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Montaje de estructuras metálicas.
Arco voltaico y sus propiedades
Un arco eléctrico es una descarga eléctrica de larga duración que se produce en el espacio de gas entre dos conductores: el electrodo y el metal que se suelda con una corriente significativa. La ionización de la capa de aire, que surge continuamente bajo la influencia de un flujo rápido de iones y electrones positivos y negativos en el arco, crea condiciones necesarias para una combustión duradera arco de soldadura.
Arroz. 1. Arco eléctrico entre un electrodo metálico y el metal a soldar: a - diagrama del arco, b - gráfico de voltajes de arco de 4 mm de largo; 1 - electrodo, 2 - halo de llama, 3 - columna de arco, 4 - metal a soldar, 5 - punto de ánodo, 6 - piscina fundida, 7 - cráter, 8 - punto de cátodo; h - profundidad de penetración en el arco, A - momento de ignición del arco, B - momento de combustión estable
El arco consta de una columna, cuya base se encuentra en una depresión (cráter) formada en la superficie del baño fundido. El arco está rodeado por un halo de llama formado por vapores y gases provenientes de la columna del arco. La columna tiene forma de cono y es la parte principal del arco, ya que en ella se concentra la mayor cantidad de energía, correspondiente a la mayor densidad de la corriente eléctrica que atraviesa el arco. La parte superior de la columna, ubicada en el electrodo 1 (cátodo), tiene un diámetro pequeño y forma un punto catódico 8. La mayor cantidad de electrodos emiten a través del punto catódico. La base del cono de la columna de arco se encuentra sobre el metal que se está soldando (ánodo) y forma el punto del ánodo. Diámetro del punto del ánodo en valores medios. corriente de soldadura diámetro mayor punto catódico aproximadamente 1,5 ... 2 veces.
Para soldar se utilizan corriente continua y alterna. Cuando se utiliza corriente continua, el menos de la fuente de corriente se conecta al electrodo (polaridad directa) o a la pieza de trabajo que se está soldando "" (polaridad inversa). La polaridad inversa se utiliza en los casos en que es necesario reducir la liberación de calor en el producto que se está soldando: al soldar metales finos o de bajo punto de fusión, aleados, aceros inoxidables y con alto contenido de carbono que son sensibles al sobrecalentamiento, así como cuando se utiliza ciertos tipos de electrodos.
Produciendo una gran cantidad de calor y teniendo una temperatura elevada. Al mismo tiempo, el arco eléctrico produce un calentamiento muy concentrado del metal. Por lo tanto, durante la soldadura, el metal permanece relativamente ligeramente calentado incluso a una distancia de varios centímetros del arco de soldadura.
La acción del arco funde el metal hasta una determinada profundidad h, denominada profundidad de penetración o penetración.
El arco se excita cuando el electrodo se acerca al metal que se está soldando y provoca un cortocircuito en el circuito de soldadura. Debido a la alta resistencia en el punto de contacto del electrodo con el metal, el extremo del electrodo se calienta rápidamente y comienza a emitir una corriente de electrones. Cuando el extremo del electrodo se aleja rápidamente del metal a una distancia de 2...4 mm, se produce un arco eléctrico.
La tensión en el arco, es decir, la tensión entre el electrodo y el metal base, depende principalmente de su longitud. A la misma corriente, el voltaje en un arco corto es menor que en un arco largo. Esto se debe al hecho de que con un arco largo la resistencia de su espacio de gas es mayor. El aumento de la resistencia en circuito electrico a corriente constante, se requiere un aumento de voltaje en el circuito. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor debe ser el voltaje para garantizar que pase la misma corriente a través del circuito.
El arco entre el electrodo metálico y el metal arde a un voltaje de 18 ... 28 V. Para iniciar el arco se requiere un voltaje mayor que el requerido para mantener su combustión normal. Esto se explica por el hecho de que en el momento inicial el entrehierro aún no está lo suficientemente calentado y es necesario dar a los electrones una alta velocidad para desacoplar las moléculas y átomos del aire. Esto sólo se puede lograr con un voltaje más alto en el momento del encendido del arco.
La gráfica de cambios en la corriente I en el arco durante su encendido y combustión estable (Fig. 1, b) se denomina característica estática del arco y corresponde a la combustión estable del arco. El punto A caracteriza el momento de ignición del arco. El voltaje del arco V cae rápidamente a lo largo de la curva AB hasta un valor normal, correspondiente a un arco estable en el punto B. Un aumento adicional de la corriente (a la derecha del punto B) aumenta el calentamiento del electrodo y la velocidad de fusión, pero no afecta la estabilidad del arco.
Un arco estable es aquel que arde de manera uniforme, sin interrupciones arbitrarias que requieran un nuevo encendido. Si el arco arde de manera desigual, a menudo se rompe y se apaga, entonces dicho arco se llama inestable. La estabilidad del arco depende de muchas razones, siendo las principales el tipo de corriente, la composición del recubrimiento del electrodo, el tipo de electrodo, la polaridad y la longitud del arco.
Con corriente alterna, el arco arde de manera menos constante que con corriente continua. Esto se explica por el hecho de que en el momento en que la corriente n llega a cero, la ionización de la brecha del arco disminuye y el arco puede apagarse. Para aumentar la estabilidad del arco de corriente alterna, es necesario aplicar recubrimientos al electrodo metálico. Los pares de elementos incluidos en el recubrimiento aumentan la ionización de la brecha del arco y, por lo tanto, contribuyen a la combustión estable del arco con corriente alterna.
