Hàn hồ quang: Định nghĩa, cấu trúc và các loại

Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: - 1. Định nghĩa về hồ quang hàn 2. Cấu trúc và đặc điểm của hồ quang hàn 3. Các loại 4. Vai trò của phân cực điện cực.

Định nghĩa hồ quang hàn:

Một hồ quang là sự phóng điện giữa hai điện cực diễn ra thông qua một loại khí ion hóa nóng dẫn điện gọi là plasma. Một hồ quang điện được sử dụng để hàn được gọi là hồ quang hàn và thường nằm giữa một thanh mỏng (hoặc dây) và một tấm do đó có hình chuông, như trong hình 3.1 (a).

Cấu trúc và đặc điểm của hồ quang hàn:

Hồ quang hàn là dòng phóng điện áp thấp hiện tại hoạt động trong phạm vi từ 10 đến 2000 ampe và ở mức 10 đến 50 volt. Trong mạch hàn, hồ quang đóng vai trò là điện trở tải.

Nói rộng ra, hồ quang hàn bao gồm một cơ chế phát ra các electron từ cực âm mà sau khi đi qua khí nóng bị ion hóa hợp nhất thành cực dương. Để phân tích, hồ quang hàn thường được chia thành năm phần viz. điểm cực âm, vùng thả cực âm, cột hồ quang, vùng thả cực dương và điểm cực dương. Điện áp rơi trên cực âm và vùng thả cực dương khá dốc trong khi điện áp rơi trên cột hồ quang giảm dần, như trong hình 3.1 (b). Từ hình vẽ, có thể thấy rằng điện áp hồ quang (V) là tổng của mức giảm cực âm (Vc), độ sụt cột (Vp) và độ sụt cực dương (Va).

Do đó, nó có thể được thể hiện như sau:

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

Mặc dù hồ quang hàn thường có hình chuông nhưng sự dao động đáng kể về hình dạng của nó có thể diễn ra trong các quá trình hàn nơi điện cực que (chỉ gọi là điện cực trong phần còn lại của văn bản), ví dụ, trong hàn và khí hồ quang kim loại được che chắn hàn hồ quang kim loại. Để có kiến ​​thức toàn diện về hoạt động của hồ quang hàn, điều cần thiết là phải biết các đặc điểm của các khu vực khác nhau của nó.

Điểm Cathode :

Đó là một phần của điện cực âm trong đó các electron được phát ra. Ba loại chế độ điểm cực âm đã được quan sát.

Đó là:

(a) Chế độ điểm cực âm di động,

(b) Chế độ tại chỗ cực âm, và

(c) Chế độ bình thường.

Trong cực âm di động, chế độ điểm một hoặc nhiều điểm cực âm rất nhỏ xuất hiện ở bề mặt cực âm và di chuyển với tốc độ cao từ 5 đến 10 m / giây và thường để lại dấu vết có thể nhìn thấy. Hành vi của một điểm cực âm di động phụ thuộc vào vật liệu mà nó hình thành. Ví dụ, trên nhiều điểm nhôm tạo ra một loạt các rãnh phân nhánh phức tạp được quan sát trong khi trên đồng, dấu vết để lại thường là đơn lẻ mà không có bất kỳ nhánh nào như trong Hình 3.2.

Màng oxit trên bề mặt kim loại được nới lỏng bởi sự chuyển động của một điểm cực âm di động và đôi khi một lớp kim loại cũng bị mất. Đặc tính này làm cho cực âm di động rất quan trọng để sử dụng trong công nghiệp đặc biệt là hàn nhôm và magiê. Mật độ hiện tại trong một điểm cực âm như vậy là theo thứ tự 10 ² đến 10 ³ A / mm ² .

Trong chế độ nhiệt điện, điểm cực âm hình thành ở đầu của một thanh vonfram nhọn hoặc vonfram thoriated được sử dụng với che chắn argon. Điểm cực âm vẫn cố định tại vị trí và có mật độ hiện tại theo thứ tự 10 ² A / mm ² . Nó có thể được nhìn thấy như là một điểm sáng hoặc có thể được định vị bằng sự hội tụ của cột hồ quang đến một điểm trên bề mặt cực âm.

Ở chế độ bình thường, điểm cực âm không hình thành bất kỳ điểm nào được xác định rõ. Ví dụ, với một điện cực thép bọc carbon thấp, điểm cực âm xuất hiện để bao phủ toàn bộ đầu nóng chảy của điện cực. Một loại điểm cực âm tương tự được quan sát thấy trong hàn hồ quang vonfram khí với điện cực vonfram đầu tròn được che chắn của argon, như trong hình 3.3.

