Schweißen
Schweißschrumpfung berechnen
Kurz gesagt
Die Querschrumpfung einer Stumpfnaht wird mit S = 0,2·Aw/t + 0,05·g abgeschätzt, mit Aw dem Querschnitt des Schweißguts, t der Dicke und g dem Wurzelspalt. Die Längsschrumpfung ist ΔL = 0,025·Aw·L/Ap, mit L der Nahtlänge und Ap dem tragenden Querschnitt der Bleche.
Berechnung
Beispiel, berechnet mit den Standardwerten des Werkzeugs.
Eingaben
- Stoß
- V-Naht
- Dicke
- 10 mm
- Öffnungswinkel (gesamt)
- 60°
- Steg
- 2 mm
- Nahtüberhöhung
- 2 mm
- Wurzelspalt
- 2 mm
- Nahtlänge
- 1000 mm
- Gesamtbreite der gefügten Bleche
- 400 mm
- Anzahl Nähte hintereinander
- 1
Ergebnisse
- Querschrumpfung
- 1,54 mmdie Bleche ziehen sich zusammen
Durchgerechnetes Beispiel
Alle Werte dieses Abschnitts gehören zum Beispiel, berechnet mit den Standardwerten des Werkzeugs.
Weitere Ergebnisse des Beispiels
- Querschrumpfung einer Naht
- 1,54 mm
- Längsschrumpfung
- 0,45 mmauf 1000 mm Naht
- Längsschrumpfung pro Meter
- 0,45 mmpro Meter Naht
- Schweißgut-Querschnitt Aw
- 71,9mm²
- Empfohlenes Vorspannen
- +1,5 mmTeile 1,5 mm länger zuschneiden (oder die Bleche vor dem Heften pro Naht 1,5 mm weiter auseinanderlegen), fest heften, im Pilgerschritt oder wechselseitig schweißen. Eine V-Naht um den am Probestück gemessenen Winkelverzug vorbiegen.
- Nur Größenordnung: empirische Lehrbuchformeln, ohne thermische oder mechanische Berechnung. Einspannung, Schweißfolge, Lagenzahl und Wärmeeinbringung verändern das Ergebnis erheblich; an einem Probestück bestätigen.
- Die Beziehung nach Spraragen und Ettinger gilt für eine einlagige Stumpfnaht; bei Mehrlagenschweißung wächst die Schrumpfung mit dem Schweißgut weiter, das Ergebnis ist dann ein unterer Wert.
- Winkelverzug nicht berechnet: keine geprüfte öffentliche Konstante gefunden. Eine unsymmetrische oder V-Fuge (einseitig geschweißt) verdreht die Bleche: eine symmetrische X-Naht vorsehen oder am Probestück prüfen.
- Richtwerte: sie ersetzen weder die qualifizierte WPS noch einen Versuch am Probestück.
Rechenweg Schritt für Schritt
Querschnitt des Schweißguts
Aw = g·t + d²·tan(α/2) + (2/3)·W·h
57,0 + 15,0 = 71,9 mm² (d = 8,0 mm, W = 11,2 mm)
Querschrumpfung (Spraragen-Ettinger)
S = 0,2·Aw/t + 0,05·g
0,2 × 71,9 / 10,0 + 0,05 × 2,0 = 1,54 mm
Tragender Querschnitt
Ap = Breite × t
400 × 10,0 = 4000 mm²
Längsschrumpfung (Flächenansatz)
ΔL = 0,025·Aw·L/Ap
0,025 × 71,9 × 1000 / 4000 = 0,45 mm
So geht’s
- Stoß wählen: V-Naht, X-Naht oder bekannter Querschnitt Aw.
- Dicke, Öffnungswinkel (gesamt), Steg und Nahtüberhöhung eingeben.
- Wurzelspalt, Nahtlänge und Gesamtbreite der gefügten Bleche eingeben.
- Anzahl Nähte hintereinander angeben, dann die Querschrumpfung ablesen.
Häufige Fragen
Wie lautet die Formel für die Schweißschrumpfung?
Die Querschrumpfung folgt der empirischen Beziehung der Familie Spraragen-Ettinger / Blodgett: S = 0,2·Aw/t + 0,05·g, in mm. Die Längsschrumpfung folgt der Flächenform: ΔL = 0,025·Aw·L/Ap, mit Ap = Breite × t. Bei mehreren Nähten hintereinander addiert sich die Querschrumpfung: S_gesamt = n × S.
Wie stark schrumpft eine V-Naht an 10 mm Blech?
Bei 10 mm Blech, V-Naht 60°, Steg 2 mm, Wurzelspalt 2 mm und Nahtüberhöhung 2 mm beträgt der Schweißgut-Querschnitt Aw = 71,9 mm². Die Querschrumpfung ist 0,2 × 71,9 / 10,0 + 0,05 × 2,0 = 1,54 mm. Auf 1000 mm Naht und 400 mm Blechbreite (Ap = 4000 mm²) beträgt die Längsschrumpfung 0,45 mm.
Welche Zugabe für die Schrumpfung beim Schweißen?
Die Berechnung empfiehlt, die Teile um die gesamte Querschrumpfung länger zu schneiden (+1,5 mm im Beispiel) oder die Bleche vor dem Heften je Naht um die Schrumpfung einer Naht weiter auseinanderzustellen, dann kräftig zu heften und im Pilgerschritt oder wechselseitig zu schweißen.
Liefert sie auch den Winkelverzug?
Nein: für den Winkelverzug wurde keine geprüfte öffentliche Konstante gefunden. Eine einseitig geschweißte V-Naht verdreht die Bleche: eine symmetrische X-Naht vorsehen oder um den an einer Probe gemessenen Winkelverzug vorbiegen.
Grenzen
Richtwerte, nur als Größenordnung: empirische Beziehungen aus der Fachliteratur, ohne thermische oder mechanische Analyse. Einspannung, Schweißfolge, Anzahl der Lagen und Wärmeeinbringung verändern das Ergebnis deutlich; an einem Muster bestätigen. Die Querbeziehung gilt für eine einlagige Stumpfnaht: bei Mehrlagenschweißung ist das Ergebnis eine niedrige Schätzung. Unter 3 mm überwiegt das Beulen, und diese Beziehungen unterschätzen den Verzug.
Quellen
- Relation de la famille Spraragen-Ettinger / Blodgett : S = 0,2·Aw/t + 0,05·g : Diapositive 18 (retrait transversal, bout à bout une passe) et 14 (retrait longitudinal 25·Aw/Ap)
- Therness : Welding distortion estimator: Δt = 0,2·Aw/t + 0,05·g ; ΔL = 0,025·Aw·L/Ap (famille Blodgett)
- EZ Virtual Tools : Weld Shrinkage Calculator : Ordres de grandeur : bout à bout en V 1,5 à 3 mm en transversal
- Applied Welding Engineering, 2e éd. (2016) : Chap. 5, Stresses, Shrinkage, and Distortion in Weldments, p. 201-238 (référence générale)