Wärmeverzug beim Brennschneiden reduzieren

Bild 1: Mehrbrennerbetrieb Brennschneiden mit 3 Brennern auf einem Wasserbrenntisch
Bild 1: Mehrbrennerbetrieb Brennschneiden mit 3 Brennern auf einem Wasserbrenntisch

Ein elementarer Nachteil beim Brennschneiden ist die in den Werkstoff eingebrachte thermische Energiemenge, die sehr hoch ist und die zu vielen Problemen führen kann. Die offensichtlichste Begleiterscheinung ist der Längenverzug des Materials. Das zu schneidende Blech dehnt sich durch die zusätzliche thermische Energie aus, so dass die Maßhaltigkeit der Brennteile in der Gefahr steht, aus den Grenzen zu laufen.  

Ein weiterer Nachteil der hohen thermischen Energie ist die Gefügeveränderung des Blechs im Randzonenbereich der Schneidflanken. Bei hochfesten Werkstoffen kann es auch zu Spannungsrissen führen.

Nebenbei erwärmt die thermische Energie auch die Brennschneidmaschine, die zusätzliche Vorrichtungen zur Kompensation der Wärme benötigt und die Halle erwärmt sich unkontrolliert, was im Winter durchaus kein Nachteil ist, doch im Sommer für unangenehm hohe Betriebstemperaturen sorgen kann. Die Brennschneidanlage muss mit den hohen Temperaturen umgehen können, sonst kann es vorkommen, dass sich die Portalbrücke deformiert, verspannt und Lager frühzeitig verschleißen.

Fazit: Die Einbringung der thermischen Energie ist in den meisten Fällen nicht gewollt, sie führt zu Komplikationen und sollte daher vermieden bzw. reduziert werden.

7 Vorschläge, wie der Einfluss des Wärmeverzugs beim Brennschneiden reduziert werden kann

Bild 2: Ausgeschnittene Brennteile auf einem Wasserbrenntisch: Wasserspiegel reicht bis unter das Blech
Bild 2: Ausgeschnittene Brennteile auf einem Wasserbrenntisch: Wasserspiegel reicht bis unter das Blech

Nun die Lösung ist nicht ganz so trivial, wie es scheint. Das Aufheizen des Werkstoffs auf die Enzündungstemperatur gehört nun mal zum Wesen des oxygenen Schneidprozesses dazu. Mit anderen Worten, beim Brennschneiden fällt immer viel thermische Energie an.

Tipp 1: Prozesswechsel

Daher besteht die erste Lösung darin, erst gar nicht Autogen zu schneiden sondern auf andere geeignete Schneidprozesse umzusteigen, sofern dies technisch und wirtschaftlich möglich ist. Und genau da liegt das Problem, bis auf wenige Ausnahmen ist ein Ausweichen auf anderen Schneidprozesse kaum möglich.
Mit Wasserstrahl kann man zwar auch sehr dick schneiden, mittlerweile Bleche über 300 mm Dicke, doch die Schnittkosten würden komplett aus dem Ruder laufen und die Schnittqualität gegenüber dem Brennschneiden wäre bei maximaler Schneidleistung nicht erzielbar.
Plasmaschneiden bietet sich vor allem im dünneren Bereich bis 35 mm max. 40 mm Materialdicke an. Wobei die Rechtwinkligkeit dabei schlechter wäre als beim Brennschneiden.
Im unteren Blechdickenbereich könnte der Faserlaser eingesetzt werden. Doch wer besitzt schon alle vier Schneidtechnologien in einer Fertigung und kann beliebig auf ein anderes System ausweichen? Daher ist die Praktikabilität dieses Vorschlags nicht ganz einfach umzusetzen.

Tipp 2: Wasserbrenntisch

Ein anderer und weit verbreiteter Weg die thermische Energie zu reduzieren, besteht im Einsatz eines Wasserbrenntisches. Das zu schneidende Blech liegt dabei "auf Wasser", siehe Bild 1 und Bild 2.

"Auf Wasser" bedeutet, der Wasserspiegel berührt nur das Blech an der Unterseite. Die Oberseite des Bleches wird nach wie vor an der normalen Atmosphäre geschnitten. Diese Version erfordert eine entsprechende Maschinentechnologie. Dass ebenso der Wasserbrenntisch für diese Anwendung präpariert sein muss, versteht sich von selbst. Vorher unbedingt mit dem Hersteller klären, in wie weit die vorhandene Technologie, die Autogenbrenner und die Höhrenregelung dafür gegeignet sind.

Das Wasser bindet einen Teil der Hitze und lässt das Blech schneller abkühlen. Die Hitzenester werden reduziert und die Hitze verteilt sich besser im Blech.

