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ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

TEMA 1.4 EL ARCO ELÉCTRICO

A c t u al i zad o p p o r : Ch ar l es V Veg a S Sc h m i d t

Septiembre 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONAL EUROPEOS/INTERNACIONAL DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1.- FÍSICA DEL ARCO (PRODUCCIÓN DEL ARCO ELÉCTRICO, ZONAS IMPORTANTES, ESTABILIDAD DEL ARCO) 1.1.- Propiedades del arco eléctrico 1.1.1.- Proporciona alta intensidad de calor 1.1.2.- Se puede controlar con parámetros eléctricos 1.1.3.- Elimina óxidos superficiales 1.1.4.- Afecta directamente al tipo de transferencia tr ansferencia del metal 1.1.5.- Existe en un medio conductor gaseoso (plasma) 1.2.- Inonización 1.3.- Flujo de cargas eléctricas 1.4.- Emisión de electrones 1.5.- Termoemisión 1.6.- Ionización por impacto 1.7.- Encendido del arco 1.7.1.- Encendido por contacto 1.7.2.- Encendido sin contacto 1.7.3.- Curva característica del arco eléctrico 1.7.4.- Curva característica de la fuente de energía 2.- DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN A TRAVÉS DEL ARCO 3.- GENERACIÓN DE CALOR EN EL CÁTODO Y EL ÁNODO 3.1.- Fenómenos catódicos 3.2.- Fenómenos anódicos 3.3.- Energía térmica del arco eléctrico 4.- LA POLARIDAD Y SUS CARACTERÍSTICAS EN CA Y CC, MÉTODOS DE CONTROL 4.1.- Efectos de la corriente continua 4.2.- Efectos de la corriente alterna 4.3.- La paradoja de la polaridad y la penetración 4.4.- Excepción para el caso de los electrodos celulósicos 4.5.- Observación especial en el caso del proceso TIG 4.6.- Observaciones en el caso de recargues 5.- INFLUENCIA EN LOS PROCESOS DE SOLDEO 5.1.- Soldeo con electrodo revestido (111) 5.2.- Soldeo con los procesos semiautomáticos semiautomáticos 6.- DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN EL ARCO Y SUS EFECTOS 7.- EFECTOS DEL CAMPO MAGNÉTICO EN EL ARCO (CAUSAS ( CAUSAS Y SOLUCIONES) 7.1.- Efecto del soplo de arco 7.2.- El efecto Pinch (pellizco) 8.- LÍMITES DE APLICACIÓN 8.1.- Fuerzas en la transferencia del metal 8.1.1.- Fuerzas mecánicas en el metal 8.1.2.- Tensión superficial debida a la viscosidad 8.1.3.- Fuerzas gravitatorias 8.1.4.- Fuerzas de succión por el flujo del plasma 8.1.5.- Fuerzas electromagnéticas electromagnéticas 8.1.6.- Gases de expansión

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Tema 1.4 -1-


8.2.- Ajuste de los parámetros en los procesos de soldeo por arco 8.2.1.- Posibilidades del ajuste de parámetros 8.2.2.- Ajuste de los parámetros del arco eléctrico en fuentes de tensión constante 8.2.3.- Ajuste de los parámetros del arco eléctrico en fuentes de tensión constante 8.2.4.- Comparación de los dos modos de ajuste de operación 8.3.- Aceros de alta densidad de corriente utilizados en soldeo y corte


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1.- FÍSICA DEL ARCO (PRODUCCIÓN IMPORTANTES, IMPORTANTES, ESTAB ESTABILIDAD ILIDAD DEL ARCO)

DEL

ARCO

ELÉCTRICO,

ZONAS

El arco eléctrico se estableció inicialmente entre dos electrodos de grafito, la intensa luz se utilizó en reflectores y faros de navegación. De hecho, existió la patente del arco eléctrico en Inglaterra desde 1849. Sin embargo, el ruso Bernardos utilizó el arco para el soldeo por primera vez, con un electrodo de carbón y adición manual de varillas como metal de aportación. Este método se utilizó para el soldeo de chapas gruesas en posición vertical y con respaldo de cerámica por ambos lados. En 1889 el alemán Zerener confeccionó una herramienta con dos electrodos de carbón entre los que se establecía el arco, mediante una bobina se producía un campo magnético para desviar el arco hacia la junta entre dos chapas. El año 1891 el ruso Slavianow utilizó por primera vez un electrodo de metal como material de aportación que simultáneamente hacía las funciones de conductor (electrodo). El sueco Kjellberg desarrolló el electrodo revestido con fundentes prensados en los alambres. Desde 1886, el inglés Elihu Thomson desarrolló en Norteamérica el principio de la resistencia eléctrica para el soldeo por resistencia a tope y por puntos. La primera patente se registró en 1890, difundiéndose rápidamente en el mercado mundial antes del desarrollo masivo del soldeo por arco eléctrico. La principal limitación para realizar las uniones soldadas era la fuente de energía, puesto que en los inicios se utilizaba bancos de acumuladores. Con el progreso de los primeros generadores de corriente continua, y luego con los transformadores, el crecimiento de la soldadura por arco se extendió a nivel mundial, siendo el proceso de soldeo por electrodo revestido el que predominó durante muchos años. En 1948 apareció el proceso semiautomático en los Estados Unidos, con el nombre de S.I.G.M.A. (Shielded Inert Gas Metal Arc), los rusos utilizaron este proceso con dióxido de carbono en 1953 con lo que se experimentó por primera vez el proceso MAG-C. El proceso TIG también fue desarrollado en Estados Unidos el año 1936 por la firma ARGON ARC. El proceso de arco sumergido fue desarrollado por la firma UNION CARBIDE de los Estados Unidos, se introdujo en Europa Europa el año 1934 con el nombre nombre de proceso ELLIRA (Electro Linde Rapid), de acuerdo con la firma que fabricó los fundentes y equipos. El arco eléctrico es una descarga de corriente en un medio gaseoso. Para efectos prácticos, el arco en soldadura, se puede considerar como un conductor gaseoso en el cual se transforma la energía eléctrica en calor. El arco eléctrico es la fuente calor que utilizan todos los procesos de soldeo por arco, siendo la energía de mayor utilización para el soldeo a nivel mundial. El desarrollo de los proceso semiautomáticos se favoreció principalmente por el mayor rendimiento de fusión y la mayor velocidad de soldeo. Pero el desarrollo de los procesos TIG y TIG-Plasma se debió a la mayor calidad del metal depositado, con lo que se logró tener los mejores resultados en acero inoxidable y metales de difícil soldabilidad como el titanio.

1.1.- Propiedades del arco eléctrico 1.1.1. 1.1.1.-- Proporci ona alta intens idad de calor

Dependiendo del proceso de soldeo y de la zona del arco, la temperatura puede ser desde 3,200 ºC hasta más de 20,000 ºC. La temperatura del arco plasma para corte de metales puede llegar a 30,000 ºC. La densidad de energía puede ser desde 10 4 W/cm2 en el proceso de electrodo revestido hasta 10 6 W/cm2 en el proceso de soldeo plasma. En el proceso semiautomático la densidad de energía es aproximadamente


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de 105 W/cm2 , y la densidad de corriente es mayor a 100 A/mm 2. En el proceso de corte plasma la densidad de energía en el arco comprimido es del orden de 30,000 A/cm 2. 1.1.2. 1.1.2.-- Se puede cont rolar c on parámetros eléctric os

En los procesos de electrodo revestido y soldeo TIG es común ajustar la potencia del arco mediante la intensidad de corriente. En los procesos semiautomáticos se utilizan la intensidad y la tensión para ajustar las propiedades del arco. Con ayuda de la electrónica también se ajustan los parámetros de tiempo e intensidad para el arco pulsado. El encendido sin contacto se puede facilitar mediante impulsos de alta tensión con alta frecuencia, esto es también el recurso para mantener el arco estable al soldar aluminio con corriente alterna en el proceso TIG. Otro modo de mantener la estabilidad del arco con electrodo revestido es la utilización de impulsos de alta intensidad corriente, esto permite hacer contacto directo de los electrodos revestidos sobre el metal base sin que el arco se apague. Se utilizan fuentes de energía con estos dispositivos electrónicos para el soldeo de tuberías para oleoductos y gasoductos con electrodos celulósicos. Mediante la utilización de fuentes de energía de curva característica vertical se controla el arco en los procesos de electrodo revestido y TIG, mientras que los procesos semiautomáticos se controlan con fuentes de energía de curva característica plana. Especialmente cuando se trata de alambres delgados, de diámetro menor a 2 mm, es imposible lograr un control de la estabilidad del arco sin fuentes de energía de tensión constante. 1.1.3.- Elimina óxidos superficiales

Debe entenderse, que se trata solamente de la eliminación de óxidos ligeros como son la cascarilla de laminación y la capa de óxido natural del aluminio, porque erróneamente se interpreta mal este argumento, llegando a creer que el arco elimina la herrumbre en un acero oxidado, lo cual no es más que una fusión del óxido, cuya mezcla con el metal depositado producirá imperfecciones y fragilidad en la unión. La inclusión de óxidos en el metal produce la disminución de la resiliencia y del límite elástico. Un caso particular de aplicación práctica para el soldeo de aluminio es el soldeo con polaridad inversa, el arco eléctrico tiene la capacidad de romper la capa de óxido de aluminio (alúmina) para poder facilitar la cohesión del metal fundido de la chapa con el metal de aportación. (ver soldeo de aluminio Tema 2.23). 1.1.4. 1.1.4.-- Afecta dir ectamente al tipo d e transferenci a del metal

En los procesos semiautomáticos es común que la transferencia de cortocircuito se presenta con menos de 20 V, mientras que la transferencia Spray se puede dar solo con una tensión mayor a 25 V y con mezclas de gases ricas en argón. En el caso de arco pulsado para los procesos semiautomáticos, es importante observar el ajuste de los parámetros como son tensión e intensidad, para mantener el arco encendido con la potencia mínima, mientras que la elevación de estos parámetros deberá ser la necesaria para producir el desprendimiento desprendimiento de una sola gota de metal en cada impulso de arco. Una corriente excesiva podría producir el desprendimiento de gotas adicionales en cada impulso, lo que produciría salpicaduras que estropearían la uniformidad de la transferencia.


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1.1.5. 1.1.5.-- Existe en un medio cond uct or gaseoso (plasma)

Esta es la característica de la existencia del arco eléctrico, porque es el fundamento del fenómeno físico que explicaremos en este capítulo. Sin embargo es importante resaltar que el plasma se propicia con la formación o alimentación de gases conductores, los que a su vez protegen al metal líquido en transferencia o en fusión. En los procesos con protección por escoria, el gas que se forma es dióxido de carbono, adicionalmente algunos vapores metálicos permiten elevar la conductividad eléctrica de la columna de plasma. En los procesos con protección gaseosa se utilizan tanto argón como dióxido de carbono para concederle la conductividad eléctrica a la columna de plasma.

1.2.1.2.- Ionización Ionización significa “Conductividad eléctrica de los gases”. En determinadas condiciones el aire se convierte en conductor, los fenómenos naturales que demuestran esto son las tormentas eléctricas. Otro ejemplo de la conductividad del aire se presenta en un cortocircuito entre dos conductores o puntos de conexión de conductores mal aislados, el arco eléctrico se observa como una chispa, donde el calor producido llega a fundir los conductores. Sin embargo, para producir un arco estable es necesario propiciar las condiciones como son; una baja tensión, una corriente suficientemente alta, y una atmósfera conductora. La conductividad eléctrica de los gases influye directamente en la estabilidad del arco eléctrico. El grado de ionización de un gas se puede expresar en porcentaje (de 0 a 100%). Una ionización completa significa que todos los átomos están disociados en iones y electrones. Plasma es el estado de la materia donde los gases están ionizados. La columna de plasma es la parte central del arco eléctrico, donde existe un flujo de partículas eléctricas, además en los procesos con transferencia de metal de aportación existe una transferencia de metales que pueden estar acompañados o no de fundentes, los que formarán escoria para favorecer la estabilidad del arco así como la protección de baño de fusión.

