Schweißbogen: Definition, Struktur und Typen
Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie mehr über: 1. Definition des Schweißlichtbogens 2. Struktur und Eigenschaften des Schweißlichtbogens 3. Typen 4. Rolle der Elektrodenpolarität.
Definition des Schweißlichtbogens:
Ein Lichtbogen ist eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden, die durch ein elektrisch leitendes heißes ionisiertes Gas, bekannt als Plasma, stattfindet. Ein zum Schweißen verwendeter Lichtbogen wird als Schweißlichtbogen bezeichnet und befindet sich normalerweise zwischen einem dünnen Stab (oder Draht) und einer Platte, daher ist er glockenförmig, wie in Abb. 3.1 (a) gezeigt.
Struktur und Eigenschaften des Schweißlichtbogens:
Ein Schweißlichtbogen ist eine Hochstrom-Niederspannungs-Elektroentladung, die im Allgemeinen im Bereich von 10 bis 2000 Ampere und bei 10 bis 50 Volt arbeitet. In einer Schweißschaltung wirkt der Lichtbogen als Lastwiderstand.
Allgemein gesagt besteht der Schweißlichtbogen aus einem Mechanismus zum Emittieren von Elektronen von der Kathode, die nach Durchleiten von ionisiertem Heißgas in die Anode übergehen. Für die Analyse wird der Schweißlichtbogen normalerweise in fünf Teile unterteilt, nämlich. der Kathodenfleck, die Kathodentropfzone, die Bogensäule, die Anodentropfzonen und der Anodenspot. Die Spannungsabfälle an der Kathode und den Anodenabfallzonen sind ziemlich steil, während der Spannungsabfall an der Bogensäule allmählicher ist, wie in Fig. 3.1 (b) gezeigt. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Bogenspannung (V) eine Summe aus Kathodenabfall (Vc), Säulenabfall (Vp) und Anodenabfall (Va) ist.
Es kann also ausgedrückt werden als:
V = Vc + Vp + Va ……. (3-1)
Obwohl ein Schweißlichtbogen normalerweise glockenförmig ist, kann es bei solchen Schweißprozessen zu erheblichen Schwankungen in der Form kommen, bei denen die Stabelektrode (im weiteren Text nur Elektrode genannt) verbraucht werden kann, beispielsweise beim Metallbogenschweißen mit abgeschirmtem Metall und Gas Lichtbogenschweißen. Um ein umfassendes Wissen über das Verhalten eines Schweißlichtbogens zu haben, ist es wichtig, die Eigenschaften seiner verschiedenen Zonen zu kennen.
Der Kathodenpunkt :
Es ist der Teil der negativen Elektrode, von dem die Elektronen emittiert werden. Es wurden drei Arten von Kathodenpunktmoden beobachtet.
Diese sind:
(a) mobiler Kathodenpunktmodus,
(b) der thermionische Kathodenpunktmodus und
(c) Der normale Modus.
Bei einer mobilen Kathode erscheinen im Spot-Modus ein oder mehrere sehr kleine Kathodenpunkte an der Kathodenoberfläche und bewegen sich mit einer hohen Geschwindigkeit von 5 bis 10 m / s und hinterlassen normalerweise eine sichtbare Spur. Das Verhalten eines mobilen Kathodenflecks hängt von dem Material ab, auf dem er entsteht. Beispielsweise werden auf Aluminium mehrere Spots beobachtet, die eine komplexe Reihe von verzweigten Spuren erzeugen, während auf Kupfer die zurückbleibende Spur gewöhnlich ohne Verzweigungen ist (siehe Abb. 3.2).
Der Oxidfilm auf der Oberfläche des Metalls wird durch die Bewegung eines beweglichen Kathodenpunkts gelockert, und manchmal geht auch eine Metallschicht verloren. Diese Eigenschaft macht eine mobile Kathode für den industriellen Einsatz besonders wichtig, insbesondere zum Schweißen von Aluminium und Magnesium. Die Stromdichte in einem solchen Kathodenfleck liegt in der Größenordnung von 10 2 bis 10 3 A / mm 2 .
