De temperaturcykler som uppstår under svetsning (temperatur-tidskurva) har en avgörande inverkan på de mekaniska egenskaperna i svetsmetallen och i den värmepåverkade zonen. Temperaturcyklerna beror i sin tur på svetsförhållandena. Svetsförhållanden förstås vara en mängd påverkande variabler såsom bågspänning, svetsström, svetshastighet, arbetstemperatur, plåtjocklek, svetsprocess och sömform [1].
Temperatur-tidskurvan som uppträder vid en definierad punkt under en bågpassage består av en kort uppvärmningsfas och en generellt mycket längre nedkylningsfas. När bågen närmar sig stiger temperaturen snabbt till ett maximalt värde och sjunker sedan igen efter att bågen har passerat, med nedkylningshastigheten stadigt minskande. Medan samma topptemperaturer förekommer överallt i svetsmetallen upphettas de olika områdena i den värmepåverkade zonen till olika toppvärden; deras höjd minskar med ökande avstånd från smältzonen [2].
Svetsmetallens mekaniska egenskaper bestäms i första hand av dess kemiska sammansättning och den hastighet med vilken den svalnar från vätskefasen. Avgörande för effekterna av svetstemperaturcykler på de mekaniska egenskaperna i den värmepåverkade zonen är topptemperaturen som uppnås under svetsningen, uppehållstiden i den övre austenitiska zonen och den hastighet med vilken nedkylning från den austenitiska zonen sker [2]. Erfarenheten visar att höga topptemperaturer leder till mest ogynnsamma mikrostrukturella förhållanden och mekaniska egenskaper. Det är därför tillräckligt att beakta temperaturcyklerna med den högsta topptemperaturen, som inträffar omedelbart intill smältlinjen i det grova kornområdet i den värmepåverkade zonen. Deras topptemperatur ligger vid nivån för respektive materials smältningstemperatur. Det kan därför antas att de mekaniska egenskaperna i den värmepåverkade zonen bestäms av nedkylningsprocessen efter ljusbågsbildningen.
För att identifiera svetstemperaturcykler väljs generellt det ömsesidiga värdet av kylhastigheten istället för kylhastigheten, dvs den tid som krävs för att passera genom ett visst temperaturintervall. Kyltiden t8/5 har visat sig vara ett bra val för att hantera materiella frågor. Detta är den tid som krävs under nedkylningen av en svetssträng och dess värmepåverkade zon för att passera genom temperaturområdet från 800°C till 500°C.
Från den allmänna differentiella ekvationen för värmeledning i fasta kroppar kan ekvationer som beskriver temperaturförloppet i svetsfogsområdet som en funktion av plats och tid härledas. Efter en lämplig transformation passar dessa ekvationer för beräkning av den tid t8/5 [3] som krävs för att kyla svetsmetallen för att passera genom temperaturområdet 800°C till 500°C.
Vid beräkning av nedkylningstiderna måste man skilja mellan tredimensionell och tvådimensionell värmeavledning. Vid svetsning av relativt tjocka arbetsstycken är värmeavledningen tredimensionell. Värmen som införs via bågen kan avledas i arbetsstyckets plan och dessutom i riktning mot arbetsstyckets tjocklek. Detta har därför ingen effekt på nedkylningstiden. Vid tvådimensionell värmeavledning sker emellertid värmeflöde uteslutande i arbetsstyckets plan. I detta fall är arbetsstyckets tjocklek avgörande för den tvärsnittsarea som är tillgänglig för värmeavledning och har således en uttalad inverkan på nedkylningstiden [4].
Vid svetsning av relativt tjocka plåtar (tredimensionell värmeavledning) beräknas nedkylningstiden t8/5 enligt följande ekvation [5]:
Formel (tredimensionell värmeavledning):
t8/5 = (6700 - 5 * T0) * Q * [( 1 / (500 - T0)) - (1 / (800 - T0))] * F3
med
- Q: Värmetillförsel
- T0: Förvärmningstemperatur
- F3: Sömfaktor för tredimensionell värmeavledning
Nedkylningstiden är därför proportionell mot den tillförda värmen vid tredimensionell värmeavledning och ökar med förvärmningstemperaturen.
Vid svetsning av produkter med relativt liten tjocklek finns det en tvådimensionell värmeavledning. Nedkylningstiden t8/5 beräknas enligt följande ekvation [5]:
Formel (tvådimensionell värmeavledning):
t8/5 = (4300 - 4,3 * T0) * 105 * (Q2 / d2) * [( 1 / (500 - T0))2 - (1 / (800 - T0))2] * F2
med
- Q: Värmetillförsel
- T0: Förvärmningstemperatur
- d: Plåtens tjockleck
- F2: Sömfaktor för tvådimensionell värmeavledning
Nedkylningstiden för tvådimensionell värmeavledning ökar sålunda med kvadraten av energin per längdenhet och med förvärmningstemperaturen och är omvänt proportionell mot arbetsstyckets tjocklek.
