Beim Brennschneiden und Laserbrennschneiden handelt es sich um Prozesse zum Trennen verschiedener Werkstoffe. Beide erhitzen das Schnittgut zunächst, bevor sie es mit einem Sauerstoffstrahl verbrennen. Der Gasstrahl bläst die Schlacke aus und es entsteht ein Schnittpunkt oder eine Schnittfuge mit vergleichsweise hoher Qualität. Doch wie funktioniert das genau? Welche Voraussetzungen müssen für das Brennschneiden oder das Laserbrennschneiden erfüllt sein und welche Vorteile haben die Verfahren? Gasido.de gibt einen Überblick und zeigt, welche Gase und Gasqualitäten Sie dabei benötigen.
Die Themen im Überblick
- Die Grundprinzipien einfach erklärt
- Voraussetzungen und Einsatzfelder
- Die Vorteile des Brennschneidens
- Arbeitstechnik beim Brennschneiden: Ablauf einfach erklärt
- Schneidtabellen für die optimale Einstellung des Schneidbrenners
- Die wichtigsten Brenn- und Schneidgase für das Brennschneiden
- FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Brennschneiden
So funktioniert es: Brennschneiden und Laserbrennschneiden erklärt
Wie einleitend beschrieben, handelt es sich sowohl beim Brennschneiden als auch beim Laserbrennschneiden um weitverbreitete Trennverfahren. Um Metalle oder andere Werkstoffe zu bearbeiten, erwärmen sie diese in einem ersten Schritt. Brennschneidgeräte setzen dazu auf eine Heizflamme, die sich mit einem Brenngas-Sauerstoff-Gemisch aufrechterhalten lässt. Anders bei Laserbrennschneidern: Diese nutzen anstelle der Heizflamme einen energiereichen Laserstrahl, um zu bearbeitende Werkstücke punktgenau auf Zündtemperatur zu bringen. Ist diese erreicht, geben beide Geräte Sauerstoff hinzu. Die zu bearbeitenden Materialien verbrennen dabei und der Gasstrahl drängt die Überreste (bei Stahl, Eisenoxid oder Schlacke) aus der Schnittfuge heraus.
Wichtig zu wissen:
Damit das Brennschneiden oder das Laserbrennschneiden infrage kommt, muss die Zündtemperatur eines Materials unter seiner Schmelztemperatur liegen. Der Fall ist das beispielsweise bei vielen Stählen, die sich mit einem der Trennverfahren bearbeiten lassen.
Mechanische sowie automatisierte Anlagen verfügbar
In der Praxis kommen heute überwiegend automatisierte Schneidmaschinen zum Einsatz. Diese sorgen für genaue Schnitte und eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit. Hand-Brennschneidgeräte eignen sich hingegen für einfache Trennschnitte ohne größere Anforderungen. Diese lassen sich bei verschiedenen Materialstärken schnell anfertigen. Ein besonderer Vorteil des manuellen Hand-Brennschneidens ist dabei, dass es sich auch unabhängig von einer Stromquelle umsetzen lässt. Nötig sind neben dem Schneidbrenner dazu lediglich Gasflaschen für das Brenn- und das Schneidgas.
Voraussetzungen und bearbeitbare Materialien in der Übersicht
Damit sich ein Material brennschneiden lässt, muss es eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen. Die folgende Übersicht zeigt, welche das sind:
- Das Material muss mit Sauerstoff brennbar sein, um es nach dem Erreichen der Zündtemperatur auch verbrennen und entsprechend trennen zu können.
- Die Wärmeleitfähigkeit muss gering sein, um die Schmelztemperatur zu erreichen. Andernfalls würde die eingebrachte Wärme schnell abströmen. Das Material käme nicht auf die benötigte Temperatur und ließe sich folglich auch nicht verbrennen.
- Die Zündtemperatur muss unter der Schmelztemperatur liegen. Andernfalls würde der Werkstoff beim Erwärmen abschmelzen, bevor die Verbrennung einsetzen kann. Das hätte eine unsaubere Schmelztrennstelle zur Folge.
- Die Oxidschmelztemperatur muss klein sein, damit die entstehende Schlacke durch den Schneidbrenner ausgeblasen werden kann und nicht an der Schnittkante aushärtet.
