Giỏ hàng

(0) sản phẩm

Đăng nhập

Đăng nhập/đăng ký

Sản phẩm

TIN TỨC

I.(4) Các hiện tượng vật lý trong Hồ quang hàn

Thứ sáu, 06/03/2020, 09:34 GMT+7

HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN XẢY RA TRONG VÙNG CẬN KATỐT VÀ ANỐT

1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN:

Quá trình hàn hồ quang chính là quá trình cháy hồ quang giữa hai điện cực hàn Anốt và katốt). Có thể định nghĩa hồ quang hàn: là vùng vật chất đặc biệt, bao gồm các phần tử tích điện (ion, điện tử, nguyên tử và cả khí…). Người ta gọi đây là trạng thái thứ tư của vất chất - trạng thái plasma. Tính chất cơ bản của loại vật chất trong cột hồ quang hàn là có tính dẫn điện và bức xạ nhiệt mãnh liệt. Hồ quang chỉ có thể xuất hiện khi giữa các điện cực (Anốt và katốt) tồn tại một thế điện năng nhất định.

2. CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA TẠI VÙNG CẬN KATỐT:

- Mật độ dòng điện tại katốt được xác định bằng phương trình RichardSon:

e₀
J_k = R.T_k².e ^ –( ______ ) (1)

K₀ . T

Trong đó:

R – hằng số, phụ thuộc vào bản chất vật liệu, hình dáng và kích thước katốt;

T_k – nhiệt độ tuyệt đối của vùng katốt;

0 – công thoát ra của điện tử;

K₀ – số điện tích. Đối với hồ quang hàn CO₂ thường được áp dụng cho dòng với mật độ 100 – 300 A/mm² .

- Nhiệt độ tại đây sẽ vào khoảng 3000 – 4000k và sự chênh lệch nhiệt độ sẽ là:

ΔT_k = T_max – T_k (2)

Dòng điện hướng về phía katốt có thể được xác định bằng biểu thức tương tự như tại anốt.

ΔT

Q_k = -η_kh ________ S_k (3)

l_k

S_k – Điện tích của vết hoạt tính katốt; η_kh – Hệ số hiệu suất.

Và phương trình cân bằng năng lượng tại đây sẽ là:

ΔT

U_k I_HQ = -η_kh _____ S_k (4)

l_k

Trong đó S_k – diện tích vết hoạt tính katốt; các kí hiệu khác như trong (2)

Nhiều tác giả cho rằng: Các điện tử có độ linh hoạt cao hơn so với ion dương không gây ảnh hưởng lên bề mặt khối katốt, kể cả khi số lượng của chúng chiếm đến phân nữa dòng hồ quang nói chung. Tính đến diện tích katốt và cường độ trường tại đó, mật độ dòng điện (10) có thể biểu diễn dưới dạng phương trình sụt thế tại katốt:

T_k^0,6 η_k^0,6
U_k = 2,3. __________ (5)

J_k^0,4 b_i^0,2

Trong đó: b_i = độ linh hoạt của các phân tử tích điện tại vùng katốt; các kí hiệu khác như trong (1) (4)

Tại đây dòng điện tử được tạo thành từ quá trình ion hoá mạnh liệt, bắn phá về phía anốt qua cột hồ quang hàn và đã chuyển tải một phần đáng kể năng lượng đến đó (anốt). Còn quá trình hoà nhập của kim loại lỏng vào bể hàn qua vùng này, được coi như không gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động của dòng điện tử tại đây (katốt).

Năng lượng cần thiết để các điện tử bứt ra khỏi điện cực phụ thuộc căn bản vào bản chất vật liệu điện cực. Chúng ta có thể thấy rõ vấn đề này qua bảng B.1

B.1 Công thoát của điện tử từ katốt

Vật liệu katốt

Công thoát [V]

Nhiệt độ [0°C]

Wolfram

Wolfram bor

Wolfram tof

Oxit boru

Oxit stront

Oxit canxi

Oxit manhieâ

Oxit nhom

4,54

1,56

2,3

1,65

2,07

2,37

3,10

4,70

500

1120

3. CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA TRONG VÙNG CẬN ANỐT

Để việc khảo sát các hiện tượng diễn ra trong hồ quang hàn bớt phần phức tạp và có ý nghĩa thực tế ta có thể tiến hành tìm hiểu vùng cận anốt của hồ quang hàn.

Cc nh khoa học đã ứng dụng các thành tựu và kết quả nghiên cứu của các ngành toán lý hiện đại vào việc khảo sát và xác định một số đại lượng vật lý của các hiện tượng diễn ra trong hồ quang hàn. Trong quá trình hồ quang hàn cháy, luồng điện từ phát xạ từ katốt và bắn hồ quang hàn phá vào anốt, giải phóng năng lượng tại đây. Kết quả là kim loại điện cực bị nung nóng chảy, làm cho một lượng nhất định kim loại anốt bay hơi (thường ở nhiệt độ khoảng 4000K, các kim loại đã sôi và có thể bay hơi) ở các vết hoạt tính dưới tác dụng của nhiệt hồ quang. Trong khi đó sự giảm nhiệt độ tại anốt xuất hiện với giá trị có thể xác định theo công thức:

T_a = T_HQ – T_sa (6)

Trong đó:

T_a – sự chênh lệch nhiệt độ từ anốt;

T_HQ – nhiệt độ hồ quang;

T_sa – nhiệt độ sôi của kim loại anốt.

