Kalkulačka zvárania - Prúd, napätie a tepelný vstup

Kalkulačka zvárania

Kalkulačka zvárania odhaduje potrebný zvárací prúd, napätie, rýchlosť zvárania a vnesené teplo pri oblúkovom zváraní. Vychádza z hrúbky materiálu a použitého zváracieho procesu. Nástroj zahŕňa štyri bežné procesy: MIG (GMAW), TIG (GTAW), zváranie obalenou elektródou (SMAW) a zváranie plneným drôtom (FCAW).

Výsledky sú orientačné, nie sú certifikovaným zváracím postupom. Vzťahujú sa na tenký materiál zváraný jedným prechodom. Pri hrubšom materiáli prekračujú použité vzorce rozsah svojej platnosti. V takom prípade kalkulačka namiesto čísla zobrazí upozornenie, aby nemusela hádať.

Ako kalkulačka funguje

Zadajte hrúbku materiálu v milimetroch a vyberte zvárací proces. Kalkulačka vypočíta odporúčaný prúd a potom z neho a z hrúbky určí napätie a rýchlosť zvárania. Prúd možno zadať aj priamo. V takom prípade kalkulačka spätne odhadne hrúbku vhodnú pre daný proces a následne vypočíta ostatné hodnoty.

Vzorec pre zvárací prúd

Prúd rastie lineárne s hrúbkou. Rýchlosť rastu sa líši podľa procesu:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Zváranie obalenou elektródou: $I = 35t$
• Zváranie plneným drôtom: $I = 38t$

I je prúd v ampéroch. t je hrúbka v milimetroch.

Vzorec pre zváracie napätie

Napätie rastie s prúdom:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Zváranie obalenou elektródou: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Zváranie plneným drôtom: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V je napätie vo voltoch.

Vzorec pre rýchlosť zvárania

Rýchlosť zvárania je rýchlosť pohybu horáka alebo elektródy pozdĺž spoja, meraná v milimetroch za minútu. S rastúcou hrúbkou materiálu klesá:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Zváranie obalenou elektródou: $S = 200 - 15t$
• Zváranie plneným drôtom: $S = 250 - 18t$

S je rýchlosť posuvu v milimetroch za minútu.

Vzorec pre tepelný príkon

Tepelný príkon vyjadruje tepelnú energiu dodanú na milimeter zvaru v kilojouloch na milimeter (kJ/mm). Normy AWS D1.1 a ASME IX ho definujú ako energiu oblúka:

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

V je napätie, I je prúd v ampéroch a S je rýchlosť zvárania v mm/min.

Druhá hodnota, tepelný príkon podľa ISO, vychádza z normy EN ISO 1011-1. Energiu oblúka násobí koeficientom tepelnej účinnosti k. Tento koeficient je menší než 1. Odhaduje, aká časť energie oblúka skutočne vstúpi do kovu namiesto toho, aby sa stratila vyžarovaním alebo rozstrekom.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ je vnesené teplo podľa ISO a k je faktor tepelnej účinnosti.

Koeficient k je 0,8 pri zváraní metódami MIG, obalenou elektródou a plneným drôtom. Pri TIG je 0,6, pretože oblúk TIG prenáša do základného kovu menšiu časť energie než ostatné tri procesy. Zváracie normy sa líšia v tom, ktorú hodnotu označujú ako „tepelný príkon“. Uvádzajte hodnotu požadovanú príslušnou normou.

Prečo niektoré vstupy neposkytnú výsledok

Vzorce pre prúd, napätie a rýchlosť zvárania sú lineárne aproximácie. Platia iba pre tenký materiál zváraný v jednom prechode. Skutočné zváranie elektrickým oblúkom prebieha pri tepelnom príkone približne 0,5 až 5 kJ/mm. Nad touto hranicou neexistuje postup pre zváranie v jednom prechode. Spoj si vyžaduje viac prechodov, pričom každý musí zostať v tomto rozsahu.

