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Schweißdatenrechner

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Erklärungen zur Streckenenergie

Die während des Schweißens auftretenden Temperaturzyklen (Temperatur-Zeit-Verlauf) haben maßgebenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone. Die Temperaturzyklen ihrerseits sind von den Schweißbedingungen abhängig. Unter Schweißbedingungen versteht man dabei eine Vielzahl von Einflussgrößen wie z.B. Lichtbogenspannung, Schweißstrom, Schweißgeschwindigkeit, Arbeitstemperatur, Blechdicke, Schweißverfahren und Nahtform[1]. Die Schweißparameter Lichtbogenspannung, Schweißstrom und Schweißgeschwindigkeit können dabei als Streckenenergie zusammengefasst werden.

Gemäß [2] berechnet sich die Streckenenergie als: Formel:

E = (U * I) / v
mit

  • U: Lichtbogenspannung
  • I: Schweißstrom
  • v: Schweißgeschwindigkeit

Die Streckenenergie stellt somit ein Maß für die Energie dar, die dem Schweißprozess zugeführt wird.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass nicht die gesamte der Stromquelle entnommene elektrische Energie dem Schweißbad zugeführt werden kann, sondern je nach Schweißverfahren und Schweißbedingungen lediglich ein bestimmter Teil. Einfluss auf den Erstarrungsverlauf im Schweißgut und die thermisch bedingten Gefügeänderungen in der Wärmeeinflusszone hat jedoch nur diese wirklich in den Schweißnahtbereich eingebrachte Energie. Daher ist es bei differenzierter Betrachtung erforderlich, die Energieverluste zu berücksichtigen [3].

Das kann dadurch geschehen, dass man die Streckenenergie E um einen Faktor eta erweitert, der sich aus dem Verhältnis der in den Nahtbereich eingebrachten zu der dem Schweißprozess zugeführten Energie ergibt. Das so definierte Wärmeeinbringen Q berechnet sich demnach als [2]:

Q = eta E = eta (U * I) / v

mit

  • Q: Wärmeeinbringen
  • E: Streckenenergie
  • eta: thermischer Wirkungsgrad
  • U: Lichtbogenspannung
  • I: Schweißstrom
  • v: Schweißgeschwindigkeit

Für den thermischen Wirkungsgrad von Schweißprozessen (eta) gelten, soweit nicht anders vorgegeben, Werte entsprechend nachstehender Tabelle[5].

 

Thermischer Wirkungsgrad von Schweißprozessen
ProzessFaktor eta
Unterpulverschweißen1,0
Lichtbogenschweißen mit Stabelektrode0,8
Metall-Aktivgasschweißen (MAG)0,8
Metall-Inertgasschweißen (MIG)0,8
Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)0,6

 

Oft ist es bei einer geplanten Schweißaufgabe, die durch Schweißverfahren, Blechdicke und Nahtform vorgegeben ist, jedoch erforderlich, ein ganz bestimmtes Gefüge in der Wärmeeinflusszone zu erhalten, welches durch eine vorgegebene Abkühlzeit t8/5 bestimmt wird. Durch Umformen der allgemeinen Formeln zur Berechnung der Abkühlzeit t8/5 lässt sich so das maximal zulässige Wärmeeinbringen und daraus auch die maximale Streckenenergie berechnen [2]. So ist es möglich, geeignete Schweißparameterkombinationen (Lichtbogenspannung, Schweißstrom, Schweißgeschwindigkeit) für die geplante Schweißaufgabe zu ermitteln.

Bei der Berechnung der Streckenenergie bei vorgegebener Schweißaufgabe ist jedoch zwischen drei- und zweidimensionaler Wärmeableitung zu unterscheiden. Beim Schweißen verhältnismäßig dicker Werkstücke erfolgt die Wärmeableitung dreidimensional. Die über den Lichtbogen eingebrachte Wärme kann in der Werkstückebene und zusätzlich in Richtung der Werkstückdicke abfließen. Diese wirkt sich daher nicht auf die Abkühlzeit aus. Bei zweidimensionaler Wärmeableitung erfolgt der Wärmefluss dagegen ausschließlich in der Werkstückebene. Die Werkstückdicke ist in diesem Fall maßgebend für die zur Wärmeableitung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche und hat damit einen ausgeprägten Einfluss auf die maximal zulässige Streckenenergie[4].