Im thermionischen Modus bildet sich der Kathodenfleck an der Spitze eines spitzen Wolfram- oder thorierten Wolframstabes, der mit Argon-Abschirmung verwendet wird. Der Kathodenfleck bleibt in seiner Position fixiert und hat eine Stromdichte in der Größenordnung von 10 2 A / mm 2 . Sie ist entweder als heller Fleck sichtbar oder kann durch Konvergenz der Bogensäule zu einem Punkt an der Kathodenoberfläche lokalisiert werden.
Im Normalmodus bildet der Kathodenfleck keinen genau definierten Fleck. Bei einer mit Kohlenstoff beschichteten Stahlelektrode scheint der Kathodenfleck beispielsweise die gesamte geschmolzene Spitze der Elektrode zu umgeben. Ein ähnlicher Kathodenfleck wird beim Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen mit einer abgeschirmten, abgerundeten Argon-Wolframelektrode beobachtet (siehe Abb. 3.3).
Mit Argon abgeschirmter Wolframlichtbogen arbeitet entweder mit dem gut definierten Kathodenfleck des zweiten Typs oder einem schlecht definierten Kathodenfleck des dritten Typs, und die Volt-Ampere-Charakteristik in den beiden Fällen ist unterschiedlich.
Elektronenemissionsmechanismen :
Die Elektronenemission von der Kathode kann durch einen beliebigen der verschiedenen Mechanismen erfolgen, wie thermionische Emission, Autoelektronik oder Feldemission, photoelektrische Emission und sekundäre Emission.
ein. Glühemission:
Dabei werden Elektronen aus den beheizten Elektroden freigesetzt. Wenn die Temperatur der Elektrode erhöht wird, steigt die kinetische Energie der freien Elektronen bis zu einem Punkt an, an dem sie von der Oberfläche der negativen Elektrode am Kathodenfleck in den feldfreien Raum außerhalb angesichts der Anziehung durch das Positive entweichen können Ionen auf der Kathode zurückgeblieben.
Es wird angenommen, dass die Emission von Elektronen aus der Kohlenstoff- und Wolframkathode thermionischen Charakter hat, aber die meisten anderen Metalle sieden bei Temperaturen, die weit unter den für die thermionische Emission erforderlichen Temperaturen liegen.
b. Autoelektronische Emission:
Diese Art der Elektronenemission wird durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld erzeugt, das heißt, wenn die Spannung über den Elektroden so hoch ist (in der Größenordnung von 10 4 Volt), dass die Luft zwischen ihnen unter ihrem Einfluss ionisiert wird und die elektrische Entladung mit der Elektrode erfolgt Emission von Elektronen von der Kathodenoberfläche.
c. Fotoelektrische Emission:
Sie tritt auf, wenn Energie in Form eines Lichtstrahls auf die Kathodenoberfläche fällt und zu einer erhöhten kinetischen Energie von Elektronen führt und somit zu ihrer Emission von der Kathode in ein Vakuum oder ein anderes Material führt. Ein solcher Mechanismus der Elektronenemission wird zur Erzeugung von Röntgenstrahlen verwendet.
d. Sekundäre Emission:
Es bezieht sich auf die Emission von Elektronen unter dem Einfluss schnell bewegter Ionen. Wenn die Geschwindigkeit der einfallenden Ionen die Orbitalgeschwindigkeit der Elektronen in den Atomen des Kathodenmaterials übersteigt, führt dies zum Ausstoß (oder zur Emission) von Elektronen.
Bei Schweißprozessen ist die Elektronenemission entweder vom thermionischen Typ, zum Beispiel beim Wolfram-Lichtbogenschweißen, beim Plasmabogenschweißen und beim Kohlenstoff-Lichtbogenschweißen, oder sie ist vom Autoemissionstyp in Verbindung mit Hilfsmitteln zum Ionisieren des Luftspalts zwischen der Elektrode und das Werkstück, zum Beispiel für geschirmtes Metalllichtbogenschweißen, Unterlichtbogenschweißen und Gasmetalllichtbogenschweißen.
