Schweißbrenner 06.11.2008, 14:08

Im Schweißbrenner steckt mehr Technik als man ihm ansieht. Beschreibung seiner Funktion und erläuternde Unterrichtsversuche dazu.

So funktioniert ein Schweißbrenner

Das Innenleben des Schweißbrenners baut auf einem Phänomen auf, das wir hier aufklären wollen.

Dem Brenner werden zwei Gase zugeführt: Das Brenngas, Azetylen, und der zum Verbrennen des Gases erforderliche Sauerstoff. Beide Gase, die im Brenner gemischt werden müssen, haben zunächst unterschiedlich hohe Drücke: Sauerstoff strömt mit 2,5 bar zu, Azetylen mit ca. 0,5 bar. Die Befürchtung, das Gas mit dem höheren Druck lasse dem mit dem niedrigeren Druck keine Chance, in das Brennerrohr zu gelangen oder müsse es gar zurückdrängen, ist unbegründet.

Warum?

Wir gehen noch einmal zum Bernoulli-Versuch zurück, der für die Vorgänge im Schweißbrenner höchst aufschlussreich ist. Verengt sich ein Rohr, dann steigt die Geschwindigkeit (v) des im Rohr fließenden Mediums, während sein Druck (p) abfällt.

Wir betrachten den Sauerstoff (blau). Er gelangt in die zentrale Druckdüse, deren Querschnitt sich verengt. Dadurch fällt sein Druck ab und ist am linken Ende der Düse ebenso groß wie der Druck des Azetylens (rot). So können beide Gase in die Mischdüse strömen, wo sie verwirbelt werden. Den Brennermund verlässt ein Azetylen-Sauerstoff-Gemisch, das beim Verbrennen die nötige Schweißwärme erzeugt.

Die Mischung der beiden Gase lässt sich durch unterschiedliche Einstellungen des Druckminderventils verändern. Die drei Zustände: neutrale Flamme, Flamme mit Sauerstoff-Überschuss und Flamme mit Azetylen-Überschuss wirken sich auf das Schweißen und die Schweißnaht unterschiedlich aus. Dies werden wir an anderer Stelle besprechen.

Was in der Gasschweißanlage und im Schweißbrenner geschieht, lässt sich mit einigen nicht allzu komplizierten Versuchen erläutern. Sie sind allerdings ohne die Einrichtungen des Physik- und Chemieraums nicht zu machen. Auch sind dabei Sicherheitsvorschriften zu beachten (Abzug, Sicherheitsbrille, Arbeitshandschuhe, Chemikalien entsorgen usw.). Ziehen Sie einen Fachkollegen zu Rate, wenn Ihnen der eine oder andere Versuch zu schwierig erscheint.

Was in den folgenden Versuchsskizzen nicht dargestellt ist, sind die nötigen Hilfsmittel und Halterungen wie Stative, Klemmen usw.

Erläuterungen zu den Versuchen. Sie setzen einige Kenntnisse über die Gasschweißtechnik voraus.

Das Brenngas Azetylen (C₂H₂) ist ein hochexplosives Gas, mit dem auf der Baustelle und in der Werkstatt mit der gebührenden Vorsicht umzugehen ist. In der Gasflasche wird es dadurch entschärft, dass man die Flasche mit einer festen, porösen Masse auspolstert und sie mit einer bestimmten Menge Azeton, einem wasserklaren Lösungsmittel, füllt.
Was beim Befüllen mit Azetylen in der Flasche geschieht, kann man mit Aktivkohle und Brom zeigen: Man gibt einige Tropfen des (giftigen!) Broms in ein großes Reagenzglas. Dort kann man beobachten, wie die Flüssigkeit verdampft und langsam den mit einem Stopfen verschlossenen Raum mit braunem Gas ausfüllt. Gibt man nun einen knappen Teelöffel Aktivkohle dazu und schüttelt das Ganze, dann verschwindet der Bromdampf wie von Geisterhand. Die wenigen Aktivkohlekörnchen mit ihrer unglaublich großen inneren Oberfläche binden die Brommoleküle an sich.

