Kaynak Arkı: Tanımı, Yapısı ve Çeşitleri

Bu makaleyi okuduktan sonra öğreneceksiniz: - 1. Kaynak Arkının Tanımı 2. Kaynak Arkının Yapısı ve Özellikleri 3. Tipler 4. Elektrot Polaritesinin Rolü.

Kaynak Arkının Tanımı:

Bir ark, plazma olarak bilinen elektriksel olarak iletilen bir sıcak iyonize gazın içinden geçen iki elektrot arasındaki elektriksel boşalmadır. Kaynak için kullanılan elektrik arkı kaynak arkı olarak adlandırılır ve genellikle ince bir çubuk (veya tel) ile bu nedenle Şekil 3.1 (a) 'da gösterildiği gibi çan şeklinde bir plaka arasındadır.

Kaynak Arkının Yapısı ve Özellikleri:

Bir kaynak arkı, genellikle 10 ila 2000 amper aralığında ve 10 ila 50 volt aralığında çalışan yüksek akım düşük voltajlı bir elektrik boşalmasıdır. Bir kaynak devresinde, ark bir yük direnci olarak görev yapar.

Genel olarak, kaynak yayı, iyonize sıcak gazdan geçtikten sonra anotta birleştikten sonra katoddan elektron yayma mekanizmasından oluşur. Analiz için, kaynak arkı genellikle 5 kısma bölünmüştür. katod noktası, katot bırakma bölgesi, ark sütunu, anot bırakma bölgeleri ve anot noktası. Katot boyunca voltaj düşüşleri ve anot düşüş bölgeleri oldukça dikken, ark sütunu boyunca voltaj düşüşü Şekil 3.1 (b) 'de gösterildiği gibi daha kademelidir. Şekilden ark voltajının (V) katod düşüşünün (Vc), sütun düşüşünün (Vp) ve anot düşüşünün (Va) toplamı olduğu açıktır.

Böylece şöyle ifade edilebilir:

V = Vc + Vp + Va ……. (3-1)

Bir kaynak arkı normalde çan şeklinde olmasına rağmen, şeklindeki büyük dalgalanma, çubuk elektrodunun (sadece metnin geri kalan kısmındaki elektrot olarak adlandırılır) tüketilebilir olduğu kaynak işlemlerinde, örneğin korumalı metal ark kaynağı ve gazında meydana gelebilir. metal ark kaynağı. Bir kaynak yayının davranışı hakkında kapsamlı bir bilgiye sahip olmak, farklı bölgelerinin özelliklerini bilmek önemlidir.

Katot Noktası :

Negatif elektrotun elektronlardan yayıldığı kısmıdır. Üç tip katot spot modu gözlenmiştir.

Bunlar:

(a) Mobil katot spot modu,

(b) Termiyonik katot spot modu ve

(c) Normal mod.

Mobil bir katotta, spot modu katod yüzeyinde bir veya daha fazla küçük katod lekesi belirir ve 5 ila 10 m / sn'lik bir yüksek hızda hareket eder ve genellikle görünür bir iz bırakır. Hareketli bir katod noktasının davranışı, üzerinde oluştuğu malzemeye bağlıdır. Örneğin, alüminyumda, karmaşık dallanmış izler dizisi üreten çok sayıda nokta gözlenirken, bakırda, geride bırakılan iz, Şekil 3.2'de gösterildiği gibi, hiçbir dal olmadan tek olarak görülür.

Metal yüzeyindeki oksit filmi mobil bir katod noktasının hareketi ile gevşetilir ve bazen metal bir tabaka da kaybolur. Bu özellik, özellikle alüminyum ve magnezyum kaynağı için sanayide kullanım için mobil katodu çok önemli kılar. Böyle bir katot noktasındaki akım yoğunluğu, 10 ila 10 ³ A / mm2 arasındadır.

Termiyonik modda katod noktası, keskin bir sivri uçlu tungsten veya argon koruyucu ile kullanılan keskinleştirilmiş bir tungsten çubuğunun ucunda oluşur. Katot noktası pozisyonda sabit kalır ve 10 ² A / mm2 derecesinde bir akım yoğunluğuna sahiptir. Parlak bir nokta olarak görülebilir veya ark kolonunun katod yüzeyindeki bir noktaya yakınlaşması ile bulunabilir.

