¿Por qué solo la punta del electrodo se derrite al soldar por arco?

Vi en YouTube a algunas personas realizando soldadura por arco con "electrodos consumibles". A primera vista, vi que la corriente fluye a través de todo el electrodo y la pieza de trabajo y mi pregunta proviene de este hecho.

Creo que la pieza de trabajo no se derrite porque generalmente es mucho más grande que el electrodo, por lo tanto, puede disipar el calor mucho más rápido. Sin embargo, el electrodo es más delgado y no entiendo por qué todo el electrodo no se derrite si la corriente que fluye a través de él es lo suficientemente alta como para derretir la punta del electrodo.

Lo pensé y creo que tiene algo que ver con que la resistencia de contacto en la punta del electrodo sea diferente de la del material del electrodo. La razón es que la potencia, que de alguna manera es proporcional al calor generado, debería ser Pero no creo que la diferencia entre las dos resistencias sea lo suficientemente alta como para explicar este fenómeno, así que me preguntaba qué parte ¡Estoy perdido!

La resistencia del electrodo no es lo que está calentando las cosas, ¡es la resistencia del aire ionizado en el arco!

Por lo tanto, las cosas cercanas al arco se calientan, y las cosas más alejadas no.

Cuando el electrodo se acerca a la pieza de trabajo, el espacio de aire se estrecha hasta el punto en que se crea una chispa cuando la intensidad del campo eléctrico (en voltios por metro, por ejemplo) aumenta lo suficiente como para ionizar las moléculas de aire que intervienen.

El aire ionizado es un plasma, que tiene una temperatura muy alta, lo suficientemente alta como para derretir el electrodo y el material de la pieza de trabajo.

Mientras el soldador mantenga un espacio de la longitud correcta, la intensidad del campo eléctrico será lo suficientemente alta como para ionizar el aire dentro del espacio y derretir el material cercano de la varilla de soldadura y la pieza de trabajo. Parte del metal también puede gasificarse y convertirse también en plasma, y ​​así contribuir al arco.

Si el espacio es demasiado grande, entonces el plasma cesará, junto con cualquier soldadura.

Cualquiera que haya trabajado con un soldador de varilla (uno que usa varillas de soldadura) puede decirle que si el espacio es demasiado pequeño, puede tocar la varilla con la pieza de trabajo, puede crear suficiente plasma en el momento del contacto para soldar el varilla a la pieza de trabajo. En ese punto, tienes un circuito metálico continuo sin plasma. Conducirá la misma cantidad de corriente que lo haría mientras realiza una soldadura adecuada, pero, sin el arco de plasma, nada se derretirá.

Ninguna de estas explicaciones tiene nada que ver con la resistencia del plasma. Es una función de cómo se forma el plasma en respuesta a la fuerza del campo eléctrico impuesta.

Existen varios procesos de soldadura que producen calor a través de diferentes medios. Creo que la soldadura TIG es conceptualmente más fácil de entender que la soldadura con varilla o MIG. La explicación ayudará a comprender otros procesos de soldadura, así que comenzaré a explicar la soldadura TIG.

En la soldadura TIG (soldadura por arco de tungsteno con gas o GTAW), se conecta una fuente de alimentación de soldadura a una antorcha manual con una punta de tungsteno. El electrodo negativo está conectado a la antorcha. El electrodo positivo está conectado a la pieza de trabajo a soldar.

Un circuito en la fuente de alimentación llamado iniciador de arco crea un arco que produce un pulso de alta tensión y alta frecuencia entre la punta de tungsteno y la pieza de trabajo. El arco tiene suficiente energía para eliminar los electrones del gas protector y crear un camino de iones que conducen la electricidad desde la punta de tungsteno hasta la pieza de trabajo. Para la soldadura TIG, el gas argón se usa típicamente porque es barato, se ioniza fácilmente y es más pesado que el aire, por lo que evita la entrada de oxígeno.

Cuando se completa la ruta de iones, la fuente de alimentación detecta la caída de voltaje entre los electrodos. Cuando no hay una ruta ionizada entre el electrodo y la pieza de trabajo, puede haber una diferencia de 50 V o más entre el tungsteno y los electrodos de trabajo. Después de que se inicia el arco, el voltaje entre los electrodos caerá a alrededor de 10 V dependiendo del tamaño del espacio. En este punto, la fuente de alimentación activa la corriente de soldadura. La soldadura TIG se realiza con un suministro de corriente constante.

El arco se mantiene mediante calentamiento resistivo del gas protector. El gas ionizado actúa como una resistencia donde el calor es una función del voltaje a través del espacio y la corriente a través de él. La alta corriente a través del gas ionizado disipa tanto calor que el gas se mantiene lo suficientemente caliente como para permanecer en plasma y continúa conduciendo.

Sin embargo, el calor no se distribuye uniformemente a través del arco. En esta configuración que acabo de describir, los electrones en realidad se disparan desde la punta de tungsteno y golpean la pieza de trabajo. Esto hace que el calor se concentre en la pieza de trabajo. Si invirtiera la polaridad de los electrodos y conectara lo negativo a la pieza de trabajo y lo positivo a la antorcha, tendría el efecto contrario. Todavía obtendría un arco y mucho calor, pero el calor se centraría en la punta y no en la pieza que estaba tratando de soldar. Esto daría como resultado que la punta se derrita y se caiga. El tungsteno se usa para la punta ya que tiene el punto de fusión más alto que cualquier metal. En la soldadura TIG, no desea que el electrodo se derrita y se convierta en parte de la soldadura, pero sí en otros tipos de soldadura.

En soldadura MIG (soldadura por arco metálico con gas o GMAW), esto es lo que desea. En la soldadura MIG, el electrodo es un cable conductor que se alimenta desde una bobina de alambre a alta velocidad. El alambre se derrite y se convierte en parte de la soldadura. La polaridad se invierte para que el cable sea positivo y la pieza de trabajo sea negativa. No necesita un iniciador de arco con MIG.

Cuando aprieta el gatillo de la antorcha mig, el alimentador de alambre comienza a empujar el cable. Cuando el cable hace contacto con el trabajo, el cable actúa como una resistencia y se calienta. Cuanto más larga sea la extensión del cable, mayor resistencia tendrá y producirá una caída de voltaje diferente a través de él.

Debido a la alta corriente a través del cable, el cable se derretirá y se quemará. Esto produce un pequeño espacio entre el trabajo y el cable donde hay suficiente voltaje para ionizar. Esto crea un arco. Sin entrar en los detalles de los diferentes procesos MIG (cortocircuito, goteo y transferencia por pulverización), este proceso se repite esencialmente. El cable hace contacto. Se calienta y se derrite. Golpea un arco, luego hace contacto nuevamente. Etc.

La pieza de trabajo generalmente también necesita fundirse (pero no demasiado o se obtiene un avance importante del material), de lo contrario no tendría una conexión mecánica fuerte. Usted tiene en cuenta el espesor, la masa térmica y la conductividad térmica de la pieza de trabajo ajustando la corriente y la velocidad de alimentación del material. Y como ya dijo Marcus Müller: no se trata de la resistencia de los electrodos.