Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas (Gas Tungsten Arc Welding) Edición de: Michael S. Flagg
Colaboradores: Frank Armao Dennis Klingman Joe Kolasa Art Papineau Carl Peters Tony Polewchak Bill West
Traducción por:
Sergio M. Magaña Gerente de Desarrollo e Ingeniería de Ventas de Lincoln Electric Mexicana
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Prefacio Este documento fue escrito con el fin de proveer al lector de información especializada en el Proceso de Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas, por sus siglas en inglés: GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) . Se describe el proceso en detalle, el equipo necesario que se usa para este proceso. También son incluidas las técnicas para soldar e información específica para la soldadura de varios de los metales mas importantes y sus aleaciones. a leaciones. Hay ciertos riesgos asociados con la s oldadura de arco que pueden causar inclusive la muerte o lesiones importantes. Sin embargo, estos riesgos pueden ser evitados mediante el uso de: “prácticas seguras” de aplicación de la soldadura que se describen en la primer sección de e ste documento. Los resultados obtenidos por un producto o servicio, utilizando la información contenida en este documento es y debe ser sólo y únicamente responsabilidad del usuario o contratista. Hay muchas variables que estan mas allá del control de lo descrito en este documento que pueden afectar los resultados obtenidos al aplicar la información aquí contenida. Estas variables incluyen, pero no estan sólo limitadas al: procedimiento de soldadura, química de la pieza a soldar, temperatura de aplicación, diseño de la junta, métodos de fabricación y requisitos del servicio que desempeñe la pieza.
Esta información ha sido preparada por la Fundación James F. Lincoln para la Soldadura de Arco quien contribuye con la industria de soldadura soldadura en general. general.
Traducido de la Segunda Edición de Enero del 2004
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SOLDADURA DE ARCO CON ELECTRODO DE TUNGSTENO Y GAS (SAETyG) Tabla de Contenido: SEGURIDAD EN LA SOLDADURA DE ARCO ELECTRICO Introducción ------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------ --------------------5 Prácticas de Seguridad Seguridad en la Soldaduras de Arco Eléctrico ------------------------------------------------- -------------------------6 Descargas Eléctricas ----------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------6 Humos y Gases ------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------7 Radiación del Arco --------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------7 Fuego o Explosión ----------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------7 Precauciones generales para la Soldadura Eléctrica con Electrodo de Tungsteno y Gas ----------------------------------------9
1.0 INTRODUCCION 1.1 Descripción del Proceso -------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 1.2 Historia del del Proceso --------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------10 1.3 Requisitos del Equipo ------------------------------------------------------------ --------------------------------------------------11 1.4 Campo de Aplicación ---------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------- 11 11 1.5 Ventajas y Limitaciones -------------------------------------------------------------------------------------------------------------12
2.0 FUNDAMENTOS 2.1 Principios de Operación ------------------------------------------------------ -----------------------------------------------------12 2.2 Polaridad -- ------------------------------------------------------------------------------ ---------------------------------------------13 2.3 Gases de Protección --------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------15 2.4 Electrodos --- ------------------------------------------------------------------------ -------------------------------------------------17 2.5 Características de las Fuentes de Poder ------------------------------------------------------------- -----------------------------20 2.6 Antorchas ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------22 2.7 Rectificación y Efecto de Limpieza en la CA ------------------------------------------------------------------------- ----------24 2.8 Alimentadores de Alambre Alambre -------------------------------------------------------------------------- ------------------------------24
