#1 Energia liniowa (arc energy) a ilość wprowadzonego ciepła (heat input)

Czym jest energia liniowa (ilość wprowadzonego ciepła)?

Energia liniowa / ilość wprowadzonego ciepła jest to parametr spawalniczy określający ile energii / ciepła należy wprowadzić, aby uzyskać złącze o zadanej jakości. Obliczany jest na podstawie pomiaru natężenia prądu I, napięcia U do prędkości spawania V (długości spoiny L do czasu spawania t); niektóre urządzenia spawalnicze same obliczają ten parametr. Wielkość ta ułatwia spawalnikowi lub inspektorowi kontrolę nad procesem spawania oraz pomaga stwierdzić, czy parametry stosowane podczas spawania są zgodne z instrukcją spawania (WPS) i zakwalifikowaną technologią spawania (WPQR), czyli czy spoina i SWC będą spełniały wymagane i zbadane własności wytrzymałościowe. Niedostosowanie zakresu energii liniowej może prowadzić do uszkodzenia, odkształcenia materiału lub powstania niezgodności spawalniczych.

Pamiętaj! Spawanie jest to proces specjalny i nie jest w 100% powtarzalny! Na końcowy efekt spoiny ma wpływ wiele czynników, jednak zastosowanie przybliżonych warunków spawania przez doświadczonego spawacza minimalizuje ryzyko powstania niezgodności.

Energia liniowa a ilość wprowadzonego ciepła

Nie – energia liniowa i ilość wprowadzonego ciepła, to nie jest to samo!

W przypadku energii liniowej nie liczymy ze współczynnikiem “k”.

Energia liniowa często jest stosowana zamiennie z ilością wprowadzonego ciepła lub jako angielskie tłumaczenie „heat input”.
Jest to błąd!
Do obliczania ilości wprowadzonego ciepła używamy współczynnika sprawności cieplnej „k”, a we wzorze
energii liniowej już NIE.

WZORY

1. Jak obliczyć ilość wprowadzonego ciepła?

Jak widzimy obok – jest to standardowy wzór, który stosujemy w Europie, czyli ze współczynnikiem sprawności cieplnej k.

Współczynnik sprawności cieplnej określany jest dla metod spawania, a nie dla materiałów lub innych zmiennych. Generalnie dla większości metod spawania wynosi on 0,8, poza metodą 121 (SAW), gdzie jest równy 1,0 oraz medodą 141 (TIG) i 15 (plazmą), gdzie współczynnik wynosi 0,6.

Pamiętajmy o zachowaniu odpowiednich jednostek 🙂 czasem przy parametrze prędkości spawania używa się jednostki mm/min – wtedy pamiętajmy, żeby całą wartość Q pomnożyć x60 (zamiana min na s).

2. Jak obliczyć energię liniową?

Przy tym wzorze nie stosujemy współczynnika k dla energii liniowej. Ten sposób obliczeń najczęściej stosowany jest przy amerykańskich standardach jak ASME i AWS, ale nie do końca i o tym poniżej…

Pomiar paramentów

Parametry, które spisujemy ze źródła prądu (spawarki):

• Natężenie prądu I [A]
• Napięcie U [V]
• Prędkość podawania drutu Vd [m/min] – nie wykorzystujemy do obliczania energii liniowej; tylko dla półautomatów i automatów

Urządzenia, które wskazują tylko np. natężenie prądu stosujemy dodatkowo miernik cęgowy, żeby sprawdzić wartość napięcia.

Wykonujemy pomiary:

• czasu jarzenia się łuku (czasu spawania) ts [s lub min]
• długości spoiny L [mm] (od początku spoiny 2, do krateru spoiny, środka zakończenia spoiny)

Dla rur stosujemy wzór na obwód koła – dla wewnętrznej średnicy (przynajmniej dla 1 warstwy graniowej; dlatego D-2s).

Dla rur stosujemy wzór na obwód koła – dla wewnętrznej średnicy (przynajmniej dla 1 warstwy graniowej; dlatego D-2s). D – średnica zewnętrzna rury, s – grubość ścianki rury,

Obliczamy prędkość spawania V [mm/s lub mm/min]

Sprawdzamy współczynnik sprawności cieplnej (lub nie)

Wpływ energii liniowej (ilości wprowadzonego ciepła) na materiał

Ani za niska, ani za wysoka energia liniowa nie jest porządana.