La longitud del arco está determinada por la distancia entre el extremo del electrodo y la superficie del metal fundido del trabajo que se está soldando. Normalmente, la longitud normal del arco no debe exceder los 3...4 mm para un electrodo de acero. Un arco así se llama corto. Un arco corto arde de manera constante y garantiza el flujo normal del proceso de soldadura. Un arco de más de 6 mm se llama largo. Con él, el proceso de fusión del metal del electrodo se desarrolla de manera desigual. En este caso, las gotas de metal que fluyen desde el extremo del electrodo pueden oxidarse en mayor medida con oxígeno y enriquecerse con nitrógeno del aire. El metal depositado resulta poroso, la costura tiene una superficie irregular y el arco arde de forma inestable. Con un arco largo, la productividad de la soldadura disminuye, aumentan las salpicaduras de metal y aumenta el número de lugares de falta de penetración o fusión incompleta del metal depositado con el metal base.
La transferencia del metal del electrodo al producto durante la soldadura por arco con electrodos consumibles es un proceso complejo. Después del encendido del arco (posición /), se forma una capa de metal fundido en la superficie del extremo del electrodo que, bajo la influencia de la gravedad y la tensión superficial, se acumula formando una gota (posición //). Las gotas pueden alcanzar tamaños grandes y superponerse a la columna del arco (posición III), creando un cortocircuito en el circuito de soldadura por un corto tiempo, después del cual el puente resultante de metal líquido se rompe, el arco aparece nuevamente y se repite el proceso de formación de gotas. .
El tamaño y la cantidad de gotas que pasan a través del arco por unidad de tiempo dependen de la polaridad y la intensidad de la corriente, la composición química y el estado físico del metal del electrodo, la composición del recubrimiento y otras condiciones. Las gotas grandes, que alcanzan los 3...4 mm, generalmente se forman cuando se suelda con electrodos no revestidos, y las gotas pequeñas (hasta 0,1 mm), cuando se suelda con electrodos revestidos y con alta corriente. El proceso de gotas finas garantiza una combustión estable del arco y favorece las condiciones para la transferencia del metal fundido del electrodo en el arco.
Arroz. 2. Esquema de transferencia de metal desde el electrodo al metal a soldar.
Arroz. 3. Deflexión del arco eléctrico por campos magnéticos (a-g)
La gravedad puede promover o dificultar la transferencia de gotas en el arco. Durante la soldadura de techo y parcialmente vertical, la gravedad de la caída contrarresta su transferencia al producto. Pero gracias a la fuerza de la tensión superficial, el charco líquido de metal se evita que fluya cuando se suelda en el techo y en posiciones verticales.
El paso de una corriente eléctrica a través de los elementos del circuito de soldadura, incluido el producto a soldar, crea un campo magnético, cuya fuerza depende de la fuerza de la corriente de soldadura. La columna de gas de un arco eléctrico es un conductor flexible de corriente eléctrica, por lo que está expuesta al campo magnético resultante que se forma en el circuito de soldadura. EN condiciones normales La columna de gas del arco, que arde abiertamente en la atmósfera, está ubicada simétricamente al eje del electrodo. Bajo la influencia de fuerzas electromagnéticas, el arco se desvía del eje del electrodo en dirección transversal o longitudinal, lo que en apariencia es similar al desplazamiento de una llama abierta bajo fuertes corrientes de aire. Este fenómeno se llama explosión magnética.
Adhesión alambre de soldadura muy cerca del arco, reduce drásticamente su desviación, ya que el propio campo magnético circular de la corriente tiene un efecto uniforme sobre la columna del arco. El suministro de corriente al producto a una distancia del arco provocará su desviación debido a la condensación de las líneas eléctricas del campo magnético circular desde el lado del conductor de corriente.
En cuanto a las características de un arco voltaico, cabe mencionar que tiene un voltaje más bajo que una descarga luminosa y depende de la radiación termoiónica de los electrones de los electrodos que sostienen el arco. En los países de habla inglesa, el término se considera arcaico y obsoleto.
Se pueden utilizar técnicas de supresión de arco para reducir la duración o probabilidad de formación de arco.
A finales del siglo XIX, el arco voltaico se utilizaba ampliamente para el alumbrado público. Algunos arcos electricos baja presión se utilizan en muchas aplicaciones. Por ejemplo, para la iluminación utilizan lámparas fluorescentes, lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos. Xenón lámparas de arco Utilizado para proyectores de cine.
Abriendo un arco voltaico
Se cree que el fenómeno fue descrito por primera vez por Sir Humphry Davy en un artículo de 1801 publicado en el Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts de William Nicholson. Sin embargo, el fenómeno descrito por Davy no fue un arco eléctrico, sino sólo una chispa. Investigadores posteriores escribieron: “Esta es obviamente una descripción no de un arco, sino de una chispa. La esencia del primero es que debe ser continuo y sus polos no deben tocarse después de haber surgido. La chispa producida por Sir Humphry Davy claramente no era continua, y aunque permaneció cargada durante algún tiempo después del contacto con los átomos de carbono, probablemente no se requirió ninguna conexión de arco para su clasificación como voltaica”.
Ese mismo año, Davy demostró públicamente el efecto ante la Royal Society haciendo pasar una corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono en contacto y luego separándolas una corta distancia. La demostración mostró un arco "débil", apenas distinguible de una chispa sostenida, entre puntas de carbón. La comunidad científica le ha proporcionado más batería poderosa de 1000 placas, y en 1808 demostró la aparición de un arco voltaico a gran escala. También se le atribuye haberlo nombrado. Inglés(arco voltaico). Lo llamó arco porque toma la forma de un arco ascendente cuando la distancia entre los electrodos se acorta. Esto se debe a las propiedades conductoras del gas caliente.
¿Cómo apareció el arco voltaico? El primer arco continuo fue observado de forma independiente en 1802 y descrito en 1803 como un "líquido especial con propiedades eléctricas" por el científico ruso Vasily Petrov, experimentando con una batería de cobre y zinc que constaba de 4200 discos.
