Warmtetransport bij het MIG-lassen. G. Senneker

Transcriptie

1 Warmtetransport bij het MIG-lassen G. Senneker

2

3 Warmtetransport bij liet MIG-lassen Afstudeerverslag van G. Senneker juni 1990 Afstudeerhoogleraar : Prof. Dr. G. den Ouden Begeleider : Ir. J.P. Zijp

4

5 INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING SUMMARY SYMBOLENLIJST 1 INLEIDING 1 2 THEORETISCHE ACHTERGROND Het MIG-lasproces De MIG-lasboog De boogzuil. (3) Het anodevalgebied. (4) Het kathodevalgebied. (4) De vermogensbalans van de lasboog. (5) 2.3 Het procesrendement Invloed van stroomsterkte op booglengte Invloed van de druppelovergang Literatuuronderzoek. 9 3 EXPERIMENTEN De opstelling De proeven Bepaling van het procesrendement 15 4 RESULTATEN EN DISKUSSIE Nauwkeurigheid van de methode Metingen in het open-booggebied: Metingen in het kortsluitbooggebied KONKLUSIES 24 6 REFERENTIES 26

6

7 SAMENVATTING In dit verslag wordt een onderzoek beschreven naar het procesrendement bij het MIGlassen als funktie van lasstroomsterkte, lasspanning en vrije uitsteeklengte. Er wordt gebruik gemaakt van Fe 510 proefplaten en het beschermgas is 80% Ar/ 20% CO^. Het procesrendement wordt met de kalorimetrische methode bepaald. In de kalorimeter bevinden zich thermokoppels, die de temperatuurstijging van het water in de kalorimeterbak registreren. Deze temperatuurstijging is maatgevend voor de hoeveelheid warmte die tijdens het lasproces in de proefplaat is gekomen. Deling van deze warmte door de door de lastransf ormator geleverde warmte levert het procesrendement. Er is gekeken naar het verband tussen procesrendement, stroomsterkte en vrije uitsteeklengte in het kortsluitbooggebied en in het open booggebied. Gebleken is dat het procesrendement in het algemeen toeneemt met toenemende stroomsterkte èn toenemende vrije uitsteeklengte. In het open booggebied neemt het rendement toe van ca. 50% tot ca. 80% bij een toename van de stroomsterkte van 200 tot 380 A. Vanaf ca. 300 A is de toename van het rendement gering tot nihil. In het kortsluitbooggebied ligt het rendement iets hoger dan in het open booggebied.

8

9 SUMMARY In this study the influence of arc current, arc voltage and electrode stick out on the process efficiency of the MIG welding process was investigated. The process efficiency is defined as the ratio of the power transferred to the workpiece and the gross arc power. Welding was performed on Fe 510 plates in a shielding gas atmosphere of 80% Ar/ 20% COg. To measure the process efficiency use was made of a calorimeter. The increase of the water temperature in the calorimeter is a direct measure of the total heat entering the welded workpiece. It appears, that the process efficiency is dependent on the drop transfer mode. In this study three transfer modes were observed: the short circuiting mode, the globular mode and the spray mode. In short circuiting mode process efficiency is higher than in globular-and spray transfer mode. Furthermore process efficiency was observed to increase with increasing welding current and increasing electrode stick out. In the case of an increase of the welding current from about 200 to 380 A process efficiency increases from ca. 50 to ca. 80%. From about 300 A there is a slight increase, or no increase at all of the process efficiency.

10

11 SYMBOLENLIJST b : breedte van de las : konstanten Cai : warmtekapaciteit aluminium : warmtekapaciteit water ^St : warmtekapaciteit staal D : diameter las e : elementaire lading ( '^^ 0) E : per lengteëenlieid omgezet vermogen H : warmtestroom h : warmteoverdrachtskoëfficiënt 1 : stroomsterkte lo 1 : laslengte : booglengte : vrije uitsteeklengte : massa aluminium kalorimeterbak massa water in kalorimeterbak massa las ms. massa staalplaat Am spatverlies Nu kengetal van Nusselt Q Qa Qa+ Qk vermogen voor verwarming anode Qk vermogen voor verwarming kathode Qs smeltwarmte staal (2.7.10* Jkg"^) Qv tijdens transport verloren warmte Qz zuilvermogen eindtemperatuur water en staalplaat Ï8 ' H20 begintemperatuur water begintemperatuur staalplaat T^' : omgevingstemperatuur T Sl smelttemperatuur staal Tlas gemiddelde temperatuur van de las ATs, : TL _ T ' St 'omg ^las lastijd V : lasspanning Va : spanningsval over het anodevalgebied Vk : spanningsval over het kathodevalgebied V. : spanningsval in de boogzuil V : voortloopsnelheid traverse ri : procesrendement ila : anodisch rendement Ilk : kathodisch rendement X : warmtegeleidingskoëfficiënt intreepotentiaal anode % uittreepotentiaal uit kathode

12

13 1 INLEIDING. Het booglassen wordt op grote schaal in de metaalverwerkende industrie toegepast voor het maken van verbindingen in konstrukties. Het MIG-lassen is een belangrijke booglastechniek, vooral wanneer het gaat om lassen waarbij een hoge neersmeltsnelheid belangrijk is teneinde een zo hoog mogelijke produktiesnelheid te bereiken. Tevens leent het MIG-lassen zich voor automatisering. Voor de uiteindelijke struktuur van het lasmetaal is de ingebrachte hoeveelheid energie per lengteëenheid van groot belang. Deze is niet zonder meer gelijk aan de hoeveelheid elektrische energie die in de lasboog wordt omgezet. Deze studie heeft tot doel meer inzicht te krijgen in het mechanisme van warmte- en materiaaltransport bij het MIG-lassen. In het bijzonder wordt gekeken naar het procesrendement en de verandering daarvan na variatie van enkele procesparameters bij het lassen van Fe

14 lasdraad - beschermgas li gestold lasmetaal moedermateriaal smeltbad figuur 1: Een sciiematische voorstelling van het MIG-/MAG-proces (Ref. 2) Heat Affected Zone figuur 2: Energieverliezen bij het lassen (Ref. 3)