1.3.- Flujo de cargas eléctricas En la separación entre dos polos con una determinada determinada tensión, no fluye ninguna corriente debido a que el aire es un mal conductor eléctrico. Sin embargo se puede establecer un flujo de cargas eléctricas bajo ciertas condiciones, cuando la distancia entre ambos polos es muy corta y la tensión es alta como es el caso del encendido sin contacto, o mediante un contacto directo de ambos polos para el encendido por contacto. Cuando el arco está establecido, el flujo de cargas es constante, los electrones emanan del cátodo para dirigirse hacia el ánodo, y los iones liberados del ánodo tratarán de dirigirse hacia el cátodo.

1.4.- Emisión de electrones Cada metal emite un flujo mínimo de electrones. Cuando no hay un campo eléctrico los electrones se ubican en toda la superficie exterior de su masa. Cuando existe una arista o punta aguda se facilita la emisión de los electrones. En el estudio de electrostática esto se conoce como el efecto de puntas. En un campo eléctrico, estos electrones son atraídos por el ánodo dejando lugar para nuevos electrones en la superficie del cátodo.


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El número de iones y electrones generados depende directamente de la magnitud del campo eléctrico, que a su vez está en relación a la tensión del campo eléctrico. Los electrones libres son acelerados por el campo eléctrico y su energía cinética es directamente proporcional a la tensión eléctrica. Sin embargo, la descompensación producida por la carga positiva del cátodo, generada con la emisión de los electrones produce un efecto de freno a la emisión. Para liberar a los electrones es necesario una determinada energía. Esta energía cinética de los electrones se expresa en electrones-voltio (eV), siendo un electrónvoltio la energía de un electrón que es acelerado en el vacío con la tensión de un Voltio (1,6 x 10 -19 Julios). La energía de emisión es una propiedad específica de los materiales y por esta razón es diferente para cada metal. Los óxidos metálicos tienen generalmente mas baja emisividad que los metales puros, por eso es que se interrumpe el arco voltaico en las superficies metálicas oxidadas. La tabla 1 muestra la energía de emisión para algunos metales.

Metal Metal

Energía de emisió n en eV

Hierro

4.79

Cobre

4.82

Aluminio

3.95

Bario

2.29

Cesio

1.36

Wolframio

5.36

Torio

3.57

Wolframio - Torio

2.62 T ABLA 1

ENERGÍA DE EMISIÓN DE DIFERENTES METALES

1.5.- Termoemisión Para algunos metales, el número de electrones se incrementa en proporción a la temperatura. El wolframio por ejemplo, tiene una alta densidad de flujo de electrones a 3,500ºC. La mayoría de los metales no pueden alcanzar este nivel puesto que su punto de fusión es inferior a esta temperatura. Otros metales tienen el problema de alcanzar el punto de evaporación a esta temperatura, pero también se pueden formar óxidos superficiales cuyo punto de fusión sea muy alto, debido a que algunos de óxidos de metales tiene una temperatura de fusión y de evaporación mayor que el metal puro.


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1.6. 1.6.-- Ionización por impacto Consiste en la liberación de los electrones en la columna de plasma. Las partículas de carga positiva se dirigen al polo negativo (cátodo), y las partículas de carga negativa se dirigen al polo positivo (ánodo). Los electrones experimentan una alta aceleración, cuya energía cinética es determinada por la tensión que los impulsa. 1 eV es la energía de un electrón que se acelera con la tensión de 1 voltio, y el arco eléctrico tiene normalmente entre 10 a 30 voltios. Con este impulso los electrones impactan contra las moléculas del gas presente en su trayectoria, provocando la disociación sus moléculas en átomos. Esto se ilustra gráficamente en la figura 1.

a)

b)

FIGURA 1 IONIZACIÓN. A) Á TOMO NEUTRO. B) IÓN POSITIVO GENERADO CON LA LIBERACIÓN DE UN ELECTRÓN

Con el impacto de otros electrones del flujo eléctrico, los átomos disociados son convertidos en iones, puesto que se desprenden los electrones de las capas superiores. El ión generado es atraído por el cátodo, y el electrón libre es una nueva carga negativa. Los nuevos electrones que se incorporan al flujo eléctrico, continúan impactando contra otras partículas, generando sucesivamente sucesivamente más cargas positivas y negativas. El número de iones y de electrones se incrementa hasta establecer un flujo permanente, formando un arco eléctrico entre ambos polos, en el que existe un flujo de partículas en ambas direcciones. La ionización por impacto tiene la mayor importancia para la estabilidad del arco eléctrico, pero también para el encendido del arco con la aparición de pequeñas cargas en los polos mediante el impacto de partículas conductoras de la corriente eléctrica. En los procesos con protección por escoria, se facilita el encendido con elementos ionizantes como el rutilo. La figura 2 muestra el flujo de electrones y de iones del arco eléctrico.


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Átomo neutro

Ión

Electrón

Fuente de energía

Ánodo

+ FIGURA 2

FLUJO DE CORRIENTE EN EL ARCO ELÉCTRICO .

1.7.- Encendido del arco El arco voltaico para los procesos de soldadura se puede encender de dos maneras: •

Encendido por contacto, mediante el cortocircuito de ambos polos.

•

Encendido sin contacto entre ambos polos, mediante la ayuda de medios auxiliares.

1.7.1.- Encendido por contacto

Consiste en tocar la superficie del metal base con un electrodo, para levantar la varilla hasta establecer el arco. También se puede utilizar una pastilla de viruta metálica que se funde al calor del arco, estableciéndose el flujo eléctrico mientras se mantiene la distancia entre ambos polos. Este último recurso se utilizó durante algún tiempo en el proceso de arco sumergido. El contacto entre ambos polos es simplemente un cortocircuito inicial para ionizar el aire a fin de establecer el arco. La desventaja de este modo de encendido en el proceso TIG, es la contaminación del electrodo de wolframio. Inicialmente la superficie real de contacto entre ambos polos es relativamente pequeña, se ha establecido que está entre el 0,1 al 1% de la superficie expuesta al corto circuito. Esto produce un alta densidad de corriente en el punto de contacto. Según Killing (DVS), para una intensidad de 200 A en un electrodo de 4 mm de diámetro, la densidad de corriente puede ser de 1,600 hasta 16,000 A/mm 2. 1.7.2.- Encendido sin contacto

Para no contaminar la superficie del metal base, ni deteriorar el electrodo, se utiliza una corriente de alta frecuencia con impulsos de alto voltaje, este sistema es similar al que se aplica para las bujías en los motores de combustión interna. En ambos casos se produce una chispa que preioniza el trecho entre los -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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polos, el arco se enciende en una distancia de 2 a 3 mm de separación. El encendido sin contacto es muy útil en el proceso de soldeo TIG, para evitar la contaminación del electrodo de wolframio. La figura 3 ilustra el encendido del arco eléctrico mediante los impulsos de alta tensión con alta frecuencia en el proceso TIG.

a) Acercamiento al metal base. I G

b) Origen del arco por impulsos de alta frecuencia y alta tensión.

Generador de los impulsos de alto voltaje y frecuencia Fuente de energía.

Impulsos de alta tensión

) V ( n ó i s n e T

Tiempo

Impulsos de alta tensión

c) Encendido por alta frecuencia en el soldeo TIG con corriente alterna. FIGURA 3 ENCENDIDO SIN CONTACTO

En el soldeo TIG con corriente alterna es imprescindible el encendido por impulsos de alta frecuencia con alta tensión para mantener el arco estable como se observa en la figura 3 c).


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ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN 1.7.3.- Curva característica del arco eléctrico

Se distinguen dos zonas en la curva característica del arco, en relación a la variación de la tensión “U” y la intensidad de corriente “I” con respecto a la resistencia del arco “R”. La zona de mayor utilización en los procesos de soldeo está comprendida en la línea recta que cumple con la ley de Ohm (R = U/I). En este rango la intensidad es proporcional a la tensión, en función de la altura del arco. Existen dos rectas definidas como arco corto y arco largo, en la figura 4 se observa que la resistencia del arco es una línea recta en la zona de la ley de Ohm, pero dada la variación de la longitud del arco durante el soldeo, solo se puede establecer entre el rango de arco corto y arco largo, siendo la representación del arco medio una idealización de la resistencia promedio entre los arcos largo y corto. El arco eléctrico solamente existe entre los límites de arco largo y arco corto. Cuando los parámetros no son los adecuados, por encima del arco largo no es posible mantener encendido el arco, físicamente el electrodo está muy alejado del metal base. Por debajo de arco corto el electrodo está demasiado cerca, pegándose al metal base, entonces el arco se extingue.

U

ZONA DE AYRTON

ZONA DE LA LEY DE OHM

R=U/I ARCO LARGO

ARCO CORTO

FIGURA 4 REPRESENTACIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL ARCO ELÉCTRICO

La zona de Airton no se usa para los procesos de soldeo comunes, solo se encuentra aplicación en el proceso de soldeo microplasma, donde es posible mantener un arco muy estable con muy baja corriente de soldeo siendo los valores de 1 a 10 Amperios.

1.7.4. 1.7.4.-- Curva c aracterístic a de la f uente de energía

En realidad, la corriente al inicio del arco es dos a tres veces mayor que la corriente del arco a establecer. La figura 5 ilustra la curva característica de la fuente de energía, representando gráficamente la variación -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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dinámica de la intensidad en el instante del contacto del electrodo con la chapa para el encendido del arco, donde la corriente de cortocircuito I CC es mayor que la corriente de soldeo I s. Elegimos esta curva característica de pendiente descendente que corresponde a una fuente de energía de corriente constante, porque con este tipo de fuentes de energía son las que se utilizan pare el proceso de electrodo revestido, donde se puede apreciar claramente el comportamiento de las curvas características del arco, de la fuente de energía, así como la variación de la intensidad y la tensión al inicio del arco eléctrico mediante el encendido por contacto.

U

Curva estática de la fuente.

Uo

Curva de encendido.

A es el punto de trabajo.

Us

Curva del arco.

Is

ID

ICC

I

FIGURA 5 CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA FUENTE DE ENERGÍA DE CORRIENTE CONSTANTE Y SU RELACIÓN CON EL ENCENDIDO DEL ARCO .

La magnitud de la intensidad eléctrica en el punto de contacto I CC, produce el calentamiento por el efecto Joule (I2xR) fundiendo al metal y sobrecalentando al baño de fusión. Una porción del metal sobrecalentado se evapora, en consecuencia el vapor metálico en suspensión favorece la ionización del trecho del arco voltaico. Luego del cortocircuito el electrodo debe ser elevado para mantener el arco, pero es necesario una determinada tensión. Las cargas eléctricas en la columna del arco siguen produciendo ionización por impacto. Otras cargas se producen también por la emisión térmica. El arco una vez establecido se mantiene en el punto de intersección con la curva estática de la fuente de energía “A”, oscilando entre el arco largo y arco corto.


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2.- DISTRIBUCIÓN DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN TENSIÓN A TRAVÉS TRA VÉS DEL ARCO Para describir la distribución de la tensión a través del arco, es necesario definir las zonas del arco. a) Ánodo. (+) b) Cátodo. (-) Dependiendo de la polaridad que se utilice, cada polo puede estar conectado en el electrodo o en el metal base. En el apartado 4 se tratará de los efectos de la polaridad. c) Columna de plasma. Es el espacio comprendido entre ambos polos, donde se presenta la transferencia de electrones, iones, y partículas de metal. Existe una caída de tensión del orden de 1 a 12 Voltios en cada zona entre el ánodo y el cátodo, si ambos son metálicos, pero esta caída de tensión puede ser mayor si los electrodos son de carbono (figura 6). Dichas caídas de tensión se producen a distancias muy cortas de las superficies de los electrodos, de manera que los campos eléctricos (gradientes de voltaje) en estas regiones son muy elevados. El gradiente de voltaje es mucho mayor cerca de las superficies de los electrodos (10 9 V/m) , en comparación con la columna de plasma (10 3V/m).

