Autogeen snijden van dik en groot plaatwerk

Autogeensnijden, ook wel brandsnijden, genoemd is een snijtechniek die toegepast wordt op staal. Wij kunnen staal tot 150 mm dik autogeensnijden. De maximale plaatafmeting is 8.000 x 4.000 mm. Het autogeensnijden kan met maximaal 6 snijbranders tegelijk, waardoor het snijden van seriewerk aantrekkelijk is.

Wat is autogeen snijden?

Autogeen snijden of brandsnijden, is een thermische bewerkingsmethode die behoort tot de fysisch scheidende technieken.

Door de gasvlam wordt het staal voorverwarmd tot dicht onder de ontstekingstemperatuur, waarna er oxidatie plaatsvindt in een afzonderlijke stroom van zuurstof. Deze afzonderlijke stroom wordt aangevoerd door het hart van de snijbrander. De verbranding levert dusdanig veel warmte dat verder verwarmen niet meer nodig is. De vlam blijft echter wel nodig om de vloeibare ijzeroxiden weg te blazen en om het proces bij eventuele onderbrekingen opnieuw op te starten. De voorverwarmtemperatuur neemt toe bij een toenemend koolstofgehalte van het staal.

Autogeensnijden is een snijmethode waarmee één of meerdere branders door gebruik van ontbranding plaatwerk snijden. Het feitelijke snijden vindt voor het grootste deel plaats door verbranding en voor het overige door het smelten van materiaal. Van belang hierbij is dat de smelttemperatuur van de slak lager ligt dan de procestemperatuur. Op deze manier is de slak vloeibaar tijdens het proces en wordt deze gemakkelijk weggeblazen. Als dit niet het geval zou zijn dan zou de slak neerslaan voordat deze uit de snede is, wat onwenselijk zou zijn. Autogeensnijden is vanwege het type proces alleen mogelijk voor het snijden van staal. Voor RVS en Aluminium maakt Tosec gebruik van een plasmasnijmachine.

Het autogeensnijproces

Het autogeensnijproces kent een aantal reacties. Allereerst natuurlijk de verbranding van het metaal. De algemene formule hiervoor is:

Metaal + O₂ ==> metaaloxide (slak) + warmte

Ontstaat er geen warmte, dan is het niet mogelijk het proces in stand te houden. Wanneer de smelttemperatuur van de slak hoger is dan die van het proces, dan heeft dit tot gevolg dat een snede niet mogelijk is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij RVS. Ook dient de temperatuur waarbij het metaal met zuurstof reageert, lager te zijn dan het smeltpunt van het metaal. Dit is nodig om de verbranding op gang te laten komen voordat het metaal smelt. Uit deze voorwaarden volgt dat de meeste koolstof- en gietstaalsoorten bewerkt kunnen worden met autogeensnijden, evenals verschillende gelegeerde staalsoorten. Materialen die niet aan de gestelde eisen voldoen zijn onder andere RVS en hooggelegeerde staalsoorten.

Legeringselement	Symbool	Grenswaarde + Eventuele invloed
Koolstof	C	tot 1.6%
Silicium	Si	tot 2.5% bij max. 0.2% C
Mangaan	Mn	tot 13% en 1.3% C
Chroom	Cr	tot 1.5%
Wolfram	W	tot 10% en 5% Cr, 0.2% Ni, 0.8% C
Nikkel	Ni	tot 7%
Molybdeen	Mo	tot 0.8%, bij hogere gehaltes aan W, Cr en C is snijden niet mogelijk
Koper	Cu	tot 0.7%
Vanadium	V	Geen ongunstige invloed

Ten slotte dient met betrekking tot het basismateriaal vermeld te worden dat fysische bewerkingen niet afhankelijk zijn van de mechanische eigenschappen van een materiaal. Harde metalen laten zich thermisch bijvoorbeeld net zo gemakkelijk bewerken als zachte metalen. Dit kan voor de ontwerper dus een groot voordeel betekenen, mits het materiaal natuurlijk wel aan de eisen blijft voldoen. Naast het verbrandingsproces van het metaal is ook de primaire verbranding van het verhittingsgas van belang. Deze primaire verbranding vindt plaats in de kegel van de vlam onder vorming van koolmonoxide en waterstof. Deze reactie verloopt in het geval van acetyleen (meest gangbare snijgas) als volgt:

