4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme

4
Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme
4.1
Grundlagen der Autogentechnik
4.1.1
Die Autogenflamme
Die Flamme als Werkzeug der Autogentechnik hat in ihrer Funktion als Wärmequelle im Vergleich
zu anderen Wärmequellen eine Reihe von Vor- und Nachteilen. So ist sie durch die Möglichkeit der
Gasspeicherung im Behälter unabhängig von einer allgemeinen öffentlichen Energieversorgung. Die
Brenner können über lange Schlauchleitungen ohne nennenswerten Energieverlust versorgt werden.
Weitere Vorteile sind das geringe Transportgewicht der Autogengeräte, ihre vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten und nicht zuletzt auch die vergleichsweise geringen Investitionskosten.
Neutrale Flamme (Norm-Flamme)
Dunkler Flammenkern, < 400°C
(kalte Zone); unverbrauchtes
Acetylen-Sauerstoff-Gemisch
Mischungsverhältnis 1:1
Lage des Werkstücks
Hell leuchtender Flammenkegel, > 400°C
Zerfall des Acetylens in Wasserstoff und
Kohlenstoff; Verbindung des Kohlenstoffs
mit dem zugeführten Sauerstoff zu
Kohlenmonoxid im Flammenkegelmantel
C2H2 + O2
V 130 m/s
Luft
Flammentemperatur °C
Arbeitszone 3200 °C
Reduzierende Wirkung
der Gase Kohlenmonoxid
und Wasserstoff
Abstand des Flammenkegels 2 ... 5 mm
3200
2500
Streuflamme, 2500 °C bis 1200 °C;
durch Hinzutritt von Luftsauerstoff
Verbrennung des Kohlenmonoxids zu
Kohlendioxid und des Wasserstoffs
zu Wasserdampf
1500
400
Flammenaustrittsrichtung
Bild 4.1 Die Acetylen-Sauerstoff-Flamme [49]
4.1.1.1 Die Verbrennung
Diese erste Verbrennungsstufe (unvollkommene Verbrennung) folgt der chemischen Gesetzmäßigkeit:
C2H2 + O2 → 2 CO + H2
In der Arbeitszone der Flamme wird die höchste Temperatur erreicht, außerdem bewirkt die reduzierende Wirkung des unverbrannten Wasserstoffs eine metallisch blanke, das heißt oxidfreie Oberfläche des Werkstücks bzw. des Schweißbades. Die zweite Verbrennungsstufe (vollkommene Verbrennung) erfolgt in der Streuflamme nach der Gleichung:
4 CO + 2H2 + 3O2 → 4 CO2 + 2 H2O
Bei der Acetylen-Sauerstoff-Flamme wird am Brenner ein Mischungsverhältnis von etwa 1:1 eingestellt. In Bild 4.1 ist der Aufbau dieser „neutralen Flamme“ wiedergegeben.
Für die vollkommene Verbrennung von 1 Volumenteil Acetylen werden 2,5 Volumenteile Sauerstoff
benötigt. Bei der üblichen Brennereinstellung für die neutrale Flamme werden demnach pro verbranntem Volumenteil Acetylen 1,5 Volumenteile Sauerstoff der Atmosphäre entzogen.
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4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme
In Tafel 4.1 sind die chemischen Formeln für die Verbrennung in der ersten Stufe sowie für die vollkommene Verbrennung verschiedener Brenngas-Sauerstoff-Gemische aufgeführt. Tafel 4.2 enthält
Angaben über praxisübliche Mischungsverhältnisse von Brenngas-Sauerstoff-Gemischen bei verschiedenen Autogenverfahren.
