Hitsauslaskuri - Virta, Jännite & Lämmöntuonti

Hitsauslaskuri

Hitsauslaskuri arvioi kaarihitsauksessa tarvittavan virran, jännitteen, kuljetusnopeuden ja lämmöntuonnin. Se perustuu materiaalin paksuuteen ja käytettävään hitsausprosessiin. Tämä työkalu kattaa neljä yleistä prosessia: MIG (GMAW), TIG (GTAW), puikkohitsaus (SMAW) ja täytelankahitsaus (FCAW).

Tulokset ovat nyrkkisääntöjä, eivät hyväksytty hitsausohje. Ne pätevät ohueen materiaaliin, joka hitsataan yhdellä palolla. Paksummalla materiaalilla taustalla olevat kaavat eivät enää ole pätevyysalueellaan. Tällöin laskuri näyttää numeron arvaamisen sijaan varoituksen.

Näin laskuri toimii

Syötä materiaalin paksuus millimetreinä ja valitse hitsausprosessi. Laskuri laskee suositellun virran ja määrittää sen perusteella paksuudesta riippuvan jännitteen ja kuljetusnopeuden. Virran voi myös syöttää suoraan. Tällöin laskuri arvioi käänteisesti, minkä paksuiselle materiaalille prosessi soveltuu, ja johtaa siitä muut arvot.

Hitsausvirran kaava

Virta kasvaa lineaarisesti paksuuden mukana. Kasvunopeus vaihtelee prosessin mukaan:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Puikkohitsaus: $I = 35t$
• Täytelankahitsaus: $I = 38t$

I on virta ampeereina. t on paksuus millimetreinä.

Hitsausjännitteen kaava

Jännite kasvaa virran mukana:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Puikkohitsaus: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Täytelankahitsaus: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V on jännite voltteina.

Kuljetusnopeuden kaava

Kuljetusnopeus tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti poltin tai elektrodi liikkuu liitosta pitkin; se ilmoitetaan millimetreinä minuutissa. Nopeus pienenee materiaalin paksuuden kasvaessa:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Puikkohitsaus: $S = 200 - 15t$
• Täytelankahitsaus: $S = 250 - 18t$

S on kuljetusnopeus millimetreinä minuutissa.

Lämmöntuonnin kaava

Lämmöntuonti mittaa hitsin millimetriä kohti siirtyvää lämpöenergiaa kilojouleina millimetriä kohti (kJ/mm). AWS D1.1 ja ASME IX määrittelevät sen kaarienergiana:

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

V on jännite, I on virta ampeereina ja S on kuljetusnopeus millimetreinä minuutissa.

Toinen suure, ISO-lämmöntuonti, perustuu standardiin EN ISO 1011-1. Siinä kaarienergia kerrotaan lämpöhyötysuhdekertoimella k. Tämä kerroin on alle 1. Se arvioi, kuinka suuri osa kaaren energiasta todella siirtyy metalliin sen sijaan, että energia häviäisi säteilynä tai roiskeina.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ on ISO-lämmöntuonti ja k lämpöhyötysuhdekerroin.

k on 0,8 MIG-, puikko- ja täytelankahitsauksessa. TIG-hitsauksessa se on 0,6, koska TIG-kaari siirtää perusaineeseen vähemmän energiaa kuin kolme muuta prosessia. Hitsausstandardit poikkeavat toisistaan siinä, kumpaa suuretta ne kutsuvat lämmöntuonniksi. Ilmoita se suure, jota sovellettava standardi edellyttää.

Miksi jotkin syötteet eivät tuota tulosta

Virran, jännitteen ja kuljetusnopeuden kaavat ovat lineaarisia approksimaatioita. Ne pätevät vain ohueen materiaaliin, joka hitsataan yhdellä palolla. Todellisessa kaarihitsauksessa lämmöntuonti on yleensä noin 0,5–5 kJ/mm. Tämän rajan yläpuolella ei voida hitsata yhdellä palolla. Liitos on hitsattava usealla palolla, ja jokainen niistä on pidettävä tämän alueen sisällä.

