מחשבון ריתוך - זרם, מתח וקלט חום

מחשבון ריתוך

מחשבון ריתוך מעריך את הזרם, המתח, מהירות התנועה וקלט החום הנדרשים לריתוך קשת. הוא פועל על סמך עובי החומר ותהליך הריתוך שבשימוש. כלי זה כולל ארבעה תהליכים נפוצים: MIG (GMAW), TIG (GTAW), אלקטרודה מצופה (SMAW) וריתוך בקשת עם חוט בעל ליבת שטף (FCAW).

התוצאות הן כללי אצבע, לא נוהל ריתוך מאושר. הן תקפות לחומר דק המרותך במעבר יחיד. בחומר עבה יותר הנוסחאות שבבסיס החישוב חורגות מטווח התוקף שלהן. במקרה כזה המחשבון מציג אזהרה במקום מספר, ואינו מנחש.

כיצד פועל המחשבון

הזינו עובי חומר במילימטרים ובחרו תהליך ריתוך. המחשבון מחשב זרם מומלץ, ולאחר מכן מחשב את המתח ואת מהירות התנועה על סמך הזרם והעובי. אפשר גם להזין זרם ישירות. במקרה כזה המחשבון פועל לאחור כדי להעריך את העובי שהתהליך מתאים לו, ואז גוזר את שאר הערכים.

נוסחת זרם הריתוך

הזרם עולה בקו ישר עם העובי. קצב העלייה משתנה לפי התהליך:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• אלקטרודה מצופה: $I = 35t$
• חוט ממולא אבקה: $I = 38t$

I הוא הזרם באמפרים. t הוא העובי במילימטרים.

נוסחת מתח הריתוך

המתח עולה עם הזרם:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• אלקטרודה מצופה: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• חוט ממולא אבקה: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V הוא המתח בוולטים.

נוסחת מהירות התנועה

מהירות התנועה היא המהירות שבה המבער או האלקטרודה נעים לאורך המפרק, והיא נמדדת במילימטרים לדקה. היא יורדת ככל שהחומר עבה יותר:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• אלקטרודה מצופה: $S = 200 - 15t$
• חוט ממולא אבקה: $S = 250 - 18t$

S היא מהירות התנועה במילימטרים לדקה.

נוסחת קלט החום

קלט החום הוא האנרגיה התרמית המועברת לכל מילימטר של ריתוך, בקילו־ג'אול למילימטר (kJ/mm). התקנים AWS D1.1 ו-ASME IX מגדירים אותה כאנרגיית קשת:

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

V הוא המתח, I הוא הזרם באמפרים, ו-S היא מהירות התנועה במ"מ לדקה.

נתון שני, תשומת החום לפי ISO, מגיע מ־EN ISO 1011-1. הוא מכפיל את אנרגיית הקשת במקדם יעילות תרמית, k. מקדם זה הוא מספר הקטן מ־1. הוא מעריך כמה מאנרגיית הקשת אכן נכנס למתכת, במקום ללכת לאיבוד כקרינה או כנתזים.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ היא תשומת החום לפי ISO, ו-k הוא מקדם היעילות התרמית.

k הוא 0.8 בריתוך MIG, באלקטרודה מצופה ובחוט ממולא אבקה. הוא 0.6 בריתוך TIG, משום שקשת TIG מעבירה פחות מהאנרגיה שלה למתכת הבסיס מאשר שלושת התהליכים האחרים. תקני הריתוך חלוקים בשאלה איזה נתון הם מכנים "תשומת חום". יש לדווח על הנתון הנדרש לפי התקן החל.

מדוע חלק מהקלטים אינם מניבים תוצאה

נוסחאות הזרם, המתח ומהירות התנועה הן קירובים ליניאריים. הן תקפות רק לחומר דק המרותך במעבר יחיד. ריתוך קשת בפועל מתבצע בתשומת חום של בערך 0.5 עד 5 kJ/mm. מעל גבול זה אין נוהל למעבר יחיד. המפרק דורש כמה מעברים, כאשר כל אחד מהם נשמר בתוך הטווח הזה.

המחשבון בודק זאת. אם שילוב של עובי ותהליך ידרוש אנרגיית קשת מעל 5 kJ/mm, הוא מציג אזהרה במקום מספר. הוא עושה זאת גם אם הנוסחה נותנת מהירות תנועה של אפס או פחות. ריתוך לפי ערך שהמחשבון לא הציג עלול לגרום לשריפה דרך, לעיוות מוגזם או למפרק שייכשל בבדיקה.

