Suvirinimo lankas: apibrėžimas, struktūra ir tipai

Perskaitę šį straipsnį, sužinosite apie: - 1. Suvirinimo lanko apibrėžimą 2. Suvirinimo lanko struktūra ir charakteristikos 3. Tipai 4. Elektrodo poliškumo vaidmuo.

Suvirinimo lanko apibrėžimas:

Lankas - tai elektrinis iškrovimas tarp dviejų elektrodų, kuris vyksta per elektrai laidų karštą jonizuotą dujas, vadinamą plazma. Suvirinimui naudojamas elektrinis lankas vadinamas suvirinimo lanku ir paprastai yra tarp plono strypo (arba vielos) ir plokštelės, todėl jis yra varpinė, kaip parodyta 3.1 (a) paveiksle.

Suvirinimo lanko struktūra ir charakteristikos:

Suvirinimo lankas yra didelės srovės žemos įtampos elektros iškrova, veikianti nuo 10 iki 2000 amperų ir nuo 10 iki 50 voltų. Suvirinimo grandinėje lankas veikia kaip apkrovos rezistorius.

Apskritai suvirinimo lankas susideda iš elektrono išskyrimo iš katodo mechanizmo, kuris, prasiskverbęs per jonizuotą karštąsias dujas, sujungiamas į anodą. Analizei, suvirinimo lankas paprastai yra suskirstytas į penkias dalis, ty. katodo taškas, katodo lašinimo zona, lanko kolona, ​​anodo lašinimo zonos ir anodo taškas. Į katodą nukrenta įtampa, o anodo lašinimo zonos yra gana kietos, o įtampos kritimas per lanko kolonėlę yra laipsniškesnis, kaip parodyta 3.1 (b) paveiksle. Iš paveikslo matyti, kad lanko įtampa (V) yra katodo lašų (Vc), stulpelio kritimo (Vp) ir anodo lašų (Va) suma.

Taigi jis gali būti išreikštas taip:

V = Vc + Vp + Va ……. (3-1)

Nors suvirinimo lankas paprastai yra varpinės formos, tačiau tose suvirinimo procedūrose, kuriose lazdelės elektrodas (vadinamas tik elektrodu kitame tekste) gali būti suvartojamas, pavyzdžiui, ekranuotame metalo lanko suvirinimo ir dujų suvirinimo procese. metalo lanko suvirinimas. Siekiant visapusiškų žinių apie suvirinimo lanko elgesį, būtina žinoti skirtingų zonų savybes.

Cathode Spot :

Tai ta neigiamos elektrodo dalis, iš kurios skleidžiami elektronai. Pastebėta trijų tipų katodinių taškų režimų.

Sitie yra:

a) mobiliojo katodo taškinis režimas;

b) terminio katodo taškinio režimo ir

c) Įprastas režimas.

Judančiame katode vietoje katodo paviršiuje atsiranda vienas ar daugiau labai mažų katodų dėmių ir važiuoja dideliu greičiu nuo 5 iki 10 m / s ir paprastai palieka matomą pėdsaką. Judriojo katodo vietos elgesys priklauso nuo medžiagos, su kuria ji susidaro. Pavyzdžiui, ant aliuminio pastebimi keli dėmės, kurios sukelia sudėtingas šakotųjų vėžių serijas, o ant vario paliekamas pėdsakas paprastai yra vienas, be jokių šakų, kaip parodyta 3.2 pav.

Metalinio paviršiaus oksido plėvelė atsipalaiduoja judančio katodo taško judėjimu ir kartais prarandamas metalo sluoksnis. Dėl šios savybės mobilusis katodas labai svarbus pramonėje, ypač aliuminio ir magnio suvirinimui. Srovės tankis tokiame katodo taške yra nuo 10 iki 10 ³ A / mm2.

Terminiu režimu katodo taškas formuojasi aštriu smailiu volframo arba volframo strypo antgaliu, naudojamu su argono ekranavimu. Katodo taškas išlieka fiksuotas, o srovės tankis yra apie 10 ² A / mm ² . Jis matomas arba kaip šviesus taškas, arba gali būti išdėstytas lanko kolonos konvergencijoje iki taško, esančio katodo paviršiuje.