L

_ C

+ A

Plasma

UK US

10

Ua 0

1 10-4

2

5

3

L (mm)

0.5

FIGURA 6 DISTRIBUCIÓN DE LA TENSIÓN EN LAS ZONAS DEL ARCO -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Es difícil hacer medidas directas de magnitudes como son los campos eléctricos y las densidades de corriente en las proximidades de los electrodos. No obstante, se pueden estimar dichos valores mediante técnicas más o menos sofisticadas. Por ejemplo, el espesor de la capa de caída de tensión en un ánodo de carbono se ha estimado en 10 -5 m, con una caída de tensión de 10 a 20 voltios de manera que los gradientes resultan ser, como se ha indicado, de unos 10 6 ó 107 V/m. La relación tensión–intensidad de corriente en un arco eléctrico, caracteriza en gran medida el comportamiento del mismo. Esta relación para una soldadura TIG con electrodo de wolframio (polaridad directa) depende de la conductividad del electrodo. En la figura 7 se muestra las curvas características de los arcos de dos tipos de electrodos de wolframio, uno es puro y el otro tiene adición de torio. La mayor conductividad eléctrica del electrodo de wolframio con torio hace que el arco se establezca con menor tensión. La tensión mínima y la forma general de la curva característica del arco eléctrico, depende de: 

Tamaño del cátodo (diámetro).



Del material de que está fabricado f abricado (wolframio puro o con elementos adicionales).



Tamaño, material y temperatura del ánodo (metal base).



Naturaleza del gas de protección (argón, helio, mezclas).



Longitud del arco (arco largo o arco corto).

En la práctica es difícil medir la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo. El “voltaje de arco” al que generalmente se refieren la mayoría de los observadores incluye la caída de tensión en todas las regiones del arco.

FIGURA 7 CURVAS CARÁCTERÍSTICAS VOLTAJE -CORRIENTE PARA UN ARCO TIG -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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El efecto de los diferentes gases de protección inertes sobre las características del arco se muestran en la figura 8. La discontinuidad que se observa en la curva tensión - intensidad para el helio corresponde a la ionización del gas, porque el helio tiene baja conductividad eléctrica en comparación con el argón. Se ha estudiado el efecto que producen presiones superiores a la atmosférica sobre el arco debido a la importancia tecnológica de la soldadura submarina. El efecto de la alta presión se traduce t raduce en incrementar la densidad de corriente en la columna del plasma, en el cátodo y en el ánodo. Se incrementa, de igual forma, la tensión del arco y tiene, además, influencia sobre el modo de transferencia del metal de aporte. Para cualquier tipo de corriente que se utilice, la penetración aumenta a medida que se incrementa la presión. Estas consideraciones son válidas tanto para soldadura TIG como MIG/MAG.

FIGURA 8 CURVAS CARACTERÍSTICAS V-I PARA ARCOS TIG EN VARIOS GASES

3.- GENERACIÓN GENERACIÓN DE CALOR CAL OR EN EL CÁTODO CÁ TODO Y EL ÁNODO Á NODO 3.1.- Fenómenos catódicos Existen cátodos termoiónicos y no termoiónicos. Cuando un cátodo se calienta hasta una temperatura suficientemente elevada, emite electrones con una densidad de corriente de la emisión termoiónica, que depende de la temperatura superficial del cátodo. A no ser que se logre incrementar ésta temperatura hasta un valor lo suficientemente alto, no será posible alcanzar las densidades de corriente encontradas en los arcos. Sólo cuando los átomos son de materiales refractarios como el wolframio o el carbono, con puntos de ebullición en torno a los 4,000 K o superiores, se puede justificar mediante emisión termoiónica las densidades de corriente estimadas a partir de ciertas medidas. El foco de emisión termoiónica en el cátodo suele ocupar una posición fija. Pero cuando es móvil, debido a ciertas condiciones de trabajo o contaminación superficial, superficial, se produce un enfriamiento de la superficie y puede darse una transición hacia el modo no termoiónico.


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El foco de emisión en un cátodo no termoiónico es móvil, va dejando trazas sobre el metal en las zonas donde se va eliminando el óxido superficial. Se compone, generalmente, de un cierto número de pequeñas zonas de emisión, muy agrupadas. Esto se observa en el proceso de soldeo TIG con un electrodo de wolframio que no ha sido correctamente afilado o que está contaminado. Bajo algunas circunstancias, particularmente con altas corrientes y focos de emisión en lento movimiento, se han detectado chorros de partículas alejándose del foco (catódico y también anódico). En general, puede haber cuatro posibles orígenes de los chorros anódicos y catódicos: 1. Ebullición del del material del electrodo (cadmio, (cadmio, cinc, cobre, etc.). etc.). El chorro puede puede arrastrar fragmentos fragmentos de material fundido que han sido arrancados por la explosión de gas dentro del electrodo. 2. Vaporización de de capas superficiales superficiales de metal, óxido óxido u otras impurezas impurezas debido debido a la interacción interacción de las las partículas cargadas con la superficie. 3. Reacción química con generación generación de gas, particularmente particularmente la oxidación oxidación del carbono carbono en aceros para para dar CO y CO2. 4. Flujos de gas gas en en la columna del plasma. Estos chorros en el ánodo y en el cátodo dan lugar a una aparente “rigidez” del arco en la zona próxima a los electrodos, a la vez que afianzan la estabilidad del mismo. Pero los chorros de ambos electrodos pueden colisionar, afectando a la estabilidad del arco. Por todo ello, los chorros de vapor y plasma además de las fuerzas electromagnéticas tienen gran importancia tecnológica debido al efecto que tienen sobre la estabilidad del arco y, por tanto, sobre el éxito del proceso de soldadura. En el proceso de soldeo TIG, la punta del electrodo de wolframio puro puro se funde, esto hace que el foco de emisión catódico no permanezca estacionario, con la consiguiente desviación de la columna de plasma. Los electrodos con torio o circonio operan muy por debajo de su punto de fusión y, por tanto, se deterioran menos. Además, la emisividad de estos es mayor que la del wolframio puro, lo cual permite trabajar con la misma densidad de corriente a temperaturas más bajas. La figura 9 muestra la importancia de la geometría de la punta del electrodo en la estabilidad del arco; con puntas agudas la columna es estable a cualquier presión, pero con punta redondeada podemos pasar de un cátodo en modo normal a otro con foco en movimiento, obteniendo obteniendo así baños de fusión asimétricos y cordones irregulares.

FIGURA 9 IMPORTANCIA DELA PUNTA DEL ELECTRODO EN LA SOLDADURA TIG


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Otros casos distintos son los de los electrodos revestidos y el arco sumergido. La escoria líquida emite iones positivos de los elementos alcalinos y esto ayuda a mantener la continuidad de la soldadura con corriente alterna. Además la conductividad eléctrica de la escoria de rutilo es muy alta inclusive a temperatura ambiente, facilitando el encendido del arco, mientras que las escoria básica tiene baja conductividad eléctrica a temperatura ambiente, elevándose ésta propiedad con la temperatura, a temperaturas mayores a 900ºC la escoria básica tiene muy buena conductividad eléctrica. En el caso de metales que presentan óxidos refractarios, tales como el aluminio, la limpieza de la superficie producida por los cátodos termoiónicos es beneficiosa para la soldadura. En la soldadura con electrodos consumibles, la varilla o alambre actúa como fuente calorífica y metal de aportación. Es necesario estudiar, por tanto, la manera en que se produce dicha transferencia de masa. La mayor parte del trabajo que se ha realizado, está referido a electrodos revestidos y las fuerzas que intervienen en el proceso son: 

Electromagnéticas.



Tensión superficial.



Gravitatorias,



Presiones en el foco catódico.



Fuerzas debidas a la corriente gaseosa procedente del revestimiento.



Fuerzas debidas a la formación de burbujas de gas dentro de la gota líquida.

La figura 10 muestra los modos de transferencia de metal en electrodos revestidos. Tras una fase inicial (a), comienza la deformación del metal y la escoria líquida por efecto de la presión en el cátodo (b), después se produce la separación de la gota por efecto de la tensión superficial (c). De forma alternativa puede suceder que el arco se mueva hasta la punta de proyección (d) y la separación de la gota sea debida a fuerzas electromagnéticas (e).

FIGURA 10 MODOS DE TRANSFERENCIA CON ELECTRODOS REVESTIDOS


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a.- Fase inicial; b.- Deformación del metal líquido debida a la presión en la raíz del arco; c.- Separación de la gota debido a la tensión superficial; d.- Movimiento del arco a la punta de la gota; e.- Separación de la gota mediante fuerzas electromagnéticas. electromagnéticas. En soldadura MAG se ha determinado la existencia de una corriente de transición por debajo de la cual la transferencia es en forma de grandes gotas y en cortocircuito. La transferencia spray se presenta sobre la corriente de transición. La corriente de transición corresponde a la transferencia globular. La figura 11 muestra distintos modos de transferencia, según la clasificación del Instituto Internacional de la Soldadura (IIW), incluyendo algún tipo específico para el proceso de arco sumergido.

FIGURA 11 MODOS DE TRANSFERENCIA METÁLICA SEGÚN EL INSTITUTO INTERNACIONAL DE LA SOLDADURA (IIW)

La figura 12 muestra el cambio de la forma de transferencia para el soldeo MAG con densidades de corriente crecientes.

FIGURA 12 MODOS SUCESIVOS DE TRANSFERENCIA EN LA SOLDADURA MAG CON INCREMENTO DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE DESDE LA IZQUIERDA A LA DERECHA


Tema 1.4 -17-


La figura 13 muestra la velocidad de transferencia en gotas por minuto para el soldeo de acero, con protección de argón y polaridad inversa, en función de la intensidad de corriente del arco, para diversos procesos y diámetros de electrodos.

FIGURA 13 VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA POR GOTAS PARA ACEROS . GAS DE PROTECCIÓN ARGÓN. POLARIDAD INVERSA

3.2.- Fenómenos anódicos En algunos aspectos, la región anódica del arco es similar a la región catódica, por ejemplo, hay una región de contracción entre la columna y cada electrodo, y en ambos casos hay una caída de tensión restringida a una distancia muy pequeña de la superficie del electrodo. Aunque el ánodo juega un papel fundamental para la continuidad de la corriente al recibir el flujo constante de electrones, ejerce menos influencia que el cátodo sobre la estabilidad y rigidez del arco. Excepto en circunstancias especiales un ánodo no emite iones positivos, de forma que la corriente en la superficie del ánodo es transportada únicamente por los electrones, mientras que en el cátodo la carga puede ser transportada por iones positivos y por electrones. La caída de tensión en el ánodo es relativamente pequeña, entre 1 voltio a altas corrientes y 12 voltios a corrientes bajas. Las densidades de corriente anódicas pueden llegar a alcanzar los 10 8 A/m2. Además de la energía aportada por el choque de los electrones sobre la superficie del ánodo, pueden existir ciertas aportaciones por causa de la colisión de átomos neutros o excitados sobre la superficie y también por la recombinación de moléculas de gas disociadas. Como fuentes adicionales de energía, comunes al ánodo y al cátodo, pueden citarse el transporte de calor desde el gas caliente de la columna, el calor procedente de reacciones químicas y el calentamiento calentamiento por efecto Joule. Las pérdidas de energía desde el ánodo se pueden separar en:


Tema 1.4 -18-


1. Vaporización de átomos de metal. 2. Proyección de grandes partículas sólidas. 3. Radiación desde los puntos puntos calientes calientes de la superficie. superficie. 4. Disociación de gases gases moleculares sobre la la superficie superficie caliente. caliente. 5. Disipación a través de la propia estructura del del ánodo. ánodo. 6. Calentamiento por conducción conducción o convección del gas que le rodea. En general, los chorros de plasma anódicos son similares en comportamiento a los del cátodo y se originan por las mismas causas. En cuanto al baño de fusión hay que señalar que su comportamiento tiene una gran importancia práctica en el soldeo por fusión, y ciertos efectos pueden limitar la variabilidad de parámetros dentro de los cuales es operativo un determinado proceso. Por ejemplo, el incremento de la intensidad provoca una mayor fuerza del arco y puede llegarse a valores donde las turbulencias en el baño dan lugar a mordeduras y otros defectos en la unión. En el soldeo TIG con baja intensidad, el movimiento de material en el baño de fusión es el más sencillo posible. La superficie no es perturbada debido a la escasa fuerza del arco y la estabilidad del arco. La forma del baño es semiesférica y se induce un flujo toroidal debido a la acción de las fuerzas electromagnéticas. Sin embargo, el flujo de corriente por la pieza no suele ser simétrico con lo cual se generan campos electromagnéticos que provocan el giro del baño. Esto puede dar lugar a una transmisión de calor asimétrica que durante la solidificación provoque falta de penetración en la unión. Un modo de resolver este problema es aplicar un campo magnético longitudinal longitudinal externo; con un pequeño campo se puede controlar la rotación del baño e incluso invertir el sentido de giro. La figura 14 muestra el flujo normal de metal líquido en la soldadura por arco sumergido. El flujo cambia de dirección al llegar a la parte posterior el baño, regresando por la superficie. La geometría del baño es alargada, al contrario que en las soldaduras TIG y MIG. En la zona anterior se forma una depresión libre de líquido.

