Łuk spawalniczy: definicja, struktura i typy

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Definicji łuku spawalniczego 2. Strukturze i charakterystyce łuku spawalniczego 3. Rodzaje 4. Rola biegunowości elektrody.

Definicja łuku spawalniczego:

Łuk jest wyładowaniem elektrycznym między dwiema elektrodami, które odbywa się przez przewodzący elektrycznie gorący zjonizowany gaz znany jako plazma. Łuk elektryczny używany do spawania nazywany jest łukiem spawalniczym i zwykle znajduje się między cienkim prętem (lub drutem) a płytą, zatem ma kształt dzwonu, jak pokazano na rys. 3.1 (a).

Struktura i charakterystyka łuku spawalniczego:

Łuk spawalniczy jest wyładowaniem elektrycznym o niskim prądzie, działającym na ogół w zakresie od 10 do 2000 amperów i od 10 do 50 woltów. W obwodzie spawania łuk działa jak rezystor obciążenia.

Ogólnie mówiąc, łuk spawalniczy składa się z mechanizmu emitującego elektrony z katody, które po przejściu przez zjonizowany gorący gaz wtapiają się w anodę. Do analizy łuk spawalniczy dzieli się zazwyczaj na pięć części, mianowicie. punkt katodowy, strefa opadania katody, kolumna łuku, strefy opadania anody i punkt anodowy. Napięcie spadające na katodę i strefy opadania anody są dość strome, podczas gdy spadek napięcia na kolumnie łuku jest bardziej stopniowy, jak pokazano na rys. 3.1 (b). Na rysunku widać, że napięcie łuku (V) jest sumą spadku katody (Vc), spadku kolumny (Vp) i spadku anody (Va).

Można go zatem wyrazić jako:

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

Chociaż łuk spawalniczy ma zwykle kształt dzwonu, ale znaczna fluktuacja jego kształtu może mieć miejsce w tych procesach spawania, w których elektroda prętowa (nazywana tylko elektrodą w pozostałej części tekstu) jest zużywalna, na przykład w ekranowanym spawanie łukowym i gazie spawanie łukiem elektrycznym. Aby mieć kompleksową wiedzę na temat zachowania łuku spawalniczego, konieczne jest poznanie charakterystyki jego różnych stref.

The Cathode Spot :

Jest to ta część elektrody ujemnej, z której emitowane są elektrony. Obserwowano trzy rodzaje trybów punktowych katody.

To są:

(a) Tryb punktowy katody ruchomej,

(b) tryb punktowy termodynamicznej katody, oraz

(c) Tryb normalny.

W ruchomej katodzie, tryb punktowy, jedna lub więcej bardzo małych plam katodowych pojawia się na powierzchni katody i przemieszcza się z dużą prędkością od 5 do 10 m / s, i zwykle pozostawia po sobie widoczny ślad. Zachowanie ruchomej plamki katodowej zależy od materiału, na którym się ona tworzy. Na przykład na aluminium obserwuje się wiele plamek, które generują skomplikowaną serię rozgałęzionych ścieżek, podczas gdy na miedzi ślad pozostawiony jest zwykle pojedynczy bez żadnych gałęzi, jak pokazano na rysunku 3.2.

Folia tlenkowa na powierzchni metalu jest poluzowana przez ruch ruchomej katodowej plamy, a czasami traci się również warstwę metalu. Ta charakterystyka czyni katodę ruchomą bardzo ważną do zastosowania w przemyśle, zwłaszcza do spawania aluminium i magnezu. Gęstość prądu w takim punkcie katodowym jest rzędu 10 ² do 10 ³ A / mm ² .

W trybie termodynamicznym plama katody tworzy się na wierzchołku ostro zakończonego wolframu lub pręta wolframowego stosowanego z osłoną argonową. Plamka katodowa pozostaje nieruchoma i ma gęstość prądu rzędu 10 ² A / mm ² . Jest widoczny jako jasny punkt lub może być zlokalizowany przez zbieg kolumny łuku do punktu na powierzchni katody.

W trybie normalnym plama katodowa nie tworzy żadnego dobrze określonego miejsca. Na przykład, z elektrodą stalową pokrytą niskim węglem, plama katody zdaje się otaczać całą stopioną elektrodę. Podobny typ plamki katodowej obserwuje się w spawaniu łukiem elektrodowym wolframowym z elektrodą wolframową z osłoną z argonem, jak pokazano na rys. 3.3.

