Warum sollte Kalium zur Stabilisierung eines Schweißlichtbogens dienen?

Da Natrium und Kalium chemisch so ähnlich sind, habe ich mich gefragt, warum es einen Unterschied geben sollte.

WeldGuru - " Leitfaden für Schweißelektroden "

_{Beschichtungs-, Strom- und Polaritätstypen, gekennzeichnet durch die vierte Ziffer in der Elektrodenklassifizierungsnummer}

$$\begin{array}{l} \text{Digit} & \text{Coating} & \text{Weld Current} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \text{2} & \text{Titania sodium} & \text{ac, dcsp} \\ \text{3} & \text{Titania potassium} & \text{ac, dcsp, dcrp} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \end{array}$$ ...

Die wichtigsten Arten von Schweißelektrodenumhüllungen für Weichstahl und sind unten beschrieben.

• Zellulose-Natrium (EXX10): Elektroden dieser Art Zellulosematerial in Form von Holzmehl oder wiederaufbereitete niedriglegierte Elektroden haben bis zu 30 Prozent Papier. Der Gasschild enthält Kohlendioxid und Wasserstoff, die Reduktionsmittel sind. Diese Gase neigen dazu, einen Grablichtbogen zu erzeugen, der ein tiefes Eindringen ermöglicht. Das Schweißgut ist etwas rau und die Spritzer sind höher als bei anderen Elektroden. Es bietet sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere nach Alterung. Dies ist einer der frühesten Elektrodentypen, die entwickelt wurden, und wird häufig für Querfeldeinleitungen unter Verwendung der Downhill-Schweißtechnik verwendet. Es wird normalerweise mit Gleichstrom mit positiver Elektrode (umgekehrte Polarität) verwendet.

• Zellulose-Kalium (EXX11): Diese Elektrode ist der Zellulose-Natrium-Elektrode sehr ähnlich, außer dass mehr Kalium als Natrium verwendet wird. Dadurch wird der Lichtbogen ionisiert und die Elektrode für das Schweißen mit Wechselstrom geeignet. Die Lichtbogenwirkung, der Einbrand und die Schweißergebnisse sind sehr ähnlich. Sowohl in E6010- als auch in E6011-Elektroden können kleine Mengen Eisenpulver hinzugefügt werden. Dies unterstützt die Lichtbogenstabilisierung und erhöht leicht die Abscheidungsrate.

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„ The Study of Complex (Ti, Zr, Cs) Nanopowder Influenceing the Effective Ionisation Potential of Arc Discharge When Mma [Allgemein als SMAW bezeichnet]-Schweißen “, von SB Sapozhkov und EM Burakova, auf Seite 2:

„Luft hat wie alle Gase unter normalen Bedingungen aufgrund der geringen Konzentration an freien Elektronen und Ionen eine ziemlich schwache elektrische Leitfähigkeit. Deshalb muss der Luftspalt (oder ein anderes gasförmiges Medium) zwischen den Elektroden ionisiert werden, um einen hohen elektrischen Strom zu erzeugen, d Lichtbogen Ionisation kann durch Anlegen einer ziemlich hohen Spannung an Elektroden entstehen, elektrisches Feld beschleunigt einige freie Elektronen oder Ionen des Gases, durch den Erwerb einer hohen Energie können sie neutrale Atome oder Moleküle in Ionen zerlegen.

Hochspannungen sind nach sicherheitstechnischen Vorschriften des Schweißens nicht zulässig. Daher werden thermische Elektronen- und Feldelektronenemissionen bevorzugt, um diesen Prozess zu erforschen. Viele freie Elektronen, die in Metall vorkommen und eine hohe kinetische Energie haben, gelangen in das gasförmige Medium des Zwischenelektrodenraums und verursachen dessen Ionisation.

Bei der thermischen Elektronenemission werden aufgrund hoher Temperaturen freie Elektronen von der Metalloberfläche „verdampft“. Die Anzahl der freien Elektronen, die genügend Energie aufnehmen, um die Energiebarriere in der Oberflächenschicht zu passieren und das Metall zu verlassen, hängt direkt von der Temperatur ab. Der Punkt der (kalten) Feldelektronenemission besteht darin, dass ein äußeres elektrisches Feld entwickelt wird, das die Energiebarriere in der Nähe der Metalloberfläche umwandelt und die Freisetzung von Elektronen mit ausreichender Energie unterstützt, um diese Barriere zu passieren.

Die Ionisation des gasförmigen Mediums ist durch den Ionisationsgrad gekennzeichnet, dh das Verhältnis der geladenen Teilchen in einem bestimmten Volumen zur Primärteilchenzahl (vor der Ionisation).$^{[3]}$. Das Schweißen ist stabiler und einfacher, wenn das Ionisationspotential niedrig ist.

Unten auf Seite 3:

"Dieser Artikel präsentiert theoretische Untersuchungen zur Wirkung, die komplexe (Ti, Zr, Cs) Nanopulver auf das effiziente Ionisationspotential (Ueff) der Lichtbogenentladung beim Schweißen hat.

