Hitsauksen ABC
MIG/MAG-hitsauksen lämmöntuonnin laskenta
28. heinäkuuta 2020
Uusi menetelmäkoestandardi EN ISO 15614.1:2017 ottaa kantaa lämmöntuonnin mittaamiseen ja laskentaan. Mitä se tarkoittaa käytännössä MIG/MAG-hitsauksessa? Entä miten konepajat voivat laskennan käytännössä toteuttaa?
Jani Kumpulainen
Mitä standardit vaativat?
Uuden menetelmäkoestandardin EN ISO 15614-1:2017 kappaleessa 8.4.7, ”Lämmöntuonti (kaarienergia)” sanotaan:
”Lämmöntuonti voidaan korvata kaarienergialla (J/mm). Kaarienergia lasketaan julkaisun ISO/TR 18491 mukaisesti. Julkaisun ISO/TR 17671‑1 mukainen k-kerroin on otettava huomioon laskettaessa lämmöntuontia. Laskentavaihtoehto, joko lämmöntuonti tai kaarienergia, on kirjattava.”
”Kaarienergia ja lämmöntuonti ovat kaaren synnyttämän lämmön suureita. Aiemmin nämä olivat eri termejä samalle suureelle, mutta nykyään kyseiset suureet lasketaan eri kaavoilla. Hitsauksen seurannassa voi käyttää joko kaarienergiaa tai lämmöntuontia laskettuna julkaisun ISO/TR 18491 mukaisesti.”
Uusi menetelmäkoestandardi viittaa teknisiin raportteihin ISO/TR 18491 ja 17671-1, joissa kerrotaan, että kaarijännite tulee mitata niin läheltä valokaarta kuin käytännössä mahdollista. Tällöin vältytään hitsauskaapeleiden aiheuttamalta jännitehäviöltä. Taulukossa 1 on esitetty suositellut mittauskohdat eri hitsausprosesseille.
Taulukko 1. Jännitteen mittauskohdat eri hitsausprosesseille teknisen raportin ISO/TR 18491 mukaan
Kaarienergian laskentakaavat
Kaavoja A, B ja C käytetään kaarienergian laskentaan ISO/TR 18491 mukaisesti. Käytetyt termit löydät taulukosta 2.
Taulukko 2. Käytetyt termit kaarienergian laskennassa teknisen raportin ISO/TR 18491 mukaan
Miten laskentakaavoja sovelletaan?
Kaavat A, B ja C soveltuvat ei-aaltomuoto-ohjatulle hitsaukselle. Vain B ja C soveltuvat aaltomuoto-ohjatulle hitsaukselle. Hetkellinen energia tai teho mitataan ulkoisella mittarilla, mikäli hitsauslaite ei kykene sitä näyttämään. Kummassakin tapauksessa näytteenottotaajuuden tulee olla vähintään 10 kertaa aaltomuodon taajuus.
ISO/TR 18491 määrittelee aaltomuoto-ohjatun hitsauksen seuraavasti:
”Aaltomuoto-ohjattu hitsaus on virran ja/tai jännitteen aaltomuodon modifikaatio, jolla ohjataan pisaran muotoa, tunkeumaa, kostutusta, palon muotoa tai aineensiirtymismuotoa. ”
Lämmöntuonnin laskentakaava
Teknisessä raportissa ISO/TR 17671-1 esitetään eri hitsausprosessien termiset hyötysuhteet ja kaava, jolla lämmöntuonti lasketaan:
Taulukko 3. Hitsausprosessien termiset hyötysuhteet teknisen raportin ISO/TR 17671-1 mukaan
Lämmöntuonnin selvittämiseksi on siis ensin laskettava kaarienergia ja kerrottava se termisellä hyötysuhteella.
Alla näet esimerkin kaarienergian (E) ja lämmöntuonnin (Q) laskennasta MIG/MAG-hitsauksesta. Tällainen laskenta, jossa käytetään virran ja jännitteen keskiarvoja, pätee vain ei-aaltomuoto-ohjattuun hitsaukseen:
Hitsauskaapelien jännitehäviöt
Kaarijännite tulee mitata niin läheltä valokaarta kuin käytännössä mahdollista, jotta vältytään hitsauskaapelien aiheuttamalta jännitehäviöltä. Mitkä seikat sitten käytännössä vaikuttavat jännitehäviöihin?
