ماشین‌حساب جوشکاری - جریان، ولتاژ و ورودی حرارت

ماشین‌حساب جوشکاری

ماشین‌حساب جوشکاری جریان، ولتاژ، سرعت حرکت و انرژی ورودی گرمایی لازم برای جوش قوس الکتریکی را برآورد می‌کند. این ابزار بر اساس ضخامت ماده و فرایند جوشکاری مورد استفاده کار می‌کند. این ابزار چهار فرایند رایج را پوشش می‌دهد: MIG (GMAW)، TIG (GTAW)، الکترود دستی (SMAW) و سیم‌جوش توپودری (FCAW).

نتایج، قواعد سرانگشتی هستند، نه دستورالعمل تأییدشده جوشکاری. این نتایج برای مواد نازکی معتبرند که در یک پاس جوشکاری می‌شوند. در مواد ضخیم‌تر، فرمول‌های زیربنایی از دامنه اعتبار خود خارج می‌شوند. در این حالت، ماشین‌حساب به‌جای حدس‌زدن، هشدار نشان می‌دهد.

محاسبه‌گر چگونه کار می‌کند

ضخامت ماده را بر حسب میلی‌متر وارد کنید و یک فرایند جوشکاری را انتخاب کنید. ماشین‌حساب جریان پیشنهادی را محاسبه می‌کند، سپس ولتاژ و سرعت حرکت را بر اساس آن جریان و ضخامت به دست می‌آورد. جریان را می‌توان مستقیماً نیز وارد کرد. در این حالت، ماشین‌حساب به‌صورت معکوس ضخامت مناسب آن فرایند را برآورد کرده و سپس بقیه مقادیر را محاسبه می‌کند.

فرمول جریان جوشکاری

جریان با ضخامت به‌صورت خطی افزایش می‌یابد. نرخ این افزایش به فرایند بستگی دارد:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• الکترود دستی: $I = 35t$
• سیم‌جوش توپودری: $I = 38t$

I جریان بر حسب آمپر است. t ضخامت بر حسب میلی‌متر است.

فرمول ولتاژ جوشکاری

ولتاژ با جریان افزایش می‌یابد:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• الکترود دستی: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• سیم‌جوش توپودری: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V ولتاژ بر حسب ولت است.

فرمول سرعت حرکت

سرعت حرکت، سرعت جابه‌جایی مشعل یا الکترود در امتداد اتصال است و بر حسب میلی‌متر در دقیقه اندازه‌گیری می‌شود. با افزایش ضخامت ماده، این سرعت کاهش می‌یابد:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• الکترود دستی: $S = 200 - 15t$
• سیم‌جوش توپودری: $S = 250 - 18t$

S سرعت حرکت بر حسب میلی‌متر در دقیقه است.

فرمول انرژی ورودی گرمایی

انرژی ورودی گرمایی، انرژی حرارتی منتقل‌شده به ازای هر میلی‌متر جوش را بر حسب کیلوجول بر میلی‌متر (kJ/mm) اندازه‌گیری می‌کند. استانداردهای AWS D1.1 و ASME IX آن را انرژی قوس تعریف می‌کنند:

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

V ولتاژ، I جریان بر حسب آمپر و S سرعت حرکت بر حسب میلی‌متر در دقیقه است.

مقدار دوم، یعنی انرژی ورودی گرمایی ISO، از EN ISO ۱۰۱۱-۱ به دست می‌آید. این مقدار انرژی قوس را در ضریب بازده حرارتی k ضرب می‌کند. این ضریب عددی کمتر از ۱ است. ضریب مذکور برآورد می‌کند چه مقدار از انرژی قوس واقعاً وارد فلز می‌شود، نه اینکه به‌صورت تابش یا پاشش از دست برود.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ انرژی ورودی گرمایی ISO و k ضریب بازده حرارتی است.

k برای جوشکاری MIG، الکترود دستی و سیم‌جوش توپودری برابر با ۰٫۸ است. برای TIG برابر با ۰٫۶ است، زیرا قوس TIG در مقایسه با سه فرایند دیگر انرژی کمتری را به فلز پایه منتقل می‌کند. کدهای جوشکاری درباره اینکه کدام مقدار را «انرژی ورودی گرمایی» بنامند، اختلاف دارند. مقداری را گزارش کنید که کد مربوطه الزام می‌کند.

چرا بعضی ورودی‌ها نتیجه‌ای ندارند

فرمول‌های جریان، ولتاژ و سرعت حرکت، تقریب‌های خطی هستند. این فرمول‌ها فقط برای مواد نازکی معتبرند که در یک پاس جوشکاری می‌شوند. جوشکاری واقعی قوس معمولاً با انرژی ورودی گرمایی حدود ۰٫۵ تا ۵ kJ/mm انجام می‌شود. بالاتر از این حد، هیچ دستورالعملی برای جوش تک‌پاسه وجود ندارد. اتصال به چند پاس نیاز دارد و هر پاس باید درون این دامنه نگه داشته شود.

ماشین‌حساب این موضوع را بررسی می‌کند. اگر ترکیب ضخامت و فرایند به انرژی قوسی بیش از ۵ kJ/mm نیاز داشته باشد، به‌جای عدد هشدار نشان می‌دهد. اگر فرمول سرعت حرکتی برابر صفر یا کمتر بدهد نیز همین کار را می‌کند. جوشکاری با مقداری که ماشین‌حساب نشان نداده است، خطر سوختگی و سوراخ‌شدن قطعه، تغییرشکل بیش از حد یا اتصالی را دارد که در بازرسی مردود می‌شود.