3.0 TECNICAS DE SOLDADURA PARA OPERACIÓN MANUAL 3.1 Cómo Definir los Parámetros de Soldadura Soldadura ------------------------------------------------------------ --------------------------26 3.2 Composición del Electrodo y Forma de la Punta ----------------------------------------------------------------- ---------------26 3.3 Gases de Protección y Flujo del Gas --------------------------------------------------------- -------------------------------------27 3.4 Antorchas ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------27 3.5 Métodos de Encendido de Arco ------------------------------------------------------------------------------ ----------------------27 3.6 Preparación Preparación de la Junta --------------------------------------------------------------- -----------------------------------------------28 3.7 Manejo de la Antorcha Antorcha y Alimentación del Material de de Aporte ---------------------------------------------------- -----------30 3.8 Gas de Respaldo, Respaldo, Trenes de Protección y Cámaras de Atmósferas Controladas --------------------------------------------31
4.0 TECNICAS DE SOLDADURA PARA OPERACIÓN AUTOMATICA 4.1 Soldadura Mecanizada Mecanizada Básica Básica --------------------------------------------------------------- ---------------------------------------32 4.2 Cómo Cómo Definir Definir los Parámetros de Soldadura ------------------------------------------------------------ --------------------------32 4.3 Control de la Velocidad de Avance ------------------------------------------------------ ------------------------------------------32 4.4 Control de la Velocidad de Alimentación de Alambre Alambre -------------------------------------------------------------------- ------33 4.5 Control del del Voltaje de Arco (longitud del arco) arco) --------------------------------------------------------------------------- -------33 4.6 Programas para para Soldadura Soldadura ---------------------------------------------------------------- -------------------------------------------33 4.7 Corriente Pulsada y Alimentación en Pulsos ----------------------------------------------------- ---------------------------------34 4.8 Herramental y Gas de Respaldo -------------------------------------------- -------------------------------------------------------34 4.9 Protección Auxiliar ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------35
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5.0 SOLDADURA DE LOS MATERIALES 5.1 Aceros al Carbono --------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------35 5.2 Aceros Baja Aleación ---------------------------------------------------- -----------------------------------------------------------36 5.3 Aceros Inoxidables ---------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------38 5.4 Aleaciones de Aluminio --------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------41 5.5 Aleaciones Base Níquel ----------------------------------------------------------- --------------------------------------------------43 5.6 Aleaciones de Titanio ---------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------44 5.7 Cobre y sus Aleaciones ----------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------48 5.8 Magnesio y sus Aleaciones ------------------------------------------------------------------ ----------------------------------------50
APENDICE Tabla A - 1 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de los Aceros al Carbono y Baja Aleación------------ ------------53 Tabla A - 2 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de Aceros Inoxidables Austeníticos ------------------------------53 Tabla A - 3 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de Aceros Inoxidables, Martensíticos, Ferríticos, de Endurecimiento por Precipitación y Duplex --------------------------------------------------------------------------------------54 Tabla A - 4 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de las Aleaciones de Aluminio ------------------------------------54 Tabla A - 5 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de las Aleaciones Base Níquel --------------------------- ----------55 Tabla A - 6 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de las Aleaciones de Titanio ----------------------------------------55 Tabla A - 7 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de las Aleaciones de Cobre ----------------------------------------56 Tabla A - 8 Metales de Aporte para la Soldadura con TyG de las Aleaciones de Magnesio ------------------------------------56 Tabla A - 9 Requisitos de la Composición Química para los Electrodos de Tungsteno ----------------------------------------57 Tabla A - 10 Rangos Típicos de Corriente para los Electrodos de Tungsteno ----------------------------------------------------57 Tabla A - 11 Requisitos para la Identificación de Electrodos ------------------------------------------------------------ -----------58
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SEGURIDAD EN LA SOLDADURA DE ARCO
encuentren en la vecindad de la operación de soldadura. LAS OPERACIONES DE DESENGRASE QUE SE REALICEN CON HIDROCARBUROS CLORADOS DEBEN DE SER UBICADAS DE FORMA QUE LA RADIACION DE LA SOLDADURA DE ARCO NO ALCANCE LOS VAPORES.
