Varilni kalkulator - Tok, Napetost in Toplotni Vnos

Kalkulator varjenja

Kalkulator varjenja oceni potrebne vrednosti toka, napetosti, hitrosti pomika in vnosa toplote za obločno varjenje. Upošteva debelino materiala in uporabljeni varilni postopek. Orodje zajema štiri pogoste postopke: MIG (GMAW), TIG (GTAW), ročno obločno varjenje (SMAW) in varjenje s polnjeno žico (FCAW).

Rezultati so okvirne ocene, ne certificiran varilni postopek. Veljajo za tanek material, zvarjen v enem prehodu. Pri debelejšem materialu osnovne formule presežejo območje veljavnosti. V takem primeru kalkulator namesto ugibanja prikaže opozorilo in ne številčne vrednosti.

Kako deluje kalkulator

Vnesite debelino materiala v milimetrih in izberite varilni postopek. Kalkulator izračuna priporočeni tok, nato pa iz tega toka in debeline določi napetost ter hitrost pomika. Tok je mogoče vnesti tudi neposredno. V tem primeru kalkulator obratno oceni debelino, za katero je postopek primeren, nato pa izračuna še preostale vrednosti.

Formula za varilni tok

Tok narašča premo sorazmerno z debelino. Stopnja naraščanja se razlikuje glede na postopek:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Ročno obločno varjenje: $I = 35t$
• Varjenje s polnjeno žico: $I = 38t$

I je električni tok v amperih. t je debelina v milimetrih.

Formula za varilno napetost

Napetost narašča s tokom:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Ročno obločno varjenje: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Varjenje s polnjeno žico: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V je napetost v voltih.

Formula za hitrost pomika

Hitrost pomika je hitrost premikanja gorilnika ali elektrode vzdolž spoja, merjena v milimetrih na minuto. Z večanjem debeline materiala se zmanjšuje:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Ročno obločno varjenje: $S = 200 - 15t$
• Varjenje s polnjeno žico: $S = 250 - 18t$

S je hitrost pomikanja v milimetrih na minuto.

Formula za vnos toplote

Vnos toplote meri toplotno energijo, dovedeno na milimeter zvara, v kilodžulih na milimeter (kJ/mm). Standardoma AWS D1.1 in ASME IX je opredeljen kot energija obloka:

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

V je napetost, I je tok v amperih, S pa hitrost pomika v mm/min.

Druga vrednost, vnos toplote po ISO, izhaja iz standarda EN ISO 1011-1. Energijo obloka pomnoži s faktorjem toplotnega izkoristka k. Ta faktor je manjši od 1. Ocenjuje, kolikšen delež energije obloka dejansko vstopi v kovino, namesto da se izgubi s sevanjem ali brizganjem.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ je vhodna toplota po standardu ISO, k pa faktor toplotnega izkoristka.

k je 0,8 pri varjenju MIG, z ročnim obločnim varjenjem in s polnjeno žico. Pri varjenju TIG je 0,6, ker oblok TIG prenese v osnovno kovino manj energije kot drugi trije postopki. Varilski predpisi se razlikujejo glede tega, katero vrednost imenujejo »vnos toplote«. Navesti je treba tisto, ki jo zahteva veljavni predpis.

Zakaj nekateri vnosi ne dajo rezultata

Formule za tok, napetost in hitrost pomika so linearni približki. Veljajo le za tanek material, zvarjen v enem prehodu. Pri dejanskem obločnem varjenju je vnos toplote približno od 0,5 do 5 kJ/mm. Nad to mejo enoprehodni postopek ne obstaja. Spoj zahteva več prehodov, pri čemer mora vsak ostati znotraj tega območja.

Kalkulator to preveri. Če bi kombinacija debeline in postopka zahtevala energijo obloka nad 5 kJ/mm, namesto številčne vrednosti prikaže opozorilo. Enako stori, če formula določi hitrost pomika nič ali manj. Varjenje pri vrednosti, ki je kalkulator ni prikazal, lahko povzroči prežganje, čezmerno deformacijo ali spoj, ki ne prestane pregleda.

Primer izračuna

Varilec z MIG-varjenjem spaja 5 mm debelo ploščo iz mehkega jekla.

1. Tok: 5 × 40 = 200 A
2. Napetost: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Hitrost pomika: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Energija obloka (vnos toplote po AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Vnos toplote po ISO: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Obe vrednosti sta znotraj območja 0,5–5 kJ/mm, ki ga lahko doseže en MIG-prehod, zato kalkulator vrne rezultat.

Primerjajmo to z jeklom debeline 10 mm, zvarjenim na enak način. Formule zahtevajo 400 A, 30 V in hitrost pomika 100 mm/min. To pomeni energijo obloka 7,2 kJ/mm, kar presega mejo 5 kJ/mm. Kalkulator namesto teh vrednosti prikaže opozorilo. Dejanski zvar na jeklu debeline 10 mm zahteva več prehodov po kvalificiranem postopku, ne ocene za en prehod.

Običajni razponi toka in debeline po postopkih

Ti razponi opisujejo običajno prakso v delavnicah. Formule kalkulatorja isto linearno pravilo razširijo na vsak postopek, ne glede na omejitve posameznega stroja.

Pogosta vprašanja

Kaj je vnos toplote pri varjenju? Vnos toplote je toplotna energija, dovedena na milimeter zvara, v kJ/mm. Vpliva na globino prevaritve, hitrost ohlajanja in obseg sprememb v strukturi okoliške kovine.

Kakšna je razlika med vnosom toplote po AWS in po ISO? Vnos toplote po AWS D1.1 in ASME IX je energija obloka: napetost, pomnožena s tokom in 60, deljena z 1000, pomnoženim s hitrostjo pomika. Vnos toplote po ISO 1011-1 to vrednost pomnoži s faktorjem toplotnega izkoristka k. Faktor je 0,6 pri TIG in 0,8 pri drugih treh postopkih. Dobljena vrednost je manjša in bolje odraža energijo, ki jo spoj dejansko absorbira.

Zakaj kalkulator namesto rezultata prikaže opozorilo? Formule so linearna pravila, ki delujejo le za tanek material, zvarjen v enem prehodu. Pri energiji obloka nad približno 5 kJ/mm ali kadar formula določi hitrost pomika nič ali manj noben enoprehodni zvar ne ustreza tej vrednosti. Kalkulator rezultat zadrži, namesto da bi prikazal napačnega.

Ali lahko namesto debeline vnesem tok? Da. Če vnesete tok, kalkulator oceni debelino, za katero je ta tok primeren, nato pa izračuna napetost, hitrost pomika in vnos toplote.

Ali te formule veljajo za aluminij? Formule temeljijo na praksi varjenja jekla. Aluminij odvaja toploto hitreje kot jeklo, zato na splošno potrebuje približno 30 % več toka kot jeklo enake debeline ter zaščitni plin iz čistega argona ali mešanico argona in helija.

Ali je to nadomestilo za specifikacijo varilnega postopka (WPS)? Ne. Pri delih, za katera veljajo predpisi, ima prednost kvalificirana specifikacija WPS, preizkušena in dokumentirana za določen spoj in material. Kalkulator je izhodišče za začetno nastavitev, ne certificiran postopek.

Viri

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. izdaja. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. »Calculating Heat Input.« twi-global.com.