قوس الكتريكي
تنها حدود 0.1 درصد از جریان
قوس توسط یونهای مثبت کم تحرک ایجاد میگردد و مابقی توسط الکترونها ایجاد میشود.
قوس جوشکاری
قوس الکتریکی که در جوشکاری از آن استفاده میشود، نتیجه تخلیه
اکتریکی جریان بالا با ولتاژ پایین است. گستره شدت جریان معمولا 10 تا 2000 آمپر و
گستره ولتاژ 10 تا 50 ولت است. به بیان کلی قوس الکتریکی مکانیسمی را راهاندازی میکند که در ان
الکترونها از کاتد تبخیر شده و از طریق گاز داغ یونیزه شده به آند انتقال مییابند و در آنجا
جذب میشوند. قوس
الکتریکی را از لحاظ ساختای میتوان به 5 بخش تقسیم کرد:
1- لکه کاتدی: بخشی از
الکترود منفی که الکترون گسیل میکند.
2-
منطقه افت کاتدی: ناحیه
گازی مجاور کاتد که در آن افت سریع ولتاژ رخ میدهد. این ناحیه با افت ولتاژی معادل 20- 5 ولت و
انبساطی معادل
سانتیمتر در امتداد محور مرکزی قوس توسط یک ابر
باردار مثبت حاصل میشود.
3-
ستون قوس: بخش روشن و مرئی
قوس که مشخصه آن دمای بالا و شیب ولتاز کوچک است. ستون قوس متشکل از پلاسما میباشد.
4-
منطقه افت آندی: ناحیه
گازی مجاور آند که در ان باز هم افت شدید
ولتاژ رخ میدهد. این ناحیه با افت ولتاژی معادل 0 تا 30 ولت و انبساطی معادل
سانتیمتر در راستای محور مرکزی قوس توسط یک ابر
باردار منفی حاصل میشود.
5-
لکه آندی: بخشی از الکترود
مثبت که الکترونها را جذب میکند.
مناطق مربوط به قوس و منحنی ولتاژ
ستون قوس
دمای گاز موجود در فضای بین آند و کاتد به اندازه کافی بالا
هست که ان را رسانای الکتریسته کند. در چنین دمایی هر ملکول موجود در قوس
الکتریکی، بطور کامل یا ناقص، به اتمهای تشکیل دهنده خو تجزیه می شود و اتمها نیز
یونیزه میگردند.
دمای ستون قوس در گازهای مختلف
گاز
دمای ( کلوین)
ستون قوس در نزدیکی آند
بخار فلز قلیایی
4000
بخار فلز قلیایی خاکی
5000
بخار آهن
6000
آرگون
15000-10000
ستون قوس از لحاظ
الکتریکی خنثی است. یعنی تعداد الکترونها و یونهای مثبت موجود در هر حجم مفروض از
آن برابر است. اما چون جرم الکترون تقریبا یک هزارم جرم سبکترین یون مثبت می باشد،
تحرک آن بسیار بیشتر از یونهای مثبت است. در نتیجه بیشتر جریان را الکترونها حمل میکنند. در ستون قوس
الکترونها با اندازه کوچکتر و جرم کمتر، بسیار متحرک تر از یون های مثبت بوده و
بخش عمده جریان قوس را برقرار میسازند. تنها حدود 0.1 درصد از جریان قوس توسط یونهای مثبت
کم تحرک ایجاد میگردد و مابقی توسط الکترونها ایجاد میشود. طول مسیر آزاد متوسط الکترونها حدود
سانتیمتر بوده والکترونها در هر ثانیه
برخورد انجام می دهند و به دلیل تعدد زیاد
برخوردها ، دمای قوس بسیار بالا میباشد. شیب ولتاژ در
ستون قوس نسبت به شیب ولتاژ در مناطق افت آندی و کاتدی، کم و در گستره
تا
است. چون پلاسمای قوس از لحاظ الکتریکی خنثی است
تعادل گرمایی خوبی دارد. درجه تفکیک یا یونیزه شدن را میتوان از دادههای ترمودینامیک و
رابطه زیر بدست آورد:
که در آن α (درجه یونش یا درجه تجزیه) کسر ملکولهای
تجزیه شده یا اتمهای یونیزه شده ،
فشار ( اتمسفر)،
c ثابت، t دما (درجه کلوین) ، x انرژی لازم برای تجزیه یک ملکول و k ثابت بولتزمن است.
ثابت c تابعی از حالتهای انرژی ذرههای تشکیل دهنده
است و مقدار ان ممکن است با زمان تغییر کند. مثلا در تفکیک نیتروژن c
تعیین شده است و در نتیجه :
در حالیکه برای یونش ساده
آرگون داریم:
به هر حال با افزایش دما
یا افزایش فشار میزان یونش افزایش مییابد . وقتی درجه یونش یا تجزیه کوچک ( مثلا
0.1 یا کمتر) باشد، α با تقریب خوب با ریشه دوم فشار متناسب است.
در قوس جوشکاری یک یا هر
دو الکترود مایع بوده و انتقال فلز ودر نتیجه تبدیل قوس جوشکاری به قوس بخار فلز
ممکن است رخ دهد. این به دلیل انرژی یونیزاسیون نسبتا پایین فلزات در مقایسه با با
گازهاست که تاثیر بسزایی در دمای قوس خواهد داشت. هنگامی که یک عنصر با انرژی
یونیزاسیون کمتر از فلز جوش به قوس اضافه می شود، جریان ثابت باقی مانده ، اما
دمای قوس کاهش مییابد. برای قوسهای با جریان نسبتاٌ بالا، دمای وس تابع خطی از انرژی موثر
یونیزاسیون میباشد.علاوه بر آن ، دمای قوس به شدت وابسته به هدایت حرارتی میباشد. هر چه هدایت
حرارتی در یک جریان قوس و انرژی یونیزاسیون ثابت، پایین تر باشد، دمای قوس بالاتر
خواهد رفت.
پایداری ستون قوس:
پایداری قوس الکتریکی از
نقطه نظر عملی بسیار مهم است که در حین جوشکاری قوس الکتریکی پایدار باشد.