Erfüllt ein Werkstoff diese Vorgaben, lässt er sich sehr gut mit einem Brennschneider bearbeiten. Der Fall ist das zum Beispiel bei unlegiertem Stahl, niedriglegiertem Stahl, Stahlguss und Titan.
Bei legierten Stählen entscheidet der Grad der Legierung
Handelt es sich um einen legierten Stahl, entscheidet in der Regel der Anteil der Legierungselemente, ob das Material brennschneidbar ist. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick und zeigt typische Legierungselemente und deren maximale Konzentration.
| Legierungselemente | Maximaler Anteil zum Brennschneiden |
|---|---|
| Kohlenstoff (C) | 2 % |
| Silizium (Si) | 2,5 % (bei einem C-Anteil von max. 0,2%) |
| Mangan (Mn) | 13 % (bei einem C-Anteil von max. 1,3 %) |
| Chrom (Cr) | 2,2 % (bei einem C-Anteil von max. 2,0 %) |
| Nickel (Ni) | 5 % (bei einem C-Anteil von max. 2,0 %) |
| Kupfer (Cu) | 0,7 % (bei einem C-Anteil von max. 2,0 %) |
| Wolfram (W) | 10 % (bei einem C-Anteil von max. 0,8 %) |
| Molybdän (Mo) | 2,2 % (bei einem C-Anteil von max. 2,0 %) |
| Aluminium | keine Probleme bei üblichen Anteilen |
Nicht brennschneidbar sind hingegen hochlegierte Stähle sowie Werkstücke aus Gusseisen, Edelstahl, Aluminium oder nicht brennbaren Materialien.
Wichtig zu wissen:
Bei starken Blechen und bestimmten Stählen kann es sich lohnen, auch eine Vorwärmung zu nutzen. Dabei bringen Sie das Metall schon vorher auf eine höhere Temperatur, um die vom Brennschneider zu überwindende Differenz zu reduzieren.
Die wichtigsten Vorteile des Brennschneidens im Überblick
Auch wenn Materialien für Brennschneider eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen müssen, hat das Trennverfahren als solches doch zahlreiche Vorteile. Allen voran steht die hohe Wirtschaftlichkeit. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist vergleichsweise hoch und die Schnittqualität lässt sich als gut bezeichnen. Das heißt: Bei optimaler Einstellung der Schneidparameter sind kaum Nacharbeiten nötig. Hinzu kommen folgende Vorteile:
- universelles Verfahren für viele Metalle
- hohe Materialstärken schneidbar
- geringe Anfangsinvestitionskosten
- unabhängig von Stromversorgung (Hand-Brennschneiden)
- hohe Automatisierungsgrade möglich
Arbeitstechnik beim Brennschneiden: Ablauf einfach erklärt
Geht es um die Arbeitstechnik, ist die theoretische Funktionsweise mit dem sogenannten Lochstechen praktisch umzusetzen. Dabei erhitzen und trennen Brennschneider zunächst einen kleinen Bereich des Werkstücks, um diesen anschließend mit der Zugabe von Sauerstoff zu durchtrennen. Das verbrennende Material erhitzt dabei den Stahl in Schnittrichtung, sodass eine kontinuierliche Metallbearbeitung möglich ist. Realisieren lässt sich das manuell von Hand, mit einer handgesteuerten Maschine oder mit einer sogenannten Lochstechautomatik, wie die folgende Übersicht zeigt.
- Manuell von Hand Lochstechen: Hierbei erwärmen Sie den Werkstoff zunächst, bevor Sie Schneidsauerstoff zugeben. Es kommt zum Durchstich und sie können den Brenner langsam in Schnittrichtung bewegen.
- Von Hand gesteuerte Maschine: Dieses Verfahren gleicht dem ersten. Allerdings bewegen Sie den Brenner nicht allein, sondern schalten den Vorschub der Schneidmaschine ein, wenn Sie die Schneidflamme aktiviert haben.
- Einsatz einer Lochstechautomatik: Hier übernimmt eine Brennschneidmaschine vorher einprogrammierte Aufgaben vollständig allein. Während des Schneidvorgangs ist dabei kein manuelles Zutun erforderlich.
