Sobre el calor producido por plasmas y chispas

[Vicente]

Buenos días,

Un soldador me ha hecho una consulta a la que he respondido con cierta satisfacción para él, pero no tanta para mí.

Me han surgido dudas y para informarme más estoy a la busca de algún documento que explique en qué circunstancias cuando salta un arco eléctrico entre dos metales, como ocurre en la soldadura eléctrica, éstos se calientan de forma distinta según sea la polaridad de la tensión. Y cómo puede cuantificarse esta diferencia.

Gracias

[Anilandro]

Por lo que he podido comprobar, se calienta mucho más el polo positivo, el que recibe el flujo de electrones, que no el negativo, que recibirá iones positivos de mayor masa pero a velocidad mucho más baja.

Saludos

[E.MC]

hola.
vicente, siendo yo soldador aficionado y poco experto, y nada estetico en lo soldado jajaja, puedo decirte que: no se nada.
la diferencia es en usar polaridad positiva o negativa en el electrodo , si te digo te miento, siempre me pierdo en dos parametros aunque parezca mentira.
pero la razon de que se caliente mas la pieza a soldar que el electrodo o viceversa cuando la chapa es fina y se quiere proteger del perforado y fusion.
La polaridad inversa, con el electrodo a positivo, lleva un ~70% de la energía hacia el electrodo.
La polaridad directa, con el electrodo a negativo, acumula la misma proporción pero en el material base.
los electrones van del negativo al positivo, con lo cual calientan mas el punto donde bombardean ( de seguro ya les salto la alarma a yanquilandia, (bombardean).
saludos.

[Vicente]

Por lo que he podido comprobar, se calienta mucho más el polo positivo, el que recibe el flujo de electrones, que no el negativo, que recibirá iones positivos de mayor masa pero a velocidad mucho más baja.

los electrones van del negativo al positivo, con lo cual calientan mas el punto donde bombardean

Efectivamente, parece que la experiencia de los soldadores es que el mismo material se calienta más cuando se conecta al polo positivo que cuando se conecta al polo negativo.

En términos eléctricos W=I^2*R y siendo que la corriente es igual en ambos casos (polaridad directa o inversa), el efecto podría explicarse por una realimentación: un metal que empieza calentándose un poco más, aumenta su R, con lo que aumenta la W disipada en él, aumenta la temperatura y vuelve a aumentar R. Pero eso exige explicar por qué o en qué circunstancias empieza a calentarse más con una polaridad que con la otra y por qué en las situaciones reales una mayor W implica una mayor temperatura (y con ello mayor R), ya que puede haber mayor potencia disipada y que sea menor el aumento de temperatura (si tiene, por ejemplo, más superficie).

Las dudas principales surgen al preguntarse por la causa del calor y la forma en que llega al metal. Lo más caliente no parecen ser los metales, sino el arco eléctrico. La luz emitida por el arco y por los metales calientes así parecen demostrarlo. Y de una forma experimental vemos que, por ejemplo, en el proceso TIG, cuando se acerca la varilla al arco, aquella se funde casi al instante, y por ella no circula corriente y el bombardeo de partículas sobre la varilla debería ser el mismo independientemente de la polaridad. Entonces parece que el calor, en su mayor parte, no se produce en el metal por el bombardeo de partículas, ni por el efecto Joule (resistencia a la conducción eléctrica). Una parte del calor sí puede generarse en los propios metales, pero el calor parece producirse en su mayoría en el arco y pasar a sus extremos metálicos, por radiación, conducción térmica o movimiento de masas.

La radiación, la conducción térmica y el aporte de masa caliente parecen favorecer que el extremo que recibe más energía del arco sea el de mayor superficie. Y esto favorece que se caliente siempre más la pieza soldada que el electrodo, independientemente de la polaridad.

Naturalmente, la configuración asimétrica de los extremos, es decir, la distinta forma de electrodo y pieza debe influir en la existencia y en la forma del arco y ello permite que sea siempre la pieza a soldar la que reciba mayor cantidad de energía. Pero si la razón fundamental del calentamiento desigual es la forma de los extremos metálicos, no se explica bien por qué la polaridad influye de forma tan notoria.

En resumen, pueden encontrarse argumentos cualitativos para explicar por qué un mismo extremo se calienta más cuando está conectado al polo positivo. Pero también para suponer que la polaridad no debería influir de forma significativa. Incluso los hay que encuentran argumentos cualitativos para defender que la simple polaridad podría hacer que el polo positivo se caliente menos y que si la experiencia demuestra que es lo contrario debe ser por otros efectos indirectos contrarios más potentes que enmascaran el efecto de la polaridad.

Por tanto, para comprender bien el fenómeno, parece que se hace necesario cuantificar todos los efectos y poder llegar a un resultado neto, que ha de coincidir con la realidad. Seguro que ya hay quien lo ha hecho, de forma teórica o experimental. Me gustaría encontrar algo más de información.