15 2 THEORETISCHE ACHTERGROND. 2.1 Het MIG-lasproces. Het MIG-lassen Is een verbindingstechniek waarbij een elektrische boog ontstoken wordt tussen de afsmeltende elektrode en de te verbinden metaaldelen. Op basis van het gebruikte beschermgas kan men onderscheid maken tussen het MIG- en het MAG lassen. De afkorting MIG staat voor Metal Inert Gas, het lassen met een inert gas of gasmengsel. In de literatuur wordt het MAG-lassen (Metal Active Gas) vaak bij het MIG-lassen ingedeeld. Bij het MAG-lassen voegt men een beetje zuurstof of kooldioxyde toe aan het inerte gas om de lasboog te stabiliseren en de vloeieigenschappen van het gesmolten lasmetaal te verbeteren. Soms wordt alleen kooldioxide als beschermgas gebruikt (Refs. 1, 2). Het beschermgas, dat om de afsmeltende elektrode heen naar buiten wordt gestuwd heeft als funktie de interaktie van gesmolten metaal met elementen uit de omgevingsatmosfeer tegen te gaan (fig. 1). De essentie van het MIG-lasproces is dat er een smeltbad van moeder- en elektrodemateriaal wordt gevormd, dat na stolling een kontinue verbinding oplevert met - bij benadering - dezelfde mechanische eigenschappen als het moedermateriaal. De warmte die in de lasboog wordt ontwikkeld, is bedoeld om moedermateriaal en elektrodemateriaal te smelten. Een gedeelte van de ontwikkelde warmte gaat echter verloren (fig. 2). Hiervoor zijn de volgende oorzaken aan te geven: er is warmteverlies naar de omgeving door straling, geleiding en konvektie; er is verlies door koeling van de draadaanvoerinrichting in de buurt van de boog; er treedt spatverlies op (in het bijzonder bij het lassen met een behoorlijk percentage COj in het beschermgas). Spatverlies is het gewichtspercentage afgesmolten lasdraad dat niet in het lasbad terecht komt. In het hierna volgende zal een korte beschrijving worden gegeven van de lasboog. Voor uitgebreidere informatie over de lasboog wordt verwezen naar de literatuur (Refs. 2, 4, 5, 6). 2

16 anodeval boogzuil kathodeval figuur 3: Verloop van de boogspanning (Ref. 2)

17 2.2 De MIG-lasboog. In de lasboog vindt stroomtransport plaats van de anode naar de kathode door een hete, gedeeltelijk geïoniseerde gaskolom: het boogplasma. De anode (in het algemeen de afsmeltende elektrode) en de kathode zijn relatief koud ten opzichte van de gaskolom, die in temperatuur kan variëren van 5000 K tot K. De elektronen komen vrij door thermische emissie en veldemissie aan de kathode en door ionisatie in het boogplasma. De elektronen bewegen zich richting anode terwijl de ontstane positieve ionen richting kathode gaan. De bijdrage van de positieve ionen aan de stroomsterkte is ten gevolge van hun veel grotere massa overigens verwaarloosbaar klein (Refs. 2, 4). Figuur 3 geeft het spanningsverloop over de boog weer. Uit de figuur blijkt dat er drie gebieden zijn te onderscheiden in de lasboog, te weten: de boogzuil; het anodevalgebied; het kathodevalgebied. Deze drie gebieden zullen hieronder kort worden besproken De boogzuil. Zoals in figuur 3 te zien is omvat de boogzuil het overgrote deel van de boog. De veldsterkte in de boogzuil is klein in vergelijking met die in het anode- en kathodevalgebied. Het spanningsverloop over de boogzuil is bij benadering lineair. De elektronendichtheid en dus ook de ionisatiegraad zijn bepalend voor het voortbestaan van de boog. De ionisatiegraad is een funktie is van de temperatuur. De boog blijft alleen bestaan als minstens net zoveel warmte wordt ontwikkeld als verloren gaat bij de diverse warmtetransportprocessen. De zuil ontvangt zijn energie van elektronen en ionen, die over een gemiddelde vrije weglengte worden versneld en vervolgens tegen gasatomen, elektronen of positieve ionen botsen. Er gaat warmte verloren door straling, geleiding en konvektie. 3

18

19 Bij het MIG-lasproces spelen plasmastromingen een zeer belangrijke rol bij het warmtetransport. Plasmastromingen ontstaan als volgt: door interaktie tussen de bewegende ladingsdragers wordt een Lorentz-kracht opgewekt, die de elektronen naar het centrum van de boog dwingt. Indien het oppervlak van de dwarsdoorsnede van de boog niet konstant is, treedt er over de boog een drukgradiënt op. Snelheden die ten gevolge hiervan in de boog bereikt worden kunnen oplopen tot 200 m/s. Dit verschijnsel wordt plasmajet genoemd (Ref. 5). Aangezien de stroomdichtheid toeneemt met afnemende elektrodediameter neemt de intensiteit van de plasmastromingen toe als de diameter van de elektrode afneemt Het anodevalgebied. Het anodevalgebied is een zeer dunne laag (10' -10"^ m) die de overgang vormt tussen de relatief koude anode en de relatief hete boogzuil. In de boogzuil wordt de stroom zowel door positieve ionen als door elektronen overgedragen, maar vlak voor de anode is de stroom een pure elektronenstroom, daar er geen ionen uit het anodemateriaal geëmitteerd kunnen worden. Tengevolge hiervan ontstaat vlak voor de anode een overmaat aan negatieve ruimtelading, die een spanningsval van 1-5 V veroorzaakt Het kathodevalgebied. Het kathodevalgebied is het overgangsgebied tussen de boogzuil en de kathode, met een dikte van dezelfde ordegrootte als die van het anodevalgebied. Het kathodevalgebied wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van positieve ruimtelading, waardoor een potentiaalval van 5-20 V ontstaat. De kathode is de leverancier van elektronen die vrijgemaakt worden door thermische emissie en/of veldemissie. De vrijgemaakte elektronen bewegen zich door het kathodevalgebied en de boogzuil in de richting van de anode. 4

20

21 2.2.4 De vermogensbalans van de lasboog. In het voorgaande werd reeds melding gemaakt van het feit dat het spanningsverloop over de lasboog niet lineair is (fig. 3). Hierdoor komt een onevenredig groot gedeelte van de totale boogenergie ten goede aan de anode en de kathode. Dit maakt de lasboog uitermate geschikt als warmtebron voor het lassen. Voor beide valgebieden kan een energiebalans opgesteld worden als de volgende aannames worden gedaan: -de warmteafgifte aan de omgeving van de elektrode is verwaarloosbaar klein; -de Joule-verhitting van de elektrode is verwaarloosbaar klein; -metaalverdamping treedt niet op. In het kathodevalgebied wordt een hoeveelheid vermogen geproduceerd ter grootte van het produkt van de spanningsval V^, en stroom I. Het kathodevalgebied ontvangt ten gevolge van straling en geleiding een hoeveelheid van het zuilvermogen ter grootte c^vj. Het uittreden van de elektronen uit de kathode kost een hoeveelheid vermogen gelijk aan het produkt van uittreepotentiaal en stroom I. De kathode is aanzienlijk kouder dan de boogzuil. De elektronen moeten bij het overschrijden van de grens met de boogzuil van de kathodetemperatuur T,, op de zuiltemperatuur gebracht worden. Hiervoor dient een hoeveelheid vermogen ter grootte 3k(T,-TK)l/2e opgebracht te worden. Een hoeveelheid vermogen ter grootte Q,, blijft over voor de verwarming van de kathode. Deze beschouwing leidt tot de volgende vermogensbalans: V + c,v,l = 3y"--T^) + Q, (1) ln formule (1) staat het ontvangen vermogen links van het =-teken en rechts staat het afgestane vermogen. Voor het anodevalgebied kan een soortgelijke beschouwing worden gegeven. Het verschil is dat de elektronen het anodegebied vanuit de boogzuil binnen komen, zodat de uittreeënergie en de thermische energie van de elektronen bijdragen aan de per 5

22

23 tijdseenheid geproduceerde hoeveelheid energie. Dit in overweging nemend krijgt de vermogensbalans voor het anodevalgebied de volgende gedaante: VJ + c,vj + OJ +, - (.T-Ial- I = (2) Uit de formules (1) en (2) blijkt dat in het algemeen groter zal zijn dan Q,,, tenzij V^ groot is ten opzichte van V^. In de formules (1) en (2) wordt voorbij gegaan aan het vermogen, dat door massatransport van het toevoegmateriaal wordt ingebracht. 2.3 Het procesrendement. Het door de lasboog ontwikkelde vermogen is het produkt van de spanning V over de boog en de stroomsterkte I door de boog. Per lengteëenheid van de las wordt in de boog de in formule (3) vermelde energie omgezet: De in de boog ontwikkelde warmte wordt in drie verschillende richtingen afgevoerd: - naar het werkstuk - naar de laselektrode - naar de omgeving. Een deel van de warmte die in het werkstuk komt vormt het lasbad; de rest wordt door geleiding afgevoerd. Op haar beurt staat het werkstuk weer warmte af aan de omgeving. Bij het MIG-lassen komt bijna alle warmte die in de elektrode opgenomen wordt ten goede aan het werkstuk. Er wordt alleen wat warmte afgevoerd naar het koelwater van de toorts. Hierbij is voorbij gegaan aan de warmte die de afsmeltende lasdraad aan de omgeving afstaat. Het percentage van de in de boog geproduceerde energie dat uiteindelijk in het werkstuk terecht komt, wordt het procesrendement genoemd. Het procesrendement ri is bij het lassen met afsmeltende elektrode als volgt gedefinieerd: 6

24 figuur 4: De stroom-spanning karal<teristiel< van een stroombron en van een boog (Ref. 2)

25 ri = X 100% (4) Hierin is Q (= + de hoeveelheid vermogen die uiteindelijk in het werkstuk belandt. 2.4 Invloed van stroomsterkte op booglengte. In figuur 4 is een voorbeeld van een stroom-spanning karakteristiek van een stroombron weergegeven. Hoewel deze karakteristiek bij een MIG-stroombron veel vlakker is, maakt deze overdreven helling het effekt dat optreedt aanschouwelijker. In deze figuur is namelijk eveneens de stroom-spannings karakteristiek van een boog met lengte I weergegeven. Het werkpunt W is het punt waar aan beide karakteristieken wordt voldaan en het punt waarbij de boog onder gegeven omstandigheden brandt. Indien nu één van de drie in de figuur aangegeven parameters wordt veranderd, veranderen de andere twee mee. Stel bijvoorbeeld dat de stroomsterkte I wordt opgevoerd. Dit houdt door de dalende karakteristiek van de MIG-stroombron in dat de boogspanning V daalt. Tevens zal de booglengte afnemen, omdat het werkpunt W naar rechts verschuift. Het gevolg van genoemd fenomeen voor dit onderzoek is dit: telkens als men de stroom opvoert, nemen spanning en booglengte af. De spanningsafname is echter niet erg groot bij een MIG-bron en wordt verder verwaarloosd. De afname van de booglengte zal invloed uitoefenen op de waarde van het rendement, omdat het stralingsverlies naar de omgeving hierdoor afneemt. De hoeveelheid energie die het elektrodemateriaal opneemt verandert eveneens, omdat de afstand die wordt afgelegd door de boogzuil afneemt. Tengevolge hiervan neemt de hoeveelheid energie die het elektrodemateriaal opneemt af. Tevens zal de netto-invloed van de stroomsterkte niet bepaalbaar zijn, zolang de booglengte niet vastgelegd kan worden. In geval van een dalende karakteristiek is het dus onmogelijk om stroomsterkte en booglengte onafhankelijk van elkaar te variëren. 7

26 Ö 300 lasstroom in A figuur 5: De diverse typen druppelovergang als funktie van stroom spanning (88 % Ar, 12 % CO,) (Ref. 7) figuur 6: Rendement als funktie van lasstroom (Ref. 8)

27 2.5 Invloed van de druppelovergang. Bij het i\/llg-lassen wordt een gedeelte van de warmte overgedragen door de druppels afgesmolten elektrode. Het materiaaltransport bij het MIG-lassen is afhankelijk van het type beschermgas, de polariteit en de stroomsterkte. In argonrijk beschermgas, waarmee bij het onderzoek gewerkt is, vindt materiaaloverdracht bij lagere stroomsterkte plaats in de vorm van grove druppels met een diameter van enkele malen de elektrodediameter ('drop transfer'). De druppelfrequentie is enkele tientallen druppels per sekonde. Boven een zekere kritische stroomsterkte gaat de materiaaloverdracht plotseling over in een gerichte stroom veel kleinere druppels met een frequentie van enkele honderden per sekonde ('projected transfer'). Beide typen materiaaloverdracht treft men aan boven een zekere boogspanning. Genoemde typen materiaaloverdracht liggen in het open-booggebied. Gaat men onder deze boogspanning zitten dan komt men in het gebied van het kortsluitbooglassen, waarbij enkele tientallen malen per sekonde een kortsluiting optreedt tussen elektrode en werkstuk. Materiaaloverdracht vindt plaats tijdens deze kortsluitingen. Zie voor een globale onderverdeling van bovengenoemde gebieden figuur 5. De onderzoekers Waszink en van den Heuvel (Ref. 8) hebben onderzoek gedaan naar het mechanisme van de druppelovergang bij het MIG-lassen. Ze hebben gevonden dat de materiaaloverdracht bij het open booglassen van 'drop'- naar 'projected transfer' over gaat indien de som van de Lorentzkracht op de druppel gesmolten elektrodemateriaal en de kracht uitgeoefend door het de druppel binnen komende elektrodemateriaal gelijk is geworden aan de ondersteunende kracht ten gevolge van de oppervlaktespanning. Het ligt in de verwachting dat het rendement bij het kortsluitbooglassen hoger ligt dan bij beide andere vormen van materiaaloverdracht, omdat de boog bij dit proces niet gedurende de gehele lastijd brandt waardoor het stralingsverlies beperkt wordt. Bij beide andere typen materiaaloverdracht is minder duidelijk een onderscheid voor het te verwachten procesrendement te geven. Het zou kunnen zijn dat bij 'projected transfer' een grotere metaalverdamping optreedt, omdat het buitenoppervlak van de vele honderden druppeltjes, die per sekonde geproduceerd worden samen groter is dan dat van de enkele tientallen druppels bij 'drop transfer' per sekonde geproduceerd worden. Tevens kunnen de kleinere 8

28 / A f, const. V, ' 0,77cm/s O f. U,30kl/cm, V, ) const O f, ij.s! iij/cm, v. t const 200 iio WO Schweinstrom 350 ioo (50 figuur 7: Rendement als funktie van lasstroom bij tiet lassen van Fe (Ref. 9) ' lotol - GMAV^ 1.6 mm 4043 Flllor Molal - - are - " droplols cathodo 1 1 Current x Vollogo, kw figuur 8: Rendement als funktie van boogvermogen (Ref. 10)