Normal modda katod noktası, iyi tanımlanmış bir nokta oluşturmaz. Örneğin, düşük karbonlu bir çelik elektrot ile katod noktasının, elektrotun bütün erimiş ucunu sardığı görülmektedir. Benzer bir katod spotu tipi, Şekil 3.3'te gösterildiği gibi, argon korumalı yuvarlatılmış uçlu tungsten elektrotlu gaz tungsten ark kaynağında gözlenir.

Argon korumalı tungsten arkı, ikinci tipin iyi tanımlanmış katod noktasıyla veya üçüncü tipin kötü tanımlanmış katod noktasıyla çalışır ve iki durumda volt-amper karakteristiği farklıdır.

Elektron Emisyon Mekanizmaları :

Katoddan gelen elektron emisyonu, termiyonik emisyon, otomatik elektronik veya alan emisyonu, foto-elektrik emisyonu ve ikincil emisyon gibi çeşitli mekanizmaların herhangi biri tarafından olabilir.

a. Termiyonik emisyon:

Elektronların ısıtılmış elektrotlardan serbest bırakılmasını içerir. Elektrotun sıcaklığı arttıkça, serbest elektronların kinetik enerjisi, katot noktasında negatif elektrotun yüzeyinden, pozitif tarafından cazibe karşısında dışarıdaki alansız boşluğa kaçabilecekleri bir noktaya çıkar. Katot üzerinde kalan iyonlar.

Elektronların karbon ve tungsten katotlarından yayılmasının, karakteristik olarak termiyonik olduğuna inanılmaktadır, ancak diğer çoğu metallerin, termiyonik emisyon için gerekli olanın oldukça altında bir sıcaklıkta kaynamaktadır.

b. Otomatik Elektronik Emisyonu:

Bu tip elektron emisyonu, yeterince güçlü bir elektrik alanı tarafından üretilir, yani elektrotlar arasındaki voltaj çok yüksek olduğunda (10 ⁴ voltluk sırada), aralarındaki havanın etkisi altında iyonize olması ve elektrik deşarjı ile oluşması katod yüzeyinden elektron emisyonu.

c. Foto-Elektrik Emisyonu:

Bir ışık demeti şeklindeki enerji katod yüzeyine düştüğünde ve elektronların kinetik enerjisinin artmasıyla sonuçlanır ve böylece katoddan vakum veya başka bir malzemeye emisyonları ortaya çıkar. Böyle bir elektron yayma mekanizması, X-ışınlarının üretilmesinde kullanılır.

d. İkincil emisyon:

Hızlı hareket eden iyonların etkisiyle elektronların emisyonunu ifade eder. Olay iyonlarının hızı, katod materyalinin atomlarındaki elektronların yörünge hızlarını aştığında, elektronların dışarı atılması (veya emisyonu) ile sonuçlanır.

Kaynak işlemlerinde, elektron emisyonu, örneğin gaz tungsten ark kaynağında, plazma ark kaynağında ve karbon ark kaynağında termiyonik tiptedir ya da elektrot arasındaki hava boşluğunu iyonize edici yardımcı araçlarla birlikte otomatik emisyon tipindedir. korumalı metal ark kaynağı, tozaltı ark kaynağı ve gaz metal ark kaynağı için iş parçası.

Bir katod noktasından elektronların salınımı, maddenin yüzeyinden salınan bir elektron elde etmek için, elektron volt (eV) veya Joule cinsinden gerekli enerji olarak tanımlanan bir malzemenin uyarma enerjisine veya iş fonksiyonuna bağlıdır. çevreleyen alana. Bir elektronun bir atomdan sonsuz bir mesafeye çıkarılması için gerekli olan birim yük başına enerji olarak tanımlanan iyonlaşma potansiyeli, bir elektrik deşarjının sürdürülmesinde de önemli bir rol oynar. Kaynakta yer alan malzemelerin çoğu için her iki parametre de tablo 3.1'de verilmiştir.

Katot Bırakma Bölgesi :

Voltajda keskin bir düşüşün meydana geldiği katoda hemen bitişik gazlı bölgedir. Katod bırakma bölgesinin ve anot bırakma bölgesinin birleşik büyüklüğü, elektron ortalama serbest yoluna neredeyse eşit olan 10 ² mm düzeyindedir. Argon korumalı tungsten elektrotu için katod bırakma bölgesindeki voltaj düşüşünün 100 amperde yaklaşık 8 volt olduğu ve akım azaldıkça yükseldiği bulunmuştur.

