Svetsbåg: Definition, struktur och typer

Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om: - 1. Definition av svetsbåg 2. Struktur och egenskaper hos svetsbågen 3. Typer 4. Elektrodepolaritetens roll.

Definition av svetsbåge:

En båge är en elektrisk urladdning mellan två elektroder som sker genom en elektriskt ledande hetjoniserad gas känd som plasma. En elektrisk ljusbåge som används för svetsning kallas svetsbågen och är vanligtvis mellan en tunn stav (eller tråd) och en platta är därför klockformad, vilket visas i figur 3.1 (a).

Struktur och egenskaper hos svetsbågen:

En svetsbåg är en högströmslågspänning elektrisk urladdning som arbetar i allmänhet inom intervallet 10 till 2000 ampere och vid 10 till 50 volt. I en svetskrets fungerar bågen som ett lastmotstånd.

I stort sett består svetsbågen av en mekanism för att emittera elektroner från katoden, som efter att ha passerat genom joniserad varmgasfusion i anod. För analys är svetsbågen vanligtvis uppdelad i fem delar viz. katodpunkten, katodfallningszonen, ljusbågskolonnen, anodfallzonerna och anodpunkten. Spänningen sjunker över katoden och anodfallzonerna är ganska branta medan spänningsfallet över bågkolonnen är mer gradvis, vilket visas i figur 3.1 (b). Av figuren är det uppenbart att bågspänningen (V) är en summa av katodfallet (Vc), kolonnfallet (Vp) och anodfallet (Va).

Det kan således uttryckas som:

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

Även om en svetsbåge normalt är klockformad men avsevärd fluktuation i sin form kan äga rum i de svetsprocesser där stavelektroden (kallad bara elektroden i resten av texten) är förbrukbar, exempelvis i skärmad metallbågsvetsning och gas metallbågsvetsning. För att ha en omfattande kunskap om beteendet hos en svetsbåg är det viktigt att känna till egenskaperna hos sina olika zoner.

Katodplatsen :

Det är den delen av den negativa elektroden från vilken elektronerna släpps ut. Tre typer katodfläcklägen har observerats.

Dessa är:

(a) mobil katod spot-läge,

(b) Termionisk katodfläckläge, och

(c) Normalt läge.

I en mobilkatod visas spotläge ett eller flera mycket små katodfläckar vid katodytan och färdas med hög hastighet 5 till 10 m / s och lämnar vanligtvis bakom ett synligt spår. Uppförandet av en mobil katodfläck är beroende av det material på vilket det bildas. Till exempel observeras på aluminiumfläckar som genererar komplexa serier av grenade spår medan koppar är spåret som lämnas bakom vanligen enkelt utan grenar som visas i figur 3.2.

Oxidfilmen på metallets yta lossas av rörelsen hos en mobil katodfläck och ibland förloras ett lager av metallen. Denna egenskap gör en mobil katod väldigt viktig för användning inom industrin, särskilt för svetsning av aluminium och magnesium. Den aktuella densiteten i en sådan katodpunkt är i storleksordningen 10 ² till 10 ³ A / mm ² .

I det termiska läget bildar katodpunkten vid spetsen av en skarp spetsig volfram eller torrvolframsstång som används med argonskydd. Katodpunkten förblir fast i position och har en strömtäthet av storleksordningen 10 ² A / mm ² . Det är synligt antingen som en ljuspunkt eller kan lokaliseras genom konvergensen av båge kolonnen till en punkt vid katodytan.

I det normala läget bildar katodpunkten ingen väldefinierad plats. Till exempel, med en lågkolbelagd stålelektrod, verkar katodpunkten omsluta hela den smälta spetsen av elektroden. En liknande typ av katodfläck observeras vid gasvolframbågsvetsning med argonskyddad rundad spetswolframelektrod, såsom visas i figur 3.3.

Argonskärmad volframbåg fungerar antingen med den väldefinierade katodpunkten för den andra typen eller odefinierade katodpunkten av den tredje typen och volt-ampere-karakteristiken i de två fallen är olika.

Elektronutsläppsmekanismer :

Elektronutsläpp från katoden kan vara av någon av de flera mekanismerna såsom termionisk emission, auto-elektronisk eller fältutsläpp, fotoelektrisk emission och sekundärutsläpp.

en. Termionisk Utsläpp:

Det innebär frigöring av elektroner från de uppvärmda elektroderna. När temperaturen hos elektroden höjs ökar den fria elektronens kinetiska energi till en punkt där de kan fly från den negativa elektrodens yta vid katodpunkten till det fältfria utrymmet utanför i positiv riktning av positiva joner kvar på katoden.