FIGURA 14 FLUJO DE METAL LÍQUIDO EN LA SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO


Tema 1.4 -19-


La composición del gas de protección tiene influencia sobre la geometría del baño, al modificar la tensión superficial del líquido, esta es la razón de usar mezclas de gases para el soldeo de aceros, por tanto cuando se habla de soldar aceros con el proceso semiautomático nos estamos refiriendo al proceso MAG y no al MIG, puesto que se deben emplear gases activos. Cuando se intenta soldar acero inoxidable con argón puro, no se obtiene la suficiente fluidez del baño de fusión, con lo que el cordón quedará rugoso y con mal aspecto. Una pequeña cantidad de oxígeno o de dióxido de carbono permite provocar una reacción exotérmica los suficientemente necesaria para elevar la temperatura y la fluidez del baño, la figura 15 representa la variación de la geometría del baño de fusión con el contenido de oxígeno en el gas de protección, la conclusión es que a mayor cantidad de gas activo, el ancho del cordón será más ancho en relación a la profundidad de penetración.

FIGURA 15 EFECTO DE LA COMPOSICIÓN DEL GAS DE PROTECCIÓN SOBRE LA GEOMETRÍA DEL BAÑO

3.3.- Energía térmica del arco eléctrico La energía del arco eléctrico está en función directa de la tensión y la intensidad. ENERGÍA = (TENSIÓN x INTENSIDAD) / TIEMPO J = V x I / t

Julio = Voltios x Amperios / seg.

La figura 16 representa la relación entre la tensión U en Voltios y la Intensidad I en Amperios. Si la resistencia del arco es de 0,2 Ohmios, se tiene aproximadamente aproximadamente 26 Voltios y 130 Amperios en el gráfico, el producto será: 26 V x 130 A = 3,380 Watt Tomando el tiempo de un minuto, la energía total del arco será de 3,380 Watt x 60 seg. = 2,02 x 10 Julios.

5

Evidentemente esta energía se distribuye en la longitud del cordón depositado en el tiempo de un minuto, para lo cual habría que determinar la velocidad de soldeo. De hecho esto es lo que se hace al calcular el aporte térmico de soldeo en la cualificación de procedimientos de soldeo. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -20-


Existen pérdidas de calor debidas a la conducción térmica del metal base, a la convección, a la radiación r adiación y difusión. Dependiendo del proceso, éstas pérdidas varían en función de los factores físicos que permitan aprovechar la mayor cantidad posible de calor. Por ejemplo el proceso de arco sumergido es uno de los de mayor eficacia térmica, porque las radiaciones del arco son prácticamente nulas al estar cubierto de fundente. En cambio en los procesos con gas de protección la radiación de energía es inevitable, ya que el arco es totalmente visible, entonces la eficacia térmica del proceso dependerá de la conductividad térmica del gas de protección y de las reacciones exotérmicas que puedan producir los gases activos con el consumible. La figura 17 muestra la eficacia del arco para diversos procesos de soldadura. Tensi Tensión ón (V) R = 0,2 40 30 20 10 50

100

150

200

Intensidad (A)

FIGURA 16 RELACIÓN DE LA ENERGÍA EN FUNCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE SOLDEO , PARA UNA RESISTENCIA DE ARCO CONSTANTE . L A POTENCIA ESTÁ REPRESENTADA POR LA SUPERFICIE RESULTANTE DEL PRODUCTO DE LA TENSIÓN Y LA INTENSIDAD

FIGURA 17 MEDIDA DE LA EFICACIA DEL ARCO


Tema 1.4 -21-


4.- LA POLARIDAD Y SUS CARACTERÍSTICAS EN CA Y CC, MÉTODOS DE CONTROL 4.1.- Efectos de la corriente continu a La zona que más se calienta es la zona anódica (la positiva). Los iones positivos al chocar con el cátodo producen la rotura de la capa de óxido facilitando su eliminación, por lo que en el caso del soldeo con polaridad inversa la pieza será decapada. Esta circunstancia es muy importante en el caso de las aleaciones de aluminio o de magnesio, porque estos materiales están recubiertos por unas capas de óxidos refractarios. Estas aleaciones se sueldan utilizando la polaridad inversa, ya que se facilita la eliminación de las capas refractarias y se hace posible su soldeo. En resumen, las características representadas en la figura 18, para la polaridad inversa (CCEP) con los electrodos revestidos son: •

Cordones poco anchos, con mayor penetración.

•

Excesiva acumulación de calor en el electrodo, que puede provocar su sobrecalentamiento sobrecalentamiento y rápido deterioro incluso a bajas intensidades de corriente.

•

Se produce el efecto de decapado o limpieza de óxidos, facilitándose el soldeo de algunas aleaciones como las de aluminio y magnesio.

Ánodo

Fuente de energía

Electrones Iones positivos

Electrodo

Zona más caliente (requiere diámetros mayores)

Efecto de decapado

Cátodo Pieza

FIGURA 18 C ARACTERÍSTICAS DE LA POLA RIDAD INVERSA (CCEP) CON LOS ELECTRODOS REVESTIDOS

Si se conecta el electrodo al polo negativo (CCEN) y las piezas a soldar al positivo, serán las piezas las que se calientan más intensamente. La figura 19 representa las características de la polaridad directa (CCEN) con los electrodos revestidos son: •

Cordones más anchos con menor penetración.

•

El electrodo soportará intensidades del orden de ocho veces mayores que si estuviese conectado al polo positivo, ya que se calienta menos.


Tema 1.4 -22-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN •

No se produce el efecto de decapado sobre las piezas, por lo que si se quisiera soldar aleaciones con capas refractarias deberían decaparse químicamente antes del soldeo.

Cátodo

Electrodo Electrones Iones positivos

Fuente de energía Ánodo Pieza Zona más caliente FIGURA 19

C ARACTERÍSTICAS DE LA POLARID AD DIRECTA (CCEN) CON LOS ELECTRODOS REVESTIDOS

4.2.4.2.- Efecto Efecto s de la cor riente rient e altern altern a Cuando se establece un arco en corriente alterna, el electrodo actúa de ánodo durante medio ciclo y de cátodo durante el otro medio ciclo, produciendo alternativamente un ciclo en el que el electrodo actúa de positivo y de negativo; este cambio, en Europa, se produce 100 veces por segundo y por tanto es imperceptible a simple vista. Debido a este cambio continuo, el soldeo en corriente alterna aúna, aunque de forma reducida, los efectos de las dos polaridades en la corriente continua. Sin embargo, no siempre es fácil mantener un arco eléctrico en corriente alterna, ya que la tensión que suministra la fuente de energía está variando continuamente. Para poder mantener el arco eléctrico encendido es necesario que la tensión sea mayor de un cierto valor mínimo (U z en la figura 20), siempre que la tensión no alcance ese valor el arco se extinguirá, pudiéndose volver a encender si al superar la tensión Uz, el cátodo no se ha enfriado demasiado.

Gas ionizado

1 2

Punto de extinción de arco. Punto de extinción de arco. ∆t Tiempo de arco muerto. Uz Tensión de encendido

Un Periodo FIGURA 20 EFECTO DE LA CORRIENTE ALTERNA EN EL ARCO ELÉCTRICO -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -23-


Considerando lo anterior se concluye que el arco en corriente alterna es más inestable que en corriente continua. Algunos electrodos revestidos como los básicos, solamente se pueden soldar con corriente continua y preferentemente con polaridad invertida. La explicación es la siguiente; con la corriente alterna hay un punto de tensión e intensidad cero, donde el arco eléctrico se apaga y se vuelve a encender, este cambio de polaridad crea dificultades a los electrodos de difícil reencendido.

4.3.4.3.- La paradoja de la polari dad y la penetració n Con polaridad inversa, los iones que son partículas de masa chocan sobre el metal base, penetrando debido al impacto sobre el baño de fusión. Además, en el arco cuya forma es cónica, los electrones fluyen del cátodo hacia el ánodo. Esto hace que la zona del cátodo se mantenga estable en una pequeña superficie de donde emana el flujo de electrones, mientras que el ánodo se distribuye sobre una superficie mayor, debido al desplazamiento inestable de los electrones que atraviesan la columna de plasma. Con polaridad inversa la chapa hace de cátodo, donde hay mayor densidad de energía, es decir mayor cantidad de electrones por milímetro cuadrado. A pesar de que el polo negativo tenga menos temperatura, la mayor densidad de energía concentra concentra el calor en menor área, lo que sumado al impacto de los iones de masa sobre el baño de fusión, produce mayor penetración del metal depositado como se ilustra en la figura 21-a. Por el contrario, con polaridad directa, los electrones no producen transferencia de masa, son cargas eléctricas que se desplazan a gran velocidad y que, a su paso impactan con las moléculas y átomos de los gases, así como sobre la superficie de la chapa. Sin embargo, a pesar de que el impacto de los electrones produce mayor temperatura sobre el baño de fusión, la base del cono del arco está sobre la chapa y, en consecuencia, el calor se distribuye en una área mayor, siendo la densidad de energía sobre la superficie del baño de fusión menor que en el soldeo con polaridad inversa (Fig. 21-b). Esto se ha demostrado con varios procesos de soldeo por arco con electrodo consumible, consumible , tanto con electrodos revestidos, como con alambres macizos y tubulares, inclusive con flejes macizos y con fundente interior.

a) Arco con polaridad inversa.

b) Arco con polaridad directa. FIGURA 21

FORMA DE LA COLUMNA DE PLASMA EN LOS PROCESOS DE SOLDEO POR ARCO . L A DENSIDAD DE ENERGÍA ES MAYOR EN EL POL O NEGATIVO (MAYOR FLUJO DE ELECTRONES POR UNIDAD DE ÁREA ).


Tema 1.4 -24-


Repasando la figura 6, la columna de plasma del arco eléctrico tiene una forma cónica. Esta figura es común en varias fuentes de información sobre la física del arco eléctrico. Se observa la forma cónica de la columna que, en el caso del proceso TIG, llega a tener un ángulo de 45º como se aprecia en la figura 22.

FIGURA 22 FORMA DE LA COLUMNA DE PLASMA EN EL PROCESO DE SOLDEO TIG

4.4.- Excepción para el el caso de los electro electro dos celulós icos Un caso particular constituye el soldeo de tuberías con electrodos celulósicos. En la Norma API 1104 no se menciona nada con respecto a la polaridad, pero la práctica común es soldar la pasada de raíz con polaridad directa, para facilitar el manejo del baño de fusión al soldar en vertical descendente descendente,, y luego soldar todas las demás pasadas con polaridad inversa. Se observa una reacción especial del revestimiento de los electrodos celulósicos que permiten realizar buenas pasadas de raíz en polaridad directa, aunque no se conoce las razones de este efecto, es posible que el chorro de metal líquido esté favorecido por el mayor rendimiento de fusión y el flujo de los electrones que salen del electrodo perforando los bordes de la ranura de la junta. El soldeo de la pasada de raíz es similar al soldeo por la técnica de ojo de cerradura.