Argonowany łuk wolframowy działa albo z dobrze zdefiniowaną plamą katodową drugiego typu, albo źle zdefiniowaną plamką katodową trzeciego typu, a charakterystyka woltamperowa w dwóch przypadkach jest różna.

Mechanizmy emisji elektronów :

Emisja elektronów z katody może odbywać się za pomocą dowolnego z kilku mechanizmów, takich jak emisja termiczna, autoelektroniczna lub polowa, emisja fotoelektryczna i emisja wtórna.

za. Emisja termiczna:

Polega na uwalnianiu elektronów z ogrzewanych elektrod. Gdy temperatura elektrody jest podniesiona, energia kinetyczna swobodnych elektronów wzrasta do punktu, w którym mogą ujść z powierzchni elektrody ujemnej w punkcie katodowym do przestrzeni bez pola na zewnątrz w obliczu przyciągania przez jony pozostawione na katodzie.

Uważa się, że emisja elektronów z katody węglowej i wolframowej ma charakter termiczny, ale większość innych metali gotuje się w temperaturach znacznie niższych od temperatur wymaganych do emisji termicznej.

b. Emisja automatyczna:

Ten rodzaj emisji elektronów jest wytwarzany przez wystarczająco silne pole elektryczne, to znaczy, gdy napięcie na elektrodach jest tak wysokie (rzędu 10 ⁴ woltów), że powietrze pomiędzy nimi jest zjonizowane pod jego wpływem, a wyładowanie elektryczne wynika z emisja elektronów z powierzchni katody.

do. Emisja fotoelektryczna:

Występuje, gdy energia w postaci wiązki światła spada na powierzchnię katody i powoduje zwiększoną energię kinetyczną elektronów, a tym samym powoduje ich emisję z katody do próżni lub innego materiału. Taki mechanizm emisji elektronów jest wykorzystywany do generowania promieni rentgenowskich.

re. Emisja wtórna:

Odnosi się do emisji elektronów pod wpływem szybko poruszających się jonów. Gdy prędkość padających jonów przekracza prędkości orbitalne elektronów w atomach materiału katody, powoduje to wydalanie (lub emisję) elektronów.

W procesach spawalniczych emisja elektronów jest albo typu termonowego, na przykład w spawaniu łukiem elektrodowym wolframowym, spawania łukiem plazmowym i spawania łukiem węglowym, albo jest typu auto-emisji w połączeniu z pomocniczymi środkami jonizującymi szczelinę powietrzną między elektrodą a element obrabiany, taki jak do spawania łukiem krytym, spawania łukiem krytym i spawania łukowego.

Emisja elektronów z plamki katodowej zależy od energii wzbudzenia lub funkcji roboczej materiału, który jest zdefiniowany jako potrzebna energia, w woltach elektronowych (eV) lub dżulach, aby uzyskać uwolnienie jednego elektronu z powierzchni materiału do otaczającej przestrzeni. Potencjał jonizacji, zdefiniowany jako energia na jednostkę ładunku w woltach, wymagany do usunięcia elektronu z atomu na nieskończoną odległość, również odgrywa ważną rolę w utrzymaniu wyładowania elektrycznego. Oba parametry dla większości materiałów stosowanych do spawania podano w tabeli 3.1.

Strefa upuszczenia katody :

Jest to obszar gazowy bezpośrednio sąsiadujący z katodą, w którym występuje gwałtowny spadek napięcia. Łączny rozmiar strefy opadania katody i strefy opadania anody jest rzędu 10 ² mm, co jest prawie równe średniej swobodnej drogi elektronowej. Spadek napięcia w strefie opadania katody dla ekranowanej elektrody wolframowej argonu wynosi około 8 woltów przy 100 amperach i rośnie wraz ze spadkiem prądu.