Utsläppen av elektroner från kol- och volframkatoden antas vara termjonisk karaktär, men de flesta andra metaller kokar vid temperaturer som är långt under det som krävs för termionisk emission.

b. Auto-elektronisk emission:

Denna typ av elektronutsläpp produceras av tillräckligt starka elektriska fält, det vill säga när spänningen över elektroderna är så hög (i storleksordningen 10 ⁴ volt) att luften mellan dem joniseras under dess påverkan och den elektriska urladdningen följer med Utsläpp av elektroner från katodytan.

c. Foto-Elutsläpp:

Det uppstår när energi i form av en ljusstråle faller på katodytan och resulterar i ökad kinetisk energi hos elektroner och resulterar sålunda i deras utsläpp från katoden till vakuum eller annat material. En sådan mekanism för elektronutsläpp används för att alstra röntgenstrålar.

d. Sekundär emission:

Det hänvisar till utsläpp av elektroner under inverkan av snabbt rörliga joner. När hastigheten hos incidentionsjoner överskrider orbitalhastigheterna hos elektroner i atomerna i katodmaterialet resulterar det i utvisning (eller emission) av elektroner.

Vid svetsprocesser är elektronutsläppet antingen av den termjoniska typen till exempel vid gaswolframbågsvetsning, plasmabågsvetsning och kolbågsvetsning eller det är av auto-emissionstyp i samband med hjälpmedel för att jonisera luftgapet mellan elektroden och arbetsstycket som till exempel skärmad metallbågsvetsning, nedsänkt bågsvetsning och gasbågsvetsning.

Utsläppen av elektroner från en katodpunkt är beroende av exciteringsenergin eller arbetsfunktionen hos ett material som definieras som den energi som krävs, i elektronvolt (eV) eller Joules, för att få en elektron frigagen från materialets yta till det omgivande rummet. Ioniseringspotential, som definieras som energien per enhetladdning i volt, som krävs för att avlägsna en elektron från en atom till ett oändligt avstånd, spelar också en viktig roll för att upprätthålla en elektrisk urladdning. Båda parametrarna för de flesta material som ingår i svetsning ges i tabell 3.1.

Katod Drop Zone :

Det är den gasformiga regionen strax intill katoden där en kraftig spänningsfall inträffar. Den kombinerade storleken hos katoddroppszonen och anoddroppszonen är av storleksordningen 10 ² mm, vilken är nästan lika med den elektronmedelfria fribanan. Spänningsfallet i katoddroppszonen för den argonskärmade volframelektroden har visat sig vara ca 8 volt vid 100 ampere och det ökar när strömmen minskar.

Bogkolonnen:

Det är den ljusa synliga delen av bågen och har en hög temperatur och en låg potentiell gradient. Bågkolonnens temperatur beror på de gaser som finns i den och mängden svetsström som strömmar i kretsen. Vanligtvis varierar kolonntemperaturen från 6000 ° C för järnångor till ca 20 000 ° C för argonskärmad volframbåg. Vid en sådan hög temperatur delas alla molekylära gaser i kolonnen upp i atomform och atomer själva dissocieras vidare till elektroner och joner. Antalet elektroner och joner i vilken som helst given volym av bågen är emellertid förblir densamma, varigenom bågen är elektriskt neutral.

Eftersom den genomsnittliga jonen är ungefär tusen gånger tyngre än en elektron är elektronerna därför mycket mer mobila och bär därför det mesta av strömmen över bågkolonnen. Den potentiella gradienten i kolonnen är lägre än den över katoddroppszonen eller anoddroppszonen och varierar vanligen mellan 0-5 och 5 volt / mm för argonskärmade volframbågar medan den för skärmad metallbågsvetsning normalt är omkring 1 volt / mm.

Svetsbågen är nästan oväsentligt mellan en stav eller en trådelektrod och en platt eller bred arbetsdel. Detta, oberoende av elektrodpolariteten, resulterar i en klocka eller en konformad båge med kupans apex vid eller nära spetselektrodens spets. På grund av denna förträngning av bågen nära stavelektroden har den den högsta energitätheten där men på grund av kylningseffekten på grund av elektrodens närhet är den maximala temperaturen vid kolonnens kärna.

Det område där den förträngda kolonnen möter elektroden kallas bågen. Temperaturfördelningen i bågkolonnen för en 200 ampere argonskärmad volframbåg visas i figur 3.4.

