Thermisches Trennen

1 Thermisches Trennen


Unterteilung der thermischen Abtragvertahren nach DIN:

Thermisches Abtragen durch
festen
K├Ârper
Fl├╝ssigkeit
Gas
Strahl
Bewegung
elektr.
Strom

elektr. Gas -
entladung

Weitere Unterteilung:

Thermisches Abtragen durch elektr. Gasentladung

Plasma

Lichtbogen
Funken



Thermisches Abtragen durch Strahl



Lichtstrahl
ElektronenStrahl
Laserstrahl
Ionenstrahl






Einige dieser thermischen Abtrageverfahren sind auch thermische Schneidverfahren.

Als thermische Schneidverfahren werden in der Metallverarbeitung autogenes Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserstrahischneiden angewendet.

Hierbei wird angestrebt, Werkst├╝cke mit geringen Form - und Ma├čabweichungen zu fertigen.

Die Formabweichungen der Schnittfl├Ąche (dazu geh├Âren Rechtwinkligkeits - und Neigungstoleranz sowie die gemittelte Rauhtiefe - und die Ma├čabweichung der Schnittbreite und Schnittl├Ąnge) sollten so gering sein, dass geschnittene Werkst├╝cke ohne Nacharbeit zur Weiter - verwendung geeignet sind. Werkst├╝cke, f├╝r die eine mechanische Bearbeitung vorgesehen ist, werden mit einem entsprechenden Aufma├č hergestellt.


2 Brennschneiden


Brennschneiden z├Ąhlt neben Brennhobeln, Brennfugen (Fugenhobeln), Brennfl├Ąmmen), Brennbohren (Sauerstoffbohren) und Flammstrahlen zu den Verfahren der Autogen - Technik. Bei allen diesen Verfahren des autogenen Trennens wird Werkstoff unter Ausnutzung seiner Oxidationsw├Ąrme im zugef├╝hrten Sauerstoff verbrannt und abgetragen, oder das Werkst├╝ck wird durch Entfernen unerw├╝nschter Bel├Ąge gereinigt. Beim Brennschneiden werden die zu trennenden Stahlteile zun├Ąchst auf 10000C (Entz├╝ndungstemperatur) mit einer Heizflamme aus Brenngas - Sauerstoff vorgew├Ąrmt, dann mit Sauerstoff (Schneidsauerstoff) in Verbindung gebracht. Entsprechend der Breite des Schneidsauerstoffstrahles erfolgt eine Verbrennung. Die kinetische Energie der Brenngase schleudert Eisenoxid als Verbrennungsprodukt aus der Schnittfuge. Unlegierte St├Ąhle lassen sich bis 3 m Dicke schneiden. Bei legierten St├Ąhlen bestehen Schwierigkeiten mit dem Abtransport der Oxide der Legierungselemente, deshalb ist die Schneidbarkeit von Eisenlegierungen begrenzt. Umfangreiche Schneidarbeiten werden mit Brennschneidmaschinen ausgef├╝hrt deren Brennerf├╝hrung durch Handf├╝hrung oder maschinelle Steuerung erfolgen kann.



Das Brennschneiden als thermisches Trennverfahren ist sowohl ein physikalischer als auch ein chemischer Vorgang, der sich in vier Phasen abspielt:

1. Reaktion: Durch die Heizflamme wird der zu schneidende Werkstoff auf Z├╝ndtemperatur gebracht und so weit erw├Ąrmt, dass er bei Sauerstoffzuf├╝hrung unter Qxidbildung reagiert. Schmelzpunkt des Metalloxids muss dabei niedriger als der des Metalls sein, und die Oxidbildung soll mit gro├čer W├Ąrmeentwicklung verbunden sein.

2. Diffusion: Bei zunehmender Temperatur wandern immer mehr Atome, Ionen oder Molek├╝hle wechselseitig und lockern den Zusammenhang.

3. W├Ąrmetransport: Der Transport der W├Ąrme, die zugef├╝hrt werden soll, geschieht durch das Brenngas. Sie soll nicht gr├Â├čer als notwendig sein, damit die Erw├Ąrmungszone m├Âglichst klein bleibt.

4. Stofftransport; Er geschieht durch Wegblasen der Oxide mittels des Schneidsauerstoffes: Je d├╝nnfl├╝ssiger die Oxidschlacke ist, um so besser kann sie weggeblasen werden.

Die bei diesem Brennverfahren notwendige W├Ąrme wird erhalten
1. aus der Verbrennung des Brenngases (endothermer Vorgang) und
2. aus der Oxidation des Metallwerkstoffes in der Fuge (exothermer Vorgang).

