Калкулатор за заваряване - Ток, Напрежение и Топлинен Вход

Калкулатор за заваряване

Калкулаторът за заваряване изчислява необходимите ток, напрежение, скорост на заваряване и топлинен вход за дъгово заваряване. Той използва дебелината на материала и избрания заваръчен процес. Инструментът обхваща четири разпространени процеса: MIG (GMAW), TIG (GTAW), електродъгово заваряване с обмазан електрод (SMAW) и заваряване с праховопълнена тел (FCAW).

Резултатите са ориентировъчни, а не сертифицирана заваръчна процедура. Те са приложими за тънък материал, заварен с един проход. При по-дебел материал използваните формули излизат извън валидния си диапазон. В такъв случай калкулаторът показва предупреждение вместо число, а не прави предположение.

Как работи калкулаторът

Въведете дебелината на материала в милиметри и изберете заваръчен процес. Калкулаторът изчислява препоръчителен ток, след което определя напрежението и скоростта на заваряване въз основа на този ток и дебелината. Токът може да бъде въведен и директно. В такъв случай калкулаторът работи обратно, за да оцени подходящата за процеса дебелина, и след това изчислява останалите стойности.

Формула за заваръчния ток

Токът нараства линейно с дебелината. Скоростта на нарастване зависи от процеса:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Ръчно дъгово заваряване: $I = 35t$
• Заваряване с флюсова тел: $I = 38t$

I е токът в ампери. t е дебелината в милиметри.

Формула за заваръчното напрежение

Напрежението нараства с тока:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Ръчно дъгово заваряване: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Заваряване с флюсова тел: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V е напрежението във волтове.

Формула за скоростта на заваряване

Скоростта на заваряване е скоростта, с която горелката или електродът се движи по съединението, измерена в милиметри за минута. Тя намалява с увеличаването на дебелината на материала:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Ръчно дъгово заваряване: $S = 200 - 15t$
• Заваряване с флюсова тел: $S = 250 - 18t$

S е скоростта на заваряване в милиметри в минута.

Формула за топлинния вход

Топлинният вход измерва топлинната енергия, предадена на милиметър от заваръчния шев, в килоджаули на милиметър (kJ/mm). AWS D1.1 и ASME IX го определят като енергия на дъгата:

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

V е напрежението, I е токът в ампери, а S е скоростта на заваряване в mm/min.

Втората стойност, ISO топлинният вход, произлиза от EN ISO 1011-1. Тя умножава енергията на дъгата по коефициент на топлинна ефективност k. Този коефициент е число под 1. Той оценява каква част от енергията на дъгата действително навлиза в метала, вместо да се губи като излъчване или пръски.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ е топлинното вложение по ISO, а k е коефициентът на термична ефективност.

k е 0,8 при MIG, електродъгово заваряване с обмазан електрод и заваряване с праховопълнена тел. При TIG той е 0,6, тъй като TIG дъгата предава по-малка част от енергията си в основния метал в сравнение с останалите три процеса. Заваръчните стандарти се различават по това коя стойност наричат „топлинен вход“. Посочвайте стойността, изисквана от приложимия стандарт.

Защо при някои входни данни няма резултат

Формулите за тока, напрежението и скоростта на заваряване са линейни приближения. Те са валидни само за тънък материал, заварен с един проход. При реално дъгово заваряване топлинният вход обикновено е приблизително от 0,5 до 5 кДж/mm. Над тази горна граница не съществува процедура за заваряване с един проход. Съединението изисква няколко прохода, като всеки трябва да остане в този диапазон.

Калкулаторът проверява това. Ако дадена комбинация от дебелина и процес изисква енергия на дъгата над 5 кДж/mm, той показва предупреждение вместо число. Същото се случва, ако формулата даде скорост на заваряване, равна на нула или по-малка. Заваряването при стойност, която калкулаторът не е показал, създава риск от прогаряне, прекомерна деформация или съединение, което не издържа проверката.

Пример с решение

Заварчик съединява плоча от нисковъглеродна стомана с дебелина 5 mm чрез MIG.

1. Ток: 5 × 40 = 200 А
2. Напрежение: 14 + 200 / 25 = 22 В
3. Скорост на заваряване: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Енергия на дъгата (топлинен вход по AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 кДж/mm
5. ISO топлинен вход: 0,8 × 1,32 = 1,06 кДж/mm

И двете стойности попадат в диапазона 0,5–5 кДж/mm, който може да се постигне с един MIG проход, затова калкулаторът връща резултат.

За сравнение, при стомана с дебелина 10 mm, заварена по същия начин, формулите изискват 400 А, 30 В и скорост на заваряване 100 mm/min. Това дава енергия на дъгата 7,2 кДж/mm, над горната граница 5 кДж/mm. Калкулаторът показва предупреждение вместо тези числа. Реалният заваръчен шев върху стомана с дебелина 10 mm изисква няколко прохода по квалифицирана процедура, а не оценка за един проход.

Типични диапазони на тока и дебелината според процеса

Тези диапазони описват обичайната практика в работилниците. Формулите на калкулатора разширяват същото линейно правило за всеки процес, независимо от ограниченията на конкретната машина.

Често задавани въпроси

Какво представлява топлинният вход при заваряване? Топлинният вход е топлинната енергия, предадена на милиметър от заваръчния шев, в kJ/mm. Той влияе върху дълбочината на провара, скоростта на охлаждане и степента на промяна на структурата на околния метал.

Каква е разликата между топлинния вход по AWS и топлинния вход по ISO? Топлинният вход по AWS D1.1 и ASME IX е енергията на дъгата: напрежението по тока по 60, разделено на 1000 по скоростта на заваряване. Топлинният вход по ISO 1011-1 умножава тази стойност по коефициент на топлинна ефективност k. Коефициентът е 0,6 за TIG и 0,8 за останалите три процеса. Той дава по-ниска стойност, която по-точно отразява енергията, действително погълната от съединението.

Защо калкулаторът показва предупреждение вместо резултат? Формулите са линейни правила, които работят само за тънък материал, заварен с един проход. При енергия на дъгата над приблизително 5 кДж/mm или когато формулата даде скорост на заваряване, равна на нула или по-малка, няма заваръчен шев с един проход, който да съответства на стойността. Калкулаторът не показва резултата, вместо да представи невярна стойност.

Мога ли да въведа ток вместо дебелина? Да. Въвеждането на ток кара калкулатора да оцени дебелината, за която този ток е подходящ, и след това да изчисли напрежението, скоростта на заваряване и топлинния вход.

Работят ли тези формули за алуминий? Формулите се основават на практиката при заваряване на стомана. Алуминият отвежда топлината по-бързо от стоманата, затова обикновено изисква около 30% по-голям ток от стомана със същата дебелина, както и защитен газ от чист аргон или смес от аргон и хелий.

Замества ли това спецификация за заваръчна процедура (WPS)? Не. При работа, регламентирана от стандарт, квалифицирана WPS, изпитана и документирана за конкретното съединение и материал, има предимство. Калкулаторът дава изходна точка за първоначална настройка, а не сертифицирана процедура.

Източници

1. Американско дружество по заваряване. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. Международна организация по стандартизация. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, 8-о изд. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. „Calculating Heat Input.“ twi-global.com.