Schweißen: Streckenenergie & Wärmeeinbringen
Berechnen Sie die Streckenenergie und das Wärmeeinbringen einer Schweißnaht aus Schweißspannung, Schweißstrom und Schweißgeschwindigkeit. Verfahren wählen - der thermische Wirkungsgrad η wird als Richtwert nach DIN EN 1011-1 gesetzt (oder frei vorgeben) - der Rechner liefert Bruttostreckenenergie und Wärmeeinbringen live mit jeder Eingabe.
Berechnung
η-Richtwerte und Abkühlzeit t8/5Der thermische Wirkungsgrad η ist verfahrensabhängig und bestimmt über das Wärmeeinbringen die Abkühlzeit t8/5 der Wärmeeinflusszone.Details einblenden
η-Richtwerte (DIN EN 1011-1)
Relativer thermischer Wirkungsgrad je Verfahren: UP 1,0; MAG/MIG 0,8; E-Hand 0,8; WIG 0,6. Publizierte Normrichtwerte; die Formel E = η·U·I/v ist fachbuchbelegt.
Hinweis t8/5
Das Wärmeeinbringen bestimmt die Abkühlzeit t8/5 (800 auf 500 Grad Celsius) und damit Gefüge und Härte der Wärmeeinflusszone: höheres E verlängert t8/5. Der zulässige Bereich ist werkstoff- und dickenabhängig nach DIN EN 1011-2 nachzuweisen.
Modell: Streckenenergie E_s = U·I/v und Wärmeeinbringen E = η·U·I/v aus den elektrischen Prozessgrößen. Formel fachbuchbelegt, η-Werte als DIN-EN-1011-1-Richtwerte. Kein t8/5-Nachweis; Blechdicke, Nahtgeometrie und Vorwärmung sind nicht berücksichtigt (dafür DIN EN 1011-2).
Ergebnisse
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Formeln und Grundlagen
Streckenenergie
Die Streckenenergie E_s ist die je Millimeter Nahtlänge zugeführte elektrische Energie:
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.
Wärmeeinbringen und thermischer Wirkungsgrad η
Das Wärmeeinbringen E berücksichtigt zusätzlich den thermischen Wirkungsgrad η des Verfahrens, also die Fähigkeit, die zugeführte Energie tatsächlich als Wärme in das Werkstück zu übertragen:
Der Wirkungsgrad ist verfahrensabhängig - Unterpulverschweißen überträgt nahezu die gesamte Energie (η = 1,0), während beim WIG-Prozess ein erheblicher Anteil über den offenen Lichtbogen abgestrahlt wird (η = 0,6). Die Formel ist fachbuchbelegt (Fertigungstechnik), die η-Richtwerte sind publizierte Normwerte nach DIN EN 1011-1.
Bedeutung für die Abkühlzeit t8/5
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 η = 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 = η·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 = η·U·I/v ist der Nettowert, der über den thermischen Wirkungsgrad η nur den tatsächlich ins Werkstück eingebrachten Anteil erfasst. Für die Bewertung von Gefüge und Abkühlzeit ist das Wärmeeinbringen maßgebend.
Welche η-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.
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