Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur autogenen Bearbeitung von Metallen, bei dem Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle und Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle an einem Bearbeitungswerkzeug zusammengeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden, wobei vor einer Mündungsöffnung des Bearbeitungswerkzeugs eine zur autogenen Bearbeitung eines Werkstücks eingesetzte Flamme erzeugt wird.

Zum autogenen Brennschneiden von Metallen, wie auch zu anderen autogenen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Flammrichten, Fugenhobeln oder Autogenschweißen, kommen heute überwiegend auf Kohlenwasserstoffen basierende Brenngase wie Propan, Acetylen, Propen, Ethen usw. zum Einsatz, wie beispielsweise in der DE 2 823 305 A1 beschrieben. Auf Grund der bei der Verbrennung dieser Gase entstehenden Kohlendioxidemission werden in naher Zukunft durch bereits jetzt in Vorbereitung befindliche Gesetzesregelungen genau diese Brenngase und Brenngasgemische mit einer CO2 - Steuer belegt werden. Unabhängig vom Kostenaspekt hat die Vermeidung von klimaschädlichem Kohlendioxid sowie anderer Emissionen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Mikro-Partikel (Kohlenstoff), die als Reaktionsprodukte der Verbrennung entstehen, einen hohen Stellenwert zur Erhöhung der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes.

An Stelle kohlenstoffbasierter Brenngase bietet sich der schon seit über 100 Jahren auch als Brenngas in der Autogentechnik bekannte Wasserstoff als Alternative an. In der Autogentechnik ist die Verwendung von Wasserstoff als Brenngas jedoch mit dem Nachteil verknüpft, dass er mit Sauerstoff in einer bläulichen, transparenten Flamme verbrennt, die insbesondere im helleren Umfeld fast nicht sichtbar ist. Die damit einhergehende schlechte Beobachtbarkeit der Flamme erschwert oder verhindert eine saubere Einstellung des Primärflammenkegels sowie das Handling beim Einhalten eines definierten Abstandes zwischen dem oder den Flammenkegeln und der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. Die Einstellung eines optimalen Brenngas-Sauerstoffgemisches ist unter diesem Aspekt visuell nur schwer durchführbar oder gar unmöglich. Für manuelle Arbeiten ist ein zufriedenstellender Einsatz von Wasserstoff als Brenngas aus diesen Gründen nur in Ausnahmefällen möglich. Im automatisierten Betrieb könnte man sich einer geeigneten Regeltechnik mittels Durchflussmessern o.ä. bedienen, jedoch erfordert dies einen zusätzlichen apparativen Aufwand, der wiederum die Fehleranfälligkeit erhöht.

Aus der EP 0 952 205 A1 ist bekannt, zur besseren Sichtbarmachung einer Wasserstoffflamme eines Schneidbrenners ein Brennstoffgasgemisch einzusetzen, das aus Wasserstoff und Azetylen im Verhältnis von 99:1 bis 90:10 besteht. Das Gasgemisch wird dabei in einem Behälter bereitgestellt oder direkt in eine stromauf zum Schneidbrenner angeordneten Mischeinrichtung hergestellt. Die Speicherung oder Förderung eines Acetylen enthaltenden Gasgemisches ist jedoch nicht unproblematisch, da Acetylen zum explosiven Selbstzerfall neigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zum Einsatz von Wasserstoff als Brenngas in der Autogentechnik zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.

Ein Verfahren zur autogenen Bearbeitung von Metallen, bei dem Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle und Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle an einem Bearbeitungswerkzeug zusammengeführt und miteinander zur Reaktion gebracht werden, wobei stromab zu einer Mündungsöffnung des Bearbeitungswerkzeugs eine zur autogenen Bearbeitung eines Werkstücks eingesetzte Flamme erzeugt wird, ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasserstoff im Bearbeitungswerkzeug, strömungstechnisch vor der Erzeugung der Flamme, ein mit Sauerstoff in einer sichtbaren Flamme verbrennendes Zusatzgas aus einer Zusatzgasquelle beigemischt wird.