Der Grundstoff zur Gewinnung von Azetylen ist Calciumcarbid CaC₂. Dieses sieht aus wie Kiessplitt, zersetzt sich aber in Wasser in einer heftigen Reaktion. Deshalb den Versuch mit nur einigen Körnchen Calciumcarbid beginnen. Das aufsteigende Gas wird durch eine Wasservorlage geleitet, die eine reine Sicherheitseinrichtung ist. Würde nämlich beim Entzünden des Azetylens die Flamme zurückschlagen, dann träfe sie zuerst auf der Wasseroberfläche der Vorlage auf und bildete keine weitere Gefahr. Ein leichtsinniger Unfug wäre es, würde man sich die Vorlage sparen.

Wir kommen zur Schweißbrenner-Technik.
Ein völlig harmloser Versuch zeigt, wie sich die Drücke durchströmender Luft in einem Glasrohr mit unterschiedlich großen Querschnitten verhalten. Dass dies tatsächlich auch im Schweißbrenner so abläuft, zeigen wir im Unterricht mit einem originalen, größeren Schweißbrenner. Anstatt an die Sauerstoffflasche wird er an Druckluft angeschlossen. Der Azetylenschlauch wird durch einen in der Physik üblichen Gummischlauch ersetzt und in einen größeren Wasserbecher eingetaucht. Öffnet man das Sauerstoffventil zunächst nur leicht, dann erlebt man, wie das Wasser langsam angesaugt wird und aus dem Brennermund spritzt.

Die zwei letzten Versuche mit Bunsenbrennern und Erdgas zeigen, dass
- in einer Flamme an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Temperaturen herrschen, und
- warum das Verschweißen von Aluminium so schwer ist. 

In einer Flamme gibt es unterschiedliche Verbrennungssituationen. Direkt nach dem Brennermund mischen sich Brenngas und Luft (Sauerstoff) zuerst einmal und brennen nur am Mantel. Im Inneren findet noch keine Verbrennung statt.
Die Flammentemperatur nimmt entsprechend der zur Flamme gezeichneten Temperaturkurve zu und erreicht einige Milimeter oberhalb des Flammenkegels sein Maximum. Dort findet eine vollständige Verbrennung statt. Danach wird sie wieder kälter.  Optimales Schweißen muss also in der Zone mit maximaler Temperatur stattfinden. Erdgas erreicht etwa 1000°C, Azetylen das Zweieinhalbfache.

Wenn Sie keinen Temperatur-Messstab mit der dazu gehörigen Messeinrichtung haben, nehmen Sie einfach einen Holzspan und setzen ihn bei brennender Flamme quer auf den Brennermund. Sie erkennen, dass er nur am Brennerrand verkohlt, dazwischen aber hell bleibt. Das Verkohlen nimmt erst zu, wenn man den Span in der Flamme langsam nach oben bewegt.

Reinaluminium schmilzt schon bei 650°C. Erhitzt man jedoch ein Aluminiumblech mit Erdgas an der Luft, dann wird man vergeblich auf das Schmelzen des Metalls warten, obwohl die Flamme nachweisbar 1000 °C heiß ist. Was geschieht?

Aluminium verbindet sich in der Hitze leicht mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid Al₂O₃. Dieses ist aber nicht mehr Aluminium, was man schon an seinem Schmelzpunkt von annähernd 2000°C erkennt. Außerdem ist Aluminiumoxid ein Stoff mit extremer Härte (im Gegensatz zu Aluminium), die sich mit Diamanten vergleichen lässt. Aber das Allerschlimmste für den Schweißer: Aluminiumoxid hält nichts von guten Schweißverbindungen. Was ist also zu tun? Man muss verhindern, dass sich diese für den Schweißer unerfreuliche chemische Verbindung Aluminiumoxid bildet. Spezielle Schweißverfahren, die um die Schweißstelle eine neutrale und den Luftsauerstoff abhaltenden Edelgasblase legen, sind die Lösung des Problems.

Im Versuch bildet sich eine dünne Aluminiumoxid-Schicht, die wie ein Sack mit flüssigem Aluminium gefüllt ist. Wir brauchen den Sack nur mit einem Stück Schweißdraht zu durchstechen und es wird schönes weißes Aluminium heraus fließen.