.

Konkrete Normangaben bezüglich Genauigkeit, Rechtwinkligkeit und Rauheit der Schnittkanten findet Ihr in der ISO 9013, die hier im Schneidforum konkret beschrieben und aufgeführt ist.

Dies sind eine ganze Reihe:

• Brennschneiden besitzt beim Zuschnitt großer Materialdicken die beste Wirtschaftlichkeit
• Die Schnittkanten des Brennzuschnitts sind besonders rechtwinklig, immer vorausgesetzt, Brenner und Gase sind richtig eingestellt und besitzen die erforderlichen Qualitäten
• Die Rauheit der Schnittkanten eines Brennteils sind gering, die Kanten sind i.d.R. glatt
• Die Aufhärtung der Schnittkanten ist beim Brennschneiden im Verhältnis zum Plasma- und Laserzuschnitt in der Regel geringer, da die Wärme sich im gesamten Bauteil verteilt und der Brennzuschnitt sich so langsamer abkühlt
• Die Investition für eine Brennschneidanlage ist wesentlich geringer als für eine Plasma- oder Laserschneidanlage
• Der Schneidprozess ist besonders robust
• Die Betriebs- und Umgebungsanforderungen an den Autogenschneidprozess sind geringer als bei Plasma und Laser
• Die Anforderungen an das Führungssystem der Brennschneidmaschine sind geringer
• weitere Gründe, siehe Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile des Brennschneidens

Das Brennschneiden ist ein spezieller Schneidprozess, der besonders im oberen Blechdickenbereich nicht wegzudenken ist und für den es bei Dicken oberhalb von 50 mm zur Zeit keine Alternative gibt, wenn die Wirtschaftlichkeit die entscheidende Rolle spielt. Sein geringer Strombedarf bzw. es ist gar kein Strom zum Schneiden erforderlich, sowie die Möglichkeit CO2-neutral mit H2 zu schneiden und den Prozess sogar zu digitalisieren, beflügeln diesen Schneidprozess aktuell noch mehr.