Hồ quang vonfram được che chắn bằng argon hoạt động với điểm cực âm được xác định rõ của loại thứ hai hoặc điểm cực âm không xác định của loại thứ ba và đặc tính volt-ampere trong hai trường hợp là khác nhau.

Cơ chế phát xạ điện tử :

Phát xạ điện tử từ cực âm có thể bởi bất kỳ ai trong một số cơ chế như phát xạ nhiệt, phát xạ điện tử tự động hoặc trường, phát xạ quang điện và phát xạ thứ cấp.

a. Phát xạ nhiệt:

Nó liên quan đến việc giải phóng các electron khỏi các điện cực nóng. Khi nhiệt độ của điện cực tăng lên, động năng của các electron tự do tăng đến một điểm mà chúng có thể thoát ra khỏi bề mặt của điện cực âm tại điểm cực âm vào không gian không có trường bên ngoài khi đối mặt với lực hút bởi cực dương các ion bị bỏ lại trên cực âm.

Sự phát xạ của các điện tử từ catốt carbon và vonfram được cho là có tính nhiệt, nhưng hầu hết các kim loại khác đều sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cần thiết cho phát xạ nhiệt.

b. Phát xạ tự động điện tử:

Loại phát xạ điện tử này được tạo ra bởi điện trường đủ mạnh, đó là khi điện áp trên các điện cực quá cao (theo thứ tự 10 ⁴ volt) mà không khí giữa chúng bị ion hóa dưới ảnh hưởng của nó và sự phóng điện xảy ra với phát xạ điện tử từ bề mặt catốt.

c. Phát xạ hình ảnh điện:

Nó xảy ra khi năng lượng dưới dạng một chùm ánh sáng rơi xuống bề mặt cực âm và dẫn đến tăng động năng của các điện tử và do đó dẫn đến sự phát xạ của chúng từ cực âm vào chân không hoặc vật liệu khác. Cơ chế phát xạ điện tử như vậy được sử dụng trong việc tạo ra tia X.

d. Phát thải thứ cấp:

Nó đề cập đến sự phát xạ của các điện tử dưới tác động của các ion chuyển động nhanh. Khi vận tốc của các ion sự cố vượt quá vận tốc quỹ đạo của các electron trong nguyên tử của vật liệu của catốt, nó sẽ dẫn đến sự trục xuất (hoặc phát xạ) của các electron.

Trong các quá trình hàn, phát xạ điện tử là một trong các loại nhiệt điện, ví dụ như trong hàn hồ quang vonfram khí, hàn hồ quang plasma và hàn hồ quang carbon hoặc là loại phát xạ tự động kết hợp với các phương tiện phụ trợ làm ion hóa khe hở không khí giữa điện cực và công việc như hàn hồ quang kim loại được che chắn, hàn hồ quang chìm và hàn hồ quang kim loại khí.

Sự phát xạ của các electron từ một điểm cực âm phụ thuộc vào năng lượng kích thích hoặc chức năng làm việc của vật liệu được xác định là năng lượng cần thiết, tính bằng vôn electron (eV) hoặc Joules, để có được một electron được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu đến không gian xung quanh. Điện thế ion hóa, được định nghĩa là năng lượng trên một đơn vị điện tích tính bằng vôn, cần thiết để loại bỏ một electron khỏi nguyên tử đến một khoảng cách vô hạn, cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự phóng điện. Cả hai thông số cho hầu hết các vật liệu liên quan đến hàn được đưa ra trong bảng 3.1.

Vùng thả Cathode :

Đó là vùng khí ngay lập tức tiếp giáp với cực âm, trong đó xảy ra sự sụt giảm mạnh về điện áp. Kích thước kết hợp của vùng thả cực âm và vùng thả cực dương có thứ tự 10 ² mm gần bằng với đường tự do trung bình của electron. Sự sụt giảm điện áp trong vùng thả catốt đối với điện cực vonfram được che chắn bằng argon đã được tìm thấy là khoảng 8 volt ở 100 ampe và nó tăng khi dòng điện giảm.