Beim Schweißen verhältnismäßig dicker Bleche (dreidimensionale Wärmeableitung) berechnet sich die Streckenenergie nach folgender Gleichung:

Formel (dreidimensionale Wärmeableitung):

E = t8/5 / [(6700 - 5 T0) eta ((1 / (500 - T0)) - (1 / (800 - T0))) F3]

mit

  • t8/5: Abkühlzeit t8/5
  • T0: Vorwärmtemperatur
  • eta: Thermischer Wirkungsgrad
  • F3: Nahtfaktor bei dreidimensionaler Wärmeableitung

Beim Schweißen von Erzeugnissen mit verhältnismäßig geringer Dicke liegt zweidimensionale Wärmeableitung vor. Die Streckenenergie berechnet sich nach folgender Gleichung:

Formel (zweidimensionale Wärmeableitung):

E = (t8/5 d2 / [(4300 - 4.3 T0) 105 eta2 ((1 / (500 - T0))2 - (1 / (800 - T0))2) F2])0,5

mit

  • t8/5: Abkühlzeit t8/5
  • d: Blechdicke
  • T0: Vorwärmtemperatur
  • eta: Thermischer Wirkungsgrad
  • F2: Nahtfaktor bei zweidimensionaler Wärmeableitung

Die Zahl der denkbaren Nahtarten ist dabei so groß, dass eine quantitative Klärung des Einflusses aller auf die maximale Streckenenergie mit extrem hohem Aufwand verbunden wäre. Deshalb sind in untenstehender Tabelle nur die Nahtfaktoren für die gebräuchlichsten Nahtarten bei dreidimensionaler Wärmeableitung (F3) und zweidimensionaler Wärmeableitung (F2) zusammengefasst[5].

 

Nahtfaktoren
NahtartF3F2
Auftragraupe1,01,0
1. und 2. Kehlnaht am T- oder Kreuzstoß0,670,45 bis 0,67
3. und 4. Kehlnaht am T- oder Kreuzstoß0,670,3 bis 0,67
Kehlnaht am Eckstoß0,670,9
Kehlnaht am Überlappstoß0,670,7
Wurzellage von V-Nähten (Öffnungswinkel 60°, Stegabstand 3 mm)1,0 bis 1,2rd. 1,0
Wurzellage von Doppel-V-Nähten (Öffnungswinkel 50°, Stegabstand 3 mm)0,7rd. 1,0
Mittellagen von V- und Doppel-V-Nähten0,8 bis 1,0rd. 1,0
Decklagen von V- und Doppel-V-Nähten0,9 bis 1,01,0
I-Naht, "Lage-Gegenlage-Schweißung"-1,0

 

Wenn die jeweilige Werkstückdicke in der Nähe der Übergangsblechdicke (s. u.) liegt, entspricht der Wert des Nahtfaktors F2 dem von F3. Je kleiner die Werkstückdicke im Vergleich zur Übergangsblechdicke ist, umso deutlicher unterscheiden sich F2 und F3[4].

Die Blechdicke beim Übergang von drei- zu zweidimensionaler Wärmeableitung bezeichnet man als Übergangsblechdicke dü. Durch Gleichsetzen der Formeln zur Berechnung der Abkühlzeit t8/5 für drei- und zweidimensionale Wärmeableitung ergibt sie sich zu:

dü = [((4300 - 4,3 T0) / (6700 - 5 T0)) 105 Q * (( 1 / (500 - T0)) + (1 / (800 - T0)))]0,5

mit

  • Q: Wärmeeinbringen
  • T0: Vorwärmtemperatur

 


Schrifttum:
[1] Degenkolbe, J., Uwer, D., und Wegmann, H. G.:
Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen durch die Abkühlzeit t8/5 und deren Ermittlung. Thyssen Technische Berichte, Heft 1/85, S. 57 - 73
[2] Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088 Beiblatt 2:
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle - Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen; Ermittlung der Abkühlzeit t8/5 zur Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen. 4. Ausgabe, Oktober 1993, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
[3] Uwer, D. und Wegmann, H. G.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Einfluss von Schweißverfahren und Nahtart auf die Abkühlzeit. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 28 (1976), Heft 4, S. 132 - 136
[4] Uwer, D.:
Rechnerisches und grafisches Ermitteln von Abkühlzeiten beim Lichtbogenschweißen. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 30 (1978), Heft 7, S. 243 - 248
[5] Uwer, D. und Degenkolbe, J.: Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen. Stahl und Eisen 97 (1977), Nr. 24, S. 1201 - 1207

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