Estudio adicional
A finales del siglo XIX, el arco voltaico era muy utilizado para el alumbrado público. La tendencia de los arcos eléctricos a parpadear y silbar era un problema grave. En 1895, Hertha Marx Ayrton escribió una serie de artículos sobre electricidad, explicando que el arco voltaico era el resultado del contacto del oxígeno con las varillas de carbono utilizadas para crear el arco.
En 1899, fue la primera mujer en leer su propio artículo ante la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE). Su informe se tituló "El mecanismo del arco eléctrico". Poco después, Ayrton fue elegida la primera mujer miembro de la Institución de Ingenieros Eléctricos. La siguiente mujer fue admitida en el instituto en 1958. Ayrton solicitó leer un artículo ante la Royal Society, pero no se le permitió hacerlo debido a su género, y John Perry leyó en su lugar El mecanismo del arco eléctrico en 1901.
Descripción
Un arco eléctrico es el tipo con mayor densidad de corriente. La cantidad máxima de corriente transportada por el arco está limitada únicamente por el entorno externo y no por el arco en sí.
Un arco entre dos electrodos puede iniciarse mediante ionización y descarga luminosa cuando aumenta la corriente a través de los electrodos. El voltaje de ruptura del espacio entre electrodos es una función combinada de la presión, la distancia entre los electrodos y el tipo de gas que rodea a los electrodos. Cuando comienza un arco, su voltaje terminal es mucho menor que el de una descarga luminosa y la corriente es mayor. Un arco en gases cercanos a la presión atmosférica se caracteriza por la luz visible, densidad alta actual y alta temperatura. Se diferencia de una descarga luminiscente en aproximadamente las mismas temperaturas efectivas tanto de los electrones como de los iones positivos, y en una descarga luminiscente los iones tienen una temperatura mucho menor. energía termal que los electrones.
Al soldar
Un arco extendido puede iniciarse mediante dos electrodos inicialmente en contacto y separados durante el experimento. Esta acción puede iniciar un arco sin una descarga luminosa de alto voltaje. Esta es la forma en que un soldador comienza a soldar una unión tocando instantáneamente el objeto con el electrodo de soldadura.
Otro ejemplo es la separación de contactos eléctricos en interruptores, relés o disyuntores. Los circuitos de alta energía pueden requerir supresión de arco para evitar daños en los contactos.
Arco voltaico: características
Resistencia electrica a lo largo de un arco continuo se crea calor que ioniza más moléculas de gas (donde el grado de ionización está determinado por la temperatura), y de acuerdo con esta secuencia el gas se convierte gradualmente en plasma térmico, que está en equilibrio térmico, ya que la temperatura se distribuye de manera relativamente uniforme todos los átomos, moléculas, iones y electrones. La energía transferida por los electrones se dispersa rápidamente con partículas más pesadas debido a colisiones elásticas debido a su alta movilidad y grandes números.
La corriente en el arco se mantiene mediante emisión termoiónica y de campo de electrones en el cátodo. La corriente se puede concentrar en un punto caliente muy pequeño del cátodo, del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado. A diferencia de una descarga luminosa, el arco tiene una estructura sutil, ya que la columna positiva es bastante brillante y se extiende casi hasta los electrodos en ambos extremos. La caída del cátodo y la caída del ánodo de varios voltios se producen dentro de una fracción de milímetro de cada electrodo. La columna positiva tiene un gradiente de voltaje más bajo y puede estar ausente en arcos muy cortos.
Arco de baja frecuencia
Un arco de CA de baja frecuencia (menos de 100 Hz) se parece a un arco de CC. En cada ciclo, el arco se inicia mediante ruptura y los electrodos cambian de función a medida que la corriente cambia de dirección. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, no hay tiempo suficiente para ionizarse en la divergencia de cada medio ciclo y ya no es necesaria la ruptura para mantener el arco: las características de voltaje y corriente se vuelven más óhmicas.
Lugar entre otros fenómenos físicos.
Varias formas Los arcos eléctricos son propiedades emergentes de patrones de corriente no lineales y campo eléctrico. El arco se produce en el espacio lleno de gas entre dos electrodos conductores (a menudo de tungsteno o carbono), lo que genera temperaturas muy altas capaces de fundir o vaporizar la mayoría de los materiales. Un arco eléctrico es una descarga continua, mientras que una descarga de chispa eléctrica similar es instantánea. Un arco voltaico puede ocurrir tanto en circuitos de corriente continua como en circuitos de corriente alterna. En el último caso, puede volver a atacar cada medio ciclo de la generación actual. Un arco eléctrico se diferencia de una descarga luminosa en que la densidad de corriente es bastante alta y la caída de voltaje dentro del arco es baja. En el cátodo, la densidad de corriente puede alcanzar un megaamperio por centímetro cuadrado.
Potencial destructivo
Un arco eléctrico tiene una relación no lineal entre corriente y voltaje. Una vez que se ha creado el arco (ya sea por progresión de la descarga luminosa o tocando momentáneamente los electrodos y luego separándolos), el aumento de corriente da como resultado un voltaje más bajo entre los terminales del arco. Este efecto de resistencia negativa requiere que se coloque alguna forma positiva de impedancia (como balasto eléctrico) en el circuito para mantener un arco estable. Esta propiedad es la razón por la cual los arcos eléctricos incontrolados en el aparato se vuelven tan destructivos, porque después de su aparición el arco consumirá cada vez más corriente de la fuente. voltaje CC hasta que el dispositivo sea destruido.
Aplicación práctica
EN escala industrial Los arcos eléctricos se utilizan para soldar. corte por plasma, procesamiento mecánico por descarga eléctrica, como lámpara de arco en proyectores de cine y en iluminación. Los hornos de arco eléctrico se utilizan para producir acero y otras sustancias. El carburo de calcio se obtiene de esta forma porque se requiere una gran cantidad de energía para lograr una reacción endotérmica (a temperaturas de 2500 °C).