متاسفانه تعریف کاملی برای کمیت پایداری قوس وجود ندارد، چون به عوامل مختلفی
بستگی دارد که در بعضی موارد تعدادی از آنها اهمیت زیادی ندارند. در عمل چند عامل
برای شناسایی پایداری قوس وجود دارد:
1-
نقطه کاتدی یا آندی در
الکترود باید ضرورتا در ضمن روشن بودن قوس حالت ثابتی داشته باشد. با بیان دیگر
جهیدن ریشه قوس از یک نقطه به نقطه دیگر یا حرکت از سویی به سوی دیگر از نوک
الکترود ، صحیح نیست.
2-
اگر الکترود مصرفی است
انتقال فلز از الکترود به جوش باید منظم بوده و قطرات کوچک در یک محور معین بدون پراکندگی
به اطراف انجام شوند.
3-
حوضجه جوش، در یک حالت
ثابتی نسبت به الکترود باشد و بر روی کار به آرامی حرکت نماید. در حقیقت هنگایکه
قوس بین الکترود و سطح صاف قرا گرفته، جت پلاسما باید عمود بر سطح باشد. و این
موقعین در هنگام حرکت قوس در سرتاسر مسیر جوش پایدار بماند. تغییر جهت و امتداد
پلاسما یا سوسو زدن رسشه قوس در گوشه های حوضچه جوش نباید اتفاق بیافتد.
پایداری ستون قوس به شدت
به هدایت الکتریکی آن ، انرژی یونیزاسیون پایین، هدایت حرارتی پایین، و دمای قوس
بالا بستگی دارد. پایداری قوس جوشکاری با اضافه شدن عنصر با انرژی یونیزاسیون
پایین همچون کلسیم و سدیم افزایش مییابد. قوسهای پایدار در گازهای با هدایت حرارتی نسبتا پایین
همانند آرگون مشاهده میشوند در حالیکه قوسهای حاوی گازهای با هدایت حرارتی نسبتاٌ بالا همانند هلیم،
هیدروژن، نیتروزن و دیاکسید کربن نسبتا ناپایدارترند.
گاهی رفتار غیر عادی قوس
در اثر ناهمواری یا مواد اضافی در سطح کار
و یا ناخالصی در گاز محاظ پدیدار می شود. جوشکاری با سرعت سریع با حرارت کم و یا
حوضچه جوش کوچک حساسیت بیشتری نسبت به ناپایداری قوس دارد. شدت جریان در روش
جوشکاری باید از نظر مقدار و شکل موج پایدار بوده و طوری باشد تا قوس زود خاموش نشود.
جت پلاسما و بخار :
حرکت فواره مانند ذرات که
از نقطه کاتدی ( و نقطه آندی ) در راستای
تقریبا عمود بر سطح دور میشوند، جت پلاسما نام دارد. این جتها بر روی بسیاری از
الکترودها در فشارهای کمتر یا بیشتر از فشار اتمسفر رخ میدهند. بطور کلی
چهار منبع ممکن برای جتهای آندی و کاتدی وجود دارد:
1-
قلیان و جوشش توده ای مواد
الکترود وقتی از جنسهایی مانند کادمیوم، روی، برنج و مس ساخته شده باشند. در
اینصورت در جت پلاسما ممکن است تکه های بزرگ مواد الکترود نیز وجود داشته باشد که
به علت انفجار گاز در مجاور سطح الکترود میباشد.
2-
تبخیر لایههای سطحی فلز،
اکسید وناخالصیهای موجود دیگر در نقطه کاتودی وآندی که ناشی از واکنش ذرات باردار
با سطح آنها میباشد.
3-
واکنشهای شیمیایی که منجر
به تولید گاز میگردند ، مثلا اکسید شدن کربن فولادها
که مونواکسید کربن و دیاکسید کربن تولید می نماید.
4-
جریان حاصل از میدانهای الکترومغناطیسی
گازها که در ستون قوس در حدفاصل مناطق افت کاتدی وآندی رخ میدهد.
موارد 1 تا 3 که بر روی
سطح الکترود رخ میدهند تحت عناوین جت آندی و کاتدی بیان میشوند ولیکن مورد آخر را جت پلاسما مینامیم.
یکی از آثار سودمند جریان
محوری در ستون قوس ایجاد سفتی است. ستونی از گاز، در حالت طبیعی، نمی تواند صلب
باشد. اما جت، در مقابل انحراف جانبی مقاومت می کند و هر چه سرعت آن بیشتر باشد ،
این مقاومت نیز بیشتر خواهد بود.
گاهی نیروی ناشی از جت
پلاسما آثار نامطلوبی دارد. مثلاٌ در جوشکاری خودکار لوله، که در آن از روش تیگ با
تلفیق سرعت زیاد و شدت جریان بالا به صرفه است، ممکن است نیروی قوس فلز مذاب را از
حوضچه قوس بیرون براند. در چنین مواردی میتوان با انحراف قوس در جهت جلو، از مقدار این
نیرو کاست. با استفاده از گاز محافظ هلیم به جای آرگون، با افزایش زاویه مخروط
الکترود، و با استفاده از الکترود تنگستنی تو خالی نیز می توان نیروی قوس را کاهش
داد.
توزیع دما در قوس
الکتریکی:
توزیع دما در محدوده قوس
بصورت یکنواخت نخواهد بود. اندازه دما در قسمت پلاسمایی قوس به مراتب بالاتر از دما در قسمت تماس الکترود است.
شدت جریان بالا در فشار
اتمسفری ، موجب ایجاد درجه حرارت حدود 5000 تا 30000 درجه کلوین در ستون قوس میشود که حرارت به طرف خارج این هسته مرکزی کاهش مییابد.درجه حرارت و قطر ستون قوس به شدت جریانی
که از آن عبور میکند بستگی دارد، به دلیل اینکه بیشتر شدت جریا ن از قسمت مرکزی این هسته عبور
میکند
توزیع درجه حرارت در قوس الکترود تنگستن با
گاز محافظ آرگون و شدت جریان 200 آمپر
به دلیل برخورد شدید
الکترونهای ساطع شده از ناحیه پلاسمایی قوس به آند، درجه حرارت آن در شرایط یکسان
از دمای کاتد بیشتر است. کتب مرجع اغلب دمای 4200 درجه سانتیگراد را برای آند و
3800 درجه سانتیگراد را برای کاتد بیان کرده اند. اصولا دمای قوس با توجه به نوع
فرایند جوشکاری ، الکترود مورد استفاده ، گاز محافظ و شدت جریان متغیر است. جدول زیر متوسط دما را برای قوس های مختلف نشان
میدهد:
فرایند جوشکاری
دمای قوس ( درجه کلوین)
جوشکاری قوس الکتریکی
دستی با استفاده از الکترودهای میلهای
6000
جوشکاری تیگ
20000- 10000
جوشکاری قوس الکتریکی
تحت گازهای محافظ
7000 - 5000
جوشکاری زیر پودری
7000 - 6000
جوشکاری پلاسما
بیش از 20000
با حضور عناصری نظیر پتاسیم
و سدیم در پوشش الکترود که به آسانی یونیزه میشوند، حداکثر دمای قوس جوشکاری الکترود دستی
تقریبا 6000 درجه کلوین میباشد. در قوسهایی که در اتمسفرهای گاز خنثی تشکیل
میشود، دمای محوری ممکن است به 30000 درجه
کلوین هم برسد. در اکثر موارد دمای قوس
بوسیله منحنی های ایزوترم اندازه گیری شده
تشعشعات ساطع شده نشان داده میشود.
تلفات حرارتی در قوس
الکتریکی باعث میشود که دمای واقعی قوس با مقدار محاسبه شده از طریق تئوری متفاوت
باشد. انرژی به صورت هدایت حرارتی ، نفوذ ، جابجایی و تشعشع از قوس الکتریکی تلف میشود. مقدار تلفات
حرارتی به روش پیچیدهای متناظر با دما و نحوه انتقال حرارت تغییر مینماید.
مشخصه الکتریکی قوس:
رابطه بین شدت جریان الکتریکی و ولتاژ در قوس
الکتریکی به منحنی مشخصه قوس الکتریکی معروف است. از آنجایی که عمل یونیزاسیون با
ازدیاد شدت جریان، افزایش مییابد، یا به عبارتی تعداد ذرات باردار افزایش می
یابد، قوس الکتریکی در ولتژ کمتر نیز تثبیت می شود. بدین ترتیب قانون اهم دیگر
معتبر نخواهد بود، چنانچه شدت جریان در حد معینی زیاد شود، مقدار ولتاژ به دلیل
ازدیاد اتلاف انرژی ( پدیده تشعشع نظیر انتشار و تجمع درات باردار) مجددا افزایش
مییابد.
در عمل اندازهگیری ولتاژ بین نقاط کاتدی و آندی
مشکل است و ولتاژهای قوس گزارش شده بوسیله اکثر محققین شامل افت ولتاژ میان الکترودها
یا قسمتی از الکترودها میباشد.
مقدار ولتاژ به طول قوس الکتریکی، جنس الکترود،
خواص مواد روکش الکترود و ولتاژ یونیزاسیون گاز محافظ نیز بستگی دارد.
در یک طول قوس ثابت در جریانهای کم ، با افزایش شدت
جریان ، ولتاژ قوس به شدت کاهش مییابد تا اینکه به مقدار حداقل میرسد، سپس با
افزایش بیشتر جریان ، ولتاژ ازایش مییابد. محدوده شدت جریان پایین که منحنی ولت
آمپر قوس نزولی است ،حدوده آیرتون (
ayrtonschen hen bereich)
نام دارد. و محدود صعودی این منحنی ناحیه اهم نام دارد . برای جوشکاری از محدوده
اهم این منحنی استفاده می شود.
تغییرات ولتاژ با
شدت جریان در قوس الکتریکی
حداقل ولتاژ و شکل کلی مشخصه ولت آمپر قوس به عوامل
زیر بستگی دارند:
1-
روش جوشکاری و توام با آن شدت جریان جوشکاری
2-
طول قوس الکتریکی
3-
شکل، ابعاد، جنس و کیفیت آند و کاتد، قطر ، جنس و
کیفیت سطحی الکترود ذوب شونده و یا غیر ذوب شونده و نیز جنس و کیفیت سطحی قطعات
مورد جوشکاری ( بعضا نیز ابعاد مربوط به قطعات کوچک)
4-
کلیه ذرات و اشیاء موجود درون ناحیه ستون قوس
الکتریکی و یا پیرامون آن نظیر گازهای محافظ ( وهمچنین هوا) و مواد جامد نظیر پودر
جوشکاری، مواد فلاکس، مواد روکش الکترودها و تمامی موادی که در ستون قوس بخار یا
یونیزه می شوند.
با افزایش طول قوس منحنی ولت آمپر قوس موازی با
محور افقی به سمت بالا جابجا شده به گونه ای که در یک جریان ثابت قوسهای با طول
قوس بیشتر ولتاژ بالاتری دارند.
در طول قوس ثابت بین ولتاژ و آمپر یک قوس الکتریکی
رابطه زیر برقرار است:
مقادیر ثابتهای a,b,c که در
رابطه فوق مشاهده میشود توسط گلدمن(goldman)
در سال 1966
ارائه شده است که در جدول زیر آمده است.
جریان در ولتاژ حداقل (آمپر)
ولتاژ حداقل ( ولت)
c
b
a
طول قوس (میلیمتر)
156
9.3
170
0.007
7.2
1
132
9.4
175
0.01
6.7
2
110
12.75
160
0.015
10
8
151
16.1
160
0.007
14
16
معادله گلدمن شبیه به معادلهای بود که آیرتون (ayerton) در سال 1943 برای قوس کربنی ارائه داده است:
که دراین
رابطه l طول قوس و i جریان میباشد.
تفاوت این دو رابطه در این است که در معادله گلدمن
تاثیر طول قوس بر ولتاژ قوس بیان نشده است و معادله آیرتون هم پاسخگوی شدت
جریانهای بالا نمی باشد.
مشخص میشود که با کاهش تلفات حرارتی از کاتد مشخصه
ولت آمپر پایین میآید به گونهای که در جریان ثابت ولتاژ قوس کاهش مییابد.