مثال حل‌شده

یک جوشکار در حال اتصال پلیت فولاد کم‌کربن با ضخامت ۵ mm با فرایند MIG است.

1. جریان: ۵ × ۴۰ = ۲۰۰ A
2. ولتاژ: ۱۴ + ۲۰۰ / ۲۵ = ۲۲ V
3. سرعت حرکت: ۳۰۰ − ۵ × ۲۰ = ۲۰۰ mm/دقیقه
4. انرژی قوس (انرژی ورودی گرمایی AWS/ASME): (۲۲ × ۲۰۰ × ۶۰) / (۱۰۰۰ × ۲۰۰) = ۱٫۳۲ kJ/mm
5. انرژی ورودی گرمایی ISO: ۰٫۸ × ۱٫۳۲ = ۱٫۰۶ kJ/mm

هر دو مقدار درون دامنه ۰٫۵–۵ kJ/mm قرار دارند که یک پاس MIG می‌تواند ایجاد کند؛ بنابراین ماشین‌حساب نتیجه ارائه می‌دهد.

این وضعیت را با فولاد ۱۰ mm که به همان روش جوشکاری می‌شود مقایسه کنید. فرمول‌ها به ۴۰۰ A، ۳۰ V و سرعت حرکت ۱۰۰ mm/دقیقه نیاز دارند. نتیجه، انرژی قوسی برابر با ۷٫۲ kJ/mm است که از حد ۵ kJ/mm بیشتر است. ماشین‌حساب به‌جای این اعداد هشدار نشان می‌دهد. یک جوش واقعی روی فولاد ۱۰ mm به چند پاس، طبق دستورالعمل تأییدشده، نیاز دارد؛ نه برآوردی برای یک پاس.

دامنه‌های معمول جریان و ضخامت بر اساس فرایند

این دامنه‌ها رویه‌های رایج کارگاهی را توصیف می‌کنند. فرمول‌های ماشین‌حساب همین قاعده خطی را در سراسر هر فرایند اعمال می‌کنند، بدون توجه به محدودیت‌های دستگاهی خاص.

پرسش‌های متداول

انرژی ورودی گرمایی در جوشکاری چیست؟ انرژی ورودی گرمایی، انرژی حرارتی منتقل‌شده به ازای هر میلی‌متر جوش است و بر حسب kJ/mm بیان می‌شود. این انرژی بر عمق نفوذ جوش، سرعت سردشدن و میزان تغییر ساختار فلز اطراف اثر می‌گذارد.

تفاوت انرژی ورودی گرمایی AWS و انرژی ورودی گرمایی ISO چیست؟ انرژی ورودی گرمایی در AWS D1.1 و ASME IX همان انرژی قوس است: حاصل‌ضرب ولتاژ، جریان و ۶۰، تقسیم‌شده بر حاصل‌ضرب ۱۰۰۰ و سرعت حرکت. انرژی ورودی گرمایی ISO ۱۰۱۱-۱ این مقدار را در ضریب بازده حرارتی k ضرب می‌کند. این ضریب برای TIG برابر ۰٫۶ و برای سه فرایند دیگر برابر ۰٫۸ است. در نتیجه عدد کمتری به دست می‌آید که انرژی جذب‌شده واقعی توسط اتصال را بهتر نشان می‌دهد.

چرا ماشین‌حساب به‌جای نتیجه هشدار نشان می‌دهد؟ فرمول‌ها قواعد خطی‌ای هستند که فقط برای مواد نازک جوشکاری‌شده در یک پاس کارایی دارند. پس از انرژی قوسی حدود ۵ kJ/mm، یا هنگامی که فرمول سرعت حرکت صفر یا کمتر بدهد، هیچ جوش تک‌پاسه‌ای با این عدد مطابقت ندارد. ماشین‌حساب به‌جای نمایش نتیجه‌ای نادرست، نتیجه را ارائه نمی‌کند.

آیا می‌توانم به‌جای ضخامت، جریان را وارد کنم؟ بله. با وارد کردن جریان، ماشین‌حساب ضخامت مناسب آن جریان را برآورد می‌کند و سپس ولتاژ، سرعت حرکت و انرژی ورودی گرمایی را بر همان اساس محاسبه می‌کند.

آیا این فرمول‌ها برای آلومینیوم کار می‌کنند؟ این فرمول‌ها بر اساس رویه‌های جوشکاری فولاد هستند. آلومینیوم گرما را سریع‌تر از فولاد منتقل می‌کند؛ بنابراین معمولاً برای ضخامت یکسان، به حدود ۳۰٪ جریان بیشتر از فولاد نیاز دارد و باید از آرگون خالص یا گاز محافظ آرگون-هلیوم استفاده شود.

آیا این ابزار جایگزین دستورالعمل مشخصات جوشکاری (WPS) است؟ خیر. در کارهایی که تابع کد هستند، WPS تأییدشده‌ای که برای اتصال و ماده مشخص آزمایش و مستندسازی شده باشد، اولویت دارد. ماشین‌حساب نقطه شروعی برای تنظیمات اولیه ارائه می‌دهد، نه یک دستورالعمل تأییدشده.

منابع

1. انجمن جوشکاری آمریکا. کد جوشکاری سازه‌ای AWS D1.1/D1.1M — فولاد.
2. سازمان بین‌المللی استانداردسازی. EN ISO ۱۰۱۱-۱، توصیه‌هایی برای جوشکاری مواد فلزی.
3. جفوس، L. جوشکاری: اصول و کاربردها، ویرایش ۸، انتشارات Cengage Learning، ۲۰۲۱.
4. شرکت TWI. «محاسبه انرژی ورودی گرمایی». twi-global.com.