4.5.4.5.- Observ Observ ación especial esp ecial en el caso del pr oceso TIG En cuanto al proceso TIG existe otra observación, conectando el electrodo no consumible al consumible al negativo hay más penetración que al positivo, tal como se observa en la página 248 del Manual del Soldador. La razón es simple, si tratásemos de soldar con polaridad inversa con el proceso TIG, no se podría soldar con alta intensidad, esto tiene una explicación física y metalúrgica. El punto de fusión del volframio (wolframio) es de 3.800ºC. Y, conectado al polo positivo, donde la temperatura es superior a los 4.200ºC, el electrodo se fundirá inevitablemente. Pero con polaridad directa es posible mantener el electrodo con la punta afilada, ya que la temperatura no pasa de 3.600 ºC en el polo negativo, pudiénd pudiéndose ose soldar con mayor intensidad de corriente. Por ejemplo, con un electrodo de volframio de Ø2.5mm se puede soldar hasta con 200 Amperios y con uno de 3 mm se puede llegar hasta 350 Amperios o más, con polaridad directa. Sin embargo conectado al polo positivo, un electrodo de volframio de Ø6 mm no puede emplearse con más de 120 amperios, no se puede incrementar la intensidad porque porque el electrodo se fundiría. En conclusión, con diámetros menores, la intensidad de soldeo posible con polaridad inversa será mucho menor. Se ha patentado un procedimiento, en el que se emplea una máquina de arco pulsado, con un soplete TIG refrigerado por agua, con mayor caudal de agua de enfriamiento. Con esta técnica se logra soldar con el electrodo al positivo y con mayor penetración, empleando electrodos electrodos de 3 y de 4 mm de diámetro.


Tema 1.4 -25-


Esta nueva tecnología tiene aplicación en el soldeo de reparación de aluminio fundido, de hecho se utiliza para soldar motores de aluminio al 12% de silicio, siendo aplicada esta técnica en reparaciones de motores de aluminio en varios países. Está claro que sin arco pulsado y sin antorcha refrigerada esto sería muy difícil o imposible, porque lo que se trata con esto es impedir que el volframio alcance el punto de fusión, dándole la posibilidad de evacuar el calor por convección al agua de refrigeración.

4.6.4.6.- Observ Observ aciones en el caso d e recargues En los recargues, se recomienda utilizar la polaridad directa (electrodo al negativo) con la finalidad de obtener la mínima dilución, para que el metal depositado no se mezcle excesivamente con el metal base, con lo que las propiedades de resistencia al desgaste y a la corrosión son mayores. En el proceso de electrodo revestido, la mayoría de los electrodos de recargue con carburos de cromo son de revestimiento básico, con lo que no se recomienda soldarlos con polaridad directa, sino inversa. Pero la alternativa para reducir la dilución en estas condiciones, es el soldeo mediante la técnica que trata de dirigir el arco contra el cordón anterior, para incidir menos en el metal base. Cuando se trata de recargues con alambres tubulares, y también con el proceso de arco sumergido con alambre macizo, con fleje macizo, o con fleje relleno de fundente, fundente, se prefiere emplear la polaridad polaridad directa que produce menor penetración, tal como recomiendan los catálogos de estos productos. Esto lo confirman diversos fabricantes de materiales de aportación, quienes llegan a estas conclusiones después de varias pruebas de aplicación práctica en la industria, que son verificadas mediante macrografías y ensayos de resistencia al desgaste.

5.- INFLUENCIA EN LOS PROCESOS DE SOLDEO Debido a los diferentes elementos que intervienen en la columna de plasma, la resistencia del arco es muy variable en cada proceso y en cada tipo de transferencia. Por ejemplo en los procesos con gas de protección, el arco se establecerá con menor tensión cuando se utilice argón. Los procesos con escoria tienen también t ambién diferentes resistencias de arco debido a los componentes de los fundentes, por ejemplo la tensión para el soldeo de electrodos de rutilo es menor que la tensión para el soldeo con electrodos básicos. Esto se debe a que la conductividad eléctrica del rutilo es casi constante desde la temperatura ambiente hasta la temperatura del arco, mientras que los compuestos básicos, en general, son malos conductores a temperatura ambiente, y solamente se convierten en sustancias conductoras cuando la temperatura es mayor a lo 900ºC. Además la fluorita es un compuesto que eleva la tensión del arco, se ha demostrado que la presencia de fluorita puede elevar la tensión del arco hasta en 10 Voltios más que con los electrodos de rutilo, este efecto se incrementa en polaridad directa, por lo que resulta aconsejable soldar los electrodos básicos con polaridad inversa. En los procesos semiautomáticos se definen tradicionalmente tres zonas correspondientes a tres tipos de transferencia. Estas son: Transferencia en cortocircuito. Es común que se presente por debajo de 20 Voltios y 150 Amperios, con mezcla de gases, con dióxido de carbono puro, o con argón. Transferencia de arco largo o globular. Con dióxido de carbono se presenta siempre sobre los 20 Voltios y con la mezcla de gases EN 439 M21 se observa solamente en un rango aproximado aproximado de 20 a 25 Voltios. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -26-


Transferencia de arco en rocío (Spray). Es posible obtenerla solamente con mezclas ricas de argón, como la mezcal EN 439 M21 (Ar ≥ 80%)hasta con argón puro.

5.1.5.1.- Sold Soldeo eo con elect rodo rod o revestido revest ido (111) En este proceso es posible soldar tanto con corriente continua como con corriente alterna. Con polaridad directa el rendimiento, de fusión (Kg / hora) es mayor que en polaridad inversa, pero con menor penetración. Los electrodos que mejor se adaptan a esta polaridad son los de rutilo, además tienen la ventaja de que el aspecto de los cordones es mejorado notablemente en comparación con la polaridad inversa. Debido al lento enfriamiento de la escoria, el baño de fusión tiene mayor tiempo de solidificación, con lo que puede deformarse en caliente, de modo que parte de los esfuerzos de contracción actúan en esta deformación y los esfuerzos residuales en la unión son menores. La polaridad directa es recomendable para el soldeo de chapa delgada (<3mm), y con electrodos rutilo-básicos se puede soldar buenas pasadas de raíz con excesiva separación entre chapas. Con polaridad inversa se obtiene mayor penetración, es usual para el soldeo de los electrodos básicos y en general, para los inoxidables. También para los metales no ferrosos como el aluminio, el cobre, los bronces y latones se utiliza esta polaridad, especialmente en el aluminio ejerce el efecto decapante sobre la capa de alúmina. Con la corriente alterna se tiene una combinación de ambas polaridades, sin embargo, debido a la tensión baja en cada cambio de ciclo, es notoria cierta inestabilidad del arco para los electrodos básicos. Los electrodos de rutilo se adaptan fácilmente por su elevada conductividad eléctrica, sin embargo, se observa que hay mayor cantidad de proyecciones, con lo que el rendimiento de fusión disminuye. La penetración es intermedia entre la obtenida con polaridad directa e inversa. Hay ausencia de soplo de arco. La inestabilidad del arco con la corriente alterna hace imposible el soldeo con electrodos de aluminio. La figura 23 ilustra la diferencia de los perfiles del cordón obtenidos con corriente alterna y continua en ambas polaridades.

FIGURA 23 PERFIL DE LOS CORDONES CON CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA

5.2. 5.2.-- Soldeo Soldeo con los p rocesos s emiautomáticos Para los procesos semiautomáticos 131 y 135, solo es posible obtener un arco estable con corriente continua. Para todas las soldaduras de unión se emplea la polaridad inversa, debido a que con polaridad directa el arco es errático y tiene mayor cantidad de proyecciones. En algunos tipos de alambres tubulares -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -27-


para los procesos 114 y 136, especialmente fabricados para recargue, es conveniente el soldeo con polaridad directa, para incrementar el rendimiento de fusión disminuyendo al mismo tiempo la dilución del metal depositado sobre el metal base. En estos casos, la escoria producida con el fundente favorece la estabilidad del arco. Es importante observar las recomendaciones de aplicación del fabricante de estos alambres para emplear el gas y los parámetros adecuados. Normalmente, no se utiliza la corriente alterna para los procesos semiautomáticos 131 y 135, puesto que es imposible reiniciar el arco en cada semionda, pero últimamente se han desarrollado inversores que suministran corriente alterna de onda cuadrada para el soldeo de aluminio. Esta nueva variante de los procesos semiautomáticos ha sido patentada en el Japón. En el proceso de arco sumergido se puede utilizar corriente continua o alterna, siendo lo más común el soldeo con polaridad inversa para los procesos de unión con un solo alambre, sin embargo, para los procesos TANDEM con dos o más alambres, se hace necesario utilizar corriente continua con polaridad inversa en el primer alambre para obtener una mayor penetración y la corriente alterna en los alambres posteriores para eliminar el efecto del soplo de arco. La principal ventaja de estos procesos es la velocidad de soldeo y el rendimiento de fusión.

6.- DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS EN EL ARCO Y SUS EFECTOS Las temperaturas medidas en el arco de soldadura, están comprendidos entre los 3,500 y 30,000 K, dependiendo de la naturaleza del plasma y de la corriente conducida por él. Como resultado de una alta concentración de materiales fácilmente ionizables como el sodio, potasio o el rutilo que están incorporados en el recubrimiento de los electrodos utilizados en soldadura manual, la temperatura máxima en los procesos de soldadura manual es del orden de 6,000 K. En los arcos con gas inerte puro, la temperatura axial puede aproximarse a los 30,000 K. En algunos arcos especiales de gran potencia se pueden alcanzar temperaturas axiales mayores de 30,000 K.

FIGURA 24 MAPA DE ISOTERMAS EN UN ARCO TIG

En la mayoría de los casos, la temperatura del arco es determinada midiendo la radiación espectral emitida. En la figura 24, se muestra un mapa de isotermas para un arco de 200 A en argón entre un electrodo de wolframio y un ánodo de cobre refrigerado por agua. La temperatura alcanzable en un arco también está limitada por las pérdidas de calor. Las pérdidas de energía (debidas a calores de conducción, convección radiación y difusión) características de un arco -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -28-


plasma de composición específica y flujo de masa, está en equilibrio con la potencia eléctrica suministrada. Las pérdidas de energía desde el arco varían según caminos complejos de acuerdo con la magnitud de las temperaturas alcanzadas alcanzadas y la influencia de la conducción térmica, convección y radiación. En la figura 25, se muestran las conductividades térmicas de varios gases para una atmósfera de presión. Los datos que se dan para el hidrógeno y nitrógeno muestran picos que son debidos al efecto de disociación térmica y asociación de las formas molecular y atómica respectivamente.

FIGURA 25 CONDUCTIVIDADES DE ALGUNOS GASES A LA PRESIÓN DE

1 ATM

La mayoría de las medidas de temperatura del plasma han sido realizadas por espectroscopía. La figura 26 muestra las isotermas para distintos parámetros de operación y diferentes modos del arco, cuando se utiliza argón como gas de protección. En la figura 27 se puede ver el efecto de la longitud del arco sobre la distribución de isotermas.


Tema 1.4 -29-


FIGURA 26 ISOTERMAS PARA DISTINTOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN Y DIFERENTES MODOS DE ARCOS .

