4 Schweißen mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme

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1 4 Schweißen mit -Sauerstoff-Flamme 4.1 Grundlagen der Autogentechnik 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 CH 2 2 +O2 V 130 m/s Arbeitszone 3200 C Reduzierende Wirkung der Gase Kohlenmonoxid und Wasserstoff Flammentemperatur C Bild 4.1 Die Acetylen-Sauerstoff-Flamme [49] Luft Abstand des Flammenkegels mm Flammenaustrittsrichtung Streuflamme, 2500 C bis 1200 C; durch Hinzutritt von Luftsauerstoff Verbrennung des Kohlenmonoxids zu Kohlendioxid und des Wasserstoffs zu Wasserdampf Die Verbrennung Diese erste Verbrennungsstufe (unvollkommene Verbrennung) folgt der chemischen Gesetzmäßigkeit: C 2 H 2 + O 2 2 CO + H 2 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 + 2H 2 + 3O 2 4 CO H 2 O 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.

2 264 4 Schweißen mit -Sauerstoff-Flamme In Tafel 4.1 sind die chemischen Formeln für die Verbrennung in der ersten Stufe sowie für die vollkommene Verbrennung verschiedener -Sauerstoff-Gemische aufgeführt. Tafel 4.2 enthält Angaben über praxisübliche Mischungsverhältnisse von -Sauerstoff-Gemischen bei verschiedenen Autogenverfahren. Tafel 4.1 Unvollkommene und vollkommene Verbrennung von -Sauerstoff-Gemischen B Acetylen CH 2 2 Propan CH 3 8 Erdgas CH 4 Unvollkommene Verbrennung Vollkommene Verbrennung Flammentemperatur in der ersten Stufe Mischungsverhältniverhältnis Ablauf Mischungs- Ablauf C B:O 2 B:O 2 1:1 1:4 2:1 CH+O CO+H2 C3H 8+4O2 2CO+CO 2+4H2 O 2CH 4+O2 2CO+4H2 Tafel 4.2 Praxisübliche -Sauerstoff-Gemische Acetylen Propan Erdgas 1:2,5 1:5 1:2 -Sauerstoff-Gemisch beim : 2C2H 2+5O2 4CO+2H2O 2C3H+5O 8 2 3CO 2+4H2 O CH 4+2O2 CO 2+2H2O Schweißen Brennschneiden Flammwärmen 1:1 bis 1:1,2 1:1,1 bis 1:1,3 1:1,25 bis 1:1,5 1: 4,5 1:3,6 bis 1:5 1:1,5 bis 2,8 1:1,5 bis 1: 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 ventil 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 es bzw. der Raumluft. Die neutrale Flamme hat ein Mischungsverhältnis : 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 -Sauerstoff-Verhältnis zu erhalten

3 4.1 Grundlagen der Autogentechnik 265 Oxidierende Anteile 8 % Acetylen Propylen Propan Methan Bild 4.2 Oxidierende Anteile in - Sauerstoff-Flammen bei neutraler Einstellung [49] 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 H 2 der ersten Verbrennungsstufe reduziert. Dadurch wird die Badoberfläche metallisch blank. Oxidierende Anteile in verschiedenen - Sauerstoff-Flammen sind in Bild 4.2 wiedergegeben. Die Zusammensetzung der Flammengase bezogen auf die Flammenachse zeigt Bild mm N 2 O 2 CO 2 HO 2 C H 2 40 O 2 C 2 H C 3200 Zusammensetzung der Flammengase in der Flammenachse Temperaturverteilung in der Schweißflamme Bild 4.3 Zusammensetzung der Flammengase in der Flammenachse - Die Sauerstoff-Überschuss-Flamme Wird das -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

4 266 4 Schweißen mit -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 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