Las luces de arco de carbón fueron las primeras luces eléctricas. Se utilizaron para farolas en el siglo XIX y para dispositivos especializados como reflectores hasta la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día, los arcos eléctricos de baja presión se utilizan en muchas áreas. Por ejemplo, para la iluminación se utilizan lámparas fluorescentes, lámparas de vapor de mercurio, lámparas de vapor de sodio y lámparas de halogenuros metálicos, mientras que para los proyectores de películas se utilizan lámparas de arco de xenón.
La formación de un arco eléctrico intenso, similar a un arco eléctrico a pequeña escala, es la base de los detonadores explosivos. Cuando los científicos aprendieron qué es un arco voltaico y cómo se puede utilizar, la variedad de armas mundiales se repuso con explosivos eficaces.
La principal aplicación restante es el alto voltaje. aparamenta para redes de transmisión. Dispositivos modernos También se utiliza hexafluoruro de azufre a alta presión.
Conclusión
A pesar de la frecuencia de las quemaduras por arco voltaico, se considera un fenómeno físico muy útil y todavía se utiliza ampliamente en la industria, la producción y la creación de objetos decorativos. Tiene su propia estética y su imagen aparece a menudo en películas de ciencia ficción. La lesión por arco eléctrico no es mortal.
Arco voltaico (arco voltaico, descarga de arco) - un fenómeno físico, uno de los tipos de descarga eléctrica en un gas.
Estructura de arco
El arco eléctrico consta de regiones de cátodo y ánodo, columna de arco y regiones de transición. El espesor de la zona del ánodo es de 0,001 mm, el de la zona del cátodo es de aproximadamente 0,0001 mm.
La temperatura en la región anódica al soldar con un electrodo consumible es de aproximadamente 2500 ... 4000 ° C, la temperatura en la columna del arco es de 7000 a 18 000 ° C, en la región catódica - 9000 - 12 000 ° C.
La columna de arco es eléctricamente neutra. En cualquiera de sus secciones se encuentran el mismo número de partículas cargadas de signos opuestos. La caída de voltaje en la columna del arco es proporcional a su longitud.
Los arcos de soldadura se clasifican según:
- Materiales de los electrodos: con electrodo consumible y no consumible;
- Grados de compresión de la columna: arco libre y comprimido;
- Según la corriente utilizada: arco CC y arco CA;
- Según la polaridad de la corriente eléctrica continua: polaridad directa ("-" en el electrodo, "+" - en el producto) y polaridad inversa;
- Cuando se utiliza corriente alterna: arcos monofásicos y trifásicos.
Autorregulación del arco durante la soldadura eléctrica.
Cuando se produce una compensación externa (cambios en el voltaje de la red, velocidad de alimentación del alambre, etc.), se produce una alteración en el equilibrio establecido entre la velocidad de alimentación y la velocidad de fusión. A medida que aumenta la longitud del arco en el circuito, la corriente de soldadura y la velocidad de fusión del alambre del electrodo disminuyen, y la velocidad de alimentación, aunque permanece constante, se vuelve mayor que la velocidad de fusión, lo que conduce a la restauración de la longitud del arco. A medida que la longitud del arco disminuye, la velocidad de fusión del alambre se vuelve mayor que la velocidad de alimentación, lo que conduce a la restauración de la longitud normal del arco.
La eficiencia del proceso de autorregulación del arco está significativamente influenciada por la forma de la característica corriente-voltaje de la fuente de energía. La alta velocidad de las oscilaciones de la longitud del arco se procesa automáticamente con las rígidas características de corriente-voltaje del circuito.
Luchando contra un arco eléctrico
En varios dispositivos, el fenómeno del arco eléctrico es perjudicial. Se trata principalmente de dispositivos de conmutación de contactos utilizados en el suministro de energía y accionamientos eléctricos: disyuntores de alto voltaje, disyuntores, contactores, aisladores seccionales en la red de contactos de electrificados. ferrocarriles y transporte eléctrico urbano. Cuando las cargas son desconectadas por los dispositivos anteriores, se produce un arco entre los contactos de apertura.
El mecanismo de aparición del arco en en este caso próximo:
- Reducir la presión de contacto: el número de puntos de contacto disminuye, la resistencia en la unidad de contacto aumenta;
- El comienzo de la divergencia de los contactos: la formación de "puentes" a partir del metal fundido de los contactos (en los últimos puntos de contacto);
- Ruptura y evaporación de “puentes” de metal fundido;
- Formación de un arco eléctrico en vapor de metal (lo que contribuye a una mayor ionización de la distancia de contacto y dificultad para extinguir el arco);
- Ardor de arco estable con rápido desgaste de contactos.
Para minimizar el daño a los contactos, es necesario apagar el arco en un tiempo mínimo, haciendo todo lo posible para evitar que el arco permanezca en un lugar (a medida que el arco se mueve, el calor liberado en él se distribuirá uniformemente sobre el cuerpo del contacto). ).
Para cumplir con los requisitos anteriores, se utilizan los siguientes métodos de control del arco:
- enfriamiento del arco mediante un flujo de medio refrigerante - líquido (interruptor de aceite); gas - (disyuntor de aire, disyuntor de autogás, disyuntor de aceite, disyuntor de gas SF6), y el flujo del medio de enfriamiento puede pasar tanto a lo largo del eje del arco (enfriamiento longitudinal) como a través (enfriamiento transversal); a veces se utiliza amortiguación longitudinal-transversal;
- uso de la capacidad de extinción del arco del vacío: se sabe que cuando la presión de los gases que rodean los contactos conmutados se reduce a un cierto valor, un disyuntor de vacío conduce a una extinción efectiva del arco (debido a la ausencia de portadores para formación de arco).
