Estimación de la energía de ionización para la soldadura con electrodo revestido

Resumen

El objetivo del presente trabajo es exponer un
método de estimación de la energía de
ionización de los gases involucrados en el proceso de
cebado y mantenimiento del arco eléctrico en la soldadura
con electrodo revestido.

El método permite estimar la energía
invertida en ionizar cierto porcentaje de los elementos del gas
heterogéneo resultante de la descomposición de
determinada masa de revestimiento, en la unidad de tiempo, en
función de la temperatura alcanzada en el proceso de
soldadura manual con electrodo revestido. Los elementos de bajo
potencial de ionización deben mantener una relación
adecuada respecto a otros elementos de mayor potencial de
ionización, para mantener un balance energético que
permita sostener un incremento progresivo de la temperatura
necesaria para estabilizar el proceso de cebado y mantenimiento
del arco eléctrico de soldadura. Desde el punto de vista
económico pudiera ser factible abaratar el costo de los
consumibles mediante la sustitución de una parte de la
masa de titanio por silicatos de sodio y potasio, sacrificando la
estabilidad eléctrica, sin comprometer la calidad de la
unión soldada y sus costos de
producción.

Palabras claves: Electrodo Revestido,
Energía ionización, Método, Inicio del
proceso.

1.
Introducción

Los gases constituidos por átomos y
moléculas neutros, son aisladores y no conducen la
corriente eléctrica. La conducción de la
electricidad se produce en los gases al ionizarlos. La
ionización de un gas se debe a acciones externas:
suficiente elevación de la temperatura, acción de
diversas radiaciones, rayos cósmicos, bombardeo de las
moléculas (átomos) del gas con electrones
rápidos. La intensidad de la ionización se mide por
el número de pares de partículas cargadas con
signos contrarios que se forman en la unidad de tiempo en la
unidad de volumen del gas [1].

En los procesos de soldadura con electrodo consumible
(cátodo frío), la temperatura del arco es inferior
a la que se alcanza en los procesos cuyo cátodo no
constituye el metal de aporte. El mecanismo de conducción
a través de la región de caída del
cátodo permite que se inicie el proceso de cebado del
arco, en efecto; la emisión de electrones desde una
superficie puede ocurrir debido a la aplicación de un
campo eléctrico externo [2]. La densidad de corriente
electrónica depende de la intensidad de campo, la
función de trabajo de la superficie metálica y la
Energía de Fermi para el material del electrodo
(cátodo). Ha sido demostrado [3] que aún cuando la
función de trabajo de la superficie metálica
(trabajo de extracción de los electrones) cae por debajo
de su rango normal de 3,5 a 4,5 eV, digamos a valores de 2 eV,
debido a la influencia de las capas de óxido, la
emisión de campo sólo puede ocurrir para densidades
de corriente mayores que 1011 A.m-2. Los mecanismos que pudieran
aumentar la corriente de campo pueden ser la rugosidad
superficial del electrodo, películas de óxido,
inclusiones de impurezas no metálicas
micrométricas, capas superficiales de iones positivos,
elevadas temperaturas y variaciones de la fuerza del campo con el
tiempo. Existen evidencias sobre la importancia de las capas de
óxido del cátodo en ciertos arcos, incluyendo
algunos usados en soldadura [4]. Finas capas aislantes de
óxido en la superficie del cátodo pueden cargarse
por la incidencia de iones positivos. Para películas de
óxido de espesores menores de 5 x 10-9 m, el campo
eléctrico a través de ella debe excederse sobre 2 x
109 V.m-1 para la emisión de electrones por Efecto
Túnel. Si la película de óxido tiene un
espesor menor que 10-8 m y es cargada por iones positivos, de la
caída del cátodo ante el campo eléctrico, se
producen canales intermitentes eléctricamente conductivos.
Se ha sugerido [5] que el campo eléctrico en la fase
gaseosa del cátodo pudiera solo necesitar 105 V.m-1 para
desencadenar la emisión.

