Sveisebue: Definisjon, struktur og typer

Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om: - 1. Definisjon av sveisebue 2. Struktur og egenskaper av sveisebue 3. Typer 4. Elektrodepolaritetens rolle.

Definisjon av sveisebue:

En bue er en elektrisk utladning mellom to elektroder som foregår gjennom en elektrisk ledende varm ionisert gass kjent som plasma. En elektrisk lysbue som brukes til sveising kalles sveisebue og er vanligvis mellom en tynn stang (eller ledning) og en plate er derfor klokkeformet, som vist i figur 3.1 (a).

Struktur og egenskaper av sveisebue:

En sveisebue er en høy strømspenning med elektrisk elektrisk utladning som vanligvis er i området fra 10 til 2000 ampere og ved 10 til 50 volt. I sveisekrets fungerer bue som en lastmotstand.

I stor grad består sveisebuen av en mekanisme for emittering av elektroner fra katoden som etter å ha passert gjennom ionisert varmgas fusjonere til anode. For analyse er sveisebuen vanligvis delt inn i fem deler, f.eks. katodepunktet, katodefallsonen, bueskolonnen, anodefallsonen og anodepunktet. Spenningen faller over katoden, og anodefallsonen er ganske bratt, mens spenningsfallet over buekolonnen er mer gradvis, som vist i figur 3.1 (b). Fra figuren er det tydelig at buespenningen (V) er summen av katodeduppen (Vc), kolonneduppen (Vp) og anodeduppen (Va).

Det kan således uttrykkes som:

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

Selv om en sveisebue normalt er klokkeformet, men det kan forekomme betydelig svingning i form, i de sveiseprosessene hvor stangelektroden (kalt bare elektroden i resten av teksten) er forbruksbar, for eksempel i skjermet metallbuesveising og gass metallbuesveising. For å ha en omfattende kunnskap om oppførsel av en sveisebue er det viktig å kjenne egenskapene til de forskjellige sonene.

Katodens spot :

Det er den delen av den negative elektroden hvorfra elektronene sendes ut. Tre typer katodepottsmoduser er observert.

Disse er:

(a) Mobil katodepotmodus,

(b) Termionisk katodepunktsmodus, og

(c) Normal modus.

I en mobilkatode vises spotmodus en eller flere svært små katodeflater ved katodeoverflaten og kjører med høy hastighet 5 til 10 m / sek, og går vanligvis bak et synlig spor. Oppførelsen til et mobilkatodepot er avhengig av materialet som det dannes på. For eksempel observeres det på aluminiumsflater som genererer komplekse serier av forgrenede spor mens det på kobber er sporet som er igjen, vanligvis enkelt uten grener som vist på figur 3.2.

Oxydfilmen på overflaten av metallet løsnes ved bevegelse av en mobil katodepotte og noen ganger tømmes et lag av metallet også. Denne egenskapen gjør en mobilkatode svært viktig for bruk i industrien spesielt for sveising av aluminium og magnesium. Den nåværende tettheten i et slikt katodepunkt er av størrelsesorden 10 ² til 10 ³ A / mm ² .

I termionisk modus danner katodflaten ved spissen av en skarpt spiss wolfram eller thoriated wolframstang som brukes med argonskjerming. Katodepunktet forblir fast i posisjon og har en strømtetthet i størrelsesorden 10 ² A / mm ² . Det er synlig enten som et lyspunkt eller kan lokaliseres ved konvergens av bueskolonnen til et punkt ved katodeoverflaten.

I normal modus danner katodpunktet ikke noe veldefinert sted. For eksempel, med en kulstoffbelagt stålelektrode, ser katodpunktet inn for å omslutte hele smeltet spiss av elektroden. En lignende type katodflate observeres i gasswolframbuesveising med argonbeskyttet avrundet spisswolframelektrode, som vist i figur 3.3.

Argonskjermet wolframbukke opererer enten med det veldefinerte katodepunktet til den andre typen eller udefinert katodepunkt av den tredje typen, og volt-ampere karakteristikken i de to tilfeller er forskjellig.

Elektronutslippingsmekanismer :

Elektronutslipp fra katoden kan være av noen av de flere mekanismer som termionisk utslipp, auto-elektronisk eller feltutslipp, fotoelektrisk utslipp og sekundær utslipp.

en. Termisk utslipp:

Det innebærer frigjøring av elektroner fra de oppvarmede elektrodene. Etter hvert som temperaturen på elektroden økes, øker den elektroniske elektronens kinetiske energi til et punkt der de kan unnslippe fra overflaten av den negative elektroden ved katodepunktet inn i det feltfrie rommet utenfor i ansiktet av attraktiviteten av den positive ioner igjen på katoden.