Die Emission von Elektronen aus einem Kathodenfleck hängt von der Anregungsenergie oder der Austrittsarbeit eines Materials ab, das als die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV) oder Joules definiert ist, um ein Elektron von der Oberfläche des Materials freizusetzen zum umgebenden Raum. Das Ionisierungspotential, definiert als Energie pro Ladungseinheit in Volt, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem Atom in eine unendliche Entfernung zu entfernen, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung. Beide Parameter für die meisten beim Schweißen verwendeten Materialien sind in Tabelle 3.1 angegeben.
Die Kathodenabwurfzone :
Es ist der gasförmige Bereich unmittelbar neben der Kathode, in dem ein starker Spannungsabfall auftritt. Die kombinierte Größe der Kathodentropfzone und der Anodentropfzone liegt in der Größenordnung von 10 2 mm, was nahezu dem mittleren freien Elektronenweg entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass der Spannungsabfall in der Kathodenfallzone für die mit Argon abgeschirmte Wolframelektrode etwa 8 Volt bei 100 Ampere beträgt und mit abnehmendem Strom zunimmt.
Die Bogensäule:
Es ist der helle sichtbare Teil des Bogens und hat eine hohe Temperatur und einen niedrigen Potentialgradienten. Die Temperatur der Lichtbogensäule hängt von den darin enthaltenen Gasen und der Menge des Schweißstroms ab, der im Kreislauf fließt. Normalerweise variiert die Säulentemperatur von 6000 ° C für Eisendämpfe bis etwa 20.000 ° C für einen mit Argon abgeschirmten Wolframbogen. Bei einer so hohen Temperatur werden alle in der Säule vorhandenen molekularen Gase in atomare Form gespalten, und die Atome selbst werden weiter in Elektronen und Ionen dissoziiert. Die Anzahl der Elektronen und Ionen in einem gegebenen Volumen des Lichtbogens bleibt jedoch gleich, wodurch der Lichtbogen elektrisch neutral bleibt.
Da das durchschnittliche Ion etwa tausendmal schwerer ist als ein Elektron, sind die Elektronen weitaus mobiler und transportieren daher den größten Teil des Stroms über die Bogensäule. Der Potentialgradient in der Säule ist niedriger als derjenige über der Kathodenfallzone oder der Anodenfallzone und variiert im Allgemeinen zwischen 0-5 bis 5 Volt / mm für mit Argon abgeschirmte Wolframlichtbögen, wohingegen er beim abgeschirmten Metallbogenschweißen normalerweise um 1 Volt liegt / mm.
Der Schweißbogen befindet sich fast immer zwischen einer Stange oder einer Drahtelektrode und einem flachen oder breiten Werkstück. Dies führt unabhängig von der Elektrodenpolarität zu einer Glocke oder einem kegelförmigen Bogen mit der Spitze des Kegels an oder nahe der Spitze der Stabelektrode. Aufgrund dieser Einengung des Bogens in der Nähe der Stabelektrode hat sie dort die höchste Energiedichte, aber aufgrund des Kühleffekts aufgrund der Nähe der Elektrode liegt die maximale Temperatur im Kern der Säule.
Der Bereich, in dem die verengte Säule auf die Elektrode trifft, wird als Bogenwurzel bezeichnet. Die Temperaturverteilung in der Bogensäule für einen mit 200 Ampere Argon abgeschirmten Wolframbogen ist in Abb. 3.4 dargestellt.
Abb. 3.4 Temperaturverteilung in einer Bogensäule
Der Stromfluss in der Bogensäule führt zur Entwicklung elektromagnetischer Kräfte. Nun ist es auch bekannt, dass sich zwei parallele Leiter, die in derselben Richtung Strom führen, gegenseitig anziehen.
