Schweißen
Formiergas-Menge und Vorspülzeit berechnen
Kurz gesagt
Formieren schützt die Wurzelseite einer Naht. Das Volumen zwischen den Stopfen ist V = π/4 × Di² × L, die Vorspülzeit t = n × V / Q. Ein Modell mit idealer Durchmischung, C(t) = C0 · e^(−Q·t / V), liefert auch die Zeit bis zu einem Sauerstoff-Grenzwert. Das Gas zum Vorspülen ist Durchfluss mal Mindest-Vorspülzeit.
Berechnung
Beispiel, berechnet mit den Standardwerten des Werkzeugs.
Eingaben
- Volumen
- Rohr zwischen zwei Stopfen
- Rohr
- DN50 · 60,3 × 2,9 mm
- Formierte Länge zwischen den Stopfen
- 300 mm
- Werkstoff
- Austenitischer Edelstahl 316L
- Formiergas
- Argon
- Volumenwechsel
- 5
- Durchfluss beim Vorspülen
- 15 L/min
- Schweißzeit unter Formiergas
- 10 min
- Am Auslass zu erreichender Grenzwert
- Nach Werkstoff
Ergebnisse
- Mindest-Vorspülzeit
- 21 sGrenze 100 ppm bei vollständiger Durchmischung
Durchgerechnetes Beispiel
Alle Werte dieses Abschnitts gehören zum Beispiel, berechnet mit den Standardwerten des Werkzeugs.
Weitere Ergebnisse des Beispiels
- Vorspülzeit
- 14 s5 Volumenwechsel
- Zeit bis zum Grenzwert
- 21 s100 ppm, vollständige Durchmischung
- Volumenwechsel für den Grenzwert
- 7,6
- Formiertes Volumen
- 0,70 L
- Gas zum Vorspülen
- 5,4 L
- Gas beim Schweißen
- 50 L5 L/min (Hersteller)
- Gesamtgasverbrauch
- 55 L
- Innendurchmesser
- 54,5 mm
- Angestrebter Restsauerstoff
- 100ppm maximal: 100 (BOC), 50 bei Huntingdon, 20 bei hohen Anforderungen; die WPS geht vor
- Richtwerte aus der Herstellerpraxis: sie ersetzen weder die qualifizierte WPS noch eine Sauerstoffmessung.
- Nur ein Restsauerstoffmessgerät im formierten Bereich bestätigt das Formieren; die Zeit allein reicht nicht.
- Einen Auslass vorsehen und beim Schweißen einen kaum spürbaren Gasaustritt halten (Huntingdon): zu viel Durchfluss baut Druck im Rohr auf.
- Große Mengen Formiergas: Erstickungsgefahr am Arbeitsplatz, Belüftung prüfen (BOC).
- Vollständige Durchmischung (ungünstigster Fall): 1415 ppm O2 nach 5 Volumenwechseln, über 100 ppm. Verdrängung von unten nach oben ist in der Praxis besser: mit dem Messgerät prüfen.
- Der Grenzwert 100 ppm erfordert 7,6 Volumenwechsel bei vollständiger Durchmischung: Vorspülen auf 21 s erhöht.
Rechenweg Schritt für Schritt
Innendurchmesser
Di = OD − 2e
60,3 − 2 × 2,90 = 54,5 mm
Formiertes Volumen
V = π/4 × Di² × L
π/4 × 54,5² × 300 = 699849 mm³ = 0,700 L
Gas zum Vorspülen
Vg = Q × t chambrage
15,0 L/min × 21 s / 60 = 5,35 L
Vorspülzeit
t = n × V / Q
3,50 / 15,0 = 0,23 min = 14 s
Sauerstoff, vollständige Durchmischung (ungünstigster Fall)
C = 210 000 ppm × e^(−n)
210 000 × e^(−5,0) = 1415 ppm
Volumenwechsel für 100 ppm (vollständige Durchmischung)
n = ln(210 000 / 100)
7,6
Sauerstoff am Auslass
C(t) = C0 · e^(−Q·t / V)
C0 = 210 000 ppm ; Q = 15,0 L/min ; V = 0,700 L
Zeit für 100 ppm
t = V / Q × ln(C0 / C)
0,700 / 15,0 × ln(210 000 / 100) = 0,36 min = 21 s
Mindest-Vorspülen
max(t renouvellements ; t seuil)
max(14 ; 21) = 21 s
So geht’s
- Rohr (Außendurchmesser und Wanddicke) und formierte Länge zwischen den Stopfen wählen, oder ein bekanntes Volumen eingeben.
