حاسبة اللحام - التيار والجهد والحرارة الداخلة

حاسبة اللحام

تقدّر حاسبة اللحام شدة التيار والجهد وسرعة الحركة ومدخل الحرارة اللازمة للحام بالقوس. وتعتمد على سماكة المادة وعملية اللحام المستخدمة. وتغطي هذه الأداة أربع عمليات شائعة: اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (MIG (GMAW))، واللحام بقوس التنغستن والغاز (TIG (GTAW))، واللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW)، واللحام بالقوس الكهربائي ذي السلك المحشو بالمواد الصهورة (FCAW).

النتائج تقديرات تقريبية وليست إجراء لحام معتمداً. وهي تنطبق على المواد الرقيقة الملحومة بتمريرة واحدة. أما في المواد الأكثر سماكة، فتتجاوز الصيغ الأساسية نطاق صلاحيتها. عند حدوث ذلك، تعرض الحاسبة تحذيراً بدلاً من رقم، ولا تخمّن النتيجة.

كيفية عمل الحاسبة

أدخل سماكة المادة بالملليمتر واختر عملية اللحام. تحسب الحاسبة شدة تيار موصى بها، ثم تستخرج الجهد وسرعة الحركة من تلك الشدة والسماكة. ويمكن أيضاً إدخال شدة التيار مباشرة. في هذه الحالة، تعمل الحاسبة عكسياً لتقدّر السماكة التي تناسبها العملية، ثم تستنتج القيم الأخرى.

صيغة تيار اللحام

تزداد شدة التيار خطياً مع السماكة. ويختلف المعدل باختلاف العملية:

• لحام MIG: $I = 40t$
• لحام TIG: $I = 30t$
• اللحام بالقضيب: $I = 35t$
• اللحام بسلك محشو بالمسحوق: $I = 38t$

يمثّل I شدة التيار بالأمبير. وt هي السماكة بالملليمتر.

صيغة جهد اللحام

يزداد الجهد مع شدة التيار:

• لحام MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• لحام TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• اللحام بالقضيب: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• اللحام بسلك محشو بالمسحوق: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V هو الجهد بالفولت.

صيغة سرعة الحركة

سرعة الحركة هي سرعة تحرك مسدس اللحام أو القطب على طول الوصلة، وتقاس بالملليمتر في الدقيقة. وتنخفض كلما زادت سماكة المادة:

• لحام MIG: $S = 300 - 20t$
• لحام TIG: $S = 150 - 10t$
• اللحام بالقضيب: $S = 200 - 15t$
• اللحام بسلك محشو بالمسحوق: $S = 250 - 18t$

تمثّل S سرعة الانتقال بالملليمتر في الدقيقة.

صيغة مدخل الحرارة

يقيس مدخل الحرارة الطاقة الحرارية المسلّمة لكل ملليمتر من اللحام، بالكيلوجول لكل ملليمتر (kJ/mm). ويعرّف AWS D1.1 وASME IX هذا المقدار بأنه طاقة القوس:

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

يمثل V الجهد، وتمثل I شدة التيار بالأمبير، وتمثل S سرعة الحركة بالملليمتر/الدقيقة.

يأتي مقدار ثانٍ، هو مدخل الحرارة وفق ISO، من EN ISO 1011-1. وهو يضرب طاقة القوس في معامل كفاءة حرارية k. وهذا المعامل رقم أقل من 1. ويقدّر مقدار طاقة القوس الذي يدخل فعلياً إلى المعدن، بدلاً من فقده على هيئة إشعاع أو تناثر.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ هو مُدخل الحرارة وفقًا لمعيار ISO، وk هو معامل الكفاءة الحرارية.

تبلغ قيمة k 0.8 في لحام MIG واللحام بالقوس المعدني المحمي واللحام بالسلك المحشو بالمواد الصهورة. وهي 0.6 في لحام TIG، لأن قوس TIG ينقل من طاقته إلى المعدن الأساسي مقداراً أقل من العمليات الثلاث الأخرى. وتختلف أكواد اللحام في تحديد المقدار الذي تسميه «مدخل الحرارة». ويجب الإبلاغ عن المقدار الذي يتطلبه الكود المعمول به.

لماذا لا تعطي بعض المدخلات نتيجة

صيغ شدة التيار والجهد وسرعة الحركة تقريبات خطية. ولا تنطبق إلا على المواد الرقيقة الملحومة بتمرير واحد. يجري اللحام بالقوس فعلياً عند مدخل حرارة يقارب 0.5 إلى 5 kJ/mm. وفوق هذا الحد، لا يوجد إجراء للحام بتمرير واحد. وتحتاج الوصلة إلى تمريرات متعددة، مع إبقاء كل تمريرة ضمن ذلك النطاق.

تتحقق الحاسبة من ذلك. فإذا احتاجت تركيبة السماكة والعملية إلى طاقة قوس تتجاوز 5 kJ/mm، تعرض تحذيراً بدلاً من رقم. وتفعل الشيء نفسه إذا أعطت الصيغة سرعة حركة تساوي صفراً أو أقل. وينطوي اللحام وفق قيمة لم تعرضها الحاسبة على خطر احتراق المعدن ونفاذه، أو التشوه المفرط، أو فشل الوصلة في الفحص.