Cột Arc:

Đây là phần có thể nhìn thấy được của vòng cung và có nhiệt độ cao và độ dốc tiềm năng thấp. Nhiệt độ của cột hồ quang phụ thuộc vào các khí có trong nó và lượng dòng hàn chảy trong mạch. Thông thường nhiệt độ cột thay đổi từ 6000 ° C đối với hơi sắt đến khoảng 20.000 ° C đối với hồ quang vonfram được che chắn bằng argon. Ở nhiệt độ cao như vậy, tất cả các khí phân tử có trong cột bị phân tách thành dạng nguyên tử và bản thân các nguyên tử được phân tách thành các electron và ion. Tuy nhiên, số lượng electron và ion trong bất kỳ thể tích nào của hồ quang vẫn giữ nguyên do đó giữ cho hồ quang trung hòa về điện.

Vì ion trung bình nặng hơn khoảng một nghìn lần so với electron, do đó, các electron di động hơn rất nhiều và do đó mang phần lớn dòng điện qua cột hồ quang. Độ dốc tiềm năng trong cột thấp hơn so với khu vực thả cực âm hoặc khu vực thả cực dương và nó thường thay đổi trong khoảng 0-5 đến 5 volt / mm đối với các vòng cung vonfram được che chắn bằng argon trong khi đối với hàn hồ quang kim loại được che chắn, nó thường ở khoảng 1 volt / mm.

Hồ quang hàn hầu như không thay đổi giữa một thanh hoặc điện cực dây và một chi tiết phẳng hoặc rộng. Điều này, không phân biệt cực tính điện cực, dẫn đến một cái chuông hoặc một vòng cung hình nón với đỉnh của hình nón ở hoặc gần đầu của điện cực que. Do sự co thắt của hồ quang gần điện cực que, nó có mật độ năng lượng cao nhất ở đó nhưng do hiệu ứng làm mát do sự gần gũi của điện cực, nhiệt độ tối đa nằm ở lõi của cột.

Vùng trong đó cột bị giới hạn gặp điện cực được gọi là gốc hồ quang. Sự phân bố nhiệt độ trong cột hồ quang cho hồ quang vonfram được bảo vệ bằng 200 ampere argon được thể hiện trong hình 3.4.

Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ trong một cột vòng cung

Dòng chảy trong cột hồ quang dẫn đến sự phát triển của lực điện từ. Bây giờ, người ta cũng biết rằng hai dây dẫn song song mang dòng điện cùng hướng thu hút lẫn nhau.

Nếu dòng điện được dẫn bởi một xi lanh khí, nó có thể được coi là bao gồm một số lượng lớn các dây dẫn hình trụ hình khuyên do đó có sự hấp dẫn lẫn nhau giữa các xi lanh khí khác nhau với tất cả các lực tác động vào trong do mật độ dòng điện cao ở lõi của dây dẫn .

Các lực hạn chế này được cân bằng bởi một gradient áp suất tĩnh được thiết lập trong dây dẫn khí với áp suất bằng không ở ngoại vi bên ngoài và tối đa dọc theo trục.

Tuy nhiên, trong trường hợp hiện tại, do hình dạng hình nón của hồ quang, các lực điện từ tác dụng lên nó có hai thành phần có áp suất tĩnh có hai thành phần đối diện nhau, một trong số đó dọc theo trục hồ quang và là nguyên nhân hình thành phản lực plasma chảy với vận tốc khoảng 10 ⁴ cm / giây về phía phôi. Vận tốc plasma dọc trục giảm khi tiếp cận ngoại vi hồ quang, như trong Hình.3.5.

Ở trạng thái ổn định, tia plasma có dòng chảy với tốc độ dòng xấp xỉ tỷ lệ với dòng hàn. Hình 3.6 cho thấy mô hình của các dòng lưu lượng khí và các dòng vận tốc trong một vòng cung carbon 200A. Một lượng năng lượng nhiệt đáng kể được cho là được truyền tới phôi thông qua dòng điện đối lưu của phản lực plasma.

Hình 3.6 Các dòng chảy khí và mô hình dòng vận tốc plasma trong hàn hồ quang carbon

Khi dòng điện trong hồ quang không đối xứng, dẫn đến việc thiết lập các lực từ làm lệch hướng cột hồ quang. Nếu điều này xảy ra trong hồ quang hàn, nó được gọi là hồ quang thổi và thường dẫn đến các mối hàn không rõ ràng và bị đặt sai vị trí.