شکل زیر سه منحنی ولت - آمپر برای جوشکاری تیگ با
کاتد تنگستن خالص و توریم دار با اقطار 3 و 1.5 میلیمتر رسم شده است. واضح است که
در مورد قوسهای ایجاد شده بر روی الکترود تنگستنی 1.5 ملیمتری و الکترود تنگستن -
توریم به علت کاهش تلفات حرارتی به محیط اطرافشان، ولتاژ قوس کمتر است.
مشخصه ولت - امپر جوشکاری تیگ با سه الکترود مختلف با گاز
محافظ آرگون
در کاتد الکترون تبخیر میشوند و انرژی تبخیر از
یونهای مثبت ورودی گرفته میشود که با شتاب از منطقه افت کاتدی عبور می کنند. در
آند الکترونها چگالش مییابند و مقداری انرژی به الکترود میدهند. در ستون قوس
انرژی جذب شده صرف ثابت نگهداشتن دمای گاز تا حدی میباشد که گاز رسانا باقی
بماند. بنابراین حداقل توان قوس باید به اندازه ای باشد که علاوه بر غلبه بر تلفات
حرارتی از ستون قوس و الکترود کاتدی، الکترونهای سطح کاتد را نیز تبخیر نماید. از
طرفی باید یک توازن حرارتی بین تلفات حرارتی از طریق گاز موجود در ستون قوس به آند
نسبتا سرد نیز برقرار شود، که این خود نیازمند صرف انرژی در منطقه افت آندی است.
در شکل 3-6 تغییرات ولتاژ با طول قوس در انواع
الکترودها و شدت جریانهای متفاوت مقاسه شده است. در سه منحنی پایین تاثیر رژیمهای
حرارتی متفاوت الکترودها را نشان میدهد.
وقتی از آند و کاتد ذوب نشدنی استفاده می شود، چون بیشترین فروکش حرارتی وجود
دارد، ولتاژ قوس نیز بالاتر می باشد.
تغییرات ولتاژ و طول قوس در جوشکاری تیگ با گاز محافظ آرگون
سه منحنی بالا اثر جریان را بر جابجایی منحنی نشان
میدهد. و واضح است که در جریانهای کمتر چون حرارت ورودی به آند بیشتر است، در
نتیجه ولتاژ قوس بیشتر خواهد بود .
آلسون (olson
1957) شرح داد که در جوشکاری الکترود تنگستن با گاز
محافظ وقتی از تنگستن نوک تیز ( کاتد نقطهای)
و تنگستن با سر گرد ( کاتد نرمال) استفاده میشود، تفاوت ولتاژ وجود دارد. ولتاژ در
کاتد نقطهای بیشتر از کاتد نرمال میباشد.
بطور کلی گفته میشود که توان قوس الکتریکی معادل
با تلفات حرارتی از کاتد و آند و ستون قوس میباشد و مشخصه قوس الکتریکی هم تابعی
از این سه تلفات حرارتی میباشد.
اثر گازهای محافظ متفاوت بر مشخصه ولت آمپر قوس
تنگستن با آند دوب شدنی تیتانیومی در نمودار شکل زیر رسم شده است. شکست مشاهده شده
در منحنی مربوط به گاز هلیوم به علت نش طیفی ستون قوس می باشد.
مشخصه ولت آمپر و منحنی تغییرات ولتاژ و طول قوس با گازهای
مختلف
منحنی ولت آمپر برای فرایند جوشکاری میگ بر خلاف تیگ معمولا دارای شیب مثبت است. که
در نمودار زیر مشاهده می شود . وهمین اثر
در مورد جوشکاری با الکترود دستی نیز وجود دارد. مشاهده چنین رفتاری در این
فرایندها به دلیل این است که ولتاژ اندازه گیری شده شامل افت ولتاژ در طول کابلها و الکترود و در نزدیکی اتصالات جایی که جریان وارد می شود ،
نیز می باشد که برای اینگونه اندازه گیری حداقل جریان موردنیاز 200 آمپر است و
طبیعی است اگر ولتاژ قوس در جریانهای کمتر نیز اندازه گیری شود شیب منفی منحنی نیز
مشاهده خواهد شد.
مشخصه ولت - آمپر برای جوشکار میگ فولاد با گازهای مختلف
بظور کلی فرض می شود که ولتاژ کل قوس بر اساس مجموع سه جزء متمایز و مشخص ، افت پتانسیل کاتد،
افت پتانسیل آند، و ستون قوس می باشد.
منحنی ولتاژ - طول قوس در اغلب موارد خطی است به
طوریکه بطور منطقی میتوان مجموع افت
پتانسیلهای آند و کاتد را از طریق ادامه دادن منحنی تا طول قوس صفر بدست آوریم.
البته باید توجه داشت که نویسندگانی افزایش ولتاز قوس را در طول قوسهای کمتر از
0.8- 0.5 میلیمتر نیز گزارش نموده اند.
تاثیر فشار بر منحنی ولت آمپر قوس:
اهمیت
مطالعه اثرات فشار بیش از فشار اتمسفر بر خواص قوس بیشتر در جوشکاری زیر آب
مطرح است. اثر کلی استفاده از فشار
بالاتر، افزایش چگالی جریان در ستون قوس، د لکه های کاتدی ترمویونی و در آند است.
در فرایند جوشکاری میگ با الکترود مثبت ، ولتاژ کل قوس با افزایش فشار بیشتر میشود.
همچنین ریشه قوس منقبض می شود به طوریکه وقتی الکترود مثبت است ، لکه کاتدی کمتر
روی قطعه کار جابجا میشود. وقتی الکترود منفی است و فشار نیز به اندازه کافی بالا
باشذ (بیش از 5 اتمسفر) ریشه قوس به نوک الکترود منقبض می شود. وقتی الکترود مثبت
است شرایط متقارن محوری میباشد و انتقال فلز بصورت پرتابی (projected mode) است.
اثرات فشار بر مشخصه ولت آمپر در فرایند جوشکاری
تیگ کاملا مشابه با فرایند میگ می باشد. با افزایش فشار ولتاژ کل قوس بیشتر میشود
و این اثر در طول قوسهای بلندتر مشهودتر نیز میباشد. مجموع ولتاژ کاتدی و آندی با
افزایش فشار ثابت مانده و یا تغییرات نسبتا کمی دارد. پس افزایش ولتاژ کل به دلیل
شدت میدان بالاتر در ستون قوس می باشد.(allum
1982) با افزایش فشار چگالی جریان کاتدی افزای یافته و حالت
کاتد نقطهای سریعا تشکیل خواهد شد. همانگونه
که در شکل زیر مشاهده میشود ستون قوس باریکتر و روشن تر می شود و قتی فشار
بالاتر است.
اثر فشار بر روی قوس تیگ با آند مسی آب خنک
در فشارهای پایین تر از اتمسفر ، ابتدا با کاش فشار
ولتاژ نیز کاهش می یابد تا اینکه به یک مقدار حداقل رسیده و سپس با کاهش بیشتر
فشار ولتاژ روند شدیدا صعودی را می یابد. در شکل زیر تاثیر فشار محیط بالاتر و
پایینتر از اتمسفر بر روی ولتاژ برای جوشکاری تیگ
با گاز آرگون نشان داده شده است.
تغییرات ولتاژ و طول قوس الکترود تنگستن/ مس در فشارهای
مختلف آرگون
مشاهده می شود که با کاهش فشار ستون قوس نفوذ
پذیرتر خواهد شد و در کمترین فشار در مجاور کاتد یک منطقه کروی نسبتا بزرگ آبی
تشکیل خواهد شد که به علت یونیزاسیون دوبل آرگون خواهد بود. در حالیکه در مجاورت
آند تخلیه الکتریکی شبیه به گداختگی (glowlike)
میباشد. منطقه کروی مجاور کاتد را
ناحیه پلاسمای کاتدی مینامند. تصویر زیرحالت قوس را تحت شرایط متفاوت فشار و
جریان نشان میدهد.
ظاهر قوس در فشارها و جریانهای مختلف
رابطه بین مشخصه ولت آمپر قوس و منبع تغذیه:
از آنجا که ولتاژ یک منبع تغذیه بصورت کم یا زیاد،
شدیدا به شدت جریان برق وابسته است، عملکرد و مشخصه منبع تغذیه توسط نمودار ولتاژ
جریان تشریح میشود. هر منبع تغذیه جوشکاری یک مشخصه ولت آمپر جداگانه ای دارد که
در حقیقت ارتباط بین ولتاژ و جریان خروجی دستگاه می باشد. نمودار منحنی از طریق
انجام آزمایشات بار استاتیکی توام با مقاومتهای قابل تغییر متناسب با میزان
بارگذاری، حاصل می شود. از تقاطع 2 منحنی مشخصه دستگاه جوش و قوس الکتریکی جریان و
ولتاز واقعی جوشکاری حاصل خواهد شد. که به نقاط کاری معروف هستند.
دستگاههای تغذیه مورداستفاده در جوشکاری در دو نوع
ولتاژ ثابت ( مشخصه مسطح) و جریان ثابت ( مشخصه نزولی) می باشند . منبع تغذیه با
نمودار ولتاژ ثابت عبارتند از منابعی که ولتاژ مربوطه با افزایش شدت جریان اصلا
کاهش نیافته و یا خیلی کم تقلیل می یابد و این کاهش تا نقطه کاری که نمودار بصورت
عمودی کاهش مییابد، ادامه دارد.
در فرایند جوشکاری میگ و زیرپودری که سیم جوش توسط
یک الکتروموتور با سرعت ثابتی به حوضچه جوش تغذیه میشود برای ایجاد جوش یکنواخت
باید تا حد امکان طول قوس باید ثابت بماند. در این فرایندها بهتر از منبع تغذیه
ولتاژ ثایت بهره بگیرم ، تا تغییرات اندک طول قوس موجب تغییر ولتاژ و تغییرات فاحش
در شدت جریان شده و منجر به تغییر در نرخ ذوب می شود که حاصل آن تنظیم طول قوس میباشد.
که این روش ثابت ماندن طول قوس را روش خود
تنظیمی میگوییم.
در دستگاههای با مشخصه نزولی ولتاژ به شدت با
افزایش جریان افت می نماید. این دستگاهها برای فرایندهای جوشکاری الکترود دستی
مناسب است . چون در روشهای جوشکاری دستی تغییرات طول قوس بر ولتاژ قوس تاثیر میگذارد
که و قتی از این دستگاهها استفاده میشود، چون آمپر ثابت می ماند حرارت ورودی
تغییر جزئی داشته و در نتیجه جوش یکنواخت حاصل خواهد شد.
راندمان
قوس:
برای محاسبه نرخ حرارت ورودی به قطعهکار از طریق
اندازهگیری جریان و ولتاژ قوس ، محاسبه کسری از انرژی قوس که به قطعهکار انتقال
مییابد ضروری به نظر میرسد. در حقیقت راندمان قوس الکتریکی کسرس از انرژی قوس
تعریف میشود که به قطعهکار اتقال مییابد.
حرارت قوس به 3 صورت جابجایی ، هدایت و تشعشع تلف
میشود. تلفات حرارتی هم از الکترود و هم از قطعهکار صورت میپذیرد. حرارت تلف
شده از طریق الکترود ( به استثنای فرایند تیگ) مقدار کمی است و قسمت عمده تلفات حرارتی بصورت هدایت از طریق
قطعهکار رخ می دهد. انتقال حرارت جابجایی از طریق گاز ستون قوس صورت می پذیرد که
کسری از آن به قطعهکار منتقل شده و مابقی تلف خواهد شد. تلفات حرارتی تشعشعی نیز
از قوس و قطعهکار صورت میپذیرد.
لازم به ذکر است که در فرایندهای جوشکاری با
الکترود مصرفی کسری از حرارت چذب شده توسط الکترود به قطعهکار برمیگردد و در
نتیجه این گونه فریندها نسبت به فرایندهای با الکترود غیر مصرفی راندمان بالاتری
دارند.