Wenn der Strom von einem Gaszylinder geleitet wird, kann er als aus einer großen Anzahl von ringförmigen zylindrischen Leitern bestehend betrachtet werden, so dass zwischen den verschiedenen Gaszylindern eine gegenseitige Anziehung besteht, wobei alle Kräfte aufgrund der hohen Stromdichte im Kern des Leiters nach innen wirken .
Diese einschränkenden Kräfte werden durch einen statischen Druckgradienten ausgeglichen, der in dem Gasleiter mit Nulldruck am äußeren Umfang und einem Maximum entlang der Achse aufgebaut wird.
Im vorliegenden Fall haben jedoch aufgrund der Kegelform des Bogens die auf ihn einwirkenden elektromagnetischen Kräfte zwei Komponenten, wobei der statische Druck die zwei gegenüberliegenden Komponenten hat, von denen eine entlang der Bogenachse liegt und die Ursache für die Bildung eines Plasmastrahls ist das fließt mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 4 cm / s auf das Werkstück zu. Die axiale Plasmageschwindigkeit nimmt ab, wenn sich die Bogenperipherie nähert, wie in Abb. 3.5 gezeigt.
In einem stationären Zustand hat der Plasmastrahl eine Stromlinienströmung, wobei die Strömungsgeschwindigkeit ungefähr proportional zum Schweißstrom ist. Abb. 3.6 zeigt das Muster von Gasströmungslinien und Geschwindigkeitslinien in einem 200A-Kohlenstoffbogen. Es wird angenommen, dass eine beträchtliche Menge an Wärmeenergie durch konvektive Strömungen des Plasmastrahls zum Werkstück übertragen wird.
Abb. 3.6 Gasströmungslinien und Plasma-Geschwindigkeitslinienmuster beim Kohlelichtbogenschweißen
Wenn der Stromfluss im Lichtbogen nicht symmetrisch ist, führt dies zur Einstellung magnetischer Kräfte, die die Lichtbogensäule auslenken. Wenn dies in einem Schweißlichtbogen auftritt, wird dies als Lichtbogenschlag bezeichnet und führt oft zu unzureichenden und fehlenden Schweißnähten.
Die Anode und die Anodenabwurfzone:
Beim Erreichen der Anode verlieren die Elektronen ihre Kondensationswärme. Im Gegensatz zum Kathodenfleck ist es jedoch selten, einen genau definierten Anodenfleck zu beobachten, und die Stromdichte ist ebenfalls niedrig, wie in Abb. 3.7 für eine mit 200 A Argon abgeschirmte Wolframkathode und eine Kupferplattenanode gezeigt. Die Stromführungsfläche einer Anode ist etwas kleiner als die breiteste Ausbreitung des Bogens am Anodenende, und die mittlere Stromdichte ist auch ziemlich niedrig.
Der Spannungsabfall in der Anodenfallzone dieser Art von Lichtbogen scheint zwischen 1 und 3 Volt zu liegen. Die Tiefe der Anodenfallzone liegt in der Größenordnung von 10 -2 bis 10 -1 mm. Wenn die Stabelektrode als Anode fungiert, besetzt sie die untere Halbkugel des geschmolzenen Tropfens an der Elektrodenspitze. Für einen Niederdruckplasmastrahl scheint jedoch die Anode das geschmolzene Tröpfchen zu umhüllen.
Der gesamte Wärmeeintrag an der Anode ist auf die Kondensation der Elektronen sowie auf die Leitung und Konvektion durch den Plasmastrahl zurückzuführen. Im Gleichstrombogen mit nicht verbrauchbaren Elektroden wie Wolfram oder Kohlenstoff ist die Anodenwärme größer als die freigesetzte Wärme an der Kathode wie in Abb. 3.8 gezeigt.
Mit der Zunahme der Schweißlichtbogenlänge steigt die Lichtbogenspannung an, und daher steigt der Wärmeeintrag bei einem Strom über etwa 100 A mit zunehmender Lichtbogensäule an, insbesondere für den Kathodenpunktmodus, wie in Fig. 3.9 gezeigt. Mit der Zunahme der Spaltenlänge nimmt jedoch auch die Spaltenbreite zu und dies führt zu einer noch geringeren Stromdichte an der Anode, und somit wird die Anode stärker diffundiert.