FIGURA 27 FECTO DE LA LONGITUD DEL ARCO SOBRE LA DISTRIBUCIÓN DE ISOTERMAS E


Tema 1.4 -30-


7.- EFECTOS DEL CAMPO MAGNÉTICO EN EL ARCO (CAUSAS Y SOLUCIONES) 7.1.- Efecto del soplo de arco Como todo conductor, la columna de plasma tiene un campo magnético transversal que gira alrededor del eje del arco. Bajo ciertas condiciones, este campo magnético puede producir una desviación lateral del arco, conocida como soplo de arco. El desplazamiento lateral se puede originar por: a) Excentricidad de los electrodos revestidos. b) Viento o, en en general, general, movimiento relativo del arco respecto a la atmósfera atmósfera que le rodea. c) Campos magnéticos transversales. Los medios físicos para mantener la estabilidad del arco y la transferencia del metal, son importantes en la soldadura por arco. En el proceso de soldeo con electrodos revestidos, la copa formada por el recubrimiento del electrodo ayuda a dirigir el gas y el flujo de metal hacia la pieza. En arco sumergido, las gotas de metal líquido están cubiertas por una campana de fundente que confina metal y gas, se afirma que el arco arde en caverna. En el soldeo MAG, la fuerza electromagnética axial (apartado 7,2) dirige al consumible fundido hacia el metal base; sin embargo, la reacción química del CO 2 presente en el gas de protección provoca una dispersión errática en transferencia globular, la cual es contrarrestada trabajando en modo de cortocircuito. El soplo del arco es frecuente debido a campos magnéticos transversales. El origen suele estar en la existencia de recorridos asimétricos de la corriente dentro de la pieza, en las proximidades del arco. La figura 28 muestra un efecto muy común debido a la situación de la conexión de retorno a tierra. La figura f igura 29 muestra una disposición de las conexiones a tierra para evitar el problema. También se presenta en los extremos de las chapas ya sea en uniones en ángulo como uniones a tope, frecuentemente se corrige este problema con una inclinación del electrodo en los extremos de las uniones. Es importante recalcar que el soplo de arco se presenta solamente con corriente continua, entonces al usar corriente alterna el soplo de arco desaparece.

FIGURA 28 EFECTO DE LA CONEXIÓN DE RETORNO A TIERRA


Tema 1.4 -31-


FIGURA 29 DISPOSICIÓN DE LAS CONEXIONES A TIERRA PARA EVITAR EL PROBLEMA ANTERIOR .

7.2.- El efecto Pinch (pellizco) Las fuerzas electromagnéticas transversales producen un efecto especial en el extremo de los electrodos consumibles, siendo más notorio en los procesos semiautomáticos con alambre delgado. Este consiste en la estrangulación de la gota que se forma en el extremo del electrodo, cuya acción centrípeta produce una resultante en dirección axial. La consecuencia de esta fuerza axial es la aceleración de la gota, que prácticamente es lanzada hacia el metal base. Estas fuerzas electromagnéticas, llamadas también fuerzas de Lorenz o efecto Pinch (efecto de pellizco), son de igual magnitud en toda la longitud del conductor, pero aumentan en proporción cuadrática con la densidad de corriente. En la zona del estrangulamiento estrangulamiento la sección del conductor es menor, con lo que la densidad de corriente será incrementada hasta producir el corte de la gota. Con alta intensidad de corriente se produce un constante desprendimiento de gotas en la punta del electrodo, la transferencia spray es un ejemplo de este efecto, porque forma gotas muy finas en los procesos semiautomáticos e inclusive en los electrodos de rutilo y de gran rendimiento. La figura 30 muestra el efecto de las fuerzas electromagnéticas sobre el extremo del electrodo.

Alambre electrodo

FIGURA 30 ESQUEMA DE LAS FUERZAS ELECTROMAGNÉTICAS , EFECTO PINCH


Tema 1.4 -32-


8.- LÍMITES DE APLICACIÓN APLICA CIÓN El arco eléctrico es el principio físico de mayor aplicación en los proceso de soldeo, los límites de aplicación están dados por el tipo de corriente, ya sea alterna o continua, la polaridad directa o inversa, las curvas características de las fuentes de energía pendiente descendente, descendente, pendiente vertical o plana, tipos de electrodo, tipos de consumible, tipos de gases de protección, ajuste de parámetros, condiciones de la superficie del metal base etc. Todos los procesos de soldeo por arco eléctrico emplean adecuadamente las ventajas del arco eléctrico para los objetivos propuestos de aplicación practica. Es importante distinguir las condiciones y las necesidades reales para la selección de los procesos. Por ejemplo, en función al metal base podemos soldar los aceros al carbono con todos los procesos, pero deberemos decidir sobre los rangos de espesor, rendimiento de fusión, posición de soldeo, rentabilidad etc. Pero en determinados materiales como el aluminio, tendremos las mayores ventajas con los procesos MIG y TIG. Los metales reactivos como el titanio solo se pueden soldar con el proceso TIG en condiciones muy especiales. El proceso semiautomático MAG ha desplazado al proceso de electrodo revestido por la mayor rentabilidad y velocidad de soldeo para fabricación en serie o por pedido en taller, pero para el soldeo en obra, el soldeo en posición bajo techo, o el soldeo de oleoductos y gasoductos el proceso de electrodo sigue siendo el que tiene mayor ventaja. El proceso de arco sumergido es el de más alto rendimiento, pero está limitado al soldeo en posición plana PA y PB, condicionalmente condicionalmente se ha logrado soldar en cornisa PC. El proceso TIG es ideal para el soldeo de pasadas de raíz, así como uniones de chapa delgada, siendo el preferido para el soldeo de acero inoxidable. En verdad no hay proceso malo, solo hay proceso mal aplicado o mal seleccionado. seleccionado.

8.1.8.1.- Fuerzas Fuerzas en la trans ferencia ferenci a del metal Las fuerzas más importantes que actúan en la transferencia del metal son: 8.1.1.- Fuerzas mecánicas en el metal

Son las fuerzas mecánicas que sostienen la gota antes de su desprendimiento del extremo del electrodo consumible. 8.1.2.- Tensión superficial debida a la viscosidad

Dependen de las condiciones físicas del arco, el aumento de la temperatura disminuye la viscosidad y la tensión superficial, también la presencia de oxígeno propicia la disminución de la viscosidad. Ambos casos propician la formación de gotas más finas, un ejemplo típico es el aumento de la fluidez del metal con revestimientos ácidos como los electrodos de rutilo en comparación con los electrodos básicos, o el empleo de gases activos en el proceso de soldeo semiautomático. Fuerzas gr avitator ias 8.1.3.- Fuerzas

Para el soldeo en posición plana y en posición vertical, la fuerza gravitatoria ejerce una acción importante, porque la gota cae hacia el baño de fusión. Si la gota es demasiado grande se interrumpirá el arco cuando al caer hace cortocircuito entre el electrodo y el metal base. Las fuerza gravitatoria ejerce un rol importante


Tema 1.4 -33-


en algunos procesos, pero no es la de mayor magnitud en la transferencia del metal, porque sino no sería posible el soldeo en posición bajo techo. 8.1.4. 8.1.4.-- Fuerzas Fuerzas de succ ión p or el fl ujo d el plasma

A pesar de que el foco del ánodo es más grande que el foco del cátodo, la forma del arco para el soldeo es independiente de la polaridad tendiendo a ser más pequeño en el extremo del electrodo que en el metal base. Dependiendo también del tamaño del baño de fusión, y del punto de emisión de los electrones. A través del cono del arco se produce una densidad de corriente variable, la consecuencia es una fuerza electromagnética gradual que será más intensa en la sección menor de la columna de plasma, produciendo a su vez una componente axial, que se manifiesta como un fuerte flujo de gases a alta temperatura. Estos gases pueden ser acelerados llegando a velocidades cercanas a la del sonido. Este fuerte flujo del plasma ejerce una succión en el arco que facilita el desprendimiento de las gotas y permite impulsar las gotas en sentido contrario a las fuerzas gravitatorias. 8.1.5. 8.1.5.-- Fuerzas elect romagnéti cas

Son las que se han descrito en el apartado 7,2 como el efecto pinch, o efecto de pellizco. 8.1.6.- Gases en expansión

En el proceso de soldeo por electrodos revestidos, se forman gases con la reacción del fundente y el alambre, los que al expandirse violentamente con la temperatura, impulsan las gotas o las llegan a pulverizar si la viscosidad del metal es baja. Esto facilita la transferencia de las gotas hacia el metal base. En los metales ferrosos, el gas que ejerce esta acción es el monóxido de carbono (CO), el carbono proviene del acero y el oxígeno de la atmósfera del arco. La figura 31 representa las fuerzas en la transferencia de la gota, las fuerzas electrostáticas son las que actúan con mayor incidencia sobre la transferencia del metal.

Alambre electrodo Fuerzas gravitatorias Fuerzas electromagnéticas (efecto Pinch)

Viscosidad Gota en proceso de estrangulación Fuerzas de resistencia mecánica Fuerzas de retorno del material evaporado

Tensión superficial

Fuerzas electromagnéticas electromagnéticas

Fuerzas de succión por el flujo del plasma Metal base FIGURA 31 FUERZAS EN LA TRANSFERENCIA DEL METAL


Tema 1.4 -34-


8.2. 8.2.-- Ajuste de los parámetros parámetros en los pro cesos de sold eo por arco En los procesos de soldeo con electrodo revestido y soldeo TIG, es fácil ajustar en una u otra curva característica de pendiente descendente la intensidad de corriente necesaria para mantener la estabilidad del arco, la tensión es ajustada solamente con la longitud del arco. En los procesos semiautomáticos, en el proceso de arco sumergido y en electroescoria, el ajuste correcto se hace mediante dos parámetros que son la intensidad y la tensión. 8.2.1. 8.2.1.-- Posibil idades del ajus te de parámetros

En los procesos de soldeo semiautomático, arco sumergido y electroescoria, además del ajuste de la intensidad y la tensión del arco, es necesario seleccionar la curva característica de la fuente de energía y controlar la velocidad de alimentación del alambre. Cada fuente de energía tiene diferentes curvas características que se pueden seleccionar mediante los diferentes modos de control. Los parámetros se pueden ajustar en diferentes rangos de ajuste fino o grueso. Esto está descrito en el tema 1.5 sobre los grupos y fuentes de energía. Las fuentes de energía pueden tener curvas características de pendiente descendente, descendente, plana o vertical. La figura 32 representa las curvas características de pendiente descendente de una fuente de energía de corriente constante. Se observa que cuando la tensión en vacío es mayor, la variación de la intensidad del arco será menor para la misma variación de la tensión del arco. La figura 33 representa la curva característica de una fuente de energía de tensión constante. En estas fuentes se observa una amplia variación de la intensidad de corriente para una mínima variación de la tensión. La velocidad de alimentación del alambre en las fuentes de energía de arco sumergido tiene dos posibles modos de ajuste, los potenciómetros que controlan la velocidad de alambre pueden estar sincronizados con el ajuste de la intensidad de corriente, como lo es en el caso de las fuentes de energía para los procesos semiautomáticos, semiautomáticos, o también con el ajuste de la tensión que es el caso más común de las fuentes de energía de arco sumergido. Los elementos de control c ontrol puede estar en la misma fuente de energía y en el alimentador de alambre, o en controles a distancia que se conectan a las fuentes mediante cables para ajustar parámetros en el lugar del soldeo.


Tema 1.4 -35-


FIGURA 32 CURVA CARACTERÍSTICA DE PENDIENTE DESCENDENTE . L A VARIACIÓN DE INTENSIDAD ES MÍNIMA PARA UNA AMPLIA VARIACIÓN DE TENSIÓN DE ARCO


Tema 1.4 -36-


FIGURA 33 CURVA CARACTERÍSTICA DE PENDIENTE DESCENDENTE . L A VARIACIÓN DE INTENSIDAD DE CORRIENTE ES AMPLIA PARA UNA MÍNIMA VARIACIÓN DE TENSIÓN

8.2.2.- Ajuste de los parámetros del arco eléctrico en fuentes de tensión constante

Estas fuentes de energía tienen el ajuste de la corriente sincronizado al ajuste de la velocidad de alambre, de modo que cuando se aumenta la intensidad también se aumenta aumenta simultáneamente la velocidad velocidad de alimentación de alambre. La tensión ajusta solamente otra curva característica mayor o menor. Para encontrar el punto de operación del arco eléctrico es necesario combinar ambos parámetros. La figura 34 muestra esta variación para una línea de vertical de corriente. Para una determinada tensión donde el arco medio ha sido ajustado con una intensidad de corriente, el aumento de la tensión t ensión incrementa la longitud del arco, y la disminución de la tensión disminuye también la longitud de arco.