Die freiwerdende Verbrennungsw├Ąrme gen├╝gt allerdings nicht, um die Entz├╝ndungstemperatur aufrecht zu erhalten, weil der Druckabfall des austretenden Sauerstoffstrahles von 15 Mpa (150 bar) in der Flasche auf ca. 0,5 MPa (5 bar) im Brenner die Anschnittkante zu sehr abk├╝hlen.Deshalb ist eine Vorw├Ąrmung, wie oben erw├Ąhnt, notwendig.


Der Brennschneidvorgang wird durch einen Strahl reinen Sauerstoffs eingeleitet aufrechterhalten, die Eisenoxid - Schlacke ist jedoch das schneidende ,,Werkzeug".






Die Verbrennungsw├Ąrme sp├╝lt den Werkstoff aus dem Material und bestimmt alle physikalischen und chemischen Vorg├Ąnge. Der Schneidstrahl - der als ├ťberschallstrahl durch die Fuge str├Âmt - ist Transportmittel f├╝r die Schlacke.

Die Brennschneidd├╝se ist das wichtigste Teil des Schneidger├Ątes und bestimmt Schneidrichtung, Schnittdicke und Schnittfl├Ącheng├╝te. Die Aufgabe der Heizd├╝se ist fast ebenso wichtig, ihre Energie, die Form und Art der Flammenaufteilung, der Abstand zum Schneidsauerstoff und zur Werkst├╝ckoberfl├Ąche beeinflussen den Schneidvorgang.





Brennschneidd├╝sen werden in zwei Gruppen eingeteilt:
- konzentrische D├╝sen f├╝r beliebige Schneidrichtungen, f├╝r maschinellen Brennschnitt erforderlich,


- hintereinanderliegende D├╝sen, f├╝r nur eine Schneidrichtung, f├╝r gerade oder schwach gekr├╝mmte Schnitte.



Eingesetzt werden:
- Blockd├╝sen (die Schneidd├╝senbohrung ist konzentrisch zu den Heizflammen einem K├Ârper fest angeordnet),
- zweiteilige D├╝sen mit konzentrisch angeordneten Heizflammenschlitzen oder - b einem gesonderten Heizd├╝senmantel, der die Schneidd├╝se umschlie├čt,
- Ringd├╝sen, bei denen die Heizgase aus einem Ringspalt zwischen beiden D├╝sen austreten (veraltet, nur noch beim Handschneiden eingesetzt),
- Stufend├╝sen, ein - oder zweiteilig, Heiz - und Schneidd├╝sen getrennt hintereinanderliegend angeordnet,
- Gase mischende D├╝sen.






Brenngas und Heizsauerstoff werden normalerweise gemischt der Heizd├╝se zugef├╝hrt. F├╝r Mehrbrenner - Schneid - maschinen, zum Lochstechen und f├╝r Warmschnitte sind jedoch Gase mischende Schneidd├╝sen erfo rder - lich, da diese v├Âllig r├╝ckschlagsicher und unempfindlich gegen Erw├Ąrmung sind. Die Gemischbildung von Brenn - gas - und Sauerstoff erfolgt erst in den Heizgasbohrungen der D├╝se. Erfolgt der Mischvorgang nach dem Austritt der Gase, also vor der D├╝se, so ist es eine au├čenmischende Schneidd├╝se, die vorwiegend in H├╝ttenbereichen und in der Grobblechverarbeitung bei geringen Qualit├Ątsanforderungen im Einsatz ist.

Vorteile der Gase mischenden D├╝sen sind: Stabilit├Ąt der Schneidflamme auch bei rauhesten Bedingungen, gro├čer Schneidbrennerabstand - etwa 60 mm - zum Werkst├╝ck, Erfordernis von nur drei D├╝sengr├Â├čen f├╝r den Bereich von 60 bis 1000 mm.



Voraussetzungen f├╝r einen sauberen Brennschnitt sind:

    Richtiger D├╝senabstand von der Schnittoberkante, sonst wird die Vorw├Ąrmflamme nicht wirksam, oder das Eisenoxid klebt hinter dem Schneidstrahl wieder zusammen, weil die Wucht des Strahles zu gering ist. Schneidd├╝sengr├Â├če entsprechend der Werkst├╝ckdicke. Sauberer Brenner, aus dem ein wirbelfreier Sauerstoffstrahl austreten kann. Richtiger Sauerstoffdruck, der von der zu schneidenden Werkst├╝ck - dicke abh├Ąngig ist. Vorw├Ąrmflamme dabei neutral. Richtige Schneidgeschwindigkeit, entweder gleich oder etwas geringer als die Vorw├Ąrmgeschwindigkeit.


2.1 Brenngase und Brenneraust├╝hrungen


Als Brenngase werden vorwiegend Acetylen oder Propan angewendet, danach folgen Wasserstoff, Ferngas (veraltete Benennungen sind; Leuchtgas, Stadigas) und Erdgas. Schneidbrenner und Brennerd├╝sen m├╝ssen f├╝r den Brenngastyp geeignet sein.

