Brennschneiden

Ein vielseitiges und kostengünstiges Verfahren für das Schneiden von dicken, unlegierten und niedriglegierten Stahlmaterialien ist Brennschneiden. Das vielseitige und bewährte Trennverfahren kommt vor allem im Stahlbau für Großkonstruktionen, im Schiffbau für Rumpfplatten und Schiffsteile sowie im Maschinen- und Anlagenbau für Maschinenkomponenten und andere Bauteile zum Einsatz. Zudem kommt die Schneidtechnik im Eisenbahnbau für das Zuschneiden von Schienen, in Kunst und Design zur Gestaltung von Skulpturen sowie für die Demontage von Anlagen und die Zerkleinerung von Schrott zur Anwendung. Erfahren Sie hier relevante Informationen über die Eigenschaften, Vorteile und Einschränkungen für diese Form der Metallbearbeitung. Von den geeigneten Materialien, über die erreichbaren Schnittqualitäten und die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen bis zur erforderlichen Ausbildung für dieses in vielen Branchen eingesetzte Trennverfahren.

Funktionsweise von Brennschneiden

Brennschneiden ist ein Verfahren der Metallbearbeitung, bei dem man den Werkstoff mithilfe einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme lokal auf Zündtemperatur bringt und dann im Sauerstoffstrahl verbrennt. Der Verbrennungsvorgang wird so kontrolliert, dass eine Schnittfuge entsteht. Die Voraussetzung für das Brennschneiden eines bestimmten Metalls ist, dass das auf Entzündungstemperatur erhitzte Material im Sauerstoffstrom verbrennt. Diese Voraussetzung erfüllen primär unlegierte sowie niedrig legierten Stähle. Die Entzündungstemperatur ist jene Temperatur, bei welcher der Verbrennungsvorgang eine Reaktionswärme freisetzt, die größer ist als die zeitgleich abgeführte Wärme. Die Entzündungstemperatur von Stahl liegt bei 1.150 °C.

Der Druck des aus Sauerstoff bestehenden Schneidstrahles drängt das Eisenoxid und die Metallschmelze nach unten in Richtung der Schnittfuge ab und bläst das Material aus. Dieser erwünschte Effekt der Schnittfugenbildung tritt allerdings nur dann auf, wenn die Schmelztemperatur der Oxide unter der Schmelztemperatur des Werkstoffes liegt.

Eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme wird aufgrund ihrer physikalischen Werte häufig eingesetzt: Bei lohnintensivem Brennschneiden mit einem Lohnanteil von circa 80 – 90 % an den Gesamtkosten pro Schnittmeter hat sich Acetylen als besonders wirtschaftlich bewährt.

Der Großteil der heute eingesetzten Brennschneidmaschinen ist als gesteuerte Maschine für eine bestmögliche Prozesskontrolle ausgeführt. Die Schneidleistung lässt sich dabei durch Anordnung mehrerer Brenner auf dem Führungsschlitten weiter erhöhen. Das Verfahren ermöglicht unabhängig von der Schnittform, die Güteklasse der Schnittqualität entsprechend den spezifischen Anforderungen anzupassen.

Eine spezielle Form des Brennschneidens ist für Aluminium oder Cr-Ni-Stählen anwendbar. In der Regel schneidet man Bleche mit einer Stärke von circa 1 cm bis 30 cm mit Brennschneiden.

Was ist beim Brennschneiden zu beachten?

Arbeitsschutz auf Grundlage entsprechender Sicherheitsregeln ist beim Brennschneiden wichtig, da eine Reihe von arbeitshygienischen Belastungen auftreten können. Insbesondere ist die Einhaltung spezifischer MAK-Werte (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) zu beachten.

