Lasboog: definitie, structuur en typen

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Definitie van lasboog 2. Structuur en kenmerken van lasboog 3. Typen 4. Rol van poolpolarisatie.

Definitie van lasboog:

Een boog is een elektrische ontlading tussen twee elektroden die plaatsvindt door een elektrisch geleidend heet geïoniseerd gas dat bekend staat als plasma. Een voor het lassen gebruikte elektrische boog wordt de lasboog genoemd en bevindt zich gewoonlijk tussen een dunne staaf (of draad) en een plaat is daarom klokvormig, zoals weergegeven in figuur 3.1 (a).

Structuur en kenmerken van lasboog:

Een lasboog is een elektrische hoogspanning met lage spanning die in het algemeen in het bereik van 10 tot 2000 ampère en bij 10 tot 50 volt werkt. In een lascircuit fungeert de boog als een belastingsweerstand.

In grote lijnen bestaat de lasboog uit een mechanisme voor het uitzenden van elektronen uit de kathode die na het passeren van geïoniseerd heet gas in een anode overgaan. Voor analyse is de lasboog gewoonlijk verdeeld in vijf delen, te weten de kathodevlek, de kathode-druppelzone, de boogkolom, de anode-druppelzones en de anodevlek. De spanning daalt over de kathode en de anode-druppelzones zijn behoorlijk steil terwijl de spanningsval over de boogkolom meer geleidelijk is, zoals getoond in figuur 3.1 (b). Uit de figuur is het duidelijk dat de boogspanning (V) een som is van de kathodedaling (Vc), kolomval (Vp) en de anodeafname (Va).

Het kan dus worden uitgedrukt als:

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

Hoewel een lasboog normaal klokvormig is, maar aanzienlijke vormfluctuaties kunnen plaatsvinden in die lasprocessen waarbij de staafelektrode (in de rest van de tekst alleen de elektrode genoemd) verbruikbaar is, bijvoorbeeld in booglassen met afgeschermd metaal en gas metaalbooglassen. Om een ​​uitgebreide kennis van het gedrag van een lasboog te hebben, is het essentieel om de kenmerken van de verschillende zones te kennen.

The Cathode Spot :

Het is dat deel van de negatieve elektrode waaruit de elektronen worden geëmitteerd. Er zijn drie soorten kathodevlekken waargenomen.

Dit zijn:

(a) Spotmodus met mobiele kathode,

(b) De thermionische kathodevlekmodus, en

(c) De normale modus.

In een mobiele kathode, spotmodus, verschijnen één of meer zeer kleine kathodevlekken aan het kathodeoppervlak en bewegen met een hoge snelheid van 5 tot 10 m / sec, en laten gewoonlijk een zichtbaar spoor achter. Het gedrag van een mobiele kathodevlek is afhankelijk van het materiaal waarop het wordt gevormd. Op aluminium meerdere spots die een complexe reeks van vertakte sporen genereren, wordt bijvoorbeeld waargenomen terwijl op koper het achtergebleven spoor gewoonlijk enkelvoudig is zonder enige vertakkingen zoals getoond in Fig. 3.2.

De oxidefilm op het oppervlak van het metaal wordt losgemaakt door de beweging van een mobiele kathodevlek en soms gaat ook een laag van het metaal verloren. Deze eigenschap maakt een mobiele kathode zeer belangrijk voor gebruik in de industrie, in het bijzonder voor het lassen van aluminium en magnesium. De stroomdichtheid in een dergelijke kathodevlek ligt in de orde van 102 tot 103 A / mm2.

In de thermionische modus vormt de kathodevlek de punt van een scherp gepunte wolfraam of thorium wolfraam staaf gebruikt met argon afscherming. De kathodevlek blijft op zijn plaats gefixeerd en heeft een stroomdichtheid in de orde van grootte van 102 A / mm2. Het is zichtbaar als een heldere plek of kan worden geplaatst door de convergentie van de boogkolom tot een punt op het kathodeoppervlak.

In de normale modus vormt de kathodevlek geen goed gedefinieerde plek. Met een staalelektrode met een laag koolstofgehalte lijkt de kathodepunt bijvoorbeeld de gehele gesmolten punt van de elektrode te omhullen. Een vergelijkbaar type kathodevlek wordt waargenomen bij het lassen van wolfraambooglassen met de wolfraamelektrode met afgeschermde rondedende tip van argon, zoals weergegeven in Fig. 3.3.

Met argon afgeschermde wolfraamboog werkt ofwel met de goed gedefinieerde kathodevlek van het tweede type of slecht gedefinieerde kathodevlek van het derde type en de voltampère-eigenschappen in de twee gevallen zijn verschillend.

Elektronemissiemechanismen :

Elektronenemissie uit de kathode kan afkomstig zijn van elk van de verschillende mechanismen zoals thermionische emissie, auto-elektronische of veldemissie, foto-elektrische emissie en secundaire emissie.

een. Thermische emissie:

Het omvat de vrijgave van elektronen van de verwarmde elektroden. Naarmate de temperatuur van de elektrode wordt verhoogd, neemt de kinetische energie van de vrije elektronen toe tot een punt waar ze kunnen ontsnappen van het oppervlak van de negatieve elektrode op de kathodevlek naar de veldvrije ruimte buiten in het gezicht van aantrekking door de positieve elektrode. ionen achtergelaten op de kathode.

Aangenomen wordt dat de emissie van elektronen van de koolstof- en wolfraamkathoden thermionisch van aard is, maar de meeste andere metalen koken bij temperaturen die ver beneden die zijn die vereist zijn voor thermionische emissie.

b. Auto-elektronische emissie:

Dit type elektronenemissie wordt geproduceerd door een voldoende sterk elektrisch veld, dat is wanneer de spanning over de elektroden zo hoog is (in de orde van 104 volt) dat de lucht daartussen geïoniseerd wordt onder zijn invloed en de elektrische ontlading plaatsvindt met de emissie van elektronen van het kathodeoppervlak.

c. Foto-elektrische emissie:

Het treedt op wanneer energie in de vorm van een lichtbundel op het kathodeoppervlak valt en resulteert in een verhoogde kinetische energie van elektronen en dus resulteert in hun emissie van de kathode naar vacuüm of een ander materiaal. Een dergelijk mechanisme van elektronenemissie wordt gebruikt bij het genereren van röntgenstralen.

d. Secundaire emissie:

Het verwijst naar de emissie van elektronen onder invloed van snel bewegende ionen. Wanneer de snelheid van invallende ionen de orbitale snelheden van elektronen in de atomen van het materiaal van de kathode overschrijdt, resulteert dit in uitdrijving (of emissie) van elektronen.

Bij lasprocessen is de elektronenemissie ofwel van het thermionische type, bijvoorbeeld bij gaswolfraambooglassen, plasmabooglassen en koolstofbooglassen, of is het van het auto-emissietype in combinatie met hulpmiddelen voor het ioniseren van de luchtspleet tussen de elektrode en het werkstuk zoals voor booglassen met afgeschermd metaal, ondergedompeld booglassen en gasmetaal booglassen.

De emissie van elektronen van een kathodevlek is afhankelijk van de excitatie-energie of de werkfunctie van een materiaal dat wordt gedefinieerd als de vereiste energie, in elektronvolt (eV) of Joules, om één elektron vrij te maken van het oppervlak van het materiaal naar de omringende ruimte. Ionisatiepotentieel, gedefinieerd als de energie per eenheid lading in volt, vereist om een ​​elektron van een atoom naar een oneindige afstand te verwijderen, speelt ook een belangrijke rol bij het in stand houden van een elektrische ontlading. Zowel de parameters voor de meeste materialen die bij het lassen zijn betrokken, worden gegeven in tabel 3.1.

De Cathode Drop Zone :

Het is het gasvormige gebied onmiddellijk grenzend aan de kathode waarin een scherpe spanningsval optreedt. De gecombineerde afmeting van de kathode-druppelzone en de anode-druppelzone ligt in de orde van 10 2 mm die bijna gelijk is aan de elektronengemiddelde vrije weg. De spanningsval in de kathode-druppelzone voor de met argon afgeschermde wolfraamelektrode bleek ongeveer 8 volt bij 100 ampère te zijn en deze neemt toe naarmate de stroom afneemt.