Taulukko 4. Maakaapelien ja välikaapelien jännitehäviöt 10 m kaapelin pituudella
Taulukko 5. 4,5 metriä pitkän MIG/MAG-hitsauspolttimen jännitehäviöt
Esimerkkitilanne:
Välikaapeli 30 metriä 70mm2
Maakaapeli 30 metriä 70 mm2
420 A ja 4,5 m vesijäähdytteinen hitsauspoltin
Hitsausparametrit virtalähteeltä ovat 500 A ja 39 V (19,5 kW). Jännitehäviö on 9,55 V ja tehohäviö 4,8 kW. Tästä havaitaan, että jännitehäviöt ovat suurimmillaan pitkillä ja ohuilla kaapeleilla sekä suurella hitsausvirralla.
Käytännön hitsauskokeet
Palataanpa vielä ISO/TR 18491 mukaiseen lämmöntuonnin laskentatapaan. Laskentatapa A:ssa käytetään hitsausvirran (I) ja kaarijännitteen (U) keskiarvoja ja se soveltuu ei-aaltomuoto-ohjatulle hitsaukselle. Laskentatavoissa B ja C puolestaan mitataan hetkellistä energiaa (IE) tai tehoa (IP) ja niitä tarvitaan, kun kyseessä on aaltomuoto-ohjattu hitsaus. Toki laskentatapoja B ja C voi myös käyttää myös ei-aaltomuoto-ohjatulle hitsaukselle.
Määritelmänä aaltomuoto-ohjattu hitsaus ei ole kuitenkaan aivan yksiselitteinen ja tulkintaeroja saattaa syntyä. Sen vuoksi suoritimme käytännön hitsauskokeita, joissa mittasimme todellista ja laskennallista tehoa (laskennassa käytettiin virran ja jännitteen keskiarvoja).
Hitsauskokeet suoritettiin Kempin X8 MIG Welder -hitsauslaitteella, ER70S-6 Ø1,2 mm umpilangalla ja Ar + 18% CO2 -seoskaasulla. Hitsaukset tehtiin sekä normaali MAG että pulssi-MAG-hitsauksena eri tehoalueilla.
Taulukossa 6 on esitetty MAG-hitsauskokeiden tulokset. Niistä nähdään, että aivan pienimmällä testatulla arvolla (59 A) virhettä syntyy 12,8 %. Kun tehoa kasvatetaan, virhe pienenee ja yli 200 ampeerin virroilla virhe ei ole enää merkittävä.
Taulukko 6. MAG-hitsauskokeiden tulokset
Taulukossa 7 on puolestaan esitetty pulssi-MAG-hitsauskokeiden tulokset. Niistä nähdään, että virhettä esiintyy koko tehoalueella. Suhteellinen virhe on suurinta pienillä tehoilla.
Vertailu MAG- ja pulssi-MAG-hitsauskokeiden tuloksista
Uusilla MIG/MAG-hitsauskoneilla helpotusta lämmöntuonnin laskentaan
Lämmöntuonnin laskennan ei kuitenkaan tarvitse olla monimutkaista; Kempin uusin MIG/MAG-hitsauslaitteisto tuo helpotusta lämmöntuonnin laskentaan. X8 MIG Welder mittaa kaarijännitteen suoraan virtasuuttimelta, jotta jännitehäviöiltä vältyttäisiin. Se laskee hetkellisen tehon standardien vaatimusten mukaisesti, ja näytteenottotaajuus on jopa 20 000 Hz. Laite pystyy myös määrittämään hitsausnopeuden, kun hitsaaja syöttää hitsauksen jälkeen hitsin pituuden. Tämän jälkeen hitsauskone näyttää automaattisesti todellisen lämmöntuonnin.