• Rauch und Staub: Die Reaktion von Sauerstoff mit Stahl bzw. einer Legierung, die Oxide beinhaltet, bilden sich Rauch und verschiedene Formen von Staub. Beim Rauch handelt es sich um gasförmige Verbrennungsrückstände, die sowohl Ruß als auch Oxidpartikel enthalten können. Der Staub ist durch sehr fein verteilte feste Partikel in der Luft charakterisiert. Höchstzulässig ist ein MAK-Wert von 5,0 mg / m³
• Nitrose Gase, Stickstoffoxide und Nox: Von der Heizflamme ausgehend findet eine Reaktion von N₂ und O₂ statt. Es bilden sich thermisches NOx, NO und NO₂. Erhöhte Konzentrationen von NOx in der Atemluft sind schädlich für die Lungenfunktion. Die MAK-Werte von 3 ppm für NO₂ sowie 25 ppm für NO müssen eingehalten werden.
• Optische Strahlung: Die starke, von der Heizflamme ausgehende, optische Strahlung kann zu Augenschäden führen. Daher ist das Tragen einer Schutzbrille mit der Schutzstufe 4 – 5 verpflichtend.
• Lärm: Beim Brennschneiden mit Hochleistungsdüsen kann ein Schallpegel mit einem Expositionsgrenzwert von über 85 dB entstehen. Daher ist das Tragen eines Gehörschutzes empfehlenswert.

Vor allem in beengten bzw. nicht gut durchlüfteten Räumen müssen schädliche Gase, Dämpfe, Rauch und Staub abgesaugt werden.

Welche Metalle und Stähle kann man Brennschneiden?

Brennschneiden ist ein thermisches Trennverfahren. Es eignet sich sehr gut für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Mehrere Faktoren bestimmen, ob Brennschneiden die geeignete Schneidtechnik ist.

Die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs bestimmt, ob die Bearbeitung auf Basis von Autogenschneiden möglich ist oder nicht:

• Wenn der Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs unter 0,3 % liegt, dann ist ein Brennschneiden problemlos möglich.
• Zwischen 0,3 % und 1,6 % ist es erforderlich, den zu schneidenden Bereich vorzuwärmen.
• Bei einem Kohlenstoffgehalt höher als 1,6 % ist der Werkstoff für autogenes Brennschneiden nicht mehr geeignet.

Unlegierter Baustahl und niedriglegierte Stähle wie beispielsweise Einsatzstähle und Vergütungsstähle lassen sich durch das autogene Brennschneiden problemlos trennen, da ihre chemische Zusammensetzung und ihrer Brennbarkeit ideal für das Verfahren sind.

Höhere Anteile von Chrom oder Molybdän können das Brennschneiden erheblich erschweren oder führen dazu, dass das Verfahren für das Trennen des Materials nicht geeignet ist.

Edelstahl nicht für Brennschneiden geeignet

Edelstahl ist dagegen bedingt durch seine Legierungszusammensetzung und einige Materialeigenschaften nicht gut für das Brennschneiden geeignet.

• Hoher Chromgehalt: Der Chromgehalt ist mit mehr als 10,5 % hoch. Chrom bildet dabei eine schützende Oxidschicht aus, die eine hohe Widerstandsfähigkeit aufweist. Dadurch wird das Aufheizen des Materials auf die erforderliche Zündtemperatur erschwert.
• Kohlenstoffgehalt: Brennschneiden basiert auf der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. Edelstahl hat oft einen eher niedrigen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,2 %. Dies erschwert im Fall von Edelstahl die für das Brennschneiden erforderliche Verbrennungsreaktion.
• Schmelztemperatur: Für das Brennschneiden muss die Zündtemperatur geringer als die Schmelztemperatur sein. Das Material kann sonst nicht brennen. Für Edelstahl ist diese Bedingung nicht erfüllt.
• Weitere Legierungselemente: Bestandteile der Legierung können im Edelstahl beim Brennschneiden unerwünschte Reaktionen hervorrufen. Dies beeinträchtigt die Qualität des Schnitts.