مثال محلول

يقوم عامل لحام بضم صفيحة من الفولاذ الطري بسماكة 5 مم باستخدام MIG.

1. شدة التيار: 5 × 40 = 200 A
2. الجهد: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. سرعة الحركة: 300 − 5 × 20 = 200 مم/min
4. طاقة القوس (مدخل الحرارة وفق AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1.32 kJ/mm
5. مدخل الحرارة وفق ISO: 0.8 × 1.32 = 1.06 kJ/mm

يقع المقداران ضمن نطاق 0.5–5 kJ/mm الذي يمكن أن ينتجه تمرير واحد بلحام MIG، ولذلك تعرض الحاسبة نتيجة.

قارن ذلك بفولاذ سماكته 10 مم ملحوم بالطريقة نفسها. تتطلب الصيغ 400 A و30 V وسرعة حركة قدرها 100 مم/min. وينتج عن ذلك طاقة قوس قدرها 7.2 kJ/mm، وهي أعلى من حد 5 kJ/mm. لذلك تعرض الحاسبة تحذيراً بدلاً من هذه الأرقام. ويتطلب اللحام الفعلي لفولاذ سماكته 10 مم تمريرات متعددة وفق إجراء مؤهل، وليس تقديراً لتمرير واحد.

النطاقات النموذجية لشدة التيار والسماكة حسب العملية

تصف هذه النطاقات الممارسة الشائعة في الورش. وتمدد صيغ الحاسبة قاعدة الخط المستقيم نفسها عبر كل عملية، بصرف النظر عن حدود آلة معينة.

الأسئلة الشائعة

ما مدخل الحرارة في اللحام؟ مدخل الحرارة هو الطاقة الحرارية المسلّمة لكل ملليمتر من اللحام، بالكيلوجول/ملليمتر. ويؤثر في عمق اختراق اللحام، وسرعة تبرده، ومقدار تغير بنية المعدن المحيط.

ما الفرق بين مدخل الحرارة وفق AWS ومدخل الحرارة وفق ISO؟ مدخل الحرارة وفق AWS D1.1 وASME IX هو طاقة القوس: حاصل ضرب الجهد في شدة التيار وفي 60، مقسوماً على حاصل ضرب 1000 في سرعة الحركة. ويضرب مدخل الحرارة وفق ISO 1011-1 هذا المقدار في معامل كفاءة حرارية k. ويبلغ المعامل 0.6 في TIG و0.8 في العمليات الثلاث الأخرى. وينتج رقماً أقل يعكس بصورة أفضل الطاقة التي تمتصها الوصلة فعلياً.

لماذا تعرض الحاسبة تحذيراً بدلاً من نتيجة؟ الصيغ قواعد خطية لا تعمل إلا مع المواد الرقيقة الملحومة بتمريرة واحدة. وبعد تجاوز طاقة قوس تبلغ نحو 5 kJ/mm، أو عندما تعطي الصيغة سرعة حركة تساوي صفراً أو تقل عنه، لا يطابق أي لحام بتمرير واحد الرقم الناتج. وتحجب الحاسبة النتيجة بدلاً من عرض نتيجة خاطئة.

هل يمكنني إدخال شدة التيار بدلاً من السماكة؟ نعم. عند إدخال شدة التيار، تقدّر الحاسبة السماكة المناسبة لها، ثم تحسب الجهد وسرعة الحركة ومدخل الحرارة انطلاقاً منها.

هل تعمل هذه الصيغ مع الألومنيوم؟ تعتمد الصيغ على ممارسات لحام الفولاذ. ويوصل الألومنيوم الحرارة بعيداً بسرعة أكبر من الفولاذ، ولذلك يحتاج عموماً إلى شدة تيار تزيد بنحو 30% على ما يحتاجه فولاذ بالسماكة نفسها، إلى جانب غاز حماية من الأرجون النقي أو من مزيج الأرجون والهيليوم.

هل تغني هذه الأداة عن مواصفة إجراء اللحام (WPS)؟ لا. في الأعمال الخاضعة للكود، تكون مواصفة إجراء لحام معتمدة، ومختبرة وموثقة للوصلة والمادة المحددتين، هي المرجع المتقدم. وتوفر الحاسبة نقطة بدء للإعداد الأولي، وليست إجراءً معتمداً.

المراجع

1. الجمعية الأمريكية للحام. AWS D1.1/D1.1M، كود اللحام الإنشائي — الفولاذ.
2. المنظمة الدولية للتوحيد القياسي. EN ISO 1011-1، توصيات لحام المواد المعدنية.
3. جيفوس، ل. اللحام: المبادئ والتطبيقات، الطبعة 8، دار Cengage Learning، 2021.
4. شركة TWI المحدودة. «حساب مدخل الحرارة». twi-global.com.