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.