2C₂H₂ + 2O₂ ==> 4CO + 2H₂

Optimaal snijproces

Voor het optimale snijproces zijn een aantal factoren essentieel. Deze zijn de zuiverheid van de zuurstof, de snijkop en het snijgas. Naast acetyleen zijn er ook andere snijgassen mogelijk. Voorbeelden van deze stoffen zijn propaan, propyleen, aardgas en het zogenaamde MAPP gas. Ieder van deze gassen heeft natuurlijk andere eigenschappen. In principe is voor het proces zelf acetyleen het beste, omdat deze de hoogste primaire verbrandingswarmte heeft en daardoor de kortste voorverwarmtijd en de hoogste snijsnelheid heeft. Het nadeel is echter dat dit gas ook duur is. Daarom is het van belang een goede kostencalculatie te doen alvorens het snijgas vast te stellen. Zoals eerder vermeld, is ook de zuiverheid van de zuurstof van groot belang voor het bereiken van de optimale proceseigenschappen. Voor het bereiken van optimale condities is zuurstof met een zuiverheid van minstens 99.5% gewenst. Om een indicatie te geven van het effect van de zuiverheid: bij een afname van de zuiverheid met 1% daalt de snijsnelheid met 25% en neemt het zuurstofverbruik toe met 25%. Om deze condities te bereiken is, naast het zuiver aanvoeren van zuurstof, het ontwerp van de snijkop van belang. Deze moet, naast een rechte en krachtige zuurstofstraal, zorgen voor een gesloten voorverwarmvlam, zodat de zuurstofstraal niet verontreinigd wordt door de directe omgeving. Bij grotere dieptes wordt de zuurstofstraal echter vervuild door de oxiden en neemt de snijsnelheid hierdoor af. Het gevolg is naloop, wat te herkennen is aan gekromde strepen op het snedeoppervlak.

Autogeensnijden en de autogeensnijmachine

De autogeensnijmachine bestaat uit een snijtafel en een portaal. Het portaal is een beweegbare brug die over de snijtafel beweegt. De machine kan één of meerdere autogeen snijkoppen bevatten, waarmee de productiecapaciteit aanzienlijk verhoogd kan worden.

Autogeenbranders

Autogeenbranders worden vaak op een brug over een snijbed geplaatst. Hierdoor is het mogelijk om het bed af te laden als de snijders op een andere plek aan het snijden zijn en wordt de capaciteit van de machine volledig benut. Ook is het mogelijk om producten met grote afmetingen te snijden. Om de capaciteit van de machines te vergroten worden er vaak meerdere branders op een brug geplaatst die dan in serie kunnen snijden. Hierdoor daalt de totale bewerkingstijd per product. Het is niet ongebruikelijk om 6 of meer branders op een rij te hebben om bijvoorbeeld 6 producten tegelijk autogeen te snijden.

Machinecapaciteit

De capaciteiten van autogeensnijders zijn per machinetype verschillend. Het proces is in principe geschikt voor plaatdiktes van 0,5 mm tot meer dan 1000 mm. Door de moeilijke hanteerbaarheid van dikke platen zullen de meeste bedrijven die autogeensnijden aanbieden een limiet aanhouden waarboven niet gesneden wordt. Bij Tosec ligt deze limiet op 150 mm. De maximale afmetingen van het product hangt ook af van het werkbereik van de machine. Tosec heeft een snijbed van 8.000 x 4.000 mm. Grotere producten worden op de plasmasnijmachine of lasersnijmachines gesneden.

Afzuiging

Bij het autogeensnijden ontstaat het giftige koolstofdioxide. Het is van groot belang een goede afzuiging van deze stoffen te hebben. Dit kan op verschillende manieren. Eén van deze manieren is om buizen onder het snijbed te plaatsen. Deze buizen bevatten gaten die open en dicht kunnen. Als de snijder in de buurt van een buis komt, worden de afzuiggaten door middel van een mechanisme geopend en worden de giftige stoffen afgevoerd. Gebeurt dit niet, dan is de gezondheid van het bedieningspersoneel in het geding, wat onaanvaardbaar zou zijn.

