Máy Tính Hàn - Dòng Điện, Điện Áp & Nhiệt Lượng Nhập

Máy tính hàn

Máy tính hàn ước tính dòng điện, điện áp, tốc độ di chuyển và nhiệt đầu vào cần thiết cho mối hàn hồ quang. Công cụ này dựa trên chiều dày vật liệu và quy trình hàn được sử dụng. Công cụ hỗ trợ bốn quy trình phổ biến: MIG (GMAW), TIG (GTAW), hàn que (SMAW) và hàn dây lõi thuốc (FCAW).

Kết quả là các quy tắc kinh nghiệm, không phải quy trình hàn được chứng nhận. Chúng áp dụng cho vật liệu mỏng được hàn bằng một đường hàn. Với vật liệu dày hơn, các công thức nền tảng nằm ngoài phạm vi hợp lệ. Khi đó, máy tính hiển thị cảnh báo thay vì một con số, không phỏng đoán.

Cách máy tính hoạt động

Nhập chiều dày vật liệu theo milimét và chọn một quy trình hàn. Máy tính tính dòng điện khuyến nghị, sau đó xác định điện áp và tốc độ di chuyển từ dòng điện và chiều dày đó. Cũng có thể nhập trực tiếp dòng điện. Trong trường hợp này, máy tính tính ngược để ước tính chiều dày phù hợp với quy trình, rồi suy ra các đại lượng còn lại.

Công thức dòng điện hàn

Dòng điện tăng tuyến tính theo chiều dày. Tốc độ tăng khác nhau tùy quy trình:

• MIG: $I = 40t$
• TIG: $I = 30t$
• Que hàn: $I = 35t$
• Dây lõi thuốc: $I = 38t$

I là dòng điện tính bằng ampe. t là chiều dày tính bằng milimét.

Công thức điện áp hàn

Điện áp tăng theo dòng điện:

• MIG: $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG: $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Que hàn: $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Dây lõi thuốc: $V = 22 + \frac{I}{30}$

V là điện áp tính bằng vôn.

Công thức tốc độ di chuyển

Tốc độ di chuyển là tốc độ mà mỏ hàn hoặc điện cực di chuyển dọc theo mối nối, được đo bằng milimét mỗi phút. Tốc độ này giảm khi vật liệu dày hơn:

• MIG: $S = 300 - 20t$
• TIG: $S = 150 - 10t$
• Que hàn: $S = 200 - 15t$
• Dây lõi thuốc: $S = 250 - 18t$

S là tốc độ di chuyển tính bằng milimét mỗi phút.

Công thức nhiệt đầu vào

Nhiệt đầu vào đo năng lượng nhiệt truyền vào trên mỗi milimét mối hàn, tính bằng kilôjun trên milimét (kJ/mm). AWS D1.1 và ASME IX định nghĩa đại lượng này là năng lượng hồ quang:

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

V là điện áp, I là dòng điện tính bằng ampe, S là tốc độ di chuyển tính bằng mm/phút.

Một đại lượng thứ hai, nhiệt đầu vào ISO, xuất phát từ EN ISO 1011-1. Đại lượng này nhân năng lượng hồ quang với hệ số hiệu suất nhiệt k. Hệ số này nhỏ hơn 1. Nó ước tính phần năng lượng hồ quang thực sự đi vào kim loại, thay vì bị mất dưới dạng bức xạ hoặc tóe kim loại.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ là nhiệt đầu vào ISO, còn k là hệ số hiệu suất nhiệt.

k bằng 0,8 đối với hàn MIG, hàn que và hàn dây lõi thuốc. k bằng 0,6 đối với TIG, vì hồ quang TIG truyền ít năng lượng vào kim loại cơ bản hơn ba quy trình còn lại. Các tiêu chuẩn hàn có thể dùng các định nghĩa khác nhau cho “nhiệt đầu vào”; cần báo cáo giá trị theo yêu cầu của tiêu chuẩn áp dụng.

Vì sao một số đầu vào không cho kết quả

Các công thức dòng điện, điện áp và tốc độ di chuyển là những xấp xỉ tuyến tính. Chúng chỉ áp dụng cho vật liệu mỏng được hàn trong một lượt. Hàn hồ quang thực tế tạo ra nhiệt đầu vào khoảng từ 0,5 đến 5 kJ/mm. Vượt quá ngưỡng này thì không tồn tại quy trình hàn một lượt. Mối nối cần nhiều lượt, mỗi lượt phải nằm trong phạm vi đó.

