[CNC] Energie budget Lichtbogenschweißen

[Armin Faltl]

Hallo Paul,

über die Austrittsarbeit der Elektronen etc. schreibe ich nichts,
weil ich die Details nicht weiß.

Makroskopisch betrachtet ist die erforderliche bzw. gegebene Leistung
einfach U * I, wobei die Spannung unmittelbar zwischen Werkstück und
Elektrode gemessen wird.
Je nach Verfahren wird ein größerer oder kleinerer Teil dieser Leistung
ins Werkstück bzw. in in die Schmelzwärme eingebracht (ca. 0,4 - 0,9).
Die Lichtbogenspannung liegt in der Praxis meist zwischen 15V und 30V,
wenn man korrekt schweißt.
Die Verluste entstehen durch Abstrahlung von Energie aus dem Lichtbogen
in die Umgebung und Abwandern von Wärme (vor allem aus der Schmelze)
in die Umgebung.
Die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Metall verschwindet ja
nicht im Nichts, sondern die Elektronen tragen sie mit und heizen
damit entweder das Plasma im Lichtbogen oder die Gegenelektrode auf.
Daraus rührt übrigens der Unterschied im Schweißverhalten von
Elektroden am Plus- oder Minuspol.
Ein guter Teil der Schmelzleistung wird über Strahlung aus dem
Lichtbogen in den Werkstoff eingetragen, ein kleinerer Teil ist
Widerstandserwärmung.

Der Lichtbogen hat eher 8000°C+ (jemand bessere Zahlen?), daher
ist er eine intensive UV-Quelle - jedenfalls ist er deutlich
blauer als die Sonne.
Je länger der Lichtbogen, desto höher die Spannung.
Daher ist es wichtig, beim E-Hand-Schweißen den Lichtbogen
kurz zu halten (ca. 1/2 Elektrodendurchmesser bzw. 1,5 bis 4mm).
Macht man das nicht, steigt bei konstantem Strom die Lichtbogen-
Leistung, die Strahlungsquelle (der Lichtbogen) wird schlanker
und strahlt mehr zur Seite und man erzeugt Einbrandkerben.
Es wird auch das Werkstück unnötig bzw. schädlich erwärmt.
Es ist allerdings so, dass man den Effekt auch nutzen kann,
um am Anfang einer Naht durch kurzes leichtes Anheben der
Elektrode den Werkstoff lokal mehr zu erwärmen, Stichwort
"hot start".

Ich hoffe das hat zur Klärung beigetragen - mir ist nämlich
nicht ganz klar, was die Frage ist.
Danke für den Link.

LG, Armin


On 2017-01-06 21:11, Paul Hayden wrote:
> Leute, ich habe ein essentielles Problem mit der Theorie des
> Lichtbogenschweißens!
> 
> (Das hier ist für Schweißer und Theoretiker, den Anderen: Sorry for the
> spam!)
> 
> Damit Elektronen ein Metall verlassen, muss die Austrittsarbeit
> investiert werden, ca. 5eV bei Metallen.
> Ich habe die Temperatur des Lichtbogens, die Energie investiert: ca.
> 0.3eV bei 3000°, sind wir mal Gnädig und sagen 0.5eV.
> Das geht sich alleine so nicht aus. Ich habe mal das hier ausgegraben:
> https://canteach.candu.org/Content%20Library/20053426.pdf
> (Phsyik des Schweißens, würde ich allgemein sehr empfehlen!)
> die beschreiben da den Arc so, dass knapp vor der Kathode bzw. knapp vor
> der Anode die meiste Spannung abfällt. Physikalisch würde ich
> interpretieren, dass dort Ionen bzw. Elektronen fast frei beschleunigt
> werden, und mit dieser Energie ins Material einschlagen. Heißt,
> einschlagende Ionen setzen investieren nochmal Energie, nämlich U*q.
> Sind wir mal großzügig und behaupten, 60% der Spannung fallen direkt vor
> der Kathode ab. (realistischer sind 20-50%) Damit lässt sich diese
> Formel aus dem pdf gut nachvollziehen:
> Q = I*(V - phi - 3 k T / (2e) )
> Wobei Q der Wärmefluss, I der Strom, phi die 5eV austrittsarbeit sind
> und V die 60% angelegte Spannung.
> Soweit, so gut. Wenn man jetzt aber mit 5V schweißt, hat man plötzlich
> negativen Wärmefluss. Also die Kathode müsste gekühlt werden. Das ...
> stimmt halt nicht.
> (Man kann das auch umformen auf die Gleichgewichtstemperaturn: 3 k T/(2
> e) = V-Q, also auch negativ)
> 
> Mir fehlt eine Energiequelle. Oder ihr arbeitet alle mit tunnelnden
> Elektronen, was bei >10A Nobelpreisverdächtig wäre! ;)
> 
> mfg
>  Paul
> 
> 
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> CNC at lists.metalab.at
> https://lists.metalab.at/mailman/listinfo/cnc
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