Oxyfuel-Schneiden erklärt: Prozess, Vor- & Nachteile

Was ist Oxyfuel-Schneiden?

Oxyfuel-Schweißen und Oxyfuel-Schneiden sind Verfahren, die Brenngase (oder flüssige Brennstoffe wie Benzin) und Sauerstoff zum Schweißen oder Schneiden von Metallen nutzen. Die französischen Ingenieure Edmond Fouché und Charles Picard entwickelten 1903 als Erste das Sauerstoff-Acetylen-Schweißen.

Reiner Sauerstoff statt Luft wird verwendet, um die Flammentemperatur zu erhöhen und lokalisiertes Schmelzen des Werkstückmaterials (z. B. Stahl) in normaler Umgebung zu ermöglichen.

Eine übliche Propan/Luft-Flamme brennt bei ca. 1.980 °C (3.590 °F), eine Propan/Sauerstoff-Flamme bei ca. 2.253 °C (4.087 °F), eine Oxywasserstoff-Flamme bei 2.800 °C (5.072 °F) und eine Acetylen/Sauerstoff-Flamme bei ca. 3.500 °C (6.332 °F).

Vor dem Schneiden muss der Schneidbrenner den Stahl am Startpunkt auf Zündtemperatur vorheizen. Bei dieser Temperatur von ca. 960 °C (je nach Legierung) hat der Stahl seine Schutzfunktion gegen Sauerstoff verloren, ist aber noch fest.

Reiner Sauerstoff wird dann durch die Düse auf den erhitzten Bereich geleitet. Dieser feine, hochdruckige Sauerstoffstrom verwandelt vorgewärmten, ungeschützten Stahl durch eine exotherme Reaktion in oxidierten flüssigen Stahl.

Diese Schlacke hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl, sodass der Sauerstoffstrom die flüssige Schlacke aus der Kerbe blasen kann, ohne das nicht oxidierte, feste Stahl zu beeinträchtigen. Diese exotherme Reaktion ist ein kontinuierlicher Prozess und erzeugt einen Schnitt, während der Brenner sich bewegt. Um die exotherme Reaktion aufrechtzuerhalten, hält der Schneidbrenner den Stahl während des Schneidens heiß.

Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall selbst haben, können mit diesem Verfahren geschnitten werden. Andernfalls beendet das Metall die Oxidation sofort durch Bildung einer schützenden Kruste, sobald es oxidiert. Nur Baustahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen diese Bedingungen und können effektiv mit dem Oxyfuel-Verfahren geschnitten werden.

Wie funktioniert der Oxyfuel-Schneidprozess?

Oxyfuel-Schneiden ist eine chemische Reaktion zwischen reinem Sauerstoff und Stahl zur Bildung von Eisenoxid. Man kann es als schnelles, kontrolliertes Rosten beschreiben. Vorwärmflammen heben die Oberfläche oder Kante des Stahls auf ca. 980 °C (hellrotes Glühen).

Reiner Sauerstoff wird dann in einem feinen, hochdruckigen Strahl auf den erhitzten Bereich gerichtet. Während der Stahl oxidiert und weggesprengt wird, um eine Kerbe zu bilden, werden Vorwärmflammen und Sauerstoffstrom mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, um einen kontinuierlichen Schnitt zu erzeugen.

Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall haben, können mit diesem Verfahren geschnitten werden. Andernfalls bildet das Metall beim Oxidieren eine schützende Kruste und stoppt die Oxidation. Nur niedriglegierter Stahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen diese Bedingung und können effektiv mit Oxyfuel geschnitten werden.

Hier sind die Grundlagen, wie es funktioniert:

Schritt 1: Vorwärmen

Bevor Sie mit dem Schneiden beginnen können, muss der Stahl auf seine Entzündungstemperatur von ca. 980 °C erhitzt werden. Bei dieser Temperatur reagiert der Stahl bereitwillig mit Sauerstoff. Die Hitze wird durch die Vorwärmflammen eines Oxyfuel-Brenners bereitgestellt. Im Brenner wird das Brenngas mit Sauerstoff gemischt, um ein hochentzündliches Gemisch zu erzeugen.

Eine Düse hat mehrere Löcher in kreisförmiger Anordnung, um das brennbare Gasgemisch in mehrere kleine Strahlen zu fokussieren. Das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wird außerhalb der Düse gezündet, und die Vorwärmflammen bilden sich direkt außerhalb der Düsenspitze.

Häufig verwendete Brenngase sind Acetylen, Propan, Erdgas und einige andere Gemische. Durch Anpassen des Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnisses wird die Flamme so eingestellt, dass sie die höchstmögliche Temperatur im kleinstmöglichen Flammenbereich erzeugt. Dies konzentriert die Hitze auf einen kleinen Bereich der Stahloberfläche.

