Svejse Arc: Definition, struktur og typer

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Definition af svejsebue 2. Struktur og egenskaber ved svejsebue 3. Typer 4. Elektrodepolaritetens rolle.

Definition af svejsebue:

En bue er en elektrisk udladning mellem to elektroder, der finder sted gennem en elektrisk ledende varm ioniseret gas kendt som plasma. En elbue til svejsning kaldes svejsebue og er normalt mellem en tynd stang (eller ledning) og en plade er derfor klokkeformet som vist i figur 3.1 (a).

Struktur og egenskaber ved svejsebue:

En svejsebue er en høj strøm lavspændings elektrisk udladning, der fungerer generelt i området fra 10 til 2000 ampere og ved 10 til 50 volt. I et svejsekreds virker bue som en belastningsmodstand.

Bredt set består svejsebueen af ​​en mekanisme til udsendelse af elektroner fra katoden, som efter at have passeret gennem ioniseret varmgasfusion i anode. Til analyse er svejsebue normalt opdelt i fem dele, f.eks. katodefladen, katodedrålingszonen, buen søjlen, anode dropzoner og anode stedet. Spændingen falder over katoden, og anodedrålingszonerne er ret stejle, mens spændingsfaldet over bue-søjlen er mere gradvist, som vist i figur 3.1 (b). Fra figuren er det tydeligt, at buespændingen (V) er en sum af katodedråbet (Vc), kolonnefaldet (Vp) og anodedråbet (Va).

Det kan således udtrykkes som:

V = Vc + Vp + Va ....... (3-1)

Skønt en svejsebue normalt er klokkeformet, men der kan forekomme betydelig svingning i sin form i de svejseprocesser, hvor stangelektroden (kaldes kun elektroden i resten af ​​teksten) kan forbruges, fx i afskærmet metalbuesvejsning og gas metalbuesvejsning. For at have en omfattende viden om en svejsebues adfærd er det vigtigt at kende egenskaberne ved de forskellige zoner.

Katoden Spot :

Det er den del af den negative elektrode, hvorfra elektronerne udsendes. Tre typer katodefladestilstande er blevet observeret.

Disse er:

(a) mobil katod spot-tilstand

(b) Termionisk katode spot-tilstand, og

(c) Den normale tilstand.

I en mobilkatode forekommer spottilstand en eller flere meget små katodeflader ved katodeoverfladen og bevæger sig med en høj hastighed på 5 til 10 m / sek og går normalt bag et synligt spor. Opførelsen af ​​en mobil katod spot er afhængig af det materiale, som det danner. For eksempel observeres der på aluminiumsflader, som genererer komplekse serier af forgrenede spor, mens kobber er det spor, der er efterladt, almindeligt enkelt uden nogen grene som vist i figur 3.2.

Oxidfilmen på overfladen af ​​metallet løsnes ved bevægelsen af ​​et mobilkatodsted og undertiden går et lag af metallet også tabt. Denne egenskab gør en mobilkatode meget vigtig til anvendelse i industrien, især til svejsning af aluminium og magnesium. Den aktuelle tæthed i et sådant katodepunkt er af størrelsesordenen 10 ² til 10 ³ A / mm ² .

I termionisk tilstand danner katodfladen ved spidsen af ​​en skarp spids wolfram eller thoriated wolframstang, der anvendes med argonafskærmning. Katodfladen forbliver fikseret i position og har en strømtæthed i størrelsesordenen 10 ² A / mm ² . Det er synligt enten som en lyspunkt eller kan lokaliseres ved konvergensen af ​​bueskøjlen til et punkt ved katodeoverfladen.

I normal tilstand danner katodfladen ikke nogen veldefineret punkt. For eksempel synes katoderpladen med en kulstofbelagt stålelektrode at omslutte hele den smeltede spids af elektroden. En lignende type katodspots observeres i gaswolframbuesvejsning med argonbeskyttet afrundet spidswolframelektrode, som vist i figur 3.3.

Argonafskærmet wolframbue virker enten med den veldefinerede katodestik af den anden type eller udefineret katodestik af den tredje type, og volt-ampere karakteristikken i de to tilfælde er forskellig.

Elektronemissionsmekanismer :

Elektronemission fra katoden kan være af nogen af ​​de mange mekanismer som termionisk emission, auto-elektronisk eller feltemission, fotoelektrisk emission og sekundær emission.

en. Termisk emission:

Det indebærer frigørelse af elektroner fra de opvarmede elektroder. Efterhånden som temperaturen på elektroden hæves, øges de elektroniske elektroners kinetiske energi til et punkt, hvor de kan slippe fra overfladen af ​​den negative elektrode ved katodefladen ind i det feltfrie rum udenfor i lyset af tiltrækningen af ​​den positive ioner efterladt på katoden.

