IW - Generell teoretisk utbildning
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
A 1 Elektricitetens användning för bågsvetsning
Innehåll och förväntat resultat
Efter genomgången modul skall kursdeltagaren känna
till principen för elektrisk bågsvetsning såsom:
- Beskriva principen för bågsvetsning.
- Förklara värmeövergången i ljusbågen.
- Förklara materialtransporten i ljusbågen
- Förklara hur smältbadet bildas.
Oxygen = O2
Elektricitetens grunder
Molekyler
All materia innehåller elektrisk energi. Materien kan
förekomma som sammansatta ämnen av fasta, flytande eller gasformiga grundämnen. Exempel på grundämnen är järn, kol och oxygen. Alla grundämnen är
uppbyggda av atomer. I vissa grundämnen förekommer flera atomer, sammanlänkade med andra. En sådan förening kallas molekyl.
Hydrogen + Oxygen
= H2O
Atomer
Atomen består av en kärna samt en eller flera
elektroner som rör sig runt kärnan i bestämda banor
med mycket hög hastighet. I atomkärnan finns protoner med positiv laddning (+).
Elektronerna som kretsar i atomens ytterhöljen är
negativt (-) laddade. Normalt råder jämnvikt i atomerna, vilket innebär att de positiva och negativa laddningarna tar ut varandra. (Se bild)
Joner
Genom yttre påverkan kan atomen tvingas att lämna
ifrån sig elektroner som är negativt laddade. Då blir
atomen inte längre neutral utan positivt laddad. En
sådan positivt laddad atom har mist sitt ursprung och
är inte längre en atom. Den blir i detta tillstånd en jon.
Vilka laddningar som överväger avgör skillnaderna
mellan positiva joner och negativa joner.
Oladdad atom
De material vilka leder ström innehåller elektroner,
som har en dålig bindning till "sin" atomkärna (s k
ledningselektroner). Här hoppar elektronerna mellan
atomerna utan ordning. Om en sådan ledare ansluts till
ett elektriskt fält (spänning-volt) kan ledningselektronerna styras i en viss riktning. Detta är starten till en
elektrisk ström.
Den elektriska strömmen är bunden till ledaren, eftersom elektronerna i normala fall inte kan lämna den av
egen kraft. Elektronerna ska lämna ledaren vid speciella omständigheter, t ex vid hög temperatur eller som
ett överslag/gnista vid högspänning. Det kallas emittering.
© Lernia
Positiv jon
1
IW - Generell teoretisk utbildning
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
Elektricitetens natur
Ljusbågens effekt
Växelström ändrar riktning, storlek och polaritet (+ till
-) i jämna perioder. Växelström betecknas AC (Alternating Current). Symbolen för växelström är: ~
För att ett arbete ska kunna utföras måste energi tillföras. Energi är alltså lika med arbete. För att kunna
utföra ett elektriskt arbete, måste elektrisk energi tillföras.
Likström är ström som går i samma riktning hela
tiden. Förutsättningen är att spänningen i förhållandet
till en nollnivå, är antingen positiv eller negativ hela
tiden. Likström betecknas DC (Direct Current) och
har symbolen: =
Spänning, ström och resistans
Spänning är den kraft som verkar över polerna på en
strömkälla och som därmed kan förmå elektronerna
att vandra från den polen till den andra. Man kan
också jämföra med trycket i en vattenfylld behållare.
Spänningen betecknas med bokstaven U och man
mäter spänning i volt (V). I en krets mäts spänning
med en voltmeter. Voltmetern kopplas in parallellt i
kretsen.
Ström är det antal elektroner som passerar genom
tvärsnittet på en ledare på en sekund. Jämfört med
vattnet är strömmen flödet/minut. Ström betecknas
med bokstaven I och mäts i ampere (A). Man mäter
ström med en amperemeter och denna ska kopplas in i
serie med kretsen.
Resistans är detsamma som det motstånd i en krets
som gör att elektronerna bromsas upp. Resistansen i
ledare beror på tre faktorer:
Materialets egenskaper
Ledarens längd
Ledarens area
=P
=L
=A
.
Ju längre en ledare är desto större resistans har den.
Tunna ledare ger större resistans än grova ledare.
Eftersom spänning, ström och resistans finns i en
krets, så finns också ett samband mellan dessa. Ökas
spänningen så ökas också flödet medan resistansen
blir oförändrad. Vill man behålla samma ström när
spänningen ökas, måste restistansen ökas. Dessa sam.
band beskrivs med hjälp av Ohms lag = U = I R.