- uso de material de contacto más resistente al arco;
- uso de material de contacto con mayor potencial de ionización;
- uso de rejillas de extinción de arco (disyuntor, interruptor electromagnético). El principio de utilizar la extinción de arco en rejillas se basa en el uso del efecto de la caída cerca del cátodo en el arco (la mayor parte de la caída de voltaje en el arco es la caída de voltaje en el cátodo; la rejilla de extinción de arco es en realidad una serie de contactos serie para el arco que llega).
- uso
1. Condiciones para la aparición y quema de un arco.
La apertura de un circuito eléctrico cuando hay corriente en él va acompañada de una descarga eléctrica entre los contactos. Si en el circuito desconectado la corriente y el voltaje entre los contactos son mayores que los críticos para las condiciones dadas, entonces arco, cuya duración de la combustión depende de los parámetros del circuito y de las condiciones de desionización de la brecha del arco. La formación de un arco cuando se abren contactos de cobre ya es posible con una corriente de 0,4-0,5 A y un voltaje de 15 V.
Arroz. 1. Ubicación del voltaje U(a) y el voltaje en un arco de CC estacionarioMI(b).
En el arco se distinguen el espacio cercano al cátodo, el eje del arco y el espacio cercano al ánodo (Fig. 1). Todo el estrés se distribuye entre estas áreas. Ud. A, Ud. Dakota del Sur, Ud. A. La caída de voltaje del cátodo en un arco de CC es de 10-20 V, y la longitud de esta sección es de 10-4-10-5 cm, por lo que se observa una alta intensidad de campo eléctrico cerca del cátodo (105-106 V/cm). . A voltajes tan altos, se produce ionización por impacto. Su esencia radica en el hecho de que los electrones arrancados del cátodo por las fuerzas de un campo eléctrico (emisión de campo) o debido al calentamiento del cátodo (emisión termoiónica) se aceleran hacia campo eléctrico y cuando chocan contra un átomo neutro, le dan su energía cinética. Si esta energía es suficiente para eliminar un electrón de la capa de un átomo neutro, entonces se producirá la ionización. Los electrones e iones libres resultantes forman el plasma del cilindro del arco.
Arroz. 2. .
La conductividad del plasma se acerca a la conductividad de los metales [ en= 2500 1/(Ohm×cm)]/ Una gran corriente pasa por el cilindro del arco y se crea una temperatura alta. La densidad de corriente puede alcanzar 10.000 A/cm2 o más, y la temperatura puede variar desde 6.000 K a presión atmosférica hasta 18.000 K o más a presiones elevadas.
Las altas temperaturas en el cilindro del arco provocan una intensa ionización térmica, que mantiene una alta conductividad del plasma.
La ionización térmica es el proceso de formación de iones debido a la colisión de moléculas y átomos con alta energía cinética en altas velocidades sus movimientos.
Cuanto mayor es la corriente en el arco, menor es su resistencia y, por lo tanto, se requiere menos voltaje para quemar el arco, es decir, es más difícil extinguir un arco con una corriente alta.
Con voltaje de fuente de alimentación de CA tu cd cambia de forma sinusoidal, la corriente en el circuito también cambia i(Fig. 2), y la corriente va por detrás del voltaje en aproximadamente 90°. voltaje del arco tu d, ardiendo entre los contactos del interruptor, de forma intermitente. A corrientes bajas, el voltaje aumenta a un valor tu h (voltaje de encendido), luego, a medida que aumenta la corriente en el arco y aumenta la ionización térmica, el voltaje cae. Al final del semiciclo, cuando la corriente se acerca a cero, el arco se apaga al voltaje de extinción. tu d. En el siguiente medio ciclo, el fenómeno se repite si no se toman medidas para desionizar la brecha.
Si el arco se extingue por un medio u otro, entonces el voltaje entre los contactos del interruptor debe restablecerse al voltaje de suministro. tu vz (Fig. 2, punto A). Sin embargo, dado que el circuito contiene resistencias inductivas, activas y capacitivas, se produce un proceso transitorio, aparecen fluctuaciones de voltaje (Fig.2), cuya amplitud Ud. in,max puede exceder significativamente voltaje normal. Para equipos de conmutación, es importante la rapidez con la que se restablece el voltaje en la sección AB. En resumen, la descarga del arco se inicia mediante ionización por impacto y emisión de electrones desde el cátodo, y después de la ignición, el arco se mantiene mediante ionización térmica en el cilindro del arco.
En los dispositivos de conmutación es necesario no sólo abrir los contactos, sino también extinguir el arco que surge entre ellos.
En los circuitos de corriente alterna, la corriente en el arco pasa por cero cada medio ciclo (Fig.2), en estos momentos el arco se apaga espontáneamente, pero en el siguiente medio ciclo puede volver a surgir. Como muestran los oscilogramas, la corriente en el arco se acerca a cero algo antes que la transición natural a través de cero (Fig. 3, A). Esto se explica por el hecho de que cuando la corriente disminuye, la energía suministrada al arco disminuye, por lo tanto, la temperatura del arco disminuye y se detiene la ionización térmica. Duración del tiempo muerto t n es pequeño (de decenas a varios cientos de microsegundos), pero juega un papel importante en la extinción del arco. Si abre los contactos durante un tiempo muerto y los separa a una velocidad suficiente hasta una distancia tal que no se produzca una falla eléctrica, el circuito se apagará muy rápidamente.
Durante la pausa muerta, la intensidad de ionización cae significativamente, ya que no se produce ionización térmica. Además, en los dispositivos de conmutación se toman medidas artificiales para enfriar el espacio del arco y reducir el número de partículas cargadas. Estos procesos de desionización conducen a un aumento gradual de la resistencia eléctrica de la brecha. tu pr (Figura 3, b).
