FISICA DEL ARCO ELECTRICO EN SOLDADURA• Descarga eléctrica mantenida a través

de un plasma conductor, de altatemperatura, con energía térmicasuficiente para la soldadura porfusión.

• Características Básicas:

• Descarga de bajo voltaje (10-50V) y alta corriente (10-2000A)

• Fuente concentrada de energía: forma pileta y circunstancialmente funde el electrodo

Distribución de Temperaturas en un arco de Ar de 500 A entre W (cátodo) y Cu refrigerado (ánodo)

electrodo

• Fuerzas asociadas: producen transferencia metálica electrodo-pieza

• Alta temperatura, flujo de plasma y fuerzas electromagnéticas dan lugar a intensas reacciones químicas y mezclado

• Remueve óxidos superficiales

• Arranque y estabilidad requiere fuente de poder de diseño, adecuado

Estructuralmente el arco puede dividirse en zonas: catódica , anódica (puntos y caídas), y columna arco

Caidas Catódica, Anódica,muy finas (1µm), altaconcentración de cargas,concentración de cargas,pronunciada caída depotencial, y fuerte campoeléctrico.

Zona intermedia, columnadel arco, ocupa el mayorespacio, presentaneutralidad eléctrica yequilibrio térmico

Comportamiento eléctrico del Arco ( no corresponde a una resistencia OHMICA)

Curvas características V-I de arcos correspondientes a distintos procesos.Voltaje del arco vs. Longitudde arcode arco

Características del arco (observar influencia del tipo de gas)

MECANISMO DEL ARCO

El arco de más simple de analizar es el arco termoiónico empleado en GTAW (tipo termoiónico con cátodo de W bajo atmosfera de gas inerte)

1)Electrones (e) liberados desde punto catódico sonacelerados por campo eléctrico aplicado2)La energía de (e) transferida por colisión a los átomosdel gas.del gas.3)Gas aumenta temperatura, se ioniza, haciéndoseconductor.4)Iones generados (positivos) se aceleran hacia el cátodo(colisionan con la superficie entregando energía decolisión, cátodo mantiene temperatura suficiente paraemisión termoiónica).5) El ánodo absorbe (e), mantiene flujo de corriente.

(A través de este mecanismo se produce una descarga autosostenida)

COLUMNA DEL ARCO

Composición: e, iones(+) del gas, átomos neutros, (iones metálic os)

Transporte de corriente: principalmente por (e), menor masa y mayor movilidad

Temperatura: 15000-20000°C (influyen energías de ionización y conductividad térmica)

Neutralidad eléctrica y cuasi equilibrio térmico

Caída de potencial: Ar 7V/cm, gases disociables (N 20V/cm, H 40V/cm)Caída de potencial: Ar 7V/cm, gases disociables (N 20V/cm, H 40V/cm)

Estabilidad:

a) Mejor con baja energía de disociación (Ar versus He, K, Na)b) Mejor con baja conductividad térmica (Ar versus He, CO2, e tc.)

Otros aspectos:

Tiempo de decaimiento: milisegundos de cese de corriente, factorimportante con relación a reencendido

Transferencia de calor: convección (forzada), radiación, conducción

La mayor/menor energía de ionización del plasmainfluye en en la temperatura

Agregado de elementos de baja energía de ionización (a corriente cte.) reducen temperatura del arco. Temperatura del arco además está influenciada por la mayor o menor conductividad térmica del plasma

ESTABILIDAD COLUMNA DEL ARCO

1) Estrechamente relacionada a suconductividad eléctrica . Baja energía deionización y baja conductividad térmicafavorecen

2) Elementos como K y Na favorecen2) Elementos como K y Na favorecen

3) Ar y Kr (baja conductividad térmica)favorecen, He, H2, N2, y CO2 (altaconductividad térmica) dificultan.

ZONAS CATÓDICA Y ANÓDICA

En la zona próxima a los electrodos, los electrodos enfrían el gas, la ionización térmica se dificulta, el gas deja de ser eléctricamente neutro, se crea un espacio de cargas que produce un alto gradiente de potencial

ZONA CAÍDA CATÓDICA

El cátodo libera (e) para mantener el arco, en este caso por em isióntermoiónica .termoiónica .

