قوس اللحام: التعريف والبنية والأنواع
بعد قراءة هذه المقالة سوف تتعلم: - 1. تعريف لحام القوس 2. هيكل وخصائص لحام القوس 3. أنواع 4. دور قطبية القطب.
تعريف قوس اللحام:
القوس هو عبارة عن إفراغ كهربائي بين قطبين كهربائيين يحدثان عبر غاز مؤين ساخن كهربائيًا يعرف باسم البلازما. يسمى القوس الكهربائي المستخدم في اللحام بقوس اللحام وعادة ما يكون بين قضيب رفيع (أو سلك) وصفيحة على شكل جرس ، كما هو موضح في الشكل 3.1 (أ).
هيكل وخصائص قوس اللحام:
قوس اللحام هو عبارة عن تيار كهربائي ذو تيار كهربائي منخفض الجهد يعمل بشكل عام في مدى من 10 إلى 2000 أمبير وفي 10 إلى 50 فولت. في دائرة اللحام ، يعمل القوس كمقاومة حمولة.
بشكل عام ، يتكون قوس اللحام من آلية لانبعاث إلكترونات من الكاثود الذي يمر عبر الغاز الساخن المتأين يندمج في الأنود. للتحليل ، ينقسم قوس اللحام عادة إلى خمسة أجزاء. نقطة الكاثود ، منطقة قطر الكاثود ، العمود القوسي ، مناطق قطب الأنود ومنطقة الأنود. ينخفض الجهد عبر الكاثود وتكون مناطق قطب الأنود شديدة الانحدار بينما يكون انخفاض الجهد عبر عمود القوس أكثر تدريجيًا ، كما هو موضح في الشكل 3.1 (b). من الشكل ، من الواضح أن جهد القوس (V) هو مجموع قطرة المهبط (Vc) ، وانخفاض العمود (Vp) وانحدار القطب الموجب (Va).
يمكن التعبير عن ذلك على النحو التالي:
V = Vc + Vp + Va ……. (3-1)
على الرغم من أن قوس اللحام يكون عادة على شكل جرس ولكن قد يحدث تقلب كبير في شكله في عمليات اللحام حيث يكون القطب الكهربائي (الذي يسمى فقط القطب في باقي النص) قابل للاستهلاك ، على سبيل المثال ، في اللحام القوسي المعدني المحمي والغاز لحام القوس المعدني. للحصول على معرفة شاملة عن سلوك قوس اللحام ، من الضروري معرفة خصائص مناطقه المختلفة.
The Cathode Spot :
هذا هو جزء من القطب السالب حيث تنبعث الإلكترونات. وقد لوحظ ثلاثة أنواع من أنماط بقعة الكاثود.
هؤلاء هم:
(أ) وضع البقعة الكاثودية المتنقلة ،
(ب) وضع بقعة الكاثود الحراري
(ج) الوضع العادي.
في الكاثود المتنقل ، تظهر بقعة واحدة أو أكثر من بقع الكاثود الصغيرة جدًا على سطح الكاثود وتنتقل بسرعة عالية من 5 إلى 10 م / ث ، وعادة ما تترك وراءها أثرًا مرئيًا. يعتمد سلوك منطقة الكاثود المتنقل على المادة التي يتكون منها. على سبيل المثال ، في مناطق متعددة من الألومنيوم التي تولد سلسلة معقدة من المسارات المتفرعة يتم ملاحظتها بينما يكون النحاس على اليسار هو العائد الوحيد دون أي فروع كما هو موضح في الشكل 3.2.
يتم فك طبقة الأكسيد على سطح المعدن بحركة بقعة الكاثود المتحرك ، وأحيانًا يتم فقدان طبقة من المعدن. هذه الخاصية تجعل الكاثود المتنقل مهم جدا للاستخدام في الصناعة خاصة لحام الألومنيوم والمغنيسيوم. الكثافة الحالية في مثل هذه البقعة الكاثودية هي من 10 2 إلى 10 3 A / mm 2 .