Za niska energia liniowa może prowadzić do:

• przyklejeń, braków wtopienia,
• braków przetopu,
• hartowania, wzrostu twardości (grube elementy spawane spoiną pachwinową jednościegowo, bez podgrzewania lub zbyt duże prędkości spawania).

Za wysoka energia liniowa może prowadzić do:

• podtopień,
• zbyt dużych naprężeń,
• odkształceń materiału,
• uszkodzenia struktury materiału (SWC) – szczególnie materiałów wymagających (innych niż S355J2),
• szerokiej SWC,
• pęknięć,
• obniżenia wytrzymałości, udarności (kruche pękanie).

Za wysoką wartość ilości wprowadzonego ciepła uważa się Q > 3,5 kJ/mm (liczone ze współczynnikiem) lub E > 5,0 kJ/mm. Dodatkowo przepisy DNV C401 dla Energii liniowej E > 5,0 kJ/mm narzucają dodatkowe badania udarności oraz ograniczają zakres grubości WPQR do grubości spawanej x1,0, czyli bez zakresu. Nie każdy materiał można też spawać wysoką energią liniową.

Wpływ pozycji spawania na wartość energii liniowej

Na ilość wprowadzonej energii do materiału poza parametrami spawania ma wpływ także pozycja spawania.

Przy pozycjach PC i PE mamy zazwyczaj mniejszą ilość ciepła, mimo że często stosuje się wyższy parametr natężenia prądu/ napięcia, ale ze względu na trudność spawania (grawitacja) spawacz zwykle szybciej spawa.

Pozycje, które uważa się, że generują dużą ilość ciepła są to pozycje PA i PF (blacha), PH (rura). Wynika to z tego, że zwykle w tych pozycjach wolniej się spawa, a w pozycji PF “nadbudowuje” się spoinę.

Przy kwalifikowaniu WPQR (dla materiałów i grubości, na których się wykonuje badanie twardości i udarności), jeżeli nam zależy na uzyskaniu pełnego zakresu pozycji spawania powinniśmy wykonać próbki w 2 pozycjach – o najmniejszej ilości wprowadzonego ciepła i o największej ilości wprowadzonego ciepła. Wtedy próbka z pozycji o najmniejszej ilości ciepła badana ma twardość, a dla próbek o największej ilości ciepła badana jest udarność.

Niska energia liniowa	Wysoka energia liniowa
PC – naścienna PE	PA – podolna PF (blacha) – z dołu do góry PH (rura) – z dołu do góry
Twardość	Udarność
Przykład – stal S355J2 poz. PC	Przykład – stal S355J2 poz. PF
E: 0,5 – 0,8 [kJ/mm]	E: 0,6 – 1,7 [kJ/mm]
Makro > węższa SWC > bardziej przerzana SWC (większa szybkość spawania) – dlatego wykonuje się badanie twardości	Makro > większa SWC > mniej przegrzana SWC (wolniejsze spawanie)
Twardość (max. 380 HV10) BM1: 182, 175, 174 SWC1: 229, 327, 271, 248, 294 WM: 229, 211,232 SWC2: 354, 357, 364, 364, 266 BM2: 181, 182, 183	Twardość (max. 380 HV10) BM1: 174, 176, 180 SWC1: 182, 202, 229, 202, 234 WM: 210, 211, 207 SWC2: 248, 230, 234, 245, 209 BM2: 178, 181, 175
spoina i materiał podstawowy dla obu	pozycji na podobnym poziomie
wyższa twardość w SWC	niższa twardość w SWC
Udarność: (KV2, 10×10, -20stC, min. 27J) VWT średnia: 89 VHT średnia 38	Udarność: (KV2, 10×10, -20stC, min. 27J) VWT średnia: 43 VHT średnia: 43
Wyższa udarność w spoinie Niższa w SWC (ze względu na przegrzanie)	Średnia udarność w spoinie i SWC

Jeśli tyle Ci wystarczy, to ok – mięso masz już za sobą. Natomiast jeśli chcesz zgłębić temat, czytaj dalej.

O co tyle krzyku?

Dotychczas, my tutaj studenci z Europy uczyliśmy się na uczelniach, że energię liniową obliczamy za pomocą metody 1, czyli uwzględniając współczynnik sprawności cieplnej k. Z rewolucją przyszła nowelizacja normy EN ISO 15614-1 w roku 2017, gdzie te dwie wartości energii liniowej i ilości wprowadzonego ciepła rozróżniono na dwie.