© Lernia
1 wattsekund (1 Ws) = 1 watt per sekund
1 kilowattimme (kWh) = 1000 watt per timme
Effekt är ett uttryck för hur snabbt energin omvandlas
till ett arbete. Arbete kan vara värme, ljussken, vridmoment eller som i detta sammanhang - ljusbåge.
Effekt kan därför sägas vara ett mått på arbetsförmåga.
Beteckningen för effekt är P och enheten är 1 Watt (1
W). I ett förenklat skrivsätt används P = 1 W, i stället
för "effekten är 1 Watt".
1 Watt
1 kiloWatt
1 MegaWatt
=1W
= 1 kW
= 1MW
= 1 000 W
= 1 000 000 W
Elektriska belastningar har alltid en viss energiförlust
angiven i effekt. Effekten hos en glödlampor kan vara
t ex 40 W, elmotorer på t ex 0,75 eller 3 kW etc.
Vilket ger formeln R = P L
A
Exempel:
U = spänning i Volt (V)
I = strömstyrka i Ampere (A)
R = Resistansen i Ohm (Ω)
Elmotorer, svetsmaskiner, elbelysning, TV-apparater,
datorer etc fungerar endast om de matas med elektrisk
energi. Energi betecknas W och kan mätas i wattsekunder (Ws), joule (J) eller newtonmeter (Nm).
Inom el används enheten 1 Ws eller den större enheten 1 kWh (1 kilowattimme).
U
I glödlampan omvandlas den elektriska energin till
värme och ljus och i en elmotor omvandlas energin till
roterande drivkraft.
En elektrisk glödlampa
fungerar endast om den
matas med elektrisk
energi. I glödlampanomvandlas den elektriska
energin till värme och
ljus.
I ·R
2
IW - Generell teoretisk utbildning
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
När det gäller svetsströmkällor anges effekten i
Ampere (A) där effekten omvandlas till ljusbåge och
värme.
Svetsströmkälla
I en elektrisk svetsströmkälla omvandlas energin
till värme och ljusbåge
Effektformeln
I svetskretsen utvecklas effekt som en produkt av
ström och spänning enligt formeln:
P = U
Watt
·
I
Volt Ampere
Svetsledare
W
V
A
kW
V
kA
Återledare
Formeln kan skrivas U = P/I eller I = P/U
Denna formel kan tillämpas vid mätning av strömförbrukningen på t ex en svetsströmkälla.
Räkneexempel vid svetsning med 20 V och 100 A:
P = 20 · 100 = 2 000 W = 2 kW
Ljusbågen som värmekälla
Elektrisk ström uppstår när fria elektroner rör sig åt
samma håll i en ledare. Elektronerna är bärare av
elektriska laddningar. Uppstår ett luftgap bryts elektronflödet och och strömmen. Joniseras luftgapet då,
återuppstår elektronflödet så, att strömkretsen sluts.
Vid joniseringen byter en del elektroner bana och en
del övergår till en bana med lägre energiinnehåll.
Energin som frigörs bildar elektromagnetiska vågor,
vilket ger ett tydligt sken. Ljusskenet som uppstår i
luftgapet är en ljusbåge som är av stor betydelse vid
bågsvetsning.
© Lernia
Svetsmaskinens tändspänning, (som av säkerhetsskäl
är 80 V vid växelströmssvetsning, men 120 V vid likströmssvetsning), är för låg för att tända ljusbågen
med ett överslag. Det krävs ca 5 000 Volt/mm tändspänning i ett luftgap. När elektrodspetsen kortsluts
mot arbetsstycket bildas ett elektronmoln runt
elektrodspetsen. Då svetsmaskinens tomgångsspänning verkar över luftgapet, kommer elektronerna att
"bombardera" arbetsstycket. I detta sammanhang
används uttrycket "elektronbombardemang" för att ge
ett begrepp om hur stor intensitet som äger rum i
denna process. Elektronernas rörelseenergi omsätts i
värmeenergi, när rörelsen bromsas upp mot arbetsstycket.
