Fachwissen zur Abkühlzeit beim Schweißen t8/5

Fachwissen zur Abkühlzeit beim Schweißen t8/5

Beim Schweißen müssen viele verschiedene Faktoren beachtet werden. Und dabei geht es nicht nur um das Schweißverfahren selbst. Auch die Abkühlzeit nach dem Schweißvorgang spielt eine wichtige Rolle.

Dazu wird beim Schweißen üblicherweise mit der Abkühlzeit t8/5 gearbeitet.

Wir erklären, was es damit auf sich hat,
und zeigen, wie die Abkühlzeit berechnet wird:

Abkühlzeit beim Schweißen

 

Zuerst etwas Hintergrundwissen

Die Temperaturzyklen, die beim Schweißen auftreten, beeinflussen die mechanischen Eigenschaften im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone maßgeblich. Die Temperaturzyklen wiederum werden von den Schweißbedingungen bestimmt. Dabei zählen viele verschiedene Größen zu den Schweißbedingungen.

Die Lichtbogenspannung, der Schweißstrom, die Geschwindigkeit beim Schweißen, die Materialstärke, das angewendete Schweißverfahren oder die Nahtform sind ein paar Beispiele dafür.

Ein Temperaturzyklus, also ein Temperatur-Zeit-Verlauf, besteht aus einer recht kurzen Aufheizphase und einer meist deutlich längeren Abkühlphase. Je näher der Lichtbogen an die Schweißstelle kommt, desto stärker steigt die Temperatur an, bis sie schließlich den Höchstwert erreicht. Dieses Aufheizen geht ziemlich schnell. Nach dem Durchgang des Lichtbogens sinkt die Temperatur wieder. Die Temperatur fällt aber nicht schlagartig ab.

Stattdessen nimmt die Temperatur langsam ab, ebenso wie sich auch die Abkühlgeschwindigkeit konstant reduziert. Dabei sind die Höchstwerte im Schweißgut überall gleich. Im Unterschied dazu erwärmen sich die verschiedenen Bereiche der Wärmeeinflusszone unterschiedlich. Hier gilt, dass die Höchsttemperatur umso niedriger sind, die größer der Abstand zur Schmelzzone ist.

Welche mechanischen Eigenschaften das Schweißgut aufweist, hängt hauptsächlich von zwei Faktoren ab. Zum einen sind das die chemische Zusammensetzung des Schweißguts und zum anderen die Geschwindigkeit, mit der das Schweißgut aus dem flüssigen Zustand heraus abkühlt. Die mechanischen Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone werden vom Schweißtemperaturzyklus beeinflusst.

Und dabei ist entscheidend, welche Höchsttemperatur beim Schweißen erreicht wurde, wie lange die Verweildauer im oberen Austenitgebiet war und wie schnell die Abkühlung aus dem Austenitgebiet erfolgte.

Die Praxis zeigt, dass sich hohe Spitzentemperaturen eher nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften und die Gefügezustände auswirken. Aus diesem Grund werden üblicherweise nur die Temperaturzyklen mit den höchsten Spitzenwerten berücksichtigt, die direkt neben der Schmelzlinie im Grobkornbereich der Wärmeeinflusszone vorhanden sind.

Ihre Höchsttemperatur stimmt mit der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffs überein. Folglich hängen die mechanischen Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone davon ab, wie die Abkühlung nach dem Durchgang des Lichtbogens abläuft.

 

Fachwissen zur Abkühlzeit t8/5

Ein Schweißtemperaturzyklus wird im Normalfall nicht mit der Abkühlgeschwindigkeit als solches gekennzeichnet. Stattdessen wird ein Wert verwendet, der die Zeit beschreibt, die benötigt wird, um einen bestimmten Temperaturbereich zu durchlaufen. Im Zusammenhang mit Werkstoffen beim Schweißen kommt dabei meist die sogenannte Abkühlzeit t8/5 zur Anwendung. Die Abkühlzeit t8/5 ist die Zeit, die eine Schweißraupe und deren Wärmeeinflusszone brauchen, um von 800 auf 500 °C abzukühlen.

Mit der allgemeinen Differentialgleichung für die Wärmeleitung in festen Körpern als Grundlage lassen sich Gleichungen aufstellen, die den Temperaturverlauf im Bereich der Schweißnaht als Funktion aus Ort und Zeit beschreiben. Werden diese Gleichungen entsprechend abgewandelt, können sie verwendet werden, um auch die Abkühlzeit t8/5 zu berechnen.

Wenn die Abkühlzeit berechnet wird, muss aber zwischen einer drei- und einer zweidimensionalen Wärmeableitung unterschieden werden. Eine dreidimensionale Wärmeableitung findet statt, wenn dickere Werkstücke geschweißt werden. In diesem Fall kann die Wärme, die über den Lichtbogen eingebracht wird, nämlich sowohl in der Werkstückebene als auch in die Werkstückdicke abfließen. Die Werkstückdicke hat deshalb keinen Einfluss auf die Abkühlzeit.

Bei einer zweidimensionalen Wärmeableitung ist das anders. Denn hier fließt die Wärme nur in die Werkstückebene ab. Die Dicke des Werkstücks wiederum entscheidet darüber, wie groß die Querschnittsfläche ist, die für die Wärmeableitung zur Verfügung steht. Folglich wirkt sich die Werkstückedicke bei einer zweidimensionalen Wärmeableitung entscheidend auf die Abkühlzeit aus. Eine zweidimensionale Wärmeableitung ist beim Schweißen von eher dünnen Blechen gegeben.

