¿Por qué el potasio debe servir para estabilizar un arco de soldadura?

Dado que el sodio y el potasio son químicamente similares, me he estado preguntando por qué debería haber alguna diferencia.

WeldGuru - " Guía de electrodos de soldadura "

_{Tipos de recubrimiento, corriente y polaridad designados por el cuarto dígito en el número de clasificación del electrodo}

$$\begin{array}{l} \text{Digit} & \text{Coating} & \text{Weld Current} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \text{2} & \text{Titania sodium} & \text{ac, dcsp} \\ \text{3} & \text{Titania potassium} & \text{ac, dcsp, dcrp} \\ \text{...} & \text{...} & \text{...} \\ \end{array}$$ ...

Los principales tipos de recubrimientos de electrodos de soldadura para acero dulce se describen a continuación.

• Celulosa-sodio (EXX10): Los electrodos de este tipo de material celulósico en forma de harina de madera o electrodos de baja aleación reprocesados ​​tienen hasta un 30 por ciento de papel. El escudo de gas contiene dióxido de carbono e hidrógeno, que son agentes reductores. Estos gases tienden a producir un arco excavador que proporciona una penetración profunda. El depósito de soldadura es algo áspero y la salpicadura está en un nivel más alto que otros electrodos. Proporciona propiedades mecánicas extremadamente buenas, particularmente después del envejecimiento. Este es uno de los primeros tipos de electrodos desarrollados y se usa ampliamente para tuberías de campo a través que utilizan la técnica de soldadura cuesta abajo. Normalmente se utiliza con corriente continua con el electrodo positivo (polaridad inversa).

• Celulosa-potasio (EXX11): este electrodo es muy similar al electrodo de celulosa-sodio, excepto que se usa más potasio que sodio. Esto proporciona la ionización del arco y hace que el electrodo sea adecuado para soldar con corriente alterna. La acción del arco, la penetración y los resultados de la soldadura son muy similares. En los electrodos E6010 y E6011, se pueden agregar pequeñas cantidades de polvo de hierro. Esto ayuda en la estabilización del arco y aumentará ligeramente la tasa de deposición.

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" El estudio del nanopolvo complejo (Ti, Zr, Cs) que influye en el potencial de ionización efectivo de la descarga del arco cuando se realiza soldadura Mma [comúnmente conocida como SMAW]" , por SB Sapozhkov y EM Burakova, en la página 2:

"El aire, como todos los gases, tiene una electroconductividad bastante débil en condiciones normales debido a la baja concentración de electrones e iones libres. Por eso, el espacio de aire (u otro medio gaseoso) entre los electrodos debe ionizarse para generar una alta corriente eléctrica, es decir, un Arco eléctrico La ionización puede resultar de aplicar un voltaje bastante alto a los electrodos, el campo eléctrico acelera algunos electrones libres o iones del gas, como resultado de adquirir una alta energía pueden romper átomos o moléculas neutras en iones.

Los altos voltajes no están permitidos por las normas de ingeniería de seguridad de soldadura. Por lo tanto, se prefieren las emisiones térmicas de electrones y de electrones de campo para llevar a cabo la investigación de este proceso. Una gran cantidad de electrones libres, que se encuentran en el metal y que tienen una alta energía cinética, pasan al medio gaseoso del espacio entre electrodos, provocando su ionización.

La emisión térmica de electrones implica la “vaporización” de electrones libres de la superficie del metal debido a las altas temperaturas. El número de electrones libres que adquieren energía suficiente para atravesar la barrera de energía en la capa superficial y abandonar el metal depende directamente de la temperatura. El punto de emisión de electrones de campo (fríos) es que se desarrolla un campo eléctrico exterior, que transforma la barrera de energía cerca de la superficie del metal y apoya la liberación de electrones con energía suficiente para pasar a través de esta barrera.

La ionización del medio gaseoso se caracteriza por el grado de ionización, es decir, la relación de las partículas cargadas en un volumen determinado con el número primario de partículas (antes de la ionización)$^{[3]}$. La soldadura es más estable y fácil si el potencial de ionización es bajo.".

Parte inferior de la página 3:

"Este artículo presenta una investigación teórica sobre el efecto que tiene el nanopolvo complejo (Ti, Zr, Cs) sobre el potencial de ionización eficiente (Ueff) de la descarga del arco de soldadura.