Ondanks dat er bij het autogeensnijden geen enkele mechanische belasting is op de onderdelen, zijn er wel enkele onderdelen die met enige regelmaat vervangen moeten worden. Met deze onderdelen moet gedacht worden aan de pitten in de snijkoppen, onderdelen die de brug over het bed bewegen en de snijlamellen.

Insteken

Een belangrijk aspect van het autogeensnijden is het insteken van de plaat. Om dit zo efficiënt mogelijk te doen wordt de plaat eerst voorverwarmd om het vuil en de roest op de plaat te verwijderen zodat deze de centrale zuurstofstroom niet negatief beïnvloeden. Is dit gebeurd dan wordt de druk van de zuurstofstroom, mits er niet op het contour wordt ingestoken, op maximaal gezet om het insteken zo kort mogelijk te laten duren. Hierna zal de druk worden teruggevoerd om het snijproces aan te vangen.

Wat betekent snijsnelheid?

De snijsnelheid is de snelheid waarmee de autogeensnijmachine door het plaatwerk heen kan snijden. De snijsnelheid wordt sterk beïnvloed door de dikte van het materiaal en het type bewerking (plaat door midden snijden of kleine gaten in de plaat). Ook het contour en de snelheid van het portaal bepalen de snijsnelheid. De maximale snijsnelheid is het hoogst wanneer er geen bochten of hoeken in de plaat hoeven te worden gesneden en wanneer het plaatwerk een kleine dikte heeft.

Autogeensnijwerk– Eigenschappen en beperkingen

Het product heeft na het autogeensnijden een aantal eigenschappen waarmee rekening gehouden moet worden. Dit zijn o.a. de warmte beïnvloede zone, oxidatie en de kwaliteit van de snijrand. Het autogeensnijwerk is van mindere kwaliteit dan lasersnijwerk of plasmasnijwerk. Daar staat tegenover dat grotere plaatdiktes gesneden kunnen worden.

Naast de eigenschappen van het autogeensnijwerk, kent het autogeen proces ook een aantal beperkingen. Dit zijn naast plaatdikte en plaatgrootte ook nog het contour, de minimale gatdiameter en de snijvoeg.

Eigenschappen

Het autogeensnijwerk heeft na het snijden een aantal eigenschappen, die de kwaliteit van het product bepalen. De kwaliteit ligt over het algemeen lager dan bij het lasersnijden of plasmasnijden. De ruwheid van de rand, de rechthoekigheid van de rand, oxidatie en de warmtebeïnvloede zone zijn belangrijke eigenschappen die de kwaliteit van het snijwerk bepalen.

Warmte beïnvloede zone

In tegenstelling tot lasersnijden is de warmte beïnvloede zone bij autogeensnijden groot. Hierbij moet gedacht worden aan een diepte van minimaal 2 mm het werkstuk in. Het verschil komt voornamelijk doordat de energiedichtheid van de straal veel minder hoog is en het omliggende materiaal dus meer tijd heeft om op te warmen. Hierdoor bestaat de kans dat het product gaat trekken, een zeer ongewenst resultaat. Mocht dit optreden, dan is er vaak een nabehandeling in de vorm van walsen nodig. Het trekken van producten is minimaal wanneer alle procesparameters goed ingesteld zijn.

Het beoordelen van de mate van beïnvloeding op korrelgroottestructuur kan het beste microscopisch gedaan worden na het fijnslijpen. De grootte van de warmte beïnvloede zone kan worden gemeten aan de mate van kleurverandering van het materiaaloppervlak. Deze zone wordt uitgedrukt in mm en de warmte beïnvloede zone is op deze manier kwantitatief weer te geven. Hieruit zal blijken dat bij autogeensnijden de warmte beïnvloede zone groter is dan bij lasersnijden. Bij autogeensnijden bedraagt de beïnvloede zone enkele millimeters ten opzichte van enkele tienden van een millimeter bij lasersnijden.