Kolumna łuku:

Jest to jasna widoczna część łuku i ma wysoką temperaturę i niski gradient potencjału. Temperatura kolumny łukowej zależy od obecnych w niej gazów i ilości prądu spawania przepływającego w obwodzie. Zwykle temperatura kolumny waha się od 6000 ° C dla oparów żelaza do około 20 000 ° C dla łuku z wolframu w osłonie argonu. W tak wysokiej temperaturze wszystkie gazy molekularne obecne w kolumnie ulegają podziałowi na formę atomową, a same atomy są dalej dysocjowane na elektrony i jony. Jednak liczba elektronów i jonów w dowolnej objętości łuku pozostaje taka sama, a więc łuk elektryczny pozostaje neutralny.

Ponieważ średni jon jest około tysiąckroć cięższy od elektronu, elektrony są znacznie bardziej mobilne, a zatem przenoszą większość prądu przez kolumnę łukową. Potencjalny gradient w kolumnie jest niższy niż w strefie opadania katody lub strefie opadania anody i na ogół zmienia się w zakresie od 0-5 do 5 V / mm dla łuków spawanych argonem w osłonie argonu, podczas gdy dla spawania łukiem elektrycznym w osłonie zwykle wynosi około 1 wolta / mm.

Łuk spawalniczy jest prawie niezmiennie pomiędzy prętem lub elektrodą drutową a płaskim lub szerokim detalem. To, niezależnie od polaryzacji elektrody, skutkuje dzwonem lub łukiem w kształcie stożka z wierzchołkiem stożka na wierzchołku elektrody prętowej lub w jej pobliżu. Z powodu tego zwężenia łuku w pobliżu elektrody prętowej, ma on najwyższą gęstość energii, ale ze względu na efekt chłodzenia ze względu na bliskość elektrody, maksymalna temperatura jest w rdzeniu kolumny.

Obszar, w którym zwężona kolumna styka się z elektrodą, nazywany jest korzeniem łuku. Rozkład temperatury w kolumnie łukowej dla 200 amperowych łuków spawanych argonem przedstawiono na rys. 3.4.

Rys. 3.4 Rozkład temperatury w kolumnie łukowej

Przepływ prądu w kolumnie łukowej powoduje rozwój sił elektromagnetycznych. Teraz dobrze wiadomo, że dwa równoległe przewodniki przenoszące prąd w tym samym kierunku przyciągają się nawzajem.

Jeżeli prąd jest zasilany przez gazowy cylinder, można go uznać za składający się z dużej liczby pierścieniowych cylindrycznych przewodników, dlatego istnieje wzajemne przyciąganie pomiędzy różnymi gazowymi cylindrami ze wszystkimi siłami działającymi do wewnątrz z powodu dużej gęstości prądu w rdzeniu przewodnika. .

Te siły ściskające są równoważone przez statyczny gradient ciśnienia ustalony w przewodniku gazowym przy zerowym ciśnieniu na zewnętrznym obwodzie i maksymalnym wzdłuż osi.

Jednakże w niniejszym przypadku, z powodu stożkowego kształtu łuku, działające na niego siły elektromagnetyczne mają dwa składniki o ciśnieniu statycznym, mającym dwa przeciwległe elementy, z których jeden znajduje się wzdłuż osi łuku i jest przyczyną powstawania strumienia plazmy. który płynie z prędkością około 10 ⁴ cm / s w kierunku obrabianego przedmiotu. Osiowa prędkość plazmy zmniejsza się w miarę zbliżania się do obwodu łuku, jak pokazano na rys. 3.5.

W stanie ustalonym strumień plazmy ma strumień opływowy o prędkości przepływu w przybliżeniu proporcjonalnej do prądu spawania. Rys. 3.6 pokazuje wzór linii przepływu gazu i linii prędkości w łuku węglowym 200A. Uważa się, że znaczna ilość energii cieplnej jest przenoszona do przedmiotu obrabianego za pośrednictwem prądów konwekcyjnych strumienia plazmy.

Rys. 3.6 Linie przepływu gazu i wzory linii prędkości plazmy podczas spawania łukiem węglowym

Kiedy przepływ prądu w łuku nie jest symetryczny, powoduje to ustawienie sił magnetycznych, które odchylają kolumnę łuku. Jeśli zdarza się to w łuku spawalniczym, znane jest to jako wyładowanie łukowe i często prowadzi do niewłaściwych i źle zgrzanych spawów.

