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  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Unin de los materiales

    Edwar Andrs Torres Lpez

    Fundamentos de los procesos

    de soldadura por arco

    elctrico

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    C.L. Jenney and A. OBrien. Welding Handbook, 9 Ed., V. 1, 2001.

    K. Ibrahim. Welding science and technology, New age inter., 2007.

    P.J. Modenesi et al. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia, UFMG, 2005.

    Referencias

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Arco elctrico o arco voltaico

    Descarga generada entre dos elementos sometidosa una diferencia de potencial, en medio de una

    atmosfera.

    La descarga es generada por electrones que viajandel polo negativo al positivo.

    En soldadura la corriente oscila entre 10 y 100 A;1000 A son empleados en soldadura por arco

    sumergido; 1 A puede llegar a ser utilizado en

    PAW.

    Corrientes inferiores a 1A no tiene aplicacin ensoldadura, pues generan descarga luminiscente y

    poco calor.

    Soldadura por fusin con arco elctrico.

    1. Fundamentos de los procesos

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Caractersticas del arco elctrico

    Energa concentrada.

    Fusin localizada de los metales base y aporte.

    Fcil control de los parmetros.

    Bajo costo de los equipos.

    Cantidad de calor debe ser suficiente para fundir la regin de inters antes deser disipado por conveccin.

    nodo o terminal positivo del arco.

    Ctodo o terminal negativo del arco.

    Temperatura alcanzada.

    - T = 6.000 C: Electrodos revestidos (SMAW).

    - T = 30.000 C: Gases inertes puros (PAW).

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Fsica del arco elctrico

    En electricidad se denomina arco elctrico o tambin arco voltaico a la descargaelctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de

    potencial y colocados en el seno de una atmsfera gaseosa enrarecida,

    normalmente a baja presin (Wikipedia).

    Para generar el arco se necesitan dos elementos conductores y un medio detransmisin (el gas).

    Los gases son aislantes (aire); es necesario hacerlos conductores.

    El gas debe ser cargado elctricamente para generar el arco.

    nodo (+) Ctodo (-)

    Gas

    Generacin de luz y calor intenso

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Para el gas tornarse conductor algunas molculas deben ser separadas eniones y electrones (ionizacin).

    Energa

    Electrones

    Un gas con partculas neutras y una porcin de partculas cargadas es conocidocomo plasma.

    En el plasma el movimiento de las partculas cargadas inducen corriente ycampo magntico (Video 1 y video 2).

    El grado de ionizacin del plasma depende de densidad de partculas cargadas.

    Clasificacin ms simple del plasma: Caliente o fro (Video 3).

    - Plasma caliente (trmico): Alto grado de ionizacin; por ejemplo el ncleo en las

    estrellas. La temperatura de las partculas cargadas es igual. Millones de grados K.

    - Plasma fro (no trmico): Parcialmente ionizado, rayo y aurora boreal. La

    temperatura de los iones es ambiente, mientras la de electrones es miles de grados.

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    http://en.wikipedia.org/wiki/Glow_discharge

    Otra caracterstica importante del plasma

    es el tipo de descarga.

    Se define mediante la curva V-I, para un

    gas a baja presin.

    Conocida como descarga elctrica o

    luminiscente (Glow discharge).

    Descarga oscura: Voltaje muy alto con muy baja corriente.

    Descarga luminiscente: Voltaje alto con corriente baja.

    Arco voltaico: Voltaje bajo con corriente alta.

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Descarga oscura: Invisible al ojo, 10-10 - 10-5 A.

    Descarga luminiscente: visible y fra (temperaturaambiente), 10-5 - 1 A.

    Arco voltaico: Visible; puede ser trmico o no.

    No trmico: Temperatura de electrones muy superior alos iones (0,1 < < 10 A).

    Trmico: Temperatura de electrones y iones es igual.Procesos con transferencia de calor como soldadura y

    corte por plasma, deposito por aspersin ( > 10 A).

    La soldadura por arco es considerada como unplasma fro con descarga trmica.

    Nen

    Plasma fro, descarga luminiscente.

    Corriente baja.

    Voltaje alto.

    Baja temperatura.

    Arco elctrico

    Plasma fro, descarga trmica

    Corriente alta.

    Voltaje bajo.

    Alta temperatura.

    A.J. Shirvan, "Modelling of electric

    arc welding: Arc-electrode coupling."

    (2013)

    ?