Introducción: El tema de seguridad y prácticas seguras en soldadura, corte y procesos afines está cubierto en la norma americana ANSI Z49.1 Seguridad en Soldadura y Corte y la Z49.2 Prevención del Fuego en el uso de los Procesos de Soldadura y Corte. El manejo de gases comprimidos está cubierto en el CGA P-1. El personal deberá de estar familiarizado con las prácticas de seguridad que se discuten en estos documentos. En las áreas donde se desarrolla el proceso SAET yG hay, adicionalmente, otros riesgos potenciales.
Ozono La luz ultravioleta emitida por el arco de la SAETyG actúa en el oxígeno de la atmósfera circundante para producir ozono. La cantidad dependerá de la intensidad y longitud de onda de la energía ultravioleta, la humedad ambiental y otros factores. La concentración de ozono se incrementa, generalmente, con el incremento de la corriente de soldadura, con el uso de argón como gas de protección y cuando se sueldan metales altamente reflejantes. Si el ozono no se puede reducir a un nivel seguro mediante la ventilación o efectuando variaciones al proceso, será necesario suministrar aire fresco al soldador, ya sea con un respirador que proporcione aire o por algún otro medio.
Seguridad en el Manejo de los Cilindros de Gas de Protección y los Reguladores . Los cilindros de gas comprimido deben de ser manejados cuidadosamente y asegurados apropiadamente cuando esten en uso. Golpes, caídas o un manejo rudo pueden dañar los cilindros, válvulas o conexiones y causar fugas o accidentes. Si una válvula se rompe cuando esté a la presión del cilindro, la presión que se origina puede ser tan alta que impulse el cilindro a través del taller. Cuando se suministra un cilindro, los tapones protectores de las válvulas deben mantenerse en su lugar y ajustados a mano hasta que se vayan a usar.
Bióxido de Nitrógeno Algunas pruebas muestran que las concentraciones mas altas de bióxido de nitrógeno se encuentran en una zona dentro de los 150 mm (6 pulgs) del arco. Con ventilación normal, estas concentraciones son rápidamente reducidas a niveles seguros en la zona de respiración del soldador, mientras mantenga la cabeza fuera de la columna de humos que se generan mientras se está soldando. Lo que permite que el bióxido de nitrógeno no sea un riesgo en el proceso SAETyG.
Uso de Cilindros Los siguientes puntos deben ser observados cuando se instalen o se vayan a usar los cilindros de gas de protección: 1. Asegure el cilindro de forma apropiada. 2. Antes de conectar el regulador a la válvula de un cilindro, abrir momentáneamente la válvula y cerrarla de inmediato para limpiarla de polvo o de cualquier otro material que pudiese obstruir el regulador. La operación de la válvula se debe de efectuar parándose a un lado del regulador y nunca de frente. 3. Después de que el regulador haya sido conectado, el tornillo de ajuste debe ser aflojado, girándolo en sentido contrario a las manecillas del reloj. Posteriormente, abrir la válvula lentamente para evitar que la presión entre de golpe al re gulador. 4. La válvula de suministro de gas deberá de permanecer cerrada si no se encuentra alguna persona en el área.
Humos Metálicos El proceso SAETyG produce la menor cantidad de humos de soldadura que cualquier otro proceso de soldadura de arco abierto. Sin embargo, algunos vapores metálicos generados de elementos volátiles de metales aleados pueden generar humos metálicos y de la misma forma que los recubrimientos metálicos como el: cadminizado o tropicalizado y el galvanizado. Los humos generados en el SAETyG pueden ser controlados por ventilación , sistemas de extracción o equipo de protección para respiración como el descrito en ANSI Z49.1 El método de ventilación requerido para mantener el nivel de substancias tóxicas, en la zona del soldador, por debajo de las concentraciones aceptables depende de varios factores, entre los que se encuentran: el tipo de material a soldar, el tamaño del área de trabajo y el grado de confinamiento u obstrucción al movimiento normal del aire, donde se realice la soldadura. Cada estación de soldadura debe ser evaluada de forma individual para determinar lo que será requerido. Los límites de exposición para las substancias tóxicas asociadas con la soldadura estan designadas por el
Gases Los gases mas tóxicos asociados con el proceso SAETyG son el ozono y el bióxido de nitrógeno. Gas fosgeno podría estar presente como resultado de la descomposición térmica o ultravioleta de agentes limpiadores con hidrocarburos clorados, tales como el tricloroetileno o el percloroetileno, cuando se
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Prácticas de Seguridad en la Soldadura de Arco Eléctrico.