In allen Bereichen kann der Brennschneidvorgang immer genau dann beginnen, wenn das Werkstück seine Zündtemperatur erreicht hat. Erkennen lässt sich das daran, dass der Stahl rot-orange glüht und Funken schlägt.
Unser Tipp:
Für eine hohe Schnittqualität sind einige Punkte zu beachten. Neben den im folgenden Abschnitt vorgestellten Schneidparametern kommt es dabei auch auf die richtige Schnittführung an. Achten Sie dabei darauf, dass:
- Innenausschnitte zuerst geschnitten werden
- der Abfall beim Brennschneiden immer abwandern kann
- auszuschneidende Bauteile möglichst lange an der Grundplatte hängen
Halten Sie sich an diese Vorgaben, verhindern Sie weitestgehend, dass sich das Werkstück merklich verzieht.
Schneidparameter beeinflussen die Schnittqualität unmittelbar
Wie gut das Ergebnis beim Brennschneiden ausfällt, hängt von zahlreichen Parametern ab. Wichtig ist dabei unter anderem die Schnittgeschwindigkeit. Aber auch die Gaszusammensetzung und der Gasdruck beeinflussen die Beschaffenheit der Schnittkante erheblich. Die folgende Tabelle zeigt wichtigsten Parameter in der Übersicht.
| Brennschneiden: Parameter | Auswirkung |
|---|---|
| Gaszusammensetzung | Wichtig ist eine neutrale und optimal brennendere Flamme. Die Einstellung hängt dabei von den verwendeten Brenngasen und den eingesetzten Materialien ab. Manchmal kann es zum Beispiel nötig sein, mit einem geringen Brenngasüberschuss zu arbeiten. |
| Gasdruck | Der Gasdruck wirkt sich auf die Flammgröße und damit auf die Menge der eingebrachten Energie aus. Entscheidend für die richtige Einstellung sind das zu bearbeitende Material und dessen Stärke. Bringen Sie zu viel Wärme ein (Flamme zu groß) kommt es zur Kanteneinschmelzung und das Ergebnis ist nicht optimal. Bei zu geringem Druck (zu kleine Flamme) erreicht das Werkstück die Zündtemperatur unter Umständen nicht. |
| Vorwärmzeit | Hier verhält es sich ähnlich wie beim Gasdruck. Ist die Vorwärmezeit zu gering, erreicht das Werkstück die Zündtemperatur nicht und es kommt zu einem unterbrochenen Schnitt. Bei einer zu langen Vorwärmzeit erhitzt sich das Material hingegen zu stark. Das führt zu einer größeren Rillentiefe und der erwähnten Kanteneinschmelzung. |
| Schnittgeschwindigkeit | Je nach Werkstück und Blechstärke unterscheidet sich auch die Schnittqualität. Ist diese zu langsam, geht zu viel Wärme auf das Material über und die Qualität sinkt. Bei einer zu hohen Geschwindigkeit fällt der Wärmeeintrag hingegen zu gering aus, sodass der Sauerstoffstrahl keine Verbrennung mehr herbeiführt. Die Folge ist ein unterbrochener Schnitt. |
| Brennerabstand | Der Brennerabstand beeinflusst die Wärmeübertragung zwischen Flamme und Material. Sie ist bei zu großen Abständen zu gering und führt zu unterbrochenen Schnitten. Zu niedrig eingestellte Brenner übertragen hingegen zu viel Wärme, was wiederum mit einer schlechten Schnittqualität einhergeht. |
Um eine hohe Schnittqualität zu erreichen, kommt es also immer auf einen optimalen Energieeintrag an. Um diesen sicherzustellen, sind alle Parameter auf sich und auf das Werkstück selbst anzupassen. Dabei kann die Vorwärmzeit beispielsweise geringer ausfallen, wenn die Flamme durch das eingesetzte Brenngas sehr heiß brennt. Ist das Werkstück sehr stark, benötigen Sie beim Brennschneiden mehr Wärme, was wiederum eine längere Vorwärmzeit, einen höheren Gasdruck oder eine langsamere Arbeitsgeschwindigkeit zur Folge hat.
Wichtig zu wissen:
Da beim Brennschneiden und beim Laserbrennschneiden alle Parameter direkt zusammenhängen, sind sie immer im Einklang miteinander zu verändern. Hilfreich sind dabei Schneidtabellen, aus den die wichtigsten Einstellwerte für verschiedene Materialien und Materialstärken hervorgehen.