Lichtbogeneffizienz:
Aus der Beschreibung der Eigenschaften verschiedener Teile eines Schweißlichtbogens kann die Lichtbogeneffizienz bestimmt werden, deren mathematische Behandlung wie folgt lautet:
Nun ist die gesamte an der Anode entwickelte Wärmeenergie q a gegeben durch die Summe der durch die Elektronen aufgenommenen Energie und der Energie, die durch den Durchgang durch die Anodentropfzone gewonnen wird, dh
Problem 1:
Bestimmen Sie den Lichtbogenwirkungsgrad für den GTAW-Prozess, wenn der Schweißstrom 150 Ampere und die Lichtbogenspannung 20 Volt beträgt. Es sei ein Kathodenabfall von 8 Volt und ein Anodenabfall von 3 Volt angenommen, wobei 30% der Bogensäulenenergie auf die Anode übertragen werden. Nehmen Sie die Lichtbogentemperatur als 15000K an. Arbeitsfunktion, 0 für Wolfram = 4, 5 eV und Boltzmann-Konstante = 8, 62 x 10 -5 eV / K.
Lösung:
Problem 2:
Beim mit Argon abgeschirmten Wolfram-Lichtbogenschweißen wurde gefunden, dass der Kathodenabfall 10 Volt für einen Schweißstrom von 120 Volt und eine Lichtbogenspannung von 18 Volt betrug. Bestimmen Sie (a) die Bogenlänge, wenn der Lichtbogenwirkungsgrad 55% bei einer Lichtbogentemperatur von 10000 Kelvin beträgt.
Es sei angenommen, dass der Spannungsabfall der Säule 1, 2 Volt l mm beträgt und dass 20% der Wärme der Säule auf die Anode übertragen werden.
(b) Die Lichtbogeneffizienz, wenn die gleichen Prozessparameter auf den GMAW-Prozess anwendbar sind und die Drahtelektrode zur Anode gemacht wird.
Übernehmen Sie die Arbeitsfunktion für Wolfram bei OK = 4, 5 eV und die Boltzmann-Konstante. K '= 8–60 × 10 –5 eVIK
Lösung:
Arten von Schweißbögen:
Aus Sicht des Schweißens gibt es zwei Arten von Bögen, nämlich einen unbeweglichen oder stationären oder festen Bogen und einen beweglichen oder sich bewegenden oder sich bewegenden Bogen. Ein fester Lichtbogen wird zwischen einer nicht verbrauchbaren Elektrode und einem Werkstück gebildet. Der Lichtbogen kann mit oder ohne Füllstoff verwendet werden. Im ersteren Fall wird ein separater Draht in die Bogensäule eingeführt und somit geschmolzen, um unter der kombinierten Einwirkung von Schwerkraft, elektromagnetischen Kräften und der auf den Plasmastrahl ausgeübten mechanischen Kraft in einem Schweißbad in einem festen Lichtbogen übertragen zu werden, wobei die meiste Wärme fließt Die nicht verbrauchbare Elektrode bleibt ungenutzt und muss möglicherweise vom Kühlwasser oder dem Schutzgas abgeführt werden. Somit ist der thermische Wirkungsgrad eines solchen Lichtbogens gering und kann zwischen 45 und 60% liegen. Diese Art von Lichtbogen wird beim Schweißverfahren mit Kohlenstoff-, Wolfram- und Plasmaschweißbogen beobachtet.
Ein beweglicher Lichtbogen wird zwischen einer Verschleißelektrode und einem Werkstück gebildet. Wenn der Zusatzdraht schmilzt, wird das geschmolzene Metall an der Elektrodenspitze durch die Wirkung der Schwerkraft, elektromagnetische Kräfte, die durch den Plasmastrahl ausgeübte Kraft und die Klemmwirkung gelöst. Eine Haltekraft aufgrund der Oberflächenspannung wirkt jedoch auch auf den Tropfen. Wenn die Elektrode schmilzt, bewegt sich der Lichtbogen entlang der Elektrode nach oben. Der mobile Lichtbogen ist mit Prozessen wie geschirmtem Metalllichtbogenschweißen, Gas-Metalllichtbogenschweißen und Unterpulverschweißen verbunden.