Kupfer nicht für Brennschneiden geeignet

Auch Kupfer kann mit Brennschneiden nicht bearbeitet werden. Grund dafür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Die Wärme würde sich beim Ansetzen des Schneidbrenners bei Kupfer in den gesamten Materialkörper ableiten und das Werkstück gleichmäßig – nicht nur auf die Schnittfuge beschränkt – erhitzen. Der tiefer liegende Werkstoff würde sich nicht mehr entzünden, damit könnte sich der Prozess nicht autogen fortsetzen und zum Stillstand kommen.

Ähnliches gilt allgemein für Nichteisenmetalle wie Aluminium oder Messing. Aufgrund ihrer niedrigen Schmelzpunkte und der hohen Wärmeleitfähigkeit können sie mit dem Brennschneiden nicht bearbeitet werden.

Spezielles Verfahren für Gusseisen

Aufgrund der Materialeigenschaften von Gusseisen ist beim Brennschneiden des Materials ein spezielles Verfahren erforderlich, das sogenannte Pulverbrennschneiden. Die Ursache dafür liegt im hohen Kohlenstoffgehalt und in der Bildung schwerflüssiger Oxide. Beides erschwert das normale Brennschneiden. Beim Pulverbrennschneiden bringt man in den Schneidsauerstoffstrahl Eisenpulver ein. Das Eisenpulver verbrennt, was jene zusätzliche Hitze erzeugt, die für das Schneiden von Gusseisen erforderlich ist. Zusätzlich hat das Metallpulver eine abrasive Wirkung und unterstützt so den Schneidvorgang, da es mit hohem Druck im Schneidsauerstoffstrahl eingeblasen wird.

Das Pulverbrennschneiden kann daher als ein Schmelzschneideverfahren klassifiziert werden, da das Eisenpulver die Schmelztemperatur des Materials erhöht. In puncto Sicherheit muss darauf geachtet werden, dass sowohl Funkenflug als auch hohe Temperaturen entstehen.

Qualität des Brennschnitts

Brennschneiden ist kostengünstig, hat jedoch Einschränkungen hinsichtlich der der Schnittqualität und der Materialauswahl. Mehrere Parameter beeinflussen die Qualität des Brennschnitts. Vor allem die Wahl des Brenngases ist wesentlich. In der Regel handelt es sich um ein Acetylen-Sauerstoff- oder Propan-Sauerstoff-Gemisch. Die sich aus der Wahl des Brenngases ergebende Flammentemperatur ist ausschlaggebend für die Schnittgeschwindigkeit. Ist die Flammentemperatur höher, so lässt sich die optimale Zündtemperatur bedeutend schneller erreichen. Entscheidend für einen sauberen und effizienten Brennschnitt ist eine hohe Sauerstoffreinheit.

Mit einer Flammenhöchsttemperaturen von 3160 °C sorgt das Acetylen-Sauerstoff-Gemisch für eine maximale Schnittgeschwindigkeit und damit geringere Brennschneidkosten. Außerdem sind bei der Autogentechnik hoher Sauerstoffdruck und ein optimaler Abstand zwischen Düse und Werkstück wesentlich für ein gute Schnittergebnis.

Im Vergleich zu Laserschneiden kann die Qualität der Schnittfuge rauer sein. Zudem können Anstichfahnen entstehen und die Wärmeeinflusszone ist relativ groß.

Kosteneffizienz von Brennschneiden

Brennschneiden ist ein Trennverfahren, das für eine Reihe von Anwendungen eine vorteilhafte Kosteneffizienz aufweist. Die Investitionskosten sind im Vergleich gering. Speziell für dicke Stahlplatten ist Brennschneiden eine hochwertige Option, da die Schneidtechnik bei dicken Materialien häufig effizienter und kostengünstiger als andere Verfahren ist. Brennschneiden ist außerdem flexibel im Einsatz, da die Ausrüstung meist tragbar ist und damit an verschiedenen Orten zum Einsatz kommen kann.