Tafel 4.1 Unvollkommene und vollkommene Verbrennung von Brenngas-Sauerstoff-Gemischen
Brenngas
B
Unvollkommene Verbrennung
in der ersten Stufe
MischungsAblauf
verhältnis
B : O2
Vollkommene Verbrennung
Mischungsverhältnis
B : O2
Ablauf
Flammentemperatur
°C
Acetylen C2H2
1:1
C2H2+O22CO+H2
1 : 2,5
2C2H2+5O24CO+2H2O
3180
Propan C3H8
1:4
C3H8+4O22CO+CO2+4H2O
1:5
2C3H8+5O23CO2+4H2O
2850
Erdgas CH4
2:1
2CH4+O22CO+4H2
1:2
CH4+2O2CO2+2H2O
2750
Tafel 4.2 Praxisübliche Brenngas-Sauerstoff-Gemische
Brenngas
Brenngas-Sauerstoff-Gemisch beim :
Schweißen
Brennschneiden
Flammwärmen
1 : 1,1 bis 1 : 1,3
1 : 1,25 bis 1 : 1,5
Propan
1 : 4,5
1 : 3,6 bis 1 : 5
Erdgas
1 : 1,5 bis 2,8
1 : 1,5 bis 1 : 2
Acetylen
1 : 1 bis 1 : 1,2
4.1.1.2 Die Flammeneinstellung
Die Acetylen-Sauerstoff-Flamme, üblicherweise Autogenflamme genannt, kann sehr gezielt an die
jeweilige Schweißaufgabe angepasst werden. Sowohl ihre Leistungsfähigkeit als auch ihre chemischphysikalische Wirkung auf den Schweißprozess lassen sich sicher und reproduzierbar verändern. Die
beiden Gase Acetylen und Sauerstoff können drei typische Mischungsverhältnisse aufweisen und
zwar: gleich viel Acetylen wie Sauerstoff, dies ergibt die "neutrale Flamme". Enthält das Gasgemisch mehr Acetylen als Sauerstoff, so ergibt dies die aufkohlende oder "karburierende Flamme",
und bei einem Verhältnis von mehr Sauerstoff als Acetylen erhält man die "oxidierende Flamme“.
Die jeweilige Einstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses erfolgt mit Hilfe der Ventile am
Griffstück des Brenners.
-
Die neutrale Flamme
Bei dem für das Gasschweißen heute fast ausschließlich verwendeten Saug- oder Injektorbrenner
wird zuerst das Sauerstoffventil weit geöffnet und der Arbeitsdruck am Druckminderer eingestellt.
Nach Öffnen des Acetylenventils wird das Acetylen aufgrund des unter vergleichsweise höherem
Druck und damit größerer Geschwindigkeit strömenden Sauerstoffs von diesem angesaugt. Nach
dem Zünden des an dem Brennermundstück austretenden Gasgemischs wird das Brenngasventil weit
geöffnet und wieder soweit geschlossen, bis sich das typische Bild der neutralen Flamme einstellt.
Hierbei ist der innere weiß leuchtende Flammenkern scharf gegenüber der äußeren Streuflamme abgegrenzt. Dieser Flammenkern hat je nach Intensität der Flamme eine Länge von 5 bis 15 mm; er soll
möglichst zylindrisch und lang sein. Die den Flammenkern umgebende Streuflamme ist bläulich oder
gelbbläulich gefärbt, je nach Reinheit des Brenngases bzw. der Raumluft. Die neutrale Flamme hat
ein Mischungsverhältnis Brenngas : Sauerstoff im Bereich von 1 : 1 bis maximal 1 : 1,2. Beim
Schweißen führt die Erwärmung der Schweißdüse zu einer Vergrößerung der Düsenbohrung und
damit zu einer Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs. Dementsprechend wird
weniger Acetylen angesaugt, wodurch sich der Charakter der Flamme verändert. Deshalb kann es
notwendig werden, während des Schweißens die Ventilstellung am Brenner zu korrigieren, um immer das gewünschte Brenngas-Sauerstoff-Verhältnis zu erhalten.
