Salpicaduras de tungsteno

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12210 (2023) Citar este artículo

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Se identificó un mecanismo único de salpicadura de un ánodo a base de tungsteno durante la descarga del arco. Las salpicaduras se produjeron por la rotura de una columna de metal líquido, que se alarga después de que se formó una concavidad local en la superficie del ánodo fundido. La luminiscencia azul-violeta, emitida por los iones de cerio procedentes de aditivos en el ánodo a base de tungsteno, se capturó antes de la formación de la concavidad. La temperatura de la superficie superó el punto de ebullición de los aditivos en el momento de la salpicadura. Las velocidades de las gotas medidas sugirieron que una fuerza electromagnética contribuye a las eyecciones de alta velocidad. El mapeo de espectrometría de dispersión de energía también mostró un resto de los aditivos en la sección transversal longitudinal del ánodo después de la descarga del arco. Con base en estos hechos experimentales, el mecanismo de salpicadura del ánodo en la descarga de arco se dedujo de la siguiente manera: formación de burbujas de aditivos a temperaturas superiores a su punto de ebullición, explosión de burbujas en la superficie, generación de chorros de microplasma, alargamiento y rotura de la columna de líquido bajo una fuerza electromagnética y la consiguiente expulsión de gotas a alta velocidad.

La descarga eléctrica se produce cuando una corriente eléctrica fluye a través de un medio gaseoso conductor formado por electrones y especies ionizadas de moléculas y átomos. Un medio así se llama plasma. Una descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica causada por bajo voltaje y alta corriente entre un cátodo y un ánodo bajo presión atmosférica. Como las descargas de arco pueden producir temperaturas notablemente altas (> 10 000 K), el plasma de arco se ha aplicado como una fuente de calor única en el corte y unión de metales a alta velocidad1,2,3. Además, está atrayendo la atención científica e industrial como una herramienta prometedora para la fabricación de materiales tridimensionales, conocida como fabricación aditiva4,5. Debido a su alto brillo, el plasma de arco también se utiliza como fuente de luz. Dado que se espera que la energía fotovoltaica sea una fuente de electricidad sostenible en un futuro próximo, mejorar la eficiencia de conversión de la luz solar en electricidad es un problema social dominante6,7. Para medir con precisión la eficiencia de conversión, se requiere una fuente de luz estable con un espectro de emisión equivalente al de la luz solar. Entre las fuentes de luz que satisfacen estos requisitos se encuentran las lámparas de arco de xenón y las lámparas de arco de halogenuros metálicos8,9,10. Recientemente, identificamos la dinámica única de la superficie de un electrodo fundido que interactúa con el plasma de arco. El presente artículo profundiza en estos hallazgos.

Un cátodo emite electrones termoiónicos cuando se calienta a alta temperatura. Cuando la corriente del arco es suministrada suficientemente sólo mediante emisión termoiónica, el plasma del arco permanece relativamente estable. Por este motivo, el material catódico debe ser sólido o líquido incluso a temperaturas superiores a 3000 K. El material catódico habitual es el tungsteno, que tiene un alto punto de fusión y un alto punto de ebullición. Además, el tungsteno dopado con un pequeño porcentaje en peso de óxidos tiene una función de trabajo efectiva menor y una emisión termoiónica menor que el tungsteno puro. En consecuencia, se reduce la temperatura del cátodo y se suprime la erosión del cátodo11,12. Además, al considerar la difusión y evaporación de los aditivos en el cátodo, los investigadores han mejorado las predicciones de la erosión del cátodo13,14.