Ark Sütunu:

Arkın parlak görünen kısmıdır ve yüksek bir sıcaklığa ve düşük bir potansiyel gradyana sahiptir. Ark kolonunun sıcaklığı, içinde bulunan gazlara ve devrede akan kaynak akımı miktarına bağlıdır. Genellikle kolon sıcaklığı, demir buharları için 6000 ° C'den argon korumalı tungsten yayı için yaklaşık 20.000 ° C'ye kadar değişir. Böyle yüksek bir sıcaklıkta, kolonda bulunan tüm moleküler gazlar atomik forma bölünür ve atomların kendileri ayrıca elektron ve iyonlara ayrıştırılır. Bununla birlikte, herhangi bir yay hacmindeki elektron ve iyonların sayısı aynı kalır, böylece yay elektriksel olarak nötr kalır.

Ortalama iyon bir elektrondan yaklaşık bin kat daha ağır olduğu için elektronlar çok daha hareketlidir ve bu nedenle akımın çoğunu ark sütunu boyunca taşır. Kolondaki potansiyel gradyan katod bırakma bölgesi veya anot bırakma bölgesi boyuncakinden daha düşüktür ve genellikle argon korumalı tungsten yayları için 0-5 ila 5 volt / mm arasında değişirken, korumalı metal ark kaynağı için normal olarak 1 volt civarındadır. / mm.

Kaynak arkı neredeyse her zaman bir çubuk veya bir tel elektrot ile düz veya geniş bir iş parçası arasındadır. Bu, elektrot polaritesinden bağımsız olarak, çubuk elektrodun ucunda veya yakınında koninin tepe noktasıyla birlikte bir çan veya koni şeklinde yay ile sonuçlanır. Ark elektrotuna yakın arkın bu sıkışıklığından dolayı, orada en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak elektrotun yakınlığına bağlı olarak soğutma etkisi nedeniyle maksimum sıcaklık kolonun çekirdeğindedir.

Daraltılmış kolonun elektrotla buluştuğu bölgeye ark kökü adı verilir. 200 amperlik bir argon korumalı tungsten arkının ark kolonundaki sıcaklık dağılımı, Şekil 3.4'te gösterilmiştir.

Şekil 3.4 Ark kolonundaki sıcaklık dağılımı

Ark kolonundaki akımın akışı elektromanyetik kuvvetlerin gelişmesine neden olur. Şimdi, aynı yönde akım taşıyan iki paralel iletkenin birbirlerini çektiği de iyi bilinmektedir.

Akım gaz halindeki bir silindir tarafından gerçekleştirilirse, çok sayıda halka şeklindeki silindirik iletkenden oluştuğu düşünülebilir, bu nedenle, iletkenliğin çekirdeğindeki yüksek akım yoğunluğundan dolayı içeri giren tüm kuvvetlerle farklı gaz halindeki silindirler arasında karşılıklı çekim vardır. .

Bu daralma kuvvetleri, gaz halindeki iletkende oluşturulmuş statik basınç gradyanı ile dış çevrede sıfır basınç ve eksen boyunca maksimum basınç ile dengelenir.

Bununla birlikte, bu durumda, arkın koni şeklinden dolayı, üzerine etki eden elektromanyetik kuvvetler, biri ark ekseni boyunca uzanan ve biri karşılıklı jet ekseni boyunca olan iki karşılıklı bileşene sahip statik basınçla iki bileşene sahiptir. bu, iş parçasına doğru yaklaşık 10 ⁴ cm / sn hızla akar. Eksenel plazma hızı, Şekil 4'te gösterildiği gibi ark çevresi yaklaşırken azalır.

Kararlı bir durumda plazma jeti, akış akımıyla yaklaşık olarak kaynak akımıyla orantılı olarak bir akış çizgisine sahiptir. Şekil 3.6, bir 200A karbon yayındaki gaz akış çizgileri ve hız çizgileri modelini göstermektedir. Önemli miktarda ısı enerjisinin iş parçasına plazma jetinin taşınım akımları yoluyla taşındığına inanılmaktadır.

Şekil 3.6 Karbon ark kaynağında gaz akış çizgileri ve plazma hız çizgisi desenleri

Arkdaki akım akışı simetrik olmadığı zaman, ark kolonunu saptıran manyetik kuvvetlerin ayarlanması ile sonuçlanır. Bu bir kaynak yayında meydana gelirse, ark üfleme olarak bilinir ve sıklıkla görünmeyen ve yanlış yerleştirilmiş kaynaklara neden olur.