Oxidierende Anteile
4.1 Grundlagen der Autogentechnik
265
8
%
6
4
Acetylen
Propylen
Propan
2
Methan
Bild 4.2
Oxidierende Anteile in BrenngasSauerstoff-Flammen bei „neutraler“ Einstellung
[49]
0
In der Praxis wird beim Gasschweißen von Eisenwerkstoffen ausschließlich mit dieser Flammeneinstellung gearbeitet. Oxidhäute auf der Schmelzbadoberfläche werden - bei richtigem Brennerabstand
- im Bereich des Gasgemisches von CO und H2 der ersten Verbrennungsstufe reduziert. Dadurch
wird die Badoberfläche metallisch blank. Oxidierende Anteile in verschiedenen BrenngasSauerstoff-Flammen sind in Bild 4.2 wiedergegeben. Die Zusammensetzung der Flammengase bezogen auf die Flammenachse zeigt Bild 4.3.
220
mm
200
180
160
N2
140
O2
120
100
CO2
H2O
80
C2
60
40
H2
O2
20
C2H2
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
Zusammensetzung der
Flammengase in der
Flammenachse
2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 °C 3200
Temperaturverteilung
in der Schweißflamme
Bild 4.3 Zusammensetzung der Flammengase in der Flammenachse
-
Die Sauerstoff-Überschuss-Flamme
Wird das Brenngas-Sauerstoff-Verhältnis über den Faktor 1:1,2 erhöht, so erhält man eine oxidierende Flamme. Mit zunehmendem Sauerstoffanteil verkürzen sich sowohl der Kern als auch der äußere
Mantel der Flamme. Der Flammenkern nimmt eine leicht violette Farbe an; das zischende Geräusch
der Flamme wird merklich lauter. Während ein geringer Sauerstoffüberschuss sich durch die Erhöhung der Flammenleistung günstig auf die Schweißgeschwindigkeit auswirkt, führt ein überhöhter
Sauerstoffanteil zu Verbrennungs- und Überhitzungserscheinungen. Beim Schweißen von Stahl führt
dies zur Bildung von Funken, das heißt fort geschleuderte Tropfen platzen am Ende ihrer Flugbahn
sternartig auf. Sauerstoffüberschuss führt zu erhöhtem Abbrand von Legierungselementen sowie zu
Poren- und Oxidbildung im Schweißbad. Oxideinschlüsse können eine deutliche Verminderung der
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4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme
Verformungsfähigkeit der Schweißnaht zur Folge haben. Mit "echtem" Sauerstoffüberschuss wird
nur Messing geschweißt, wobei der Sauerstoff einer Porenbildung entgegenwirkt und ein Ausdampfen des Zinks verhindert.
Soll der Werkstoff nicht aufgeschmolzen werden, kann man sich die Vorteile der erhöhten Flammenleistung bei Sauerstoffüberschuss zunutze machen. Dies gilt beispielsweise für alle Wärmprozesse.
-
Die Acetylen-Überschuss-Flamme
Das Flammenbild ist gekennzeichnet durch den je nach Acetylenüberschuss verlängerten gelblichweißen inneren Flammenkegel, dessen Umriss nicht mehr scharf begrenzt, sondern unregelmäßig
gefiedert erscheint. Im Gebiet der ersten Verbrennungsstufe reicht der durch den Brenner angebotene
Sauerstoff nicht zur vollständigen Oxidation des Kohlenstoffs aus. Verbleibender "freier" Kohlenstoff kann beim Gasschweißen vom flüssigen Schweißgut aufgenommen werden. Dies bewirkt eine
Aufkohlung, die beim Schweißen von Stahl zwar zu einer Erhöhung der Härte und der Festigkeit
führt, gleichzeitig aber auch die Gefahr einer Versprödung mit sich bringt.
Im Gegensatz zur "normalen" weist die karburierende Flamme eine niedrigere Temperatur auf und
wird deshalb beispielsweise beim Löten eingesetzt. Desweiteren wird Gusseisen mit Acetylenüberschuss geschweißt und bei der Herstellung von Hartauftragungen fördert der überschüssige Kohlenstoff die gewünschte Ausbildung von Karbiden.
