Калкулатор за заваривање - Струја, Напон и Унос Топлоте

Калкулатор за заваривање

Калкулатор за заваривање процењује потребне вредности струје, напона, брзине кретања и уноса топлоте за електролучно заваривање. Ради на основу дебљине материјала и поступка заваривања који се користи. Овај алат обухвата четири уобичајена поступка: MIG (GMAW), TIG (GTAW), ручно електролучно заваривање (SMAW) и електролучно заваривање жицом са пуњеним језгром (FCAW).

Резултати су приближне смернице, а не сертификована процедура заваривања. Важе за танак материјал заварен у једном пролазу. Код дебљег материјала формуле на којима се прорачун заснива излазе из подручја важења. Тада калкулатор приказује упозорење уместо броја, а не нагађа.

Како калкулатор функционише

Унесите дебљину материјала у милиметрима и изаберите поступак заваривања. Калкулатор израчунава препоручену струју, а затим на основу те струје и дебљине одређује напон и брзину кретања. Струја се може унети и директно. У том случају калкулатор обрнутим поступком процењује дебљину за коју је тај поступак погодан, а затим израчунава остале вредности.

Формула за струју заваривања

Струја расте линеарно са дебљином. Стопа раста се разликује по поступку:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Ручно електролучно заваривање: $I = 35t$
• Заваривање жицом са пуњеним језгром: $I = 38t$

I је струја у амперима. t је дебљина у милиметрима.

Формула за напон заваривања

Напон расте са струјом:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Ручно електролучно заваривање: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Заваривање жицом са пуњеним језгром: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V је напон у волтима.

Формула за брзину кретања

Брзина кретања је брзина којом се горионик или електрода помера дуж споја, а мери се у милиметрима у минути. Смањује се са повећањем дебљине материјала:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Ручно електролучно заваривање: $S = 200 - 15t$
• Заваривање жицом са пуњеним језгром: $S = 250 - 18t$

S је брзина кретања у милиметрима у минути.

Формула за унос топлоте

Унос топлоте мери топлотну енергију доведену по милиметру завареног споја, у килоџулима по милиметру (kJ/mm). Стандарди AWS D1.1 и ASME IX дефинишу га као енергију електричног лука:

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

V је напон, I је струја у амперима, а S је брзина кретања у mm/min.

Друга вредност, ISO унос топлоте, потиче из стандарда EN ISO 1011-1. Она множи енергију електричног лука фактором топлотне ефикасности k. Тај фактор је број мањи од 1. Њиме се процењује колики део енергије лука заиста улази у метал, уместо да се изгуби зрачењем или прскањем.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ је ISO унос топлоте, а k фактор топлотне ефикасности.

k износи 0,8 за MIG, електролучно заваривање обложеном електродом и заваривање електродом са пуњеним језгром. За TIG износи 0,6, јер TIG лук преноси мање своје енергије у основни метал него остала три поступка. Прописи за заваривање разликују се у томе коју вредност називају „уносом топлоте“. Треба навести ону коју захтева применљиви пропис.

Зашто неки уноси не дају резултат

Формуле за струју, напон и брзину кретања су линеарне апроксимације. Важе само за танак материјал заварен у једном пролазу. Стварно електролучно заваривање одвија се при уносу топлоте од приближно 0,5 до 5 kJ/mm. Изнад те горње границе не постоји процедура за један пролаз. Спој захтева више пролаза, при чему сваки мора остати унутар тог опсега.

Калкулатор то проверава. Ако би за комбинацију дебљине и поступка била потребна енергија електричног лука већа од 5 kJ/mm, приказује упозорење уместо броја. Исто ради ако формула даје брзину кретања нула или мању од нуле. Заваривање према вредности коју калкулатор није приказао носи ризик од прогоревања, прекомерне деформације или споја који не пролази контролу.

Решени пример

Заваривач спаја плочу од 5 mm меког челика поступком MIG.

1. Струја: 5 × 40 = 200 A
2. Напон: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Брзина кретања: 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Енергија електричног лука (AWS/ASME унос топлоте): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. ISO унос топлоте: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Обе вредности су унутар опсега од 0,5–5 kJ/mm који се може постићи једним MIG пролазом, па калкулатор враћа резултат.

Упоредите то са челиком дебљине 10 mm завареним на исти начин. Формуле захтевају 400 A, 30 V и брзину кретања од 100 mm/min. То даје енергију електричног лука од 7,2 kJ/mm, што је изнад горње границе од 5 kJ/mm. Калкулатор приказује упозорење уместо тих бројева. Стварно заваривање челика дебљине 10 mm захтева више пролаза према квалификованој процедури, а не процену за један пролаз.

Типични опсези струје и дебљине по поступцима

Ови опсези описују уобичајену праксу у радионицама. Формуле калкулатора проширују исто линеарно правило на сваки поступак, без обзира на ограничења конкретне машине.

Најчешће постављана питања

Шта је унос топлоте при заваривању? Унос топлоте је топлотна енергија доведена по милиметру завареног споја, у kJ/mm. Он утиче на дубину продирања завара, брзину хлађења и степен промене структуре околног метала.

Која је разлика између AWS и ISO уноса топлоте? Унос топлоте према AWS D1.1 и ASME IX представља енергију електричног лука: производ напона, струје и 60, подељен производом 1000 и брзине кретања. ISO 1011-1 унос топлоте множи ту вредност фактором топлотне ефикасности k. Фактор износи 0,6 за TIG и 0,8 за остала три поступка. Тако се добија мањи број који верније одражава енергију коју спој стварно апсорбује.

Зашто калкулатор приказује упозорење уместо резултата? Формуле су линеарна правила која важе само за танак материјал заварен у једном пролазу. Изнад енергије електричног лука од приближно 5 kJ/mm, или када формула да брзину кретања једнаку нули или мању, ниједан завар у једном пролазу не одговара тој вредности. Калкулатор не приказује резултат уместо да прикаже нетачан резултат.

Могу ли да унесем струју уместо дебљине? Да. Унос струје омогућава калкулатору да процени дебљину за коју је та струја погодна, а затим израчуна напон, брзину кретања и унос топлоте.

Да ли ове формуле важе за алуминијум? Формуле се заснивају на пракси заваривања челика. Алуминијум брже одводи топлоту од челика, па му је обично потребно око 30% више струје него челику исте дебљине, уз заштитни гас од чистог аргона или мешавину аргона и хелијума.

Да ли је ово замена за спецификацију поступка заваривања (WPS)? Не. Код радова који подлежу прописима предност има квалификована спецификација поступка заваривања (WPS), испитана и документована за конкретан спој и материјал. Калкулатор даје почетну вредност за подешавање, а не сертификовану процедуру.

Литература

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