Przejdź do treści

#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

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)
ISO TR 18491

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)

ISO TR 17671-1 p.19

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 liniowaWysoka energia liniowa
PC – naścienna

PE
PA – podolna

PF (blacha) – z dołu do góry

PH (rura) – z dołu do góry
TwardośćUdarność
Przykład – stal S355J2 poz. PCPrzykład – 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 obupozycji na podobnym poziomie
wyższa twardość w SWCniższa 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
BM – materiał podstawowy, SWC – strefa wpływu ciepła, WM – spoina, VWT – karb w spoinie, VHT – karb w 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.

EN ISO 15614-1 2017 p. 8.4.7 Ilość wprowadzonego ciepła (energia liniowa)

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

ISO TR 17671-1

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

ISO TR 18491

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

Wzór na ilość wprowadzonego ciepła (heat input) wg. ASME IX

AWS D1-1

Wzór na ilość wprowadzonego ciepła (heat input) wg. 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
DNV C401 p 1.2.2
  • Stosuje się dodatkowe badania dla wysokich energii liniowych
DNV C401 Tab. 5


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

24 komentarze do “#1 Energia liniowa (arc energy) a ilość wprowadzonego ciepła (heat input)”

  1. Witam Pani Paulino,

    Bardzo dobry wpis. Merytoryczny i skondensowany 🙂
    Przyda się, aby nie tracić czasu w trakcie poszukiwań wzorów porozrzucanych po normach 🙂
    Czekam na kolejne wpisy i trzymam kciuki!

    Pozdrawiam serdecznie
    Tomasz Lipowski

  2. Pingback: #GrudzieńzWPS Plan publikacji - PRZEPISY SPAWALNICZE

  3. Bardzo fajnie jest przeczytać coś z tematyki spawalnictwa co jest przydatne w praktyce!!!🙂 Mam nadzieję, że pojawi się więcej artykułów 🙂

    1. Dziękuję za pytanie 🙂
      1. Jeśli było wykonywane badanie udarności zakres maksymalny energii liniowej na certyfikacie wzrasta o 25%, kiedy było wykonywane badanie twardości to zakres minimalnej energii liniowej maleje o 25%.
      2. Jeśli nie było wykonywane badanie np. udarności, bo np. materiał miał zbyt małą grubość – nie zwiększam zakresu energii. Tak samo dla spoin pachwinowych, nie da się zrobić próby udarności, dlatego też nie zwiększam zakresu – ale jest taki myk, że firmy wykonują czasem 2 WPQRy (te same waruni, materiały, parametry itp.) jeden na FW i drugi na BW i na BW jest badana udarność, to na WPQRrze FW przywołuję badania z WPQR BW i wtedy mogę zwiększyć zakres energii o 25%
      3. WPQR na stali nierdzewnej nie wymaga badania twardości – jeśli nie było tego badania nie zwiększam zakresu energii liniowej, może firma dodatkowo zrobić badanie, wtedy ten zakres energii zwiększam (czyli min. energia x 0,75)
      4. Jeśli firma wykonuje w 2 pozycjach (np. PF i PC) próbki do WPQR, bo chce mieć pełen zakres na pozycje spawania to wtedy złączam min i max wartości z obu pozycji spawania, czyli mamy wtedy duży zakres + jeszcze jeśli były badania twardości /udarności dodatkowo zwiększam zakres o +/- 25%

      1. Dziękuje za wyjaśnienie ale małe pytanie odnośnie co zostaje podane w WPQR energia liniowa (bez współczynnika k) czy ilość wprowadzonego ciepła ze współczynnikiem k?

        1. generalnie normy europejskie, wprowadzają trochę chaosu i rozgraniczyły 2 pojęcia
          1 – energii liniowej
          2 – ilości wprowadzonego ciepła

          Obie te wartości liczymy podobnie, przy czym w ilości wprowadzonego ciepła uwzględniamy współczynnik k (odpowiedni dla danych metod np. dla TIG k=0,6), natomiast w przypadku energii liniowej nie uwzględniamy tego współczynnika.

          Generalnie do WPQR my w europie stosujemy obliczanie ilości wprowadzonego ciepła, czyli mnożąc o współczynnik k (aczkolwiek często mówmy na to energia liniowa – co norma uznałaby za błąd).

  4. Po pierwsze bardzo fajny artykuł. Szacun. Mam jedną wątpliwość : przy pozycji PC „bardziej przegrzana SWC”. Wydaje mi się że SWC powinna być „bardziej przegrzana przy spawaniu w pozycji PF. Zreszta wskazuje na to większa E.

