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]. Svetsparametrarna bågspänning, svetsström och svetshastighet kan sammanfattas som linjenergi.

Enligt [2] beräknas energin per längdenhet som:

Formel:

E  =  (U * I) / v  
med     

  • U: bågspänning
  • I: bågström
  • v: förflyttningshastighet

Energin per längdenhet är således ett mått på den energi som tillförs svetsprocessen.

Det måste dock tas med i beräkningen att inte all elektrisk energi som tas från strömkällan kan matas in i svetsbadet, utan bara en viss del, beroende på svetsprocessen och svetsförhållandena. Det är emellertid endast den energi som faktiskt införs i svetsfogsområdet som påverkar stelningsprocessen i svetsmetallen och de termiskt inducerade strukturella förändringarna i den värmepåverkade zonen. Av denna anledning är det nödvändigt att beakta energiförlusterna på ett differentierat sätt [3].

Detta kan göras genom att förlänga energin per längdenhet E med en faktor eta, vilket är förhållandet mellan den energi som förs in i svetsområdet och den energi som tillförs svetsprocessen. Den så definierade värmetillförseln Q beräknas således som [2]:

Q = eta * E = eta * (U * I) / v 

med

  • Q: värmetillförsel
  • E: energi
  • eta: värmeeffektivitet 
  • U: bågspänning
  • I: bågström 
  • v: förflyttningshastighet

Om inte annat anges, ska svetsprocessernas (eta) värmeeffektivitet baseras på värdena i följande tabell [5].

Svetsprocessernas värmeeffektivitet
Process Factor eta
Nedsänkt bågsvetsning 1,0
Manuell metall bågsvetsning med stavelektrod 0,8
Gas metall bågsvetsning (MAG) 0,8
Inert gas metall bågsvetsning (MIG) 0,8
Gas volfram bågsvetsning (TIG) 0,6

Om inte annat anges ska värmeeffektiviteten för svetsprocesser (eta) baseras på värdena i tabellen ovan [2]. 

I händelse av en planerad svetsuppgift som specificeras av svetsprocess, plåttjocklek och sömform är det ofta nödvändigt att uppnå en mycket specifik mikrostruktur i den värmepåverkade zonen som bestäms av en specificerad nedkylningstid t8/5 . Genom att omvandla de allmänna formlerna för beräkning av nedkylningstiden t8/5, kan den maximalt tillåtna värmetillförseln och därmed den maximala energin per längdenhet beräknas [2]. Detta gör det möjligt att bestämma lämpliga svetsparameterkombinationer (bågspänning, svetsström, svetshastighet) för den planerade svetsuppgiften.

Vid beräkning av energin per längdenhet för en given svetsuppgift måste man dock 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 den maximalt tillåtna energin per längdenhet [4].

Vid svetsning av relativt tjocka plattor (tredimensionell värmeavledning) beräknas energin per längdenhet enligt följande ekvation:

Formel (tredimensionell värmeavledning):

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

med

  • t8/5: Nedkylningshastighet t8/5 
  • T0: Förvärmningstemperatur
  • eta: Värmeeffektivitet 
  • F3: Sömfaktor för tredimensionell värmeavledning

ådimensionell värmeavledning förekommer vid svetsning av produkter med relativt liten tjocklek. Energin per längdenhet beräknas enligt följande ekvation:

Formel (tvådimensionell värmeavledning):

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

med

  • t8/5: Nedkylningshastighet t8/5 
  • d: Plåtens tjocklek
  • T0: Förvärmningstemperatur 
  • eta: Värmeeffektivitet 
  • F2: Sömfaktor för tvådimensionell värmeavledning

Antalet tänkbara sömtyper är så stort att ett kvantitativt förtydligande av påverkan av dem alla på maximal energi 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) [5].

Sömfaktorer
Sömtyper F3 F2
Depåsvets 1,0 1,0
1. och 2. kälsvets på T- eller tvärfog 0,67 0,45 till 0,67
3. och 4. kälsvets på T- eller tvärfog 0,67 0,3 till 0,67
Kälsvets vid hörnfog 0,67 0,9
Kälsvets vid överlappsfog 0,67 0,7
Rotläge V-söm (öppningsvinkel 60°, svetsyta 3 mm) 1,0 till 1,2 rd. 1,0
Rotläge dubbla V-sömmar (öppningsvinkel 50°, svetsyta 3 mm) 0,7 rd. 1,0
Mittenlager V- och dubbla V-sömmar 0,8 till 1,0 rd. 1,0
Övertäckningslager V- och dubbla V-sömmar 0,9 till 1,0 1,0
I-seam, 'position-counter position welding' - 1,0

Om respektive arbetsstyckets tjocklek är nära övergångsplåttjockleken (se nedan) motsvarar värdet på sömfaktorn F2 värdet för F3. Ju mindre arbetsstyckets tjocklek jämfört med övergångsplåttjockleken är, desto tydligare skiljer sig F2 och F3 [4].

Plåttjockleken vid övergången från tredimensionell till tvådimensionell värmeavledning kallas övergångsplåttjocklek dü. Den 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

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] 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