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    ?La descarga es definida por la curva VI utilizando un gas a baja presin.

    En soldadura por arco elctrico la presin es atmosfrica, la cual es al menos diez

    (10) veces mayor que la considerada para una descarga elctrica.

    Como veremos continuacin, en soldadura por arco el plasma es de baja

    ionizacin, por lo tanto se tratara de un plasma fro.

    En soldadura, la velocidad de los electrones es alta, mientras que la de los

    iones es baja; por lo tanto entra en la categora de plasma no trmico.

    Es posible que en soldadura el arco

    elctrico corresponda a un plasma fro

    (baja ionizacin) donde, la diferencia

    de velocidad entre las partculas

    cargadas sea pequea, por lo que

    pueda ser considerado de tipo trmico

    F.J. Gordillo; Plasmas fros,Investigacin & ciencia (2008).

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    In addition, arcs are frequently classified as high- or low-pressure arcs if the gaspressure is roughly above or below 1 atm., respectively. A high-pressure arc is

    characterized by a small, intensely brilliant core surrounded by a cooler region of

    flaming gases, sometimes called the aureole. If the arc occurs between highly

    refractory electrodes such as carbon or tungsten, both the anode and the cathode

    are incandescent.

    At low pressures, the appearance of the column depends upon the shape of the

    discharge tube. A constricted tube gives rise to a highly luminous column even at

    low pressures.

    The most important difference between low and high-pressure arcs is in the

    temperature of the column. The high-pressure column is at a very high temperature

    (5000 K or higher). The ions, electrons, and neutral atoms of the high-pressure

    positive column are in local thermal equilibrium, and therefore such plasmas are

    often called thermal plasmas.

    The neutral gas temperature of the low-pressure arc is never more than a few

    hundred kelvins, whereas the electron temperature may be of the order of 40,00050,000 K (1 eV = 11,600 K). Shohet, J.L. "Plasma science and engineering." Encyclopedia

    of Science and Technology (1987).

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Videos recomendados

    Video 1: https://www.youtube.com/watch?v=1UzyO-n_-HE

    Video 2: https://www.youtube.com/watch?v=vZe8_sHZ1N4

    Video 3: https://www.youtube.com/watch?v=1r1vzFAPyG0

    http://www.conectate.gob.ar/sitios/conectate/busqueda/buscar?rec_id=102702

    https://www.youtube.com/watch?v=WoVQky1a53k

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Ionizacin del gas

    Electrones son emitidos desde el ctodo por emisin termoinica.

    La diferencia de potencial entre nodo y ctodo acelera los electrones.

    Los electrones acelerados interactan con los tomos o molculas del gas.

    Las reacciones que ocurren en el arco elctrico son:

    - Disociacin: Ruptura de las molculas (G2 = 2G).

    - Ionizacin: Expulsin de los electrones (G = G+ + G-).

    Los electrones tornan conductor al gas, ahora denominado plasma.

    Los iones son elementos pesados (en comparacin con los electrones) cuyogrado de movilidad puede ser definido por el campo elctrico generado por la

    diferencia de potencial entre nodo y ctodo.

    Densidad de partculas cargadas gobierna la conductividad elctrica del plasma.

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    Debido a su peso y el grado de momento que se imprima a los iones, estos

    pueden ser utilizados para erosionar superficies en procesos denominados como

    Manufactura Avanzada.

    Igualmente, esta caracterstica ha permitido el surgimiento de la micro y nano

    fabricacin.

    Video 4

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    La formacin del plasma es ms eficiente con algunos gases.

    Esto depende de la energa necesaria para ionizar el gas (Energa deionizacin).

    http://college.cengage.com/chemistry/intro/zumdahl/intro_chemistry/5e/students/protected/periodictables/pt/pt/pt_ie2.html

    https://www.youtube.com/watch?v=3q50c6Jm9yM

    https://www.youtube.com/watch?v=mpus81qzcNw

    https://www.youtube.com/watch?v=Zc3Fu1AVCjc

    xidos metlicos pueden ser

    incorporados a la atmosfera

    protectora

  • Fundamentos de los procesos de soldadura por arco

    Edwar Torres

    El impulso para la disociacin y ionizacin del gas proviene del voltaje.

    La separacin de los electrones requiere energa, pero al momento de ladivisin se produce calor y luz.

    Entre mayor PI ms difcil ionizar el gas, pero mayor energa se deprende.

    El calor en el plasma proviene de la energa