Schneidtabellen für die optimale Einstellung des Schneidbrenners
Welchen Druck Gase haben sollten, welche Düse zum Einsatz kommt, welcher Abstand zwischen Brenner und Werkstück nötig ist: All das beeinflusst die Schnittqualität beim Brennschneiden. Um die Parameter richtig zu wählen, geben Hersteller passend zu ihren Schneidbrennern sogenannte Schneidtabellen aus. Diese enthalten Einstellwerte für die wichtigsten Parameter, passend zum Werkstück und dessen Stärke. Die Schneidtabellen ermöglichen es damit, Schneidbrenner ohne langes Herumprobieren günstig einzustellen. Sie sparen viel Zeit und sorgen für eine hohe Qualität.
Neben den Vorgaben aus einer Schneidtabelle für den jeweiligen Brennschneider helfen auch einige Daumenwerte dabei, Flamme und Schneidbrenner richtig einzustellen. Die wichtigsten haben wir hier zusammengefasst:
- Schneidsauerstoffstrahl gerade, zylindrisch und ohne Flattern einstellen
- Schneidsauerstoffdruck liegt bei 3 bis 3,5 bar (je nach Brenner und Düse)
- Neutrale Heizflamme einstellen (scharf abgegrenzter Flammkegel)
- Heizflamme umgibt Sauerstoffstrahl im besten Falle konzentrisch
- 2 bis 5 mm Abstand zwischen Kegelspitze und Werkstück
Wichtig zu wissen:
Mit den Tipps ist es möglich, den Schneidbrenner grob einzustellen. In jedem Fall sind aber auch die Herstellerangaben bzw. die jeweiligen Schneidtabellen zu beachten.
Die wichtigsten Brenn- und Schneidgase für das Brennschneiden
Damit sich Werkstücke mit einem automatischen oder manuellen Schneidbrenner bearbeiten lassen, sind verschiedene Gase erforderlich. In der Regel handelt es sich dabei um ein Brenn- und ein Schneidgas. Während ersteres für die Heizflamme nötig ist, oxidiert das Schneidgas das Werkstück beim Trennen.
Typische Brenngase und ihre Eigenschaften im Vergleich
Hier kommen bekannte Brenngase wie Acetylen, Propan, Methan (Erdgas) oder auch Ethylen zum Einsatz. Unterschiede ergeben sich dabei zum einen in der Verfügbarkeit (auch Gasversorgung vor Ort) und im Preis. Zum anderen aber auch in der Flammentemperatur und Zünd- bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit.
Weit verbreitet ist dabei Acetylen zum Brennschneiden:
- Das Gas ermöglicht eine hohe Flammentemperatur und damit auch eine hohe Schneidleistung. Der Gasverbrauch ist allerdings relativ hoch, wodurch bei längeren Einsatzzeiten an eine optimale Gasversorgung zu denken ist. Realisieren lässt sich diese beispielsweise mit gekoppelten Gasflaschen oder Gasflaschenbündeln.
Interessant ist auch Propan zum Brennschneiden:
- Das Gas sorgt jedoch für eine geringere Flammentemperatur und eine verminderte Schneidleistung. Hinzu kommt, dass die Anwärmzeiten länger ausfallen und der Sauerstoffverbrauch steigt. Propan (Flüssiggas) lässt sich aber in flüssiger Form bevorraten und ist daher häufig in größerem Mengen verfügbar. Gleiches gilt für Erdgas aus öffentlichen Leitungen.
Unser Tipp:
Wichtige Informationen zur Auswahl der Gase geben die Herstellerunterlagen der Geräte zum Brennschneiden und Laserbrennschneiden. Achten Sie dabei darauf, bei einer Änderung des Gases oder des Gasdrucks auch die Düse am Brennschneider zu tauschen.
Sauerstoff fördert die Heizflamme und verbrennt das Werkstück
Neben den Brenngasen ist auch ein Schneidgas erforderlich. Infrage kommt dabei Sauerstoff zum Brennschneiden, der die Heizflamme unterstützt und das Metall verbrennt. Eine weitere Aufgabe des Gases ist es, die Verbrennungsrückstände (Schlacke oder Oxide) aus der Schnittfuge zu blasen. Für eine gute Qualität genügt in der Regel Sauerstoff 2.5 mit einer Reinheit von 99,5 Vol.-Prozent. Setzen Sie hingegen Sauerstoff 3.5 (Reinheit 99,95 Vol. Prozent) ein, steigt neben der Schneidgeschwindigkeit auch die Schnittqualität.