Utslipp av elektroner fra karbon- og wolframkatodene antas å være termisk karakter, men de fleste andre metaller koiler ved temperaturer godt under det som kreves for termisk utslipp.

b. Auto-elektronisk utslipp:

Denne typen elektronutslipp er produsert av tilstrekkelig sterk elektrisk felt, det vil si når spenningen over elektrodene er så høy (i størrelsesorden 10 ⁴ volt) at luften mellom dem blir ionisert under påvirkning og den elektriske utladningen følger med Utslipp av elektroner fra katodeoverflaten.

c. Foto-elektrisk utslipp:

Det oppstår når energi i form av en stråle av lys faller på katodeoverflaten og resulterer i økt kinetisk energi av elektroner og resulterer dermed i utslipp fra katoden til vakuum eller et annet materiale. En slik mekanisme for elektronutslipp utnyttes ved generering av røntgenstråler.

d. Sekundær utslipp:

Det refererer til utslipp av elektroner under påvirkning av raskt bevegelige ioner. Når hastigheten til hendelsesjoner overskrider orbitalhastighetene til elektroner i atomene i katodens materiale, resulterer det i utvisning (eller utslipp) av elektroner.

Ved sveiseprosesser er elektronutslippene enten av termionisk type for eksempel ved gasswolframbuesveising, plasmabuesveising og karbonbuesveising eller det er av auto-utslippstype i forbindelse med hjelpemidler for ionisering av luftspalte mellom elektroden og arbeidsstykket som for skjermet metallbuesveising, nedsenket buesveising og gassbuesveising.

Utslippet av elektroner fra et katodepunkt er avhengig av eksitasjonsenergien eller arbeidsfunksjonen til et materiale som er definert som den nødvendige energi, i elektronvoltene (eV) eller Joules, for å få en elektron frigjort fra overflaten av materialet til det omkringliggende rommet. Ioniseringspotensial, som defineres som energien pr. Enhetsladning i volt, som kreves for å fjerne et elektron fra et atom til en uendelig avstand, spiller også en viktig rolle for å opprettholde en elektrisk utladning. Både parametrene for de fleste materialene som er involvert i sveising er gitt i tabell 3.1.

Katodens Drop Zone :

Det er den gassformige regionen som ligger rett ved siden av katoden, hvor det oppstår en kraftig spenningsfall. Den kombinerte størrelsen på katodedråpesonen og anodefallsonen er i størrelsesorden 10 ² mm, som er nesten lik den elektron-middelfrie frivei. Spenningsfallet i katoddråpsonen for den argonskjermede wolframelektroden har blitt funnet å være ca. 8 volt ved 100 ampere og det øker ettersom strømmen minker.

The Arc Column:

Det er den lyse synlige delen av buen og har en høy temperatur og en lav potensialgradient. Temperaturen på bueskolonnen avhenger av gassene som er tilstede i den og mengden sveisestrøm som strømmer i kretsen. Vanligvis varierer kolonnens temperatur fra 6000 ° C til jerndamp til ca. 20 000 ° C for argonskjermet wolframbue. Ved en slik høy temperatur blir alle molekylære gasser som er tilstede i kolonnen splittet i atomform og atomerene dissosieres videre til elektroner og ioner. Imidlertid forblir antallet elektroner og ioner i et hvilket som helst gitt volum av buen det samme, slik at lysbuen er elektrisk nøytral.

Da gjennomsnittsjonen er omtrent tusen ganger tyngre enn et elektron, er elektronene langt mer mobile og bærer derfor det meste av strømmen over bueskolonnen. Den potensielle gradienten i kolonnen er lavere enn den over katodefallsonen eller anodefallsonen og varierer vanligvis mellom 0-5 til 5 volt / mm for argonskjermede wolframbuer, mens for skjermet metallbuesveising er det normalt rundt 1 volt / mm.

Sveisbuen er nesten uavhengig mellom en stang eller en ledningselektrode og et flatt eller bredt arbeidsstykke. Dette, uavhengig av elektrodepolariteten, resulterer i en klokke eller en kegleformet lysbu med keglens apex ved eller nær spissen av stangelektroden. På grunn av denne innsnevringen av buen nær stangelektroden har den den høyeste energitettheten der, men på grunn av kjøleeffekten på grunn av elektrodenes nærhet er maksimumstemperaturen i kjernen av kolonnen.

Området hvor den innsnevrede kolonnen møter elektroden kalles lysbuen. Temperaturfordelingen i buekolonnen for en 200 ampere argonskjermet wolframbue er vist i figur 3.4.