حرارت تولید شده
توسط قوس به سه قسمت تقسیم میشود:
- حرارت انتقال یافته به الکترود
-
حرارت تلف شده از ستون قوس به صورت جابجایی و تشعشع
- حرارت انتقال یافته به قطعه کار
اگر در مورد یک فرایند جوشکاری با الکترود غیرمصرفی
n
کسری از حرارت ستون قوس باشد که به قطعهکار منتقل می شود و m
کسری از حرارت آند باشد که بصورت تشعشع تلف میشود در اینصورت میتوان نوشت:
که در این رابطه i , v
ولتاژ و شدت جریان اندازهگیری شده برای منبع تغذیه می باشد.
برای جوشکاری با الکترود مصرفی چون
به قطعه کار
منتقل می شود، رابطه بالا به صورت زیر ساده میگردد:
شکل زیر تغییرات راندمان
قوس را با توان ورودی کل نشان میدهد. مشاهده می شود که با افزایش جریان و نتیجتا توان
راندمان کاهش مییابد که این خلاف نتیجهای است که از رابطه بالا بدست میآید. ایت تناقض به این علت است که با افزایش
شدت جریان تلفات حرارتی به الکترود خیلی کم تغییر می نماید ولیکن کسری از حرارت
تشعشعی تلف شده از قطعهکار بیشتر خواهد شد ( ضریب m
در رابطه) و در نتیجه راندمان قوس کاهش می یابد.
تغییرات راندمان قوس با توان کل تولید شده
کاتد در جوشکاری
برای تخلیه الکتریکی در
قوس باید جریانی از الکترونهای کاتد از طریق ستون قوس به آند وجود داشته باشد.
تخلیه الکترونی در کاتد هم به دو صورت انجام خواهد شد: انتشار ترمو یونی ( کاتد سرد) و انتشار غیر ترمو یونی ( انتشار
میدانی)
در انتشار ترمو یونی کاتد
در مقابل عبور جریان از خودش مقاومت نشان می دهد و مطابق با قانون ژول دمای آن
آنقدر افزایش می یابد که انرژی الکترونهای
نوک آن به تابع کار خواهند رسید و در نتیجه الکترون از کاتد جدا می شود.
بطور کلی این نوع کاتد زمانی فراهم خواهد شد که از پلاریته مستقیم یا dcen بر روی الکترود تنگستنی داشته باشیم. الکترود تنگستن
خالص باید تا دمای ذوبش حرارت داده شود تا انتشار ترمویونی فراهم شود. هنگامی که
نوک الکترود ذوب شد به شکل نیمکره میشود و قوسی پایدار بر روی این سطح تشکیل خواهد شد. با
افزودن اکسیدهای توریم، زیرکونیوم و سریم به تنگستن تابع کار کاهش یافته و در نتیجه انتشار
ترمویونی در دمای پایینتری به وقوع می پیوندد و بدین صورت از ذوب شدن نوک الکترود
نیز پرهیز می شود. نوک این الکترودها معمولا نوک تیز خواهد شد تا انتشار ترمو یونی
در یک نقطه کاتد متمرکز شود. انتشار ترمویونی ابر الکترونی اطراف کاتد تولید میکند. اگر یک
الکترود با پتانسیل بالاتر مانند قطعه کار در نزدیکی این کاتد قرار بگیرد، جریانی
از الکترونها فراهم خواهد شد و نتیجتا قوس پایدار خواهد شد.
انتشار غیر ترمویونی یا
انتشار میدانی در اثر تخلیه الکتریکی حاصل از یک میدان الکتریکی خیلی زیاد
تشکیل خواهد شد. قطعا این میدان الکتریکی شدید
باعث خروج الکترونها از یک کاتد نسبتا سرد حرارت ندیده خواهد شد.
جوشکاری انتشار غیر
ترمویونی زمانی فراهم خواهد شد که از پلاریته معکوس یا dcep استفاده شود تا چگالی بالای یونهای مثبت موج در ستون
قوس در فاصلهای به نزدیکی 1 نانو متر یا 0.04 میکرو
اینچ سطح کاتد فراهم شود و بدنبال آن یک میدان الکتریکی متمرکز شدید تشکیل شود. حداقل
سه نوع کاتد غیر ترمویونی وجود دارد .
- نوع بخار که بر روی فلزات غیر فیلمی تشکیل
خواهد شد.
- نوع تونلی که بر روی
فیلمهای اکسیدی خیلی نازک تشکیل خواهد شد.
- نوع سوئیچینگ که بر روی
اکسیدهای ضخیم تشکیل خواهد شد.
در فرایندهای
جوشکاری با گاز محافظ ، ما همیشه با سطوح اکسیددار ( به استثنای نقره و طلا) روبرو هستیم در
حالیکه فراینهای جوشکاری با محافظت سرباره
نظیر جوشکاری زیرپودری و الکتروددستی، حداقل سرباره مذاب روی سطح جوش را میپوشاند. هرچند که
ماهیت کاتدی در جوشکاری با سرباره محافظ شناخته نشده است اما انتشار یونهای مثبت
فلزات قلیایی وقتی در محدوده دمایی 600 تا
1800 درجه سانتیگراد حرارت داده میشوند وجود دارد که این خود به حفظ پیوستگی جریان در جوشکاری با برق متناوب کمک میکند.
با حضور یک لایه
اکسید بر روی سطح کاتد، چون تابع کار کمتری دارند یونهای مثبت بر روی سطح اکسید
تجمع نموده و منجر به تشکیل یک میدان الکتریکی قوی خواهد شد. وقتی لایه اکسیدی به
نازکی یک لایه اتمی باشد، انتشار الکترون از طریق مکانیسم تونل زدن از میان لایه
اکسیدی فراهم خواهد شد . در اینگونه موارد، میدان الکترکی تشکیل شده به بیش از v/m
خواهد رسید که این میدان الکتریکی
قوی منجری به تشکیل تونل جریان الکترونها از میان لایه اکسیدی خواهد شد.