In de warmte beïnvloede zone ontstaat net als bij het lasersnijden een soort gietstructuur i.p.v. de bij plaatwerk gebruikelijke kneedstructuur. Hierdoor nemen bepaalde eigenschappen af. De hardheid van het snede-oppervlak is in de regel hoger dan die van het basismateriaal, maar ligt lager dan de hardheid ten gevolge van lasersnijden of lassen, een proces dat vaak in combinatie met autogeen gesneden producten gebruikt wordt. Ter indicatie: een gesneden plaat StE 690 V heeft normaal een hardheid van HV 275 en heeft in het snijvlak van het autogeensnijden een hardheid van HV 440. Dit houdt dus in dat de hardheid in dit geval toeneemt met 37,5%. Dit heeft bijvoorbeeld tot gevolg dat bij bewerkingstechnieken in een later stadium het gereedschap harder zal slijten. Ook zal, door het brosser worden van het materiaal, de kans op scheurvorming toenemen. Dit laatste kan bij het kanten of zetten problemen geven. Ook kan het vormen van scheuren bij het lassen nadelige gevolgen hebben op de kwaliteit van de las. Dit effect neemt toe naarmate het koolstofgehalte in het staal toeneemt. Naast een hardheidstoename kan er bij bepaalde staalsoorten ook een hardheidsafname plaatsvinden. Hiervan is vooral sprake bij slijtvaste staalsoorten. Dit kan een onaangename verandering van eigenschappen teweeg brengen als het onderdeel aan slijtage onderhevig is.

Oxidatie

Omdat autogeensnijden een oxiderend proces is, ontstaat als gevolg hiervan een oxidelaag op de snijrand. Deze wordt onder normale omstandigheden verwijderd door middel van trommelen, tenzij de klant aangeeft dat de oxidelaag op een andere manier verwijderd dient te worden. Dit kan bijvoorbeeld het naslijpen van de rand inhouden. Ook bij autogeensnijden geldt dat een oxidelaag in een later stadium een negatieve invloed kan hebben op eventuele coatinglagen. Dat er een grote kans bestaat dat deze loslaat, wordt ook aangetoond door de simpele manier van verwijderen. Een nabehandeling in de vorm van trommelen is al voldoende om de oxidelaag te verwijderen. Een oxidelaag met coating erover zal dus in de dagelijkste praktijk even snel loslaten. Dit laatste is natuurlijk zeer ongewenst. De oxidelaag die ontstaat bij lasersnijden zit wel vaster dan de oxidehuid die ontstaat bij het lasersnijden.

Ruwheid van de rand

De ruwheid van de rand ten opzichte van mechanische scheidingstechnieken zoals knippen en ponsen is hoog. De spreiding van de ruwheid Ra varieert van 5 tot 10 μm onder normale tot gunstige omstandigheden. Het ontstaan van deze hogere ruwheid komt voornamelijk door de zogenaamde naloop van de vlam. De naloop neemt toe bij een toenemende snijsnelheid en bij een hogere verontreinigingspercentage van de snijzuurstof. Vooral bij dikkere platen is dit zeer ongewenst omdat er een soort driehoek ontstaat aan het einde van de snijsnede. Een deel van dit effect kan gecompenseerd worden door een lagere snijsnelheid te hanteren. Desondanks is de ruwheidstoename bij een dikkere plaat een effect waar de constructeur rekening mee dient te houden.

Rechthoekigheid van de rand

In vergelijking met plasmasnijden, maar ook ten opzichte van lasersnijden lever het autogeensnijden een opmerkelijk haakse rand op. Dit komt vooral doordat de energie die nodig is voor het snijden, in tegenstelling tot lasersnijden met stikstof, niet afkomstig is van de bron maar van het proces zelf, waardoor de verbranding van het materiaal over de hele dikte van het materiaal constanter verloopt. Een goede snede is bij autogeensnijden in principe braamvrij. Om echter een hogere efficiëntie te bereiken wordt in de praktijk de snijsnelheid opgevoerd waardoor de hoeveelheid onverbrand ijzer in de slak stijgt. Deze slak zet zich af aan de onderkant van de snede en laat zich moeilijker verwijderen naarmate het percentage ijzer in de slak toeneemt.