Die Kosten werden vor allem durch die folgenden Parameter beeinflusst:

• Materialkosten: Hinsichtlich der Materialkosten spielen die eingesetzten Gase eine wesentliche Rolle. Üblich sind Sauerstoff und Acetylen bzw. Propan.
• Schnittgeschwindigkeit: Die Produktionszeit und damit die Kosten wird maßgeblich von der Schnittgeschwindigkeit bestimmt.
• Materialstärke: Gasverbrauch und Schnittgeschwindigkeit hängen stark von der Dicke des zu schneidenden Materials ab.
• Schnittqualität: Unsaubere Schnitte erfordern Nachbearbeitungen, was die Kosten erhöht.
• Wartung: Ausfallzeiten und Reparaturkosten lassen sich durch regelmäßige Wartung der Anlage minimieren.
• Sicherheit: Entsprechende Sicherheitsvorkehrungen sind unverzichtbar. Eine sichere und unfallfreie Produktionsumgebung senkt die Kosten.

Druck beim Brennschneiden

Sowohl für das Brennschneiden von Hand als auch für maschinelles Brennschneiden kommen häufig Saugbrenner zum Einsatz, die über eine Druckdüse mit Mischrohr verfügen. In dem Mischrohr werden Acetylen und Heizsauerstoff gemischt und dann der Schneidedüse zugeführt werden. Auch gasmischende Düsen finden Verwendung. Hinsichtlich Druck bestimmen beim Brennschneiden das spezifisch gewählte Schneidverfahren, der zu bearbeitende Werkstoff und die Dicke des Materials die genauen Einstellungen für das Acetylen-Sauerstoff-Gemisch. Übliche Druckwerte liegen bei Standarddüsen für Sauerstoff zwischen 2 und 6 bar und entsprechend für Acetylen zwischen 0,5 und 1,5 bar.

Schneidedüsen lassen sich je nach eingesetztem Schneidsauerstoffdruck unterscheiden:

• Standarddüsen mit einem Schneidsauerstoffdruck von circa 6 bar
• Schnellschneiddüsen nutzen eineyn Schneidsauerstoffdruck von circa 8 bar
• Hochleistungsdüsen erreichen einen Schneidsauerstoffdruck von bis zu 12 bar

Bei Brennschneidgeräten ist die Pflege der Schneiddüsen wichtig. Die Reinigung sollte immer entsprechend der Angabe des Herstellers erfolgen. Wesentlich für gute Ergebnisse ist, der Schneiddüse für die gewählte Schneiddicke stets die erforderlichen Mengen an Acetylen und Schneidsauerstoff zuzuführen. Daher muss ein Druckverlust jedenfalls vermieden werden. Druckverluste können folgende Ursachen haben:

• Zu lange oder enge Schläuche
• Zu klein ausgelegte Absperrorgane und Druckminderer
• Nicht ausreichend gepflegte Laufbahn der Schneidmaschine
• Zu klein ausgelegte Sicherungen
• Falsche Laufgeschwindigkeit für Längs- und Querbewegung

Bei Verwendung eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches muss auch auf die richtige Einstellung der Flamme geachtet werden. Der Schneidsauerstoffstrahl sollte immer gerade und zylindrisch aus der Düse des Schneidbrenners strömen und keinesfalls flattern. Der Sauerstoffstrahl sollte von der Heizflamme konzentrisch umgeben werden. Tritt ein Acetylenüberschuss auf, dann merkt man dies aufgrund eines gelblichen Acetylenschleiers. Ein Sauerstoffüberschuss ist durch einen bläulichen Flammkegel gekennzeichnet, der im Verhältnis zum neutralen Kegel kürzer ist.

Autogenes Schneiden – Vor- und Nachteile im Vergleich

Autogenes Schneiden und Plasmaschneiden sind zwei bewährte und weit verbreitete thermische Schneidverfahren. Beide Verfahren haben spezifische Vor- und Nachteile. Vor allem das zu schneidende Material, die Materialstärke, die gewünschte Schnittqualität und die Kosten bestimmen die richtige Wahl des Bearbeitungsverfahrens.