در مورد لایههای اکسید ضخیم
پدیده سوئیچینگ ، منجر به تشکیل مکانهای رسانای موضعی می شود. در این موارد
مکانهای انتشار منفرد به قطر 100 نانومتر و عمر 1 تا 1000 نانو ثانیه تشکیل خواهد
شد. در نتیجه لایه اکسیدی از روی نقاط انتشار پس زده می شود و جت بخار خیلی کوچک
اما شدید تشکیل خواهد شد. این مکانها در هر نقطه از پوشش که منبعی از یون مثبت
موجود داشته باشد تشکیل می شوند. به همین دلیل ریشه قوس بر روی سطح کاتد پیوسته
تغییر مکان می دهد و قوس نیز ناپایدار خواهد بود.
با جلوگیری از
تشکیل میدان الکتریکی قوی در میان لایه اکسیدی ، میتوان از تشکیل مکانهای انتشار متحرک نیز
جلوگیری نمود . بعنوان مثال یا لایه اکسید خیلی ضخیم بر روی سطح کاتد تشکیل شود یا
از تراکم یونها بکاهیم.
وقتی از جریان dcep یا ac استفاده می شود، تمیزکاری سطح کاتد رخ خواهد داد
که دلیل آن حذف لایه اکسیدی از روی نقاط انتشار به خاطر تشکیل جت بخار کوچک و شدید فلز پایه می باشد.
در فرایند جوشکاری تیگ و
میگ حضور ریشه کاتدی متحرک نامطلوب میباشد. در فرایند تیگ قوس به بالا و پایین سیم
جوش منحرف میشود. در فرایند میگ ، نیروی جت بخار فلزی قطره نوک الکترود را از قطعهکار دفع مینماید و ممکن است
آنرا در مسیری ناخواسته قرار دهد. از این نوع حرکت نامنظم با پوشش دادن الکترود با
یک ماده تابنده یا استفاده از فشار زیاد تا
ممانعت نمود.
چون ناپایداری قوس نامطلوب
میباشد از جریان
متناوب و dcep زمانی استفاده می شود که نیاز به تمیزکاری کاتدی یا
حداقل حرارت ورودی باشد.
البته در بعضی از مواد
میتوان مشکلات ناشی ازریشه قوس را محدود نمود. مثلا در جوشکاری میگ تسمه های
فولادی با گاز آرگون وقتی ، قطعه کار منفی میباشد، سرگردانی شدید ریشه قوس را میتوان با افزودن اکسیژن یا دیاکسید کربن به آرگون کاهش داد. همچنین ممکن
است با افزایش فشار نیز ممانعت شود. با افزودن اکسیژن به آرگون ضخامت فیلم اکسیدی
روی سطح فلز افزایش مییابد. افزایش فشار هم قطر منطقه رسانایی را کاهش داده و شاید وسعت محدوده
یونهای قابل دسترس را کاهش دهد.
در مورد فلزاتی که
اکسیدهای دیر گداز دارند مانند آلومینیوم، زدایش اکسیدها در اثر استفاده از کاتد
غیر ترمو یونی به عنوان یک مزیت محسوب میشود.
شکل کاتد
بطور کلی وقتی از پلاریته
مستقیم dcen ، استفاده میشود نوک
کاتد تنگستنی سنگ زده می شود تا بصورت نوک تیز درآید و سپس در بعضی
از موارد نوک آنرا کوتاه می کنند تا از تماس با مذاب و آلوده شدن حوضچه جوش جلوگیی
به عمل آید. تحت چنین شرایطی که نوک کاتد بصورت مخروط ناقص می شود، می توان گفت که
زاویه مخروط و قطر دایره نوک کاتد بر شکل حوضچه جوش تاثیر میگذارد. شکل زیر
تاثیر این دو پارامتر را بر شکل حوضچه جوش نشان می دهد.
پروفیل منطقه ذوب یک نقطه
جوش بر ر وی تسمه بصورت تابعی از هندسه نوک الکترود (گاز آرگون، 150 آمپر برای 2
ثانیه)
مشاهده می شود، وقتی با گاز آرگون بر روی یک تسمه نقطه جوشی با
فرایند تیگ ایجاد میشود ، با افزایش زاویه نوک الکترود تا 90 درجه، نسبت پهنا به عمق جوش افزایش مییابد و همین تاثیر را درمورد افزایش قطر نوک
الکترود نیز می توان مشاهده نمود. با افزایش زاویه نوک الکترود و قطر نوک مخروطی ،
شکل قوس از حالت زنگی شکل خارج شده و به شکل گلولهای درمیآید. همین نتایج را در جوشکاری تیگ پالسی نیز
میتوان مشاهده نمود،
که طی آن مجموعهای از نقاط جوش همپوشانی شدهاند.
وقتی از قوس برای پرکردن
درز استفاد می شود، شکل نسبی کاتد و آند از اهمیت بیشتر برخوردار خواهد بود. تخلیه
الکتریکی قوس تمایل به پیمودن مسیری در
میان کاتد و زمین می باشد که کوترین مقاومت الکتریکی را دارد. برای یک قوس پایدار
که در مرکز شیار قرار دارد، کوتاهرین مسیر بین نوک کاتد و کف شیار می باشد. بنابرین زاویه نوک کاتد باید
کمتر از زاویه شیار باشد، مگر اینکه پهنای شیار آنقدر باشد که بتوان از کوتاهی
فاصله نوک کاتد و زمین اطمینان حاصل نمود. البته در جوشکاری شیار حق تقدم با
پایداری قوس و دستیابی به حداکثر نفوذ می باشد.
اثر هندسه نوک الکترود بر طول مسیر کاتد تا زمین در جوشکاری
شیاری با شیارهای مختلف الف) شیار وی شکل
75 درجه ب) شیار لاله ای 40 درجه ج) شیار
باریک 10 درجه
آند در جوشکاری:
قسمت دیگر قوس الکتریکی آند میباشد. شکل زیر توزیع چگالی شدت جریان را در آند
نشان میدهد. سطح انتقال جریان اندکی کمتر از مقطع ستون قوس میباشد. حرارت وارد
شده به آند ناشی از تمرکز المترونها و حرارت منتقل و برگشت داده شده از ستون قوس
به آن میباشد. در قوسهای
با جریان یکنواخت و الکترود غیرمصرفی، حرارت در آند عموما بیش از حرارت تولیدی در
کاتد است. این پدیده به علت بمباران سنگین آند توسط الکترونهای شتابگرفته میباشد. کتب
مرجع اغلب دمای 4200 درجه برای آند و 3800 درجه سانتیگراد را برای کاتد گزارش
نموده اند.