FIGURA 34 RELACIÓN DE LA TENSIÓN SOBRE LA LONGITUD DE ARCO


Tema 1.4 -37-


Si la tensión es demasiado alta, sobre el valor del arco largo, existe el peligro de que la gota de metal en el extremo del alambre, se funda rápidamente hasta fundir la punta de contacto, siendo necesario aumentar la velocidad de alambre para encontrar nuevamente otro punto óptimo de operación, con mayor intensidad de corriente. Si por el contrario, la tensión es demasiado baja por debajo del valor del arco corto, el alambre empezará a cortocircuitar con el metal base, siendo necesario disminuir la velocidad de alambre para encontrar otro punto de operación con menor intensidad de corriente. arámetros del arco eléctrico en fuentes de tensión 8.2.3.- Ajuste de los p arámetros tensión constante

La figura 35 ilustra un ejemplo de la variación de la velocidad de alambre mediante la variación de la tensión, este modo de ajuste de los parámetros del arco se aplica a las fuentes de energía para el proceso de soldeo por arco sumergido. De forma similar al caso anteriormente descrito, la longitud del arco eléctrico está en función directa a la tensión. Por consiguiente si aumenta la tensión, la longitud del arco será mayor y viceversa. Esto se ajusta con mayor o menor velocidad de alimentación de alambre, si aumenta la velocidad velocidad de alimentación, la longitud del arco será menor, mientras que al disminuir la velocidad de alimentación la longitud del arco será mayor. El ajuste de la corriente de soldeo tendrá como efecto el cambio de la curva característica de mayor o menor intensidad de corriente. A mayor intensidad de corriente el cordón tendrá mayor penetración, y a mayor tensión de arco, el ancho del cordón será mayor. En la figura 35 se ilustra la intersección de la línea de arco corto con la curva característica I 1, el aumento de la intensidad de corriente a la curva característica I2 hace que la tensión del arco también aumente en proporción a la recta de la resistencia de arco al valor U2, si este valor es ligeramente alto para los resultados esperados, se puede reducir la tensión nuevamente con el aumento de la velocidad de alimentación de alambre, hasta lograr la intersección de la línea de puntos con la intensidad de corriente I 2 y la tensión U1 .

n ó i s n e T

Curvas características

Arco Ar co largo lar go U3 Arco Ar co just ju st o U2 U1

I1 I2 I3

Intensidad I

FIGURA 35 AJUSTE DE LOS PARÁMETROS PARA UNA CURVA CARACTERÍSTICA DE CORRIENTE CONSTANTE .


Tema 1.4 -38-


8.2.4.- Comparación de los dos modos de ajuste de operación

La tabla 2 muestra la comparación de los dos modos de operación, para las fuentes de tensión constante, la velocidad de alambre está sincronizada con la intensidad de corriente, siendo el cambio de curva característica el modo de ajuste de la longitud del arco. En tanto que para las fuentes de corriente constante o de pendiente vertical, la velocidad de alambre y la altura del arco están sincronizadas con la tensión del arco, pero la corriente se ajusta cambiando la curva característica de la fuente de energía.

Curva característi ca

Ajus te de la veloci dad de alambre

Variación de la curva curv a característi ca

Tensión constante

Intensidad de corriente (A)

Tensión del arco (V)

Corriente constante

Tensión del arco (V)

Intensidad de corriente (A) T ABLA 2

C AMBIO DE PARÁ METROS PARA FUENTES DE DIFERENTES CARACTERÍSTICAS

Estas formas de ajuste de la corriente son aspectos que los soldadores y operadores de soldeo deben conocer, para ajustar los parámetros correctos en los diferentes procesos de soldeo, y espesores de chapa. Tanto en los procesos parcialmente mecanizados como en los totalmente mecanizados, como son el proceso semiautomático y el proceso de arco sumergido, es necesario que los parámetros de soldeo de intensidad, tensión y velocidad de alambre se mantengan en lo posible constantes durante cada fase o cada pasada del soldeo. Esta necesidad plantea la importancia de mantener una altura de arco constante, lo que se puede lograr de dos formas. Una es mediante el control de la variación de la tensión de arco ∆u, denominada regulación externa, y la otra forma es mediante el control de la variación de la intensidad de corriente ∆i, denominada regulación interna. Ambos principios permiten ajustar la altura de arco durante el proceso de soldeo, puesto que con el avance de la pistola sobre la chapa, nunca habrá una distancia constante entre la punta de contacto y el material a soldar, entonces la longitud de alambre libre, llamada también “Stick out” tendrá que variar durante el avance sobre una unión, llegando inclusive a pasar sobre resaltes o diferencias de nivel de algunos milímetros. Ambos principios de ajuste o de regulación deben ser capaces de compensar esta diferencia mediante mayor o menor velocidad de alambre. El modo de regulación externa es más antiguo ∆u, se usó para los procesos de arco sumergido y los primeros alambres tubulares de diámetros mayores a 3 mm. La fuente de energía es de tensión constante, y el alimentador de alambre está controlado con un circuito en serie entre la punta de contacto y el metal base. Cuando el arco aumenta su longitud, aumenta también la tensión del arco, entonces el motor de alimentación que está conectado al circuito del arco, recibirá mayor tensión, con lo que aumentará la velocidad de alimentación hasta establecer nuevamente el arco normal. El modo de regulación interna ∆i se utiliza especialmente para los procesos semiautomáticos, siendo las fuentes de energía de tensión constante, donde el alimentador de alambre es independie independiente nte del circuito del arco, el ajuste de la altura de arco está controlado por la curva característica de la fuente de energía. En un determinado punto de operación, la velocidad de alambre es constante, pero la pequeña variación de la tensión con la variación de altura de arco, produce una amplia variación de la intensidad de corriente, lo que a su ves tiene efectos en la variación del rendimiento de fusión. Podemos afirmar que la altura de arco será proporcional al rendimiento de fusión en un determinado punto de operación. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -39-


Ambos modos de regulación deben compensar o corregir los parámetros de soldeo para obtener la forma geométrica del cordón de soldadura deseado, además deben ajustar la velocidad de alimentación de alambre en proporción a la velocidad de fusión del consumible, esto es más crítico en los alambres delgados, ya que éstos tienen mayor velocidad de alimentación que los alambres gruesos. Por eso se utiliza la regulación interna ∆i para los alambres delgados de hasta 1,6 mm, mientras que la regulación externa ∆u está más aplicada a los alambres de diámetros mayores. Las fuentes de arco sumergido son en general de corriente constante, sin embargo para los alambre de menor diámetro se dan aplicaciones de arco sumergido con fuentes de tensión constante y regulación r egulación interna.

8.3. 8.3.-- Arcos de alta densidad de corriente uti lizados en soldeo y corte El arco eléctrico de los procesos convencionales es de baja densidad de potencia. Según Böhme – Hermann, con electrodos revestidos se alcanzan hasta 10 4 W / cm2, con el proceso MAG se alcanza 10 5 W / cm2 pero con los procesos de soldeo y de corte plasma, se alcanza la potencia de 10 6 W / cm2 . 0tros procesos de mayor densidad de energía son haz de electrones con una densidad de potencia de hasta más de 108 W / cm2 y láser con una densidad de potencia poco menos de 10 9 W / cm2. Estos procesos tienen características diferenciales además de la ya comentada de densidad de potencia. En primer lugar, y debido a las altas temperaturas del baño de fusión, se produce una combinación de presiones que producen una depresión en la superficie libre del baño de fusión semejante a un cráter que en muchos casos atraviesa el propio baño de fusión, dando origen a un agujero de vapor que en el argot del soldeo se denomina ojo de cerradura. En segundo lugar, con el avance del agujero de vapor, el metal se funde en la parte frontal del agujero y se desplaza, a través de las paredes laterales hasta la parte posterior donde solidifica. Otra característica es que la penetración es muy grande comparada con la anchura, es decir, cumplen en cierta forma con el ideal de la soldadura a la que se tiende, reducir el tamaño de las heterogeneidades (baño de fusión y zona afectada térmicamente). Lo anterior es particularmente cierto para la soldadura por haz de electrones con la que se producen baños de 2-3 mm de ancho y penetraciones de hasta 30 mm en aceros. Soldaduras de estas características producen menores deformaciones que las que se dan con procesos de menor densidad de potencia. Por ejemplo, es un hecho comprobado que la deformación producida soldando por ambas caras una chapa con haz de electrones es menor que la que se produce con arco sumergido en una chapa del mismo espesor. Otra gran ventaja de dos de estos procesos es que la soldadura se realiza libre de contaminaciones por lo que es posible la soldadura de materiales no convencionales en condiciones de gran limpieza. La figura 36 muestra los intervalos de densidad de potencia que se dan en las soldaduras por arco convencionales y con los procesos de alta densidad de potencia. Según se aprecia, pueden distinguirse cuatro regiones: 1. Densidades Densidades de po tencia altas. Para densidades de potencia del orden de 10 13 W/m2 o superiores, es probable que el movimiento del vapor a través del material es más rápido que la inducción radial de calor. Esta es la situación en la que un láser pulsado de alta potencia es enfocado a tamaños de focos muy pequeños.


Tema 1.4 -40-


2. Densidades de potencia intermedias. Cuando la densidad de potencia está entre 10 10 y 1013 W/m2, la importancia relativa de conducción y vaporización depende de la potencia y tamaño del foco. Esta situación se da en el caso de las soldaduras láser y haz de electrones de alta penetración. Con estos procesos la vaporización provoca un agujero de vapor (figura. 37) en el metal mientras que la conducción garantiza que se de suficiente fusión de las paredes del agujero. 3 y 4. Densidad Densidad de po tencia baja. Para densidades de potencia menores de 10 10 W/m2, domina la conducción radial; en este intervalo la vaporización es pequeña pero importante el calentamiento de la pieza de trabajo. Los procesos de soldadura convencionales convencionales tienen densidades de potencia 3.10 6 y 10 4 W/m2. Por debajo de 3.10 6, región (4), la soldadura no es posible, ya que la conductividad del metal no permite la fusión.

FIGURA 36 DENSIDAD DE POTENCIA PARA VARIOS PROCESOS DE SOLDADURA

La vaporización, por tanto, no se da a menos que la densidad de potencia sobre la superficie que se suelda esté por encima de un cierto nivel que depende de varios factores: a) El proceso de soldadura soldadura (haz de electrones, electrones, láser o plasma). b) La potencia. c) El tamaño del foco. d) La fuente fuente de alimentación es continua continua o pulsada. La potencia mínima que se requiere para una fuente continua es menor que para una fuente pulsada. Los tamaños y formas de los agujeros de vapor producidos por cada uno de los tres procesos de alta densidad de potencia, son diferentes según la anchura y profundidad producida. producida. En el caso de la soldadura por haz de electrones, la anchura y penetración pueden ser modificadas ya que es el único proceso, de entre los tres, que admite focalización, llegándose incluso a focos de diámetros menores de 1mm. El -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.4 -41-


agujero de vapor tiene, para la soldadura por haz de electrones, frecuentemente diámetros de 0,5 mm y penetraciones de hasta 200 mm. Con la soldadura láser el agujero de vapor es algo más ancho que el anterior, con dimensiones frecuentes de 1mm de diámetro y profundidades de hasta 20 mm (cuando se utilizan potencias de 20 kW). En la soldadura con arco plasma, el agujero de vapor es producido generalmente por la presión del gas, en lugar de producirse vaporización, esto da lugar a agujeros mucho más anchos que en los casos anteriores y con dimensiones, para el caso de la soldadura de aceros inoxidables de 6 mm de espesor, de 1,5 mm de diámetro en el fondo y de 5 mm de diámetro en la superficie.