      1. Teoretycznie tak 🙂
        To jest w ogóle bardzo fajny przypadek i obserwując makro można ciekawe wnioski wyciągnąć. Mój błąd, bo nie podałam więcej szczegółów spawania dotyczących parametrów, wyjaśniam poniżej:

        Na samym początku: oba makra są wykonane dla tej samej firmy i technologie były spawane w jednym czasie na tych samych materiałach

        Co do parametrów:
        Dla PC były wyższe parametry, ale ilość wprowadzonego ciepła niższa ze względu na duże prędkości spawania (nie podam konkretnych wartości, żeby nie zdradzać części technologii firmy)
        Natomiast dla PF były niższe wartości prądowe, ale i prędkość spawania było dużo niższa

        W przypadku PC mamy, więc szybko wprowadzone większe ciepło skumulowanej w węższej strefie ze względu na duże prędkości, strefa jest ciemniejsza stąd mój zapis, że bardziej przegrzana (w zasadzie jest bardziej podhartowana, ale mieści się w normie).
        W przypadku PF ciepło nam się dłużej i równomiernie rozkłada, przez co SWC jest szersza, ale i jaśniejsza. Widzimy to na makro.

        Co ciekawe możemy zauważyć też, że dla ściegów graniowych w PC kolejne warstwy spoiny wykonały obróbkę cieplną i strefa przegrzana SWC nie jest aż tak ciemna (w artykule nie podałam dla warstwy graniowej twardości, ale jest niższa o ok 60 HV10).

    1. EMPE Mariusz Poprawa

      Na to samo zwróciłem uwagę.
      Bardziej przegrzana SWC oznacza, że SWC otrzymała więcej ciepła i ziarna uległy nadmiernemu rozrostowi. Gruboziarnista struktura skutkuje niższą udarnością.

      Przy niższych wartościach energii linowej (wprowadzonego ciepła) może dochodzić po powstawania struktur hartowniczych, które cechuje znaczny wzrost twardości w stosunku do BM przed spawaniem.

  5. Pingback: Jak dobrać podstawowe zakresy do WPQR? - Akademia Nova Cert

  6. Pingback: #15 Q&A: Zakres energii liniowej na WPQR - PRZEPISY SPAWALNICZE

  7. Co w przypadku gdy na WPQR mamy dany zakres Heat Input, a w WPS który tworzymy nie pokrywa się z ilością wprowadzonego ciepła , a reszta parametrów jest zgodna. Dodatkowo makro i twardość potwierdza poprawność procesu. Może taki WPS funkcjonować ?

    1. Jest to częsty problem, szczególnie jeśli WPQR był zakwalifikowany lata temu. Natomiast WPSy powinny mieścić się w zakresie WPQR. Jeśli parametry spawania są zgodne, to możliwe, że prędkość spawania uległa zmianie? Czy może jest to wina spawarki, która wykorzystuje inne zakresy parametrów niż ta, na której odbywała się kwalifikacja?

      Niemniej może być konieczna ponowna kwalifikacja WPQR. Najlepiej podczas kwalifikacji zadbać o szeroki zakres ilości wprowadzonego ciepła.

  8. Witam 🙂
    A co w przypadku gdy w jednym wpqr mam podany zakres heat input, a w niektórych mam sztywną jedną wartość?
    Czy w tym przypadku muszę dostosować wps by parametry procesu były tak sprecyzowane by ilość wprowadzonego ciepła była identyczna jak w wpqr (niemożliwe 🙂 ) ??

    1. Niestety norma w tej kwestii jest bardzo nieelastyczna i niewiele możemy zrobić. W przypadku spoin np. FW sl, gdzie nie wykonuje się dodatkowych badań (1.1, 8.1) – jest duży problem, ponieważ osobiście uważam, że nierealne jest utrzymanie chociażby prędkości spawania w tym samym zakresie, co na WPQR. Jedyne co można w tej sytuacji zrobić, to oscylacja w granicach prędkości spawania, co umożliwi nieco nam stworzenie zakresu natężenia prądu i napięcia, w ramach tej samej energii liniowej/ilości wprowadzonego ciepła 🤷‍♀️

  9. Witam
    Odnośnie tych dwóch pozycji spawania próbki a wiec PC PF celem zakwalifikowania wszystkich pozycji spawania, można zrobić myk o czym pisze sama norma spawając tylko jedną próbkę – utwierdzone złącze próbne rury o osi poziomej, które pozwoli nam zakwalifikować wszystkie pozycje spawania bez konieczności wykonywania dwóch próbek.

  10. witam Pani Paulino
    Warto przeczytać Pani opracowania. Ponadto są do tego komentarze innych osób z branży. Ja pomimo swojego podeszłego wieku korzystam i czytam powyższe komentarze.

    Pozdrawiam
    darekb

  11. Witam
    W jaki sposób oblicza się energię liniową spawania przy łuku pulsującym? Które wartości prądu i napięcia bierze się pod uwagę – te wyświetlane na wyświetlaczu urządzenia? Czy prąd i napięcie wyświetlane podczas spawania pulsem to wartości szczytowe podczas pulsu, czy uśrednione?

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *