Física del Arco Eléctrico en Soldadura

Ing. José Alberto Bejarano Applications Engineer Welding & Metal Fabrication

Junio 4 de 2015

Contenido

• Notas históricas

• Qué es el plasma?

• Cómo se origina el plasma?

• El arco eléctrico en la soldadura

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Notas históricas

• 1667 – Científicos de la academia de Ciencias de Florencia: La llama es conductora eléctrica.

• 1698 – Woll: Chispas que saltan de la ropa?

• 1750 – Una descarga eléctrica salta en la Botella de Leiden!

• Siglo XIX V. V. Petrov. Descubridor del “Arco eléctrico” o “Descarga de Arco”.

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Botella de Leiden

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Plasma

• Fisiología: Componente líquido e incoloro de la sangre o de los tejidos vivos.

Pero después de 1923:

- I. Langmuir y L. Tonks.

Plasma:

Un estado particular de un gas ionizado.

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Estado particular de un gas ionizado?

“El plasma es una mezcla de partículas cargadas eléctricamente en la que la carga negativa total de las partículas es igual en módulo a la carga positiva sumaria. De modo que en conjunto el plasma es un medio eléctricamente neutro que conduce, a la perfección, la corriente eléctrica”

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Contexto: El problema de la soldadura es la generación y control del calor!

• Cómo podemos generar calor mediante una fuente eléctrica?

– Haz de electrones. – Resistencia eléctrica. – Radiación electromagnética. – Y mediante un ARCO ELÉCTRICO

Pero un calor SUFICIENTE para fundir al metal!!!

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Columnas de plasma

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Ionización

• Un átomo normalmente posee una estructura electrónicamente neutra: Es decir su carga electrostática positiva (Protones en el núcleo) se balancea con su carga negativa (Electrones en la periferia).

Podemos variar esta situación? Rta. Sí, ionizando; es decir añadiendo o retirando electrones de la capa

de Valencia. Ganas electrones = Ionizamos negativamente = Cationes Pierdes electrones = Ionizamos positivamente = Aniones

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Y cómo cuantificamos la facilidad de ionizar a un átomo?

Potencial de ionización

• Cómo se expresa? En electronvoltios.

• Es la energía total necesaria para extraer un electrón desde la capa de Valencia de un átomo o molécula y llevarlo a una distancia infinita.

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Y porqué es importante el potencial de ionización? Define: - La facilidad para iniciar el arco - La capacidad del arco de transportar corriente - La estabilidad del arco.

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Potencial de ionización de gases Elemento Símbolo eV

CESIO Cs 4 POTASIO K 4.3

SODIO Na 5.1 BARIO Ba 5.2 LITIO Li 5.4

LANTANO La 5.6 ALUMINIO Al 6

CALCIO Ca 6.1 CROMO Cr 6.8 TITANIO Ti 6.8

CERIO Ce 7 MANGANESO Mn 7.4 MOLIBDENO Mo 7.4 MAGNESIO Mg 7.6

NIQUEL Ni 7.6 COBRE Cu 7.7

COBALTO Co 7.9 HIERRO Fe 7.9 SILICIO Si 8.1

TUNGSTENO W 8.1 BORO B 8.3

AZUFRE S 10.4 FÓSFORO P 10.6 CARBONO C 11.3

CLORO Cl 13 OXÍGENO O 13.6

MONÓXIDO DE CARBONO CO 14.1 DIÓXIDO DE CARBONO CO2 14.4

NITRÓGENO N 14.5 HIDRÓGENO H 15.6

ARGÓN Ar 15.7 HELIO He 24.9

Algunos valores de Potencial de Ionización

(Elementos gaseosos y en vapores)

Atmósfera del arco eléctrico: - Gases de protección - Metales en fase vapor * -Elementos usados como agentes fundentes

* Provenientes del metal base, del metal de aporte o de ambos.

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Columnas de plasma

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FUENTE DE PODER

ARCO ELÉCTRICO

POTENCIA

TRANSFERIDA

DENSIDAD DE ENERGÍA

• ENERGÍA /TIEMPO

• Watts

• (Nos permite la fusión)

• Potencia transferida/Area

• Watts/m2

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Entrada de calor

H=f*P/v • (P) = Entrada de energía o

entrada de calor (Joules/mm) • (H) = Potencia transferida

(Watts) • (v) = Velocidad de soldadura (mm/s) • (f) = Eficiencia (Entre 0.8 y 1.0)

• H=f*V*I/v

• P = V*I

V = Voltaje (Voltios)

I = Corriente (Amperios)

Eficiencia: Es la relación entre el calor efectivamente recibido por el material base y el calor generado en la fuente.

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Pero si entregamos calor y luego fluye muy rápido tenemos problemas!!! P.Ej

Aluminio, Cobre etc.

Flujos de calor:

• Del electrodo al material base (o viceversa) y de allí al material base por conducción.

Pero este no es el objetivo de la charla!!!

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GTAW

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Emisión Termoiónica

• Si incrementamos la temperatura del metal incrementamos la energía cinética de los electrones libres, si cruzamos cierto límite los electrones son expulsados de la superficie del metal

• Nota: Solo esperamos que no se haya fundido primero.

(Por eso usamos Tungsteno)

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Ley de Richardson

- En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones".

- Ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo.

- Esta función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del orden de varios electronvoltios.

• En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley (demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida está relacionada con la temperatura T.

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Normalmente está entre 5000 K a 30000 K Pero: La temperatura real en el arco está limitada por las pérdidas de calor debidas a Radiación, convección, conducción .

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Efecto Pinch

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Tipos de Transferencia

• Cortocircuito • Globular • Spray • Arco Pulsado • Arco doblemente

pulsado • Transferencia por

tensión superficial

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Soplo magnético

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