Anot ve Anot Bırakma Bölgesi:

Anotlara ulaştığında elektronlar yoğuşma ısısını kaybeder. Bununla birlikte, katod noktasından farklı olarak, iyi tanımlanmış bir anot noktasını gözlemlemek nadirdir ve 200A argon korumalı tungsten katod ve bakır plaka anot için Şekil 3.7'de gösterildiği gibi akım yoğunluğu da düşüktür. Bir anotun mevcut taşıma alanı, anot ucundaki yayın en geniş yayılmasından biraz daha küçüktür ve ortalama akım yoğunluğu da oldukça düşüktür.

Bu tür bir yayın anot düşme bölgesindeki gerilim düşümü, 1 ila 3 volt arasında b6 olarak görünmektedir. Anot düşme bölgesinin derinliği 10-2 ila ^10-1 mm arasındadır. Çubuk elektrot anot olarak hareket ettiğinde, elektrotun ucunda erimiş damlacıkların alt yarı küresini kaplar. Bununla birlikte, düşük basınçlı plazma jeti için anot, erimiş damlacığı saran görünmektedir.

Anottaki toplam ısı girişi, elektronların yoğunlaşmasından, ayrıca plazma jetinden kaynaklanan iletkenlik ve taşınımdan kaynaklanır. DC arcında, tungsten veya karbonunki gibi tükenmeyen elektrot ile dc yayında, anot ısısı, serbest kalan ısıdan daha büyüktür. Şekil 3.8'de gösterildiği gibi katotta

Kaynak ark uzunluğundaki artışla ark voltajı artar ve bu nedenle, yaklaşık 100A üzerindeki akım için ısı girişi, özellikle Şekil 3.9'da gösterilen katod nokta modu için ark kolonundaki artışla artar. Bununla birlikte, sütun uzunluğundaki artışla sütun genişliği de artar ve bu durum anotta hala daha düşük bir akım yoğunluğu ile sonuçlanır ve böylece anot daha dağınık hale gelir.

Ark verimliliği:

Bir kaynak arkının farklı parçalarının karakteristiklerinin tanımından, matematiksel işlem izleyen ark verimliliğini belirlemek mümkündür:

Şimdi, anotta geliştirilen toplam ısı enerjisi, qa, elektronlar yoluyla alınan enerjinin toplamı ve anot bırakma bölgesinden geçerek kazanılan enerjinin toplamı, yani

Sorun 1:

Kaynak akımı 150 amper ve ark voltajı 20 volt ise GTAW işlemi için ark verimliliğini bulun. 8 voltluk bir katod düşüşü ve 3 voltluk anot düşüşünü, ark kolon enerjisinin% 30'unun antata aktarıldığını varsayalım. Ark sıcaklığını 15000K olarak alın. Çalışma fonksiyonu, tungsten için = ₀ = 4.5 eV ve Boltzmann sabiti = 8.62 x ^10-5 eV / K.

Çözüm:

Sorun 2:

Argon korumalı tungsten ark kaynağında katod damlasının 120 volt kaynak akımı için 10 volt ve 18 volt ark voltajı olduğu bulundu. (A) 10000 Kelvin ark sıcaklığıyla ark verimliliği% 55 ise, ark uzunluğunu belirleyin.

Kolon voltaj düşüşünün 1.2 volt I mm olduğunu ve kolon ısısının% 20'sinin anoda aktarıldığını varsayın.

(b) Aynı işlem parametreleri GMAW işlemine uygulanabilirse ve tel elektrotu anot yapılmışsa, ark verimliliği.

OK = 4.5 eV ve Boltzmann sabitinde tungsten için iş fonksiyonunu alın. K '= 8-60 x10 ^-5 eVIK

Çözüm:

Kaynak Arkları Çeşitleri:

Kaynak bakış açısından, yaylar iki tiptedir; hareketsiz veya sabit veya sabit ark ve bir hareketli veya hareketli veya hareketli ark. Sarf malzemesi olmayan bir elektrot ve bir iş parçası arasında sabit bir ark oluşur. Ark, dolgu maddesiyle veya dolgu maddesi olmadan kullanılabilir. Eski durumda, ark kolonuna ayrı bir tel sokulur ve böylece yerçekimi, elektromanyetik kuvvetler ve plazma jetine uygulanan mekanik kuvvetin birleşik ark etkisi altında kaynak havuzuna aktarılması için erir, bu sıcaklığın çoğunun sabit bir arkında tüketilemeyen elektrot kullanılmamış kalır ve aslında soğutma suyu veya koruyucu gaz tarafından alınması gerekebilir. Dolayısıyla, böyle bir arkın ısıl verimi düşüktür ve% 45 ila% 60 arasında olabilir. Bu ark türü karbon arkı, gaz tungsten arkı ve plazma arkı kaynak işlemlerinde gözlenir.