Kalkulačka to kontroluje. Ak by kombinácia hrúbky a procesu vyžadovala energiu oblúka vyššiu než 5 kJ/mm, zobrazí namiesto čísla upozornenie. Rovnako postupuje, ak vzorec poskytne rýchlosť zvárania rovnú nule alebo zápornú. Zváranie na hodnotu, ktorú kalkulačka nezobrazila, môže viesť k prepáleniu, nadmernej deformácii alebo k spoju, ktorý neprejde kontrolou.

Vyriešený príklad

Zvárač spája dosku z mäkkej ocele s hrúbkou 5 mm metódou MIG.

1. Prúd: 5 × 40 = 200 A
2. Napätie: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Rýchlosť zvárania: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Energia oblúka (tepelný príkon podľa AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Tepelný príkon podľa ISO: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Obe hodnoty spadajú do rozsahu 0,5–5 kJ/mm, ktorý možno dosiahnuť jedným prechodom MIG, takže kalkulačka vráti výsledok.

Porovnajte to s oceľou s hrúbkou 10 mm zváranou rovnakým spôsobom. Vzorce požadujú 400 A, 30 V a rýchlosť zvárania 100 mm/min. Z toho vyplýva energia oblúka 7,2 kJ/mm, ktorá prekračuje hranicu 5 kJ/mm. Kalkulačka namiesto týchto čísel zobrazí upozornenie. Skutočné zváranie ocele s hrúbkou 10 mm si vyžaduje viac prechodov podľa kvalifikovaného postupu, nie odhad pre jeden prechod.

Typické rozsahy prúdu a hrúbky podľa procesu

Tieto rozsahy opisujú bežnú prax v dielňach. Vzorce kalkulačky rozširujú rovnaké lineárne pravidlo na každý proces bez ohľadu na limity konkrétneho zariadenia.

Najčastejšie otázky

Čo je tepelný príkon pri zváraní? Tepelný príkon je tepelná energia dodaná na milimeter zvaru v kJ/mm. Ovplyvňuje hĺbku prieniku, rýchlosť ochladzovania zvaru a mieru zmien štruktúry okolitého kovu.

Aký je rozdiel medzi tepelným príkonom podľa AWS a podľa ISO? Tepelný príkon podľa AWS D1.1 a ASME IX je energia oblúka: súčin napätia, prúdu a 60 vydelený súčinom 1000 a rýchlosti zvárania. Tepelný príkon podľa ISO 1011-1 túto hodnotu násobí koeficientom tepelnej účinnosti k. Koeficient je 0,6 pre TIG a 0,8 pre ostatné tri procesy. Výsledkom je nižšia hodnota, ktorá lepšie vyjadruje energiu skutočne absorbovanú spojom.

Prečo kalkulačka zobrazuje namiesto výsledku upozornenie? Vzorce sú lineárne pravidlá, ktoré fungujú iba pri tenkom materiáli zváranom v jednom prechode. Pri energii oblúka vyššej než približne 5 kJ/mm alebo v prípade, že vzorec poskytne rýchlosť zvárania rovnú nule či nižšiu, neexistuje zvar v jednom prechode zodpovedajúci danej hodnote. Kalkulačka výsledok radšej nezobrazí, než aby uviedla nepravdivú hodnotu.

Môžem zadať prúd namiesto hrúbky? Áno. Po zadaní prúdu kalkulačka odhadne hrúbku vhodnú pre tento prúd a potom z nej vypočíta napätie, rýchlosť zvárania a tepelný príkon.

Fungujú tieto vzorce aj pre hliník? Vzorce vychádzajú z praxe zvárania ocele. Hliník odvádza teplo rýchlejšie než oceľ, takže pri rovnakej hrúbke spravidla vyžaduje približne o 30 % vyšší prúd než oceľ, ako aj ochranný plyn z čistého argónu alebo zmesi argónu a hélia.

Je to náhrada za špecifikáciu zváracieho postupu (WPS)? Nie. Pri práci podľa noriem má prednosť kvalifikovaný WPS, overený a zdokumentovaný pre konkrétny spoj a materiál. Kalkulačka poskytuje východiskový bod na počiatočné nastavenie, nie certifikovaný postup.

Referencie

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