Metināšanas kalkulators - Strāva, Spriegums un Siltuma Ievade

Metināšanas kalkulators

Metināšanas kalkulators aprēķina loka metināšanai nepieciešamo strāvas stiprumu, spriegumu, metināšanas ātrumu un siltuma ievadi. Tas izmanto materiāla biezumu un metināšanas procesu. Šis rīks aptver četrus izplatītus procesus: MIG (GMAW), TIG (GTAW), manuālo loka metināšanu ar pārklātu elektrodu (SMAW) un metināšanu ar pulverstiepli (FCAW).

Rezultāti ir aptuvenas vadlīnijas, nevis sertificēta metināšanas procedūra. Tie attiecas uz plānu materiālu, kas metināts vienā gājienā. Biezākam materiālam izmantotās formulas pārsniedz savu derīguma diapazonu. Šādā gadījumā kalkulators minējuma vietā parāda brīdinājumu, nevis skaitli.

Kā darbojas kalkulators

Ievadiet materiāla biezumu milimetros un izvēlieties metināšanas procesu. Kalkulators aprēķina ieteicamo strāvas stiprumu, pēc tam, izmantojot šo strāvas stiprumu un biezumu, nosaka spriegumu un metināšanas ātrumu. Strāvas stiprumu var ievadīt arī tieši. Tādā gadījumā kalkulators apgrieztā secībā aprēķina procesam piemēroto biezumu un pēc tam nosaka pārējos parametrus.

Metināšanas strāvas formula

Strāvas stiprums palielinās lineāri līdz ar biezumu. Pieauguma ātrums atšķiras atkarībā no procesa:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Loka metināšana ar elektrodu: $I = 35t$
• Metināšana ar pulverstiepli: $I = 38t$

I ir strāvas stiprums ampēros. t ir biezums milimetros.

Metināšanas sprieguma formula

Spriegums palielinās līdz ar strāvas stiprumu:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Loka metināšana ar elektrodu: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Metināšana ar pulverstiepli: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V ir spriegums voltos.

Metināšanas ātruma formula

Metināšanas ātrums ir ātrums, ar kādu deglis vai elektrods pārvietojas gar savienojumu; to mēra milimetros minūtē. Palielinoties materiāla biezumam, tas samazinās:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Loka metināšana ar elektrodu: $S = 200 - 15t$
• Metināšana ar pulverstiepli: $S = 250 - 18t$

S ir metināšanas ātrums milimetros minūtē.

Siltuma ievades formula

Siltuma ievade raksturo uz katru metinājuma milimetru pievadīto siltumenerģiju kilodžoulos uz milimetru (kJ/mm). AWS D1.1 un ASME IX to definē kā loka enerģiju:

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

V ir spriegums, I ir strāvas stiprums ampēros, bet S ir metināšanas ātrums mm/min.

Otru rādītāju — ISO siltuma ievadi — nosaka EN ISO 1011-1. Tas loka enerģiju reizina ar termiskās lietderības koeficientu k. Šis koeficients ir mazāks par 1. Tas aptuveni parāda, cik liela loka enerģijas daļa faktiski nonāk metālā, nevis tiek zaudēta starojuma vai šļakatu veidā.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ ir ISO siltuma ievade, bet k — termiskās lietderības koeficients.

Metinot ar MIG, elektrodu vai pulverstiepli, k ir 0,8. TIG metināšanai tas ir 0,6, jo TIG loks pamatmetālam nodod mazāku savas enerģijas daļu nekā pārējie trīs procesi. Metināšanas standarti atšķiras pēc tā, kuru rādītāju tie sauc par “siltuma ievadi”. Norādiet to rādītāju, ko pieprasa piemērojamais standarts.

Kāpēc daži ievaddati nedod rezultātu

Strāvas stipruma, sprieguma un metināšanas ātruma formulas ir lineāri tuvinājumi. Tās ir spēkā tikai plānam materiālam, kas metināts vienā gājienā. Reālā loka metināšanā siltuma ievade ir aptuveni no 0,5 līdz 5 kJ/mm. Pārsniedzot šo robežu, vienā gājienā izpildāma procedūra nepastāv. Savienojumam nepieciešami vairāki gājieni, un katram no tiem jāpaliek šajā diapazonā.