في الوضع الحراري ، تتشكل بقعة الكاثود عند طرف قضيب التنغستن المدبب بحدة ، أو قضيب التنغستن المستخدَم بشكل حاد ، مع استخدام درع الأرجون. يظل موضع الكاثود ثابتًا في موضعه وله كثافة تيار بترتيب 10 2 A / mm 2 . يمكن رؤيتها على أنها نقطة مضيئة أو يمكن تحديد موقعها عن طريق تقارب عمود القوس إلى نقطة عند سطح الكاثود.
في الوضع العادي لا تشكل نقطة الكاثود أي بقعة محددة بشكل جيد. على سبيل المثال ، مع قطب كهربائي فولاذي منخفض المغلفة بالكربون ، فإن بقعة الكاثود تبدو وكأنها تغلف الطرف المنصهر بأكمله من القطب. لوحظ وجود نوع مماثل من البقعة الكاثودية في اللحام القوسي بالغاز التنجستن مع قطب التنغستن ذي الرأس المستدير المحمي بالأرجون ، كما هو موضح في الشكل 3.3.
قوس الأرجون التنغستن محمية تعمل إما مع بقعة الكاثود واضحة المعالم من النوع الثاني أو بقعة الكاثود غير محددة من النوع الثالث والخاصية فولت أمبير في الحالتين مختلفة.
آليات الانبعاثات الإلكترونية :
يمكن أن يكون انبعاث الإلكترون من الكاثود من قبل أي شخص من الآليات العديدة مثل الانبعاثات الحرارية ، والانبعاث الإلكتروني للسيارات أو البث الميداني ، والانبعاث الضوئي للكهرباء ، والانبعاث الثانوي.
ا. انبعاث حراري:
إنها تنطوي على تحرير الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية الساخنة. عندما ترتفع درجة حرارة القطب الكهربائي ، تزداد الطاقة الحركية للإلكترونات الحرة إلى نقطة حيث يمكن أن تهرب من سطح القطب السالب عند بقعة الكاثود إلى المساحة الخالية من الحقل خارجًا في مواجهة الجاذبية بالإيجابية. أيونات تركت على الكاثود.
ويعتقد أن انبعاث الإلكترونات من كاثودات التنغستن والكربون ذو طابع حراري ، ولكن معظم المعادن الأخرى تغلي عند درجات حرارة أقل بكثير من تلك المطلوبة للانبعاثات الحرارية.
ب. الانبعاث التلقائي الإلكتروني:
يتم إنتاج هذا النوع من انبعاث الإلكترون بواسطة حقل كهربائي قوي بما فيه الكفاية ، أي عندما يكون الجهد الكهربائي عبر الأقطاب عاليًا جدًا (بترتيب 10 4 فولت) بحيث يكون الهواء بينهما متأينًا تحت تأثيره ويتصاعد التفريغ الكهربائي مع انبعاث الإلكترونات من سطح الكاثود.
ج. صورة الانبعاثات الكهربائية:
ويحدث عندما تسقط الطاقة على شكل حزمة من الضوء على سطح الكاثود وتؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات ، وبالتالي ينتج عنها انبعاثها من الكاثود إلى فراغ أو مادة أخرى. يتم استخدام هذه الآلية من انبعاث الإلكترون في توليد الأشعة السينية.
د. الانبعاثات الثانوية:
يشير إلى انبعاث الإلكترونات تحت تأثير الأيونات المتحركة بسرعة. عندما تتجاوز سرعة أيونات الحادثة السرعات المدارية للإلكترونات في ذرات المادة الكاثودية ، ينتج عنها طرد (أو انبعاث) للإلكترونات.
في عمليات اللحام ، يكون انبعاث الإلكترون إما من النوع الحراري على سبيل المثال في لحام القوس التنغستن ، أو قوس اللحام بالبلازما ، أو لحام القوس الكربوني ، أو يكون من نوع انبعاث ذاتي بالاقتران مع وسائل مساعدة لتأين الفجوة الهوائية بين القطب و قطعة العمل مثل لحام القوس المعدني المحمي ، اللحام القوسي المغمور واللحام بقوس الغاز المعدني.