דוגמה פתורה

רתך מחבר לוח פלדה רכה בעובי 5 mm באמצעות MIG.

1. זרם: 5 × 40 = 200 A
2. מתח: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. מהירות תנועה: 300 − 5 × 20 = 200 mm/דקה
4. אנרגיית קשת (תשומת חום לפי AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1.32 kJ/מ"מ
5. תשומת חום לפי ISO: 0.8 × 1.32 = 1.06 kJ/מ"מ

שני הנתונים נמצאים בתוך תחום 0.5–5 kJ/mm שמעבר יחיד של MIG יכול להפיק, ולכן המחשבון מחזיר תוצאה.

השוו זאת לפלדה בעובי 10 mm המרותכת באותה דרך. הנוסחאות דורשות 400 A, 30 V ומהירות תנועה של 100 mm/דקה. מתקבלת אנרגיית קשת של 7.2 kJ/מ"מ, מעל גבול 5 kJ/מ"מ. המחשבון מציג אזהרה במקום את המספרים האלה. ריתוך אמיתי של פלדה בעובי 10 mm דורש כמה מעברים לפי נוהל מאושר, ולא הערכה למעבר יחיד.

טווחים אופייניים של זרם ועובי לפי תהליך

טווחים אלה מתארים נוהג נפוץ בבתי מלאכה. נוסחאות המחשבון ממשיכות את אותו כלל ליניארי בכל תהליך, ללא קשר למגבלות של מכונה מסוימת.

שאלות נפוצות

מהי תשומת חום בריתוך? תשומת חום היא האנרגיה התרמית המועברת לכל מילימטר של ריתוך, ב־kJ/mm. היא משפיעה על עומק החדירה של הריתוך, על קצב ההתקררות ועל מידת השינוי במבנה המתכת שסביבו.

מה ההבדל בין תשומת חום לפי AWS לתשומת חום לפי ISO? תשומת החום לפי AWS D1.1 ו-ASME IX היא אנרגיית קשת: מתח כפול זרם כפול 60, מחולק ב־1000 כפול מהירות התנועה. תשומת החום לפי ISO 1011-1 מכפילה את הנתון הזה במקדם יעילות תרמית, k. המקדם הוא 0.6 עבור TIG ו־0.8 עבור שלושת התהליכים האחרים. מתקבל מספר נמוך יותר, המשקף טוב יותר את האנרגיה שהמפרק סופג בפועל.

מדוע המחשבון מציג אזהרה במקום תוצאה? הנוסחאות הן כללים ליניאריים שתקפים רק לחומר דק המרותך במעבר אחד. מעל אנרגיית קשת של בערך 5 kJ/מ"מ, או כאשר הנוסחה נותנת מהירות תנועה של אפס או פחות, אין ריתוך במעבר יחיד התואם למספר. המחשבון מונע את הצגת התוצאה במקום להציג תוצאה שגויה.

האם אפשר להזין זרם במקום עובי? כן. הזנת זרם גורמת למחשבון להעריך את העובי שמתאים לזרם הזה, ואז לחשב את המתח, את מהירות התנועה ואת תשומת החום.

האם הנוסחאות האלה מתאימות לאלומיניום? הנוסחאות מבוססות על נוהגי ריתוך של פלדה. אלומיניום מוליך חום הרחק מאזור הריתוך מהר יותר מפלדה, ולכן בדרך כלל הוא דורש זרם גבוה בכ־30% מזה הנדרש לפלדה באותו עובי, וכן ארגון טהור או גז מגן של תערובת ארגון והליום.

האם זה תחליף למפרט נוהל ריתוך (WPS)? לא. בעבודות הכפופות לתקן, WPS מאושר, שנבדק ותועד עבור המפרק והחומר המסוימים, גובר על כך. המחשבון מספק נקודת התחלה לכיוון ראשוני, לא נוהל ריתוך מאושר.

מקורות

1. האגודה האמריקאית לריתוך. AWS D1.1/D1.1M קוד ריתוך מבני — פלדה.
2. הארגון הבין־לאומי לתקינה. EN ISO 1011-1, המלצות לריתוך חומרים מתכתיים.
3. Jeffus, L. ריתוך: עקרונות ויישומים, מהדורה 8. Cengage Learning, 2021.
4. TWI בע"מ. "חישוב הזנת חום." twi-global.com.