قوس برقی

قوس برقی

قوس برقی (RLECTRIC ARC) عبارت است از تخلیه الکتریکی در محیطی گازی و در بین دو قطب ان جریان برقی به توسط گازهای یونیزه شده که “پلاسما” نامیده می شود انتقال می یابد. پلاسما از تعداد تقریبا متساوی الکترون و یون تشکیل شده است. جریان برق عمدتا به توسط این الکترون ها از قطب منفی (کاتد) به سوی قطب مثبت (اند) انتقال می یابد. پلاسما در قوس برقی جوشکاری، ممکن است با سایر اشکال تجلی ماده از قبیل مذاب فلزات، سرباره، بخار، گازهای خنثی و تهییج شده و مولکولها مخلوط شده باشد. از نقطه نظر کاربردی، بهتر است قوس جوشکاری را به صورت هادی گازی که انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی تبدیل میکند در نظر گرفت.
بسته به نوع منشا پلاسما و نوع جریان قوس درجه حرارت قوس جوشکاری در محدوده ۵٠٠٠ تا ٣٠٠٠٠ کلوین است. روکش الکترود در صورتی که حاوی موادی نظیر سدیم و پتاسیم که به اسانی یونیزه می شوندزباشد در انصورت حداکثر درجه حرارت قوس به بیش از ٣٠٠٠٠ درجه کلوین نیز می رسد. تمرکز زیاد حرارتی قوس و اندازه کوچک ان این امکان را بوجود می اورد که بتوان قطعات فلزی زخیم را با سرعت نسبتا زیاد، اتلاف حرارتی کم، پیوند عالی و با منطقه باریک حرارت پذیرفته کنار جوش (HAZ) جوشکاری نمود.
در قوس جوشکاری، حرارت در کاتد، پلاسما و اند بوجود می اید. حرارت کاتد عمدتا توسط بمباران یونی ایجاد می شود. حرارت پلاسما ماحصل تلاقی الکترون ها، یونها و اتمها با یکدیگر می باشد. حرارت اندی از تلاقی الکترون های ساطع شده به روی اند که باعث ازاد سازی مقدار متنابهی حرارت می شود بوجود می اید. این از ان رو است که انرژی ساطع شده الکترون هائی که از کاتد می اید به همراه انرژی اضافه ای که در حین شتاب در محدوده پلاسما و تحت تاثیر اختلاف پتانسیل بین دو قطب کسب میکند بسیار زیاد می باشد.
معمولا در منطقه کاتد و یا اند حرارت ازاد شده بسیار زیادتر از حرارتی است که در پلاسما و یا ستون قوس بوجود می اید. علاوه بر این باید به خاطر داشت که مقدار حرارت بوجود امده در کاتد و یا اند بسیار با هم تفاوت دارند که این تفاوت هم به نوع فلزاتی که الکترود و یا فلز مبنا از ان ساخته شده است و هم به منشا و نوع پلاسما بستگی پیدا میکند. توزیع حرارت بین کاتد و اند نرخ ذوب الکترود و میزان نفوذ ان در فلز مبنا را تعیین می نماید. این موضوع درمورد جریان مستقیم DC صدق می کند و درمورد قوس باجریان متناوب AC که در ان قطبیت ثابت نمی باشد کاربردی ندارد.
در حین جوشکاری تمامی حرارت ایجاد شده به توسط قوس صرف حرارت دهی و ذوب لبه های قطعه کار نمی شود و قسمتی از این حرارت به مصرف گرم کردن و ذوب الکترود و روکش ان می گردد و قسمتی از ان نیز به طریق تابشی و انتقالی هدر می رود.
حرارت ایجاد شده توسط قوس جوشکاری یا انرژی حرارتی قوس الکتریکی با استفاده از فرمول زیر قابل محاسبه میباشد:
w= V * A * T
زمان* شدت جریان* ولتاژ قوس= انرژی حرارتی قوس
با ایجاد صرفا ولتاژ مورد نیاز قوس در دو سر قطب های سرد نمیتوان قوس جوشکاری برقرار نمود. اجبارا باید ارتباطی انتقالی یا یونی بین این دو قطب بوجود اورد. برای این منظور باید ولتاژ کاملا زیادی بین دو قطب بوجود اورد تا باعث تخلیه الکتریکی گردد و یا دو قطب را برای تماس به یکدیگر نزدیک و سپس دور کرد. بمجره ایجاد قوس دوباره روشن کردن ان بعد از یک وقفه خاموشی لحظه ای نسبتا اسان می باشد. در صورت وجود مواد ناقل حرارت و جریان در روکش الکترود این دوباره روشن کردن قوس با سهولت بیشتری صورت می گیرد. قوس با جریان مستقیم DC پس از روشن شدن ثابت و برقرار می ماند ولی قوس با جریان متناوب AC بعلت سرشت متناوب بودن ان و به صفر رسیدن شدت جریان در هر سیکل ناپایدار است. برای برقراری مجدد قوس باید مقدار ولتاژ مورد نیاز در نقطه صفر شروع جریان وجود داشته باشد و برای همین منظور است که در ماشین های جوشکاری با جریان متناوب که به ترانسفورمر معروفند از ضریب قدرتی کمی (معمولا ٠/٣) در این ماشین ها استفاده میشود تا موج ولتاژ پیش از موج جریان باشد تا بدینوسیله ولتاژ مدار باز کامل ترانسفورمر در نقطه صفر جریان برقرار باشد تا قوس مجددا روشن گردد.
طول قوس پارامتر مهمی در جوشکاری قوس برقی می باشد زیرا طول قوس میزان ولتاژ قوس را کنترل می نماید. طول قوس کوتاهتر به معنای ولتاژ کمتر و شدت جریان بیشتر در قوس می باشد که در نتیجه نرخ نشست جوش و سرعت جوشکاری افزایش پیدا میکند. به همین منوال طول قوس درازتر به معنای ولتاژ بیشتر قوس و شدت جریان کمتر می باشد که منجر به راندمان کمتر جوشکاری میشود. وقتی طول قوس دراز باشد، اتلاف حرارتی بیشتر میشود و باعث افزایش پاشش (Spatter) شده و بعلت جذب ازت در فلز جوش، میزان تخلخل (porosity) در فلز جوش افزایش یافته و نتیجتا چقرمگی (toughness) جوش کاهش می یابد. در جوشکاری با جریان مستقیم DC باید کوتاهترین طول ممکن قوس استفاده شود تا انحراف و یا وزش قوس (ARC BLOW) و جذب ازت از هوا به توسط فلز مذاب جوش به حداقل رسد.