เครื่องคำนวณการเชื่อม - กระแส, แรงดัน และพลังงานความร้อน

เครื่องคำนวณการเชื่อม

เครื่องคำนวณการเชื่อมใช้ประมาณค่ากระแส แรงดัน ความเร็วในการเดินแนวเชื่อม และพลังงานความร้อนป้อนเข้าที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมอาร์ก โดยอาศัยความหนาของวัสดุและกระบวนการเชื่อมที่ใช้ เครื่องมือนี้ครอบคลุมกระบวนการทั่วไป 4 แบบ ได้แก่ MIG (GMAW), TIG (GTAW), การเชื่อมอิเล็กโทรดหุ้มฟลักซ์ (SMAW) และลวดเชื่อมไส้ฟลักซ์ (FCAW)

ผลลัพธ์เป็นเพียงค่าประมาณตามหลักทั่วไป ไม่ใช่ข้อกำหนดกระบวนการเชื่อมที่ผ่านการรับรอง ค่าดังกล่าวใช้ได้กับวัสดุบางที่เชื่อมด้วยการเชื่อมเที่ยวเดียว สำหรับวัสดุที่หนากว่านั้น สูตรพื้นฐานจะอยู่นอกช่วงที่ใช้ได้ เมื่อเกิดกรณีดังกล่าว เครื่องคำนวณจะแสดงคำเตือนแทนตัวเลข ไม่ใช่การเดาค่า

เครื่องคำนวณทำงานอย่างไร

ป้อนความหนาวัสดุเป็นมิลลิเมตรและเลือกกระบวนการเชื่อม เครื่องคำนวณจะคำนวณกระแสที่แนะนำ จากนั้นคำนวณแรงดันและความเร็วในการเดินแนวเชื่อมจากกระแสดังกล่าวกับความหนา ผู้ใช้ยังสามารถป้อนค่ากระแสโดยตรงได้ ในกรณีนั้นเครื่องคำนวณจะคำนวณย้อนกลับเพื่อประมาณความหนาที่เหมาะกับกระบวนการ แล้วคำนวณค่าที่เหลือต่อไป

สูตรกระแสเชื่อม

กระแสเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความหนา อัตราการเพิ่มแตกต่างกันไปตามกระบวนการ:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• เชื่อมอาร์กแบบลวดหุ้มฟลักซ์: $I = 35t$
• การเชื่อมด้วยลวดเชื่อมไส้ฟลักซ์: $I = 38t$

I คือกระแสไฟฟ้า หน่วยเป็นแอมแปร์ ส่วน t คือความหนา หน่วยเป็นมิลลิเมตร

สูตรแรงดันเชื่อม

แรงดันเพิ่มขึ้นตามกระแส:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• การเชื่อมอาร์กด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• การเชื่อมด้วยลวดเชื่อมไส้ฟลักซ์: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V คือแรงดันไฟฟ้า หน่วยเป็นโวลต์

สูตรคำนวณความเร็วในการเดินแนวเชื่อม

ความเร็วในการเดินแนวเชื่อมคือความเร็วที่หัวเชื่อมหรือลวดเชื่อมเคลื่อนที่ไปตามรอยต่อ วัดเป็นมิลลิเมตรต่อนาที ค่านี้จะลดลงเมื่อวัสดุมีความหนามากขึ้น:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• การเชื่อมอาร์กด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลักซ์: $S = 200 - 15t$
• การเชื่อมด้วยลวดเชื่อมไส้ฟลักซ์: $S = 250 - 18t$

S คือความเร็วการเดินแนวเชื่อม หน่วยเป็นมิลลิเมตรต่อนาที

สูตรพลังงานความร้อนป้อนเข้า

พลังงานความร้อนคือพลังงานความร้อนที่ส่งเข้าสู่แนวเชื่อมต่อความยาวหนึ่งมิลลิเมตร มีหน่วยเป็นกิโลจูลต่อมิลลิเมตร (kJ/mm) AWS D1.1 และ ASME IX กำหนดให้ค่านี้เป็นพลังงานอาร์ก:

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

V คือแรงดัน, I คือกระแสไฟฟ้า (แอมแปร์), S คือความเร็วในการเดินแนวเชื่อม (มม./นาที)