Durch das schnellere Abkühlen der Blechteile kann sich das Schnittflankenbild ändern. Bedenken Sie dabei auch, dass eventuell die Schnittgeschwindigkeit sich um ein wenig reduzieren kann. Die ausgeschnittenen Teile können in den Tisch in das Wasser fallen, so dass auch hier ein geeignetes System, sei es Austragsförderer oder ein flutbarer Hebe- und Senktisch vorhanden sein sollten. Ansonsten steigt der Aufwand für das Abräumen des Brenntisches.

Bei besonders kritischen Brennaufträgen sollten die ausgeschnittenen Teile häufiger stichprobenartig vermessen und geprüft werden.

Bedenken Sie dabei auch, dass die Bleche und die Brennteile mindestens an der Unterseite nass werden. Wenn dies nicht erlaubt sein sollte, dann scheidet der Wasserbrenntisch aus.

Zurück spritzendes Wasser kann die Flamme auslöschen, daher wird durch Heben und Senken des Wasserspiegels die optimale Schneidhöhe für einen störungsfreien Betrieb ermittelt.  

Tipp 3: Hitzenester reduzieren

Ein weiterer Lösungsweg ist die Verteilung der Ausschnittbereiche. Vor allem, wenn mit übergroßen Blechen gearbeitet wird, kann es je nach Bauteilegeometrie sinnvoll sein, die Ausschnittreihenfolge so zu ändern, dass Sie zuerst in einem Bereich auf der Tafel schneiden, z.B. links unten und anschließend die Brennteile in einem weiter entfernten Bereich z. B. rechts oben fortsetzen u.s.w. Somit hat die Blechtafel Zeit, sich zu entspannen und die Wärme über die Fläche abfliessen zu lassen. Nachteil: Man verliert durch die zusätzlichen Positionierfahrten Bearbeitungszeit. Bestimmte CAD/CAM-Software-Tools versuchen die Aufhetzung rechnerisch zu reduzieren und ändern die Reihenfolge der Schneidaufträge automatisch entsprechend an.

Tipp 4: Reduktion der Ausschnitte

Vielleicht lassen sich, je nach Bauteilgeometrie die Bauteile so aneinander legen, dass mit einem Schnitt gleich zwei Seiten eines Bauteils erzeugt werden. Diese Art der Common-Cuttings ist häufig beim Laser anzutreffen, wird aber beim Autogenschneiden nur selten eingesetzt, da die beiden Schnittkanten nicht identisch gleich gut erzeugt werden.

Bei kritischen Geometrien kann es erforderlich sein auf die Innenausschnitte in einem Bauteil zu verzichten, sofern dies möglich ist, und ein nachträgliches Einbringen von Löchern durch spanende Bearbeitung wie bohren, drehen oder fräsen vorzusehen.

Möglicherweise kann es im Einzelfall erforderlich sein, kritische Konturen nicht mit dem Autogenbrenn zu erzeugen, sondern beispielsweise mit Plasma zu schneiden, sofern das Dickenspektrum dies zulässt.

Tipp 5: Streifenbrenner, Mehrbrennereinsatz

Bewährt hat sich beim Schneiden langer Bauteile das Schneiden mit gleichzeitig zwei Autogenbrennern, bzw. einem Streifenbrenner, siehe Bild 3. Die Verspannungen durch den thermischen Einfluss lassen sich reduzieren, wenn gleichzeitig je ein Brenner die linke und der zweite Brenner die rechte Kante des Bauteils erzeugen.

Tipp 6: Einstellungen, Parameter, Gase

Mit bestimmten Brennern, Gasen und Einstellungen können erfahrene Maschinenbediener noch an einer weiteren Stellschraube drehen, denn je schneller der Autogenschnitt erfolgt, desto weniger Zeit verbleibt der Energie pro Zeiteinheit, sich im Material einzubringen. Gelingt es dem Maschinenbediener einen guten Schnitt mit 15 - 25 % höherer Schnittgeschwindigkeit zu erzeugen und den Wärmeeinfluss zu reduzieren, so besteht die Möglichkeit, eine bessere Maßhaltigkeit zu erreichen.

Tipp 7: Vorheizen und Nachglühen

Um Materialspannungen zu reduzieren ist für viele Metalle, vor allem hochfeste Stähle ein Vorheizen und ein Nachglühen des Materials erforderlich.

Welcher Lösungsvorschlag am Ende Ihnen am besten weiter hilft, die Wärmeeinbringung im Blech zu reduzieren, kann von Fall zu Fall anders aussehen und ist abhängig vom Material, der Blechdicke, den zu schneidenden Geometrien und der Anzahl der Brenner. Das gleichzeitige Schneiden der Kanten mit zwei Brennern, schnellere Schneidprozessparameter und Vorheizen/Nachglühen sind wahrscheinlich die am häufigsten anzutreffenden Lösungen in der Praxis. Doch auch der Einsatz einer ergänzenden Plasmaschneidanlage, die für die Teile unterhalb von 40 mm Blechdicke zuständig ist, sowie die Verwendung eines flutbaren  Wasserbrenntisches finden häufig Verwendung in Schneidbetrieben; vor allem dann, wenn hochfeste Stähle zu schneiden sind, siehe Artikel weiter unten.

