Kräfte, die den Metalltransfer beeinflussen
Dieser Artikel beleuchtet die vier Hauptkräfte, die den Metalltransfer beeinflussen. Die Kräfte sind: 1. Schwerkraft (F g ) 2. Oberflächenspannung (F s ) 3. Elektromagnetischer Quetscheffekt (F p ) 4. Zugkraft (F d ).
Kraft # 1: Schwerkraft (F g ) :
Die Schwerkraft ist eine Ablösekraft, wenn die Elektrode beim Abwärtsschweißen nach unten gerichtet ist, und eine Haltekraft, wenn sie wie beim Überkopfschweißen nach oben gerichtet ist.
Numerisch ist es gleich dem Gewicht des ablösenden geschmolzenen Tropfens und wird ausgedrückt als:
Kraft # 2. Oberflächenspannung (F s ):
Die Oberflächenspannung neigt dazu, das geschmolzene Tröpfchen an der Spitze der Elektrode zurückzuhalten, und seine Größe zum Zeitpunkt der Tröpfchenablösung unter seinem eigenen Gewicht ergibt sich aus dem Ausdruck:
f (r / c) ist eine komplexe Funktion mit einem Wert zwischen 0, 6 und 1, 0 in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen r und c.
Für gewöhnliche Metalle kann ein ungefährer Wert der Funktion aus den folgenden Beziehungen berechnet werden:
wo r in cm ist.
Alternativ wird angenommen, dass Fs proportional zu der Masse des an der Elektrodenspitze hängenden Tropfens ( mh ) mit maximaler Größe ist, bevor die Ablösung erfolgt, dh
Fs = mh . g… .. (6.6)
Es ist jedoch viel einfacher, die Masse des Abschnitts des Tröpfchens zu bestimmen, der (m d ) ablöst, und es besteht eine empirische Beziehung zwischen m d und m h .
M d / m h kann auch als Funktion von r / c aufgetragen werden, das heißt:
Kraft Nr. 3: Elektromagnetischer Pinch-Effekt (F p ):
Wenn elektrischer Strom durch einen konischen Leiter wie der Schweißlichtbogen geleitet wird, wirken darin axiale Kräfte, die vom kleinen Querschnitt zum größeren geleitet werden. Dies führt zur Einstellung eines Plasmastrahls, sofern der Strom ausreichend groß ist. Wenn ein stromführender Leiter unter dem Einfluss seines eigenen Magnetfelds steht, entwickeln sich radiale Kontraktionskräfte, die einen Druck innerhalb des Leiters erzeugen. Die kombinierte Wirkung dieser Kräfte ist die Ablösekraft, die auf das geschmolzene Tröpfchen an der Lippe der Elektrode wirkt, und wird als Quetscheffekt bezeichnet.
Dieser Quetscheffekt kann auch damit erklärt werden, dass ein in parallelen Leitern in die gleiche Richtung fließender elektrischer Strom zu einer Anziehungskraft zwischen ihnen führt. Wenn man annimmt, dass eine Elektrode aus einer Anzahl von zylindrischen Leitern mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, die sich innerhalb des anderen befinden, wird die Elektrode aufgrund des Stromflusses in parallelen Leitern einer Kontraktionskraft ausgesetzt.
Diese Kraft ist für die feste Elektrode kaum von Bedeutung, führt jedoch zu einem erheblichen Einfluss auf die Ablösung des geschmolzenen Tropfens von der Elektrodenspitze und wird als Lorentzkraft oder elektromagnetische Klemmkraft bezeichnet.
Diese Kraft in einem gegebenen Abstand r von der Achse der Elektrode wird durch den Ausdruck gegeben:
Aus der Gleichung 6.9 ist ersichtlich, dass die maximalen und minimalen Drücke, die durch den elektromagnetischen Quetscheffekt ausgeübt werden, jeweils auf der Leiterachse und der Oberfläche liegen und die folgenden Größen haben:
Somit gibt es auf das Tröpfchen eine Netto-elektromagnetische Klemmkraft, die dazu neigt, es von der Elektrodenspitze zu lösen.
Die Größe dieser Kraft kann wie folgt bestimmt werden:
Kraft # 4. Zugkraft (F d ):
Eine Widerstandskraft aufgrund der Gasströmung um den Tropfen hilft dabei, den Tropfen von der Elektrodenspitze zu lösen. Die Größe dieser Kraft kann durch die Gasströmungsmenge in GMAW oder in begrenztem Umfang durch die Menge an Gasen beeinflusst werden, die aus den Beschichtungen in SMAW erzeugt werden. Je nach Art der Metallübertragung kann der Plasmastrahl auch den Widerstand des Tropfens ergänzen. Die Rollen, die verschiedene Kräfte beim Ablösen des geschmolzenen Tropfens spielen, sind in Abb. 6.1 dargestellt.
Um die Größe der verschiedenen auf das Tröpfchen wirkenden Kräfte zu bestimmen, ist es beim Plasma-MIG-Schweißen sehr zweckmäßig, da der Plasmabogen und der MIG-Bogen getrennt sind und unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Düsenstrom im MIG-Schweißdraht zu variieren, so dass die auf das Tröpfchen wirkenden elektromagnetischen Kräfte von null bis zum erreichbaren Maximum variiert werden können. Es ist auch möglich, die Widerstandskraft des Tropfens durch Variation der Plasmaflussgeschwindigkeit zu variieren.
Die Oberflächenspannungskraft F s kann durch Messen der Masse des Tröpfchens bei Nullstrom ohne Gasströmung bestimmt werden. Die elektromotorische Kraft kann erhalten werden, indem zuerst die Masse des einzelnen Tröpfchens als Funktion des Gasflusses gemessen wird, wobei der Strom durch den Draht fließt.
Die elektromotorischen Kräfte F p können dann aus den Daten für I ≠ 0 erhalten werden:
Fp = Fs - ( Fg + Fd ) ………. (6.13)
Diese elektromotorische Kraft ist für einen niedrigen Stromwert negativ, steigt jedoch oberhalb von etwa 25 A im Verhältnis zum Strom mehr oder weniger an.
In Abhängigkeit von der auf das Tröpfchen wirkenden Nettokraft unter Berücksichtigung der Größe des Schweißstroms, der Oberflächenspannung, der Widerstandskraft, der Rolle der Schwerkraft und der Bogenlänge wird eine bestimmte Art der Metallübertragung erreicht, die die Qualität der Gesenkschweißung bestimmt.