29 druppels om dezelfde reden gemakkelijker warmte opnemen. Beide effekten hebben een tegengesteld effekt op de overgedragen hoeveelheid warmte. 2.6 Literatuuronderzoek. De onderzoekers Probst, Hartung en Anneoke (Ref. 9) hebben onderzoek gedaan naar het procesrendement als funktie van de stroomsterkte en boogspanning bij het COg-lassen met een lasdraaddiameter van 1.6 mm en een vrije uitsteeklengte van 20 mm. De door hen gevonden verbanden tussen stroomsterkte, lasspanning en rendement worden gegeven in figuur 6. Het rendement neemt af met toenemende lasspanning en tot een zeker maximum toe met toenemende stroomsterkte. Probst cs. maken gebruik van de kalorimetrische methode waarbij de plaat zich tijdens het lassen al in de kalorimeterbak bevindt. Eichhorn en Niederhoff (Ref. 10) hebben eveneens onderzoek gedaan naar het verband tussen procesrendement en stroomsterkte bij het COa-lassen van Fe 37 met een 1.6 mm elektrode en een vrije uitsteeklengte van 20 mm. Het beschermgasdebiet bedroeg 15 I/min. Hun resultaten zijn weergegeven in figuur 7. Het rendement neemt eerst af met de stroomsterkte en daarna toe tot een zeker maximum. Deze onderzoekers hebben de temperatuurcyclus gemeten met in het smeltbad gedoopte thermokoppels. Uit de temperatuurcyclus hebben ze de warmteïnbreng en het rendement berekend. Hoewel de procesparameters bij beide onderzoeken overeenkomen, doen de resultaten dit niet geheel. De aanvankelijke daling van het rendement die Eichhorn cs. vinden, vinden Probst CS. niet. Verder komen de kurven goed overeen. Onderzoek naar het verband tussen procesrendement en boogvermogen is gedaan door Lu en Kou (Ref. 11) bij het MIG-lassen van aluminium. De onderzoekers maakten hierbij gebruik van de kalorimetrische methode waarbij de proefplaat zich tijdens het lassen in de kalorimeterbak bevindt. Er werd onder zuiver argon gelast met een 1.6 mm elektrode. De onderzoekers vinden een procesrendement van ca. 80 % over een vermogensbereik van ca. 1 tot ca. 8 kw. Hieraan dragen de druppels ca. 25 % bij. Straling en geleiding van het boogplasma naar het werkstuk en de elektronenstroom van de kathode dragen respektievelijk ca. 10 en ca. 45 % bij. Hierbij is de warmte die afgevoerd wordt door de 9

30

31 elektrode verwaarloosd. Hun resultaten zijn weergegeven in figuur 8. Het procesrendement neemt iets af met toenemend boogvermogen. 10

32 figuur 9: Plaats van de thermokoppels op de kalorimeterbak beschermgas weegschaal 6-kanaals schrijver draadaanvoereenheid besturingseenheid lasmonitor gelijkrichter figuur 10: Overzichtsfoto van de opstelling

33 3 EXPERIMENTEN. Om de warmteoverdracht bij het MIG-lasproces beter te kunnen begrijpen en de faktoren die hierbij een rol spelen in een model te kunnen vastleggen is onderzoek gedaan naar het procesrendement als funktie van lasstroom, boogspanning en vrije uitsteeklengte. Bij deze rendementsbepaling is gebruik gemaakt van de kalorimetrische methode, waarbij de proefplaat na het lassen overgebracht wordt naar een bak met water. De temperatuurverhoging van het water is bepalend voor de bij het lassen in de proefplaat ingebrachte warmte. In de volgende paragrafen zullen de meetopstelling en de experimenten worden besproken. 3.1 De opstelling. Bij de proeven is gebruik gemaakt van de kalorimetrische methode, waarbij de proefplaat onmiddellijk na het lassen overgebracht wordt in een aluminium bak met 6.6 liter water. Er is gekozen voor deze methode, omdat een andere kalorimetrische methode - waarbij de plaat gelast wordt terwijl zij zich al in de kalorimeterbak bevindt, aan vijf zijden omsloten met water - het nadeel heeft dat het water dicht in de buurt van de plaat de neiging heeft om te gaan koken. Hierdoor ontstaat een onkontroleerbaar warmteverlies (Refs. 4, 12; bijlage 1). Tevens is er bij de proeven zorg voor gedragen dat de las over de gehele lengte in één keer onder water verdwijnt, omdat bij voorbereidende onderzoekingen is gebleken dat dan minder verliezen ontstaan door verdamping dan wanneer de las langzaam in de lengterichting ondergedompeld wordt (Ref. 12). Het water in de kalorimeterbak wordt met behulp van een pomp met een kapaciteit van 250 liter per uur geroerd. Het gehele binnenwerk van de pomp, alsmede de toe- en afvoerslang zijn van kunststof, zodat voor extra warmte ingebracht door de arbeid van de pomp niet gevreesd behoeft te worden (zie bijlage 1). De kalorimeterbak is van aluminium, omdat dit een goede, relatief goedkope warmtegeleider is. Om de aluminium bak heen is een isolatielaag van glaswol aangebracht. Het geheel zit in een PVC buitenbak. Tevens is de bak voorzien van een met glaswol geïsoleerd deksel. 11

34 figuur 11: De traverse figuur 12: Detailfoto van de opstelling

35 De temperatuurmeting van tiet water in de [<alorimeterbak geschiedt met drie chromelalumel thermokoppels (zie fig. 9). Er is met drie koppels gemeten omdat er bij dit onderzoek niet bij voorbaat is aangenomen dat de menging in de kalorimeterbak ideaal is. Deze drie thermokoppels geven door temperatuurverhoging elk een bepaald spanningsverschil. Door middeling achteraf wordt een betere menging nagebootst. De thermokoppels zijn met referentiethermokoppels in smeltend ijs geschakeld. Er wordt gemeten in een gebied waar het spanningsverschil van de thermokoppels lineair afhankelijk is van de temperatuur (Refs. 12, 13). De thermospanningen worden geregistreerd door een zes-kanaals schrijver. Een voorstelling van de proefopstelling is weergegeven in de figuren 10, 11 en 12. In figuur 10 staan links achtereenvolgens: een digitale weegschaal om proefplaten voor en na het lassen te wegen; een 6-kanaals schrijver voor registratie van temperatuurverschillen en boogvermogen; een besturingseenheid voor lasbron, draadaanvoereenheid, gastoevoer en traverse. Linksonder staat een lasmonitor die lasspanning en -stroom nauwkeurig registreert en uitgangssignalen produceert voor een elektronische vermenigvuldiger (niet in de figuur). Nadat deze uitgangssignalen zijn vermenigvuldigd, wordt het produkt (het vermogen) geregistreerd door de schrijver. Deze vermenigvuldiger is noodzakelijk, omdat stroom en spanning gedurende het lasproces niet konstant zijn en bovendien een faseverschil vertonen. In figuur 11 is de traverse afgebeeld. Deze zorgt voor transport van een proefplaat onder een op een vaste plaats hangende lastoorts. Tevens is op de traverse een viertal elektronisch bestuurde pneumatische griptangen aanwezig, die een proefplaat vastklemmen. In figuur 12 staan de weegschaal, de schrijver en de besturingseenheid vergroot weergegeven met daarnaast de kalorimeterbak. Om de reproduceerbaarheid van de metingen zo groot mogelijk te maken, is het lasproces geheel geautomatiseerd. De proefplaat wordt met de vier griptangen ingeklemd op de proeftafel. De lastoorts wordt met de besturingseenheid op de juiste plaats boven het werkstuk gehangen. Vervolgens wordt met de besturingseenheid de lasboog ontstoken èn het werkstuk met een tevoren ingestelde snelheid in beweging gezet. Als de las gelegd is springen de griptangen automatisch los en wordt het werkstuk naar de kalorimeterbak 12