يعتمد انبعاث الإلكترونات من بقعة الكاثود على طاقة الإثارة أو وظيفة العمل في مادة تعرف بأنها الطاقة المطلوبة ، في فولت الإلكترون (eV) أو جول ، للحصول على إلكترون واحد يتم تحريره من سطح المادة. إلى الفضاء المحيط. إمكانات التأين ، والتي تعرف بأنها الطاقة لكل وحدة شحنة في فولت ، اللازمة لإزالة الإلكترون من الذرة إلى مسافة لا نهائية ، كما تلعب دورا هاما في الحفاظ على تصريف كهربائي. يرد في الجدول 3-1 المعلمات الخاصة بمعظم المواد الداخلة في اللحام.
منطقة قطرة الكاثود :
وهي المنطقة الغازية المجاورة مباشرة للكاثود الذي يحدث فيه انخفاض حاد في الجهد الكهربائي. الحجم المجمع لمنطقة هبوط القطب السالب ومنطقة انحدار القطب الموجب هو من أجل 10 2 مم والذي يساوي تقريباً الطريق الحر للإلكترون. تم العثور على انخفاض الجهد في منطقة قطرة الكاثود لإلكترود التنغستن محمية الأرجون ليكون حوالي 8 فولت في 100 أمبير ، ويزداد مع انخفاض الحالي.
عمود القوس:
إنه الجزء المرئي المشرق للقوس وله درجة حرارة عالية وتدرج منخفض محتمل. تعتمد درجة حرارة عمود القوس على الغازات الموجودة فيه وكمية تيار اللحام المتدفقة في الدائرة. عادة تتراوح درجة حرارة العمود من 6000 درجة مئوية لأبخرة الحديد إلى حوالي 20،000 درجة مئوية لقوس التنغستن محمية الأرغون. عند درجة حرارة عالية ، تنقسم جميع الغازات الجزيئية الموجودة في العمود إلى شكل ذري وتُفصل الذرات نفسها إلى الإلكترونات والأيونات. ومع ذلك ، فإن عدد الإلكترونات والأيونات في أي حجم معين من القوس لا يزال هو نفسه وبالتالي الحفاظ على قوس محايد كهربيًا.
وبما أن الأيون المتوسط يكون أثقل بحوالي ألف مرة من الإلكترون ، فإن الإلكترونات أكثر حركة بكثير وبالتالي فهي تحمل معظم التيار عبر العمود القوسي. يكون التدرج المحتمل في العمود أقل من ذلك عبر منطقة قطر الكاثود أو منطقة قطر الأنود ويتراوح بشكل عام بين 0-5 إلى 5 volt / mm لأقواس التنغستن المحمية بالأرجون في حين أن لحام القوس المعدني المحمي يكون عادة حوالي 1 فولت / مم.
قوس اللحام هو دائما تقريبا بين قضيب أو سلك كهربائي وقطعة عمل مسطحة أو واسعة. هذا ، بغض النظر عن قطبية القطب ، ينتج عنه جرس أو مخروطي الشكل على شكل قوس مع قمة المخروط عند أو بالقرب من طرف القطب الكهربائي. بسبب هذا الانحناء للقوس بالقرب من القطب الكهربائي ، فإنه يحتوي على أعلى كثافة للطاقة هناك ولكن بسبب تأثير التبريد بسبب قرب القطب ، فإن أقصى درجة حرارة تكون في قلب العمود.
وتسمى المنطقة التي يلتقي فيها العمود المقيَّد بالإلكترود بجذر القوس. ويرد في الشكل 3.4 توزيع درجة الحرارة في عمود القوس لقوس التنغستن المحمي بـ 200 أمبير.
الشكل 3.4 توزيع الحرارة في عمود قوس
تدفق التيار في عمود القوس يؤدي إلى تطوير القوى الكهرومغناطيسية. الآن ، من المعروف أيضًا أن اثنين من الموصلات المتوازية التي تحمل التيار في نفس الاتجاه تجذبان بعضهما البعض.