Värmetillförseln Q kan beräknas enligt följande [6], [7].
Q = eta * E = eta * (U * I) / v
med
- Q: Värmetillförsel
- E: Energitillförsel
- eta: värmeeffektivitet
- U: Bågspänning
- I: Bågström
- v: Svetshastighet
Om inte annat anges, ska svetsprocessernas (eta) värmeeffektivitet baseras på värdena i följande tabell [5].
| Svetsprocessernas värmeeffektivitet | |
| Process | Faktor eta |
| Nedsänkt bågsvetsning (SAW) | 1,0 |
| Metall bågsvetsning med stavelektrod (MAW) | 0,8 |
| Metall Aktiv Gassvetsning (MAG) | 0,8 |
| Metall Inert Gassvetsning (MIG) | 0,8 |
| Tungsten Inert Gas Welding (TIG) | 0,6 |
Antalet tänkbara typer av sömmar är så stort att ett kvantitativt förtydligande av påverkan av dem alla på kyltiden skulle kräva en extremt hög ansträngning. Av denna anledning sammanfattar tabellen nedan endast sömfaktorerna för de vanligaste sömtyperna med tredimensionell värmeavledning (F3) och tvådimensionell värmeavledning (F2) [8]. Det kan observeras att nedkylningstiderna för kälsvetsar är mycket kortare än för appliceringssträngar särskilt med en tvådimensionell värmeavledning. Värdet på sömfaktorn beror på förhållandet mellan energin per längdenhet och plåttjocklek.
| Sömfaktorer | ||
| Sömtyper | F3 | F2 |
| Depåsvets | 1,0 | 1,0 |
| 1. och 2. kälsvets på T- eller tvärfog | 0,67 | 0,45 bis 0,67 |
| 3. och 4. kälsvets på T- eller tvärfog | 0,67 | 0,3 bis 0,67 |
| Kälsvets vid hörnfog | 0,67 | 0,9 |
| Kälsvets vid överlappsfog | 0,67 | 0,7 |
| Rotpass av V-sömmar (öppningsvinkel 60°, yta 3 mm) | 1,0 bis 1,2 | rd. 1,0 |
| Rotpass av dubbla V-sömmar (öppningsvinkel 50°, yta 3 mm) | 0,7 | rd. 1,0 |
| Mittlager av V- och dubbla V-sömmar | 0,8 bis 1,0 | rd. 1,0 |
| Övertäckningslager av V- och dubbla V-sömmar | 0,9 bis 1,0 | 1,0 |
| I-söm, 'läge-mot-läge svetsning' | - | 1,0 |
Om respektive arbetsstyckets tjocklek är nära övergångsplåtens tjocklek (se nedan) motsvarar värdet på sömfaktorn F2 värdet för F3. Ju mindre arbetsstyckets tjocklek jämfört med övergångsplåtens tjocklek är, desto tydligare skiljer sig F2 och F3 [4].
Plåttjockleken vid övergången från tredimensionell till tvådimensionell värmeavledning kallas övergångsplåttjocklek dü. Det erhålls genom att jämföra formlerna för beräkning av nedkylningstiden t8/5 för tredimensionell och tvådimensionell värmeavledning:
dü = [((4300 - 4,3 * T0) / (6700 - 5 * T0)) * 105 * Q * (( 1 / (500 - T0)) + (1 / (800 - T0)))]0,5
med
- Q: Värmetillförsel
- T0: Förvärmningstemperatur
Vid beräkning av nedkylningstider bör det noteras att antagandena bakom ekvationerna ofta inte uppfylls exakt. Beräknade värden på nedkylningstiden kan därför avvika med cirka 10% från de faktiska värdena. Beräkningen kan orsakas av ett större fel i övergångsområdet från två- till tredimensionell värmeavledning. I kritiska fall rekommenderas att kyltiden kontrolleras genom mätning [5].
Litteratur:
[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] Uwer, D. und Degenkolbe, J.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Berechnung der Abkühlzeiten. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 24 (1972), Heft 12, S. 485 - 489
[3] Uwer, D. und Degenkolbe, J.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Einfluß des Wärmebehandlungszustandes und der chemischen Zusammensetzung von Stählen auf die Abkühlzeit. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 27 (1975), Heft 8, S. 303 - 306
[4] Uwer, D.:
Rechnerisches und grafisches Ermitteln von Abkühlzeiten beim Lichtbogenschweißen. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 30 (1978), Heft 7, S. 243 - 248
[5] 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
[6] 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
[7] DIN EN 1011-1: Empfehlung zum Schweißen metallischer Werkstoffe, Teil 1: Allgemeine Anleitungen für Lichtbogenschweißen, April 1998, Beuth Verlag GmbH, Berlin
[8] 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