Fig. 3.4 Temperaturfordeling i en bueskolonne

Strømmen av strøm i buekolonnen resulterer i utvikling av elektromagnetiske krefter. Nå er det også godt kjent at to parallelle ledere som bærer strøm i samme retning tiltrekker hverandre.

Hvis strømmen utføres av en gassformet sylinder, kan den betraktes som bestående av et stort antall ringformede sylindriske ledere, derfor er det gjensidig tilnærming mellom de forskjellige gassformige sylinder med alle kreftene som virker innad på grunn av høy strømtetthet i kjernen av lederen .

Disse innsnevringskrefter balanseres av en statisk trykkgradient etablert i den gassformede leder med nulltrykk ved den ytre periferi og et maksimum langs aksen.

I det foreliggende tilfelle har imidlertid de elektromagnetiske krefter som virker på den, på grunn av keglens konform, to komponenter med det statiske trykket som har de to motstående komponentene, hvorav en er langs bueaksen, og er årsaken til dannelsen av plasmastråle som flyter med en hastighet på ca 10 ⁴ cm / sek mot arbeidsstykket. Den aksiale plasmahastigheten avtar når bueperiferien nærmer seg, som vist i figur.3.5.

I jevn tilstand har plasmastrålen en strømlinjestrøm med strømningshastigheten omtrent proporsjonal med sveisestrømmen. Figur 3.6 viser mønstrene av gasstrømningslinjer og hastighetslinjer i en 200A karbonbue. En betydelig mengde varmeenergi antas å bli overført til arbeidsstykket gjennom konvektive strømninger av plasmastrålen.

Fig. 3.6 Gassstrømningslinjer og plasmahastighetslinjemønstre i karbonbuesveising

Når strømmen i buen ikke er symmetrisk, resulterer det i oppsett av magnetiske krefter som avbøyer bueskolonnen. Hvis dette skjer i en sveisebue, er det kjent som lysbue og resulterer ofte i usømmelige og feilplasserte sveiser.

Anoden og Anode Drop Zone:

Ved å nå anoden taper elektronene sin kondensvann. Imidlertid er det i motsetning til katodflekk, sjelden å observere et veldefinert anodspot og gjeldende tetthet er også lavt, som det er vist i figur 3.7 for en 200A argonskjermet wolframkatode og kobberplateanod. Det nåværende bæreområdet til en anode er litt mindre enn den bredeste spredningen av buen ved anodeenden, og den gjennomsnittlige strømtettheten er også ganske lav.

Spenningsfallet i anodefallsonen av denne typen bue ser ut til b6 mellom 1 og 3 volt. Dybden av anodefallsonen er av størrelsesorden ^10-2 til 10 ^-1 mm. Når stangelektroden fungerer som anoden, inntar den den nedre hemi-sfæren til den smeltede dråpen ved elektrodens spiss. For lavtrykksplasstråle synes anoden imidlertid å innhylle den smeltede dråpen.

Den totale varmeinngangen ved anoden skyldes kondensasjon av elektronene, samt ledning og konveksjon på grunn av plasmastrålen. I DC-arc med ikke-forbrukelig elektrode som wolfram eller karbon, er anodvarmen større enn den varme frigjort ved katoden som vist i figur 3.8.

Med økningen i sveisebue-lengden øker lysbuespenningen, og derfor for strøm over ca. 100A øker varmeinngangen med økning i buekolonne, spesielt for katodspotmodus som vist i figur 3.9. Men med økningen i kolonnelengden øker kolonnebredden også, og det resulterer i en fortsatt lavere strømtetthet ved anoden og dermed blir anoden mer diffust.

Arc Efficiency:

Fra beskrivelsen av egenskapene til forskjellige deler av en sveisebue, er det mulig å bestemme bueffektivitet, hvorav matematisk behandling følger:

Nå er den totale varmeenergien som utvikles ved anoden, qa gitt av summen av energien som mottas gjennom elektronene, og den energi som oppnås ved å passere gjennom anodefallsonen, dvs.

Problem 1:

Finn bueffektiviteten for GTAW-prosessen hvis sveisestrømmen er 150 ampere og lysbue spenningen 20 volt. Anta en katodeduksjon på 8 volt og anoddråpe på 3 volt med 30% av buekolonnenergien overført til anoden. Ta bue temperatur som 15000K. Arbeidsfunksjon, ɸ ₀ for wolfram = 4, 5 eV og Boltzmanns konstant = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Løsning:

Problem 2:

I argonskjermet wolframbuesveising ble katodedråpet funnet å være 10 volt for en sveisestrøm på 120 volt og en lysbuespenning på 18 volt. Bestem (a) lysbuens lengde, hvis bueffektiviteten er 55% med en lysbuetemperatur på 10000 Kelvin.