إذا تم إجراء التيار بواسطة أسطوانة غازية ، فيمكن اعتباره مكونًا من عدد كبير من الموصلات الأسطوانية الحلزونية ، ومن ثم يكون هناك جذب متبادل بين الأسطوانات الغازية المختلفة مع كل القوى المؤثرة داخله نظرًا لكثافة التيار المرتفعة في قلب الموصل. .
تتم موازنة قوى التضييق هذه عن طريق تدرج ضغط ثابت مثبت في الموصل الغازي مع ضغط صفري عند المحيط الخارجي وحد أقصى على طول المحور.
ومع ذلك ، في الحالة الحالية ، بسبب الشكل المخروطي للقوس ، فإن القوى الكهرومغناطيسية التي تعمل عليه تحتوي على مكونين مع الضغط الثابت الذي يحتوي على مكونين متعارضين أحدهما على طول محور القوس وهو السبب في تكوين البلازما النفاثة. يتدفق بسرعة حوالي 10 4 سم / ثانية نحو الشغل. تنخفض سرعة البلازما المحورية مع اقتراب محيط القوس ، كما هو موضح في الشكل 3.5.
في حالة ثابتة ، تحتوي طائرة البلازما على تدفق انسيابي مع سرعة تدفق تتناسب تقريبًا مع تيار اللحام. يوضح الشكل 3.6 نمط خطوط تدفق الغاز وخطوط السرعة في قوس الكربون 200A. ويعتقد أن كمية كبيرة من الطاقة الحرارية التي يتم نقلها إلى الشغل من خلال التيارات الحاملة للطائرات البلازما.
الشكل 3.6: خطوط تدفق الغاز وأنماط خطوط سرعة البلازما في لحام القوس الكربوني
عندما يكون التدفق الحالي في القوس غير متماثل فإنه يؤدي إلى إنشاء قوى مغناطيسية تحرف عمود القوس. إذا كان هذا يحدث في قوس اللحام فإنه يعرف باسم ضربة القوس وغالبا ما يؤدي إلى اللحامات غير اللائقة وغير المناسبة.
الأنود ومنطقة قطب الأنود:
عند الوصول إلى القطب الموجب ، تفقد الإلكترونات حرارة تكثيفها. ومع ذلك ، على عكس بقعة الكاثود ، فإنه من النادر أن نلاحظ بقعة أنودية محددة بشكل جيد ، كما أن الكثافة الحالية منخفضة أيضًا ، كما هو موضح في الشكل 3.7 بالنسبة لكاثون التنغستن المحمي بـ 200 ألف من الأرجون والأنود النحاسي. تكون منطقة الحمل الحالية للأنود أصغر قليلاً من أوسع انتشار للقوس عند طرف الأنود ، كما أن كثافة التيار المتوسط منخفضة جداً.
يظهر انخفاض الجهد في منطقة قطب الأنود لهذا النوع من القوس إلى b6 بين 1 إلى 3 فولت. عمق منطقة قطب الأنود هو من 10 إلى 10 -1 مم. عندما يعمل القطب الكهربائي مثل الأنود ، فإنه يشغل الجزء الأسفل من الكرة القطنية المنصهرة عند طرف القطب. ومع ذلك ، بالنسبة لأنبوب البلازما منخفض الضغط ، يبدو أن الأنود مغلفًا للقطرة المنصهرة.
يعود إجمالي المدخلات الحرارية في الأنود إلى تكثف الإلكترونات بالإضافة إلى التوصيل والحمل الناتج عن البلازما النفاثة. في القوس الكهربائي مع القطب غير القابل للاستهلاك مثل ذلك من التنغستن أو الكربون ، تكون حرارة الأنود أكبر من الحرارة المحررة. في الكاثود كما هو موضح في الشكل 3.8.