Invloed van snijden met ijzerpoeder

Niet ieder materiaal is geschikt voor autogeensnijden. In enkele gevallen biedt het toevoegen van ijzerpoeder in de vlam alsnog de mogelijkheid het proces plaats te laten vinden. De benodigde warmte wordt dan geleverd door de oxidatie van het ijzerpoeder. Een groot nadeel van deze procesvariant is dat de kwaliteit van de snijrand dusdanig slecht wordt, dat het aantal toepassingen afneemt. Dit in combinatie met een hogere prijs, zorgt ervoor dat materialen die in de basis niet geschikt zijn voor autogeensnijden bijna altijd met de laser gesneden worden.

Beperkingen van het autogeensnijden

Het autogeensnijden kent een aantal beperkingen. Naast beperkingen van de machinecapaciteit, bijv. plaatdikte en maximale plaatafmeting zijn er nog een aantal factoren die de mogelijkheden van autogeensnijden beperken. Dit zijn de gatdiameter, het contour en de snijvoeg.

Verhouding gatdiameter/plaatdikte

De afmetingen van gaten die met autogeensnijden gemaakt kunnen worden hangen direct samen met de plaatdikte. Hierin kan onderscheid gemaakt worden tussen plaatdiktes tot 15 mm en plaatdiktes boven 15 mm. Voor platen met een dikte van meer dan 15 mm geldt dat de minimale gatgrootte wordt bepaald door de verhouding gatdiameter/plaatdikte. Deze verhouding dient gelijk te zijn aan 1. Bij een grotere verhouding is er geen probleem, bij een kleinere verhouding kan de constructeur er vanuit gaan dat het resultaat minder is. Deze verhouding gaat echter niet op voor plaatdiktes van minder dan 15 mm. In dat geval moet de verhouding groter zijn om een goed resultaat te behalen. In de praktijk zal er vaak gekozen worden om plaatwerk dunner dan 15 mm te lasersnijden of plasmasnijden, waar de gatdiameter/plaatdikte – verhouding beter is. Als er toch gekozen wordt om deze plaatdiktes autogeen te snijden dan dient de ontwerper er rekening mee te houden dat de gaten met een diameter kleiner dan 15 mm geboord gaan worden.

Vrij contour

Net zoals bij lasersnijden is er bij autogeensnijden geen beperking met betrekking tot de vorm in het 2D-vlak. Dat wil zeggen dat de ontwerper volledig vrij is in het ontwerpen van het onderdeel. De kwaliteit van het contour en de snelheid waarmee het contour gesneden kan worden is lager dan bij het plasma of lasersnijden. Daar staat tegenover dat er hele grote plaatdiktes autogeen gesneden kunnen worden. Het 2.5D of 3D autogeensnijden is voor zover bekend nog niet goed mogelijk.

Snijvoeg

Bij het autogeensnijden ontstaat er een snijvoeg, die normaal gezien van de snij-bovenkant naar de snij-onderkant smaller wordt. De breedte van de snijspleet varieert, afhankelijk van de plaatdikte van 1,5 tot 10 mm.

Veelgestelde vragen

1. Waardoor wordt de prijs van autogeensnijden beïnvloed?
2. Aan welke normen voldoet het autogeensnijwerk bij Tosec?
3. Waarom is autogeensnijden van RVS en Aluminium niet mogelijk?

Waardoor wordt de prijs van autogeensnijden beïnvloed?

De kosten van autogeensnijden zijn afhankelijk van een aantal factoren. Uiteraard hebben het gekozen plaatwerk en de huidige staalprijzen invloed op de prijs, dit zijn de materiaalkosten. Daarnaast zijn er ook bewerkingskosten. Deze zijn afhankelijk van de snijsnelheid, de plaatdikte, aantal keer insteken en het achteraf verwijderen van bramen.

Plaatdikte
De dikte van het plaatwerk heeft invloed op de kostprijs. Hoe dikker het plaatwerk is, hoe langer de snijbrander nodig heeft om door de plaat heen te snijden. Hierdoor ligt de snijsnelheid lager dan bij dun plaatwerk en loopt de productietijd op.