Anta at kolonne spenningsfall er 1, 2 volt I mm og at 20% av kolonnens varme overføres til anoden.

(b) Lysbueffektiviteten dersom de samme prosessparametrene gjelder for GMAW-prosessen og ledningselektroden blir gjort anoden.

Ta arbeidsfunksjon for wolfram på OK = 4, 5 eV og Boltzmanns konstant. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Løsning:

Typer sveisebue:

Fra sveisepunktet er buene av to typer, nemlig immobile eller stasjonære eller faste bue og en mobil eller bevegelig eller reisebue. En fast bue dannes mellom en ikke-forbrukelig elektrode som er tørket et arbeidsstykke. Buen kan brukes med eller uten fyllstoff. I det forrige tilfelle blir en egen ledning innført i bueskolonnen og smelter således for å overføres inn i sveisebassenget under den kombinerte virkningen av tyngdekraften, elektromagnetiske krefter og den mekaniske kraften som utøver plasmastrålen, i en fastbue det meste av varmen som går til den ikke-forbruksomme elektroden forblir uutnyttet og kan faktisk bli tatt bort av kjølevannet eller skjermgassen. Således er den termiske effektiviteten av en slik bue lav og kan ligge mellom 45 og 60%. Denne typen bue observeres i karbonbue, gasswolframbue og plasmabuesveiseprosesser.

En mobilbue dannes mellom en forbrukselektrode og et arbeidsstykke. Når fyllstoffet smelter, løsnes det smeltede metallet ved elektrodens spiss av virkningen av tyngdekraften, elektromagnetiske krefter, kraft utøvet av plasmastrålen og klemmeffekten. Imidlertid virker en fastholdende kraft på grunn av overflatespenningen også på dråpen. Når elektroden smelter, fortsetter lysbuen å bevege seg oppover langs elektroden. Den mobile bue er knyttet til prosesser som skjermet metallbuesveising, gassbuesveising av metallbue og nedsenket buesveising.

En bue hvor det smeltede metallet fra elektrodens spiss transporteres gjennom det for å bli en del av sveisepunktet kalles en metallbue. En mobilbue er en metallbue.

Det meste av varmen som går til elektroden i mobilbue, benyttes for å smelte metallet og dermed brukes effektivt. Den termiske effektiviteten til prosessen, ved bruk av en mobilbue, er derfor høy og ligger normalt mellom 75 og 90%. Sveiseprosessene som bruker mobilbue er derfor termisk mer effektive enn de som bruker immobile eller faste bue.

Elektrodepolaritetens rolle i Arc Welding:

Arc sveising kan utføres enten med ac eller DC. Hvis AC er ansatt, er det ingen tvil om elektrodepolaritet da det skifter hver halvsyklus. Men hvis DC er brukt, er det mulig å gjøre elektroden enten negativ eller positiv.

Mer varme produseres ved anoden, derfor i alle prosesser ved bruk av ikke-forbrukbare elektroder, er det bedre å koble elektroden til den negative terminalen for å holde varmetapene til et minimum. Imidlertid kan det ikke alltid være mulig å gjøre det, fordi det til tider må rengjøringsvirksomheten til mobilkatodestedet benyttes for å frigjøre det fastholdige ildfaste oksydlaget fra metallet, for eksempel ved sveising av aluminium og magnesium.

I slike tilfeller er det å foretrekke å bruke ac for å gjøre et kompromiss mellom termisk effektivitet og rengjøringsvirkning. Således benytter gasswolframbuesveising og karbonbuesveiseprosesser normalt vekselstrømkilder når det er nødvendig med lutende handling på arbeidsstykket. Når en slik tvang ikke er der enn dcen kan brukes.

For skjermet metallbuesveising er det imidlertid ganske populært og samtidig, for de samme spesifikasjonene, er det mye billigere enn dc-sveisemotorgeneratorsettet eller transformatorens likestrømsett som kreves for å skaffe DC-forsyning. Også med DC-sveising er det vekselbueveksler som kan forårsake usynlig zig-zag-sveising av dårlig kvalitet.

På grunn av regelmessig avbrudd av en lysbue anbefales det ikke å bruke bare ledning, for eksempel ved gassbuesveising. For skjermet metallbuesveising er imidlertid hensiktsmessige elektrodbelegg utviklet som muliggjør enkel oppstart og vedlikehold av sveisebåten.

Når forbrukselektroden blir brukt, er metalloverføringen fra ledningselektroden til arbeidsstykket mer jevn, hyppig og bedre rettet dersom elektroden blir gjort den positive. DCEP eller reverspolaritet er derfor populær hos GMAW, som også gir nødvendig rengjøringsvirkning på metaller med fastholdig oksidlag som aluminium.