Oxyfuel-Schneiden erklärt: Prozess, Vorteile & 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 verwenden. 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 so das lokale Schmelzen des Werkstückmaterials (z. B. Stahl) in einer Raumumgebung zu ermöglichen.

Eine übliche Propan/Luft-Flamme brennt bei ca. 1980 °C (2250 K; 3590 °F), eine Propan/Sauerstoff-Flamme bei ca. 2253 °C (2526 K; 4087 °F), eine Oxywasserstoff-Flamme bei 2800 °C (3073 K; 5072 °F) und eine Acetylen/Sauerstoff-Flamme bei ca. 3500 °C (3773 K; 6332 °F).

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

Reiner Sauerstoff wird dann durch die Düse auf den erhitzten Bereich geleitet. Dieser feine, hochdruckige Sauerstoffstrom verwandelt vorgeheizten und 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 Kavität blasen kann, ohne den nicht oxidierten festen Stahl zu beeinträchtigen. Diese exotherme Reaktion ist ein kontinuierlicher Prozess und erzeugt einen Schnitt, während sich der Brenner bewegt. Um die exotherme Reaktion aufrechtzuerhalten, hält der Schneidbrenner den Stahl während des Schneidens erhitzt.

Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall selbst haben, können mit diesem Prozess geschnitten werden. Andernfalls beendet das Metall die Oxidation, sobald es oxidiert, indem es eine schützende Kruste bildet. Nur Baustahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen die obigen Bedingungen und können effektiv mit dem Oxyfuel-Prozess geschnitten werden.

Wie funktioniert der Oxyfuel-Schneidprozess?

Oxyfuel-Schneiden ist eine chemische Reaktion zwischen reinem Sauerstoff und Stahl zur Bildung von Eisenoxid. Es kann als schneller, kontrollierter Rost beschrieben werden. Vorwärmflammen werden verwendet, um die Oberfläche oder Kante des Stahls auf ca. 980 °C (1800 °F, leuchtend rot) zu erhitzen.

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

Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall selbst haben, können mit diesem Prozess geschnitten werden. Andernfalls beendet das Metall die Oxidation, sobald es oxidiert, indem es eine schützende Kruste bildet. Nur niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen die obige Bedingung und können effektiv mit dem Oxyfuel-Prozess geschnitten werden.

Hier sind die Grundlagen, wie es funktioniert:

Schritt 1: Vorwärmen (Preheat)

Bevor Sie mit dem Schneiden des Stahls beginnen können, muss er auf seine Entzündungstemperatur erhitzt werden, ca. 980 °C (1800 °F). 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, die in einem Kreis angeordnet sind, um das brennbare Gasgemisch in mehrere kleine Düsen zu fokussieren. Das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wird außerhalb der Düse gezündet, und die Vorwärmflammen bilden sich direkt außerhalb der Düsenspitze.

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

Schritt 2: Anstechen (Piercing)

Sobald die Oberfläche oder Kante der Platte die Entzündungstemperatur erreicht hat, wird ein Strahl reinen Sauerstoffs eingeschaltet, um durch die Platte zu stechen. Dies wird als „Schneidsauerstoff“ bezeichnet, und der Strahl wird durch eine einzelne Bohrung in der Mitte der Düse gebildet.

Wenn der Schneidsauerstoffstrom 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 geräumt werden, damit der Sauerstoffstrom „durch die Platte stechen“ kann. Je nach Dicke der Platte kann dies von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu mehreren Sekunden dauern.

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

Schritt 3: Schneiden (Cutting)

Sobald der Schneidsauerstoffstrom seinen Weg vollständig durch die Platte gefunden hat, kann der Brenner mit konstanter Geschwindigkeit fahren und einen kontinuierlichen Schnitt bilden. Die während dieser Phase gebildete flüssige Schlacke wird aus dem Boden der Platte herausgeblasen.

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

Das sind die Grundlagen. Aber es gibt viele andere Faktoren, die die Qualität der Schnittkante beeinflussen, einschließlich Geschwindigkeit, Schneidsauerstoffdruck, Vorwärmflammeneinstellung, Schneidehöhe, Plattentemperatur usw.

Eigenschaften von Oxyfuel im Vergleich zu Plasma

• Material. Oxyfuel-Schneiden wird für das Schneiden von Baustahl verwendet. Nur Metalle, deren Oxide einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetall selbst haben, können mit diesem Prozess geschnitten werden. Andernfalls beendet das Metall die Oxidation, sobald es oxidiert, indem es eine schützende Kruste bildet. Nur Baustahl und einige niedriglegierte Stähle erfüllen die obigen Bedingungen.
• Wanddicke. Oxyfuel ermöglicht das Schneiden dickerer Wände als Plasma. Plasma kann keine dickeren Wände schneiden, wegen der enormen Energiemengen, die nötig wären, um ähnliche Dicken zu erreichen.
• Schneidewinkel. 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, wenn der Winkel zu steil ist. 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 Verarbeitungsgeschwindigkeiten typischerweise niedriger unter einem Wanddickenbereich von 20 mm (bei 3D-Profilierung in der Schwerstahlindustrie).

Vor- und Nachteile des Oxyfuel-Schneidens

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

Vorteile:

• Gerade Schnittkantenqualität und hohe Genauigkeit.
• Fasenstreifenschnitt (Bevel strip cutting).
• Anstechen von Baustahl bis 101 mm (4 Zoll) bis 127 mm (5 Zoll) Dicke.
• Kantenstart und Schneiden von Stahl 254 mm (10 Zoll) bis 304 mm (12 Zoll) Dicke.
• Mit mehreren Brennern mehrere Teile produzieren, was Zeit und Arbeit reduziert.

Nachteile:

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