Anwendung: Autogenes Brennschneiden bei unlegierten und niedrig legierten St├Ąhlen von 2 - 400 mm, zum Trennen bis 3000 mm Dicke.


2.2 Verfahrensvarianten des Brennschneide



Das pulverbrennschneiden erweitert das autogene Brennschneiden auf h├Âher legierte St├Ąhle und Nichteisenmetalle.

Bei Werkstoffen, deren Schmelzpunkt tiefer als der des Qxids liegt (Schmelzpunkt des GG
1150 0C.. .1 3000C, Schmelzpunkt der GG - Qxidhaut ca. 1 4000C) oder bei Werkstoffen mit hochschmelzenden Chromoxiden, z.B. bei Chrom - Nickelst├Ąhlen, wird der Schneidvorgang durch Eisenpulverzugabe erm├Âglicht. Eisenpulver wird mittels Druckluft gesondert um die Heizd├╝se herum in den Schneidsauerstoff geblasen und verbrannt. Die erh├Âhte Verbrennungsw├Ąrme erreicht die Entz├╝ndungstemperatur und erzeugt nun d├╝nnfl├╝ssige Schlacke, die thermisch oder mechanisch aus der Schnittfuge herausgeblasen wird. Saubere, glatte Schnitte sind nicht m├Âglich, die Schnittfl├Ącheng├╝te ist geringer als G├╝te II.

Das Verfahren wird, wie erw├Ąhnt, bei Ohrom - Nickelst├Ąhlen, GG und Nickel angewendet. bedingt auch bei Aluminium, im Dickenbereich von 15 bis 600 mm, sowie bei feuerfesten Steinen und bei Beton.

Beim Sauerstoffbohren (Sauerstoffianze) wird durch ein Stahlrohr Sauerstoff geleitet, das zur Leistungssteigerung mit Eisendr├Ąhten gef├╝llt wird. Sobald das Stahlrohran einem Ende auf Entz├╝ndungstemperatur erhitzt ist, kann der dann durchstr├Âmende Sauerstoff die Verbrennung eingeleitet. Die Verbrennungsw├Ąrme bewirkt ├Ârtliches Aufschmelzen durch Aufsetzen des Rohres. GG und mineralische Stoffe wie Stein oder Beton k├Ânnen bearbeitet oder getrennt werden. Statt eingelegter Eisendr├Ąhte kann auch Eisenpulver verwendet werden. Da ohne Brenngas gearbeitet wird, kann der Schneidsauerstoff das Eisenpulver zum Rohrende blasen und dort verbrennen. Das Rohr wird dann nicht gegen das Werkst├╝ck gedr├╝ckt, so dass die Reaktionsw├Ąrme vorwiegen vom Eisenpulver erzeugt und die Nutzungsdauer des Rohres verl├Ąngert werden.

F├╝r das Brennfugen (Fugenhobeln) werden gesonderte Brenner und leicht gebogene Hobeld├╝sen ben├Âtigt. Durch verlangsamten Schneidsauerstoff - Austritt wird nur etwa 20 0/o Eisen verbrannt, vorwiegend also schmelzfl├╝ssiger Werkstoff weggeblasen. Das Brennfugen wird zum Vorbereiten von Schwei├čfugen, zum Wurzellage - Aus - fugen (Kapplageschwei├čen) oder zum Freilegen von Nahtfehlern eingesetzt.


Schneidbrenner mit gr├Â├čeren Schneidd├╝sen oder Schlitzd├╝sen werden zum Fl├Ąmmhobeln von Brammen, Stahl - bl├Âcken und Walzkn├╝ppeln eingesetzt, wenn die verzunderte oder fehlerhafte Oberfl├Ąchenschicht vor der Weiterverarbeitung l├Ąngsseitig in Walzrichtung entfernt werden muss. Bei h├Âherlegierten St├Ąhlen oder als Starthilfe beim Fl├Ąmmhobeln wird hierbei mit Eisenpulverzusatz gearbeitet.

Das KohIelichtbogen - Druckluftschnejden wird bei Baust├Ąhlen zur Nahtvorbereitung, besonders f├╝r U - f├Ârmige Schwei├čfugen, angewendet.

Das Sauerstoff - Lichtbogentrennen ist ein junges Verfahren. Wie beim MSG - Schwei├čen brennt der Lichtbogen zwischen der Drahtelektrode und dem zu trennenden Werkst├╝ck, wobei ein koaxialer Schneidsauerstoffstrahl von einem abschirmenden H├╝llstrahl umgeben ist. Die Drahtelektrode schmilzt im Spr├╝hlichtbogen ab, dieser Werkstoff verbrennt zusammen mit dem zu trennenden Werkstoff durch den Schneidsauerstoff und wird nun als Schlacke aus der Schnittfuge geblasen Eisenwerkstoffe bis 80 mm Dicke k├Ânnen mit Schneidgeschwindigkeiten>50 mm/min geschnitten werden.