Įprastu režimu katodo taškas nesudaro jokios gerai apibrėžtos vietos. Pavyzdžiui, naudojant mažai anglies dvideginio padengtą plieninį elektrodą, katodo taškas apgaubia visą išlydytą elektrodo galą. Panašus katodinių taškų tipas stebimas volframo lanko suvirinimo naudojant argoną suapvalintais volframo elektrodais, kaip parodyta 3.3 pav.

Argono ekranuotas volframo lankas veikia arba su gerai apibrėžtu antros rūšies katodiniu tašku, arba netinkamai apibrėžtu trečiojo tipo katodo tašku, o abiejų atvejų įtampos amperų charakteristika yra skirtinga.

Elektronų emisijos mechanizmai :

Elektronų emisija iš katodo gali būti bet kas iš kelių mechanizmų, tokių kaip termioninis išmetimas, automatinis elektroninis arba lauko išmetimas, fotoelektros emisija ir antrinė emisija.

a. Šiluminė emisija:

Tai apima elektronų išsilaisvinimą iš šildomų elektrodų. Pakeliant elektrodo temperatūrą, laisvųjų elektronų kinetinė energija padidėja iki taško, kur jie gali pabėgti iš neigiamo elektrodo paviršiaus katodo vietoje į lauko erdvę, esančią išorėje, pritraukiant teigiamą jonų, kurie liko ant katodo.

Manoma, kad elektronų emisija iš anglies ir volframo katodų yra terminio pobūdžio, tačiau daugelis kitų metalų virsta temperatūroje, gerokai žemesnėje nei reikalaujama terminiam išmetimui.

b. Automatinė elektroninė emisija:

Tokio tipo elektronų emisiją gamina pakankamai stiprus elektrinis laukas, tai yra, kai įtampa tarp elektrodų yra tokia didelė (maždaug 10 ⁴ voltų), kad tarp jų esantis oras yra jonizuojamas jo įtaka ir elektrinis iškrovimas vyksta su elektronų emisija iš katodo paviršiaus.

c. Fotoelektros emisija:

Tai atsitinka, kai energija šviesos pluošto pavidalu nukrenta ant katodo paviršiaus ir padidina elektronų kinetinę energiją ir taip lemia jų išmetimą iš katodo į vakuumą ar kitą medžiagą. Toks elektronų emisijos mechanizmas naudojamas rentgeno spinduliams gaminti.

d. Antrinė emisija:

Jis susijęs su elektronų emisija sparčiai judančių jonų poveikiu. Kai atsitiktinių jonų greitis viršija elektronų orbitinį greitį katodo medžiagos atomuose, tai lemia elektronų pašalinimą (arba emisiją).

Suvirinimo procesuose elektronų emisija yra arba terminio tipo, pvz., Dujų volframo lankinio suvirinimo, plazminio lankinio suvirinimo ir anglies lanko suvirinimo, arba ji yra automatiškai išmetama kartu su pagalbinėmis priemonėmis, padedančiomis oro tarpą tarp elektrodo ir darbinis elementas, pavyzdžiui, ekranuotas metalo lankinis suvirinimas, povandeninis lankinis suvirinimas ir dujų metalo lankinis suvirinimas.

Elektronų emisija iš katodo taško priklauso nuo medžiagos sužadinimo energijos arba darbo funkcijos, kuri yra apibrėžiama kaip energija, reikalinga elektronų voltuose (eV) arba džouluose, kad gautų vieną elektroną iš medžiagos paviršiaus į aplinkinę erdvę. Jonizacijos potencialas, kuris apibrėžiamas kaip energijos kiekis viename įkrovos voltuose, reikalingas elektronui pašalinti iš atomo iki begalinio atstumo, taip pat vaidina svarbų vaidmenį palaikant elektros iškrovą. Abu parametrai, taikomi daugumai suvirinimo medžiagų, pateikti 3.1 lentelėje.

Katodo lašų zona :

Tai yra dujinis regionas, esantis tiesiai prie katodo, kuriame vyksta staigus įtampos sumažėjimas. Bendras katodo lašymo zonos ir anodo lašymo zonos dydis yra maždaug 10 ² mm, kuris yra beveik lygus laisvo elektrono kelio skaičiui. Nustatyta, kad argono ekranuotojo volframo elektrodo įtampos kritimas katodo lašymo zonoje yra apie 8 voltai 100 amperų ir didėja, kai mažėja srovė.