El uso de revestimientos no metálicos, que
produce finas capas superficiales de óxido de materiales
semiconductores a altas temperaturas, posibilita la soldadura con
electrodo negativo en corriente directa (CD) y en corriente
alterna (CA); aunque la polaridad cambie, el metal se transfiere
en un mismo sentido (del electrodo a la pieza). Esto se debe
fundamentalmente a que esas capas dan continuamente nuevos sitios
de emisión cercanos a la punta del electrodo [3]. La
energía producida por efecto Joule al paso de la corriente
de emisión de electrones, en presencia del campo
eléctrico, constituye la fuente energética que
produce la descomposición del revestimiento, vaporiza los
metales y sostiene las reacciones químicas de
disociación e ionización que originan el plasma que
aporta la energía necesaria para sostener un adecuado
desempeño del proceso.

La composición de los revestimientos de los
electrodos revestidos suele ser muy compleja, generalmente se
emplea una mezcla de sustancias orgánicas y minerales. En
la fabricación de la pasta para el revestimiento suelen
intervenir óxidos naturales: óxidos de hierro
(polvo de hierro), ilmenita (50 por ciento óxido
férrico y 50 por ciento óxido de titanio),
sílice (óxido de silicio), silicatos naturales
(caolín, talco, mica, feldespato, etc), productos
volátiles (celulosa, serrín, etc), fundentes
(fluorita), concentrados (carbonatos, rutilo), ferroaleaciones
(FeMn, FeSi, FeTi), aglomerantes (silicato sódico,
silicato potásico). La composición, el origen, la
dosificación y el tratamiento de las sustancias utilizadas
en la fabricación del revestimiento de los electrodos
desempeñan una función fundamental en la soldadura
SMAW. Las fórmulas de preparación de la mezcla de
revestimiento constituyen un secreto vital para los fabricantes,
parte del know-how de las transnacionales productoras de todo
tipo de electrodos revestidos [6].

Durante el cebado del arco, las sustancias componentes
del revestimiento se descomponen en gases producto del aumento de
la temperatura en la punta del electrodo, a mayores temperaturas,
las moléculas diatómicas como el oxígeno, el
hidrógeno y el nitrógeno, absorben energía
primero por rotación, y luego por vibración,
manifestándose movimientos relativos entre los
átomos de la molécula. Cuando la energía
vibracional alcanza un nivel suficientemente alto, se rompen los
enlaces de valencia que mantienen juntos a los átomos,
causando la disociación de la molécula en sus
diferentes átomos. A temperaturas aún más
altas, parte de la energía es absorbida por la banda
electrónica exterior de los átomos, causando
eventualmente el desprendimiento de uno de los electrones
ionizando el átomo. Como consecuencia se forma un
ión positivamente cargado y un electrón libre que
transita del cátodo al ánodo, integrando el plasma
que constituye la columna del arco. Para temperaturas aún
mayores puede suceder la ionización múltiple,
cuando los átomos pierden más de un electrón
[3].

En la soldadura con corriente alterna la polaridad se
invierte a razón de 120 veces por segundo (Figura 1). Con
la inversión de polaridad, la temperatura disminuye
proporcionalmente a la cantidad de partículas ionizadas,
reduciéndose la conductividad eléctrica del plasma,
por lo que la emisión electrónica debe reanudarse a
partir del aumento del campo eléctrico,
produciéndose un pico de voltaje (pico de reencendido) que
restablece el potencial necesario para ionizar las
partículas responsables de la conducción de
corriente y el reencendido del arco.

Figura 1: Oscilogramas de voltaje (Vs) y
corriente de soldadura (Is) SMAW (CA).

La función eléctrica del revestimiento
permite el encendido, reencendido y mantenimiento del arco, al
disminuir el trabajo de extracción de los electrones al
metal del electrodo, propiciando sitios de emisión
intermitente [3] y aportando sustancias que se descomponen en
gases, de bajo potencial de ionización (óxidos y
sales de sodio y potasio), indispensables para el inicio del arco
[6]. Tanto la disociación como la ionización
constituyen procesos endotérmicos, por lo que a mayor
potencial de ionización de los gases producidos por la
descomposición del revestimiento, mayor energía se
requiere para llevarlos al estado plasmático. Debido a la
relativa menor temperatura en la zona anódica, que
constituye la placa de soldadura, las partículas se
recombinan liberando energía en forma de calor
[7].