مع الزيادة في طول قوس اللحام ، يزداد الجهد القوسي ، وبالتالي ، بالنسبة للتيار فوق 100A ، يزداد دخل الحرارة مع زيادة عمود القوس خاصة لوضع بقعة الكاثود كما هو موضح في الشكل 3.9. ومع ذلك ، مع زيادة طول العمود ، يزيد عرض العمود أيضًا ويؤدي إلى كثافة تيار أقل في الأنود ، وبالتالي يصبح الأنود أكثر انتشارًا.
كفاءة القوس:
من وصف خصائص الأجزاء المختلفة لقوس اللحام ، من الممكن تحديد كفاءة القوس ، والمعالجة الرياضية لما يلي:
الآن ، الطاقة الحرارية الكلية المطورة عند الأنود ، يتم إعطاء q a بواسطة مجموع الطاقة المتلقاة عبر الإلكترونات والطاقة المكتسبة بالمرور عبر منطقة قطب الأنود ، أي ،
المشكلة 1:
العثور على كفاءة القوس لعملية GTAW إذا كان تيار اللحام هو 150 أمبير وقوة قوس 20 فولت. افترض وجود قطرة كاثودية من 8 فولت وانحدار الأنود من 3 فولت مع 30٪ من طاقة عمود القوس التي يتم نقلها إلى الأنود. تأخذ درجة حرارة القوس كما 15000K. وظيفة العمل ، ɸ 0 للتنغستن = 4.5 فولت وثابت بولتزمان = 8.62 x 10 -5 eV / K.
حل:
المشكلة الثانية:
في اللحام القوسي المحمي بغلق الأرجون تم العثور على قطرة الكاثود لتكون 10 فولت لتيار لحام من 120 فولت وبجهد قوسي 18 فولت. تحديد (أ) طول القوس ، إذا كانت كفاءة القوس تكون 55 ٪ مع درجة حرارة القوس من 10000 كلفن.
نفترض انخفاض الجهد العمود 1.2 فولت I ملم وأن يتم نقل 20 ٪ من حرارة العمود إلى القطب الموجب.
(ب) كفاءة القوس إذا كانت معلمات العملية نفسها قابلة للتطبيق على عملية GMAW ويتم جعل القطب الكهربائي للسلك الأنود.
تأخذ وظيفة العمل للتنغستن في OK = 4.5 eV وثابت Boltzmann. K '= 8-60 x10 -5 eVIK
حل:
أنواع أقواس اللحام:
من وجهة نظر اللحام ، فإن الأقواس من نوعين ، أي قوس متحرك أو ثابت أو ثابت وقوس متحرك أو متحرك أو متحرك. يتم تشكيل قوس ثابت بين قطب كهربائي غير قابل للاستهلاك قطعة عمل. يمكن استخدام القوس مع أو بدون حشو. في الحالة الأولى ، يتم إدخال سلك منفصل في عمود القوس ، وبالتالي يتم ذوبانه لنقله إلى تجمع اللحام في إطار العمل المشترك للجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية والقوة الميكانيكية التي تمارس نفث البلازما ، في قوس ثابت معظم الحرارة المتدفقة بالنسبة للقطب غير المستهلك ، يبقى غير مستخدم ، وفي الواقع قد يتم إزاحته عن طريق مياه التبريد أو غاز التدريع. وبالتالي ، فإن الكفاءة الحرارية لمثل هذا القوس منخفضة وقد تتراوح بين 45 إلى 60٪. ويلاحظ هذا النوع من القوس في قوس الكربون ، وقوس التنغستن وقوس البلازما.
يتم تشكيل قوس متنقل بين قطب كهربائي قابل للاستعمال وقطعة عمل. عندما يذوب سلك الحشو ، يتم فصل المعدن المنصهر عند طرف القطب بفعل الجاذبية ، والقوى الكهرومغناطيسية ، والقوة التي تمارسها طائرة البلازما وتأثير الضغط. ومع ذلك ، فإن قوة الإبقاء بسبب التوتر السطحي تعمل أيضا على القطرة. كما يذوب القطب يضيق قوس يتحرك صعودا على طول القطب. يرتبط القوس المتنقل بعمليات مثل لحام القوس المعدني المحمي ، لحام القوس المعدني بالغاز واللحام بالقوس المغمور.