Aunque los fenómenos del cátodo a base de tungsteno durante la descarga del arco han sido bien estudiados, los fenómenos del ánodo a base de tungsteno están en gran medida inexplicados. Uno de esos fenómenos es la salpicadura del ánodo fundido. Como la corriente del arco puede ser corriente continua (CC) o corriente alterna (CA)15,16,17, un único electrodo a base de tungsteno se convierte en cátodo y ánodo. Sin embargo, la física de los ánodos a base de tungsteno no se comprende bien, por lo que los fenómenos de los electrodos durante la descarga del arco de CA (que es más complejo que el arco de CC) siguen siendo desconocidos. En particular, las salpicaduras del ánodo fundido aceleran la erosión del ánodo y dificultan la formación de plasma de arco estable. Además, las salpicaduras de metales fundidos provocan contaminación y reducen la calidad de aplicaciones como lámparas de arco, unión de materiales y fabricación aditiva. Varios estudios también han informado que parte de un cátodo fundido se expulsa en forma de gotas durante la descarga del arco de CC18,19. Sin embargo, cabe destacar que estos estudios se realizaron en condiciones específicas inmediatamente después del encendido o extinción del arco18,19. Por el contrario, observamos las eyecciones de gotas de un ánodo a base de tungsteno durante el funcionamiento continuo de una descarga de arco. Este estudio revela la dinámica y el mecanismo del proceso de salpicaduras en la superficie del ánodo a base de tungsteno durante una descarga sostenida de arco de CC. Estos nuevos conocimientos beneficiarán tanto a las aplicaciones científicas como industriales de la descarga por arco.

Los fenómenos de salpicadura del ánodo durante la descarga del arco se visualizaron mediante una cámara de alta velocidad. El material del ánodo era tungsteno dopado con ceria al 2% en peso y la corriente se ajustó a 40 A. La Figura 1a muestra la apariencia del ánodo durante la descarga del arco. El tiempo transcurrido t está indicado por los caracteres amarillos en la parte superior izquierda de las imágenes. Aquí, t = 0,00 ms indica el tiempo de 3 so más después de la ignición del arco. En t = 0,00 ms, la punta del ánodo se fundió y no aparecieron irregularidades ni otras formas peculiares en la superficie del ánodo. Centrándose en el área encerrada por el marco rojo en la primera imagen, apareció una emisión de luz azul-violeta cerca de la superficie del ánodo en t = 0,01 ms. En t = 0,20 ms, se formó una cavidad con un diámetro aproximado de 200 µm en el lugar de emisión de luz. Una columna de metal líquido se extendía desde el centro de la cavidad y su punta se partía para liberar una gota de metal fundido. Se confirmó una serie de fenómenos de salpicaduras en una escala de tiempo de ~ 0,3 ms.

Fenómenos de salpicaduras de un ánodo de tungsteno dopado con ceria: (a) Proceso de emisión de gotas capturado por una cámara de alta velocidad (el video está disponible en la Información complementaria); (b) trayectorias de gotas desde el ánodo; (c) Relación entre la velocidad de salpicadura y el diámetro de la gota.

La Figura 1b muestra las trayectorias de salpicaduras visualizadas desde el ánodo durante 0,1 s. Esta imagen fue generada mediante procesamiento de imágenes. La barra de color indica el número de pasos de la gota sobre las coordenadas capturadas por cada píxel durante el intervalo de 0,1 s (velocidad de fotogramas = 75.000 fps). Las regiones más rojas indican dónde pasaron muchas gotas sobre la posición o pasaron a baja velocidad. El borde del ánodo (también mostrado en rojo) tenía alrededor de 0,4 mm de ancho, lo que indica que el ánodo se fundió y osciló durante la descarga del arco. Para resaltar el aumento del ancho del borde en la región fundida, el límite sólido-líquido del ánodo se muestra como una línea discontinua blanca. A juzgar por los resultados de la visualización, se produjeron salpicaduras tanto desde la punta del ánodo como a ~ 1,5 mm por encima de la punta. La Figura 1c es un gráfico de velocidad de salpicadura versus diámetro de muchas gotas salpicadas medidas en un intervalo de 1 s. Las velocidades de salpicadura de gotas grandes (~ 200 µm de diámetro) fueron inferiores a 4 ms-1. Por el contrario, las velocidades de salpicadura de gotas con diámetros inferiores a 100 µm se distribuyeron ampliamente entre 0,2 y 14 ms-1. El diámetro y la velocidad promedio de las gotas fueron 99 µm y 3,2 ms-1, respectivamente.