La energía devuelta por la reacción
exotérmica de recombinación, será mayor en
las mezclas que contengan elementos de mayor potencial de
ionización, lo cual indica que es necesario establecer un
compromiso que permita garantizar un adecuado proceso de cebado y
mantenimiento del arco y a la vez, una alta eficiencia en la
transferencia de calor hacia la placa de soldadura.

Para ionizar las moléculas (átomos) hay
que realizar el trabajo de ionización Ai contra
las fuerzas de atracción entre el electrón que se
arranca y el residuo atómico, es decir, las demás
partículas de la molécula (átomo). La
magnitud Ai depende del estado energético del
electrón que se arranca en el átomo o
molécula del gas dado. La energía de
ionización aumenta a medida que crece la multiplicidad de
la ionización o sea, el número de electrones
arrancados del átomo [1].

Se denomina potencial de ionización fi
la diferencia de potencial del campo eléctrico acelerador
que debe recorrer la partícula cargada para acumular una
energía igual a la de ionización: fi=Ai/e,
donde e es la magnitud absoluta de la carga de un electrón
[1].

En la presente estimación se va a estimar la
energía absorbida exclusivamente por la ionización
simple, producida por efecto térmico, sin tener en cuenta
la energía de ionización que puede producirse por
choque de partículas tales como iones móviles y
electrones surgidos a partir de la ionización simple
producida inicialmente.

En la soldadura con electrodos revestidos del tipo
E6013, las substancias componentes del revestimiento aparecen
generalmente en forma de óxidos de elementos
químicos como: Fe, Mn, Si, Ca, K, Na,…etc, que se
descomponen por acción térmica en gases, cuyos
átomos pueden o no ionizarse en dependencia de las
condiciones energéticas del proceso. Los potenciales de
ionización de los mismos son típicos de cada
elemento y se brindan en tablas [3] para diferentes grados de
ionización.

En las condiciones normales del proceso, la diferencia
de potencial a la que se encuentran sometidos todos los elementos
químicos presentes en el espacio inter-electródico
es la misma, por lo que unos deberán recorrer mayor
distancia dentro del campo eléctrico para obtener la
energía necesaria para ionizarse, destacándose los
elementos de bajo potencial de ionización, como la triada
Ca, K, Na, como que los responsables de aportar las primeras
partículas eléctricamente cargadas a la columna del
arco.

Este proceso consume energía, por lo que para una
energía eléctrica constante, la temperatura en el
espacio inter-electródico tendería a bajar; si no
se produjeran liberaciones de la energía contenida en
estas primeras partículas móviles, tanto durante
los choques con otras partículas neutras, como durante el
proceso de recombinación que al ser exotérmico,
contribuye a compensar el descenso producido en la
temperatura.

El objetivo del presente trabajo es proponer un
método de estimación de la energía de
ionización de los gases involucrados en el proceso de
cebado y mantenimiento del arco eléctrico en la soldadura
con electrodo revestido.

2.
Desarrollo

Para el caso de la soldadura con electrodo revestido, a
partir del análisis teórico desarrollado en la
introducción, es posible determinar una metodología
para el cálculo de la energía de ionización
simple, que desencadena el establecimiento de las condiciones
energéticas necesarias para el cebado del arco
eléctrico, en la soldadura con electrodo revestido; si se
tiene en cuenta: la temperatura del arco con determinado tipo de
metal en el núcleo del electrodo, el grado de
ionización de las substancias en función de la
temperatura (Figura 2) y el potencial de ionización, y el
porciento en peso de los óxidos componentes del
revestimiento.

Calculando la cantidad de gramos de revestimiento
consumidos en cada segundo y multiplicándola por la
fracción de cada óxido y por la constante
gravimétrica del elemento respecto a su óxido, se
obtiene el peso de sus átomos en esa cantidad. Teniendo en
cuenta el peso de 1 mol del elemento, cuya cantidad se quiere
determinar dentro del óxido, se puede obtener la
fracción molar que nos permite determinar, conociendo la
relación de 1 mol con el número de Avogadro, la
cantidad de electrones e iones que pueden formarse al producirse
la ionización del elemento, que multiplicada por su grado
de ionización a determinada temperatura, constituye la
cantidad de electrones e iones que se aportan.