FIGURA 37 GEOMETRÍA DE UN AGUJERO DE VAPOR

FUERZAS QUE ACTUAN DENTRO DE LOS AGUJEROS DE VAPOR Cuando se inicia un agujero de vapor debe considerarse la posibilidad de que se estabilice un agujero cerrado (sin penetración a todo el espesor de la chapa). Cuando se da la penetración a todo el espesor entonces las fuerzas en el fondo son diferentes y se obtienen nuevos criterios de estabilidad. En la práctica el movimiento relativo entre el haz y la pieza de trabajo está próximo a cero hasta que se obtiene totalmente el agujero. Fuerzas que tienden a formar y mantener el agujero de vapor. a. Presió Presión n del haz (Pb). Para el láser, esta presión es simplemente la presión de la radiación, W/Ac, donde W/A es la densidad de potencia y c la velocidad de la luz, mientras que para el haz de electrones y el arco plasma es debida al momento de los electrones o al caudal gaseoso respectivamente. La presión ejercida por los electrones es


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(2J2meV/e)1/2, donde J es la densidad de corriente y V el voltaje del haz, mientras que la presión del haz de plasma = 1/2 ρg v2, donde ρg es la densidad del gas y v la velocidad del mismo. b. Presión de vapor (P v). En el fondo y bordes del agujero de vapor (con temperaturas de 3.000 K), hay una considerable vaporización. La presión de vapor tiende a empujar las paredes del agujero. Como el fondo del agujero, que está cerrado, es normalmente el área más caliente, es, así mismo, la región de mayor presión de vapor. Hay, por tanto, un gradiente de presión de vapor hacia arriba del agujero, con la presión de vapor tendiendo a cero a corta distancia de la superficie exterior del agujero. c. Presión de retroceso (P r ). Debido a las velocidades finitas de ascenso de las partículas vaporizadas hacia la superficie, la presión de retroceso es ejercida sobre la pieza de trabajo. Esta actúa en la misma dirección que la presión del haz y tiende a hacer más profundo un agujero cerrado y mantenerlo abierto. Fuerzas que tienden a cerrar los agujeros de vapor 1. Presión gravitacional ( gh). La presión gravitacional en cualquier punto del líquido que rodea al agujero es directamente proporcional proporcional a la densidad y altura del metal que hay por encima. Por tanto, la presión gravitacional se incrementa linealmente con la profundidad, suponiendo constante la densidad. 2. Presión debida a la tensión superficial. El efecto de la tensión superficial es difícil de visualizar pero la aproximación más frecuente es considerarla como una fuerza que tiende a minimizar el área superficial de un líquido. En soldaduras penetrantes es importante considerar dos caminos diferentes que dependen de la geometría de la soldadura. Para soldaduras que no penetran totalmente y con agujeros de vapor que se estrechan con la profundidad, la tensión superficial tiende a actuar hacia arriba en contra de la presión del haz y de la presión de retroceso. En el caso de una soldadura con penetración completa en una chapa delgada, como se muestra en la fig. 38, la tensión superficial tiende a tirar del metal líquido hacia el metal base, venciendo la fuerza que tiende a cerrar el agujero y producir un corte.

FIGURA 38 PENETRACIÓN TOTAL DE UNA CHAPA DELGADA -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Balance de presiones en el agujero a. Fondo Fondo del agujero d e vapor (cerrado). Considerando las presiones que actúan sobre la superficie libre del líquido en el fondo del agujero (figura 39), se encuentra que la presión del haz (P b), la presión de retroceso (P r ) y la presión de vapor (P v) están compensadass por la presión debida a la tensión superficial y la presión gravitacional. compensada Para una geometría semiesférica del fondo del agujero, la presión debida a la tensión superficial es 2 γ/r. El balance de presiones, entonces, es de la forma: Pb + Pr + Pv = 2 γ/r + ρ gh de la que se obtiene: h = (Pb + Pr + Pv - (2 γ/r))/ρ g Está claro que altas densidades de potencia asociadas con altas temperaturas del baño y presiones de vapor conducen a grandes penetraciones penetraciones en soldadura.

FIGURA 39 FORMA DE UN AGUJERO DE VAPOR CON LAS PRESIONES QUE ACTÚAN EN SU INTERIOR

b. Paredes Paredes del agujero de vapor. En este caso, los términos a considerar son las presiones de vapor, gravitacional y la debida a la tensión superficial y puesto que la presión del haz sobre las paredes es cero (P b = 0), consecuentemente no hay evaporación. La presión en el fondo del agujero depende solamente de la temperatura local y no varía mientras se hace más profundo, no produciéndose absorción del haz por el vapor metálico. Sin embargo, la presión a cualquier distancia dada por debajo de la superficie del agujero decrecerá a medida que aumenta el agujero. Cuando la presión de vapor no puede compensar a una determinada profundidad x la presión debida a la tensión superficial y gravitacional, en este caso se colapsa el agujero. El haz incidente choca entonces con la nueva superficie de la pieza de trabajo formada y nuevamente se regenera el agujero. La presión debida a la tensión t ensión superficial en coordenadas cilíndricas es γ/r de modo que es necesario: -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Pv > (γ/r) + ρ gx para evitar el cierre. Podemos obtener una condición de estabilidad si consideramos que la presión de vapor tiene una variación lineal con la profundidad, es decir: Pv(x) = (x/h).Pv(h) de modo que necesitaremos que x[(P v(h)/h) - ρg] > γ/r. Es evidente que para agujeros de caras paralelas el cierre ocurre a valores de x pequeños, y que: h < rx[Pd(v) - Po] / [γ+ρ rgx] x debe ser del mismo orden que y puede verse que este requerimiento impone más severas limitaciones sobre la penetración de la soldadura que el balance de presiones en el fondo de la soldadura. MOVIMIENTO DEL BAÑO DE FUSIÓN Estos balances no tienen en cuenta que la pieza de trabajo es móvil, lo que daría como resultado un descenso de la temperatura del baño y por tanto de su tamaño, con lo que decrece la presión de vapor que es importante para determinar la penetración. Otro efecto del movimiento de la pieza de trabajo es el cambio en la geometría del agujero que deja de ser cilíndrico e introduce inestabilidades que pueden ser causa del cierre del agujero antes de que se alcance la penetración máxima. ANÁLISIS ANÁ LISIS DE LA L A TRANSFERENCIA TRA NSFERENCIA DE CALOR CA LOR Además de especificar la densidad de potencia que se requiere para producir vaporización es necesario poder calcular el calor aportado para realizar una soldadura. Si se considera el proceso de soldadura como una fuente de calor lineal que se mueve a través del metal los distintos parámetros de soldadura pueden ser relacionados mediante una simple curva. El modelo utilizado se ilustra en la figura 37. El haz utilizado puede ser cualquiera, haz de electrones, láser o arco plasma. La figura 40 muestra una representación de la potencia aportada (x = w/kTd) frente al ancho de la soldadura (Y = vw/), donde = difusividad. Para valores altos de w/kTd la curva es una línea recta de pendiente única, mientras que para valores bajos de w/kTd, vw/ decrece rápidamente. Con potencias aplicadas grandes (alto w/kTd), puede verse que la potencia que se requiere para hacer la soldadura tiende a un límite de valor (e/2) tiempo que requiere el calor para fundir el metal. Esto implica que un 48 % como máximo de la potencia del haz incidente se utiliza para fundir el metal, el resto es disipado por el material por conductividad. conductividad. Definiendo la fracción fundida como la fracción de la potencia del haz que es usada para fundir el metal, puede verse que para valores bajos de w/kTd es muy pequeña y llega a un máximo de 0,48 para valores altos de w/kTd. Puesto que en la parte final más baja de la curva vw/ decrece rápidamente, para tratar de incrementar la penetración (es decir, incrementando d y por consiguiente decreciendo W/kTd) reduciendo el tamaño del foco o el ancho del cordón (es decir, reduciendo w y por consiguiente vw/) tendrán pequeños efectos. Esto puede demostrarse en la práctica, por ejemplo, se ha encontrado un incremento del 20 %, solamente, en la penetración para reducciones del diámetro de un 300 % de un haz láser focalizado de 10 kW.


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FIGURA 40 COMPARACIÓN DE LAS MEDIDAS PARA UNA SOLDADURA CON HAZ DE ELECTRONES CON LAS TEÓRICAS

SOLDADURA POR PLASMA Este proceso de soldadura que proporciona densidades de potencia de hasta 3.10 10 W/m2 ha sido comparado a una forma constreñida del proceso TIG. El arco pasa normalmente a través de un orificio estrecho y por tanto aumenta su temperatura y velocidad. La figura 41 muestra un diagrama esquemático de una antorcha de plasma. Algunos de los problemas con la soldadura por arco plasma tiene que ver con el estrechamiento del orificio, que está sujeto a erosiones y ocasionalmente a arcos series (se forman dos arcos con el flujo de corriente a través del metal de la boquilla). La fig. 42 muestra un diagrama esquemático de un tipo de boquilla de plasma ideada por Demars y colaboradores. El electrodo sale fuera a través de la garganta de suerte que el arco salta por debajo de esta sección. Esto evita la erosión de la boquilla y también permite al arco saltar más fácilmente.


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FIGURA 41 B OQUILLA DE PLASMA Y AGUJERO DE VAPOR

FIGURA 42 B OQUILLA DE DEMARS

CONDICIONE CONDICIONES S DE ESTABILIDAD DEL AGUJERO DE VAPOR EN LA SOLDADURA POR PLASMA Se ha visto anteriormente que la densidad de potencia en un proceso de soldadura plasma es del orden de 109 W/m2, el radio del agujero es del orden de los 2 mm y la temperatura del baño es estimado del orden orden de los 2500 K. Para realizar el balance de fuerzas es necesario, en primer lugar, conocer las fuerzas individuales que actúan:


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a. Presión Presión del haz Pb. El chorro del plasma ejerce una presión P b = ρg (T).v2/2 sobre la pieza de trabajo, donde ρg(T) es la densidad del gas plasmágeno y v la velocidad del gas. La velocidad de flujo de masa m = ρg (T).Av, donde A es el área de la sección transversal, entonces: v = m/(A ρg(T)) ; Pb = m2/2A2 ρg (T) para un chorro de plasma de 10 KW de 2mm de radio, temperaturas máximas de 12.000 K y un flujo de 15 pies cúbicos por hora (0,42 m 3/hr) de argón, tendremos: ρg (12.000 K) = 3,6.10

-2

Kg/m3

Pb = 3,96.10 3 N/m2 b. Presión de retroceso Pr . La presión de retroceso, Pr, dada por Andrews y Atthey es: Pr = W2/A2 ρg Q2 donde: W/A es la densidad de potencia. ρg es

la densidad del vapor.

Q es la energía que se necesita para vaporizar 1 Kg de la pieza de trabajo. La W/A característica = 1,8.108 W/m2 (5 Kw, 3 mm de radio) y Q = 5,7.10 6 J/Kg de modo que asumiendo que la presión de vapor es la atmosférica: Pr = 4.103 N/m2 a altas presiones este valor debe ser reducido mediante un valor apropiado. c. Presión de vapor P v La presión de vapor está determinada, generalmente, por la temperatura del baño de fusión. La precisión con que se determina la temperatura en dicho baño es muy pequeña, pero tiene que tener un valor tal que la presión de vapor sea de un orden similar al de los términos anteriores. Los cálculos son complicados por la naturaleza del chorro de plasma que choca contra la superficie del agujero de vapor y el chorro de plasma que sale por la parte posterior. d. Presión debida a la tensión superficial P En la base del agujero de vapor, antes de que se produzca la perforación. La presión debida a la tensión superficial es 2/r. Los valores frecuentes para la presión debida a la tensión superficial son 1,23.10 3 N/m2 para un agujero de 3 mm de radio, si = 1,84 N/m. Sobre las paredes del agujero la presión debida a la tensión superficial es la mitad de este valor.


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BALANCE DE FUERZAS En base al análisis realizado anteriormente, con la soldadura plasma se pueden conseguir penetraciones de varios milímetros con potencias de aproximadamente 5 kW. La temperatura proporcionada se mantiene lo suficientemente alta para evitar el colapso de las paredes.


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T-1-4

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