Para aclarar el mecanismo de salpicaduras que ocurre en el ánodo a base de tungsteno durante la descarga del arco, debemos identificar la fuerza impulsora de las salpicaduras que se muestra en la Fig. 1a. Sin embargo, hasta donde sabemos, no se ha informado sobre la eyección de gotas en concavidades locales en la superficie del ánodo. Por lo tanto, investigamos por qué se formaban concavidades locales en la superficie del ánodo durante la descarga del arco. Con este fin, primero nos centramos en la zona luminiscente azul-violeta observada en t = 0,01–0,12 ms, que precedió inmediatamente a la formación de la concavidad. Los iones de cerio exhiben espectros de emisión de líneas intensas en longitudes de onda inferiores a 460 nm20, correspondientes al color azul violeta del área de emisión. En un experimento anterior, observamos emisiones de luz azul-violeta similares alrededor de un cátodo de tungsteno dopado con ceria después de invertir solo la polaridad del electrodo21. El análisis espectroscópico identificó un espectro de emisión lineal con una longitud de onda de 456,2 nm procedente de iones de cerio. Esta luminiscencia fue provocada por el vapor de óxido de cerio (un aditivo de electrodos), que se evaporó y se convirtió en plasma21. Por lo tanto, la zona luminiscente azul-violeta en la Fig. 1a se dedujo como vapor derivado de ceria (un aditivo en el ánodo). Se racionalizó que la gasificación de la ceria afecta en gran medida a la formación de salpicaduras en el ánodo.

Mientras tanto, estudios sobre ingeniería de fluidos distintos de las descargas eléctricas han demostrado que las cavidades se forman mediante el estallido de burbujas en las interfaces gas-líquido y que las gotas se expulsan con el crecimiento de una columna de líquido22,23,24. Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que las burbujas de ceria generadas dentro del ánodo estallan en la superficie del ánodo. El vapor se expulsa con emisiones de luz, formando una cavidad en la superficie durante la descarga del arco.

Para verificar nuestra hipótesis, investigamos si las salpicaduras se produjeron en una región más caliente que el punto de ebullición de los aditivos. Para ello, medimos la temperatura de la superficie del ánodo. La Figura 2a muestra las cantidades de salpicaduras medidas en un intervalo de 0,1 s para diferentes valores de corriente. Se representan los valores promedio de cinco mediciones y sus barras de error (delimitadas por los valores máximo y mínimo). No se observaron salpicaduras a 30 A. A 35, 40 y 45 A, las cantidades de salpicaduras fueron aproximadamente 50, 184 y 565 µg, respectivamente. Claramente, la cantidad de salpicaduras aumentó con la corriente. La Figura 2b muestra las distribuciones de temperatura de la superficie a lo largo del eje del ánodo para diferentes valores de corriente. Cuando la corriente se ajustó a 30 A, la temperatura de la punta del ánodo era de 3950 K y la temperatura de la superficie estaba por debajo del punto de ebullición del Ce2O3 (4003 K)25. A 35, 40 y 45 A, las temperaturas de la punta del ánodo fueron 4120, 4300 y 4171 K, respectivamente, excediendo el punto de ebullición del Ce2O3. La temperatura osciló por encima del punto de ebullición del Ce2O3 a aproximadamente 1,3, 1,8 y 2,8 mm de la punta del ánodo a 35, 40 y 45 A, respectivamente. Estos resultados pueden explicar el aumento en la cantidad de salpicaduras con corriente; específicamente, el aumento de la corriente expandió el área sobre la cual el rango de temperatura excedía el punto de ebullición de la ceria.

Efecto del punto de ebullición del aditivo sobre el fenómeno de salpicaduras: a) Cantidades de salpicaduras; (b) distribuciones axiales de la temperatura superficial del ánodo dopado con ceria a diferentes corrientes; (c) cantidades de salpicaduras; (d) distribuciones axiales de la temperatura superficial de ánodos con diferentes materiales aditivos.