Emissionen af ​​elektroner fra carbon- og wolframkatoderne antages at være termisk karakter, men de fleste andre metaller koger ved temperaturer, der ligger langt under det, der kræves til termisk emission.

b. Auto-elektronisk emission:

Denne type elektronemission produceres af et tilstrækkeligt stærkt elektrisk felt, det vil sige når spændingen over elektroderne er så høj (i størrelsesordenen 10 ⁴ volt), at luften mellem dem ioniseres under indflydelse, og den elektriske udledning følger med emission af elektroner fra katodeoverfladen.

c. Foto-elektrisk emission:

Det sker, når energi i form af en stråle af lys falder på katodeoverfladen og resulterer i øget kinetisk energi af elektroner og således resulterer i deres udledning fra katoden til vakuum eller et andet materiale. En sådan mekanisme af elektronemission udnyttes til frembringelse af røntgenstråler.

d. Sekundær emission:

Det refererer til emission af elektroner under påvirkning af hurtigt bevægende ioner. Når hastigheden af ​​indfaldende ioner overstiger orbitalhastighederne af elektroner i atomerne af katodens materiale resulterer det i udvisning (eller emission) af elektroner.

Ved svejseprocesser er elektronemissionen enten af ​​termionisk type, for eksempel ved gaswolframbuesvejsning, plasmabuesvejsning og kulbuesvejsning eller det er af auto-emissionstype i forbindelse med hjælpemidler til ionisering af luftgabet mellem elektroden og Arbejdsstykket, f.eks. til afskærmet metalbuesvejsning, nedsænket lysbuesvejsning og gasbuesvejsning af gas.

Emissionen af ​​elektroner fra et katodpunkt er afhængig af excitationsenergien eller arbejdsfunktionen af ​​et materiale, der er defineret som den krævede energi i elektronvolt (eV) eller Joules, for at få en elektron frigivet fra overfladen af ​​materialet til det omkringliggende rum. Ioniseringspotentiale, som defineres som energien pr. Enhedsladning i volt, der kræves for at fjerne en elektron fra et atom til en uendelig afstand, spiller også en vigtig rolle for at opretholde en elektrisk udladning. Både parametrene for de fleste af de materialer, der er involveret i svejsning, er angivet i tabel 3.1.

Katode Drop Zone :

Det er den gasformige region umiddelbart ved siden af ​​katoden, hvor der sker et kraftigt spændingsfald. Den kombinerede størrelse af katodedråbningszonen og anodedrålingszonen er af størrelsesordenen 10 ² mm, som er næsten lig med den elektron-middelfri vej. Spændingsfaldet i katodens dropzone for den argonafskærmede wolframelektrode har vist sig at være ca. 8 volt ved 100 ampere, og det øges, når strømmen falder.

The Arc Column:

Det er den lyse synlige del af buen og har en høj temperatur og en lav potentiel gradient. Bukkolens temperatur afhænger af de gasser, der er til stede i den, og mængden af ​​svejsestrømmen, der strømmer i kredsløbet. Sædvanligvis varierer kolonnens temperatur fra 6000 ° C til jerndampe til ca. 20.000 ° C for argonafskærmet wolframbue. Ved en så høj temperatur splittes alle molekylære gasser, som er til stede i søjlen, i atomform, og atomerne dissocieres yderligere til elektroner og ioner. Antallet af elektroner og ioner i et givet volumen af ​​bue forbliver imidlertid det samme, således at bueen er elektrisk neutral.

Da den gennemsnitlige ion er ca. tusind gange tungere end en elektron, er elektronerne langt mere mobile og bærer derfor det meste af strømmen over bueskøjlen. Den potentielle gradient i søjlen er lavere end den på tværs af katodedrålingszonen eller anodedrålingszonen, og den varierer generelt mellem 0-5 til 5 volt / mm for argonbeskyttede wolframbuer, mens det til skærmet metalbuesvejsning normalt er omkring 1 volt / mm.

Svejsebueen er næsten uafbrudt mellem en stang eller en ledningselektrode og et fladt eller bredt arbejdsstykke. Dette, uanset elektrodepolariteten, resulterer i en klokke eller en kegleformet lysbue med keglens apex ved eller nær spidselektrodens spids. På grund af denne indsnævring af bågen nær stangelektroden har den den højeste energitæthed der, men på grund af afkølingseffekten på grund af elektrodenes nærhed er den maksimale temperatur i kerne af søjlen.

Det område, hvor den indsnævrede søjle møder elektroden, kaldes buenoten. Temperaturfordelingen i bue-søjlen for en 200 ampere argonafskærmet wolframbue er vist i figur 3.4.