Lanko stulpelis:

Tai ryški matoma lanko dalis ir turi aukštą temperatūrą ir žemą potencialą. Lanko kolonėlės temperatūra priklauso nuo joje esančių dujų ir suvirinimo srovės, tekančios grandinėje, kiekio. Paprastai kolonėlės temperatūra svyruoja nuo 6000 ° C geležies garų iki maždaug 20 000 ° C argono ekranuotame volframo lanke. Tokioje aukštoje temperatūroje visos stulpelyje esančios molekulinės dujos padalijamos į atomines formas ir patys atomai yra atskiriami į elektronus ir jonus. Tačiau elektronų ir jonų skaičius bet kuriame tūrio lanke išlieka tas pats, taigi lankas yra elektriniu požiūriu neutralus.

Kadangi vidutinis jonas yra apie tūkstantį kartų sunkesnis už elektroną, elektronai yra daug mobilesni, todėl didžioji srovės dalis yra per lanko stulpelį. Potencialus gradientas stulpelyje yra mažesnis nei per katodo nukritimo zoną arba anodo lašinimo zoną ir paprastai svyruoja nuo 0 iki 5 voltų / mm argono ekranuotiems volframo lankams, o ekranuotam metalo lankinio suvirinimui paprastai yra apie 1 voltą / mm.

Suvirinimo lankas beveik visada yra tarp strypo ar vielos elektrodo ir plokščio ar plataus darbo. Tai, nepaisant elektrodų poliškumo, sukelia varpą arba kūgio formos lanką su kūgio viršūnėmis ant arti elektrodo galo. Dėl šio lanko susiaurėjimo prie strypo elektrodo yra didžiausias energijos tankis, tačiau dėl aušinimo poveikio dėl elektrodo artumo didžiausia temperatūra yra stulpelio šerdyje.

Regionas, kuriame suspaustas stulpelis atitinka elektrodą, vadinamas lanko šaknimi. Temperatūros pasiskirstymas lanko stulpelyje 200 amperų argono ekranuotam volframo lankui parodytas 3.4 pav.

3.4 pav. Temperatūros pasiskirstymas lanko stulpelyje

Srovės srautas lanko stulpelyje lemia elektromagnetinių jėgų vystymąsi. Dabar taip pat gerai žinoma, kad du lygiagrečiai laidininkai, turintys srovę toje pačioje kryptimi, pritraukia vienas kitą.

Jei srovė yra vykdoma dujiniu cilindru, gali būti laikoma, kad ją sudaro daug žiedinių cilindrinių laidininkų, todėl tarp skirtingų dujų balionų yra tarpusavio pritraukimas, kai visos jėgos veikia į vidų dėl didelio srovės tankio laidininko šerdyje .

Šios suspaustos jėgos yra subalansuotos statinio slėgio gradientu, nustatytu dujiniame laide, esant išoriniam periferiniam slėgiui ir maksimaliai išilgai ašies.

Tačiau šiuo atveju dėl lanko kūgio formos elektromagnetinės jėgos, veikiančios joje, turi du komponentus, kurių statinis slėgis turi du priešingus komponentus, iš kurių vienas yra išilgai lanko ašies ir yra plazmos srovės susidarymo priežastis. kuri teka apie 10 ⁴ cm / s greičiu į ruošinį. Ašies plazmos greitis mažėja, kai artėja lanko periferija, kaip parodyta 3.5 pav.

Pastovioje būsenoje plazminis srautas turi racionalų srautą, kurio srauto greitis yra maždaug proporcingas suvirinimo srovei. 3.6 pav. Parodyta dujų srauto linijų ir greičio linijų 200A anglies lanku struktūra. Manoma, kad didelė šilumos energija perduodama į ruošinį per konvekcines srovės plazmos sroves.

Pav. 3.6 Dujų srauto linijos ir plazmos greičio linijos modeliai suvirinant anglies lankus

Kai srovės srautas lanku nėra simetriškas, atsiranda magnetinių jėgų, kurios nukreipia lanko kolonėlę. Jei tai įvyksta suvirinimo lanku, tai vadinama lanko smūgiu ir dažnai sukelia netinkamą ir netinkamą suvirinimą.