5 4.1 Grundlagen der Autogentechnik 267 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 (O 2 ) in die Leitung mit niedrigerem Druck (C 2 H 2 ) gelangt. Zünden führt dann bei vorliegendem zündfähigem Gemisch zu einer explosionsartigen Verbrennung, die möglicherweise zu Personen- und Materialschäden führen kann Autogenbrenner Die Aufgabe der Brenner besteht darin, aus dem zugeführten 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 art Flammenform und -anordnung Zweck Einsatz Saugbrenner Bunsenbrenner Injektorbrenner Druckbrenner Mischkammerbrenner Gleichdruckbrenner Außenmischbrenner Acetylenbrenner Propanbrenner Erdgasbrenner Wasserstoffbrenner Einflammenbrenner Mehrflammenbrenner zum Fügen zum Beschichten zum Trennen zum Wärmen manuell mechanisiert Bild 4.4 Brennerbauarten (Übersicht) [3] 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 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 anschluss abzieht und das Sauerstoffventil öffnet. Die Saugwirkung muss dann am anschluss spürbar sein.

6 268 4 Schweißen mit -Sauerstoff-Flamme Druckdüse Mischdüse Mischrohr Trägergas (Sauerstoff) Gasgemisch 2,5 bar Ringraum Mischraum (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 zufuhr, gesteuert durch das jeweilige Ventil. Die Ventile sind mit folgenden Farben gekennzeichnet: Sauerstoff - blau; Acetylen - gelb; Flüssiggas - orange; übrige e - 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] Messstelle Injektor CH 2 2 Wasservorlage O 2 CH 2 2 Messstellen mm WS Überdruck Unterdruck Bild 4.7 Druckverhältnisse im Injektorbrenner

7 4.1 Grundlagen der Autogentechnik Druckbrenner (Gleichdruckbrenner) Kennzeichnend für Druckbrenner ist, dass und Sauerstoff (Luft) mit erhöhtem und nahezu gleichem Druck zugeführt werden. Bei Verwendung von Acetylen als 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 ventil Sauerstoff aus dem anschluss 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 Schweißdüse Mischrohr Überwurfmutter Sauerstoffventil Griffstück Sauerstoff Mischrohr ventil Rohrschweißeinsatz (biegsam) für schwer zugängliche Stellen Druckdüse Schweißeinsatz Schneidsauerstoff Schneideinsatz Konstantthermeinsatz für besonders hohe Wärmebeanspruchung -Sauerstoff-Gemisch Schneideinsatz mit flachem Kopf Wärmeeinsatz (auch Löten) Schweißdüse mit mehreren Löchern Wärme wird gleichmäßig verteilt Schneidsauerstoff Heizsauerstoff Schneideinsatz mit gasemischender Düse Einsatz zum Flammenstrahlen, Entrosten, Entzundern Bild 4.8 Schweißbrenner: Kombinierter Schweiß- und Schneidbrenner in Anlehnung nach DIN 8543, Blatt 1 [51] Bild 4.9 Einsätze für Schweißbrenner [51]

8 270 4 Schweißen mit -Sauerstoff-Flamme Schneidsauerstoffrohr Schneidsauerstoffventil Ventilkörper Griff Sauerstoff Bild 4.10 Schweißbrenner: Sauerstoff- und ventil im Griffstück [51] Brennerkopf Mischrohr Mischdüse Heiz- und Schneiddüse Bild 4.11 Schneidbrenner [51] ventil Heizsauerstoffventil Heizdüse Schneiddüse Bild 4.12 Schneidbrenner mit Stufendüse [51] Bild 4.14 Fugenhobel [51] Bild 4.13 Flammrichtbrenner [51] - Einflammenbrenner a) Wasserstoffschweißbrenner b) Gleichdruckschweißbrenner Absperrhahn c) Injektorschweißbrenner Mundstück Mischrohr Dosierhahn gegeneinander verschiebbare Skalen Mischrohr O-Rohr 2 Mischdüse Bohrungen O-Düse 2 Bild 4.15 Brennerformen für unterschiedliche Mischprinzipe und arten CH -Rohr 2 2 CH 2 2 O 2 =0,5...0,75 bar = 0,5...0,75 bar O 2 = 2,5 bar CH 2 2 =0,2...0,4 bar