توزیع شدت جریان در آند از الکترود تنگستن بر روی صفحه مسی با شدت جریان 200 آمپر
و گاز محافظ آرگون
مشاهده شده است که در
جوشکاری تیگ وقتی از جریان کم استفاده می شود ، لکه اندی، نقطهای ثابت روی قطعهکار می باشد. با
حرکت الکترود ، آند از نقطه ای به نقطه دیگر جابجا میشود. به این شرایط حال نقطه آندی گفته میشود. تحت بعضی از
شرایط با حالت آند نرمال مواجه میشویم که ثابت نمی
باشد.
با افزایش فشار محیط حالت
نقطه آندی در جریانهای بالاتر نیز پایدار میشود. البته جریانی که در آن حالت آند عوض می
شود نیز با بلندتر شدن طول قوس افزایش با تشکیل حالت نقطه آندی ریشه قوس آند محدود می شود. سپس جت پلاسمایی تولید میگردد که از سطح
آند دور می شود و با جت پلاسمای کاتد برخورد می کند . چنین آندهای ثابتی برای
جوشکاری مضرند و معمولا با آنها سروکار نداریم.
حالت آند نقطهای در قوس
تیگ با مشعل آب خنک و آند مسی ( جریان 15 آمپر و فشار
)
در جوشکاری از حالت نرمال
آند که قوس به شکل زنگ بوده و علاوه بر پایداری متقادن نیز هست و تحت تاثیر حرکت
آند نیز نمیباشد، استفده می شود.
معمولا
وقتی قطعه کار آند است، جت پلاسمای کاتد تا سطح آند کشیده می شود، قوس به اطراف
گسترش می یابد و چگالی جریان آندی نسبتا کم و از
است. افت پتانسیل آندی هم از افت پتانسیل کاتدی
کمتر و در گستره 1 تا 3 ولت است و در حالت استثنایی تا 10 ولت هم میرسد. این افت
پتانسیل در فاصله
متری رخ میدهد. در این ناحیه
الکترونها به سمت سطح فلز و یونها به طرف ستون قوس شتاب می گیرند. بطور استثنایی
یونها از ناخالصیهای موجود در فلز به وجود میآیند، اما در حالت عادی حمل جریان در سطح کلا
به عهده الکترونهاست و در منطقه افت آندی بار فضایی منفی وجود دارد. بنابراین
شرایط تعادل در این ناحیه برقرار نیست و مثلا تلاش برای تعیین دمای این ناحیه غیر
ممکن و در حقیقیت بی بعناست.
این نکته در ارتباط با
برهمکنشهای گاز- فلز در سطح آند اهمیت دارد. منطقی است اگر فرض کنیم که
انحلالپذیری گازهای دواتمی با افزایش درجه
یونیزاسیون آنها، افزایش می یابد.
.
اگر چه متغیرهای فرایند
جوشکاری ( نظیر جریان و ولتاژ ) تخلیه الکتریکی در کاتد را کنترل مینمایند، اما از
این لحاظ که جریان الکترونها از طریق لکه آندی به آن وارد میشوند و شامل 85
درصد انرژی وردی به حوضچه جوش می باشند ، بنابراین چگالی جریان تنها متغیر مهم بر
شکل حوضچه جوش میباشد.
برای یک آند تخت، حرارت
ورودی به ان شامل چگالش الکترونها بعلاوه افزایش انرژی در اثر عبور از ناحیه افت آندی و
حرارت ورودی بصورت جابجایی و تشعشع از قوس
می باشد. این توزیع معادل با افت حرارت از منطقه آند می باشد.
اندازهگیری چگالی جریان
و حرارت ورودی در آند منجر به در ک بهتر
پدیدههایی می شود که در
کاتد رخ می دهند و قابل کنترل توسط پارامترهای جوشکاری میباشند.
توزیع انتقال حرارت نسبی
به قطعه کار در جوشکاری تیگ الف) توزیع حرارت ورودی به آند ب) حرارت خروجی از کاتد
نسبت به تلفات حرارتی از حوضچه جوش
اثر تامسون در تلفات انرژی
بوسیله الکترونها ناشی از حرکت الکترونها از دماهای بالاتر به دمای پایینتر میباشد. مجموع تابع
کار و افت آندی و اثر تامسون در توزیع حرارت توسط الکترونها تقریبا 84 درصد میباشد. و 16 درصد
باقیمانده به علت اثرات حرارتی ناشی از تشعشع، جابجایی و رسانایی است. حدود 3 درصد
تلفات حرارتی از حوضچه جوش به علت تبخیر یونهای فلزی و تشعشع میباشد.
وزش قوس:
ممکن است ستون قوس بر اثر
وزش باد یا وجود میدان مغناطیسی عرضی منحرف شود. میدانهای مغناطیسی عرضی در نتیجه
شارش غیریکنواخت جریان الکتریکی در قطعهکار پدید میآیند. مثلا وقتی محل استقرار سیم اتصال زمین
بر روی قطعه بطور مناسب انتخاب نشود یا در فولاهای نیکل دار از مغناطیس شدن ماده
ناشی میشود. چنین
میدانهایی نیروی عرضی بر ستون قوس وارد نموده و سبب وزش قوس می شوند. میتوان با
اعمال یک میدان مغناطیس طولی ستون قوس را پایدار نمود و از وزش آن جلوگیری نمود. در جوشکاری با قوس تنگستن برای
پایدار کردن ستون قوس نوک الکترود تنگستنی را تیز نموده یا ضربانی با فرکانس متوسط
به جریان قوس اضافه میکنند.
+ نوشته شده در یکشنبه هجدهم فروردین ۱۳۹۲ ساعت ۱۱:۱۰ ق.ظ توسط محمد كاوسي
|
اين وبلاگ درراستاي اطلاع رساني به كليه همكاران در مراكز آموزش فني وحرفه اي وآموزشگاههاي آزاد وكارآموزان در شهرستان ملاير راه اندازي شده است.