Insteken
Het insteken is een proces dat veel tijd in beslag neemt. In figuur 2 wordt dit uitgebeeld: Eerst moet de plaat voorverwarmd worden (1), dan met hoge druk door de plaat gespoten (2), en dan pas wordt er gesneden (3). De kosten van insteken zijn sterk afhankelijk van de plaatdikte.

Er zijn mogelijkheden om het aantal instekingen te beperken:

• Voor gaten dicht bij de rand kan gekozen worden om er een sleufgat van te maken die aansluit op de buitencontour. Hierdoor kan het aantal keer insteken beperkt worden.
• Door zo te nesten dat platen aaneengesloten gesneden kunnen worden, kan het aantal instekingen beperkt worden. Dit kan een grote tijdwinst opleveren. Niet ieder product leent zich hiervoor.
• Het insteken kan ook op de contour gedaan worden. Dit om twee in elkaar passende producten te krijgen die geen van beiden te erg beschadigd zijn tijdens het insteken.

Braamvorming
Een goede snede is bij autogeen snijden in principe braamvrij. Om echter een hogere efficiëntie te verkrijgen wordt in de praktijk de snijsnelheid opgevoerd waardoor de hoeveelheid onverbrand ijzer in de slak toeneemt. Deze slak zet zich aan de onderkant van het product af. Met dezelfde bewerking als het verwijderen van de oxidehuid kan dit verwijderd worden.

Aan welke normen voldoet het autogeensnijwerk bij Tosec?

Tosec levert snijwerk volgens de internationale EN-ISO 9013-222 norm. Deze is van toepassing op materialen die geschikt zijn voor autogeen snijbranden, plasmasnijden en lasersnijden. Het is van toepassing op autogeensnijwerk van 3 mm tot 300 mm, plasmasnijwerk van 1 mm tot 150 mm en lasersnijwerk van 0,5 mm tot 40 mm. De ISO 9013-222 omvat ook de geometrische productspecificaties en toleranties op de kwaliteit.

Waarom is autogeensnijden van RVS en Aluminium niet mogelijk?

Als het koolstofgehalte in het materiaal toeneemt, neemt ook de benodigde voorverwarmingstemperatuur toe. RVS en Aluminium hebben een hoog koolstofgehalte, de smelttemperatuur van de slak is dan hoger dan de smelttemperatuur van het moedermateriaal. Dit betekent dat het moedermateriaal eerder zal smelten dan de slak. In dit geval kan het materiaal niet autogeen gesneden worden. In plaats van het autogeensnijden is het wel mogelijk om dun plaatwerk van RVS of aluminium te lasersnijden en RVS of aluminium met een plaatdikte boven de 20 mm te plasmasnijden.

Toleranties voor het autogeensnijden van groot en dik plaatwerk

Toleranties autogeensnijden:
Bij autogeensnijden is de tolerantie van het snijwerk vaak minder belangrijk. Over het algemeen geldt, hoe groter en dikker het plaatwerk hoe groter de afwijking van het autogeensnijwerk. In de onderstaande tabel worden de afwijkingen voor autogeensnijden bij Tosec gegeven:

Materiaaldikte (mm)		Nominale maat (mm) >
		> 0	> 3	> 10	> 35	> 125	> 315	> 1000	> 2000
		< 3	< 10	< 35	< 125	< 315	< 1000	< 2000	< 4000
		Afwijking (mm) >
> 10	< 50	–	± 1,8	± 1,8	± 1,8	± 1,9	± 2,3	± 3,0	± 4,2
> 50	< 100	–	–	± 2,5	± 2,5	± 2,6	± 3,0	± 3,7	± 4,9

EN-ISO 9013:2002 (autogeen snijden)
De kwaliteit van autogeensnijwerk valt onder de EN-ISO 9013:2002 norm. Deze norm heeft betrekking op de tolerantieklasse, de haaksheid en de ruwheid van de snede. Tosec levert snijwerk volgens de EN-ISO 9013:2002 norm.