Un saludo

[E.MC]

hola.
vicente.
el arco de plasma tiene creo unos 20000c, con lo cual, es mas caliente que el metal, el cual disipa el calor en toda su superficie, apenas llega a 5000c, o sea el plasma es mas caliente.
la razon de por que se calienta mas el positivo que el negativo es EL BOMBARDEO DE ELECTRONES, nada tiene que ver la superficie, pone 2 electrodos iguales enfrentados y el positivo se gasta el doble que el negativo, la razon: EL BOMBARDEO DE ELECTRONES, yo lo comprobe con una cortadora de plasma enfrentando sus polos con el uso de electrodos de corte, los de carbon cobreados, el positivo se gasta el doble de rapido literalmente, las superficies son las mismas, el material es el mismo, varia la polaridad, y para demostrarlo es tan simple como hacerlo y dar vuelta la polaridad en los electrodos, con lo cual el mas largo alcanza al mas chico en determinado tiempo, logrando al final que los dos electrodos queden gastados por igual.
las varillas de aporte claro que se derriten antes, ya que tienen menor masa metalica y se calientan mas rapido y si, el arco de plasma las derrite, o como pensas que se producia la fusion del mismo metal a soldar y del aporte?.
saludos.

[Vicente]

...la razon de por que se calienta mas el positivo que el negativo es EL BOMBARDEO DE ELECTRONES...

Está claro que el bombardeo de electrones es una fuente de calor. Se usa incuso para evaporar o sublimar metales.

Como he tratado de explicar en mi mensaje anterior, en una soldadura por arco eléctrico hay varias formas por las que se produce un aumento de temperatura y un traspaso de calor hacia ambos extremos metálicos.

Además del bombardeo electrónico, el bombardeo con los iones evaporados también produce calor y destrucción del blanco (sputtering). La radiación EM del arco es una intensa fuente de calor, así como el material de aporte caliente que va siempre a la pieza soldada. Y también interviene el efecto Joule en el metal.

Es de suponer que según cómo sean las condiciones en que se produce el arco, no tiene por qué ser siempre el mismo mecanismo el que predomine sobre el resto. Y quizás haya condiciones en las que no se caliente más el polo positivo o dicho exceso de calentamiento no sea tan notable como en los habituales procesos de soldadura.

Lo que busco es algún estudio donde se hayan medido, cuantificado o comparado cada uno de estos mecanismos de generación de calor, cuando ocurren simultáneamente.

Un saludo

[E.MC]

hola.
vicente, cuando lo encuentres me avisas y lo leo, mientras tanto a igualdad de superficies y materiales de los electrodos, el positivo se calienta 70% mas que el negativo, si esto es asi, explicame que cosa pasa.
saludos.

[fusion]

El calor emitido por el plasma es igual al emitido por una superficie sólida y viene dada por la ecuacion de stefan boltzman:



P/A=watios/m2
sigma=5.6703e-8 W/m2/ºK^4

Sabiendo la potencia solar/m2 que llega a la tierra y la distancia de esta al sol se puede determinar la temperatura de la superficie.

El coeficiente "e" debe ser función de la densidad volumétrica del plasma o emisividad del material, tendiendo a 0 cuando la densidad cae a 0.
Este coeficiente tiende a 1 si es un "cuerpo negro"

Esta emision se debe a las aceleraciones y desaceleraciones de los electrones en el interior del plasma y en menor medida a la de los iones contenidos y es gran parte de la culpable de que sea tan difícil la fusión termonuclear pues genera unas pérdidas energéticas enormes que no se salvan por emplear campos magnéticos para contener el plasma

[Vicente]

El calor emitido por el plasma es igual al emitido por una superficie sólida y viene dada por la ecuacion de stefan boltzman:

La fórmula se refiere a la potencia emitida en forma de radiación electromagnética por una sustancia a temperatura (absoluta) T . Pero el calor es sólo la energía degradada transferida.

De toda la energía emitida por el plasma en forma de radiación electromagnética, sólo una parte puede ser absorbida por el metal (por cuestiones de espectro, forma, etc.), el resto se pierde.

Además, de la energía absorbida por el metal, no toda es calor, puesto que parte de ella produce trabajo, como la ionización y evaporación de los átomos metálicos.

Fíjate, además, que la energía que puede transmitir el plasma no es sólo la correspondiente a la radiación electromagnética. Por ejemplo, E.MC defiende que la causa predominante es el bombardeo electrónico, es decir, la energía cinética de los electrones, como si de proyectiles se tratase.

...a igualdad de superficies y materiales de los electrodos, el positivo se calienta 70% mas que el negativo...

Conviene ser meticuloso al afirmar cosas como que "el positivo se calienta 70% mas que el negativo", porque no se entiende bien lo que se quiere decir.

Por una parte, no estamos comparando lo que le ocurre al polo positivo frente al negativo, sino lo que le ocurre a un mismo extremo en comparación consigo mismo, al invertir la polaridad.

Ambas situaciones serían equivalentes si ambos extremos de la chispa fuesen idénticos (que es la condición que pones). Pero este valor del 70% es el que suele citarse y manejarse en el caso de las soldaduras en las condiciones habituales. Y en estas soldaduras, los extremos del arco suelen ser muy distintos en material, forma, área y propiedades de la superficie. Aunque he visto y oído varias veces esta cifra mágica del 70%, nunca se me ha explicado a qué magnitud se refiere; si se trata de una temperatura o de una energía. Y en caso de que sea de una temperatura, en qué escala. O de una simple estimación por el tiempo que se tarda en fundir la varilla o en realizar el cordón.

Un saludo

[E.MC]

hola.
que parte de lo probe con dos electrodos de corte de carbon cobrado no se entendio?.
compras una soldadora y una caja de electrodos de carbon cobreados, y pones enfrentados , haces las pruebas y me decis por que siempre se gasta mas de la mitad el del polo positivo.
saludos.