Kalkulačka svařování - Proud, napětí a tepelný příkon

Kalkulačka svařování

Kalkulačka svařování odhaduje proud, napětí, rychlost svařování a tepelný příkon potřebné pro obloukové svařování. Vychází z tloušťky materiálu a použitého svařovacího procesu. Tento nástroj zahrnuje čtyři běžné procesy: MIG (GMAW), TIG (GTAW), svařování obalenou elektrodou (SMAW) a svařování plněnou elektrodou (FCAW).

Výsledky jsou orientační, nejde o certifikovaný postup svařování. Platí pro tenký materiál svařovaný v jednom průchodu. U silnějšího materiálu se použité vzorce dostávají mimo rozsah platnosti. V takovém případě kalkulačka místo čísla zobrazí varování, než aby výsledek odhadovala.

Jak kalkulačka funguje

Zadejte tloušťku materiálu v milimetrech a zvolte svařovací proces. Kalkulačka vypočítá doporučený proud a z něj a tloušťky následně určí napětí a rychlost svařování. Proud lze také zadat přímo. V takovém případě kalkulačka zpětně odhadne tloušťku vhodnou pro daný proces a poté dopočítá zbývající hodnoty.

Vzorec pro svařovací proud

Proud roste lineárně s tloušťkou. Rychlost růstu se u jednotlivých procesů liší:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Obalená elektroda: $I = 35t$
• Trubičkový drát: $I = 38t$

I je proud v ampérech. t je tloušťka v milimetrech.

Vzorec pro svařovací napětí

Napětí roste s proudem:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Obalená elektroda: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Trubičkový drát: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V je napětí ve voltech.

Vzorec pro rychlost svařování

Rychlost svařování udává, jak rychle se hořák nebo elektroda pohybuje podél spoje; měří se v milimetrech za minutu. S rostoucí tloušťkou materiálu klesá:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Obalená elektroda: $S = 200 - 15t$
• Trubičkový drát: $S = 250 - 18t$

S je rychlost svařování v milimetrech za minutu.

Vzorec pro tepelný příkon

Tepelný příkon vyjadřuje tepelnou energii dodanou na milimetr svaru v kilojoulech na milimetr (kJ/mm). Normy AWS D1.1 a ASME IX jej definují jako energii oblouku:

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

V je napětí, I je proud v ampérech a S je rychlost svařování v mm/min.

Druhá hodnota, tepelný příkon podle ISO, vychází z normy EN ISO 1011-1. Energii oblouku násobí činitelem tepelné účinnosti k. Tento činitel je menší než 1. Odhaduje, jaká část energie oblouku skutečně vstoupí do kovu, místo aby se ztratila vyzařováním nebo rozstřikem.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ je tepelný příkon podle ISO a k je faktor tepelné účinnosti.

Pro svařování metodami MIG, obalenou elektrodou a plněnou elektrodou je k = 0,8. Pro TIG je k = 0,6, protože oblouk TIG přenáší do základního kovu méně energie než ostatní tři procesy. Svařovací normy se liší v tom, kterou hodnotu označují jako „tepelný příkon“. Uvádějte hodnotu požadovanou příslušnou normou.

Proč některé vstupy nevedou k výsledku

Vzorce pro proud, napětí a rychlost svařování jsou lineární aproximace. Platí pouze pro tenký materiál svařovaný na jeden průchod. Při skutečném obloukovém svařování se tepelný příkon pohybuje přibližně od 0,5 do 5 kJ/mm. Nad touto horní hranicí nelze použít žádný postup na jeden průchod. Spoj vyžaduje více průchodů, přičemž každý musí zůstat v tomto rozsahu.

Kalkulačka to kontroluje. Pokud by kombinace tloušťky a procesu vyžadovala energii oblouku vyšší než 5 kJ/mm, zobrazí místo čísla varování. Stejně postupuje, pokud vzorec určí rychlost svařování rovnou nule nebo zápornou. Svařování podle hodnoty, kterou kalkulačka nezobrazila, může vést k propálení, nadměrné deformaci nebo spoji, který neprojde kontrolou.

Příklad výpočtu

Svářeč spojuje plech z měkké oceli o tloušťce 5 mm metodou MIG.

1. Proud: 5 × 40 = 200 A
2. Napětí: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Rychlost svařování: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Energie oblouku (tepelný příkon podle AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Tepelný příkon podle ISO: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Obě hodnoty spadají do rozsahu 0,5–5 kJ/mm, který lze při jednom průchodu metodou MIG dosáhnout, takže kalkulačka vrátí výsledek.

Porovnejte to s ocelí o tloušťce 10 mm svařovanou stejným způsobem. Vzorce vyžadují 400 A, 30 V a rychlost svařování 100 mm/min. To odpovídá energii oblouku 7,2 kJ/mm, která přesahuje horní hranici 5 kJ/mm. Kalkulačka místo těchto hodnot zobrazí varování. Skutečný svar na oceli o tloušťce 10 mm vyžaduje více průchodů podle kvalifikovaného postupu, nikoli odhad pro jeden průchod.

Typické rozsahy proudu a tloušťky podle procesu

Tyto rozsahy popisují běžnou praxi v dílnách. Vzorce kalkulačky rozšiřují stejné lineární pravidlo na každý proces bez ohledu na limity konkrétního stroje.

Často kladené otázky

Co je tepelný příkon při svařování? Tepelný příkon je tepelná energie dodaná na milimetr svaru v kJ/mm. Ovlivňuje hloubku průvaru, rychlost ochlazování a míru změny struktury okolního kovu.

Jaký je rozdíl mezi tepelným příkonem podle AWS a podle ISO? Tepelný příkon podle AWS D1.1 a ASME IX je energie oblouku: napětí krát proud krát 60, děleno součinem 1000 a rychlosti svařování. Tepelný příkon podle ISO 1011-1 tuto hodnotu násobí činitelem tepelné účinnosti k. Činitel je 0,6 pro TIG a 0,8 pro ostatní tři procesy. Výsledkem je nižší číslo, které lépe vyjadřuje energii skutečně absorbovanou spojem.

Proč kalkulačka zobrazuje varování místo výsledku? Vzorce jsou lineární pravidla, která fungují pouze pro tenký materiál svařovaný na jeden průchod. Při energii oblouku vyšší než přibližně 5 kJ/mm nebo pokud vzorec určí rychlost svařování rovnou nule či nižší neodpovídá dané hodnotě žádný svar na jeden průchod. Kalkulačka výsledek raději nezobrazí, než aby uvedla nepravdivou hodnotu.

Mohu zadat proud místo tloušťky? Ano. Po zadání proudu kalkulačka odhadne tloušťku, pro kterou je tento proud vhodný, a poté z ní vypočítá napětí, rychlost svařování a tepelný příkon.

Fungují tyto vzorce pro hliník? Vzorce vycházejí z praxe svařování oceli. Hliník odvádí teplo rychleji než ocel, takže obecně vyžaduje přibližně o 30 % vyšší proud než ocel stejné tloušťky a také ochranný plyn z čistého argonu nebo směsi argonu s heliem.

Je to náhrada specifikace postupu svařování (WPS)? Ne. U prací podléhajících normám má přednost kvalifikovaná WPS, ověřená a zdokumentovaná pro konkrétní spoj a materiál. Kalkulačka poskytuje výchozí bod pro počáteční nastavení, nikoli certifikovaný postup.

Reference

1. American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. International Organization for Standardization. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, 8. vydání. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. „Calculating Heat Input.“ twi-global.com.