Kalkulator zavarivanja - Struja, Napon i Unos Topline

Kalkulator za zavarivanje

Kalkulator za zavarivanje procjenjuje potrebnu jakost struje, napon, brzinu kretanja i unos topline za elektrolučno zavarivanje. Izračun se temelji na debljini materijala i postupku zavarivanja. Ovaj alat obuhvaća četiri uobičajena postupka: MIG (GMAW), TIG (GTAW), zavarivanje elektrodom obloženom plaštom (SMAW) i zavarivanje punjenom žicom (FCAW).

Rezultati su približna pravila, a ne certificirani postupak zavarivanja. Vrijede za tanki materijal zavaren u jednom prolazu. Kod debljeg materijala primijenjene formule izlaze iz područja valjanosti. U tom slučaju kalkulator umjesto nagađanja prikazuje upozorenje, a ne broj.

Kako kalkulator radi

Unesite debljinu materijala u milimetrima i odaberite postupak zavarivanja. Kalkulator izračunava preporučenu jakost struje, a zatim iz te struje i debljine određuje napon i brzinu kretanja. Jakost struje može se unijeti i izravno. U tom slučaju kalkulator obrnutim postupkom procjenjuje debljinu za koju je postupak prikladan, a zatim izračunava ostale vrijednosti.

Formula za jakost struje zavarivanja

Jakost struje raste linearno s debljinom. Stopa rasta razlikuje se prema postupku:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• REL: $I = 35t$
• Žica punjena praškom: $I = 38t$

I je jakost struje u amperima. t je debljina u milimetrima.

Formula za napon zavarivanja

Napon raste s jakosti struje:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• REL: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Žica punjena praškom: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V je napon u voltima.

Formula za brzinu kretanja

Brzina kretanja označava koliko se brzo plamenik ili elektroda pomiče duž spoja, a mjeri se u milimetrima u minuti. Smanjuje se kako materijal postaje deblji:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• REL: $S = 200 - 15t$
• Žica punjena praškom: $S = 250 - 18t$

S je brzina pomicanja u milimetrima po minuti.

Formula za unos topline

Unos topline mjeri toplinsku energiju dovedenu po milimetru zavara, u kilodžulima po milimetru (kJ/mm). AWS D1.1 i ASME IX definiraju ga kao energiju luka:

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

V je napon, I je jakost struje u amperima, a S je brzina kretanja u mm/min.

Druga vrijednost, ISO unos topline, proizlazi iz norme EN ISO 1011-1. Ona množi energiju luka faktorom toplinske učinkovitosti k. Taj je faktor manji od 1. Procjenjuje koliki dio energije luka stvarno ulazi u metal, umjesto da se izgubi zračenjem ili prskanjem.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ je ISO unos topline, a k faktor toplinske učinkovitosti.

k iznosi 0,8 za MIG, zavarivanje elektrodom obloženom plaštom i zavarivanje punjenom žicom. Za TIG iznosi 0,6 jer TIG luk prenosi manje svoje energije u osnovni metal nego ostala tri postupka. Norme za zavarivanje razlikuju se prema tome koju vrijednost nazivaju „unosom topline”. Treba navesti onu koju zahtijeva primjenjiva norma.

Zašto neki unosi ne daju rezultat

Formule za jakost struje, napon i brzinu kretanja linearne su aproksimacije. Vrijede samo za tanki materijal zavaren u jednom prolazu. Stvarno elektrolučno zavarivanje odvija se pri unosu topline od približno 0,5 do 5 kJ/mm. Iznad te gornje granice ne postoji postupak zavarivanja u jednom prolazu. Spoj zahtijeva više prolaza, pri čemu svaki mora ostati unutar tog raspona.

Kalkulator to provjerava. Ako bi za kombinaciju debljine i postupka bila potrebna energija luka veća od 5 kJ/mm, prikazuje upozorenje umjesto broja. Isto čini ako formula daje brzinu kretanja jednaku nuli ili manju od nule. Zavarivanje na vrijednosti koju kalkulator nije prikazao nosi rizik od progorijevanja, prekomjerne deformacije ili spoja koji neće proći inspekciju.

Primjer izračuna

Zavarivač spaja ploču od mekanog čelika debljine 5 mm postupkom MIG.

1. Jakost struje: 5 × 40 = 200 A
2. Napon: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Brzina kretanja: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Energija luka (unos topline prema AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. ISO unos topline: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Obje vrijednosti nalaze se unutar raspona od 0,5–5 kJ/mm koji se može postići jednim MIG prolazom, pa kalkulator daje rezultat.

Usporedite to s čelikom debljine 10 mm zavarenim na isti način. Formule zahtijevaju 400 A, 30 V i brzinu kretanja od 100 mm/min. To daje energiju luka od 7,2 kJ/mm, što je iznad gornje granice od 5 kJ/mm. Kalkulator umjesto tih brojeva prikazuje upozorenje. Stvarni zavar na čeliku debljine 10 mm zahtijeva više prolaza prema kvalificiranom postupku, a ne procjenu za jedan prolaz.

Uobičajeni rasponi jakosti struje i debljine prema postupku

Ovi rasponi opisuju uobičajenu praksu u radionici. Formule kalkulatora proširuju isto linearno pravilo na svaki postupak, neovisno o ograničenjima određenog uređaja.

Često postavljana pitanja

Što je unos topline pri zavarivanju? Unos topline toplinska je energija dovedena po milimetru zavara, u kJ/mm. Utječe na dubinu prodiranja zavara, brzinu njegova hlađenja i opseg promjene strukture okolnog metala.

Koja je razlika između unosa topline prema AWS-u i ISO unosa topline? Unos topline prema AWS D1.1 i ASME IX jest energija luka: napon pomnožen s jakosti struje i 60, podijeljen s 1000 pomnoženim s brzinom kretanja. ISO 1011-1 unos topline tu vrijednost množi faktorom toplinske učinkovitosti k. Faktor iznosi 0,6 za TIG i 0,8 za ostala tri postupka. Tako se dobiva manja vrijednost koja bolje odražava energiju koju spoj stvarno apsorbira.

Zašto kalkulator prikazuje upozorenje umjesto rezultata? Formule su linearna pravila koja vrijede samo za tanki materijal zavaren u jednom prolazu. Iznad energije luka od približno 5 kJ/mm, ili kada formula daje brzinu kretanja jednaku nuli ili manju od nule, ne postoji zavar u jednom prolazu koji odgovara toj vrijednosti. Kalkulator uskraćuje rezultat umjesto da prikaže netočan rezultat.

Mogu li unijeti jakost struje umjesto debljine? Da. Nakon unosa jakosti struje kalkulator procjenjuje debljinu za koju je ta struja prikladna, a zatim izračunava napon, brzinu kretanja i unos topline.

Vrijede li ove formule za aluminij? Formule se temelje na praksi zavarivanja čelika. Aluminij odvodi toplinu brže od čelika pa mu općenito treba oko 30 % veća jakost struje nego čeliku iste debljine, uz zaštitni plin od čistog argona ili mješavinu argona i helija.

Je li ovo zamjena za specifikaciju postupka zavarivanja (WPS)? Ne. Kod radova koji podliježu normama prednost ima kvalificirani WPS, ispitan i dokumentiran za određeni spoj i materijal. Kalkulator daje početnu vrijednost za početno podešavanje, a ne certificirani postupak.

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