Un fuerte aumento en la resistencia eléctrica del espacio después de que la corriente pasa por cero se produce principalmente debido a un aumento en la resistencia del espacio cercano al cátodo (en circuitos de CA de 150-250 V). Al mismo tiempo, el voltaje de recuperación aumenta. tu v. Si en cualquier momento tu pr > tu la brecha no se perforará, el arco no se encenderá nuevamente después de que la corriente pase por cero. Si en algún momento tu pr = tu c, entonces el arco se vuelve a encender en el espacio.
Arroz. 3. :
A– extinción del arco cuando la corriente pasa naturalmente por cero; b– aumento de la resistencia eléctrica de la separación del arco cuando la corriente pasa por cero
Por tanto, la tarea de extinguir el arco se reduce a crear condiciones tales que la resistencia eléctrica del espacio entre los contactos tu había más tensión entre ellos tu v.
El proceso de aumento de voltaje entre los contactos del dispositivo apagado puede ser de diferente naturaleza dependiendo de los parámetros del circuito conmutado. Si se apaga un circuito con predominio de resistencia activa, entonces el voltaje se restablece de acuerdo con una ley aperiódica; Si en el circuito predomina la reactancia inductiva, entonces se producen oscilaciones, cuyas frecuencias dependen de la relación entre capacitancia e inductancia del circuito. El proceso oscilatorio conduce a velocidades significativas de recuperación de voltaje, y cuanto mayor es la velocidad du V/ dt, más probable es que la brecha se rompa y el arco se vuelva a encender. Para facilitar las condiciones para extinguir el arco, se introducen resistencias activas en el circuito de corriente desconectado, luego la naturaleza de la recuperación de voltaje será aperiódica (Fig.3, b).
3. Métodos para extinguir arcos en dispositivos de conmutación hasta 1000.EN
En dispositivos de conmutación de hasta 1 kV, se utilizan ampliamente los siguientes métodos de extinción de arco:
Alargamiento del arco con rápida divergencia de contactos.
Cuanto más largo sea el arco, mayor será el voltaje necesario para su existencia. Si el voltaje de la fuente de alimentación es menor, el arco se apaga.
Dividir un arco largo en varios cortos (Fig.4, A).
Como se muestra en la Fig. 1, el voltaje del arco es la suma del voltaje del cátodo Ud. k y ánodo Ud. y caídas de voltaje y voltaje del eje del arco Ud. Dakota del Sur:
Ud. re= Ud. k+ Ud. un+ Ud. dt= Ud. e+ Ud. Dakota del Sur.
Si un arco largo que se produce cuando se abren los contactos se introduce en una rejilla extintora de arco hecha de placas de metal, se dividirá en norte arcos cortos. Cada arco corto tendrá sus propias caídas de voltaje en el cátodo y el ánodo. Ud. mi. El arco se apaga si:
Ud. norte Ud. oh,
Dónde Ud.- tensión de red; Ud. e - la suma de las caídas de voltaje del cátodo y del ánodo (20-25 V en un arco de CC).
El arco CA también se puede dividir en norte arcos cortos. En el momento en que la corriente pasa por cero, el espacio cercano al cátodo adquiere instantáneamente una intensidad eléctrica de 150-250 V.
El arco se apaga si
Extinción de arco en ranuras estrechas.
Si un arco arde en un espacio estrecho formado por un material resistente al arco, entonces, debido al contacto con superficies frías, se produce un enfriamiento intensivo y la difusión de partículas cargadas en ambiente. Esto conduce a una rápida desionización y extinción del arco.
Arroz. 4.
A– dividir un arco largo en arcos cortos; b– introducir el arco en una ranura estrecha de la cámara de extinción del arco; V– rotación del arco en un campo magnético; GRAMO– extinción del arco en aceite: 1 – contacto fijo; 2 – tronco de arco; 3 – capa de hidrógeno; 4 – zona de gas; 5 – zona de vapor de aceite; 6 – contacto móvil
Movimiento de un arco en un campo magnético.
Un arco eléctrico puede considerarse como un conductor que transporta corriente. Si el arco está en un campo magnético, entonces actúa sobre él una fuerza determinada por la regla de la mano izquierda. Si crea un campo magnético dirigido perpendicular al eje del arco, recibirá un movimiento de traslación y será arrastrado hacia el interior de la ranura de la cámara de extinción del arco (Fig. 4, b).
En un campo magnético radial, el arco recibirá movimiento rotacional(Figura 4, V). Se puede crear un campo magnético imanes permanentes, bobinas especiales o el propio circuito de piezas vivas. La rápida rotación y movimiento del arco contribuye a su enfriamiento y desionización.
Los dos últimos métodos de extinción de arco (en espacios estrechos y en campo magnético) también se utilizan para desconectar dispositivos con tensiones superiores a 1 kV.
4. Los principales métodos para extinguir el arco en dispositivos superiores a 1.kilovoltios.
En dispositivos de conmutación por encima de 1 kV, se utilizan los métodos 2 y 3 descritos en los párrafos. 1.3. y también se utilizan ampliamente los siguientes métodos de extinción de arco:
1. Extinción de arco en petróleo. .
Si los contactos del dispositivo de desconexión se colocan en aceite, el arco que se produce durante la apertura provoca una intensa formación de gas y la evaporación del aceite (Fig. 4, GRAMO). Alrededor del arco se forma una burbuja de gas, compuesta principalmente de hidrógeno (70-80%); La rápida descomposición del aceite conduce a un aumento de la presión en la burbuja, lo que contribuye a su mejor enfriamiento y desionización. El hidrógeno tiene altas propiedades de extinción de arco. Al contactar directamente con el eje del arco, contribuye a su desionización. Dentro de la burbuja de gas hay un movimiento continuo de gas y vapor de petróleo. La extinción de arco en aceite se utiliza ampliamente en disyuntores.
2. gas-aire soplo .