Anodas ir anodo lašinimo zona:

Pasiekus anodą, elektronai praranda kondensacijos šilumą. Tačiau, skirtingai nei katodo taškas, retai stebimas gerai apibrėžtas anodo taškas, o srovės tankis taip pat yra mažas, kaip parodyta 3.7 paveiksle 200A argono ekranuotam volframo katodui ir vario plokštės anodui. Anodo angos galia yra šiek tiek mažesnė nei plačiausias lanko pasiskirstymas anodo gale, o vidutinis srovės tankis taip pat yra gana mažas.

Šio tipo lanko anodo lašymo zonoje įtampos kritimas atrodo nuo 1 iki 3 voltų. Anodo kritimo zonos gylis yra nuo 10 ^-2 iki 10 ^-1 mm. Kai strypo elektrodas veikia kaip anodas, jis užima žemiausią lydyto lašelio puslankį elektrodo gale. Tačiau mažo slėgio plazmos srovei anodas atrodo apgaubiantis išlydytą lašelį.

Bendras šilumos kiekis anode yra dėl elektronų kondensacijos, taip pat laidumo ir konvekcijos dėl plazmos srauto. Dc lanko su nenaudojamu elektrodu, pvz., Volframo ar anglies, anodo šiluma yra didesnė nei išlaisvinta šiluma katode, kaip parodyta 3.8 pav.

Didėjant suvirinimo lanko ilgiui, lanko įtampa didėja, todėl, esant srovei, viršijančiai apie 100A, šilumos sąnaudos didėja, didinant lanko kolonėlę, ypač katodinių taškų režimui, kaip parodyta 3.9 pav. Tačiau, didinant stulpelio ilgį, stulpelio plotis taip pat didėja ir dėl to anodo angos tankis yra dar mažesnis, todėl anodas tampa labiau išsklaidytas.

Lanko efektyvumas:

Apibūdinant skirtingų suvirinimo lanko dalių charakteristikas, galima nustatyti lanko efektyvumą, kurio matematinis apdorojimas:

Dabar, anodoje, q _a sukurta bendra šilumos energija apskaičiuojama pagal elektronų gaunamos energijos sumą ir energiją, gautą pro anodo lašymo zoną, ty,

1 problema:

Raskite lanko efektyvumą GTAW procesui, jei suvirinimo srovė yra 150 amperų ir lanko įtampa 20 voltų. Tarkime, kad katodo lašas yra 8 voltai, o anodo lašas - 3 voltai, o 30% lanko kolonėlės energijos perkeliama į anodą. Paimkite lanko temperatūrą kaip 15000K. Darbo funkcija, ɸ ₀ volframo = 4, 5 eV ir Boltzmann konstanta = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Sprendimas:

2 problema:

Argono ekranuotame volframo lankinio suvirinimo metu nustatyta, kad katodo lašas yra 10 voltų 120 voltų suvirinimo srovei ir 18 voltų lanko įtampai. Nustatykite (a) lanko ilgį, jei lanko efektyvumas yra 55%, kai lanko temperatūra yra 10000 Kelvino.

Tarkime, kad kolonėlės įtampos kritimas yra 1, 2 voltų I ir kad 20% kolonėlės šilumos perkeliama į anodą.

(b) lanko efektyvumas, jei tokie patys proceso parametrai taikomi GMAW procesui, o vielos elektrodas - anodas.

Imtis volframo darbo funkcijos OK = 4, 5 eV ir Boltzmann konstanta. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Sprendimas:

Suvirinimo lankų tipai:

Suvirinimo požiūriu lankai yra dviejų tipų, ty nejudantys arba stacionarūs ar fiksuoti lankai, taip pat judantys arba judantys ar judantys lankai. Tarp nenaudojamo elektrodo ir nedidelio ruošinio susidaro fiksuotas lankas. Lankas gali būti naudojamas su užpildu arba be jo. Pirmuoju atveju į lanko kolonėlę įterpiama atskira viela ir taip ištirpsta, kad persijungtų į suvirinimo baseiną, esant bendrai veikiamam gravitacijos efektui, elektromagnetinės jėgos ir mechaninė jėga paveikė plazmos srovę, fiksuotoje lanko dalyje. į nenaudojamą elektrodą išlieka neišnaudotas ir iš tikrųjų gali būti pašalintas iš aušinimo vandens arba ekranavimo dujų. Taigi tokio lanko šiluminis efektyvumas yra mažas ir gali būti nuo 45 iki 60%. Šis lanko tipas stebimas anglies lanku, volframo lanku ir plazmos lanku.