Figura 2: Grado de ionización como
función de la energía de ionización para
diferentes temperaturas. Tomado del libro "The Physics of
Welding". J.F. Lancaster [3]. Pág 139.

2.1. Cantidad de Revestimiento
Consumido

Para la determinación de la cantidad de masa
(gramo) de revestimiento consumido por cada segundo
(MS), es necesario determinar el tiempo promedio que
demora en consumirse el electrodo (TF) en segundos, en
dependencia de la energía eléctrica empleada
durante el proceso de experimentación; y la masa promedio
de revestimiento del electrodo en cuestión (ME),
que puede ser obtenida a partir de un preciso pesaje del
revestimiento de una muestra de electrodos suficientemente
significativa desde el punto de vista estadístico
(Ecuación 1).

(g/s)
Ecuación 1

La masa considerada estará compuesta por todos
los componentes del revestimiento, en las proporciones
determinadas por la fórmula empleada por el
fabricante.

2.2. Fracción Molar

Las proporciones de los elementos químicos en la
masa MS de revestimiento se mantendrán iguales en
relación a los porcientos determinados en 100 g, sin
embargo, como cada óxido responde a la forma Xa
Ob, donde X es un determinado elemento químico (Si,
Fe,…,Mn,..,etc ). Para determinar el porciento en peso de
cada elemento acompañante del oxígeno, es necesario
tener en cuenta la relación extequiométrica de cada
óxido particular, calculando la proporción del peso
atómico de cada elemento respecto al peso atómico
de su óxido (REi), según la
Ecuación 2.

Ecuación 2

Donde PEi es el peso atómico de 1 mol
del elemento y POXi, el peso atómico total de 1
mol del óxido.

Esta relación se mantiene constante para cada
compuesto, por lo que para determinar el porciento en peso del
elemento consumido en cada segundo, suponiendo que la mezcla del
revestimiento es perfectamente homogénea, se necesita
calcular el peso del óxido y multiplicarlo por REi
(Ecuación 3).

(mol)
Ecuación 3

Donde FMi es la relación entre el peso
del elemento contenido en la cantidad de masa de revestimiento
consumida cada segundo y el peso atómico de 1 mol del
elemento (fracción molar); %Ei, el porciento en
peso determinado por análisis químico en 100 g de
revestimiento; REi la relación expresada en
Ecuación 2; MS se define en la Ecuación 1,
y PEi es el peso atómico de 1 mol del elemento en
cuestión.

2.3. Cantidad de Átomos por Mol

Para estimar la cantidad de átomos del elemento
Ei, presentes en la mezcla, basta con multiplicar
(Ecuación 4) por el número de Avogadro
(NA), cuyo significado es aceptado como el número
de partículas por mol de cualquier substancia.

Ecuación 4

Siendo NA = 6.023 1023 partículas / mol
y FMi, es la fracción molar del
elemento.

Conociendo el potencial de ionización de cada
elemento (Figura 2), es posible obtener un estimado del grado de
ionización (a) a diferentes temperaturas.
Específicamente en el caso de la soldadura con electrodo
revestido con núcleo de hierro, vale asumir 6000 K
[3].

El grado de ionización indica qué
porciento de la cantidad total de partículas de cada
elemento, realmente se ioniza a determinada temperatura. Por cada
átomo ionizado se libera un electrón,
formándose un ión cargado positivamente.

2.4. Cantidad de Electrones

Para calcular la cantidad de electrones obtenidos a
partir de la ionización de la cantidad de átomos
del elemento en cuestión (neEi), se debe
multiplicar el grado de ionización (ai) por la cantidad de
partículas calculadas anteriormente (CAi)
(Ecuación 5).