Anoda i strefa zrzutu anody:

Po dotarciu do anody elektrony tracą ciepło kondensacji. Jednakże, w przeciwieństwie do plamki katodowej, rzadko obserwuje się dobrze określone miejsce anodowe, a gęstość prądu jest również niska, jak pokazano na fig. 3.7 dla katody z tlenkiem wolframowym 200A i anodą z miedzianej płyty. Obecny obszar anody jest nieco mniejszy niż najszerszy zasięg łuku na końcu anody, a średnia gęstość prądu również jest dość niska.

Spadek napięcia w strefie opadania anody łuku tego typu wydaje się b6 między 1 a 3 woltami. Głębokość strefy opadania anody jest rzędu 10 ^-2 do 10 ^-1 mm. Kiedy elektroda prętowa działa jak anoda, wówczas zajmuje dolną półkulę stopionej kropli na wierzchołku elektrody. Jednak w przypadku niskociśnieniowego strumienia plazmy wydaje się, że anoda otacza stopioną kropelkę.

Całkowity dopływ ciepła na anodzie wynika z kondensacji elektronów, jak również z przewodzenia i konwekcji z powodu strumienia plazmy In dc arc z elektrodą nie zużywającą się, podobną do wolframu lub węgla, ciepło anodowe jest większe niż ciepło uwalniane na katodzie, jak pokazano na rys. 3.8.

Wraz ze wzrostem długości łuku spawalniczego wzrasta napięcie łuku elektrycznego, a zatem dla prądu powyżej około 100A, ciepło wejściowe wzrasta wraz ze wzrostem kolumny łukowej, szczególnie w trybie punktu katodowego, jak pokazano na rys. 3.9. Jednak wraz ze wzrostem długości kolumny wzrasta również szerokość kolumny, a to powoduje, że gęstość prądu na anodzie jest jeszcze niższa, a zatem anoda staje się bardziej rozproszona.

Efektywność łuku:

Z opisu właściwości różnych części łuku spawalniczego można określić efektywność łuku, którego obróbka matematyczna jest następująca:

Teraz, całkowita energia cieplna wytworzona na anodzie, qa jest podana przez sumę energii otrzymanej przez elektrony i energii uzyskanej przez przejście przez strefę upuszczenia anody, tj.

Problem 1:

Znajdź efektywność łuku dla procesu GTAW, jeśli prąd spawania wynosi 150 amperów, a napięcie łuku 20 woltów. Założono spadek katody o 8 woltów i spadek anody o wartości 3 woltów, przy czym 30% energii kolumny łuku przenoszono na anodę. Weź temperaturę łuku jako 15000K. Funkcja pracy, ɸ ₀ dla wolframu = 4, 5 eV i stała Boltzmanna = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Rozwiązanie:

Problem 2:

W spawaniu metodą spawania łukiem elektrodowym argonem stwierdzono, że spadek katody wynosi 10 woltów dla prądu spawania 120 woltów i napięcia łuku 18 woltów. Określić (a) długość łuku, jeżeli sprawność łuku wynosi 55% przy temperaturze łuku 10000 kelwinów.

Załóżmy, że spadek napięcia w kolumnie wynosi 1, 2 V I mm, a 20% ciepła kolumny jest przenoszone na anodę.

(b) Sprawność łuku, jeśli te same parametry procesu mają zastosowanie do procesu GMAW, a elektroda drutowa jest wykonana jako anoda.

Wykonaj funkcję pracy dla wolframu przy OK = 4, 5 eV i stałej Boltzmanna. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Rozwiązanie:

Rodzaje łuków spawalniczych:

Z punktu widzenia zgrzewania łuki są dwoma rodzajami, mianowicie nieruchomym lub stacjonarnym lub nieruchomym łukiem oraz ruchomym lub ruchomym lub ruchomym łukiem. Stały łuk powstaje między nie nadającą się do konsumpcji elektrodą i obrabianym przedmiotem. Łuk może być używany z wypełniaczem lub bez niego. W pierwszym przypadku oddzielny drut jest wprowadzany do kolumny łukowej i jest w ten sposób topiony, aby przenieść do jeziorka spawalniczego pod połączonym działaniem siły grawitacji, sił elektromagnetycznych i siły mechanicznej wywieranej przez strumień plazmy, w stałym łuku większość ciepła do nie zużywającej się elektrody pozostaje niewykorzystana i w rzeczywistości może być odprowadzana przez wodę chłodzącą lub gaz osłonowy. Zatem sprawność cieplna takiego łuku jest niska i może wynosić od 45 do 60%. Ten rodzaj łuku obserwuje się w procesach spawania łukiem węglowym, gazowym łukiem wolframowym i łukiem plazmowym.

