Schweißen: Streckenenergie & Wärmeeinbringen
Berechnen Sie die Streckenenergie und das Wärmeeinbringen einer Schweißnaht aus Schweißspannung, Schweißstrom und Schweißgeschwindigkeit. Verfahren wählen – der thermische Wirkungsgrad eta wird als Richtwert nach DIN EN 1011-1 gesetzt (oder frei vorgeben) – der Rechner liefert Bruttostreckenenergie und Wärmeeinbringen live mit jeder Eingabe.
Streckenenergie & Wärmeeinbringen
Modell: Streckenenergie E_s = U·I/v und Wärmeeinbringen E = eta·U·I/v aus den elektrischen Prozessgrößen. Formel fachbuchbelegt, eta-Werte als DIN-EN-1011-1-Richtwerte. Kein t8/5-Nachweis; Blechdicke, Nahtgeometrie und Vorwärmung sind nicht berücksichtigt (dafür DIN EN 1011-2).
Ergebnisse
Berechnung läuft …
Formeln und Grundlagen
Die Streckenenergie E_s ist die je Millimeter Nahtlänge zugeführte elektrische Energie: E_s = U·I/v mit der Schweißspannung U in Volt, dem Schweißstrom I in Ampere und der Schweißgeschwindigkeit v in mm/s. Das Produkt U·I ist die elektrische Leistung im Schweißstromkreis in Watt; geteilt durch die Geschwindigkeit ergibt sich unmittelbar die Energie je Millimeter Naht in J/mm.
Das Wärmeeinbringen E berücksichtigt zusätzlich den thermischen Wirkungsgrad eta des Verfahrens, also die Fähigkeit, die zugeführte Energie tatsächlich als Wärme in das Werkstück zu übertragen: E = eta·U·I/v. Der Wirkungsgrad ist verfahrensabhängig – Unterpulverschweißen überträgt nahezu die gesamte Energie (eta = 1,0), während beim WIG-Prozess ein erheblicher Anteil über den offenen Lichtbogen abgestrahlt wird (eta = 0,6). Die Formel ist fachbuchbelegt (Fertigungstechnik), die eta-Richtwerte sind publizierte Normwerte nach DIN EN 1011-1.
Das Wärmeeinbringen bestimmt maßgeblich die Abkühlgeschwindigkeit der Naht und damit die Abkühlzeit t8/5, die Dauer der Abkühlung von 800 auf 500 Grad Celsius. Ein hohes Wärmeeinbringen verlängert t8/5, führt zu weicherem Gefüge und geringerer Aufhärtung, aber auch zu grobkörnigerer Wärmeeinflusszone; ein niedriges Wärmeeinbringen verkürzt t8/5 mit dem Risiko harter, rissempfindlicher Gefüge. Die zulässigen Grenzen ergeben sich aus Werkstoff und Blechdicke (DIN EN 1011-2).
Rechenbeispiel
Eine MAG-Schweißung wird mit U = 25 V, I = 250 A und einer Schweißgeschwindigkeit v = 5 mm/s ausgeführt. Der thermische Wirkungsgrad des Metall-Schutzgasschweißens beträgt nach DIN EN 1011-1 eta = 0,8.
Die elektrische Leistung ist P = U·I = 25·250 = 6250 W. Daraus folgt die Bruttostreckenenergie E_s = U·I/v = 6250/5 = 1250 J/mm.
Mit dem Wirkungsgrad ergibt sich das Wärmeeinbringen E = eta·U·I/v = 0,8·1250 = 1000 J/mm = 1,0 kJ/mm. Dieser Wert ist die maßgebende Größe für die Abschätzung von t8/5 und der Aufhärtung der Wärmeeinflusszone.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Streckenenergie und Wärmeeinbringen?
Die Streckenenergie E_s = U·I/v ist der Bruttowert der je Millimeter Naht zugeführten elektrischen Energie. Das Wärmeeinbringen E = eta·U·I/v ist der Nettowert, der über den thermischen Wirkungsgrad eta nur den tatsächlich ins Werkstück eingebrachten Anteil erfasst. Für die Bewertung von Gefüge und Abkühlzeit ist das Wärmeeinbringen maßgebend.
Welche eta-Werte gelten je Verfahren?
Nach DIN EN 1011-1 gelten als Richtwerte des relativen thermischen Wirkungsgrads: Unterpulverschweißen (UP) 1,0; Metall-Schutzgasschweißen (MAG/MIG) 0,8; Lichtbogenhandschweißen (E-Hand) 0,8; Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) 0,6. Diese Werte sind Normrichtwerte; die Formel selbst ist fachbuchbelegt.
In welcher Einheit muss die Schweißgeschwindigkeit eingegeben werden?
Der Rechner erwartet v in mm/s, dann ergibt sich das Ergebnis direkt in J/mm. Zur Umrechnung: 1 mm/s entspricht 6 cm/min. Eine oft angegebene Geschwindigkeit von 30 cm/min sind also 5 mm/s.
Warum ist das Wärmeeinbringen für die t8/5-Zeit wichtig?
Die Abkühlzeit t8/5 von 800 auf 500 Grad Celsius steuert die Gefügebildung in der Wärmeeinflusszone. Ein höheres Wärmeeinbringen verlängert t8/5 und vermeidet harte, rissempfindliche Aufhärtung; ein zu hohes Wärmeeinbringen verschlechtert jedoch die Zähigkeit durch Kornvergröberung. Der zulässige Bereich ist werkstoff- und dickenabhängig nach DIN EN 1011-2 nachzuweisen.
Berücksichtigt der Rechner Nahtvorbereitung und Vorwärmung?
Nein. Der Rechner liefert die Streckenenergie und das Wärmeeinbringen aus den elektrischen Prozessgrößen. Blechdicke, Nahtgeometrie, Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur sowie der eigentliche t8/5-Nachweis sind nicht enthalten und nach DIN EN 1011-2 gesondert zu führen.
Verwandte Tools
Schweißnahtberechnung EN 1993-1-8
Kehlnähte nach EN 1993-1-8 nachweisen: Nahtspannungen und Tragfähigkeit.
Werkstoffkennwerte
Festigkeits- und Werkstoffkennwerte gängiger Konstruktionswerkstoffe nachschlagen.
Zerspankraft, Leistung & Hauptzeit (Kienzle)
Schnittkraft, Schnittleistung und Hauptzeit beim Drehen, Fräsen und Bohren nach Kienzle bestimmen.