Schweißwärme-Rechner

Warum ist die Schweißwärmeeinbringung wichtig?

Die Streckenenergie ist die pro Nahtlängeneinheit eingebrachte Energie und steuert direkt die Abkühlgeschwindigkeit, das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ). Zu hohe Streckenenergie verursacht Kornvergröberung, verminderte Zähigkeit und übermäßigen Verzug. Zu geringe Streckenenergie führt zu Bindefehlern und hoher Härte in der WEZ.

Das Kohlenstoffäquivalent (CE) prognostiziert die Aufhärtbarkeit und Rissempfindlichkeit des Grundwerkstoffs. Die IIW-Formel (CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15) wird für Stähle mit C > 0,18% verwendet. Die Pcm-Formel gilt für kohlenstoffarme Stähle (C < 0,18%). Bei CE > 0,45 ist in der Regel Vorwärmen erforderlich, um wasserstoffinduzierte Risse zu verhindern.

Die Vorwärmtemperatur ergibt sich aus dem Zusammenwirken von CE, Materialdicke, Wasserstoffgehalt und Streckenenergie. EN 1011-2 stellt Berechnungsverfahren bereit. Vorwärmen verlangsamt die Abkühlung und lässt Wasserstoff ausdiffundieren, bevor die Naht unter 150°C abkühlt (wo Wasserstoff eingeschlossen wird und Kaltrisse verursacht).

Formula: Streckenenergie (kJ/mm) = (η × V × I × 60) / (Schweißgeschwindigkeit × 1000) CE(IIW) = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B

Berechnungsbeispiel

MSG-Schweißen mit 28 V, 250 A, Schweißgeschwindigkeit 300 mm/min, Lichtbogenwirkungsgrad 0,85: Streckenenergie = (0,85 × 28 × 250 × 60)/(300 × 1000) = 1,19 kJ/mm. Für einen Stahl mit C=0,18%, Mn=1,2%: CE(IIW) = 0,18 + 1,2/6 = 0,38. Vorwärmen nicht erforderlich (CE < 0,45).

Wann diesen Rechner verwenden

• Erstellung einer Schweißanweisung (WPS) mit der Notwendigkeit, die Vorwärmtemperatur auf Basis von Kohlenstoffäquivalent und Materialdicke zu bestimmen
• Untersuchung von Nahtqualitätsproblemen — Prüfung, ob die Streckenenergie im zulässigen Bereich lag, um eine Verschlechterung der WEZ-Eigenschaften zu vermeiden
• Qualifizierung eines neuen Grundwerkstoffs für das Schweißen — Berechnung des CE zur Bewertung der Rissempfindlichkeit vor Verfahrensprüfungen
• Auditierung der Einhaltung von Regelwerksanforderungen durch Schweißer — Überprüfung, dass die aufgezeichneten Parameter eine Streckenenergie innerhalb des WPS-qualifizierten Bereichs ergeben

Häufige Fehler vermeiden

• Verwendung der falschen CE-Formel — die IIW-Formel gilt für Stähle mit C>0,18%, Pcm für kohlenstoffarme Stähle; die falsche Formel liefert fehlerhafte Vorwärmempfehlungen
• Vergessen des Lichtbogenwirkungsgrads — MSG ~0,85, E-Hand ~0,80, WIG ~0,65; das Weglassen des Wirkungsgrads überschätzt die tatsächlich in die Naht eingebrachte Wärme
• Anwendung einer Einlagen-Streckenenergieberechnung auf eine Mehrlagennaht ohne Berücksichtigung der Zwischenlagentemperatur — akkumulierte Wärme verändert Abkühlgeschwindigkeit und WEZ-Eigenschaften
• Ignorieren der Wasserstoffkontrolle — selbst bei korrektem Vorwärmen können nicht wasserstoffarme Schweißzusätze oder feuchte Elektroden weiterhin Kaltrisse verursachen

Ergebnisse interpretieren

• CE (IIW) < 0,40: Geringe Aufhärtbarkeit — Vorwärmen in der Regel nicht erforderlich, sofern die Dicke nicht 25 mm übersteigt oder die Umgebungstemperatur unter 5°C liegt
• CE (IIW) 0,40-0,60: Mäßige Aufhärtbarkeit — Vorwärmen typischerweise erforderlich, die Temperatur hängt von Dicke und Wasserstoffgehalt ab
• CE (IIW) > 0,60: Hohe Aufhärtbarkeit — zwingendes Vorwärmen (oft 150-250°C), strikte Wasserstoffkontrolle und voraussichtlich Wärmenachbehandlung erforderlich
• Rissrisiko 'Hoch' oder 'Sehr hoch' — anhalten und das Verfahren überprüfen; zusätzliche Vorkehrungen (höheres Vorwärmen, wasserstoffärmere Schweißzusätze, PWHT) sind vor dem Schweißen zwingend

Relevante Normen & Referenzen

• EN 1011-2 — Schweißen — Empfehlungen zum Schweißen metallischer Werkstoffe — Lichtbogenschweißen von ferritischen Stählen
• AWS D1.1 — Stahlbau-Schweißnorm — Stahl (Abschnitt 5: Vorqualifizierung und Vorwärmanforderungen)
• ISO/TR 17671-2 — Leitfaden zur Anwendung der EN 1011-2
• ASME BPVC Section IX — Qualifikationen für Schweißen, Hartlöten und Fügen

Häufig gestellte Fragen

Welche Folgen hat das Überschreiten der maximalen Streckenenergie?

Übermäßige Streckenenergie verursacht: (1) Kornvergröberung in der WEZ mit verringerter Zähigkeit (Charpy-Kerbschlagwerte sinken deutlich), (2) erhöhten Verzug und Eigenspannungen, (3) breitere WEZ mit verschlechterten Eigenschaften, (4) Heißrissgefahr bei anfälligen Legierungen, (5) mögliche Verstöße gegen Regelwerksanforderungen (AWS D1.1 begrenzt die Streckenenergie für vorqualifizierte WPS). Bei vergüteten Stählen kann übermäßige Wärme die WEZ unter die spezifizierte Mindesthärte erweichen.

Wann ist Vorwärmen erforderlich und wie wird die Temperatur bestimmt?

Vorwärmen ist erforderlich bei CE > 0.45 (IIW-Formel), Materialdicke > 25 mm oder Umgebungstemperaturen unter 5°C. Die Mindestvorwärmtemperatur wird nach den Richtlinien von EN 1011-2 oder AWS D1.1 auf Basis von CE, Dicke, Wasserstoffgehalt und Streckenenergie berechnet. Typische Werte: 75°C bei CE=0.45 in 25 mm Blech, bis zu 200°C bei Stählen mit hohem CE. Das Vorwärmen muss gleichmäßig über mindestens 75 mm beiderseits der Naht erfolgen.

Was bedeutet die t8/5-Abkühlzeit und welche praktische Bedeutung hat sie?

Die t8/5-Zeit (Abkühldauer von 800°C auf 500°C) bestimmt das Gefüge der WEZ. Schnelle Abkühlung (kurzes t8/5 < 5s) erzeugt Martensit — hart, spröde und rissanfällig. Langsame Abkühlung (langes t8/5 > 25s) erzeugt Ferrit/Perlit — weich, aber mit verringerter Zähigkeit infolge Kornvergröberung. Der optimale Bereich hängt von der Stahlgüte ab, typischerweise 8–15s für Baustähle.