36

37 overgebracht. Dit overbrengen neemt circa vijf sekonden in beslag. De warmte die in die tijd aan de omgeving wordt afgestaan is te verwaarlozen (zie bijlage 1). Voor de bepaling van het spatverlies (de hoeveelheid afgesmolten lasdraad die niet op de proefplaat terecht komt) wordt het verschil bepaald tussen de gebruikte hoeveelheid lasdraad en de gewichtstoename van de proefplaat. Het gewicht van de proefplaat wordt bepaald met een digitale weegschaal. Deze weegschaal is nauwkeurig tot op een honderdste gram. De registratie van het draadverbruik geschiedt met behulp van een infrarood optocoupler. Deze registreert het aantal spleetjes in een wiel dat tussen de beide "oogjes" van de coupler doorloopt. Dit wiel is star verbonden met een rol die met de aangevoerde lasdraad meedraait. Om slippen van dit wiel te voorkomen zit er op de rol een drukrol. Het aantal spleetjes wordt weergegeven op een display van de besturingseenheid. Met behulp van het getal op de display en het massaverschil van de proefplaat voor en na het lassen is het spatverlies te bepalen. De temperatuur van het water in de bak en de proefplaat, voordat er gelast, is behoeft niet dezelfde te zijn. Als de plaat iets kouder is dan het water, wordt een deel van de tijdens het lassen ingebrachte warmte gebruikt om de plaat op watertemperatuur te brengen. Dit heeft tot gevolg dat de gevonden rendementswaarde te laag is. Is de plaat voor het lassen daarentegen iets warmer dan het water, dan wordt het water opgewarmd door de tijdens het lassen ingebracht warmte èn door de plaat. Dit wordt ondervangen door de temperatuur van water en plaat voor het meten te bepalen met een digitale thermometer met thermokoppel. Dit thermokoppel is geijkt met een nauwkeurige kwikthermometer. De nauwkeurigheid van de digitale thermometer is niet erg groot ( ). Wat betreft de temperatuur van het water in de kalorimeterbak voor het dompelen is dit niet erg, het gaat immers om het temperatuursverschil, dat met een grotere nauwkeurigheid (± 0.01 C) door de thermokoppels in de kalorimeterbak die verbonden zijn met de schrijver wordt bepaald. Het brengt wel een onnauwkeurigheid in de meting door de fout in de temperatuursbepaling van de proefplaat voor het lassen. Deze kan echter verwaarloosd worden (zie bijlage 1). 13

38 tabel 1: Chemische samenstelling van proefplaten en lasdraad Fe 510 (proefplaten): SG 2 lasdraad: Legeringselement Grensgehalte in % draad lasmetaal (CQQ lasmetaal (menggas) Aluminium 0,10 o/^c 0,1 0,1 0,08 Borium %Mn 1,5 1,2 1,4 Chroom (1) 0^30 %Si 0.9 0J_ 0.8 Kobalt 0,10 Koper (1) 0,40 Lood 0,40 Lanthaniden 0,05 Mangaan 1,60 Molybdeen (1) 0,08 Nikkel (1) 0,30 Niobium (2) 0,05 Seleen 0,10 Silicium 0,50 Titaan (2) 0,05 Vanadium (2) 0,10 Wolfraam 0,10 Zirkoon (2) 0,05 Overige (uitgezonderd C, P, S, N, O) 0,05 vrije uitsteeklengte figuur 13: Definitie vrije uitsteeklengte en booglengte

39 3.2 De proeven. Bij aile experimenten is gebruik gemaakt van proefplaten van Fe 510. Alle lassen zijn gelegd met SG 2 lasdraad met een diameter van 1.2 mm. In tabel 1 is de chemische samenstelling van Fe 510 en SG 2 lasdraad vermeld. De bij alle metingen gevolgde procedure is de volgende: -Temperatuur en gewicht van de proefplaat en de temperatuur van het water in de kalorimeterbak worden bepaald; de proefplaat wordt op de traverse gelegd. -Met de besturingseenheid wordt tegelijkertijd de boog ontstoken, de draadaanvoer gestart, het beschermgas toegevoerd, het werkstuk ingeklemd en de traverse in beweging gezet. Het boogvermogen wordt op de schrijver geregistreerd. -Na het lassen springen de griptangen los en wordt de proefplaat in de kalorimeter gebracht. De proefplaat is in alle gevallen op dezelfde manier in de bak geplaatst. -De schrijver registreert de thermospanning van de drie thermokoppels. -Nadat de maximale temperatuur bereikt is wordt de proefplaat uit de kalorimeterbak gehaald, droog geblazen en gewogen. De lassen zijn gelegd op platen van Fe 510 met de volgende afmetingen: 250 x 200 x 10 mm. De lassen hadden alle een lengte van 150 mm. Bij de proeven is naar de invloed van de verandering van de volgende parameters gekeken: lasspanning, stroomsterkte en vrije uitsteeklengte van de elektrode. Zie figuur 13 voor de definitie van de vrije uitsteeklengte. De proeven zijn als volgt opgezet: in eerste instantie zijn oriënterende lasproeven gedaan bij verschillende vrije uitsteeklengtes. Bij de proeven is gepoogd om een rendementswaarde als funktie van de stroomsterkte te verkrijgen bij ongeveer konstante lasspanning. Hierbij dient wel rekening gehouden te worden met het feit dat de stroomsterkte niet onafhankelijk van booglengte te variëren is (zie 2.4). Vervolgens zijn metingen in triplo gedaan, om het verloop van het procesrendement als funktie van stroomsterkte, lasspanning en vrije uitsteeklengte te bepalen. Bij het bepalen 14

40 (horizontale as: 2.5 cm s i c, oplopend naar links; vertikale as: 1 cm s 10 s)