Ecuación 5

2.5. Energía de ionización por elemento
y total

Para calcular la energía necesaria para ionizar
una cierta cantidad de partículas de determinado elemento
químico, se puede multiplicar la carga del electrón
(e = 1,602 10-19 C) por el potencial de ionización (VI)
del átomo del elemento en cuestión, por la cantidad
de electrones calculada anteriormente (neEi)
(Ecuación 5) , como se expresa en la Ecuación
6.

(J)
Ecuación 6

Finalmente, la energía de ionización
EIT de todos los elementos contenidos en el
revestimiento consumido por unidad de tiempo, se puede calcular a
partir de la Ecuación 7.

(J)
Ecuación 7

Donde y N
es la cantidad de diferentes elementos presentes en la mezcla del
revestimiento.

3. Alcance y Aplicabilidad de la
Teoría

En la realización del proceso de soldadura por
arco eléctrico con electrodo revestido, interviene un
conjunto de fenómenos interrelacionados de naturalezas
diversas, cuyos efectos combinados definen la calidad del
proceso, desde el punto de vista eléctrico primero y
después, desde el punto de vista metalúrgico,
puesto que si no existe una adecuada estabilidad del aporte
energético del arco, no se podrá obtener una
adecuada calidad metalúrgica en la unión
soldada.

El arco eléctrico se produce a partir del momento
en que se inicia el cortocircuito del alma metálica del
electrodo con la pieza a soldar, produciéndose
inmediatamente un fuerte calentamiento de la punta del electrodo
por efecto Joule, a expensas de la potencia eléctrica
suministrada por la fuente de soldadura. Una vez cortocircuitado
el electrodo es necesario separarlo de la pieza a soldar, para el
establecimiento del espacio inter-electródico necesario
para la existencia de la columna del arco y el desarrollo y
establecimiento del plasma térmico que desarrolla la
elevada temperatura requerida para unir metales por
fusión.

La función eléctrica del revestimiento
propicia substancias de bajo potencial de ionización, que
contribuyen junto a los vapores del metal del cátodo y sus
finas capas semiconductoras intermitentes, con sus electrones e
iones, a completar la densidad de corriente necesaria en la
región catódica para que se desate el mecanismo de
emisión electrónica, en presencia de un campo
eléctrico, capaz de producir suficientes partículas
cargadas como para permitir el surgimiento y establecimiento del
plasma.

El método propuesto en el presente trabajo,
permite tan solo estimar la energía invertida para ionizar
determinada fracción de los componentes contenidos en
cierta cantidad de masa de revestimiento a una temperatura dada y
en un tiempo determinado. Debe tenerse en cuenta que la
energía estimada es sólo una fracción de la
energía eléctrica total consumida en el instante
evaluado, y que está involucrada en un proceso
indispensable para el cebado del arco.

Si bien la presencia de elementos de bajo potencial de
ionización en la mezcla del revestimiento, favorece el
proceso de encendido y reencendido del arco, un exceso de los
mismos respecto a otros elementos de mayor potencial de
ionización puede resultar perjudicial. De aquí se
deriva una aplicación práctica inmediata del
método que aquí se defiende: determinar la
proporción óptima de los elementos químicos
que intervienen en la función eléctrica del
revestimiento.

Este es un problema fundamental de los fabricantes de
electrodos revestidos, que está muy relacionado a la
economía de la producción y sus costos en
función de la calidad, cuando se emplean diferentes
yacimientos minerales, materias primas, tecnologías de
preparación, métodos y fórmulas para obtener
revestimientos adecuados para los electrodos.

3.1. Aplicación Práctica

Para valorar los resultados de la aplicación del
método, en este epígrafe, se va a estimar la
energía invertida por unidad de tiempo, para ionizar una
determinada fracción de masa en dos revestimientos de dos
tipos de electrodos de la clasificación E6013, de un
diámetro promedio para el alma del electrodo de 3.9 mm:
uno de fabricación española marca WURTH, que
presenta un revestimiento de color grisáceo blanquecino,
de espesor promedio 5,83 mm (E); y otro electrodo E6013 marca
ACINOX, fabricado en Cuba, de revestimiento color gris oscuro, de
espesor promedio de 5,77 mm (C). Ambos tipos de electrodos tienen
una longitud promedio de 349,60 mm. Los grupos de electrodos
fueron escogidos mediante un muestreo sin reposición
aleatorio de 20 ejemplares de cada tipo, extraídos de
paquetes comerciales sellados, de diferentes composiciones
químicas en el revestimiento, determinadas por el
método gravimétrico empleando procedimientos
certificados por normas ISO, en los laboratorios de
análisis químico de la Empresa Geominera del Centro
(CUBA) (Tabla 1).