Tarp suvartojamo elektrodo ir darbinio elemento susidaro mobilusis lankas. Pripildžius vielos lydmetalį, išlydytas metalas elektrodo gale yra atjungiamas gravitacijos, elektromagnetinių jėgų, plazmos srove veikiančios jėgos ir suspaudimo efekto poveikiu. Tačiau dėl paviršiaus įtempimo išlaikanti jėga veikia ir lašelius. Lydydamas elektrodą, lankas pereina aukštyn palei elektrodą. Mobilusis lankas yra susijęs su procesais, tokiais kaip ekranuotas metalo lankinis suvirinimas, dujų metalo lankinio suvirinimas ir panardintas lankinis suvirinimas.

Lankas, kuriame iš elektrodo galo išlydytas metalas yra perkeliamas per jį, kad taptų suvirinimo baseino dalimi, vadinamas „metalo lanku“. Mobilus lankas yra metalo lankas.

Didžioji dalis šilumos, einančios į elektrodą mobiliajame lanke, naudojama metalui lydyti ir taip efektyviai naudojama. Todėl proceso šiluminis efektyvumas, naudojant judančią lanką, yra didelis ir paprastai yra nuo 75 iki 90%. Todėl suvirinimo procesai, naudojantys judančią lanką, yra termiškai efektyvesni nei tie, kurie naudoja judančius ar fiksuotus lankus.

Elektrodo poliškumo vaidmuo lankinio suvirinimo procese:

Lankinis suvirinimas gali būti atliekamas naudojant AC arba DC. Jei naudojamas AC, nėra jokio elektrodų poliškumo, nes jis keičiasi kas pusę ciklo. Tačiau, jei naudojamas DC, elektrodą galima padaryti neigiamu arba teigiamu.

Anode sukuriama daugiau šilumos, todėl visuose procesuose, kuriuose naudojami neelektriniai elektrodai, geriau prijungti elektrodą prie neigiamo gnybto, kad šilumos nuostoliai būtų minimalūs. Tačiau gali būti ne visada įmanoma, nes kartais reikia naudoti mobiliojo katodo taško valymo veiksmus, kad iš metalo būtų išlaisvintas atsparus ugniai atsparus oksidas, pavyzdžiui, aliuminio ir magnio suvirinimas.

Tokiais atvejais pageidautina naudoti ac, kad būtų pasiektas kompromisas tarp terminio efektyvumo ir valymo veiksmų. Taigi, dujų volframo lankinio suvirinimo ir anglies lanko suvirinimo procesai paprastai naudoja kintamosios srovės maitinimo šaltinius, kai būtinas darbinis elementas. Kai tokia prievarta nėra, galima naudoti dcen.

Tačiau ekranuotam metalo lankinio suvirinimo transformatoriui yra gana populiarus ir tuo pačiu metu, toms pačioms specifikacijoms, jis yra daug pigesnis nei nuolatinės srovės suvirinimo variklio generatorius arba transformatoriaus cum lygintuvų komplektas, reikalingas nuolatinei srovės tiekimui gauti. Taip pat su nuolatinės srovės suvirinimu yra lankinio smūgio keitiklis, kuris gali sukelti nepagrįstai prastą kokybę.

Dėl reguliarios AC lanko nutraukimo nerekomenduojama, kai plikas laidas naudojamas, pvz., Dujų metalo lankinio suvirinimo metu. Tačiau ekranuotiems metalo lankiniams suvirinimui sukurtos atitinkamos elektrodų dangos, kurios palengvina suvirinimo lanko paleidimą ir priežiūrą.

Kai naudojamas elektrodas, metalinis perdavimas iš vielos elektrodo į darbinį elementą yra vienodesnis, dažnesnis ir geriau nukreipiamas, jei elektrodas yra teigiamas. Todėl DCEP arba atvirkštinis poliškumas yra populiarus GMAW, kuris taip pat užtikrina būtiną metalų valymą, kai yra atsparus oksido sluoksnis, pvz., Aliuminis.