tiempo y peso promedio entre los límites de los valores del umbral (TLV en inglés) y los valores máximos y han sido establecidos por La Conferencia Americana de Higiene Industrial del Gobierno (ACGIH en inglés) y por la Administración Ocupacional de Higiene y Seguridad (OSHA en inglés). El cumplimiento a los niveles indicados pueden ser verificados por el muestreo de la atmósfera bajo la careta del soldador o en la vecindad inmediata a la zona de respiración del ayudante.
Para protegerse usted mismo y a cualquier gente alrededor, de lesiones severas o muerte, debe estar enterado y entender todos los posibles riesgos de la soldadura con arco eléctrico. Por lo que deberá seguir los procedimientos y tomar precauciones para evitar estos riesgos. Estos riesgos, se pueden agrupar en cuatro categorías: 1) descargas eléctricas, 2) humos y gases, 3) radiación del arco y 4) fuego y explosión.
Energía Radiante
Antes de iniciar el proceso de soldadura, todo el equipo deberá de estar en buenas condiciones de operación. Cualquier reparación o conexión deberá ser hecho sólo por personal autorizado.
La energía radiante total producida en el proceso SAETyG puede ser mas alta que la producida con el proceso de electrodo revestido debido a la significtiva menor cantidad de humos de soldadura y por lo es mayor la exposición del arco. La intensidad producida de energía radiante ultravioleta, generalmente es la mas alta, cuando se usa una protección de gas argón y en la soldadura de aluminio. Los rangos del vidrio con filtro de sombra que se recomienda para la SAETyG y que se indican en ANSI Z49.1, son:
Descargas Eléctricas Las descargas eléctricas pueden matar Protéjase de posibles descargas eléctricas: a)
A
b)
El número de sombra que se use dependerá de la persona y la localización del arco. Se recomienda que el operador empiece con la sombra mas oscura y vaya a la mas clara hasta que la operación sea lo suficientemente visible. Aunque no se recomienda ir a un número de sombra mas cl ara de lo marcado para su correspondiente rango de corriente.
c)
d)
Para el proceso SAETyG se recomienda usar ropa de piel obscura o algodón para reducir la reflexión de luz ultravioleta que puede causar quemaduras en la cara o el cuello aún debajo de la careta. Mientras mayor sea la intensidad de la radiación ultravioleta mas rápido desintegrará la ropa de algodón.
e)
f)
De manera particular cuando se suelde aluminio o aleaciones de aluminio con magnesio, es importante protegerse la piel. El Dr. Bartley de NIOSH reportó que el aluminio que contiene magnesio puede emitir hasta cinco veces mas de radiación ultravioleta que el aluminio puro o el que contiene manganeso y cobre. Los altos niveles de radiación ultravioleta pueden causar cáncer en la piel, particularmente las ondas producidas por el vapor de magnesio en el arco.