41 van het verband tussen procesrendement en stroomsterkte in het open-booggebied bij een uitsteeklengte van 15.0 mm zijn de eerste en de laatste meting met drie thermokoppels in tienvoud uitgevoerd. De rest van de metingen is in drievoud uitgevoerd. In alle gevallen is met drie thermokoppels gemeten (fig. 9). Uit de gemiddelde temperatuurstijging van deze drie thermokoppels volgt één rendementswaarde. In het eerste geval krijgt men dus tien rendementswaarden en in het tweede geval drie per instelling van de stroomsterkte. Hierdoor onstaat een beeld over de nauwkeurigheid van de toegepaste methode. Alle andere metingen (te weten: series in het open-booggebied bij uitsteeklengtes van 20.0 en 25.0 mm en een serie in het kortsluitbooggebied met een uitsteeklengte 20.0 mm) zijn in drievoud uitgevoerd, zodat ook hier per instelling van de stroomsterkte steeds drie rendementswaarden worden gevonden. In figuur 14 is een voorbeeld gegeven van de kurven die door de thermokoppels geregistreerd zijn. Bij de warmteïnbreng die gemeten wordt moet met het volgende rekening gehouden worden: tengevolge van spatten komt een deel van de afsmeltende elektrode niet in het lasbad terecht, maar op de grond of elders op de proefplaat. De druppels die elders op de proefplaat terecht komen, staan wel warmte af aan het water in de kalorimeterbak, maar dragen niet bij tot de temperatuurcyclus van de uiteindelijke las. Hierdoor is de gevonden procesrendementswaarde enigzins vertekend (zie bijlage 1). Een andere systematische fout treedt op omdat bij het dompelen telkens een kleine hoeveelheid water verdampt. Dit heeft een verlagend effekt op de gemeten waarde van het procesrendent (zie bijlage 1). 3.3 Bepaling van liet procesrendement. Bij de bepaling van het procesrendement is met de volgende zaken rekening gehouden: -temperatuurstijging van het water in de bak èn van het aluminium van de bak zelf; -het temperatuurverschil voor het lassen van het water in de kalorimeterbak en de proefplaat; -kompensatie van het spatverlies, door de warmteïnhoud te berekenen van het verloren gegane metaal als dat precies tot even boven het smeltpunt verhit zou zijn. Voor het bepalen van de rendementswaarde is gebruikt gemaakt van de formule: 15

42 figuur 15: Verandering van de lasspanning tegen de tijd (vertikale as: 0.75 cm s 0.01 s)

43 ^ ilpjdaq!ij^qt96iniói)il:l!ü2dl+pj5.id^^ x 100 % (5) Villas In navolging van Lu en Kou (Ref. 11) is in dit onderzoek ook gekeken naar het gedeelte van het boogvermogen dat ten goede komt aan de anode. Hiervoor is de volgende benadering gekozen: het vermogen dat ten goede komt aan de anode moet minimaal in staat zijn om de aangevoerde lasdraad te smelten. Er wordt vanuit gegaan dat het gesmolten elektrodemateriaal direkt loslaat en in de boog verder verhit wordt. Het anodisch rendement ti^ wordt bepaald door de volgende betrekking: =...^-^i9sèl^l±9j x100% (6) Er is gekozen voor deze benadering, omdat de anodetemperatuur niet bekend is. Waarschijnlijk zal deze echter ruim boven het smeltpunt van het elektrodemateriaal liggen. Indien de druppeltemperatuur aan de anode 2000 C bedraagt, ligt de waarde van het anodisch rendement circa 5% hoger dan met formule (6) gevonden wordt. Het is bij het meten van het verband tussen procesrendement en stroomsterkte in het openbooggebied interessant om te weten waar de overgang tussen 'drop'- en 'spray transfer' precies ligt, om konklusies te kunnen trekken over de invloed hiervan op het procesrendement (zie 2.5). Daarom is met een transiëntrekorder het boogspanningsverloop als funktie van de lastijd gevolgd. Hieruit is de druppelfrequentie bepaald. In figuur 15 is hiervan een voorbeeld weergegeven. 16

44 Relevante lasparameters die tijdens alle proeven konstant gehouden zijn traversesnelheid beschermgas beschermgasdebiet voortloopsnelheid : 7.8 mm/s : 80 % Ar/ 20 % CO, : 13 liter/min : 7.5 mm/s RENDEMENT (%) 100 O 1: O O 60 O Po O O O Oo O O Oq O O 6^ «O 'O 'CD O LASSTROOM (A) ' figuur 16: Rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning 32.5 V en een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm

45 4 RESULTATEN EN DISKUSSIE Er zijn bij diverse vrije uitsteel^lengtes (15.0, 20.0 en 25.0 mm) proeven gedaan om het procesrendement als funktie van de stroomsterkte te bepalen. Bij al deze proeven waren de in tabel 2 vermelde procesparameters konstant. De enige parameters die werden gevarieerd zijn: de lasspanning, de stroomsterkte (door variatie van de draadaanvoersnelheid) en de vrije uitsteeklengte. In 2.4 is uiteengezet dat booglengte en lasspanning afnemen als de stroomsterkte toeneemt. Voor iedere uitsteeklengte is een kurve in het open-booggebied gemeten. Er is voor een uitsteeklengte van 20.0 mm ook een kurve in het kortsluitbooggebied gemeten. Praktisch is één en ander als volgt gedaan:, na oriënterende metingen werd bij een lasstroomsterkte, ongeveer in het midden van het te meten interval, de lasspanning bepaald. Gesteld is dat deze over een interval van circa 200 A konstant is. In feite neemt de boogspanning met ongeveer 1.5 V af over genoemd interval. In dit gebied is de stroom gevarieerd van ongeveer 200 A tot ongeveer 380 A. De ondergrens wordt bepaald door de draadaanvoereenheid; beneden 200 A ofwel vier meter lasdraad per minuut gaat deze onregelmatig lopen. De bovengrens wordt bepaald door de plaatdikte (10 mm). Indien de stroomsterkte boven de 380 A wordt opgevoerd wordt de proefplaat aan de traverse vastgelast. Er moet worden opgemerkt dat alle metingen in triplo zijn uitgevoerd èn dat tijdens alle metingen met drie thermokoppels is gemeten. Hieruit is naar voren gekomen dat de temperatuurverdeling in het water niet homogeen is, omdat thermokoppel 1 telkens circa 0.1 C meer aangaf dan thermokoppel 3. Thermokoppel 2 gaf telkens circa 0.1 C minder aan dan no. 3. Vergelijking met figuur 9 leert dat de temperatuur onder in de kalorimeterbak het hoogst is. Dit is te wijten aan het stromingspatroon en het warmteverlies naar de omgeving vanaf de bovenzijde van de kalorimeterbak. 17

46 RENDEMENT (%) O 1: 20, O 0 0 0(9 O O O O O O 40 h O LASSTROOM (A) ^ figuur 17: Rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning van 32.5 V en een vrije uitsteeklengte van 20.0 mm RENDEMENT (%) LASSTROOM (A) figuur 18: Rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning van 32.5 V en een vrije uitsteeklengte van 25.0 mm