يسمى القوس الذي يتم فيه نقل المعدن المصهور من طرف القطب عبره ليصبح جزءًا من تجمع اللحام بـ "القوس المعدني". قوس المحمول هو قوس معدني.
يتم استخدام معظم الحرارة المتجهة إلى القطب الكهربائي في القوس المتنقل من أجل ذوبان المعدن وبالتالي استخدامها بفعالية. وبالتالي فإن الكفاءة الحرارية للعملية ، باستخدام القوس المتنقل ، تكون عالية وعادة ما تكون بين 75 إلى 90٪. ومن ثم ، فإن عمليات اللحام التي تستخدم القوس المتنقل هي أكثر كفاءة حرارياً من تلك التي تستخدم قوسًا متحركًا أو ثابتًا.
دور قطبية القطب في لحام القوس:
يمكن إجراء لحام القوس إما عن طريق التيار المتردد أو العاصمة. إذا تم استخدام التيار المتردد لا يوجد أي قطبية قطبية لأنها تتغير كل نصف دورة. ومع ذلك ، إذا تم استخدام التيار المستمر ، فمن الممكن جعل القطب إما سلبي أو إيجابي.
يتم إنتاج مزيد من الحرارة عند الأنود لذلك في جميع العمليات باستخدام أقطاب كهربائية غير قابلة للاستهلاك ، من الأفضل توصيل القطب إلى الطرف السالب للحفاظ على فقدان الحرارة إلى الحد الأدنى. ومع ذلك ، قد لا يكون من الممكن دائمًا القيام بذلك لأنه في بعض الأحيان ، يجب استخدام إجراء التنظيف لمنطقة الكاثود المتنقل لإطلاق طبقة أكسيد الحديد الحرارية العنيدة من المعدن ، على سبيل المثال ، في لحام الألومنيوم والمغنيسيوم.
في مثل هذه الحالات ، يفضل استخدام التيار المتردد من أجل التوصل إلى حل وسط بين الكفاءة الحرارية وإجراءات التنظيف. وبالتالي ، فإن عمليات اللحام بالقوس التنغستن والقوس الكربوني تستخدم عادةً مصادر طاقة التيار المتناوب عندما يكون من الضروري بالضرورة العمل على العمل. عندما يكون هذا الإكراه ليس هناك من يمكن استخدام dcen.
ومع ذلك ، بالنسبة لمحولات اللحام القوسي المحمي بالقوس الكهربائي المحمي ، فهي تحظى بشعبية كبيرة وفي نفس الوقت ، لنفس المواصفات ، فهي أرخص بكثير من مجموعة مولدات اللحام التي تعمل بالتيار المستمر أو مجموعة مُحَوِّل مقوم المعدل المطلوب للحصول على إمدادات التيار المستمر. أيضا مع لحام التيار المستمر هناك المغير من ضربة القوس التي يمكن أن تسبب اللحام متعرج غير لائق ذات نوعية رديئة.
بسبب الانقطاع المنتظم لقوس التيار المتردد ، لا ينصح باستخدام الأسلاك العارية ، على سبيل المثال ، في لحام القوس المعدني بالغاز. ومع ذلك ، بالنسبة لحام القوس المعدني المحمي ، فقد تم تطوير الطلاء الكهربائي المناسب والذي يسهل عملية بدء وصيانة قوس اللحام.
عند استخدام قطب كهربائي قابل للاستهلاك ، فإن النقل المعدني من القطب الكهربائي إلى قطعة العمل يكون أكثر تجانسا وتواترا وأفضل توجيهًا إذا كان القطب موجبًا. ولذلك ، فإن DCEP أو عكس القطبية ، تحظى بشعبية مع GMAW الذي يوفر أيضًا إجراء التنظيف الضروري للمعادن مع طبقة أكسيد متينة مثل الألومنيوم.