Gemäß der Erfindung wird dem als eigentliches Brenngas für die autogene Bearbeitung eingesetzten Wasserstoff erst im Bearbeitungswerkzeug, bei dem es sich beispielsweise um einen Schneidbrenner handelt, ein Zusatzgas beigemischt. Durch die sehr späte Zuführung des Zusatzgases können auch zum spontanen Selbstzerfall neigende Gase, wie Acetylen, als Zusatzgas ohne Gefährdung eines Benutzers eingesetzt werden. Das Zusatzgas ist gleichfalls brennbar und verbrennt mit Sauerstoff in einer im sichtbaren Spektralbereich gut wahrnehmbaren Flamme. Die von dem mit dem Wasserstoff durchmischten Zusatzgas ausgelösten Verbrennungsvorgänge führen zu einer guten Wahrnehmbarkeit der insgesamt entstehenden Flamme. Die für die autogene Bearbeitung wichtigen Parameter, wie beispielsweise die Flammentemperatur, Zündgeschwindigkeit oder Flammenleistung werden durch das Zusatzgas nicht oder nur unwesentlich oder sogar positiv beeinflusst. Die vorgenannten Nachteile bei der Verwendung von reinem Wasserstoff als Brenngas können dadurch überwunden werden.

Als „Wasserstoff“ soll hier ein Gas mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 99,5 Vol.-%, bevorzugt von mindestens 99,99 Vol.-% verstanden werden.

Als „Sauerstoff“ soll hier ein sauerstoffhaltiges Gas mit einem Sauerstoffanteil von über 90 Vol.-% verstanden werden, bevorzugt ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von über 99 Vol.-%, besonders bevorzugt mit einem Sauerstoffanteil von über 99,9 Vol.-%.

Als Wasserstoffquelle und als Sauerstoffquelle kommen für autogene Bearbeitungsverfahren übliche Quellen zum Einsatz, insbesondere handelt es sich dabei jeweils um eine Druckgasflasche, ein Druckgasflaschenbündel oder ein Tank.

Als Zusatzgas kommt bevorzugt ein kohlenstoffhaltiges Gas zum Einsatz, wie Acetylen, Methylacetylen, Butin oder Butadien, das in einem Volumenstromverhältnis von 1-50 %, bevorzugt 2-10%, besonders bevorzugt 2-3% dem Wasserstoff beigemischt wird. Alternativ kann als Zusatzgas auch eine Phosphorverbindung zum Einsatz kommen, bevorzugt eine gasförmige Phosphor-Wasserstoff-Verbindung wie PH3, oder eine gasförmige Schwefelverbindung, wie Schwefelwasserstoff (H2S). In diesem Fall sollte die Beimengung des Zusatzgases im Volumen bzw. dem Volumenstrom des Wasserstoffs nicht mehr als 50 vpm, bevorzugt zwischen 10 vpm und 50 vpm betragen; selbst eine derart geringe Dotierung genügt immer noch zur Erzeugung einer gut sichtbaren Flamme. Ebenso vorstellbar ist ein Zusatzgas in Gestalt eines Gemisches von zweien oder dreien der genannten Gase. Im Übrigen sollte im Betrieb des Bearbeitungswerkzeug das Volumenstromverhältnis aus dem Wasserstoff und dem Zusatzgas in den vorgenannten Grenzen oder darüber hinaus zweckmäßigerweise auch verändert werden können, beispielsweise um eine kurzzeitig notwendige stärkere Sichtbarkeit der Flamme realisieren zu können.

Als Zusatzgasquelle kommt ein für das entsprechende Zusatzgas geeigneter Behälter zum Einsatz, wie beispielsweise ein Druckbehälter oder Tank; im Falle von Acetylen kommt beispielsweise eine für die Lagerung von Acetylen zugelassene Flasche oder ein zugelassenes Acetylen-Flaschenbündel zum Einsatz.

Als Bearbeitungswerkzeug kommt erfindungsgemäß ein übliches Werkzeug für die autogene Bearbeitung Verwendung, beispielsweise eine Autogen- Brennschneidmaschine, eine Einrichtung zum Flammspritzen, eine Einrichtung zum Fugenhobeln oder ein Autogen-Schweißgerät zum Einsatz. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit insbesondere für alle der eingangs genannten autogenen Bearbeitungsverfahren.