Se realizaron mediciones similares en ánodos de tungsteno con diferentes dopantes. La Figura 2c muestra las cantidades de salpicaduras medidas de los ánodos W–2% en peso de Ce2O3, W–2% en peso de La2O3 y W–2% en peso de ThO2 a corriente constante (40 A). Las cantidades promedio de salpicaduras fueron aproximadamente 184, 26 y 7 µg de los ánodos de tungsteno dopados con ceria, lantana y toria, respectivamente. La Figura 2d muestra las distribuciones de temperatura superficial a lo largo del eje central de los ánodos dopados con diferentes aditivos, junto con el punto de ebullición de cada aditivo25,26,27. Las temperaturas de las puntas de los ánodos de tungsteno dopados con ceria, lantana y toria fueron 4300, 4340 y 4180 K, respectivamente. Las distribuciones de temperatura de la superficie no difirieron claramente entre los ánodos con diferentes materiales aditivos, aunque las temperaturas reales variaron hasta 400 K dependiendo del aditivo. La gran diferencia en las cantidades de salpicaduras a pesar de las similares distribuciones de temperatura se atribuyó a los diferentes puntos de ebullición de los aditivos. Cuando el ánodo era tungsteno dopado con ceria, la temperatura de la superficie excedía el punto de ebullición del Ce2O3 (4003 K) hasta 1,8 mm por encima de la punta del ánodo. Por el contrario, la temperatura de la superficie del ánodo de tungsteno dopado con lantano estaba por debajo del punto de ebullición del La2O3 (4473 K) en todas las posiciones (~ 130 K más bajo en la punta del ánodo). De manera similar, la temperatura de la superficie del ánodo de tungsteno dopado con torio estaba por debajo del punto de ebullición de ThO2 (4673 K) en todas las posiciones (~ 500 K más bajo en la punta del ánodo). Por lo tanto, las cantidades de salpicaduras de los ánodos de tungsteno dopados con lantana y toria fueron menores que las del tungsteno dopado con ceria porque sus temperaturas superficiales eran más bajas que los puntos de ebullición de sus respectivos aditivos.

Según las cantidades de salpicaduras medidas y las temperaturas de la superficie del ánodo, las salpicaduras se produjeron cuando la temperatura del ánodo excedió el punto de ebullición del aditivo en el ánodo. Esto sugiere que el aditivo puede gasificarse dentro del ánodo. Para confirmar la aparición o no de gasificación, se analizó la sección transversal del ánodo después de la descarga del arco. La Figura 3a muestra imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la sección transversal longitudinal del ánodo de tungsteno dopado con ceria después de tres segundos de descarga de arco a 40 A. Dentro del área encerrada por el marco rojo, se encuentran múltiples huecos de ~ 40 µm de diámetro. visible. La Figura 3b muestra los mapeos de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) de un vacío. Se detectó tungsteno, el principal material del ánodo, fuera del vacío, pero se enriquecieron cerio y oxígeno dentro del vacío, lo que sugiere que el vacío estaba lleno de vapor de ceria. Se dispersó ceria granular con diámetros de ~ 5 µm en el ánodo antes de la descarga del arco11. Después de la descarga del arco, los diámetros de los huecos eran aproximadamente 10 veces mayores que los granos de ceria originales. Este resultado aclara que los granos de ceria se gasificaron y se formaron burbujas dentro del ánodo cuando la punta del ánodo se calentó por encima del punto de ebullición de la ceria durante la descarga del arco.

Análisis del interior del ánodo W–2% en peso Ce2O3 después de la descarga del arco: (a) imagen SEM de la sección transversal longitudinal del ánodo; (b) Imagen SEM y mapas EDS de un vacío dentro del ánodo después de la descarga del arco.

El comportamiento mecánico después de la formación de una concavidad ha sido discutido en estudios de mecánica de fluidos28,29,30. La tensión superficial que actúa sobre el borde de la concavidad impulsa el flujo hacia el fondo de la concavidad, formando una columna de líquido. Otras fuerzas impulsoras además de la tensión superficial también actúan sobre la superficie del ánodo durante la descarga del arco, pero no se han aclarado los efectos de estas fuerzas en la expulsión de gotas.