- Werkstoff und Formiergas wählen: Argon oder Stickstoff.
- Anzahl Volumenwechsel, Durchfluss beim Vorspülen und Schweißzeit unter Formiergas eingeben.
- Am Auslass zu erreichenden Sauerstoff-Grenzwert wählen, oder den Wert der WPS in ppm eingeben.
- Mindest-Vorspülzeit ablesen.
Häufige Fragen
Wie berechnet man die Formiergas-Menge für ein Rohr?
Beispiel: Rohr 60,3 × 2,9 mm, also Di = 54,5 mm, auf 300 mm zwischen den Stopfen: V = π/4 × 54,5² × 300 = 0,700 L. Mit 5 Volumenwechseln bei 15 L/min ist t = n × V / Q = 3,50 / 15,0 = 0,23 min, also 14 s. Um bei idealer Durchmischung 100 ppm Sauerstoff zu erreichen, gilt t = V / Q × ln(C0 / C) = 21 s: die Mindest-Vorspülzeit beträgt also 21 s.
Wie formiert man beim Rohrschweißen?
Das Rohr beidseitig der Fuge verschließen (Stopfen, Blasen oder lösliche Folie), einen Auslass vorsehen und die Luft vor dem Schweißen durch Formiergas ersetzen. Als Herstellerpraxis gelten etwa 5 Volumenwechsel bei 15 bis 20 L/min, dann etwa 5 L/min beim Schweißen, am Auslass kaum spürbar.
Welches Formiergas für Edelstahl?
Argon passt zu allen Werkstoffen. Sauerstofffreier Stickstoff ist laut BOC bei austenitischen und Duplex-Sorten zulässig, stabilisiert aber den Austenit und kann ein unzulässiges Gefüge ergeben: die Berechnung lässt ihn nur für unkritische Arbeiten an Austenit zu (in ASME BPE ausgeschlossen). Bei Duplex widersprechen sich die Quellen: der WPS folgen, sonst Argon.
Welchen Restsauerstoff muss das Formieren erreichen?
Bei Edelstahl gelten 100 ppm (0,01 %) laut BOC als ausreichend, 50 ppm bei Huntingdon, 20 ppm bei hohen Anforderungen. Bei unlegiertem Stahl ist Formieren normalerweise unnötig; wenn verlangt, gilt 1 % O2 oft als akzeptabel. Die WPS hat Vorrang, und nur ein Sauerstoffmessgerät bestätigt das Formieren.
Wie viele Volumenwechsel beim Formieren von Duplex?
IMOA empfiehlt reines Argon, von unten eingeleitet, und mindestens 7 Volumenwechsel; darunter weist die Berechnung darauf hin. Bei idealer Durchmischung bleiben nach 5 Volumenwechseln noch 1415 ppm Sauerstoff: Verdrängungsspülen ist in der Praxis besser, aber mit einem Messgerät prüfen.
Grenzen
Richtwerte aus der Herstellerpraxis (Huntingdon, BOC) und von IMOA: sie ersetzen weder die qualifizierte WPS noch eine Sauerstoffmessung. Das Modell mit idealer Durchmischung ist der ungünstigste Fall; nur ein Messgerät im formierten Bereich bestätigt das Formieren. Ein Durchfluss über 20 L/min erzeugt Turbulenzen und verlängert das Spülen. Große Mengen Formiergas: Erstickungsgefahr, Belüftung prüfen.
Quellen
- Huntingdon Fusion Techniques : pré-purge (≈ 5 renouvellements, 15–20 L/min, 5 L/min en soudage) : Shielding Gas and Purging Techniques during Welding, Part 2
- Huntingdon Fusion Techniques : oxygène résiduel inox < 50 ppm : Welding Stainless Steel
- BOC / Linde : gaz de purge, teneurs en O2 admises, azote : The right gas working for you, Purging or root backing
- Orbital Welding Guide : azote, travaux non critiques: Argon Purge Welding Guide
- Dilution : équation de purge d’un volume (mélange parfait) : Basic room purge equation, t = V/Q · ln(C0/C)
- IMOA : envers à l’argon, par le bas, au moins 7 fois le volume : Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels, § 12.3.1
- Géométrie : Volume d’un cylindre