47 4.1 Nauwkeurigheid van de methode. Er zijn rendementsbepalingen als funktie van stroomsterkte gedaan bij een gemiddelde lasspanning van 32.5 V en een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm. Alle metingen zijn in triplo uitgevoerd. Hierdoor verkrijgt men per instelling van de stroomsterkte een drietal rendementswaarden. Voor de op één na laagste en de hoogste stroomsterkte zijn de metingen in tienvoud uitgevoerd. Hieruit volgen per ingestelde stroomsterkte tien rendementswaarden. Figuur 16 geeft hiervan het resultaat. Aanvankelijk daalt het procesrendement van ca. 70 % bij ca. 220 A tot ca. 50 % bij 285 A. Vervolgens treedt een stijging op tot ca. 70 % bij 385 A. In figuur 16 is te zien dat er per instelling van de draadaanvoereenheid een spreiding van ongeveer 10 % optreedt (± 5 %). Tevens is te zien dat de spreiding bij drie meetpunten ongeveer zo groot is als bij tien meetpunten. Kennelijk is het niet mogelijk met de opstelling, zoals in 3.1 beschreven, nauwkeuriger te meten. Dat de punten niet precies boven elkaar liggen is te wijten aan een zekere instabiliteit van de draadaanvoereenheid. Als de stroomsterkte wat lager ligt, ligt de lasspanning wat hoger, zodat het netto-vermogen ongeveer gelijk blijft (zie 4.2). 4.2 IVIetingen ïn het open-booggebied. Behalve voor een uitsteeklengte van 15.0 mm zijn rendementsbepalingen als funktie van stroomsterkte en boogvermogen uitgevoerd voor uitsteeklengtes van 20.0 en 25.0 mm in het open-booggebied. De ingestelde spanning is dezelfde als boven. Wel wordt de werkelijke spanning bij grotere uitsteeklengtes een paar tiende Volt hoger. Alle metingen zijn in triplo uitgevoerd. De resultaten van deze metingen zijn weergegeven in de figuren 17 en 18. Hierin staat het procesrendement als funktie van de stroomsterkte. In tegenstelling tot figuur 16 treedt hier geen aanvankelijke daling van het procesrendement op. Bij een vrije uitsteeklengte van 20.0 mm treedt een stijging op van ca. 50 % bij 200 A tot ca. 60 % bij 360 A. Bij een vrije uitsteeklengte van 25.0 mm treedt een zeer lichte stijging op van ca. 70 % bij 200 A tot ca. 75 % bij 280 A. Vervolgens daalt het procesrendement weer tot 70 % bij 340 A. 18

48 GEM. RENDEMENT (%) 100 O prl5 pi20 A pr25 V anl5 an20 + an A A O A A A O O O A O O h V V V V J L J L LASSTROOM (A) figuur 19: Procesrendement en anodiscli rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning van 32.5 V en verschiillend vrije uitsteeklengtes (pr: procesrendement; an: anodiscfi rendement. 15, 20 en 25 staan voor de vrije uitsteeklengte in mm) GEM. RENDEMENT (%) O pri 5 pi20 A pr25 V anl5 " an20 + an25 - A on A O ^ O O A O O - +" +v v' +" a +V+ a "W V VERMOGEN (kw) figuur 20: Procesrendement en anodisch rendement als funktie van boogvermogen bij een lasspanning van 32.5 V en verschillende vrije uitsteeklengtes (pr: procesrendement; an: anodisch rendement. 15, 20 en 25 staan voor de vrije uitsteeklengte in mm)

49 Tevens is voor de drie genoemde uitstee[<lengtes het anodisch rendement ria bepaald. Hieronder wordt de fraktie van de boogenergie verstaan die minimaal naar de anode moet om de elektrode in staat te stellen te smelten. Het verloop van het gemiddelde anodische rendement is samen met het gemiddelde procesrendement voor de drie uitsteeklengtes weergegeven in figuur 19. Het anodisch rendement neemt bij de drie vrije uitsteeklengtes langzaam toe met de stroomsterkte. In de bovengenoemde figuren is het procesrendement steeds als funktie van de stroomsterkte weergegeven. Het is beter om het procesrendement als funktie van het boogvermogen uit te zetten, omdat dan voor fluktuaties in stroomsterkte en spanning gekorrigeerd wordt. Uit de vergelijking tussen de figuren 19 en 20 blijkt dat het verschil minimaal is. In de figuren 19 en 20 is te zien dat het procesrendement overwegend toeneemt met de stroomsterkte. Dit is zeker het geval voor een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm boven 285 A. In mindere mate treedt dit op bij vrije uitsteeklengtes van 20.0 en 25.0 mm. Hoewel het effekt klein is lijkt er zowel voor een vrije uitsteeklengte van 20.0 als voor een vrije uitsteeklengte van 25.0 mm sprake te zijn van het bereiken van een zekere maximale waarde voor het procesrendement, waarna weer een lichte daling inzet (zie ook de figuren 17 en 18). De booglengte neemt af met toenemende stroomsterkte (zie 2.4), zodat het relatieve verlies door straling naar de omgeving afneemt met toenemende stroomsterkte. Dit leidt tot een stijging van het procesrendement. Anderzijds neemt de in de boog ontwikkelde warmte toe, zodat ook de boogtemperatuur stijgt. Dit leidt tot een grotere metaalverdamping en heeft een drukkend effekt op het procesrendement. Bij lage stroomsterkte heeft de afname van het stralingsverlies de overhand en bij hogere stroomsterkte wordt metaalverdamping belangrijker. Hierbij dient te worden opgemerkt dat de gevonden stijging en daling voor vrije uitsteeklengtes 20.0 en 25.0 mm nauwelijks signifikant genoemd kunnen worden, en dat alleen bij een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm boven 285 A de afname van de booglengte een duidelijke rol speelt (hier is de booglengte ook het grootst; zie onder). In de figuren 19 en 20 is eveneens te zien dat het procesrendement, behalve voor een paar meetpunten bij een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm, toeneemt met toenemende vrije 19

50 DRUPPELFREQUENTIE (1/s) 400 I LASSTROOM (A) figuur 21: Druppelfrequentie als funktie van lasstroom bij een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm en een lasspanning van 32.5 V 400 DRUPPELFREQUENTIE (1/s) o e - ^ - ^ O LASSTROOM (A) figuur 22: Druppelfrequentie als funktie van lasstroom bij een vrije uitsteeklengte van 20.0 mm en een lasspanning van 32.5 V

51 uitsteeklengte. Dit is te verklaren met de volgende redenering. De stroomtoevoer vindt plaats in de kontaktbuis. Er vindt eerst een spanningsdaling plaats over het stuk elektrodedraad, dat uit de kontaktbuis steekt en vervolgens over de boogzuil. Veronderstel dat de lasspanning en de spanningsval over anode- en kathodevalgebied voor alle vrije uitsteeklengtes dezelfde waardes hebben, dan heeft de som van spanningsval over de elektrodedraad en spanningsval over de boogzuil; een konstante waarde. Omdat met toenemende vrije uitsteeklengte de lengte van de uit de kontaktbuis stekende elektrodedraad toeneemt, neemt ook de spanningsval over dit stuk elektrodedraad toe. Dit houdt in dat de spanningsval over de boogzuil korter wordt en de booglengte afneemt. Door afnemende booglengte neemt ook het stralingsverlies af met toenemende vrije uitsteeklengte. Proces- en anodisch rendement nemen dus toe met toenemende vrije uitsteeklengte. Om de invloed van druppelovergang op het procesrendement te kunnen bepalen is voor de drie vrije uitsteeklengtes de druppelfrequentie als funktie van de stroomsterkte bepaald. In figuur 21 is te zien waar de overgang tussen 'drop'- en 'projected-transfer' ligt bij een uitsteeklengte van 15.0 mm. Deze blijkt bij 285 A te liggen. De minimumwaarde van het procesrendement ligt ook bij 285 A (fig. 16). In de figuren 22 en 23 is te zien dat de overgang van 'drop'- naar 'spray transfer' met toenemende vrije uitsteeklengte naar een lagere stroomsterkte verschuift. Bij vrije uitsteeklengtes van respektievelijk 20.0 en 25.0 mm vindt de overgang plaats bij 275 en 250 A. Waarschijnlijk is dit het gevolg van het feit dat de lengte nog niet afgesmolten elektrode onder aan de kontaktbuis toeneemt met vrije uitsteeklengte, zodat de Joulse verhitting van dit stuk draad toeneemt met de vrije uitsteeklengte. Omdat het elektrodemateriaal nog in de draadovergaat in gedeeltelijk gesmolten toestand (Ref. 8) en de hoeveelheid vloeibaar elektrodemateriaal dat zich nog niet in de druppel bevindt ten gevolge van de Joulse verhitting toeneemt met de vrije uitsteeklengte, zal de kracht die uitgeoefend wordt door het de druppel inkomend vloeibaar elektrodemateriaal groter worden bij grotere vrije uitsteeklengte. Tevens is de temperatuur van de elektrodedraad hoger bij grotere vrije uitsteeklengte, zodat de oppervlaktespanning afneemt met toenemende vrije uitsteeklengte (zie 2.5). Tengevolge van deze beide faktoren vindt de overgang van 'drop'- naar 'spray transfer' bij grotere vrije uitsteeklengte eerder plaats. 20