Die Zuführung des Zusatzgases in den Wasserstoff im Bearbeitungswerkzeug erfolgt bevorzugt an einer geeigneten Mischarmatur, die stromauf zur Zuführung des Sauerstoffs im Bearbeitungswerkzeug angeordnet ist. Beispielsweise ist innerhalb des Bearbeitungswerkzeugs eine Druckdüse vorgesehen, an der die Einmischung des Zusatzgases in den Wasserstoff erfolgt, und die (in Strömungsrichtung des Wasserstoffs gesehen) stromauf zu einer Zusammenführung des Wasserstoff- Zusatzgas-Gemischs mit dem zugeführten Sauerstoff angeordnet ist. Auch bei dieser kann es sich um eine Druckdüse handeln.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis der Volumenströme aus Wasserstoff und Zusatzgas bzw. Wasserstoff-Zusatzgas- Gemisch und Sauerstoff im Einsatz am Bearbeitungswerkzeugs variabel einstellbar, wobei die Änderung des Volumenstromverhältnisses jeweils durch Änderung des Volumenstroms einer Komponente bei ansonsten konstantem Volumenstrom der anderen Komponente oder durch eine Änderung jeweils beider Volumenströme, bei im Wesentlichen konstant bleibendem Gesamtvolumenstrom, erfolgen kann. Hierzu ist das Bearbeitungswerkzeug bevorzugt mit einer Mischarmatur ausgerüstet, die eine entsprechende Einstellung der Volumenströme erlaubt. Die Einstellung der Volumenströme erfolgt bevorzugt manuell; alternativ oder ergänzend kann jedoch auch eine automatische Steuerung vorgesehen sein, die das Volumenstromverhältnis der jeweiligen Komponenten nach einem vorgegebenen Programm und/oder in Abhängigkeit von Messparametern regelt. Als Regelgröße kommt beispielsweise eine bestimmte Flammenhelligkeit, ein vorgegebener Wert oder Verlauf für das Mischungsverhältnis oder ein Grenzwert für einen Stoff im Abgas in Betracht, die mit einem gemessenen Wert der entsprechenden Größe kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen verglichen wird. Im Falle der vorerwähnten Hintereinanderschaltung von Druckdüsen sind diese dabei bevorzugt mit unabhängig voneinander einstellbaren Regeleinrichtungen versehen, die eine manuelle bzw. automatisierte Einstellung der Volumenstromverhältnisse an der jeweiligen Druckdüse ermöglichen.

Die freie Einstellbarkeit der Volumenstromverhältnisse ermöglicht die flexible Anpassung der Gaszuströme an den Flammentyp und/oder den jeweiligen Gegebenheiten, unter denen die autogene Bearbeitung stattfindet. Beispielsweise wird je nach Autogenverfahren und/der dem zu bearbeitenden Werkstoff eine oxidierende (also mit Sauerstoffüberschuss betriebene), eine reduzierende (mit Wasserstoffüberschuss betriebene) oder eine neutrale Flamme verlangt. Um den Gemischzustand beurteilen zu können, müsste ein Anwender eine Primärflammenkegel erkennen können, der aber bei einer reinen Wasserstoffflamme nicht oder kaum sichtbar ist. Durch die frei einstellbare Zudosierung des Zusatzgases kann ein Primärflammenkegel auch bei unterschiedlichen Flammentypen oder unterschiedlichen sonstigen Gegebenheiten, wie beispielsweise die Lichtverhältnisse im Arbeitsbereich, für einen Anwender deutlich sichtbar gemacht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle bekannten autogenen Bearbeitungsverfahren geeignet, beispielsweise zum Autogenschweißen, Brennschneiden, Flammrichten oder Fugenhobeln. Darüber hinaus können alle üblicherweise mit Autogentechnik bearbeitbare Werkstoffe bearbeitet werden, insbesondere un- oder niedrig legierte Stähle oder Aluminiumwerkstoffe. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für das Brennschneiden von un- oder niedrig legierten Stählen, insbesondere von solchen mit einer Blechdicke von über 10 mm.