3 Plasmaschneiden



Mit dem Plasmaschmelzschneidverfahren k├Ânnen alle elektrisch leiff├Ąhigen Metalle geschnitten werden. Haupts├Ąchlich schlie├čt es neben dem Lasersch neiden die L├╝cke der Schneidverfahren f├╝r Metalle, die nicht autogen brennschneidbar sind.


3.1 Verfahrensbeschreibung



Zwischen einer nichtabschmelzenden Flektrode (meist aus Wolfram) und dem Werkst├╝ck entsteht durch zugef├╝hrte Energie ein eingeschn├╝rter, ├╝bertragener Lichtbogen.

Es sind auch Plasma - Anlagen mit nicht├╝bertragenem Lichtbogen im Einsatz. In diesem Lichtbogen werden einatomige Gase (Argon) oder Gasgemische (z.B. aus 35 % Argon, 65 % Wasserstoff) ionisiert, mehratomige Gase (wie Stickstoff) dissoziiert. Zunehmend im unteren Leistungsbereich wird auch Druckluft angewendet.

Im Lichtbogenbereich bilden diese Gase einen Plasmastrahl von hoher Temperatur mit gro├čer kinetischer Energie. Der Werkstoff schmilzt, die Strahlenenergie dr├╝ckt den fl├╝ssigen Werkstoff aus der entstehenden Schnittfuge. Bei 18 000 bis 25 000 K wird das Metall rasch aufgeschmolzen. Die W├Ąrmeableitung in die Schnittflanken ist gering, da mit hohen Schneidgeschwindig gearbeitet werden kann, der Verzug ist gering.

Beim Wasser - Plasmaschneiden erfolgt - abweichend von der ├╝blichen Plasmaschmelztechnik - zus├Ątzlich radiales Einspritzen von Wasser (ca. 3 Umin) in den Plasmastrahl.

Durch die radiale Wasserbewegung bildet sich ein einseitig intensiver wirkendes Plasma, so dass der Schnitt auf der einen Seite fast senkrecht ausf├Ąllt, auf der anderen Seite aber bis zu 10┬░ von dieser ldealform abweicht (Gut - Schlecht - Seite).

Der frei gesetzte Sauerstoff des Wassers bewirkt besonders hohen Energiegehalt des Plasmastrahls und schlackenfreie Schnittfl├Ąchen und Schnittunterkanten. Entstehende Metalld├Ąmpfe und Schneidst├Ąube werden durch das nicht verdampfte Wasser mitgerissen. Zugleich wird der L├Ąrm um etwa 15dB (A) verringert. Auch die gesundheitssch├Ądlichen Reizgase Ozon, Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid werden im Wassernebel gr├Â├čtenteils gebunden. Dar├╝berhinaus l├Ąsst sich erhebliche Umweltentlastung dadurch erreichen, dass 10 cm bis 20 cm ├╝ber einem Wasserbad geschnitten wird.

Eine starke Ger├Ąuschentwicklung entsteht durch die hohe Ausstr├Âmgeschwindigkeit der Plasmagase. Dar├╝ber hinaus wachsen die Ger├Ąusche mit zunehmender Stromst├Ąrke an.

Bei Anwendung von Stickstoff als Schneidgas wird mit einer Wolframelektrode gearbeitet. Bei
Anwendung von Druckluft ist zur Bildung eines stabileren Brennflecks die Elektrode mit Zirkonium
oder Hafnium beschichtet. Von der Druckluft mitgerissene, aus dem Druckluftsystem stammenden
Wassertr├Âpfchen verursachen Elektrodenverschlei├č. Daher m├╝ssen Mikrofilter verwendet werden.





















3.2 Anwendung


Bei allen schmelzschneidbaren Metallen. Das Verfahren wird vielfach bei nicht brennschneidgeeigneten Metallen von 1,5 bis etwa 120 mm eingesetzt. Bei Chrom - Nickelst├Ąhlen liegt die Anwendbarkeitsgrenze z.Zt. bei 200 mm. Anwendung erfolgt auch bei unlegierten und niedriglegierten St├Ąhlen bis 15 mm Dicke. Bei Vernachl├Ąssigung der Schnittg├╝te ist das Plasmaschneiden bis 25 mm Werkst├╝ckdicke anderen thermischen Trennverfahren ├╝berlegen. ,,Gut - SchIecht - Seite" erfordert sog. Gitterfertigung.


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