Schritt 2: Durchbrennen (Piercing)

Sobald die Oberfläche oder Kante des Blechs die Entzündungstemperatur erreicht hat, wird ein Strahl reinen Sauerstoffs eingeschaltet, um durch das Blech zu brennen. Dies wird „Schneidsauerstoff“ genannt, und der Strahl wird durch eine einzelne Bohrung in der Mitte der Düse gebildet.

Wenn der Schneidsauerstoffstrahl auf den vorgeheizten Stahl trifft, beginnt der schnelle Oxidationsprozess. Hier beginnt der eigentliche Spaß. Der Oxidationsprozess wird als exotherme Reaktion bezeichnet – er gibt mehr Wärme ab, als für seinen Start nötig ist.

Der oxidierte Stahl nimmt die Form von flüssiger Schlacke an, und die flüssige Schlacke muss aus dem Weg, damit der Sauerstoffstrahl „durchbrennen“ kann. Je nach Blechdicke kann dies von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu mehreren Sekunden dauern.

Während dieser Zeit dringt der Schneidsauerstoffstrahl immer tiefer in das Blech ein, und die flüssige Schlacke wird aus dem Durchbruchsloch herausgeblasen. Dies kann zu einem massiven Geysir aus flüssigem Stahl führen oder, wenn es richtig gemacht wird, zu einer kleinen Schlackenpfütze auf dem Blech.

Schritt 3: Schneiden

Sobald der Schneidsauerstoffstrahl vollständig durch das Blech gedrungen ist, kann der Brenner mit konstanter Geschwindigkeit fahren und einen kontinuierlichen Schnitt bilden. Die in dieser Phase gebildete flüssige Schlacke wird durch die Unterseite des Blechs herausgeblasen.

Die durch die chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Stahl abgegebene Hitze wärmt das Blech direkt vor dem Schnitt vor, aber nicht zuverlässig genug, um ohne Vorwärmflammen zu schneiden. Daher bleiben die Vorwärmflammen während des gesamten Schnitts an und fügen Hitze hinzu, während sich der Brenner bewegt.

Das sind die Grundlagen. Aber es gibt viele weitere Faktoren, die die Schnittkantenqualität beeinflussen, darunter Geschwindigkeit, Schneidsauerstoffdruck, Vorwärmflammeneinstellung, Schneidhöhe, Blechtemperatur usw.

Merkmale von Oxyfuel im Vergleich zu Plasma

• Material. Oxyfuel-Schneiden wird für Baustahl verwendet. Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall haben, können geschnitten werden. Andernfalls bildet das Metall beim Oxidieren eine schützende Kruste. Nur Baustahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen diese Bedingungen.
• Wanddicke. Oxyfuel ermöglicht das Schneiden dickerer Wände als Plasma. Plasma kann keine dickeren Wände schneiden, wegen der enormen Energiemengen, die für ähnliche Dicken nötig wären.
• Schneidwinkel. Oxyfuel ermöglicht das Schneiden steilerer Winkel bis zu 70° (im Vergleich zu 45° bei Plasma) wegen der Konzentration des Sauerstoffstrahls.
• Gerade Schnitte. Der Plasmasstrahl neigt zur Ablenkung bei zu steilen Winkeln. Diese Ablenkung könnte jedoch durch Automatisierung kompensiert werden.
• Kosten. Oxyfuel ist eine wirtschaftlichere Lösung als Plasmaschneiden. Anschaffungskosten, Verbrauchsmaterialien und Betriebskosten sind alle niedriger als beim Plasmaschneiden. Allerdings sind die Bearbeitungsgeschwindigkeiten typischerweise niedriger unter 20 mm Wanddicke (bei 3D-Profilierung in der Schwerstahlindustrie).

Oxyfuel-Schneiden: Vor- und Nachteile

Bei Oxyfuel-Schneidanwendungen werden Brenngas und Sauerstoff zur Erzeugung der Schneidflamme verwendet. Messer Cutting Systems liefert Gase einschließlich Acetylen, MAPP, Propan und Erdgas sowie Informationen zu Ihren Anforderungen.

Vorteile:

• Gerade Schnittkantenqualität und hohe Genauigkeit.
• Fasenschneiden (Abschrägen).
• Durchbrennen von Baustahl bis 101 mm (4 Zoll) bis 127 mm (5 Zoll) Dicke.
• Randstart und Schneiden von Stahl 254 mm (10 Zoll) bis 304 mm (12 Zoll) Dicke.
• Mit mehreren Brennern mehrere Teile gleichzeitig produzieren, was Zeit und Arbeit spart.

Nachteile:

• Kann unter normalen Umständen keinen Edelstahl schneiden.
• Langsamere Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zum Plasmaschneiden.
• Dünnes Material kann sich verziehen.
• Schwierig, Löcher kleiner als das Zweifache der Stahlstärke zu erzeugen.