3
IW - Generell teoretisk utbildning
Detta är förklaringen till att arbetsstycket upphettas på
den punkt dit elektronbombardemanget riktas. På motsvarande sätt accelerar jonerna som lösgörs från arbetsstycket mot elektrodspetsen, vars temperatur bidrar till att nya elektroner sänds iväg. Eftersom elektronbombardemanget är intensivare än jonbombardemanget uppvärms anoden (+) mer än katoden (-) vid
svetsning med likström.
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
Elektronmoln
KATOD
När rörelseenergin övergått till värmeenergi upphettas
grundmaterialet till smältning och ett smältbad bildas.
Elektronrörelse
Jonrörelse
ANOD
Elektronernas rörelseenergi omvandlas till värmeenergi.
Svetsprocesser MMA, MIG/
MAG, TIG
Vid elektrisk bågsvetsning etableras en ljusbåge mellan en elektrod och och grundmaterialet.
Vid Manuell Metallbågsvetsning (MMA-111) tjänstgör elektroden också som tillsatsmaterial, dvs svetselektroden smälter succesivt och bildar tillsammans
med grundmaterialet svetsgods.
Då elektroden smälter under svetsförloppet, och då det
är viktigt att hålla en konstant längd på ljusbågen, ska
elektroden föras mot arbetsstycket med jämn hastighet.
Vid MIG och MAG-svetsningen (131/135) är förhållandet lika som vid MMA-svetsningen, dvs elektroden
är tillsatsmaterial. Skillnaden är att elektroden är upplindad på en bobin och matas ut genom ett kontaktmunstycke. Ljusbågens längd regleras genom det inställda värdet för spänningen, så att när svetsaren håller svetspistolen för långt från arbetsstycket ökar
utstickslängden och spänningen minskar.
Vid TIG-svetsning (141) används en speciell elektrod
av volfram och tillsatsmaterialet tillförs separat - för
hand eller med hjälp av ett matarverk.
© Lernia
Vid svetsning med metoderna 111, 131 och 135 är
elektrod och tillsatsmaterial detsamma. Vid svetsning
med metoden 141 används en volframelektrod och tillsatsmaterial tillförs separat.
4
IW - Generell teoretisk utbildning
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
Tillsatsmaterial
Svetselektroder för MMA-svetsning är uppbyggda av
en kärntråd och ett omgivande hölje.
Fäste
Hölje bestående av olika mineraler
OK 48.08
Spets
Diameter
Märkning
Kärntråd
Tillsatsmaterialet för MIG/MAG-svetsning kan vara
endera solid- eller rörformad. Den solida tråden består
av material lika grundmaterialet, eller legerad för att
uppnå vissa egenskaper, den rörformiga består av rörets väggar och med en fyllning av pulver, som till viss
del har egenskaper liknande höljet på en MMAelektrod.
Tillsatsmaterialet för TIG-svetsning består av en solid
svetstråd lika grundmaterialet eller legerad för att
uppnå vissa egenskaper.
Materialöverföring i ljusbågen
Det smälta materialet från tillsatsmaterial till smältbad
sker litet olika beroende på metod och tillsatsmaterial.
Vid MMA-svetsningen sker droppövergången i form
av stora droppar vid användandet av basiska elektroder, litet mindre från rutila och mycket små från sura
elektroder.
Vid MIG/MAG-svetsning sker droppövergången i
form av kort- eller spraybåge. Vid kortbågsvetsning
bildas en stor droppe i spetsen på elektroden, den
snörs av och dras in i smältbadet. Vid spraybågsvetsning - som sker på betydligt högre parametrar - sker
droppövergången i form av en dusch av små droppar.
© Lernia
Kärntråd
Elektrodhölje
Slagg
Rök
Smält hölje vandrar
till smältbadet där
det bildar t ex
slagg, legering etc
Droppövergång vid MMA-svetsning.
5
IW - Generell teoretisk utbildning
Modul A Elektricitetens användning för bågsvetsning
Svetsens form
Med formen på en svets menas form och utseende på
svetsrågen. I stort sett delas svetsens form in i tre delar, urgröpt, struken eller rågad.
Stumförband
Urgröpta och rågade svetsar formas direkt av svetsaren, medan strukna svetsrågar i allmänhet planbearbetas efter svetsningen.
Hörnförband
Urgröpt
Struken
Rågad
T-förband
Överlappsförband
Svetsningen av fogar kan indelas i 4 olika förband;
stum-, hörn-, T-, och överlappsförband (se bild t h).
© Lernia
Olika typer av svetsförband
6