-
Die "harte" und die "weiche" Flamme
Die Wirkung einer Flamme wird neben dem Mischungsverhältnis maßgeblich durch ihre Ausströmgeschwindigkeit bestimmt. Eine Flamme mit hoher Ausströmgeschwindigkeit und dementsprechend
großer Flammenleistung wird als "harte Flamme" bezeichnet, während man eine vergleichsweise
leistungsarme Flamme "weiche Flamme" nennt. Unter Beibehaltung des gewünschten Gasmischungsverhältnisses kann über die Veränderung der Ventilstellung am Brennergriffstück die Wärmeabgabe des Brenners sehr genau an die jeweilige Schweißaufgabe angepasst werden. So ist beim
Gasschweißen entsprechend der zu schweißenden Blechdicke ein zugehöriger Schweißeinsatz zu
verwenden, und über die Flammeneinstellung "hart" bzw. "weich" kann eine zusätzliche und feinere
Anpassung der Flammenleistung an die Schweißaufgabe erfolgen. Bei sehr kleinen Schweißbrennern
liegt die Gasausströmgeschwindigkeit bei etwa 50 bis 60 m/s. Schweißbrenner der Normalgröße arbeiten mit etwa 80 bis 130 m/s. Bei Anwärmvorgängen, bei denen kein Schmelzbad entsteht, das
ungewollt weggeblasen oder aufgewirbelt werden könnte, werden Ausströmgeschwindigkeiten um
200 m/s angewandt. Entsprechend hohe Ausströmgeschwindigkeiten werden auch beim Brennschneiden benötigt.
4.1.1.3 Flammenstörungen
Verschiedene Ursachen können zur Störung eines kontinuierlichen Ablaufs der Verbrennung am
Mundstück des Schweißbrenners führen. So verursachen verschmutzte oder gar beschädigte Düsen
ein ungleichmäßiges Flammenbild und dementsprechend nicht reproduzierbare Schweißergebnisse.
Eine regelmäßige Reinigung des Brennerstücks ist nur mit den zu dem Brenner gehörenden Reinigungsnadeln vorzunehmen. Eine beschädigte Düse ist durch eine neue zu ersetzen.
Ursache für die Rückzündung der Flammen ist die Vergrößerung des Ausströmquerschnittes mit
zunehmender Temperatur, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bis unter dessen Zündgeschwindigkeit absinkt. Die Flamme brennt dann entgegen der Gasströmungsrichtung mit
pfeifendem Geräusch zurück in den Brenner. Wird der Gaszufluss nicht sofort unterbrochen, kann
dies zur Zerstörung des Brenners führen.
Bei einer Überhitzung des Mundstücks kann die Flamme abknallen, das heißt, die Flamme verlischt
plötzlich. Durch nachströmendes Gasgemisch kann es zu einer Wiederzündung und abermaligem
4.1 Grundlagen der Autogentechnik
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Erlöschen (Abknallen) kommen; der Brenner knattert. Abhilfe bringt die Kühlung des Mundstücks
beispielsweise in Wasser bei schwach geöffnetem Sauerstoffventil.
Ein Gasrücktritt kann infolge von Undichtigkeiten im Brennergriffstück - verstärkt durch eine Düsenverstopfung - auftreten, da Gas aus der Leitung mit höherem Druck (O2) in die Leitung mit niedrigerem Druck (C2H2) gelangt. Zünden führt dann bei vorliegendem zündfähigem Gemisch zu einer
explosionsartigen Verbrennung, die möglicherweise zu Personen- und Materialschäden führen kann.
4.1.2
Autogenbrenner
Die Aufgabe der Brenner besteht darin, aus dem zugeführten Brenngas und dem Sauerstoff (oder der
Luft) ein definiert einstellbares Gemisch zu bilden und dieses konstant zu halten. Das Gasgemisch
soll mit solcher Geschwindigkeit aus dem Brenner austreten, dass rückzündsicher eine Flamme bestimmter Form, Größe und Leistung entsteht. Je nach Verwendungszweck werden Brenner für verschiedene Gase mit entsprechender Flammengröße und -form hergestellt. Die jeweiligen Düsen dürfen nur für das Gas verwendet werden, für das sie bestimmt sind. Dementsprechend sind die Mischeinrichtung und die Düse des Einsatzes folgendermaßen gekennzeichnet: Acetylen = A; Flüssiggas = P; Wasserstoff = H; Leuchtgas = C; Erdgas (Methan) = M.