52 figuur 23: Druppelfrequentie als funktie van lasstroom bij een vrije uitsteeklengte van 25.0 mm en een lasspanning van 32.5 V tabel 3: Waarden van de parameters in de energiebalansen Ca k 1.38*10-'' JK"^ Ta 1500 C Tk 2500 C 5000 C Va 1 V Vk 6 V V V ^a= 4.63 V

53 Nog niet verl<laard met bovenstaande redeneringen is de aanvanl^elijke daling van het procesrendement als funktie van de stroomsterkte. Zoals boven al opgemerkt, is de booglengte bij een vrije uitsteeklengte 15.0 mm het grootst. Deze neemt echter ook af met toenemende stroomsterkte, zodat het stralingsverlies ook afneemt. Dat er toch geen stijging van het procesrendement plaats vindt is misschien te wijten aan de bij een hogere stroomsterkte plaatsvindende overgang van 'drop'- naar 'projected transfer' bij een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm. De druppels worden groter dan bij de andere vrije uitsteeklengtes, waardoor de booglengte verder afneemt. Tengevolge van de kleine booglengte en de grote druppels neemt het elektrode materiaal minder warmte op in de boog en daalt het procesrendement in het interval van 275 tot 285 A. In de figuren 19 en 20 is, behalve het procesrendement ook het anodisch rendement weergegeven. Bij de uitsteeklengtes 15.0 en 20.0 mm neemt het anodisch rendement langzaam toe met de stroomsterkte van ca. 10 tot ca. 18 %. Het anodisch rendement is bij een uitsteeklengte van 25.0 mm over het gehele stroombereik ongeveer 10 %. Bij een vrije uitsteeklengte van 15.0 mm treedt er een sprongetje op in het anodisch rendement bij de overgang van 'drop'- naar 'projected-transfer'. Dit treedt niet op bij uitsteeklengtes van 20.0 en 25.0 mm. In formule (1) en (2) staan energiebalansen beschreven voor het anode- en kathodegebied. In formule (4) is het procesrendement gedefinieerd. Er zal worden gekeken of de resultaten van de metingen bij de 'ideale instelling' in het openbooggebied (V = 32.5 V; I = 325 A en I = 20.0 mm) in overeenstemming zijn met de betrekkingen (1), (2) en (4). Bij bovengenoemde parameters is het procesrendement 66 % en het anodisch rendement 16 %. Het kathodisch rendement, d.w.z.: de bijdrage van kathodeval gebied en boogzuil is dan 50 %. Invullen van formule (4) levert: Q = 6970 W. Er wordt, in navolging van het TIG-lasproces aangenomen dat de spanningsval over het anode- en het kathodegebied respektievelijk gelijk zijn aan 1 en 6 V (zie ook en 2.2.4). Verder worden de temperaturen in anode- en kathodevalgebied, alsmede in de boogzuil geschat. De in formule (1) en (2) ingevulde waarden zijn weergegeven in tabel 3. Er worden voor Q,/l en voor Q^/l respektievelijk 6.1 en 8.5 W/A gevonden. Dit leidt tot een anodisch rendement van 19 % en een kathodisch rendement ten gevolge van elektronenstroom van 26 %. Het kathodisch rendement ten gevolge van straling en 21

54 RENDEMENT (%) O h 20 h LASSTROOM (A) figuur 24: Rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning van 25 V en een vrije uitsteeklengte van 20.0 mm figuur 25: Procesrendement en anodisch rendement als funktie van lasstroom bij een lasspanning van 25 V en een vrije uitsteeklengte van 20.0 mm

55 konvektie is dan 21 %. De met formule (1) berekende waarde van het anodisch rendement komt redelijk overeen met de gemeten waarde. Dat de gemeten waarde lager is dan de berekende is ten dele terug te voeren op de verwaarlozing van de metaalverdamping bij de berekening. Hoewel de procesparameters van de onderzoeken genoemd in 2.6 sterk verschillen van de in dit onderzoek gehanteerde waarden is dit toch het beste vergelijkingsmateriaal (Ref. 4). Probst CS. (Ref. 9) en Eichhorn cs. (Ref. 10) hebben beiden onderzoek gedaan naar het GOg-lassen met 1.6 mm elektroden. Er zal daarom alleen gekeken worden naar globale overeenkomsten in de resultaten. De kurve gevonden voor een uitsteeklengte van 15.0 mm (fig. 16) vertoont sterke overeenkomst met de kurven gevonden door Eichhorn cs. (fig. 7). Bij lage stroomsterkte een relatief hoge waarde, vervolgens een daling tot een zeker minimum. Dan volgt een stijging waarna de kurven afvlakken. Helaas is hun onderzoek nogal produktiegericht en wijten zij de vorm van de kurve aan veranderende druppelovergang, booglengte, inbranddiepte en een veranderend spatgedrag. Bovendien lassen de onderzoekers met CO, als beschermgas, zodat er geen sprake is van een plotselinge verandering in druppelfrequentie. De kurven voor uitsteeklengtes van 20.0 en 25.0 mm (fig. 17 en 18) tonen overeenkomst met de resultaten van Probst cs. (fig. 6). Een steeds afnemende stijging van het rendement bij toenemende stroomsterkte tot een ongeveer horizontaal verloop. 4.3 Metingen in het Icortsiuitbooggebied. Het ligt in de verwachting dat het procesrendement bij het kortsluitbooglassen hoger is dan bij het open-booglassen (zie 2.5). Om dit te toetsen is een serie metingen uitgevoerd bij een uitsteeklengte van 20.0 mm en een spanning van ca. 25 V. In de figuren 24 en 25 is te zien dat het procesrendement over de hele linie hoger ligt dan bij het open-booglassen. Het verschil met de kurve met een uitsteeklengte van 25.0 mm is echter niet groot. Ook de kurve van het anodisch rendement ligt overal boven de andere kurven. Het procesrendement stijgt bij het opvoeren van de stroomsterkte van 200 tot 340 A van ca. 70 tot ca. 80 %. Zoals in figuur 25 te zien is, neemt het procesrendement lineair met 22