De Arc-kolom:

Het is het helder zichtbare gedeelte van de boog en heeft een hoge temperatuur en een lage potentiaalgradiënt. De temperatuur van de boogkolom hangt af van de aanwezige gassen en de hoeveelheid lasstroom die in het circuit stroomt. Gewoonlijk varieert de kolomtemperatuur van 6000 ° C voor ijzerdampen tot ongeveer 20.000 ° C voor met argon afgeschermde wolfraamboog. Bij een dergelijke hoge temperatuur worden alle moleculaire gassen die in de kolom aanwezig zijn gespleten in atomaire vorm en worden de atomen zelf verder gedissocieerd in elektronen en ionen. Het aantal elektronen en ionen in een bepaald volume van de boog blijft echter hetzelfde, waardoor de boog elektrisch neutraal blijft.

Omdat het gemiddelde ion ongeveer duizend keer zwaarder is dan een elektron, zijn de elektronen veel mobieler en dragen daarom het grootste deel van de stroom over de boogkolom. De potentiaalgradiënt in de kolom is lager dan die over de kathode-druppelzone of de anode-druppelzone en deze varieert in het algemeen tussen 0-5 tot 5 volt / mm voor argon-afgeschermde wolfraambogen, terwijl voor afgeschermd-metaalbooglassen deze gewoonlijk ongeveer 1 volt is / mm.

De lasboog is bijna altijd tussen een staaf of een draadelektrode en een vlak of breed werkstuk. Dit resulteert, ongeacht de elektrodepolariteit, in een klok of een kegelvormige boog met de top van de kegel bij of nabij de punt van de staafelektrode. Vanwege deze vernauwing van de boog nabij de staafelektrode heeft deze daar de hoogste energiedichtheid, maar vanwege het koeleffect als gevolg van de nabijheid van de elektrode is de maximale temperatuur de kern van de kolom.

Het gebied waarin de vernauwde kolom de elektrode ontmoet, wordt de boogwortel genoemd. De temperatuurverdeling in de boogkolom voor een 200 ampère met argon afgeschermde wolfraamboog is weergegeven in Fig. 3.4.

Fig. 3.4 Temperatuurverdeling in een boogkolom

De stroom van stroom in de boogkolom resulteert in de ontwikkeling van elektromagnetische krachten. Nu is het ook bekend dat twee parallelle geleiders die stroom in dezelfde richting dragen, elkaar aantrekken.

Als de stroom wordt geleid door een gasvormige cilinder, kan deze worden beschouwd als bestaande uit een groot aantal ringvormige cilindrische geleiders, vandaar dat er wederzijdse aantrekking is tussen de verschillende gasvormige cilinders waarbij alle krachten naar binnen werken als gevolg van de hoge stroomdichtheid in de kern van de geleider .

Deze beperkende krachten worden gebalanceerd door een statische drukgradiënt die is vastgesteld in de gasvormige geleider met nuldruk aan de buitenomtrek en een maximum langs de as.

In het onderhavige geval echter hebben, vanwege de kegelvorm van de boog, de elektromagnetische krachten die daarop werken, twee componenten met de statische druk met de twee tegenover elkaar liggende componenten waarvan er één langs de boogas ligt en de oorzaak is van de vorming van een plasmastraal. die met een snelheid van ongeveer 10 4 cm / sec naar het werkstuk stroomt. De axiale plasmasnelheid neemt af als de boogomtrek wordt benaderd, zoals getoond in Fig.3.5.

In een stabiele toestand heeft de plasmastraal een stroomlijnstroom met de stroomsnelheid ongeveer evenredig met de lasstroom. Fig. 3.6 toont het patroon van gasstroomlijnen en snelheidslijnen in een 200A koolstofboog. Aangenomen wordt dat een aanzienlijke hoeveelheid warmte-energie wordt getransporteerd naar het werkstuk door convectiestromen van plasmastraal.

Fig. 3.6 Gasstroomleidingen en plasma-snelheidslijnpatronen bij koolstofbooglassen

Wanneer de stroom in de boog niet symmetrisch is, resulteert dit in het instellen van magnetische krachten die de boogkolom afbuigen. Als dit gebeurt in een lasboog, staat dit bekend als boogslag en resulteert dit vaak in onbetrouwbare en misplaatste lassen.