Anode và Khu vực thả Anode:

Khi đạt tới cực dương, các electron mất nhiệt ngưng tụ. Tuy nhiên, không giống như điểm cực âm, rất hiếm khi quan sát điểm cực dương được xác định rõ và mật độ hiện tại cũng thấp, như trong Hình 3.7 cho cực âm vonfram được che chắn bằng 200A và cực dương tấm đồng. Vùng mang hiện tại của cực dương nhỏ hơn một chút so với mức lan rộng nhất của hồ quang ở đầu cực dương, và mật độ dòng trung bình cũng khá thấp.

Sự sụt giảm điện áp trong vùng thả cực dương của loại hồ quang này xuất hiện đến b6 trong khoảng từ 1 đến 3 volt. Độ sâu của vùng thả cực dương là theo thứ tự 10 ^-2 đến 10 ^-1 mm. Khi điện cực que đóng vai trò là cực dương, thì nó chiếm hình cầu hemi dưới của giọt nóng chảy ở đầu điện cực. Tuy nhiên, đối với máy bay phản lực plasma áp suất thấp, cực dương xuất hiện để bao phủ giọt nóng chảy.

Tổng nhiệt lượng ở cực dương là do sự ngưng tụ của các electron cũng như sự dẫn và đối lưu do phản lực plasma Trong hồ quang dc với điện cực không tiêu hao như vonfram hoặc carbon, nhiệt lượng cực dương lớn hơn nhiệt giải phóng ở cực âm như trong hình 3.8.

Với sự tăng chiều dài hồ quang hàn, điện áp hồ quang tăng và do đó, đối với dòng điện trên 100A, đầu vào nhiệt tăng khi tăng cột hồ quang đặc biệt cho chế độ điểm cực âm như trong hình 3.9. Tuy nhiên, với sự tăng chiều dài cột, chiều rộng cột cũng tăng và điều đó dẫn đến mật độ dòng điện vẫn thấp hơn ở cực dương và do đó cực dương trở nên khuếch tán hơn.

Hiệu quả hồ quang:

Từ mô tả các đặc tính của các phần khác nhau của hồ quang hàn, có thể xác định hiệu quả hồ quang, xử lý toán học như sau:

Bây giờ, tổng năng lượng nhiệt phát triển ở cực dương, q _a được tính bằng tổng năng lượng nhận được qua các electron và năng lượng thu được bằng cách đi qua vùng thả cực dương, tức là

Vấn đề 1:

Tìm hiệu suất hồ quang cho quá trình GTAW nếu dòng hàn là 150 ampe và điện áp hồ quang 20 volt. Giả sử mức giảm cực âm 8 volt và cực dương giảm 3 volt với 30% năng lượng cột hồ quang được truyền tới cực dương. Lấy nhiệt độ hồ quang là 15000K. Hàm làm việc, ɸ ₀ đối với vonfram = 4, 5 eV và hằng số của Boltzmann = 8, 62 x 10 ^-5 eV / K.

Dung dịch:

Vấn đề 2:

Trong hàn hồ quang vonfram được che chắn bằng argon, độ sụt catốt được tìm thấy là 10 volt đối với dòng hàn là 120 volt và điện áp hồ quang là 18 volt. Xác định (a) chiều dài hồ quang, nếu hiệu suất hồ quang là 55% với nhiệt độ hồ quang là 10000 Kelvin.

Giả sử điện áp cột giảm là 1, 2 volt I mm và 20% nhiệt của cột được truyền tới cực dương.

(b) Hiệu suất hồ quang nếu các tham số quy trình tương tự được áp dụng cho quy trình GMAW và điện cực dây được làm cực dương.

Thực hiện chức năng làm việc cho vonfram ở OK = 4, 5 eV và hằng số của Boltzmann. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Dung dịch:

Các loại Arcs hàn:

Từ quan điểm hàn, các cung có hai loại viz., Bất động hoặc cố định hoặc hồ quang cố định và một cung di động hoặc di chuyển hoặc đi du lịch. Một hồ quang cố định được hình thành giữa một điện cực không tiêu thụ khô cằn. Hồ quang có thể được sử dụng có hoặc không có phụ. Trong trường hợp trước, một dây riêng biệt được đưa vào cột hồ quang và do đó được nấu chảy để chuyển vào bể hàn dưới tác dụng kết hợp của trọng lực, lực điện từ và lực cơ học tác dụng tia plasma, trong một hồ quang cố định phần lớn nhiệt đến điện cực không tiêu thụ vẫn không được sử dụng và trên thực tế có thể phải lấy đi bằng nước làm mát hoặc khí bảo vệ. Do đó, hiệu suất nhiệt của hồ quang như vậy là thấp và có thể nằm trong khoảng từ 45 đến 60%. Loại hồ quang này được quan sát thấy trong hồ quang carbon, hồ quang vonfram khí và hồ quang hàn plasma.