Fig. 3.4 Temperaturfördelning i en bågkolonn

Strömflödet i bågkolonnen resulterar i utvecklingen av elektromagnetiska krafter. Nu är det också välkänt att två parallella ledare som bär ström i samma riktning lockar varandra.

Om strömmen genomförs av en gasformig cylinder kan den anses bestå av ett stort antal ringformiga cylindriska ledare, varför det finns ömsesidig attraktion mellan de olika gasformiga cylindrarna med alla krafter som verkar inåt på grund av hög strömtäthet vid ledarens kärna .

Dessa försträngningskrafter balanseras av en statisk tryckgradient som är etablerad i den gasformiga ledaren med nolltryck vid den yttre periferin och ett maximum längs axeln.

I det föreliggande fallet har emellertid de elektromagnetiska krafterna som verkar på den, på grund av konens form, två komponenter med det statiska trycket som har de två motstående komponenterna, varav en är längs bågeaxeln och är orsaken till bildandet av plasmastråle som strömmar med en hastighet av ca 10 ⁴ cm / sek mot arbetsstycket. Den axiella plasmahastigheten minskar när bågeperiferien närmar sig, såsom visas i fig.3.5.

I ett stadigt tillstånd har plasmastrålen ett strömlinjeflöde med flödeshastigheten, som är approximativt proportionell mot svetsströmmen. Fig. 3.6 visar mönstret av gasflödesledningar och hastighetslinjer i en 200A kol-båge. En avsevärd mängd värmeenergi antas förmedlas till arbetsstycket genom konvektiva strömningar av plasmastrålen.

Fig. 3.6 Gasflödeslinjer och plasmahastighetslinjemönster i kolbågsvetsning

När strömflödet i bågen inte är symmetriskt resulterar det i uppställning av magnetiska krafter som avböjer bågkolonnen. Om det här inträffar i en svetsbåg är det känt som bågblåsning och resulterar ofta i ojämna och felplacerade svetsar.

Anoden och Anod Drop Zone:

När man når anoden förlorar elektronerna sin kondensvärme. I motsats till katodfläcken är det emellertid sällsynt att observera en väldefinierad anodpunkt och strömtätheten är också låg, vilket visas i figur 3.7 för en 200A argonskärmad volframkatod och kopparplattaanod. En anods nuvarande bärområde är något mindre än den bredaste spridningen av bågen vid anodänden, och den genomsnittliga strömtätheten är också ganska låg.

Spänningsfallet i anoddroppszonen för denna typ av båge framträder till b6 mellan 1 och 3 volt. Djupet av anoddroppszonen är av storleksordningen ^10-2 till ^10-1 mm. När stavelektroden fungerar som anoden upptar den den smälta droppens nedre hemi-sfär vid elektrodens spets. För lågtrycksplasmastråle tycks emellertid anoden omsluta den smälta droppen.

Den totala värmeingången vid anoden beror på kondenseringen av elektronerna såväl som ledning och konvektion på grund av plasmastrålen i DC-ljusbåge med icke-förbrukningsbar elektrod som den för volfram eller kol, är anodvärmen större än den värme som frigörs vid katoden såsom visas i figur 3.8.

Med ökningen i svetsbågslängden ökar bågspänningen och därför för ström över ca 100A ökar värmeingången med ökad bågkolonn särskilt för katodfläckläge som visas i figur 3.9. Med ökningen i kolonnlängden ökar också kolonnbredden och det resulterar i en fortsatt lägre strömtäthet vid anoden och således blir anoden mer diffunderad.

Arc Efficiency:

Från beskrivningen av egenskaperna hos olika delar av en svetsbåg är det möjligt att bestämma ljusbågens effektivitet, vilken matematisk behandling följer:

Nu är den totala värmeenergin som utvecklas vid anoden, q _a, ges av summan av den energi som mottas genom elektronerna och den energi som erhålls genom att passera genom anodfallzonen,

Problem 1:

Hitta bågeffektiviteten för GTAW-processen om svetsströmmen är 150 ampere och bågspänningen 20 volt. Antag en katoddroppe på 8 volt och anodfall på 3 volt med 30% av ljusbågs-kolonnens energi överförd till anoden. Ta ljusbågens temperatur som 15000K. Arbetsfunktion, ɸ ₀ för volfram = 4, 5 eV och Boltzmann konstant = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Lösning:

Problem 2:

I argonskärmad volframbågsvetsning visade sig katodfallet vara 10 volt för en svetsström på 120 volt och en bågspänning på 18 volt. Bestäm (a) ljusbågslängden om bågeffektiviteten är 55% med en ljusbågstemperatur på 10000 Kelvin.

