Un Vistazo a la Física del Arco Eléctrico

ANTECEDENTES

Una de las preguntas más frecuentes
en el medio de la soldadura es: ¿Porqué en el
proceso GTAW se comporta de manera diferente el efecto de
penetración con respecto al resto de procesos de soldadura
por arco eléctrico?.

Con este artículo quizás
tengamos un panorama que nos ayude a formularnos una
respuesta.

SUSTENTO

Los procesos de soldadura por arco
eléctrico deben su naturaleza precisamente a este
fenómeno, el arco eléctrico. El arco
eléctrico como lo refieren la mayoría de las
publicaciones, no es más que una chispa de electricidad
sostenida de manera controlada entre dos piezas de algún
medio que sirve de conductor "metal y en ocasiones carbón"
a las que llamamos electrodos o en términos comunes:
electrodo y trabajo.

En el arco eléctrico podemos
distinguir básicamente 3 zonas (algunos estudios
más detallados a su vez refieren diferentes regiones en
cada zona), la zona del ánodo o parte positiva, el
cátodo o parte negativa y la columna de plasma. En
corriente alterna igual existen ánodo y cátodo solo
que estos cambian constantemente de acuerdo a la frecuencia de la
corriente alterna.

La penetración es debida a la
concentración del calor en alguna de las zonas:
anódica o catódica, en la columna de plasma siempre
es aún más elevada que en ellas y
prácticamente constante dependiendo del tipo de
arco.

UN VISTAZO A LA
FÍSICA DEL ARCO ELÉCTRICO DE SOLDADURA

Sin importar la naturaleza del
procedimiento de soldadura empleado, en el arco eléctrico
producido siempre hay una constante: ¿Voltaje, corriente
eléctrica, flujo de electrones o temperatura?; estas son
efectivamente variables muy importantes, sin embargo; en realidad
cada una de ellas es un efecto subordinado a algo aún mas
elemental: La colisión de partículas.

El proceso de colisión
(Energía cinética "½mv2") en el arco
eléctrico hace posible la conversión

de energía eléctrica
(Diferencia de potencial eV) en energía térmica y
la consecuente transferencia de calor y de metal. Para comprender
el proceso de colisiones es necesario hablar un poco del
átomo.

En el arco eléctrico están
involucradas tres partículas básicas: Electrones,
átomos e iones (átomos con carencia o exceso de
electrones). Un átomo e incluso un ión, por ejemplo
de Argón, pesa 50,000 veces más que un
electrón y es unas 5,000 veces más grande de
diámetro. Algo similar a comparar Pelotas de playa con
bolas de Ping-pong.

Supón que tomas algunos
átomos y electrones "Pelotas de Playa y de Ping-pong"
además supón dos situaciones: 1) que ambas tienen
la propiedad de elasticidad ideal y 2) que la Pelota de playa
tiene unos recintos pegajosos donde pueden quedar atoradas las de
Ping-pong. Si metes las pelotas de Playa y de Ping-pong en una
caja y las agitas moderadamente, las pelotas de Ping-pong
atrapadas en los recintos pegajosos de las de Playa no se
liberaran, eventualmente todas las pelotas se moverán a la
misma velocidad. Algo similar ocurre con los átomos de un
gas contenidos en un cilindro.

Si ahora tomas la caja y la agitas
violentamente, las pelotas de Ping-pong serán liberadas
inicialmente por los impactos entre Pelotas de Playa y aceleradas
a altas velocidades teniendo algunos impactos con las pelotas de
Playa y entre ellas liberando aún más pelotas de
Ping- pong. Ocasionalmente algunas pelotas de Ping-pong quedaran
atrapadas en los recintos pegajosos de las de Playa, pero
seguramente serán liberadas nuevamente por subsecuentes
colisiones.

Los pequeños y ligeros electrones se
pueden mover a elevadas velocidades comparados con los pesados
átomos e iones. La velocidad de los electrones es cercana
a las 3,000 mph en tanto que los iones viajan a 0.50 mph en el
arco eléctrico (es decir prácticamente permanecen
estáticos), la velocidad de las partículas es un
indicativo de la temperatura que producen al chocar. Cuando un
electrón se incrusta en un recinto de un ión es
emitido un destello lo que da origen al brillo del arco
eléctrico.

La pegajosidad de los recintos de las
Pelotas de Playa (átomos) varía de gas a gas y este
grado de pegajosidad se llama Potencial de Ionización el
cual se mide en electrón Volts. A mayor Potencial de
Ionización es más difícil establecer arco de
soldadura con ese gas y requiere mayor energía para
liberar los electrones (Ionizarse).

La liberación de electrones durante
las colisiones es llamada ionización térmica y la
distribución del movimiento entre las partículas es
referida como equilibrio térmico.