Một hồ quang di động được hình thành giữa một điện cực tiêu hao và một công việc. Khi dây phụ bị nóng chảy, kim loại nóng chảy ở đầu điện cực bị tách ra do tác dụng của trọng lực, lực điện từ, lực tác dụng bởi tia plasma và hiệu ứng chụm. Tuy nhiên, một lực giữ lại do sức căng bề mặt cũng tác động lên giọt nước. Khi điện cực nóng chảy, hồ quang tiếp tục di chuyển lên trên dọc theo điện cực. Hồ quang di động được liên kết với các quá trình như hàn hồ quang kim loại được che chắn, hàn hồ quang kim loại khí và hàn hồ quang chìm.

Một vòng cung trong đó kim loại nóng chảy từ đầu điện cực được vận chuyển qua nó để trở thành một phần của bể hàn được gọi là "hồ quang kim loại". Một vòng cung di động là một vòng cung kim loại.

Hầu hết nhiệt đi đến điện cực trong hồ quang di động được sử dụng để làm nóng chảy kim loại và do đó được sử dụng hiệu quả. Hiệu suất nhiệt của quá trình, sử dụng hồ quang di động, do đó cao và thường nằm trong khoảng từ 75 đến 90%. Do đó, các quy trình hàn sử dụng hồ quang di động, do đó, hiệu quả nhiệt hơn so với các quy trình sử dụng hồ quang cố định hoặc cố định.

Vai trò của phân cực điện cực trong hàn hồ quang:

Hàn hồ quang có thể được thực hiện bằng ac hoặc dc. Nếu ac được sử dụng, không có câu hỏi về cực tính vì nó thay đổi sau mỗi nửa chu kỳ. Tuy nhiên, nếu sử dụng dc, có thể tạo ra điện cực âm hoặc dương.

Do đó, nhiều nhiệt được tạo ra ở cực dương, trong tất cả các quá trình sử dụng các điện cực không tiêu thụ, tốt hơn là kết nối điện cực với cực âm để giữ cho tổn thất nhiệt ở mức tối thiểu. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể làm như vậy bởi vì, đôi khi, hành động làm sạch của cực âm di động cần được sử dụng để giải phóng lớp oxit chịu lửa bền bỉ từ kim loại, ví dụ, trong hàn nhôm và magiê.

Trong những trường hợp như vậy, tốt hơn là sử dụng ac để tạo ra sự thỏa hiệp giữa hiệu quả nhiệt và hành động làm sạch. Do đó, quá trình hàn hồ quang vonfram khí và hàn hồ quang carbon thường sử dụng các nguồn điện xoay chiều khi hành động nghiêng trên chi tiết gia công là cần thiết. Khi một sự ép buộc như vậy là không có hơn dcen có thể được sử dụng.

Tuy nhiên, đối với máy biến áp hàn hồ quang hàn kim loại được che chắn là khá phổ biến và đồng thời, với cùng thông số kỹ thuật, nó rẻ hơn nhiều so với bộ máy phát điện động cơ hàn dc hoặc bộ chỉnh lưu kiêm bộ chỉnh lưu cần thiết để có được nguồn cung cấp dc. Ngoài ra với hàn dc, có sự thay đổi của thổi hồ quang có thể gây ra mối hàn zig-zag không rõ ràng có chất lượng kém.

Do sự gián đoạn thường xuyên của hồ quang ac, không nên sử dụng khi sử dụng dây trần, ví dụ, trong hàn hồ quang kim loại khí. Tuy nhiên, đối với hàn hồ quang kim loại được che chắn, lớp phủ điện cực thích hợp đã được phát triển để tạo điều kiện dễ dàng cho việc bắt đầu và bảo trì hồ quang hàn.

Khi sử dụng điện cực tiêu hao, việc chuyển kim loại từ điện cực dây sang chi tiết gia công sẽ đồng đều hơn, thường xuyên hơn và được định hướng tốt hơn nếu điện cực được làm dương. Do đó, DCEP hoặc phân cực ngược là phổ biến với GMAW, cũng cung cấp hành động làm sạch cần thiết đối với các kim loại có lớp oxit bền như nhôm.