Zusätzlich sind der Schweißbereich sowie das Herstellerzeichen und auf der Mischeinrichtung noch
der Sauerstoffdruck angegeben. Bild 4.4 gibt einen zusammenfassenden Überblick über die möglichen Brennerbauarten.
Mischungsprinzip
Brenngasart
Saugbrenner
Acetylenbrenner
Bunsenbrenner
Injektorbrenner
Propanbrenner
Druckbrenner
Mischkammerbrenner
Gleichdruckbrenner
Außenmischbrenner
Erdgasbrenner
Wasserstoffbrenner
Flammenform
und
-anordnung
Einflammenbrenner
Mehrflammenbrenner
Zweck
zum Fügen
Einsatz
manuell
zum Beschichten
zum Trennen
zum Wärmen
mechanisiert
Bild 4.4 Brennerbauarten (Übersicht) [3]
4.1.2.1 Brennerarten
In der Autogentechnik gibt es eine Vielfalt von Schweiß-, Schneid- oder Wärmebrennern. Angaben
über Aufbau, Funktion, Sicherheitsanforderungen und ähnliches enthält DIN 8543 Teile 1 bis 5. Die
meisten handelsüblichen Brenner sind mehrteilig ausgeführt, so dass durch einfaches Auswechseln
von Einsätzen sowohl Schweiß-, Schneid- als auch Wärmearbeiten durchgeführt werden können.
-
Injektorbrenner (Saugbrenner)
Bei diesem Gerät gelangen die beiden Gase durch zwei Rohre über Ventile in die Mischeinrichtung,
Bild 4.5. Der Sauerstoff strömt aufgrund des im Vergleich zu Acetylen hohen Drucks von etwa 2,5
bar mit großer Geschwindigkeit in die Druckdüse. Diese ist von einem ringförmigen Metallmantel
umgeben, in den das Acetylen mit geringem Überdruck von 0,2 bis 0,4 bar zugeführt wird. Die große
Geschwindigkeit des in die Mischdüse strömenden Sauerstoffs erzeugt im Spalt zwischen Druckund Mischdüse einen Unterdruck, wodurch das Brenngas angesaugt wird. Die obigen Druckangaben
entsprechen dem jeweiligen Arbeitsdruck für Sauerstoff bzw. für Acetylen beim Gasschweißen.
Die Funktionsfähigkeit eines Saugbrenners lässt sich überprüfen, indem man den Brenngasanschluss
abzieht und das Sauerstoffventil öffnet. Die Saugwirkung muss dann am Brenngasanschluss spürbar
sein.
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Druckdüse
Mischdüse
Mischrohr
Trägergas
(Sauerstoff)
Gasgemisch
2,5 bar
Mischraum
Ringraum
Brenngas
(Acetylen)
~ 0,4 bar
~
Bild 4.5 Mischeinrichtung eines
Saugbrenners (Injektor) [3]
Der Aufbau eines kompletten Saugbrenners ist in Bild 4.6 wiedergegeben. Über das Griffstück erfolgen die Sauerstoff- und die Brenngaszufuhr, gesteuert durch das jeweilige Ventil. Die Ventile sind
mit folgenden Farben gekennzeichnet: Sauerstoff - blau; Acetylen - gelb; Flüssiggas - orange; übrige
Brenngase - rot. Bei den meisten Brennern ist der Brennereinsatz auswechselbar und wird mittels
einer Überwurfmutter mit dem Griffstück gasdicht verbunden. Der Brennereinsatz besteht aus dem
Mischrohr mit Schweißdüse (je nach Wanddicke des Werkstückes in unterschiedlicher Größe) und
dem Injektor, bestehend aus Druck- und Mischdüse. Die Druckverhältnisse im Injektorbrenner zeigt
Bild 4.7.