Tabla 1: Composición
química de los revestimientos de los electrodos E y
C.

Como se observa, existen diferencias apreciables en la
cantidad de bióxido de titanio, detectada también
en el análisis mineralógico que arrojó una
diferencia de un 5% más de este mineral en el
revestimiento tipo E respecto al tipo C. Obsérvense las
diferencias en la cantidad de óxidos de elementos de bajo
potencial de ionización, que indican que la cantidad de
rutilo suprimida en la mezcla tipo C, ha sido suplida con una
mayor cantidad de aglutinante, que aporta elementos como Ca, Na y
K.

Aplicando los cálculos definidos por las
Ecuaciones 1-7, teniendo en cuenta una cantidad Ms de 0,1864 g/s,
se obtienen los resultados presentados en las Tablas 2 y
3.

Tabla 2: Resultados de la
aplicación de la metodología para el revestimiento
del tipo E de electrodos.

De la suma de los valores de la columna EEi, en
la Tabla 2, se obtiene que la energía total de
ionización EIT=149,6388 J, para el revestimiento
tipo E; mientras que para el revestimiento tipo C la
energía total EIT=149,8629 J. Como puede
apreciarse el valor es prácticamente el mismo, pese a que
las cantidades individuales de cada componente son diferentes.
Esto evidencia que, sin lugar a dudas, las fórmulas han
sido cuidadosamente balanceadas por ambos fabricantes a partir
del empleo de diferentes dosificaciones. Esto constituye un
criterio importante a tener en cuenta durante el proceso de
validación experimental del método
planteado.

Tabla 3: Resultados de la
aplicación de la metodología para el revestimiento
del tipo C de electrodos.

Comparando la suma de las energías de los
elementos Na, Ca, K y Ti en la mezcla E (127,2014 J) con su
equivalente en la mezcla C (125,4327 J), puede observarse que
existe una pequeña diferencia de tan solo 1,4 % entre
ellas. Si se analiza solamente la suma de las energías de
los elementos Na, Ca y K, podrá observarse una diferencia
apreciable entre los valores de las mezclas E (39,98458 J) y C
(56,50542 J), siendo la energía consumida a partir de la
mezcla E, 29,24 % menor que la de la mezcla C.

Este hecho se relaciona con la diferencia de las
concentraciones de los óxidos apreciable en las Tablas 1,2
y 3. La mezcla de mayor cantidad de Ca, Na y K, consume
más energía en ionizar estos elementos, por lo que
consume más potencia y presenta más dificultad para
alcanzar la temperatura necesaria para lograr la autonomía
del proceso de cebado y mantenimiento del arco.

Esto se pudo corroborar experimentalmente durante
estudios de estabilidad del proceso realizado a ambos tipos de
electrodos, y mediante la observación directa de su
comportamiento durante la ejecución de depósitos de
soldadura con varios electrodos de cada tipo. Los electrodos del
tipo C, presentaron mayores dificultades para el inicio del arco,
produciéndose pérdidas de revestimiento en las
puntas de los electrodos. Los parámetros eléctricos
fueron menos estables en este tipo de electrodo evaluado en las
mismas condiciones que los electrodos de tipo E.

Los electrodos cuya mezcla contiene más titanio y
menos concentración de Ca, Na y K, presentan mejor
comportamiento eléctrico y coherentemente consumen menos
energía para ionizar una menor cantidad de estos
elementos, que aportan menos energía durante su
recombinación y que además son los primeros en
ionizarse durante el proceso de cebado del arco, por recorrer una
menor distancia dentro de un campo eléctrico de la misma
intensidad para todos los componentes de la mezcla
gaseosa.