El enfriamiento del arco mejora si se crea un movimiento dirigido de gases: voladura. Soplar a lo largo o transversal del arco (Fig. 5) promueve la penetración de partículas de gas en su cañón, una intensa difusión y enfriamiento del arco. El gas se crea durante la descomposición del petróleo mediante un arco (cambios de aceite) o materiales sólidos que generan gas (explosión de autogás). Es más eficaz soplar con aire frío no ionizado procedente de cilindros especiales de aire comprimido (interruptores de aire).
3. Interrupción de circuito de corriente múltiple .
Es difícil desconectar grandes corrientes con altos voltajes. Esto se explica por el hecho de que cuando valores grandes Con la energía agregada y el voltaje de recuperación, la desionización de la brecha del arco se vuelve más complicada. Por lo tanto, en los disyuntores de alto voltaje, se utilizan múltiples cortes de arco en cada fase (Fig. 6). Dichos interruptores tienen varios dispositivos de extinción diseñados para parte del valor nominal. 
hilo. El número de interrupciones por fase depende del tipo de interruptor y de su tensión. En los disyuntores de 500-750 kV puede haber 12 cortes o más. Para facilitar la extinción del arco, la tensión de recuperación debe distribuirse uniformemente entre los cortes. En la figura. La figura 6 muestra esquemáticamente un interruptor de aceite con dos pausas por fase.
Cuando se desconecta un cortocircuito monofásico, la tensión de recuperación se distribuirá entre los cortes de la siguiente manera:
Ud. 1/Ud. 2 = (do 1+do 2)/do 1
Dónde Ud. 1 ,Ud. 2 - tensiones aplicadas a la primera y segunda rotura; CON 1 – capacitancia entre los contactos de estos espacios; do 2 – capacidad del sistema de contacto con respecto al suelo.
Arroz. 6. Distribución de tensión en caso de roturas en el interruptor: a – distribución de tensión en caso de roturas en el interruptor de aceite; b – divisores de tensión capacitivos; c – divisores de tensión activos.
Porque CON 2 es mucho más do 1, entonces el voltaje Ud. 1 > Ud. 2 y, por tanto, los dispositivos de extinción funcionarán en diferentes condiciones. Para igualar el voltaje, se conectan capacitancias o resistencias activas en paralelo a los contactos principales del disyuntor (MC) (Fig.16, b, V). Los valores de capacitancias y resistencias en derivación activas se seleccionan de modo que el voltaje en las interrupciones se distribuya uniformemente. En los interruptores con resistencias en derivación, después de extinguir el arco entre los circuitos principales, los contactos auxiliares (CA) interrumpen la corriente que lo acompaña, limitada en valor por las resistencias.
Las resistencias en derivación reducen la tasa de aumento del voltaje de recuperación, lo que facilita la extinción del arco.
4. Extinción de arco en el vacío. .
El gas muy enrarecido (10-6-10-8 N/cm2) tiene una resistencia eléctrica decenas de veces mayor que la del gas a presión atmosférica. Si los contactos se abren en el vacío, inmediatamente después del primer paso de la corriente en el arco a través de cero, la fuerza de la brecha se restablece y el arco no se enciende nuevamente.
5. Extinción de arco en gases. presión alta .
El aire a una presión de 2 MPa o más tiene una alta resistencia eléctrica. Esto permite crear dispositivos bastante compactos para extinguir un arco en una atmósfera de aire comprimido. El uso de gases de alta resistencia, como el hexafluoruro de azufre SF6 (gas SF6), es aún más eficaz. El gas SF6 no sólo tiene mayor resistencia eléctrica que el aire y el hidrógeno, sino también mejores propiedades de extinción del arco incluso a presión atmosférica.
El principio de la soldadura por arco eléctrico se basa en el aprovechamiento de la temperatura de la descarga eléctrica que se produce entre el electrodo de soldadura y la pieza metálica.
Se forma una descarga de arco debido a una ruptura eléctrica del entrehierro. Cuando ocurre este fenómeno, las moléculas de gas se ionizan, su temperatura y conductividad eléctrica aumentan y pasa al estado de plasma.
La quema del arco de soldadura va acompañada de la liberación. gran cantidad energía luminosa y especialmente térmica, como resultado de lo cual la temperatura aumenta bruscamente y se produce una fusión local del metal de la pieza de trabajo. Esto es soldadura.
Durante la operación, para iniciar una descarga de arco, el electrodo toca brevemente la pieza de trabajo, es decir, la creación cortocircuito seguido de romper el contacto metálico y establecer el espacio de aire requerido. De esta manera se selecciona la longitud óptima del arco de soldadura.
Con una descarga muy corta, el electrodo puede adherirse a la pieza de trabajo, la fusión se produce con demasiada intensidad, lo que puede provocar flacidez. Un arco largo se caracteriza por una inestabilidad de la combustión y una temperatura insuficientemente alta en la zona de soldadura.
La inestabilidad y la curvatura visible del arco de soldadura se pueden observar a menudo durante el funcionamiento de unidades de soldadura industriales con piezas bastante masivas. Este fenómeno se llama soplado magnético.
Su esencia radica en el hecho de que la corriente del arco de soldadura crea un cierto campo magnético que interactúa con campo magnético, creado por la corriente que fluye a través de una pieza de trabajo masiva.
Es decir, la desviación del arco es provocada por fuerzas magnéticas. El proceso se llama soplado porque el arco se desvía, como si estuviera bajo la influencia del viento.
No existen formas radicales de combatir este fenómeno. Para reducir la influencia de la explosión magnética, se utiliza soldadura con un arco acortado y el electrodo también se coloca en un ángulo determinado.