 

Formeln zur Berechnung der Abkühlzeit t8/5

Wenn eher dicke Bleche geschweißt werden, erfolgt eine dreidimensionale Wärmeableitung. Die Abkühlzeit bei einer dreidimensionalen Wärmeableitung verhält sich proportional zur eingebrachten Wärme und erhöht sich zusammen mit der Vorwärmtemperatur.

Die Abkühlzeit t8/5 wird dann mithilfe folgender Formel berechnet:

t8/5 = (6700 – 5 x T0) x Q x [(1 / (500 – T0)) – (1 / (800 – T0))] x F3

Dabei stehen T0 für die Vorwärmtemperatur und Q für das Wärmeeinbringen. F3 ist der Nahtfaktor bei einer dreidimensionalen Wärmeableitung.

Werden eher dünne Bleche geschweißt, findet eine zweidimensionale Wärmeableitung statt. Hier erhöht sich die Abkühlzeit im Quadrat zur Streckenergie und der Vorwärmtemperatur. Zur Werkstückdicke verhält sie sich umgekehrt proportional.

Berechnet wird die Abkühlzeit t8/5 bei einer zweidimensionalen Wärmeableitung mit folgender Formel:

t8/5 = (4300 – 4,3 x T0) x 105 x (Q2 / d2) x [(1 / (500 – T0))2 – (1 / (800 – T0))2] x F2

Auch hier stehen T0 für die Vorwärmtemperatur und Q für das Wärmeeinbringen. d bezeichnet die Blechdicke und F2 ist der Nahtfaktor bei einer zweidimensionalen Wärmeableitung.

 

Das Wärmeeinbringen Q

Auch für das Wärmeeinringen gibt es natürlich eine Rechenformel.

Sie lautet:

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

eta ist der thermische Wirkungsgrad und E die Streckenenergie. U steht für die Lichtbogenspannung, I für den Schweißstrom und v für die Schweißgeschwindigkeit.

Sofern keine anderen Werte vorgegeben sind, wird der thermische Wirkungsgrad eta wie folgt in die Formel eingesetzt:

 

Schweißverfahren eta
WIG-Schweißen 0,6
MIG-und MAG-Schweißen 0,8
Lichtbogenhandschweißen 0,8
Unterpulverschweißen 1,0

 

Die Nahtfaktoren F3 und F2

Bei einer dreidimensionalen Wärmeableitung wird mit dem Nahtfaktor F3 gerechnet, bei einer zweidimensionalen Wärmeableitung mit dem Nahtfaktor F2. Nun gibt es beim Schweißen aber eine Vielzahl von möglichen Nahtarten. Die folgende Tabelle listet deshalb nur die gängigsten Nahtformen mit dem dazugehörigen Faktor auf:

 

Nahtart Nahtfaktor F3 Nahtfaktor F2
Auftragraupe 1,0 1,0
1. und 2. Kehlnaht am T- oder Kreuzstoß 0,67 0,45 bis 0,67
3. und 4. Kehlnaht am T- oder Kreuzstoß 0,67 0,3 bis 0,67
Kehlnaht am Eckstoß 0,67 0,9
Kehlnaht am Überlappstoß 0,67 0,7
Wurzellage von V-Naht 1,0 bis 1,2 ca. 1,0
Wurzellage von Doppel-V-Naht 0,7 ca. 1,0
Mittellage von V- und Doppel-V-Naht 0,8 bis 1,0 ca. 1,0
Decklage von V- und Doppel-V-Naht 0,9 bis 1,0 1,0
I-Naht 1,0

 

Berechnung der Abkühlzeit t8/5 bei Übergangsblechdicken

Der Nahtfaktor bestimmt sich nach dem Verhältnis zwischen der Streckenenergie und der Blechdicke. Generell wird beim Schweißen von dicken Blechen eine dreidimensionale Wärmeableitung unterstellt und folglich mit dem Nahtfaktor F3 gerechnet. Werden dünne Bleche geschweißt, liegt eine zweidimensionale Wärmeableitung vor und der Nahtfaktor F2 kommt zur Anwendung.

Nun kann es aber sein, dass das Werkstück eine Blechdicke aufweist, die sich in einem Bereich befindet, in dem die dreidimensionale Wärmeableitung in eine zweidimensionale Wärmeableitung übergeht. In diesem Fall wird von einer Übergangsblechdicke gesprochen.

Das Kürzel dafür lautet dü. Um die Abkühlzeit t8/5 bei solchen Werkstücken zu berechnen, werden die beiden anderen Formeln gleichgesetzt.

Daraus wiederum ergibt sich dann folgende Formel:

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

Wenn die Abkühlzeit berechnet wird, muss aber immer berücksichtigt werden, dass die Annahmen, die den allgemeinen Gleichungen zugrunde liegen, oft nicht zu hundert Prozent erfüllt werden. Zwischen der ausgerechneten und der tatsächlichen Abkühlzeit kann es deshalb zu Abweichungen von bis zu etwa zehn Prozent kommen. Um Schweißfehler zu vermeiden, ist es deshalb ratsam, die Abkühlzeit immer mal wieder zu messen und so im Blick zu behalten.

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Veröffentlicht von

Rudolf Bozart & Gerd Meinken

Rudolf Bozart, Baujahr 1964 Schweißfachingenieur, sowie Gerd Meinken geboren 1972, Schweißwerkmeister schreiben hier alles Wissenswerte zu Schweißtechniken und Schweißverfahren, geben Tipps und Anleitungen zu Berufen, Schweißgeräten, Materialkunde und Weiterbildung.

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