Bild 3: Brennschneidanlage mit zwei Streifenbrennern und einem Senkrecht-Schneidkopf, geeignet für Besäumen von Blechen und Längsschnitte mit wenig Wärmeverzug
Bild 3: Brennschneidanlage mit zwei Streifenbrennern und einem Senkrecht-Schneidkopf, geeignet für Besäumen von Blechen und Längsschnitte mit wenig Wärmeverzug

Brennschneiden von hochfesten Stählen

Das Schneiden hochfester Stähle, wie Hardox® 400, Hardox® 500 von SSAB oder N-A-XTRA®, XABO® von ThyssenKrupp oder DILLIDUR® von Dillinger etc. ist aufgrund der Gefügeänderungen im Stahl problematisch. Bevor Sie hochfeste Stähle Brennschneiden, stimmen Sie sich mit Ihrem Kunden ab, in wieweit dieser Schneidprozess zulässig ist und prüfen Sie die möglichen Gefügeveränderungen durch eine entsprechende Laboruntersuchung.

Beim Brennschneiden ist nicht nur die Maßhaltigkeit der Zuschnitte von Bedeutung, sondern auch eine möglichst geringe Gefügeänderung des Materials. Durch Einbringung von thermischer Energie, die durch den autogen Schneidprozess entsteht, besteht die Gefahr einer Gefügeänderung im Material mit der auch die Leistungsdaten des hochfesten Stahls und damit die Sicherheit späterer Verwendung gefährdet sein kann.

Sollte die Überprüfung positiv erfolgt sein und damit dem Verwenden des Schneidprozesses Brennschneiden nichts mehr im Wege stehen, so kommen für das Schneiden hochfester Stähle häufig Wasserbrenntische mit einem heb- und senkbaren Wasserspiegel zum Einsatz, siehe Bild unten.

Das Wasserbad bindet thermische Energie und reduziert damit die Hitze im Stahl beim Brennschneiden hochfester Stähle.

Da nicht auszuschliessen ist, dass durch zurückspritzende Wassertropfen die Flamme des Brennschneiders erlischt, muss mit dem richtigen Wasserniveau so lange experimentiert werden, bis der Bediener die ideale Wasserstandshöhe für den Brennzuschnitt ermittelt hat. Danach läuft der Schneidprozess stabil ab.

Alternativ können hochfeste Stähle im unteren Blechdickenbereich bis ca. 60 mm Dick auch mit dem Plasmabrenner geschnitten werden. Doch auch bei diesem Prozess empfiehlt sich der Wasserbrenntisch. Wobei der Plasmabrenner den Vorteil mit sich bringt auch ganz unter Wasser schneiden zu können. Entsprechende Technik und Maschine vorausgesetzt. Natürlich kann in Grenzen auch das Faserlaser für das Schneiden eingesetzt werden, wobei auch dieser thermische Energie einbringt und nicht (Stand 2021) unter Wasser schneiden kann. Die Flankenaufhärtung ist beim Laserschneiden hoch, siehe Vergleich der Schneidverfahren.

Wenn absolut keine thermische Energie gewünscht wird, dann bleibt nur noch der Zuschnitt mit dem Wasserstrahl übrig. Das Wasserstrahlschneiden besitz den Vorteil das Material quasi spanend abzutragen und erzeugt somit weder Aushärtung an der Schnittflanke noch Gefügeänderung im Randbereich der Schneidkontur. Allerdings erhöht sich die Schnittgewindigkeit beim Schneiden hochfester Stähle in der Regel um den Faktor 2 bis 3. Typisch wäre eine Schnittgeschwindigkeit von ca. 9 mm/min bei 60 mm dickem hochfesten Stahl bei 4.000 Bar Wasserinjektionsschneiden (Stand 2020).  

Wenn Sie Hersteller für Brenntische mit Wasserbett suchen oder sich über Streifenbrenner oder eine ergänzende Plasmaschneidanlage weiter informieren wollen, haben wir Ihnen hier einige Links für Sie zusammen gestellt. Im Marktplatz können Sie natürlich noch nach vielen weiteren Keywords suchen.

Brennschneiden von Hardox® 500 mit 2 Autogenbrennern auf Wasserbett zur Reduktion der Wärmespannungen und Verzugs
Brennschneiden von Hardox® 500 mit 2 Autogenbrennern auf Wasserbett zur Reduktion der Wärmespannungen und Verzugs

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