Ein Lichtbogen, in dem das geschmolzene Metall von der Elektrodenspitze durch es hindurch transportiert wird, um Teil des Schweißbades zu werden, wird als "Metallbogen" bezeichnet. Ein mobiler Lichtbogen ist ein Metallbogen.
Die meiste Wärme, die im beweglichen Lichtbogen an die Elektrode gelangt, wird zum Schmelzen des Metalls genutzt und somit effektiv genutzt. Der thermische Wirkungsgrad des Prozesses unter Verwendung eines mobilen Lichtbogens ist daher hoch und liegt normalerweise zwischen 75 und 90%. Die Schweißverfahren mit mobilem Lichtbogen sind daher thermisch effizienter als diejenigen mit festem Lichtbogen.
Rolle der Elektrodenpolarität beim Lichtbogenschweißen:
Das Lichtbogenschweißen kann entweder durch Gleichstrom oder Wechselstrom erfolgen. Wenn Wechselstrom verwendet wird, ist die Polarität der Elektrode nicht von Bedeutung, da sie sich bei jedem Halbzyklus ändert. Bei Verwendung von Gleichstrom ist es jedoch möglich, die Elektrode entweder negativ oder positiv zu machen.
An der Anode wird mehr Wärme erzeugt. Daher ist es bei allen Prozessen mit nicht verbrauchbaren Elektroden besser, die Elektrode an den negativen Anschluss anzuschließen, um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Dies kann jedoch nicht immer möglich sein, da manchmal die Reinigungswirkung des beweglichen Kathodenpunkts ausgenutzt werden muss, um die hartnäckige feuerfeste Oxidschicht aus dem Metall zu lösen, beispielsweise beim Schweißen von Aluminium und Magnesium.
In solchen Fällen ist es bevorzugt, AC zu verwenden, um einen Kompromiss zwischen thermischer Effizienz und Reinigungswirkung zu erzielen. Daher werden beim Wolfram-Lichtbogenschweißen und beim Kohlenstoff-Lichtbogenschweißen normalerweise Wechselstromquellen verwendet, wenn ein Anlehnen des Werkstücks erforderlich ist. Wenn ein solcher Zwang nicht da ist, kann dcen verwendet werden.
Für das Schutzgasschweißen mit abgeschirmtem Metall ist der Wechselstrom-Schweißtransformator jedoch sehr beliebt und zur gleichen Zeit für die gleichen Spezifikationen viel billiger als der Gleichstrom-Schweißmotor-Generator-Satz oder der Transformator-Gleichrichtersatz, der zum Erhalt der Gleichstromversorgung erforderlich ist. Auch beim Gleichstromschweißen gibt es den Wechsler für den Lichtbogenschlag, der unzureichende Zick-Zack-Schweißungen von schlechter Qualität verursachen kann.
Aufgrund der regelmäßigen Unterbrechung eines AC-Lichtbogens ist es nicht empfehlenswert, wenn blanker Draht zum Beispiel beim Gasmetall-Lichtbogenschweißen verwendet wird. Für das Schutzgasschweißen mit abgeschirmtem Metall wurden jedoch geeignete Elektrodenbeschichtungen entwickelt, die eine leichte Einleitung und Wartung des Schweißlichtbogens erleichtern.
Wenn eine verbrauchbare Elektrode verwendet wird, ist die Metallübertragung von der Drahtelektrode zum Werkstück einheitlicher, häufiger und besser gerichtet, wenn die Elektrode positiv gemacht wird. DCEP oder umgekehrte Polarität ist daher bei GMAW beliebt, das auch bei Metallen mit hartnäckiger Oxidschicht wie Aluminium die notwendige Reinigungswirkung bewirkt.