Bir tüketim elektrotu ile bir iş parçası arasında hareketli bir yay oluşur. Dolgu teli eridiğinde, elektrotun ucundaki erimiş metal, yerçekimi, elektromanyetik kuvvetler, plazma jeti tarafından uygulanan kuvvet ve sıkıştırma etkisi ile ayrılır. Bununla birlikte, yüzey gerilimi nedeniyle bir tutma kuvveti de damlacık üzerine etki eder. Elektrot eridiğinde ark, elektrot boyunca yukarı doğru ilerlemeye devam eder. Mobil ark, korumalı metal ark kaynağı, gaz metal ark kaynağı ve tozaltı ark kaynağı gibi işlemlerle ilişkilidir.

Elektrotun ucundan erimiş metalin kaynak havuzunun bir parçası haline gelmesi için içinden geçirildiği ark 'metal ark' olarak adlandırılır. Bir mobil yay bir metal yaydır.

Hareketli yaydaki elektroda giden ısının çoğu, metali eritmek için kullanılır ve böylece etkili bir şekilde kullanılır. Mobil bir yay kullanarak işlemin termal verimliliği bu nedenle yüksektir ve normalde% 75 ila% 90 arasındadır. Bu nedenle hareketli ark kullanan kaynak işlemleri, sabit veya sabit ark kullananlara göre termal olarak daha verimlidir.

Ark Kaynağında Elektrot Polaritesinin Rolü:

Ark kaynağı ac veya dc ile yapılabilir. Ac kullanılıyorsa, her yarım çevrimde değiştiği için elektrot polaritesi söz konusu değildir. Bununla birlikte, eğer dc kullanılırsa elektrotu negatif veya pozitif hale getirmek mümkündür.

Anotta daha fazla ısı üretilir, bu nedenle tüketilemeyen elektrotların kullanıldığı tüm işlemlerde, ısı kayıplarını minimumda tutmak için elektrotu negatif terminale bağlamak daha iyidir. Bununla birlikte, bunu yapmak her zaman mümkün olmayabilir, çünkü, zaman zaman hareketli katod noktasının temizleme etkisinin, örneğin dayanıklı alüminyum refrakter oksit tabakasını metalden, örneğin alüminyum ve magnezyumun kaynaklanmasında serbest bırakmak için kullanılması gerekir.

Bu gibi durumlarda, ısıl verim ve temizleme etkisi arasında bir uzlaşma sağlamak için ac kullanılması tercih edilir. Bu nedenle, gaz tungsten ark kaynağı ve karbon ark kaynağı işlemleri normal olarak iş parçası üzerinde eğilme hareketine mutlaka ihtiyaç duyulduğunda ac güç kaynaklarını kullanır. Böyle bir zorunluluk olmadığında dcen kullanılabilir.

Bununla birlikte, korumalı metal ark kaynağı ac kaynak transformatörü oldukça popülerdir ve aynı zamanda, aynı şartnameler için, dc kaynağı elde etmek için gereken dc kaynak motor-jeneratör seti veya transformatör boşaltma redresöründen daha ucuzdur. Ayrıca dc kaynaklamada, görünüşte zig-zag kaynağının kalitesiz kalmasına neden olabilecek ark üfleme değiştiricisi vardır.

Bir arkın düzenli olarak kesilmesi nedeniyle, örneğin gaz metal ark kaynağında çıplak tel kullanıldığında önerilmez. Bununla birlikte, korumalı metal ark kaynağı için kaynak arkının kolay başlatılmasını ve bakımını kolaylaştıran uygun elektrot kaplamaları geliştirilmiştir.

Tüketilebilir elektrot kullanıldığında, tel elektrottan iş parçasına metal aktarımı, elektrot pozitif yapılırsa daha düzgün, sık ve daha iyi yönlendirilir. Bu nedenle DCEP veya ters polarite, GMAW ile popülerdir; bu, alüminyum gibi zorlu oksit tabakasına sahip metaller üzerinde gerekli temizlik etkisini sağlar.