Medio de combustión
Existen varias tecnologías de soldadura diferentes que utilizan descargas de arco eléctrico, que se diferencian en propiedades y parámetros. El arco eléctrico de soldadura tiene los siguientes tipos:
- abierto. La descarga se produce directamente en la atmósfera;
- cerrado. La alta temperatura generada durante la combustión provoca una abundante liberación de gases del fundente en combustión. El fundente está contenido en el revestimiento de los electrodos de soldadura;
- en un ambiente de gas protector. En esta opción, se suministra gas a la zona de soldadura, normalmente helio, argón o dióxido de carbono.
La protección de la zona de soldadura es necesaria para evitar la oxidación activa del metal fundido bajo la influencia del oxígeno atmosférico.
La capa de óxido evita la formación de una capa continua. soldar, el metal en la unión se vuelve poroso, lo que resulta en una disminución de la resistencia y estanqueidad de la unión.
Hasta cierto punto, el arco en sí es capaz de crear un microclima en la zona de combustión debido a la formación de un área. hipertensión, impidiendo el flujo de aire atmosférico.
El uso de fundente permite exprimir más activamente el aire de la zona de soldadura. El uso de gases protectores suministrados bajo presión resuelve este problema casi por completo.
Duración del alta
Además de los criterios de protección, la descarga del arco se clasifica por duración. Hay procesos en los que la combustión del arco se produce de forma pulsada.
En tales dispositivos, la soldadura se realiza en breves ráfagas. Durante el brote, la temperatura logra aumentar hasta un valor suficiente para el deshielo local. área pequeña, en el que se forma una conexión puntual.
La mayoría de las tecnologías de soldadura utilizadas utilizan un tiempo de combustión del arco relativamente largo. Durante el proceso de soldadura, el electrodo se mueve constantemente a lo largo de los bordes a unir.
Región temperatura elevada, creando, se mueve después del electrodo. después de mudarse electrodo de soldadura En consecuencia, se produce la descarga del arco, la temperatura del área atravesada disminuye, se produce la cristalización del baño de soldadura y se forma una soldadura fuerte.
Estructura de descarga de arco
El área de descarga del arco se divide convencionalmente en tres secciones. Las áreas inmediatamente adyacentes a los polos (ánodo y cátodo) se denominan ánodo y cátodo, respectivamente.
La parte central de la descarga del arco, ubicada entre las regiones del ánodo y el cátodo, se llama columna del arco. La temperatura en la zona del arco de soldadura puede alcanzar varios miles de grados (hasta 7000 °C).
Aunque el calor no se transfiere completamente al metal, es suficiente para fundirlo. Así, el punto de fusión del acero, a modo de comparación, es de 1300-1500 °C.
Para garantizar una combustión estable de una descarga de arco, es necesario siguientes condiciones: la presencia de una corriente del orden de 10 Amperios (este es el valor mínimo, el máximo puede alcanzar los 1000 Amperios), manteniendo la tensión del arco de 15 a 40 Voltios.
Esta caída de voltaje ocurre en una descarga de arco. La distribución de voltaje a través de las zonas del arco es desigual. La mayor parte de la caída de voltaje aplicada ocurre en las zonas anódica y catódica.
Se ha establecido experimentalmente que en , la mayor caída de voltaje se observa en la zona del cátodo. En la misma parte del arco se observa el mayor gradiente de temperatura.
Por lo tanto, al elegir la polaridad del proceso de soldadura, el cátodo se conecta al electrodo cuando se quiere conseguir su mayor fusión, aumentando su temperatura. Por el contrario, para una penetración más profunda en la pieza de trabajo, se le coloca un cátodo. La parte más pequeña del voltaje cae en la columna del arco.
Al soldar con un electrodo no consumible, la caída de tensión del cátodo es menor que la del anódico, es decir, la zona de alta temperatura se desplaza hacia el ánodo.
Por lo tanto, con esta tecnología, la pieza de trabajo se conecta al ánodo, lo que asegura un buen calentamiento y protección del electrodo no consumible contra temperaturas excesivas.
Zonas de temperatura
Cabe señalar que en cualquier tipo de soldadura, tanto con electrodos consumibles como no consumibles, la columna de arco (su centro) tiene la mayor temperatura alta- alrededor de 5000-7000 °C, y a veces más.
Las zonas de temperatura más baja se encuentran en uno de los áreas activas, cátodo o anódico. En estas zonas se puede liberar entre el 60 y el 70% del calor del arco.
Además de aumentar intensamente la temperatura de la pieza de trabajo y del electrodo de soldadura, la descarga emite ondas infrarrojas y ultravioleta que pueden tener efectos nocivos en el cuerpo del soldador. Esto requiere el uso de medidas de protección.
En cuanto a la soldadura AC, allí no existe el concepto de polaridad, ya que la posición del ánodo y del cátodo cambia a una frecuencia industrial de 50 vibraciones por segundo.
El arco en este proceso es menos estable en comparación con la corriente continua y su temperatura fluctúa. Las ventajas de los procesos de soldadura que utilizan corriente alterna incluyen equipos más simples y económicos, e incluso la ausencia casi total de un fenómeno como la explosión magnética, que se mencionó anteriormente.
Característica corriente-voltaje
El gráfico muestra la dependencia del voltaje de la fuente de energía de la corriente de soldadura, denominadas características corriente-voltaje del proceso de soldadura.
Las curvas rojas muestran el cambio de voltaje entre el electrodo y la pieza de trabajo en las fases de excitación del arco de soldadura y su combustión estable. Los puntos iniciales de las curvas corresponden a la tensión. velocidad de ralentí fuente de alimentación.
En el momento en que el soldador inicia una descarga de arco, el voltaje cae bruscamente hasta el momento en que los parámetros del arco se estabilizan, se establece el valor de la corriente de soldadura, dependiendo del diámetro del electrodo utilizado, la potencia de la fuente de alimentación y el conjunto. longitud del arco.
Con el inicio de este período, el voltaje y la temperatura del arco se estabilizan y todo el proceso se vuelve estable.