Otwórzmy więc najpierw raport techniczny ISO TR 17671-1 (ilość wprowadzonego ciepła/ heat input).

A teraz raport techniczny ISO TR 18491 (energia liniowa / arc energy).

W tym samym raporcie we wstępie mamy wyjaśnienie, że oba pojęcia energii liniowej i ilości wprowadzonego ciepła zostały wprowadzone, żeby rozróżnić pojęcia i nie traktować ich wymiennie, ponieważ generuje to nieporozumienia (jedni stosują współczynnik inni nie). Odpowiedzmy sobie, czy rzeczywiście tak jest? Większość polskich firm stosuje współczynnik k – oblicza ilość wprowadzonego ciepła. Przyzwolenie przez normę stosowania współczynnika k lub nie może dopiero wprowadzić chaos, bo może generować niepotrzebne dyskusje (“A dlaczego macie wpisane energia liniowa, jak liczyliście ilość wprowadzonego ciepła?” itp.), ale przede wszystkim błędy w obliczeniach, a w konsekwencji używanie niewłaściwych parametrów – w przypadku metody spawania TIG mamy przelicznik 0,6, daje to ogromną różnicę dla energii liniowej (np. E=1,0 kJ/mm) i ilości wprowadzonego ciepła (Q=0,6 kJ/mm)! Dlatego warto wiedzieć, co jest czym i dobrze opisywać parametry, żeby w przyszłości wykluczyć niezgodności spawalnicze oraz nie natrafić na nadgorliwego klienta, czy inspektora.

Innym powodem rozróżnienia pojęć jest tendencja to powolnego zaprzestawania stosowania współczynnika k są nowoczesne źródła energii, które są coraz bardziej zaawansowane, posiadają własne oprogramowania, częstotliwości, które jest czasem ciężko zmierzyć. Niektóre urządzenia spawalnicze wskazują tylko np. natężenie prądu, nie zawsze pomiar napięcia przy użycia mierników cęgowych da miarodajny wynik. Na pomoc przyszli producenci spawarek, którzy wgrywają oprogramowanie liczące energię liniową.

Kolejny aspekt stosowania obu tych pojęć, to tendencja amerykanizacji przepisów (i miejmy nadzieję uniwersalizacji przepisów). W Europie, coraz częściej urządzenia, konstrukcje są wysyłane na rynek amerykański i pozaeuropejski, który bazuje na przepisach amerykańskich. W ASME i AWS nie stosuje się współczynnika k. Dla producentów, którzy produkują na rynek amerykański i europejski, istnieje duże prawdopodobieństwo pomyłek (raz się używa współczynnika, a raz nie i to generuje błędy). I wszystko byłoby w porządku, gdyby nie fakt, że w przepisach tych energia liniowa/ ilość wprowadzonego ciepła istnieje pod pojęciem “heat input”, czyli de facto ze współczynnikiem k wg europejskich przepisów, a szkoda…

ASME IX

AWS D1-1

DNV C401

Warto także zajrzeć do przepisów offshore-owych, które są ciekawą kopalnią wiedzy! Również tam znajdziemy wzmiankę o obliczaniu ilości wprowadzonego ciepła.

• Znajdziemy ją pod pojęciem znowu “heat input”.
• Podano wzór bez współczynnika sprawności cieplnej k, ale możliwe jest jego stosowanie jeśli w dokumentach uwzględni się zapis o użyciu współczynnika (to jest bardzo mądre podejście – nie narzucamy słownictwa, dajemy wolny wybór, ale wszystko musi być jasno zapisane).

• Podana jest wartość, od której ilość wprowadzonego ciepła uważa się za dużą wartość – 5,0 kJ/mm

• Stosuje się dodatkowe badania dla wysokich energii liniowych

Bibliografia

EN ISO 15614-1:2017-08 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali — Badanie technologii spawania — Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu

ISO/TR 17671-1 Welding — Recommendations for welding of metallic materials; General guidance for arc welding

ISO/TR 18491 Welding and allied processes — Guidelines for measurement of welding energies

ISO 6947:2011 Welding and allied processes — Welding positions

ASME BPVC IX :2019 Welding, Brazing, and Fusing Qualifications

AWS D1-1:2015 Structural Welding Code— Steel

DNVGL-OS-C401:2020 Fabrication and testing of offshore structures