Máy tính kiểm tra điều này. Nếu một tổ hợp chiều dày và quy trình cần năng lượng hồ quang cao hơn 5 kJ/mm, máy tính hiển thị cảnh báo thay vì một con số. Máy cũng làm như vậy nếu công thức cho tốc độ di chuyển bằng hoặc nhỏ hơn không. Hàn theo một giá trị mà máy tính không hiển thị có nguy cơ gây cháy thủng, biến dạng quá mức hoặc mối nối không đạt kiểm tra.

Ví dụ minh họa

Một thợ hàn đang nối tấm thép cacbon dày 5 mm bằng MIG.

1. Dòng điện: 5 × 40 = 200 A
2. Điện áp: 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Tốc độ di chuyển: 300 − 5 × 20 = 200 mm/phút
4. Năng lượng hồ quang (nhiệt đầu vào AWS/ASME): (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Nhiệt đầu vào ISO: 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Cả hai đại lượng đều nằm trong khoảng 0,5–5 kJ/mm mà một lượt hàn MIG có thể tạo ra, nên máy tính trả về kết quả.

So sánh với thép dày 10 mm được hàn theo cách tương tự. Các công thức yêu cầu 400 A, 30 V và tốc độ di chuyển 100 mm/phút. Kết quả là năng lượng hồ quang 7,2 kJ/mm, cao hơn ngưỡng 5 kJ/mm. Máy tính hiển thị cảnh báo thay vì các con số này. Mối hàn thực tế trên thép dày 10 mm cần nhiều lượt theo một quy trình đã được phê chuẩn, không phải ước tính cho một lượt.

Khoảng dòng điện và chiều dày điển hình theo quy trình

Các khoảng này mô tả thực hành phổ biến trong xưởng. Các công thức của máy tính mở rộng cùng một quy tắc tuyến tính cho từng quy trình, không phụ thuộc vào giới hạn của một máy cụ thể.

Các câu hỏi thường gặp

Nhiệt đầu vào trong hàn là gì? Nhiệt đầu vào là năng lượng nhiệt truyền vào trên mỗi milimét mối hàn, tính bằng kJ/mm. Đại lượng này ảnh hưởng đến độ sâu ngấu của mối hàn, tốc độ nguội và mức độ thay đổi cấu trúc của kim loại xung quanh.

Sự khác nhau giữa nhiệt đầu vào AWS và nhiệt đầu vào ISO là gì? Nhiệt đầu vào theo AWS D1.1 và ASME IX là năng lượng hồ quang: điện áp nhân với dòng điện nhân 60, chia cho 1000 nhân với tốc độ di chuyển. Nhiệt đầu vào ISO 1011-1 nhân đại lượng đó với hệ số hiệu suất nhiệt k. Hệ số này là 0,6 đối với TIG và 0,8 đối với ba quy trình còn lại. Kết quả là một con số thấp hơn, phản ánh chính xác hơn năng lượng mà mối nối thực sự hấp thụ.

Vì sao máy tính hiển thị cảnh báo thay vì kết quả? Các công thức là những quy tắc tuyến tính chỉ áp dụng cho vật liệu mỏng được hàn trong một lượt. Khi năng lượng hồ quang vượt khoảng 5 kJ/mm, hoặc khi công thức cho tốc độ di chuyển bằng hoặc nhỏ hơn không, không có mối hàn một lượt nào phù hợp với con số đó. Máy tính không đưa ra kết quả thay vì hiển thị một kết quả sai.

Có thể nhập dòng điện thay cho chiều dày không? Có. Khi nhập dòng điện, máy tính sẽ ước tính chiều dày phù hợp với dòng điện đó, rồi tính điện áp, tốc độ di chuyển và nhiệt đầu vào từ giá trị này.

Các công thức này có áp dụng cho nhôm không? Các công thức dựa trên thực hành hàn thép. Nhôm dẫn nhiệt nhanh hơn thép, vì vậy thường cần dòng điện cao hơn khoảng 30% so với thép cùng chiều dày, cùng với khí bảo vệ argon tinh khiết hoặc argon-heli.

Đây có phải là phương án thay thế cho đặc tính kỹ thuật quy trình hàn (WPS) không? Không. Đối với công việc chịu sự chi phối của tiêu chuẩn, WPS đã được phê chuẩn, kiểm tra và lập hồ sơ cho mối nối và vật liệu cụ thể được ưu tiên áp dụng. Máy tính cung cấp điểm khởi đầu để thiết lập ban đầu, không phải một quy trình được chứng nhận.

Tài liệu tham khảo

1. Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, ấn bản 8. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. “Calculating Heat Input.” twi-global.com.