Según la ecuación de Richards-Dushman, ocurre con e l aumento de T del cátodo

je=AT2 e-¢ /K T

(je densidad de corriente en el punto catódico, A: cte. característica superficie emisora, ¢ función trabajo, W puro 4,52 electrón-voltios)

ZONA CAÍDA CATÓDICA (cont.)

En arcos de soldadura Emisión termoiónica solo es posiblecon cátodos refractarios (ej. W o C) con puntos de ebulliciónsuperiores a 4000°C (ver fig.).

Materiales de baja ϕ se emplean para facilitar emisión de (e) ej. ThO2, CeO2, etc.

Vaporización de W muy baja, no detectable en el arco

Afilado extremo del electrodo influye en la fijación del punto catódico y el voltaje del arco.

En soldadura de Al y Mg el empleo de la pieza como cátodo facilita remoción del oxido.

Temperatura vs. Emisión Termoiónica(ET) a distintas densidades de corriente (J, A/m2)

□ Elementos que producen ET en arcos con Ar con Ar

○ Elementos en los cuales la ET no ha sido observada

+ Elementos de los que no se posee información

ZONA CAÍDA ANÓDICACaracterísticas

1) Ánodo absorbe el flujo electrónico y el calor del plasma

2) Temperatura promedio del ánodo es superior a promediodel cátodo

3) Vapor metálico del ánodo forma gran proporción de la3) Vapor metálico del ánodo forma gran proporción de laatmosfera del arco

4) Se presenta una reducción de temperatura desde la que posee la columna del arco hasta la que tiene el ánodo

5) El ánodo produce iones los cuales son acelerados hacia el plasma

ZONA CAÍDA ANÓDICA

Transferencia de calor al ánodo (pieza) se produce por el flujo electrónico que llega al mismo y el gas

a) Contribución por flujo de electrones:

Función trabajo (¢ I)-56%, Caída de voltaje anódica (Va Función trabajo (¢ I)-56%, Caída de voltaje anódica (Va I)- 20%, Energía térmica (3KTI /2e)- 8%

Energía = ϕ I (56%) + Va I (20%) + 3KTI /2e (8%)

b) Contribución por plasma:

Conducción (9%), Convección (4%), Radiación (3%)

TRANSFERENCIA DE CALOR AL ÁNODO

ZONA CAÍDA ANÓDICAObservaciones:

Perdidas de calor en la pileta: evaporación (vapores metálicos/iones ) y radiación

Eficiencia transferencia de calor: en arco GTAW ~75% (influye voltaje y material ánodo)

Geometría electrodo: afecta perfil de la penetración y la estabilidad del arco del arco

Longitud del Arco: el aumento puede incrementar la energía pero también las perdidas

Tipo de gas: afecta el voltaje y el perfil de penetración

Flujo del gas: debe desplazar gases reactivos (régimen laminar/turbulento, marcada influencia en la temperatura)

PLASMA JET

Plasma jets causados por aceleración del gas, por fuerzas del Lorentz en el arco

Fuerza de Lorentz α densidad de corriente

Densidad de corriente no es constante en arco de soldadura

Configuración típica del arco

Configuración de arcoproducida por la colisión entreconstante en arco de soldadura

Más presión se genera en zona de mayor densidad de corriente

∆P es una causa del “plasma jet”

El fenómeno No depende de la polaridad

producida por la colisión entrejets anódico-catódico, alemplear electrodos de áreacomparable.

Plasma jet influye sobre

Contaminación (ingreso de aire)

Penetración

Transferencia metálica

Agudo perfil de penetración causado por el plasma jet (GMAW de aleación Al-Mg con alta intensidad de corriente ) .

Turbulencia y mezclado en la pileta

Transferencia de calor

Temperatura de la columna del arco

CONSTRICCIÓN DEL ARCO

La constricción artificial delarco causa:

1) Generación de un plasma jet

2) Aumento en la temperaturadel plasma (40000-50000°K)

El fenómeno indicado constituyela base del denominado ProcesoPlasma, aplicado en soldadura,corte y deposición derecargues metálicos.

Transferencia metálica electrodo-pieza

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