La energía de ionización del átomo caracteriza a la partícula y es independiente del método de ionización, mientras que el potencial de ionización caracteriza el primer método histórico de ionización.

La energía de ionización atómica, medida en eV (electrón-voltios) es numéricamente similar al potencial de ionización atómica, medida en V (voltios).

La energía de ionización es una característica importante del átomo e influye en la naturaleza y la fuerza de enlace de los compuestos químicos producidos por el átomo. La energía de ionización atómica tiene un fuerte efecto sobre las propiedades desoxidantes de la sustancia elemental correspondiente.

El potencial de ionización es una relación de la función de trabajo electrónico del átomo de la sustancia con la carga del electrón:

$$\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad U = \frac{W}{e_,} \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad(1)$$

dónde$U$— potencial de ionización, V;$W$— función de trabajo electrónico, J;$е$— carga de electrones, C.

Los átomos complejos, que consisten en muchos electrones, tienen varios potenciales de ionización. El primer potencial de ionización se encuentra con la eliminación de electrones de la capa del átomo, que tiene los enlaces más débiles con él. La eliminación de otros electrones, que están más cerca del núcleo atómico y tienen enlaces más fuertes, requiere más trabajo. Por lo tanto, el segundo y posteriores potenciales de ionización, correspondientes a la eliminación del segundo y posteriores electrones, son mayores$^{[3]}$.

Mesa. Primeros potenciales de ionización (U) de elementos

$$\begin{array}{c} \text{Elements} & \text{Cs} & \text{K} & \text{Na} & \text{Ca} & \text{Zr} & \text{Ti} & \text{Mg} & \text{C} & \text{H} & \text{O} \\ U & 3.88 & \text{4.30} & \text{5.11} & 6.11 & 6.63 & 6.8 & 7.64 & 11.22 & 13.53 & 13.56 \end{array}$$

En la tabla anterior se ve que el cesio, el potasio, el sodio, el calcio, el circonio, el titanio, etc. tienen los potenciales de ionización más bajos. Por lo tanto, estas sustancias se agregan a los recubrimientos de electrodos o fundentes para respaldar la estabilidad de la combustión del arco de soldadura.

Debemos saber cómo afectan los elementos a la soldabilidad de un producto para evitar dificultades y eliminar problemas a la hora de soldar.

[Continúe leyendo el documento para obtener más información y las matemáticas detrás de esto.]

References: [3] Electric welding arc [Electronic resource] Mode of access: http://soedenimetall.ru/e-lektricheskaya-svarochnaya-duga/#ixzz3r9JfpMQ3 (date of application: 24.11.15) - Google Translate: Ruso -> Inglés

De la página web traducida:

"Cuando se usa una corriente alterna, los puntos de ánodo y cátodo cambian de lugar con una frecuencia igual a la frecuencia actual. Con el tiempo, el voltaje$U_d$y actual$I$varían periódicamente de cero al mayor, como se muestra en la Fig. 4 ($U_{x • x}$- tensión de encendido del arco).

Cuando la corriente pasa por cero y la polaridad cambia al principio y al final de cada medio ciclo, el arco se apaga, la temperatura de los puntos activos y la brecha del arco disminuye. Como resultado, se produce la desionización de los gases y una reducción de la conductividad eléctrica de la columna de arco. La temperatura del punto activo ubicado en la superficie del baño de soldadura en relación con la eliminación de calor a la mayor parte del metal base cae más intensamente. El reinicio del arco al comienzo de un pequeño semiperíodo solo es posible a un voltaje aumentado, llamado pico de ignición. Se encontró que el pico de la ignición es algo más alto cuando el punto del cátodo está sobre el metal base. Para reducir el pico de encendido, facilitar el reencendido del arco y aumentar la estabilidad de su combustión, Se utilizan medidas que reducen el potencial de ionización efectivo de los gases en el arco. En este caso, la conductividad eléctrica del arco después de su extinción dura más, el pico de ignición disminuye, el arco se excita más fácilmente y se quema de manera más constante.

Estas medidas incluyen el uso de varios elementos estabilizadores (potasio, sodio, calcio, etc.) introducidos en la zona del arco en forma de recubrimientos de electrodos o en forma de fundentes.

Es importante cambiar las fases entre tensión y corriente: es necesario que cuando la corriente pase por un valor cero, la tensión sea suficiente para excitar el arco.".