Para analizar el proceso de formación de columnas de líquido, nos centramos en la velocidad de expulsión de las gotas. Como se confirma en la Fig. 1c, el diámetro de la gota está relacionado con la velocidad de expulsión de la gota durante la descarga del arco. Además, la velocidad de expulsión de las gotas causada por la tensión superficial con el estallido de burbujas se determina como31

donde \(v\) es la velocidad de expulsión de la gota,\(\sigma\) es la tensión superficial del líquido, \(\rho\) es la densidad del líquido y \({d}_{\mathrm{b }}\) es el diámetro de la burbuja cuando estalla en la interfaz gas-líquido. Para investigar la influencia de fuerzas impulsoras distintas de la tensión superficial, la velocidad de expulsión de gotas se estimó utilizando la ecuación. (1) se comparó con la velocidad de salpicadura determinada experimentalmente.

Para estimar la velocidad teórica mediante la ecuación. (1), debemos conocer el diámetro de la burbuja que estalla en la superficie del ánodo. Sin embargo, en el presente experimento no se pudieron medir los diámetros de las burbujas. En estudios previos sobre eyecciones de gotas causadas por el estallido de burbujas en agua de mar y soluciones de etanol, los diámetros de las burbujas eran aproximadamente 10 veces mayores que los diámetros de las gotas eyectadas32,33. Además, la relación entre el diámetro de la burbuja y el diámetro de la gota se ve afectada por la tensión superficial, la densidad y la viscosidad del líquido34,35. Por lo tanto, la relación confirmada en soluciones de agua de mar y etanol no se puede aplicar al tungsteno fundido.

En cambio, el diámetro de la burbuja se estimó introduciendo dos números adimensionales, el número de Bond \(Bo\) y el número de Morton \(Mo\). El número de bono se calcula como

donde \(g\) es la aceleración gravitacional y \(L\) es la longitud característica. Aquí, \({Bo}_{\mathrm{b}}\) y \({Bo}_{\mathrm{d}}\) se definen como \(Bo\) cuando el diámetro de la burbuja \({d} _{\mathrm{b}}\) y el diámetro de la gota \({d}_{\mathrm{d}}\) se utilizan como longitud característica, respectivamente. El número de Morton viene dado por:

donde \(\eta\) es el coeficiente de viscosidad. Cuando las gotas son expulsadas por el estallido de burbujas en la superficie del líquido, los números de Bond y Morton se relacionan de la siguiente manera34:

donde \(\mathrm{A}\) es una constante (\(8.3\times {10}^{-6}\))34. Como \({Bo}_{\mathrm{d}}\) y \({Bo}_{\mathrm{b}}\) son funciones de los diámetros de la gota y de la burbuja, respectivamente, el diámetro de la burbuja cuando estalla en el La superficie del ánodo inmediatamente antes de la eyección de las gotas se puede estimar a partir de las propiedades físicas del tungsteno fundido36 y el diámetro de las gotas medido observando la apariencia del ánodo.

La Figura 4a compara la velocidad de expulsión de gotas estimada por la ecuación. (1) y las velocidades de salpicadura de gotas con diferentes diámetros extraídas de observaciones de ánodos. La velocidad de salpicadura medida tendió a exceder la velocidad teórica en todos los diámetros de gota. Además, las velocidades medidas de gotas relativamente pequeñas (diámetro ≤ 100 µm) alcanzaron 10 ms-1 o más, mientras que la velocidad teórica fue de sólo 1,2 ms-1. Por lo tanto, la diferencia entre los resultados teóricos y medidos fue exagerada para diámetros de gota pequeños.

Demostración de la fuerza impulsora que actúa sobre la columna de líquido: (a) Comparación de velocidades de eyección medidas y estimadas de gotas con diferentes diámetros; (b) efecto de la fuerza electromagnética sobre la expulsión de gotas durante la descarga del arco.

Como las velocidades experimentales excedieron las velocidades teóricas, otras fuerzas impulsoras además de la tensión superficial probablemente afectaron la eyección de gotas durante la descarga del arco. En este caso, la fuerza impulsora dominante fue considerada la fuerza electromagnética. La Figura 4b ilustra el proceso de crecimiento de la columna de líquido en la superficie del ánodo durante la descarga del arco. Primero, se forma una concavidad cuando una burbuja estalla en la superficie del ánodo. Bajo la tensión superficial que actúa sobre el borde de la concavidad, el flujo es conducido hacia el fondo de la concavidad y se forma entonces una columna de líquido. La columna de líquido que se alarga altera la forma de las superficies equipotenciales dentro y alrededor de la columna, aumentando la densidad de corriente que fluye a través de la columna. La fuerza electromagnética aprieta la columna y la empuja hacia el exterior del electrodo, promoviendo el crecimiento de la columna de líquido37. En consecuencia, se expulsan gotas a alta velocidad desde la superficie del ánodo.