ค่าอีกค่าหนึ่งคือพลังงานความร้อนตาม ISO ซึ่งมาจาก EN ISO 1011-1 โดยนำพลังงานอาร์กคูณด้วยตัวประกอบประสิทธิภาพเชิงความร้อน k ตัวประกอบนี้เป็นค่าที่ต่ำกว่า 1 ใช้ประมาณว่าพลังงานจากอาร์กเข้าสู่โลหะจริงมากน้อยเพียงใด แทนที่จะสูญเสียไปในรูปการแผ่รังสีหรือละอองโลหะ

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ คือปริมาณความร้อนขาเข้าตามมาตรฐาน ISO และ k คือปัจจัยประสิทธิภาพทางความร้อน

k มีค่า 0.8 สำหรับการเชื่อม MIG การเชื่อมอิเล็กโทรดหุ้มฟลักซ์ และลวดเชื่อมไส้ฟลักซ์ ส่วน TIG มีค่า 0.6 เนื่องจากอาร์ก TIG ถ่ายโอนพลังงานเข้าสู่โลหะฐานได้น้อยกว่ากระบวนการอีกสามแบบ มาตรฐานการเชื่อมแต่ละฉบับอาจเรียกค่าคนละค่าเป็น “พลังงานความร้อนป้อนเข้า” ให้รายงานค่าตามที่มาตรฐานที่ใช้บังคับกำหนด

เหตุใดอินพุตบางค่าจึงไม่ให้ผลลัพธ์

สูตรกระแส แรงดัน และความเร็วในการเดินแนวเชื่อมเป็นค่าประมาณแบบเส้นตรง ใช้ได้เฉพาะกับวัสดุบางที่เชื่อมด้วยการเชื่อมเที่ยวเดียว การเชื่อมอาร์กจริงมีพลังงานความร้อนป้อนเข้าประมาณ 0.5 ถึง 5 kJ/มม. หากเกินขีดจำกัดนี้ จะไม่มีขั้นตอนการเชื่อมเที่ยวเดียวที่ใช้ได้ รอยต่อต้องเชื่อมหลายเที่ยว โดยควบคุมให้แต่ละเที่ยวอยู่ภายในช่วงดังกล่าว

เครื่องคำนวณจะตรวจสอบเงื่อนไขนี้ หากชุดความหนาและกระบวนการเชื่อมต้องใช้พลังงานอาร์กมากกว่า 5 kJ/มม. เครื่องจะแสดงคำเตือนแทนตัวเลข และจะทำเช่นเดียวกันหากสูตรให้ค่าความเร็วในการเดินแนวเชื่อมเป็นศูนย์หรือน้อยกว่า การเชื่อมตามค่าที่เครื่องคำนวณไม่แสดงผลอาจทำให้เกิดการทะลุไหม้ การบิดเบี้ยวมากเกินไป หรือรอยต่อไม่ผ่านการตรวจสอบ

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

ช่างเชื่อมกำลังเชื่อมแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหนา 5 มม. ด้วย MIG

1. กระแส: 5 × 40 = 200 A
2. แรงดัน: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. ความเร็วในการเดินแนวเชื่อม: 300 − 5 × 20 = 200 มม./นาที
4. พลังงานอาร์ก (พลังงานความร้อนตาม AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1.32 kJ/มม.
5. พลังงานความร้อนตาม ISO: 0.8 × 1.32 = 1.06 kJ/มม.

ค่าทั้งสองอยู่ภายในช่วง 0.5–5 kJ/มม. ที่การเชื่อม MIG เที่ยวเดียวสามารถทำได้ เครื่องคำนวณจึงแสดงผลลัพธ์

ลองเปรียบเทียบกับเหล็กหนา 10 มม. ที่เชื่อมด้วยวิธีเดียวกัน สูตรต้องใช้กระแส 400 A แรงดัน 30 V และความเร็วในการเดินแนวเชื่อม 100 มม./นาที ซึ่งให้พลังงานอาร์ก 7.2 kJ/มม. สูงกว่าขีดจำกัด 5 kJ/มม. เครื่องคำนวณจะแสดงคำเตือนแทนตัวเลขเหล่านี้ การเชื่อมเหล็กหนา 10 มม. จริงต้องเชื่อมหลายเที่ยวตามขั้นตอนที่ผ่านการรับรอง ไม่ใช่ใช้ค่าประมาณสำหรับการเชื่อมเที่ยวเดียว