Die Energie der Atomionisation charakterisiert das Teilchen und ist unabhängig von der Ionisationsmethode, während das Ionisationspotential die erste historische Ionisationsmethode charakterisiert.

Die Energie der Atomionisation, gemessen in eV (Elektronenvolt), ist numerisch ähnlich dem Atomionisationspotential, gemessen in V (Volt).

Die Ionisierungsenergie ist eine wichtige Atomeigenschaft und beeinflusst die Art und Bindungsstärke von chemischen Verbindungen, die durch das Atom hergestellt werden. Die Energie der Atomionisation hat einen starken Einfluss auf die desoxidierenden Eigenschaften der entsprechenden elementaren Substanz.

Das Ionisationspotential ist eine Beziehung der Elektronenaustrittsarbeit des Substanzatoms zur Elektronenladung:

$$\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad U = \frac{W}{e_,} \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(1)$$

Wo$U$— Ionisationspotential, V;$W$— Elektronenaustrittsarbeit, J;$е$— Elektronenladung, C.

Komplexe Atome, die aus vielen Elektronen bestehen, haben mehrere Ionisationspotentiale. Das erste Ionisationspotential trifft auf die Elektronenentfernung aus der Atomhülle, die die schwächsten Bindungen zu ihr hat. Die Entfernung anderer Elektronen, die näher am Atomkern sind und stärkere Bindungen haben, erfordert mehr Arbeit. Daher sind das zweite und weitere Ionisationspotential entsprechend der Entfernung der zweiten und weiteren Elektronen höher$^{[3]}$.

Tisch. Erste Ionisationspotentiale (U) von Elementen

$$\begin{array}{c} \text{Elements} & \text{Cs} & \text{K} & \text{Na} & \text{Ca} & \text{Zr} & \text{Ti} & \text{Mg} & \text{C} & \text{H} & \text{O} \\ U & 3.88 & \text{4.30} & \text{5.11} & 6.11 & 6.63 & 6.8 & 7.64 & 11.22 & 13.53 & 13.56 \end{array}$$

Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass Cäsium, Kalium, Natrium, Calcium, Zirkonium, Titan usw. die niedrigsten Ionisationspotentiale haben. Daher werden diese Substanzen Elektrodenbeschichtungen oder Flussmitteln zugesetzt, um die Stabilität des Schweißlichtbogenbrennens zu unterstützen.

Wir sollten wissen, wie Elemente die Schweißbarkeit eines Produkts beeinflussen, um Schwierigkeiten zu vermeiden und Probleme beim Schweißen zu beseitigen.

[Bitte lesen Sie das Dokument weiter, um weitere Informationen und die Mathematik dahinter zu erhalten.]

References: [3] Electric welding arc [Electronic resource] Mode of access: http://soedenimetall.ru/e-lektricheskaya-svarochnaya-duga/#ixzz3r9JfpMQ3 (date of application: 24.11.15) - Google Translate: Russisch -> Englisch

Von der übersetzten Webseite:

"Wenn ein Wechselstrom verwendet wird, tauschen die Anoden- und Kathodenflecken ihre Plätze mit einer Frequenz, die der aktuellen Frequenz entspricht. Mit der Zeit ändert sich die Spannung$U_d$und aktuell$I$periodisch von Null bis zum Größten variieren, wie in Abb. 4 ($U_{x • x}$- Lichtbogenzündspannung).

Wenn der Strom durch Null geht und die Polarität zu Beginn und am Ende jeder Halbwelle wechselt, erlischt der Lichtbogen, die Temperatur der aktiven Punkte und der Lichtbogenstrecke sinkt. Dadurch kommt es zu einer Entionisierung von Gasen und zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Lichtbogensäule. Die Temperatur des aktiven Flecks, der sich auf der Oberfläche des Schweißbades in Verbindung mit der Wärmeabfuhr an die Masse des Grundmetalls befindet, sinkt stärker ab. Ein Wiederzünden des Lichtbogens zu Beginn einer kleinen Halbperiode ist nur bei einer erhöhten Spannung möglich, die als Zündspitze bezeichnet wird. Es wurde festgestellt, dass die Spitze der Zündung etwas höher ist, wenn sich der Kathodenfleck auf dem Grundmetall befindet. Um die Zündspitze zu reduzieren, das Wiederzünden des Lichtbogens zu erleichtern und die Stabilität seiner Verbrennung zu erhöhen, Maßnahmen, die das effektive Ionisationspotential von Gasen im Lichtbogen reduzieren, werden eingesetzt. In diesem Fall hält die elektrische Leitfähigkeit des Lichtbogens nach seinem Erlöschen länger an, die Spitze der Zündung nimmt ab, der Lichtbogen wird leichter angeregt und brennt ruhiger.

Diese Maßnahmen umfassen die Verwendung verschiedener stabilisierender Elemente (Kalium, Natrium, Calcium usw.), die in Form von Elektrodenbeschichtungen oder in Form von Flussmitteln in die Lichtbogenzone eingebracht werden.

Es ist wichtig, die Phasen zwischen Spannung und Strom zu verschieben: Es ist notwendig, dass die Spannung ausreicht, um den Lichtbogen zu erregen, wenn der Strom einen Nullwert durchläuft.