Antag att kolumnspänningsfallet är 1, 2 volt I mm och att 20% av kolonnens värme överförs till anoden.

(b) Bågverkningsgraden om samma processparametrar är tillämpliga på GMAW-processen och trådelektroden görs av anoden.

Ta arbetsfunktionen för volfram vid OK = 4, 5 eV och Boltzmanns konstant. K '= 8-60 x 10 ^-5 eVIK

Lösning:

Typer av svetsbågar:

Från svetssynpunkt är bågarna av två typer, dvs immobila eller stationära eller fixerade båge och en rörlig eller rörlig eller resande båge. En fast båge formas mellan en icke förbrukbar elektrod som är arid ett arbetsstycke. Bågen kan användas med eller utan fyllmedel. I det förra fallet införs en separat tråd i båge-kolonnen och smälter sålunda för att överföras till svetsbassängen under den kombinerade verkan av tyngdkraften, elektromagnetiska krafter och den mekaniska kraften som utövar plasmastrålen, i en fast båge, är det mesta av värmen som går till den icke-förbrukningsbara elektroden förblir oanvänd och kan i själva verket kunna tas bort av kylvattnet eller avskärmningsgasen. Sålunda är den termiska verkningsgraden hos en sådan båge låg och kan ligga mellan 45 och 60%. Denna typ av båge observeras i kolbågar, gaswolframbågar och plasmabågsvetsningsprocesser.

En mobil båge formas mellan en förbrukningselektrod och ett arbetsstycke. När fyllmedlet smälter, smälter den smälta metallen vid elektrodens spets av tyngdkraftsverkan, elektromagnetiska krafter, kraft som utövas av plasmastrålen och knipningseffekten. En kvarhållningskraft på grund av ytspänningen verkar emellertid också på droppen. När elektroden smälter, fortsätter bågen att röra sig uppåt längs elektroden. Mobilbågen är förknippad med processer som skärmad metallbågsvetsning, gasbågsvetsning och nedsänkt bågsvetsning.

En båge i vilken den smälta metallen från elektrodens spets transporteras genom den för att bli en del av svetsbassängen kallas en "metallbåg". En mobil båge är en metallbåge.

Det mesta av värmen som går till elektroden i mobilbågen används för smältning av metallen och används sålunda effektivt. Processens termiska effektivitet, med användning av en mobilbåge, är därför hög och ligger normalt mellan 75 och 90%. Svetsprocesserna som använder mobilbåge är därför termiskt effektivare än de som använder immobil eller fixerad båge.

Elektrodepolaritetens roll i Arc Welding:

Bågsvetsning kan utföras antingen med AC eller DC. Om ac används är det ingen fråga om elektrodpolaritet eftersom det ändras varje halvcykel. Om emellertid dc används är det möjligt att göra elektroden antingen negativ eller positiv.

Mer värme produceras vid anoden därför i alla processer med icke-förbrukningsbara elektroder är det bättre att ansluta elektroden till den negativa terminalen för att hålla värmeförlusten till ett minimum. Det kan emellertid inte alltid vara möjligt att göra det, eftersom ibland måste rengöringsverkan hos mobilkatodpunkten utnyttjas för att släppa det täta eldfasta oxidskiktet ur metallen, exempelvis vid svetsning av aluminium och magnesium.

I sådana fall är det att föredra att använda ac för att kompromissa mellan termisk effektivitet och rengöringsverkan. Sålunda använder gaswolframbågsvetsning och kolbågsvetsningsprocesser normalt kraftkällor när lutande verkan på arbetsstycket nödvändigtvis behövs. När en sådan tvång inte är där än dcen kan användas.

För skärmad metallbågsvetsning är svetstransformatorn dock ganska populär och för samma specifikationer är den mycket billigare än DC-svetsmotorens generatorsats eller transformator med likriktarsats som krävs för att få DC-matning. Också med DC-svetsning finns det växelbågsbygel som kan orsaka osynlig zig-zag-svets av dålig kvalitet.

På grund av regelbunden avbrott av en ljusbåge rekommenderas inte när ledig tråd används, till exempel vid gasbågsvetsning. För skärmad metallbågsvetsning har emellertid lämpliga elektrodbeläggningar utvecklats som underlättar lätt initiering och underhåll av svetsbågen.

När förbrukningselektrod används, är metallöverföringen från trådelektroden till arbetsstycket mer enhetlig, frekvent och bättre riktad om elektroden blir den positiva. DCEP eller omvänd polaritet är därför populär hos GMAW, vilket också ger nödvändig rengöringsverkan på metaller med tätsamt oxidlager såsom aluminium.