ช่วงกระแสและความหนาทั่วไปตามกระบวนการ

ช่วงเหล่านี้อธิบายแนวปฏิบัติทั่วไปในโรงงาน สูตรของเครื่องคำนวณขยายกฎเส้นตรงเดียวกันไปตลอดช่วงของแต่ละกระบวนการ โดยไม่คำนึงถึงข้อจำกัดของเครื่องเชื่อมแต่ละรุ่น

คำถามที่พบบ่อย

พลังงานความร้อนในการเชื่อมคืออะไร พลังงานความร้อนป้อนเข้าคือพลังงานความร้อนที่ส่งเข้าสู่แนวเชื่อมต่อความยาวหนึ่งมิลลิเมตร มีหน่วยเป็น kJ/mm ค่านี้มีผลต่อการหลอมลึกของแนวเชื่อม ความเร็วในการเย็นตัว และระดับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโลหะโดยรอบ

พลังงานความร้อนตาม AWS และพลังงานความร้อนตาม ISO แตกต่างกันอย่างไร พลังงานความร้อนตาม AWS D1.1 และ ASME IX คือพลังงานอาร์ก ซึ่งเท่ากับแรงดันคูณกระแสคูณ 60 หารด้วยผลคูณของ 1000 กับความเร็วในการเดินแนวเชื่อม ส่วนพลังงานความร้อนตาม ISO 1011-1 นำค่าดังกล่าวคูณด้วยตัวประกอบประสิทธิภาพเชิงความร้อน k ตัวประกอบนี้มีค่า 0.6 สำหรับ TIG และ 0.8 สำหรับอีกสามกระบวนการ จึงได้ค่าที่ต่ำกว่าและสะท้อนพลังงานที่รอยต่อดูดซับไว้จริงได้ดีกว่า

เหตุใดเครื่องคำนวณจึงแสดงคำเตือนแทนผลลัพธ์ สูตรเหล่านี้เป็นกฎเส้นตรงที่ใช้ได้เฉพาะกับวัสดุบางซึ่งเชื่อมด้วยการเชื่อมเที่ยวเดียว เมื่อพลังงานอาร์กสูงกว่าประมาณ 5 kJ/มม. หรือเมื่อสูตรให้ค่าความเร็วในการเดินแนวเชื่อมเป็นศูนย์หรือน้อยกว่า จะไม่มีการเชื่อมเที่ยวเดียวที่สอดคล้องกับค่าดังกล่าว เครื่องคำนวณจึงไม่แสดงผลแทนการแสดงค่าที่ไม่ถูกต้อง

สามารถป้อนกระแสแทนความหนาได้หรือไม่ ได้ การป้อนค่ากระแสจะทำให้เครื่องคำนวณประมาณความหนาที่เหมาะกับกระแสดังกล่าว แล้วคำนวณแรงดัน ความเร็วในการเดินแนวเชื่อม และพลังงานความร้อนป้อนเข้าต่อจากนั้น

สูตรเหล่านี้ใช้กับอะลูมิเนียมได้หรือไม่ สูตรเหล่านี้อ้างอิงแนวปฏิบัติในการเชื่อมเหล็ก อะลูมิเนียมนำความร้อนออกไปได้เร็วกว่าเหล็ก จึงมักต้องใช้กระแสมากกว่าเหล็กที่มีความหนาเท่ากันประมาณ 30% และต้องใช้ก๊าซปกคลุมเป็นอาร์กอนบริสุทธิ์หรือก๊าซผสมอาร์กอนกับฮีเลียม

สิ่งนี้ใช้แทนข้อกำหนดกระบวนการเชื่อม (WPS) ได้หรือไม่ ไม่ได้ สำหรับงานที่อยู่ภายใต้ข้อกำหนดของมาตรฐาน WPS ที่ผ่านการรับรอง ทดสอบ และจัดทำเอกสารสำหรับรอยต่อและวัสดุเฉพาะ ย่อมมีผลเหนือกว่า เครื่องคำนวณให้ค่าเริ่มต้นสำหรับการตั้งค่าเบื้องต้น ไม่ใช่กระบวนการเชื่อมที่ผ่านการรับรอง

เอกสารอ้างอิง

1. American Welding Society (สมาคมการเชื่อมแห่งสหรัฐอเมริกา). AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. International Organization for Standardization (องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน). EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, ฉบับที่ 8, Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. “Calculating Heat Input.” twi-global.com.