Kalkulators to pārbauda. Ja noteiktai biezuma un procesa kombinācijai būtu nepieciešama loka enerģija, kas pārsniedz 5 kJ/mm, tas skaitļa vietā parāda brīdinājumu. Tāpat tas rīkojas, ja formula dod nulles vai negatīvu metināšanas ātrumu. Metinot ar vērtību, ko kalkulators nav uzrādījis, pastāv caurdegšanas, pārmērīgas deformācijas vai pārbaudi neizturoša savienojuma risks.

Atrisināts piemērs

Metinātājs ar MIG metodi savieno 5 mm biezu mazoglekļa tērauda plāksni.

1. Strāvas stiprums: 5 × 40 = 200 A
2. Spriegums: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Metināšanas ātrums: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Loka enerģija (AWS/ASME siltuma ievade): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. ISO siltuma ievade: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Abi rādītāji ietilpst 0,5–5 kJ/mm diapazonā, ko var nodrošināt ar vienu MIG gājienu, tāpēc kalkulators sniedz rezultātu.

Salīdziniet to ar 10 mm biezu tēraudu, kas metināts tādā pašā veidā. Formulas pieprasa 400 A, 30 V un 100 mm/min metināšanas ātrumu. Tas dod loka enerģiju 7,2 kJ/mm, kas pārsniedz 5 kJ/mm robežu. Šo skaitļu vietā kalkulators parāda brīdinājumu. Lai sametinātu 10 mm biezu tēraudu, kvalificētā procedūrā nepieciešami vairāki gājieni, nevis vienā gājienā veicams aprēķins.

Tipiskie strāvas stipruma un biezuma diapazoni pēc procesa

Šie diapazoni raksturo izplatītu darbnīcu praksi. Kalkulatora formulas katram procesam piemēro to pašu lineāro likumu neatkarīgi no konkrētās iekārtas ierobežojumiem.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kas ir siltuma ievade metināšanā? Siltuma ievade ir uz katru metinājuma milimetru pievadītā siltumenerģija, ko mēra kJ/mm. Tā ietekmē metinājuma iespiešanās dziļumu, atdzišanas ātrumu un apkārtējā metāla struktūras izmaiņu pakāpi.

Kāda ir atšķirība starp AWS un ISO siltuma ievadi? AWS D1.1 un ASME IX siltuma ievade ir loka enerģija: sprieguma, strāvas stipruma un 60 reizinājums, dalīts ar 1000 un metināšanas ātruma reizinājumu. ISO 1011-1 siltuma ievade šo rādītāju reizina ar termiskās lietderības koeficientu k. TIG metināšanai koeficients ir 0,6, bet pārējiem trim procesiem — 0,8. Tādējādi iegūst mazāku skaitli, kas precīzāk atspoguļo savienojuma faktiski absorbēto enerģiju.

Kāpēc kalkulators rezultāta vietā parāda brīdinājumu? Formulas ir lineāri likumi, kas darbojas tikai plānam materiālam, kas metināts vienā gājienā. Ja loka enerģija pārsniedz aptuveni 5 kJ/mm vai formula dod nulles vai negatīvu metināšanas ātrumu, neviens vienā gājienā veicams metinājums neatbilst šim skaitlim. Kalkulators rezultātu nerāda, lai neuzrādītu maldinošu vērtību.

Vai strāvas stiprumu var ievadīt biezuma vietā? Jā. Ievadot strāvas stiprumu, kalkulators aprēķina tam piemēroto biezumu un pēc tam nosaka spriegumu, metināšanas ātrumu un siltuma ievadi.

Vai šīs formulas darbojas alumīnijam? Formulas ir balstītas uz tērauda metināšanas praksi. Alumīnijs aizvada siltumu ātrāk nekā tērauds, tāpēc tāda paša biezuma alumīnijam parasti nepieciešams aptuveni par 30% lielāks strāvas stiprums nekā tēraudam, kā arī tīrs argons vai argona un hēlija aizsarggāze.

Vai tas var aizstāt metināšanas procedūras specifikāciju (WPS)? Nē. Darbiem, uz kuriem attiecas standarti, prioritāra ir kvalificēta WPS, kas pārbaudīta un dokumentēta konkrētajam savienojumam un materiālam. Kalkulators sniedz sākumpunktu sākotnējai iestatīšanai, nevis sertificētu procedūru.

Atsauces

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