Übrigens:
Beim Laserbrennschneiden kommt nur Sauerstoff zum Einsatz, da der Laserstrahl die Heizflamme ersetzt. Wichtig zu wissen ist dabei, dass das Gas die Leistung des Lasers in der Regel um den Faktor fünf verstärkt. Die Laserleistung fällt dadurch beim Laserbrennschneiden üblicherweise geringer aus als beim Laserschmelzschneiden.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Brennschneiden
Was ist Brennschneiden und wie funktioniert es?
Beim Brennschneiden handelt es sich um ein Trennverfahren, mit dem überwiegend un- sowie niedriglegierte Stähle zu bearbeiten sind. Es nutzt eine Heizflamme, um den Werkstoff auf Zündtemperatur zur zu bringen. Ist diese erreicht, verbrennt ein Sauerstoffstrahl das Material, bevor er die Überreste aus der Schnittfuge bläst. Vom autogenen Brennschneiden ist die Rede, da die bei der Verbrennung frei werdende Wärme das umliegende Material erwärmt. Kommt das Laserbrennschneiden zum Einsatz, ersetzt ein Laserstrahl die Heizflamme.
Welche Einsatzbereiche gibt es beim Brennschneiden?
Damit das Brennschneiden oder Laserbrennschneiden als Trennverfahren infrage kommt, sollte das zu bearbeitende Material mit Sauerstoff brennbar sein. Die Wärmeleitfähigkeit muss gering und die Zündtemperatur muss unter der Schmelztemperatur liegen. Wichtig ist außerdem, dass die Oxidschmelztemperatur klein genug ist. In der Regel erfüllen un- sowie niedriglegierte Stähle diese Vorgaben. Gleiches gilt für Stahlguss und Titan.
Wo liegen die Vorteile des Trennverfahrens?
Das Verfahren ist wirtschaftlich und für viele Materialien einsetzbar. Es ermöglicht eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und ergibt eine gute Schnittqualität (kaum Nacharbeiten nötig). Von Vorteil ist außerdem, dass sich das Brennschneiden für hohe Materialstärken eignet. Es kommt ohne hohe Anfangsinvestitionen aus und lässt sich manuell auch unabhängig von der örtlichen Stromversorgung anwenden.
Welche Gase benötige ich zum Brennschneiden?
Grundsätzlich sind Brenn- und Schneidgase erforderlich. Erstere ermöglichen das Ausbilden einer Heizflamme. Dafür kommen unter anderem Acetylen, Propan, Methan oder Ethylen infrage. Das Schneidgas verbrennt den vorgewärmten Werkstoff. Zum Einsatz kommt dabei Sauerstoff 2.5. Wählen Sie reineren Sauerstoff 3.5, sorgen Sie für eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit und -qualität. Beim Laserbrennschneiden ist nur Sauerstoff als Schneidgas erforderlich.
Wie sorge ich mit Brennschneidern für eine hohe Qualität?
Für eine hohe Qualität sind die Schneidparameter richtig auszuwählen. Neben der Art der Gase und deren Zusammensetzung gehört dazu auch der Gasdruck. Weitere Parameter sind die Arbeitsgeschwindigkeit, der Brennerabstand und die Vorwärmzeit. All diese Einstellwerte hängen voneinander und von der Beschaffenheit des Werkstücks (Art, Stärke etc.) ab. Hinweise für die richtige Einstellung geben die Schneidtabellen der Hersteller.
Was ist der Unterschied zwischen Brennschneiden und Laserbrennschneiden?
Der größte Unterschied zwischen dem Brennschneiden und dem Laserbrennschneiden ist die Art, in der Anlagen die Materialien vor dem Trennen erwärmen. Während das beim Brennschneiden mit einer Heizflamme (Brenngas-Sauerstoff-Gemisch) geschieht, sorgt ein Laserstrahl beim Laserbrennschneiden für die nötige Temperatur.