T_HQ = 800U_cf (7)

Ở đây: U_cf – nhiệt độ hiệu dụng của hỗn hợp khí hồ quang hàn.

Trong trường hợp chiều dài anốt l_a = 10-4 cm và T_a = 3.10⁴ K, gradient nhiệt. Và ΔT/ l_a = 3.10⁷ K/cm, nghĩa là tại đây có một dòng nhiệt cực mạnh và có thể được xác định bằng phương trình:

T
Q_a = η_kh _____ S_a (8)

L_a

Trong đó: η_kh – hệ số dẫn nhiệt của khíhồ quang; S_a – diện tích của vết hoạt tính anốt.

- Lượng nhiệt này do chính công suất của nguồn hàn bù đắp, do đó các quá trình tại anốt tiếp diễn cũng đồng nghĩa nguồn điện hàn luôn cung cấp công suất và do đó HQH luôn duy trì. Phương trình cân bằng năng lượng tại vùng anốt:

T
U_a . I_HQ = - η_kh ______ S_a (9)

L_a

Trong đó:

I_HQ – cường độ dòng điện hàn;

U_a – điện áp rơi trên vùng cận anốt.

ΔT^0,6 η_kh^0,6
U_a = 2,65.10² ____________ (10)

J_a^0,4 . b_e^0,2

Trong đó:

J_a – mật độ dòng trung bình tại anốt;

B_e – độ linh hoạt của điện tử tại anốt.

- Trong vùng anốt, các phần tử phóng điện chủ yếu là các điện tử được bức xạ từ katốt đến. Tại đây sự hoạt động của các phân tử tích điện có mật độ P_e được xác định bằng độ linh hoạt của chúng. Đại lượng P_e xác định tính chất biến thiến cường độ trường tại anốt. Hệ số dẫn nhiệt tại đây cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến giá trị U_a, độ dẫn nhiệt càng cao thì sự sụt áp càng cao. Kết quả nghiên cứu tại viện hàn điện Paton đã khẳng định U_a= 4 –6 V đối với hồ quang hàn CO₂ với dây điện cực nóng chảy d_e = 1,2mm. Điện cực anốt không những nhận được năng lượng từ nguồn cấp U_a . I_HQ , mà quá trình hoạt động của luồng điện tử tại đây cũng cung cấp một năng lượng đáng kể cho anốt. Khi tương giao của ranh dưới khí – kim loại bởi các điện tử thế năng của chúng giảm tới công thoát và công này cũng truyền cho anốt

P_a – I_HQ (U_a + U_t) (11)

Trong đó: Ut – công thoát.

- Trong hồ quang hàn CO₂ bằng điện cực nóng chảy, U_a = 4,2 V; U_t = 4,36 V, thì mỗi ampe dòng dẫn qua anốt sẽ có công suất (4,2 +4,36) . 1 = 8,56 W. Công suất này đủ nung nóng đến chảy loảng hoàn toàn khoảng 14,5G/Ah điện cực được nung nóng chảy, phần công suất còn lại phục vụ cho quá trình nung nóng, bay hơi kim loại. Kết quả tính toán và thực nghiệm đã khẳng định công suất này chiếm khoảng 2V trên mỗi amper dòng.

Những vấn đề nêu trên đây là cơ sở để xác định năng lượng tại các vùng của hồ quang hàn. Đương nhiên năng lượng này còn phụ thuộc vào vật liêu điện cực, khí bảo vệ, cường độ dòng hàn, độ dài hồ quang hàn, độ dài tầm với điện cực… Thí dụ, đối với quá trình hàn trong Argon bằng điện cực Volfram có chiều dài của hồ quang hàn là 6mm, I = 200A thì sự phân bố năng lượng sẽ là:

- Tại vùng anốt: 80%

- Tại vùng katốt: 5%

- Trong cột hồ quang hàn: 15%

- Người ta đã cho rằng: khoảng một nửa năng lượng tại anôt là do dòng điện tử mang đến, nửa còn lại nhận được từ dòng plasma. Plasma trong hồ quang hàn được hình thành bởi dòng khí nóng đã bị ion hóa, chảy bao bọc có dạng ống đồng trục với trục của hồ quang hàn trong điều kiện hồ quang hàn cháy ổn định. Tốc độ chảy của dòng Plasma có thể đạt tới 105 cm/s. Plasma hàn ánh sáng trắng có kết quả bão hoà hơi kim loại điện cực đã bị ion hoá. Dòng Plasma có thể có nguồn của nó ở các điện cực. Hướng chuyển động của Plasma phụ thuộc đáng kể vào sự tác dụng của hướng trục hồ quang hàn. Lực này sẻ thay đổi hướng nếu có ảnh hưởng đáng kể của trường điện từ xuất phát tại bất kỳ nguồn nào. Đại lượng lệch hướng góc phụ thuộc vào mật độ dòng và công suất tác dụng của từ trường. Bởi vì trong dòng Plasma có mối quan hệ mật thiết với khí và nhiệt trong vùng hồ quang hàn nên có ảnh hưởng đến quá trình hình thành mối hàn, cũng như tính chất, sự chảy ngấu, hình dáng, kích thước và đặc biệt nhất là trạng thái bề mặt mối hàn.