Schweißrechner - Stromstärke, Spannung & Wärmeeintrag

Schweißrechner

Ein Schweißrechner schätzt den benötigten Strom, die Spannung, die Schweißgeschwindigkeit und den Wärmeeintrag für eine Lichtbogenschweißung. Er verwendet dazu die Werkstoffdicke und das eingesetzte Schweißverfahren. Dieses Werkzeug deckt vier gängige Verfahren ab: MIG (GMAW), WIG (GTAW), E-Hand-Schweißen (SMAW) und Fülldrahtschweißen (FCAW).

Die Ergebnisse sind Faustregeln und kein zertifiziertes Schweißverfahren. Sie gelten für dünnes Material, das in einem einzigen Durchgang geschweißt wird. Bei dickerem Material verlassen die zugrunde liegenden Formeln ihren gültigen Bereich. In diesem Fall zeigt der Rechner anstelle einer Zahl eine Warnung an, statt zu raten.

Funktionsweise des Rechners

Geben Sie eine Materialdicke in Millimetern ein und wählen Sie ein Schweißverfahren. Der Rechner berechnet einen empfohlenen Strom. Aus diesem Strom und der Materialdicke ermittelt er die Spannung und die Schweißgeschwindigkeit. Ein Stromwert kann auch direkt eingegeben werden. In diesem Fall rechnet der Rechner rückwärts, um die für das Verfahren geeignete Materialdicke zu schätzen, und leitet daraus die übrigen Werte ab.

Formel für den Schweißstrom

Der Strom steigt linear mit der Materialdicke. Die Steigung unterscheidet sich je nach Verfahren:

• MIG: $I = 40t$
• WIG: $I = 30t$
• E-Hand-Schweißen: $I = 35t$
• Fülldrahtschweißen: $I = 38t$

I ist der Strom in Ampere. t ist die Materialdicke in Millimetern.

Formel für die Schweißspannung

Die Spannung steigt mit dem Strom:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• WIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• E-Hand-Schweißen: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Fülldrahtschweißen: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V ist die Spannung in Volt.

Formel zur Schweißgeschwindigkeit

Die Schweißgeschwindigkeit bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der sich der Brenner oder die Elektrode entlang der Schweißfuge bewegt; sie wird in Millimetern pro Minute angegeben. Sie nimmt ab, wenn das Material dicker wird:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• WIG: $S = 150 - 10t$
• E-Hand-Schweißen: $S = 200 - 15t$
• Fülldrahtschweißen: $S = 250 - 18t$

S bezeichnet die Schweißgeschwindigkeit in Millimetern pro Minute.

Formel für den Wärmeeintrag

Der Wärmeeintrag misst die pro Millimeter Schweißnaht zugeführte Wärmeenergie in Kilojoule pro Millimeter (kJ/mm). AWS D1.1 und ASME IX definieren ihn als Lichtbogenenergie:

$Q = \frac{V \times I \times 60}{1000 \times S}$

V ist die Spannung, I der Strom in Ampere und S die Schweißgeschwindigkeit in mm/min.

Eine zweite Größe, der ISO-Wärmeeintrag, stammt aus EN ISO 1011-1. Sie multipliziert die Lichtbogenenergie mit dem thermischen Wirkungsgradfaktor k. Dieser Faktor ist kleiner als 1. Er schätzt, wie viel der Lichtbogenenergie tatsächlich in das Metall gelangt, anstatt als Strahlung oder Spritzer verloren zu gehen.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ ist der ISO-Wärmeeintrag und k der thermische Wirkungsgradfaktor.

k beträgt 0,8 beim MIG-, E-Hand- und Fülldrahtschweißen. Beim WIG-Schweißen beträgt er 0,6, da ein WIG-Lichtbogen weniger Energie in den Grundwerkstoff überträgt als die drei anderen Verfahren. Schweißnormen unterscheiden sich darin, welche Größe sie als „Wärmeeintrag“ bezeichnen. Geben Sie diejenige Größe an, die von der jeweils geltenden Norm verlangt wird.

Warum einige Eingaben kein Ergebnis liefern

Die Formeln für Strom, Spannung und Schweißgeschwindigkeit sind lineare Näherungen. Sie gelten nur für dünnes Material, das in einem einzigen Durchgang geschweißt wird. Beim Lichtbogenschweißen liegt der Wärmeeintrag normalerweise bei etwa 0,5 bis 5 kJ/mm. Oberhalb dieser Grenze ist kein Verfahren mit nur einem Durchgang möglich. Die Schweißnaht benötigt mehrere Durchgänge, wobei jeder innerhalb dieses Bereichs bleiben muss.