Diese Vorteile zeichnen autogenes Schneiden aus:

• Schneiden dicker Materialien mit sehr hoher Qualität, insbesondere von Stahl. Es können im Extremfall sogar meterdicke Bleche geschnitten werden. Je nach Wahl des Brenners variiert dabei die maximal erreichbare Stärke des geschnittenen Materials.
• Das Verfahren ist wirtschaftlich. Die Kosten für Gerät und Verbrauchsmaterialien sind niedrig. Die Standzeiten der Schneiddüsen sind hoch. Brennschneiden ist ein kostengünstiges Trennverfahren, das insbesondere für dicke Materialien wirtschaftlich ist.
• Brennschneider sind meist mobil und flexibel in der Anwendung. Sowohl manuelles als auch automatisiertes Brennschneiden sind möglich. Bei manuellen Anwendungen ist das Verfahren unabhängig von der Stromversorgung

Dagegen stehen folgende Nachteile von Brennschneiden:

• Geringere Schnittgeschwindigkeit. Längere Durchbruchzeit.
• Der Wärmeeintrag ins Material ist höher. Das kann zu Verformungen führen.
• Einschränkung hinsichtlich der Materialien, da das Verfahren nur für kohlenstoffhaltige Stähle geeignet ist. Das Verfahren ist insbesondere nicht für hochlegierte Stähle und Aluminium geeignet. Stähle mit hohem Kohlenstoffanteil sind in der Regel problematisch.
• Sicherheitsvorkehrungen sind erforderlich, da mit brennbaren Gasen und hohen Temperaturen umgegangen wird. Es besteht grundsätzlich Brandgefahr und eine potenzielle Gefährdung durch Funkenflug liegt vor.
• Für das erforderliche Vorwärmen des Materials sind zusätzlich Zeit und Energie erforderlich.
• Der Automatisierungsgrad ist im Vergleich zu anderen Schneidverfahren geringer.

Plasmaschneiden zeichnet sich im Vergleich dazu durch folgende Vorteile aus:

• Hohe Schnittgeschwindigkeit.
• Der Wärmeeintrag ist geringer.
• Eignung für eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Materialien wie Stahl, Edelstahl oder Aluminium und nicht niedriglegierten Stählen.
• Eignung auch für Materialstärken unter 3 mm.
• Hohe Präzision und einfache Bedienung.

Die Nachteile von Plasmaschneiden sind vor allem:

• Höhere Kosten für Anschaffung und Betrieb.
• Die bearbeitbare Materialstärke ist begrenzt.
• Das Verfahren erzeugt UV-Strahlung und Lärm.

Wer darf Brennschneiden?

Brennschneiden ist ein Verfahren für das Schneiden dicker Stahlmaterialien, für das sowohl Sorgfalt als auch Fachkenntnisse erforderlich sind. Demzufolge müssen für die Ausführung dieser Tätigkeit bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein:

• Ausbildung mit Fachkenntnissen: Eine abgeschlossene Berufsausbildung im Bereich der Metallbearbeitung oder eine vergleichbare Qualifikation bildet die Grundlage. Eine spezielle Weiterbildung bzw. ein Lehrgang für das Brennschneiden ist nötig für den Erwerb der spezifischen Kenntnisse und Fertigkeiten.
• Gesundheitliche Eignung: Brennschneiden ist mit gesundheitlichen Risiken verbunden. Daher ist eine gute körperliche und geistige Verfassung notwendig. Dazu gehört eine normale Seh- und Hörfähigkeit ebenso wie die Fähigkeit, unter körperlich anstrengenden Bedingungen zu arbeiten.
• Sicherheitsvorschriften: Die geltenden Sicherheitsvorschriften müssen unbedingt eingehalten werden. Dies umfasst das Tragen der persönlichen Schutzausrüstung, den Schutz vor Hitze und Funken sowie den richtigen Umgang mit brennbaren Gasen.

Brennschneiden ist ein Trennverfahren, das Fachleuten vorbehalten ist, die über eine entsprechende Ausbildung, Erfahrung und gesundheitliche Eignung verfügen.