Laskuri tarkistaa tämän. Jos jokin paksuuden ja prosessin yhdistelmä edellyttäisi kaarienergiaksi yli 5 kJ/mm, se näyttää numeron sijaan varoituksen. Se toimii samoin, jos kaava antaa kuljetusnopeudeksi nollan tai sitä pienemmän arvon. Hitsaaminen arvoilla, joita laskuri ei ole näyttänyt, voi aiheuttaa läpipalamisen, liiallista muodonmuutosta tai liitoksen, joka ei läpäise tarkastusta.

Esimerkkilaskelma

Hitsaaja liittää 5 mm paksua rakenneteräslevyä MIG-hitsauksella.

1. Virta: 5 × 40 = 200 A
2. Jännite: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Kuljetusnopeus: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Kaarienergia (AWS/ASME-lämmöntuonti): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. ISO-lämmöntuonti: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Molemmat suureet ovat alueella 0,5–5 kJ/mm, jonka yksi MIG-palko voi tuottaa, joten laskuri antaa tuloksen.

Verrataan tätä samalla tavalla hitsattavaan 10 mm paksuun teräkseen. Kaavat edellyttävät arvoja 400 A ja 30 V sekä kuljetusnopeutta 100 mm/min. Kaarienergiaksi saadaan 7,2 kJ/mm, mikä ylittää rajan 5 kJ/mm. Laskuri näyttää näiden lukujen sijaan varoituksen. Todellinen 10 mm paksun teräksen hitsaus edellyttää useita palkoja pätevöidyn hitsausohjeen mukaisesti, ei yhden palon arviota.

Tyypilliset virta- ja paksuusalueet prosesseittain

Nämä alueet kuvaavat konepajojen yleisiä käytäntöjä. Laskurin kaavat laajentavat saman lineaarisen säännön koskemaan kutakin prosessia koneen erityisistä rajoituksista riippumatta.

Usein kysyttyä

Mitä lämmöntuonti tarkoittaa hitsauksessa? Lämmöntuonti on hitsin millimetriä kohti siirtyvää lämpöenergiaa, jonka yksikkö on kJ/mm. Se vaikuttaa hitsin tunkeuman syvyyteen, jäähtymisnopeuteen ja siihen, kuinka paljon ympäröivän metallin rakenne muuttuu.

Mikä ero on AWS-lämmöntuonnilla ja ISO-lämmöntuonnilla? AWS D1.1:n ja ASME IX:n mukainen lämmöntuonti on kaarienergia: jännite kertaa virta kertaa 60 jaettuna tulolla 1000 kertaa kuljetusnopeus. ISO-standardin 1011-1 mukaisessa lämmöntuonnissa tämä suure kerrotaan lämpöhyötysuhdekertoimella k. Kerroin on TIG-hitsauksessa 0,6 ja kolmessa muussa prosessissa 0,8. Tulokseksi saadaan pienempi arvo, joka kuvaa paremmin liitoksen todellisuudessa vastaanottamaa energiaa.

Miksi laskuri näyttää tuloksen sijaan varoituksen? Kaavat ovat lineaarisia sääntöjä, jotka toimivat vain yhdellä palolla hitsattavalle ohuelle materiaalille. Kun kaarienergia ylittää noin 5 kJ/mm tai kaava antaa kuljetusnopeudeksi nollan tai sitä pienemmän arvon, mikään yhden palon hitsi ei vastaa lukua. Laskuri jättää tuloksen näyttämättä sen sijaan, että esittäisi virheellisen arvon.

Voinko syöttää paksuuden sijaan virran? Kyllä. Kun syötät virran, laskuri arvioi sille sopivan materiaalin paksuuden ja laskee sen perusteella jännitteen, kuljetusnopeuden ja lämmöntuonnin.

Toimivatko nämä kaavat alumiinille? Kaavat perustuvat teräksen hitsauskäytäntöön. Alumiini johtaa lämpöä pois nopeammin kuin teräs, joten se tarvitsee yleensä noin 30 % suuremman virran kuin yhtä paksu teräs sekä puhdasta argonia tai argon-helium-suojakaasua.

Korvaavatko nämä kaavat hitsausohjeen (WPS)? Eivät. Standardien alaisessa työssä etusijalla on pätevöity WPS, joka on testattu ja dokumentoitu tiettyä liitosta ja materiaalia varten. Laskuri antaa lähtökohdan alkuasetuksille, ei hyväksyttyä hitsausohjetta.

Lähteet

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. painos. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. ”Calculating Heat Input.” twi-global.com.