Figur 3.4 Temperaturfordeling i en bueskøjle

Strømmen af ​​strømmen i buekolonnen resulterer i udvikling af elektromagnetiske kræfter. Nu er det også velkendt, at to parallelle ledere, der bærer strøm i samme retning, tiltrækker hinanden.

Hvis strømmen udføres af en gasformet cylinder, kan den betragtes som bestående af et stort antal ringformede cylindriske ledere, derfor er der gensidig tiltrækkelse mellem de forskellige gasformige cylindre med alle kræfter, der virker indad på grund af høj strømtæthed i lederens kerne .

Disse indsnævringskræfter er afbalanceret af en statisk trykgradient etableret i den gasformige leder med nultryk ved den ydre periferi og et maksimum langs aksen.

I det foreliggende tilfælde har de elektromagnetiske kræfter, der virker på den, på grund af kegleformens form, to komponenter med det statiske tryk, der har de to modstående komponenter, hvoraf den ene er langs bueaksen, og er årsagen til dannelsen af ​​plasmastråle der strømmer med en hastighed på ca. 10 ⁴ cm / sek mod emnet. Den aksiale plasmas hastighed falder, når bueperiferien nærmer sig, som vist i fig.3.5.

I en stabil tilstand har plasmastrålen strømlinjeflow med strømningshastighed, der er omtrent proportional med svejsestrømmen. Figur 3.6 viser mønsteret af gasstrømningslinjer og hastighedslinjer i en 200A carbonbue. En betydelig mængde varmeenergi antages at blive overført til emnet gennem konvektive strømninger af plasmastråle.

Fig. 3.6 Gasstrømningslinjer og plasmagasinemønstre i carbonbuesvejsning

Når strømstrømmen i lysbuen ikke er symmetrisk, resulterer det i opsætningen af ​​magnetiske kræfter, der afbøjer bueskolonnen. Hvis dette sker i en svejsebue, er det kendt som lysbue og resulterer ofte i usømmelige og fejlplacerede svejsninger.

Anoden og Anode Drop Zone:

Ved at nå anoden taber elektronerne deres kondensvand. Imidlertid er det i modsætning til katodplet sjældent at observere et veldefineret anodpunkt og den aktuelle tæthed er også lav, som det er vist i figur 3.7 for en 200A argonafskærmet wolframkatode og kobberpladeanode. Det nuværende bæreområde for en anode er lidt mindre end den bredeste spredning af buen ved anodeenden, og den gennemsnitlige strømtæthed er også ret lav.

Spændingsfaldet i anodedrålingszonen af ​​denne type bue forekommer b6 mellem 1 og 3 volt. Dybden af ​​anode drop zone er af størrelsesordenen ^10-2 til 10 ^-1 mm. Når stangelektroden fungerer som anoden, optager den den smalle dråbe nedre halvkugle ved elektrodens spids. For lavtrykspladestråle synes anoden imidlertid at omslutte den smeltede dråbe.

Den samlede varmeindgang ved anoden skyldes kondensationen af ​​elektronerne såvel som ledning og konvektion på grund af plasmastrålen. I DC-bue med ikke-forbrugelig elektrode som wolfram eller kulstof er anodvarmen større end den varme frigjort ved katoden som vist i figur 3.8.

Med stigningen i svejsebue-længden øges lysbuespændingen, og derfor for strøm over ca. 100A øges varmeindgangen med stigning i buekolonne, især for katodeflademodus som vist i figur 3.9. Men med stigningen i kolonnelængde øges kolonnebredden også, og det resulterer i en stadig lavere strømtæthed ved anoden og således bliver anoden mere diffunderet.

Arc Efficiency:

Fra beskrivelsen af ​​egenskaberne ved forskellige dele af en svejsebue er det muligt at bestemme bueffektivitet, hvis matematiske behandling følger:

Nu er den samlede varmeenergi, der udvikles ved anoden qa, givet ved summen af ​​den energi, der modtages via elektronerne, og den energi, der opnås ved at passere gennem anodedrålingszonen, dvs.

Problem 1:

Find bueffektiviteten for GTAW-processen, hvis svejsestrømmen er 150 ampere og buespændingen 20 volt. Antag en katoddråbe på 8 volt og anoddråbe på 3 volt med 30% af buekolonneenergien overført til anoden. Tag bue temperatur som 15000K. Arbejdsfunktion, ɸ ₀ for wolfram = 4, 5 eV og Boltzmann's konstant = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Opløsning:

Problem 2:

I argonafskærmet wolframbuesvejsning viste katodedråbningen sig at være 10 volt for en svejsestrøm på 120 volt og en buespænding på 18 volt. Bestem (a) buenlængden, hvis lysbueffektiviteten er 55% med en buetemperatur på 10000 Kelvin.