La Figura 5 es un esquema del mecanismo de salpicadura del ánodo de tungsteno dopado con ceria, derivado de los hallazgos experimentales anteriores. Cuando la temperatura del ánodo excede el punto de ebullición de la ceria, la ceria dentro del ánodo se gasifica y forma burbujas, que son transportadas a la superficie del ánodo por convección en el metal fundido. Las burbujas estallan, liberando gas ceria en el plasma del arco. Dentro del plasma de arco de alta temperatura, el gas ceria se disocia y se ioniza formando plasma. Mientras tanto, la ruptura de burbujas y la generación de chorros de gas deprimen la superficie del ánodo fundido. Como se informa a menudo en estudios de mecánica de fluidos28,29,30, la tensión superficial que actúa sobre el borde de la concavidad impulsa el flujo hacia el fondo de la concavidad, y la rápida concentración de metal fundido en el fondo da como resultado la formación de un líquido. columna. Además, el alargamiento de la columna de líquido afecta la forma de las superficies equipotenciales dentro y alrededor de la columna, aumentando así la densidad de corriente que fluye a través de la columna. Esta actividad genera una fuerza electromagnética que aprieta la columna de líquido y la empuja hacia el exterior del electrodo. Se promueve el crecimiento de la columna y la punta de la columna se rompe y se dispersa como una gota a alta velocidad.

Mecanismo de salpicadura de un ánodo de ceria-tungsteno durante la descarga del arco.

La salpicadura del ánodo en la descarga de arco es un fenómeno único causado por una serie de procesos: fusión del metal base, formación de burbujas de aditivos, explosión de burbujas en la superficie, generación de un chorro de microplasma, formación de columnas de líquido debido a la tensión superficial, elongación y rotura de la columna inducida por una fuerza electromagnética y expulsión de gotas a alta velocidad. Este novedoso hallazgo contribuirá a la estabilización de las descargas de arco y ayudará a la exploración y el desarrollo de tecnologías emergentes como la unión de materiales, la fabricación aditiva de impresiones tridimensionales y la conversión de energía solar.

La Figura 6a es un esquema de la configuración experimental para la descarga de arco. El arco se generó y mantuvo utilizando una fuente de poder de soldadura (DA300P, DAIHEN). El material del ánodo era tungsteno con diferentes aditivos (2% en peso de óxido de cerio, 2% en peso de óxido de lantano o 2% en peso de óxido de torio). El diámetro del ánodo y el ángulo de la punta del ánodo antes de la descarga del arco fueron de 3,2 mm y 60°, respectivamente. Durante la descarga del arco, la parte superior del ánodo se enfrió con agua y la punta de la boquilla se colocó a 5 mm de la punta del ánodo. Como cátodo se utilizó una placa de cobre enfriada por agua. La superficie del cátodo y la punta del ánodo estaban separadas por 2 mm. Durante la descarga, se hizo circular un gas protector de helio puro a través de la boquilla a 25 L/min. El diámetro de la boquilla era de 12,7 mm.

Esquema de los métodos experimentales: (a) sistema de generación de descargas de arco; (b) mediciones del volumen de las gotas y la velocidad de las gotas que salpican; (c) configuración para medir la temperatura de la superficie del ánodo.

Las imágenes en color de la apariencia del electrodo se capturaron mediante una cámara en color de alta velocidad (MEMRECAM ACS-1 M16, Nac Image Technology). La lente de la cámara estaba compuesta por una lente de enfoque único (ED AF MICRO NIKKOR 200 mm 1:4 D, Nikon), un teleconvertidor (TELEPLUS HDpro 2X DGX, Kenko) y un filtro de densidad neutra (ND2, Kenko). La apertura, el tiempo de exposición y la velocidad de fotogramas se establecieron en f/32, 0,6 µs y 75.000 fotogramas por segundo, respectivamente.