Der Rechner prüft dies. Wenn eine Kombination aus Materialdicke und Verfahren eine Lichtbogenenergie von mehr als 5 kJ/mm erfordern würde, zeigt er anstelle einer Zahl eine Warnung an. Eine Warnung erscheint auch, wenn die Formel eine Schweißgeschwindigkeit von null oder weniger ergibt. Das Schweißen mit einem vom Rechner nicht angezeigten Wert birgt das Risiko des Durchbrennens, übermäßiger Verformung oder einer Schweißnaht, die die Prüfung nicht besteht.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Schweißer verbindet eine 5 mm dicke Platte aus unlegiertem Stahl mit MIG.

1. Strom: 5 × 40 = 200 A
2. Spannung: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Schweißgeschwindigkeit: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Lichtbogenenergie (AWS/ASME-Wärmeeintrag): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. ISO-Wärmeeintrag: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Beide Werte liegen innerhalb des Bereichs von 0,5–5 kJ/mm, den ein einzelner MIG-Durchgang erzeugen kann; daher gibt der Rechner ein Ergebnis aus.

Vergleichen Sie dies mit 10 mm dickem Stahl, der auf dieselbe Weise geschweißt wird. Die Formeln erfordern 400 A, 30 V und eine Schweißgeschwindigkeit von 100 mm/min. Daraus ergibt sich eine Lichtbogenenergie von 7,2 kJ/mm, also mehr als die Grenze von 5 kJ/mm. Der Rechner zeigt anstelle dieser Zahlen eine Warnung an. Eine tatsächliche Schweißnaht an 10 mm dickem Stahl erfordert mehrere Durchgänge nach einem qualifizierten Verfahren und keine Schätzung für einen einzigen Durchgang.

Typische Strom- und Materialdickenbereiche nach Verfahren

Diese Bereiche beschreiben die gängige Praxis in Werkstätten. Die Formeln des Rechners wenden dieselbe lineare Regel unabhängig von den Grenzen einer bestimmten Maschine auf jedes Verfahren an.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Wärmeeintrag beim Schweißen? Der Wärmeeintrag ist die pro Millimeter Schweißnaht zugeführte Wärmeenergie in kJ/mm. Er beeinflusst, wie tief die Schweißnaht eindringt, wie schnell sie abkühlt und wie stark sich das Gefüge des umgebenden Metalls verändert.

Was ist der Unterschied zwischen dem AWS- und dem ISO-Wärmeeintrag? Der Wärmeeintrag nach AWS D1.1 und ASME IX ist die Lichtbogenenergie: Spannung mal Strom mal 60, geteilt durch 1000 mal Schweißgeschwindigkeit. Der ISO-Wärmeeintrag nach ISO 1011-1 multipliziert diesen Wert mit einem thermischen Wirkungsgradfaktor k. Der Faktor beträgt beim WIG-Schweißen 0,6 und bei den drei anderen Verfahren 0,8. Dadurch ergibt sich ein niedrigerer Wert, der die tatsächlich von der Schweißnaht aufgenommene Energie besser widerspiegelt.

Warum zeigt der Rechner anstelle eines Ergebnisses eine Warnung an? Die Formeln sind lineare Regeln, die nur für dünnes Material gelten, das in einem Durchgang geschweißt wird. Oberhalb einer Lichtbogenenergie von etwa 5 kJ/mm oder bei einer von der Formel vorgegebenen Schweißgeschwindigkeit von null oder weniger entspricht keine Schweißnaht mit nur einem Durchgang diesem Wert. Der Rechner unterdrückt das Ergebnis, statt ein falsches Ergebnis anzuzeigen.

Kann ich anstelle der Materialdicke den Strom eingeben? Ja. Mit einem eingegebenen Strom schätzt der Rechner die für diesen Strom geeignete Materialdicke und berechnet daraus Spannung, Schweißgeschwindigkeit und Wärmeeintrag.

Funktionieren diese Formeln für Aluminium? Die Formeln basieren auf der Praxis des Stahlschweißens. Aluminium leitet Wärme schneller ab als Stahl und benötigt daher im Allgemeinen etwa 30 % mehr Strom als Stahl gleicher Dicke sowie reines Argon oder ein Argon-Helium-Schutzgas.

Ist dies ein Ersatz für eine Schweißanweisung (WPS)? Nein. Bei Arbeiten, die einer Norm unterliegen, hat eine qualifizierte WPS, die für die jeweilige Schweißnaht und den jeweiligen Werkstoff geprüft und dokumentiert wurde, Vorrang. Der Rechner liefert einen Ausgangspunkt für die erste Einstellung, aber kein zertifiziertes Schweißverfahren.

Referenzen

1. American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. International Organization for Standardization. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, 8. Auflage. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. „Calculating Heat Input.“ twi-global.com.