Antag kolonne spændingsfald er 1, 2 volt I mm, og at 20% af kolonnens varme overføres til anoden.

(b) Lysbueffektiviteten, hvis de samme procesparametre er gældende for GMAW-processen og trådelektroden fremstilles anoden.

Tag arbejdsfunktion for wolfram ved OK = 4, 5 eV og Boltzmanns konstant. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Opløsning:

Typer af svejsebue:

Fra svejsepunktet er buerne af to typer, dvs. immobile eller stationære eller faste bue og en mobil eller bevægende eller rejsebue. En fast bue er dannet mellem en ikke-forbrugelig elektrod, der er tørret et emne. Buen kan anvendes med eller uden fyldstof. I det tidligere tilfælde introduceres en separat ledning i buekolonnen og smelter således til overførsel til svejsepuljen under tyngdekraftens kombinerede virkning, elektromagnetiske kræfter og den mekaniske kraft udøvede plasmastrålen i en fast bue det meste af varmen til den ikke-forbrugelige elektrode forbliver uudnyttet og kan faktisk fjernes af kølevandet eller afskærmningsgassen. Således er den termiske effektivitet af en sådan bue lav og kan ligge mellem 45 og 60%. Denne type bue observeres i carbonbue, gaswolframbue og plasmabuesvejsningsprocesser.

En mobilbue dannes mellem en forbrugselektrode og et værksted. Når fyldtråd smelter, frigøres det smeltede metal ved elektrodens spids af tyngdekraften, elektromagnetiske kræfter, kraft udøvet af plasmastrålen og knivvirkningen. Imidlertid virker en tilbageholdende kraft på grund af overfladespændingen også på dråben. Når elektroden smelter, fortsætter lysbuen med at bevæge sig opad langs elektroden. Den mobile bue er forbundet med processer som skærmet metalbuesvejsning, gasmetalbuesvejsning og nedsænket buesvejsning.

En bue, hvor det smeltede metal fra elektrodens spids transporteres gennem det for at blive en del af svejsepuljen kaldes en 'metalbue'. En mobilbue er en metalbue.

Det meste af varmen, der går til elektroden i den mobile bue, anvendes til smeltning af metallet og anvendes således effektivt. Den termiske effektivitet af processen ved anvendelse af en mobilbue er derfor høj og ligger normalt mellem 75 og 90%. Svejseprocesserne ved hjælp af mobilbue er derfor termisk mere effektive end dem, der bruger immobile eller faste bue.

Elektrodepolaritetens rolle i Arc Welding:

Arc svejsning kan udføres enten med ac eller DC. Hvis ac er ansat, er der ingen tvivl om elektrodepolaritet, da det ændrer hver halve cyklus. Men hvis DC er brugt, er det muligt at gøre elektroden enten negativ eller positiv.

Der produceres altså mere varme ved anoden i alle processer ved hjælp af ikke-forbrugelige elektroder. Det er bedre at forbinde elektroden til den negative terminal for at holde varmetab til et minimum. Det kan dog ikke altid være muligt at gøre det, fordi det til tider er nødvendigt at anvende rengøringsaktionen af ​​mobilkatodestillingen for at frigive det vedholdende ildfaste oxidlag fra metallet, f.eks. Ved svejsning af aluminium og magnesium.

I sådanne tilfælde foretrækkes det at anvende ac for at gøre et kompromis mellem termisk effektivitet og rensning. Således anvender gaswolframbuesvejsning og kulstofbuesvejsningsprocesser normalt ac-strømkilder, når lænkende handling på arbejdsstykket nødvendigvis er nødvendig. Når en sådan tvang ikke er der, kan dcen blive brugt.

For skærmet metalbuesvejsning er det imidlertid meget populært, og for samme specifikationer er det meget billigere end dc-svejsemotorgeneratoren eller transformator cum-ensretter sæt, der kræves for at opnå DC-forsyning. Også med DC-svejsning er der skifte af lysbue, der kan forårsage usynlig zig-zag-svejsning af ringe kvalitet.

På grund af regelmæssig afbrydelse af en lysbue anbefales det ikke, at der anvendes ledig ledning, f.eks. Ved gasbuesvejsning af gas. For skærmet metalbuesvejsning er der imidlertid udviklet passende elektrodbelægninger, som letter let igangsættelse og vedligeholdelse af svejsebue.

Når der anvendes forbrugselektrode, er metaloverførslen fra ledningselektroden til arbejdsstykket mere ensartet, hyppig og bedre rettet, hvis elektroden gøres positiv. DCEP eller omvendt polaritet er derfor populær hos GMAW, som også giver den nødvendige rengøringsvirkning på metaller med faststofoxidlag, såsom aluminium.