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.