De Anode en de Anode Drop Zone:

Bij het bereiken van de anode verliezen de elektronen hun condensatiewarmte. In tegenstelling tot kathodevlekken, is het echter zeldzaam om een ​​goed gedefinieerde anodevlek te observeren en de stroomdichtheid is ook laag, zoals wordt weergegeven in Fig. 3.7 voor een 200A argon afgeschermde wolfraamkathode en koperplaatanode. Het stroomvoerende oppervlak van een anode is iets kleiner dan de breedste spreiding van de boog aan het anode-einde, en de gemiddelde stroomdichtheid is ook vrij laag.

De spanningsval in de anode-druppelzone van dit type boog lijkt b6 tussen 1 tot 3 volt. De diepte van de anode-druppelzone is in de orde van 10-2 tot 10-1 mm. Wanneer de staafelektrode fungeert als de anode, neemt deze de onderste hemisfeer van de gesmolten druppel in aan de punt van de elektrode. Voor een lage druk plasmastraal lijkt de anode echter de gesmolten druppel te omhullen.

De totale warmte-inbreng aan de anode is te wijten aan de condensatie van de elektronen evenals de geleiding en convectie als gevolg van de plasma-jet In dc boog met niet-afsmeltende elektrode zoals die van wolfraam of koolstof, de anode-warmte is groter dan de warmte die vrijkomt bij de kathode zoals getoond in Fig. 3.8.

Met de toename van de lengte van de lasboog neemt de boogspanning toe en daarom neemt bij een stroomsterkte van meer dan ongeveer 100A de warmte-invoer toe met toename van de boogkolom, in het bijzonder voor de kathodevlekmodus zoals getoond in figuur 3.9. Met de toename in kolomlengte neemt echter ook de kolombreedte toe en dat resulteert in een nog lagere stroomdichtheid bij de anode en dus wordt de anode meer diffuus.

Arc Efficiency:

Uit de beschrijving van de kenmerken van verschillende delen van een lasboog, is het mogelijk om boogefficiëntie te bepalen, waarvan de wiskundige behandeling volgt:

De totale warmte-energie die is ontwikkeld aan de anode, q a, wordt gegeven door de som van de energie die wordt ontvangen door de elektronen en de energie die wordt gewonnen door de anode-druppelzone te passeren, dwz

Probleem 1:

Zoek de boogefficiëntie voor het GTAW-proces als de lasstroom 150 ampère is en de boogspanning 20 volt. Neem een ​​kathodeverlies van 8 volt en een anodeval van 3 volt waarbij 30% van de boogkolomenergie wordt overgebracht naar de anode. Neem de boogtemperatuur als 15000K. Werkfunctie, ɸ 0 voor wolfraam = 4, 5 eV en constante Boltzmann = 8, 62 x 10-5 eV / K.

Oplossing:

Probleem 2:

Bij argon-afgeschermd wolfraam booglassen bleek de kathodeval 10 volt te zijn voor een lasstroom van 120 volt en een boogspanning van 18 volt. Bepaal (a) de booglengte, als de boogefficiëntie 55% is met een boogtemperatuur van 10000 Kelvin.

Stel dat de spanningsval in de kolom 1, 2 volt I mm is en dat 20% van de warmte van de kolom wordt overgebracht naar de anode.

(b) De boogefficiëntie als dezelfde procesparameters van toepassing zijn op het GMAW-proces en de draadelektrode de anode is.

Neem de werkfunctie voor wolfraam op OK = 4, 5 eV en de constante van Boltzmann. K '= 8-60 x10 -5 eVIK

Oplossing:

Soorten lassenbogen:

Vanuit het oogpunt van het lassen zijn de bogen van twee typen, namelijk onbeweeglijk of stationair of vaste boog en een mobiele of bewegende of bewegende boog. Een vaste boog wordt gevormd tussen een niet-afsmeltende elektrode en een werkstuk. De boog kan met of zonder vulmiddel worden gebruikt. In het eerste geval wordt een afzonderlijke draad in de boogkolom ingebracht en aldus gesmolten om over te brengen in het smeltbad onder de gecombineerde werking van de zwaartekracht, elektromagnetische krachten en de mechanische kracht die de plasmastraal uitoefent, in een vaste boog, het grootste deel van de warmte gaat naar de niet-afsmeltende elektrode blijft ongebruikt en moet in feite misschien worden weggenomen door het koelwater of het beschermgas. De thermische efficiëntie van een dergelijke boog is dus laag en kan liggen tussen 45 en 60%. Dit type boog wordt waargenomen bij koolstofboog-, gaswolframboog- en plasmabooglasprocessen.