Las trayectorias de salpicaduras en cada imagen se visualizaron mediante el procesamiento de imágenes utilizando la Imagen J38,39. En primer lugar, se aplicaron detección de bordes y binarización para eliminar la emisión de luz derivada del plasma del arco y aclarar las gotas. El proceso de binarización convierte los valores de brillo de la imagen en datos binarios (0 o 1). Después de procesar de manera idéntica 7500 fotogramas consecutivos (tiempo total 0,1 s), se sumaron los datos numéricos. Las diferencias grandes y pequeñas en los datos numéricos reflejaron el grado de superposición de los fotogramas. Para visualizar las trayectorias de las salpicaduras, los grados de superposición se representaron mediante colores40.

El movimiento de cada gota se siguió como se muestra en la Fig. 6b. El método de seguimiento de gotas mide el tamaño de las gotas, la velocidad de las salpicaduras y la cantidad de las mismas. Las partes azul y roja en la Fig. 6b son los resultados de los fotogramas n-1 yn, respectivamente, después de la detección de bordes y la binarización de las imágenes. La parte violeta muestra el área superpuesta en las dos imágenes binarizadas. Se detectó una sola gota comparando cada gota detectada en los cuadros n-1 y n. Para reducir el número de candidatos a la misma gota, se supuso que 1) el diámetro de una gota permanece aproximadamente constante durante el movimiento durante un corto período de tiempo, y 2) la gota no se mueve más de 0,12 mm dentro de un cuadro. Entre los candidatos seleccionados, la gota con el menor movimiento de su centro ponderado fue tratada como la misma gota. Las líneas blancas en la Fig. 6b indican los movimientos de los centros ponderados de las gotas desde el cuadro n-1 al cuadro n. La línea amarilla es la línea de detección de gotas determinada desde la posición de la punta del ánodo (indicada en el marco verde). Cuando el centro ponderado de una determinada gota se movía a través de la línea de detección, esa gota se contaba como una gota expulsada. La velocidad de salpicadura se calculó a partir de la distancia recorrida del centro ponderado en un momento dado. Además, se asumió que las gotas eran esféricas y la cantidad de salpicaduras se determinó a partir del diámetro medido de las gotas y la densidad del tungsteno fundido25.

La temperatura de la superficie del ánodo se midió mediante pirometría de dos colores41. Basado en la ley de radiación de Planck, este método calcula la temperatura a partir de la relación de intensidades de emisión de un objeto obtenida en dos longitudes de onda diferentes en una banda de longitud de onda estrecha. La Figura 6c es un esquema del dispositivo de medición de temperatura. La luz incidente de la lente del objetivo se dividió en dos haces mediante espejos, se pasó a través de dos filtros de paso de banda con diferentes longitudes de onda y se tomaron imágenes con el sensor de imagen del dispositivo de carga acoplada de una cámara de alta velocidad (MEMRECAM q1v, Nac Image Technology). En este estudio, las longitudes de onda de los filtros de paso de banda fueron 950 y 980 nm.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Descargar referencias

Instituto de Investigación de Unión y Soldadura, Universidad de Osaka, Osaka, Japón

Kenta Iida, Hisaya Komen y Manabu Tanaka

Departamento de Ingeniería de Sistemas Mecánicos, Universidad de Tohoku, Sendai, Japón

Masaya Shigeta

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KI y HK concibieron los experimentos. KI realizó los experimentos y analizó los datos. HK, MS y MT ayudaron a interpretar los resultados. KI escribió principalmente el manuscrito. HK escribió en parte el manuscrito. MS escribió en parte el manuscrito e hizo varias obras de arte con figuras. MT supervisó el proyecto. Todos los autores contribuyeron a las discusiones científicas del manuscrito.

Correspondencia a Kenta Iida.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Iida, K., Komen, H., Shigeta, M. et al. Salpicaduras de ánodo a base de tungsteno durante la descarga del arco. Informe científico 13, 12210 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39274-4

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Recibido: 10 de mayo de 2023

Aceptado: 22 de julio de 2023

Publicado: 27 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39274-4

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