Tämä toiminto helpottaa mm. menetelmäkoepöytäkirjojen täyttämistä, kun tarvittavat tiedot hitsausparametreistä, hitsausnopeudesta ja lämmöntuonnista saadaan suoraan X8 Control Padilta hitsauksen jälkeen.
Hitsauksen jälkeen hitsaaja näkee toteutuneet hitsausparametrit, hitsausnopeuden ja lämmöntuonnin X8 Control Padin näytöltä
Mitä tästä kaikesta jäi käteen? Lämmöntuonnin laskennan kannalta jännitteen mittaus tulisi suorittaa mahdollisimman läheltä valokaarta kaapeleiden aiheuttaman jännitehäviön takia. Ainakin pulssi-MAG-hitsauksessa tulisi laskennassa käyttää todellista tehoa, koska virhettä esiintyy jonkin verran koko tehoalueella.
Kynän ja ruutupaperin aika on kuitenkin ohi, sillä uusimmat MIG/MAG-hitsauslaitteet tuovat helpotusta hitsausinsinöörien arkeen ja laskevat lämmöntuonnin automaattisesti oikein.
Jani Kumpulainen
Welding Technology Manager at Kemppi Oy. International Welding Engineer (IWE) and Inspector (IWI-C) who has over 10 years of experience as a welding expert in welding process development, welding coordination of pressure vessels and international sales. Interested in understanding the whole welding industry including welding processes, weldable materials, and welding quality standards.
Lisää blogikirjoituksia
What is pulsed MIG welding, and for what you can use it?
Pulsed MIG/MAG welding is a significant improvement in welding technology, offering accuracy, productivity, and flexibility that conventional welding methods can hardly compete with. This advanced process has become popular for professionals looking to improve weld quality, especially in demanding applications. Here's a closer look at how pulsed MIG/MAG welding works and the situations where it truly shines.
Hitsauksen ABC
Näin vältät yleisimmät hitsausvirheet MIG/MAG-hitsauksessa
Hitsaustuotannon laatuvaatimukset kasvavat rakenteiden optimoinnin sekä materiaalien ja hitsausprosessien kehityksen myötä. Hitsausvirheet voivat pahimmillaan aiheuttaa vakavia onnettomuuksia ja rakennevaurioita, joten virheiden välttäminen ja niiden syntymekanismien ymmärtäminen on tärkeää. Tässä tekstissä esittelemme yleisimmät MIG/MAG-hitsausvirheet ja keinot, joiden avulla niiden syntymistä voi parhaiten välttää.
Hitsauksen ABC
Digitaalinen hitsausohje säästää aikaa ja rahaa
Hitsattavien tuotteiden monimutkaisuuden vuoksi hitsausohjeiden kehittämisprosessi vie entistä enemmän aikaa. Kun teollisuudessa siirrytään alihankintaan ja useisiin tuotantolaitoksiin perustuviin toimintamalleihin, hitsausohjeiden hallinta muuttuu myös yhä haastavammaksi. Kun kehitimme uutta tuotevalikoimaamme haastavaan teolliseen hitsaukseen, ryhdyimme samalla miettimään hitsausohjeita. Onko paperille tulostaminen todella ainoa tapa käsitellä hitsausohjeita tänä teollisen internetin aikana? Voisiko digitalisaatiosta löytyä uutta tehokkuutta hitsausohjeiden käsittelyyn?
Digitalisaatio
Löydä oikeat parametrit TIG-hitsaukseen
Onnistunut hitsaus nojaa parametriasetusten ja valintojen yhdistelmään.
Hitsauksen ABC
Terästen hitsaus erikoisprosesseja hyödyntämällä
Seostamattomien ja niukkaseosteisten rakenneterästen, eli ns. mustien terästen hitsausta saatetaan monesti pitää yksinkertaisena tehtävänä. Niiden hitsauksessakin on kuitenkin omat erityispiirteensä, jotka paikoitellen aiheuttavat haasteita hitsauksen suorittamiseen.
Käsinhitsaus, Hitsauksen ABC
Uusi Kempin robotiikkatiimi
Kohti strategisia tavoitteita ja parempaa asiakaskokemusta
Ihmiset