Ruchomy łuk powstaje między elektrodą ulegającą zużyciu a przedmiotem roboczym. W miarę topienia się drutu spawalniczego stopiony metal na wierzchołku elektrody odłącza się pod działaniem siły grawitacji, sił elektromagnetycznych, siły wywieranej przez strumień plazmy i efektu szczypania. Jednakże siła zatrzymująca w wyniku napięcia powierzchniowego działa również na kroplę. Gdy elektroda topi się, łuk przesuwa się w górę wzdłuż elektrody. Ruchomy łuk jest związany z takimi procesami, jak ekranowane spawanie łukiem elektrycznym, spawanie łukiem elektrycznym z gazem i spawanie łukiem krytym.

Łuk, w którym płynny metal z końcówki elektrody jest przez niego transportowany, aby stał się częścią jeziorka spawalniczego, nazywany jest "łukiem metalowym". Łuk mobilny to łuk metalowy.

Większość ciepła docierającego do elektrody w łuku ruchomym jest wykorzystywana do topienia metalu, a tym samym skutecznie wykorzystywana. Wydajność cieplna procesu, przy użyciu łuku ruchomego, jest zatem wysoka i zwykle wynosi od 75 do 90%. Procesy spawania z wykorzystaniem łuku ruchomego są zatem bardziej efektywne termicznie niż te, które wykorzystują nieruchomy lub stały łuk.

Rola biegunowości elektrody w spawaniu łukowym:

Spawanie łukowe może być wykonywane za pomocą prądu przemiennego lub stałego. Jeśli stosuje się ac, nie ma kwestii polaryzacji elektrody, ponieważ zmienia się ona co pół cyklu. Jednakże, jeśli używany jest dc, możliwe jest wykonanie elektrody ujemnej lub dodatniej.

Więcej ciepła wytwarzane jest na anodzie, dlatego we wszystkich procesach używających elektrod nie dających się zużywać, lepiej jest podłączyć elektrodę do ujemnego zacisku, aby ograniczyć straty ciepła do minimum. Jednakże może nie zawsze być to możliwe, ponieważ czasami trzeba czyścić mobilną plamkę katodową, aby uwolnić z metalu trwałą ogniotrwałą warstwę tlenkową, na przykład podczas spawania aluminium i magnezu.

W takich przypadkach lepiej jest stosować ac, aby uzyskać kompromis między wydajnością cieplną a czyszczeniem. W związku z tym procesy spawania łukiem elektrycznym z wolframem gazowym i procesem spawania łukiem węglowym zwykle wykorzystują źródła prądu przemiennego, gdy konieczne jest pochylanie elementu obrabianego. Kiedy nie ma takiego przymusu, można użyć dcen.

Jednak w przypadku ekranowanego spawania łukiem elektrycznym, spawanie prądem stałym jest dość popularne, a jednocześnie, w tych samych specyfikacjach, jest znacznie tańsze niż zestaw silnika prądu stałego do spawania lub zestaw prostownikowy transformatora wymagany do uzyskania zasilania prądem stałym. Również przy spawaniu prądem stałym istnieje zmienny cios łuku, który może powodować niewłaściwe spawanie zygzakowe o złej jakości.

Ze względu na regularne przerwanie łuku elektrycznego nie zaleca się stosowania gołego drutu, na przykład podczas spawania łukowego. Jednakże, w przypadku ekranowanego spawania łukowego, opracowano odpowiednie powłoki elektrodowe, które ułatwiają łatwe inicjowanie i konserwację łuku spawalniczego.

Gdy używana jest elektroda ulegająca zużyciu, przenoszenie metalu z elektrody drutowej do przedmiotu obrabianego jest bardziej jednolite, częste i lepiej ukierunkowane, jeśli elektroda jest dodatnia. W związku z tym DCEP lub odwrotna polaryzacja są popularne w GMAW, który zapewnia również niezbędne działanie czyszczące na metale z trwałą warstwą tlenku, taką jak aluminium.