Een mobiele boog wordt gevormd tussen een verbruikbare elektrode en een werkstuk. Wanneer de vuldraad smelt, wordt het gesmolten metaal aan de punt van de elektrode losgemaakt door de werking van zwaartekracht, elektromagnetische krachten, kracht uitgeoefend door de plasmastraal en het knijpeffect. Een houdkracht als gevolg van de oppervlaktespanning werkt echter ook op de druppel. Terwijl de elektrode smelt, blijft de boog langs de elektrode omhoog bewegen. De mobiele boog is geassocieerd met processen zoals booglassen met afgeschermd metaal, gasmetaal booglassen en booglassen ondergedompeld.

Een boog waarin het gesmolten metaal van de punt van de elektrode wordt getransporteerd om een ​​deel van het smeltbad te worden, wordt een 'metaalboog' genoemd. Een mobiele boog is een metalen boog.

Het grootste deel van de warmte die naar de elektrode in de mobiele boog gaat, wordt gebruikt voor het smelten van het metaal en dus effectief gebruikt. De thermische efficiëntie van het proces, met behulp van een mobiele boog, is daarom hoog en ligt normaal tussen 75 en 90%. De lasprocessen met behulp van mobiele arc zijn daarom thermisch efficiënter dan die met een immobiele of vaste boog.

Rol van Polariteit van de elektrode bij booglassen:

Booglassen kan worden uitgevoerd door ac of dc. Als ac wordt gebruikt, is er geen sprake van elektrodepolariteit aangezien deze elke halve cyclus verandert. Als DC wordt gebruikt, is het echter mogelijk om de elektrode negatief of positief te maken.

Er wordt meer warmte geproduceerd aan de anode en daarom is het bij alle processen met niet-afsmeltende elektroden beter om de elektrode met de negatieve pool te verbinden om de warmteverliezen tot een minimum te beperken. Het kan echter niet altijd mogelijk zijn om dit te doen, omdat af en toe de reinigende werking van de mobiele kathodevlek moet worden gebruikt om de hardnekkige vuurvaste oxidelaag uit het metaal vrij te maken, bijvoorbeeld bij het lassen van aluminium en magnesium.

In dergelijke gevallen heeft het de voorkeur ac te gebruiken om een ​​compromis te sluiten tussen thermisch rendement en reinigingswerking. Aldus maken gaswolfraambooglassen en koolstofbooglasprocessen normaal gebruik van wisselspanningsbronnen wanneer leunende werking op het werkstuk noodzakelijkerwijs nodig is. Als zo'n dwang er niet is, dan kan dcen worden gebruikt.

Voor afgeschermde metalen booglassen is een ac-lastransformator echter erg populair en tegelijkertijd is het voor dezelfde specificaties veel goedkoper dan de DC-lasmotor-generatorset of transformator-gelijkrichter die is vereist voor het verkrijgen van DC-voeding. Ook met gelijkstroomlassen is er de wisselaar van boogslag die onbetrouwbare zigzaglas van slechte kwaliteit kan veroorzaken.

Als gevolg van regelmatige onderbreking van een ac-boog wordt het niet aanbevolen om blanke draden te gebruiken, bijvoorbeeld bij het lassen van gasmetaal. Voor booglassen met afgeschermd metaal zijn echter geschikte elektrodebekledingen ontwikkeld die een gemakkelijke initiatie en onderhoud van de lasboog mogelijk maken.

Wanneer een verbruikbare elektrode wordt gebruikt, is de metaaloverdracht van de draadelektrode naar het werkstuk gelijkmatiger, frequenter en beter gericht als de elektrode positief wordt gemaakt. DCEP of omgekeerde polariteit is daarom populair bij GMAW, dat ook noodzakelijke reinigende werking biedt op metalen met een hardnekkige oxidelaag zoals aluminium.