Bild 4.6 Aufbau eines Injektorbrenners [3]
O2
Messstelle
C2H2
C2H2
Wasservorlage
Injektor
Messstellen
mm
WS
1200
1000
800
600
400
Überdruck
200
0
Unterdruck
200
400
600
800
Bild 4.7
Druckverhältnisse
im Injektorbrenner
4.1 Grundlagen der Autogentechnik
-
269
Druckbrenner (Gleichdruckbrenner)
Kennzeichnend für Druckbrenner ist, dass Brenngas und Sauerstoff (Luft) mit erhöhtem und nahezu
gleichem Druck zugeführt werden. Bei Verwendung von Acetylen als Brenngas darf wegen des maximal zulässigen Überdrucks von 1,5 bar auch Sauerstoff nur mit maximal 1,5 bar zugeführt werden.
Die Funktionsfähigkeit eines Druckbrenners kann überprüft werden, indem man Sauerstoff strömen
lässt und prüft, ob bei geöffnetem Brenngasventil Sauerstoff aus dem Brenngasanschluss austritt.
In der Anwendung überwiegen eindeutig die Saug- oder Injektorbrenner.
-
Schweiß- und Schneidbrenner
Eine Auswahl verschiedener Bauformen von Schweiß- und Schneidbrennern, sowie entsprechende
Brennereinsätze zeigen Bild 4.8 bis Bild 4.15.
Sauerstoffventil
Schweißdüse
Mischrohr
Überwurfmutter
Sauerstoff
Griffstück
Mischrohr Brenngasventil
Brenngas
Rohrschweißeinsatz (biegsam)
für schwer zugängliche Stellen
Druckdüse
Schweißeinsatz
Konstantthermeinsatz
für besonders hohe
Wärmebeanspruchung
Schneidsauerstoff
Schneideinsatz
Brenngas-Sauerstoff-Gemisch
Schneideinsatz
mit
flachem Kopf
Schneidsauerstoff
Brenngas
Heizsauerstoff
Schneideinsatz
mit
gasemischender
Düse
Bild 4.8
Schweißbrenner:
Kombinierter
Schweiß- und Schneidbrenner in Anlehnung
nach DIN 8543, Blatt 1 [51]
Wärmeeinsatz (auch Löten)
Schweißdüse mit mehreren Löchern
Wärme wird gleichmäßig verteilt
Einsatz zum Flammenstrahlen,
Entrosten, Entzundern
Bild 4.9 Einsätze für Schweißbrenner [51]
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4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme
Schneidsauerstoffrohr
Ventilkörper
Griff
Schneidsauerstoffventil
Sauerstoff
Bild 4.10
Schweißbrenner: Sauerstoff- und
Brenngasventil im Griffstück [51]
Brenngas
Brenngasventil
Heizsauerstoffventil
Mischrohr Mischdüse
Heiz- und Schneiddüse
Brennerkopf
Bild 4.11 Schneidbrenner [51]
Heizdüse
Schneiddüse
Bild 4.12 Schneidbrenner mit Stufendüse [51]
Bild 4.13 Flammrichtbrenner [51]
Bild 4.14 Fugenhobel [51]
-
Einflammenbrenner
a) Wasserstoffschweißbrenner
Absperrhahn
b) Gleichdruckschweißbrenner
Mischrohr
C2H2 = 0,5 ...0,75 bar
Dosierhahn
Mundstück
O2 = 0,5 ...0,75 bar
gegeneinander
verschiebbare
Skalen
O2 = 2,5 bar
C2H2 = 0,2 ...0,4 bar
c) Injektorschweißbrenner
O2-Rohr
Mischrohr
C2H2 -Rohr
Bohrungen
Mischdüse
O2-Düse
Bild 4.15 Brennerformen für unterschiedliche Mischprinzipe und Brenngasarten