g)
h)
i)
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El circuito del electrodo y la pieza de trabajo ( o tierra) estan vivos mientras la soldadora esté encendida. Nunca permita el contacto entre una parte viva del circuito y su piel o ropa si está se encuentra mojada. Use guantes secos y sin agujeros para aislar sus manos. Siempre aíslese de la pieza de trabajo y la tierra usando un aislamiento seco. Cuando suelde en lugares húmedos, pisos metálicos, rejillas o andamios y en una posición sentada o acostada, deberá de asegurarse que el aislamiento está seco y es lo suficientemente largo para impedir que el área física de su cuerpo haga contacto con la pieza de trabajo o tierra. Asegúrese siempre que el cable de tierra haga un buen contacto con el metal que está siendo soldado. La conexión debe estar tan cerca como sea posible de la zona a soldar. Aterrice la pieza de trabajo o metal que está siendo soldado para que se obtenga un buen contacto. Mantenga la antorcha de la soldadura, pinza de tierra, cables de fuerza y la máquina en buenas y seguras condiciones de operación. Nunca sumerja el extremo de la antorcha en agua, para enfriarla, ya que puede ocasionar una fisura en la boquilla de cerámica y contaminar la antorcha. Nunca toque de manera simultánea, las partes eléctricamente vivas de antorchas que esten conectadas a dos soldadoras porque el voltaje entre las dos puede ser la suma de voltajes de circuito abierto de las dos máquinas. Cuando cambie o instale electrodos en una antorcha de SAETyG asegúrese que la máquina no esté encendida. Cuando trabaje arriba del nivel del piso, protéjase de una caída en caso de que sufra una descarga.
j)
Nunca suelde SAETyG con guantes húmedos, pueden producir una descarga por la alta frecuencia.
Radiación del Arco Eléctrico . La radiación del arco puede producir lesión en los ojos y quemar la piel.
Humos y Gases
a) Use una protección con el filtro apropiado y su cubierta para proteger sus ojos de las chispas y la radiación del arco cuando suelde u observe la soldadura de arco abierto. La careta y los filtros deben de cumplir con la norma ANSI Z87.1 Debajo de la careta se deben de usar lentes de seguridad mientras se esté soldando.
Los humos y gases pueden ser peligrosos para su salud a)
La soldadura produce hunos y gases que pueden ser peligrosos para su salud. Evite respirar estos humos y gases mientras esté soldando, manteniendo su cabeza fuera de estos gases. Use una adecuada ventilación y/o extracción cerca del arco para retirar los humos y gases de la zona de respiración. Cuando suelde con consumibles que requieran de una ventilación especial, tales como aquellos que contengan una cantidad significativa de manganeso, cromo, etc. o cuando suelde sobre aceros con recubrimientos metálicos como el galvanizado, plomo o tropicalizado y otros metales que producen humos tóxicos puede ser requerida extracción localizada o aún algo que ofrezca mayor cuidado como una fuente de suministro de aire fresco a el soldador mediante un respirador de aire.
d)
Use ropa de color oscuro hecha de material durable y resistente a las chispas que proteja su piel la de los demás de la radiación del arco.
c)
Proteja al personal que transite cerca de usted con pantallas inflamables apropiadas y adviértales que no vean el arco ni que se expongan a la radiación o a las chispas o metal caliente.
d) La ropa, las mamparas circundantes y el equipo deben tener una superficie de baja reflexión para disminuir los reflejos de la radiación del arco. Las pinturas que usan pigmentos que contienen ciertas cantidades de óxido de cinc o bióxido de titanio tiene baja reflexión de la radiación ultravioleta.
b) No suelde en l ocaciones que esten cerca de vapores de hidrocarburos clorados provenientes de operaciones de desengrase, limpieza o atomizado. El calor y la radiación del arco pueden reaccionar con los vapores del solvente para formar fosgeno que es un gas altamente tóxico y algunos otros productos irritantes. c)
b)
Fuego o Explosión El fuego o explosión pueden causar la muerte o daños a los inmuebles .
Los gases de protección usados en la soldadura de arco pueden desplazar el aire y causar lesiones o muerte por sofocación. Cuando se encuentre en áreas confinadas, siempre use ventilación suficiente, para asegurar que el aire que respire esté limpio.
a)
Retire los materiales con riesgo de encenderse lo mas apartado que pueda. Si esto no es posible, cúbralos para prevenir que las chispas de la soldadura inicien un incendio. Recuerde que las chispas de las soldaduras y los residuos de materiales calientes después de soldados, fácilmente pueden atravesar pequeñas grietas o aberturas hacia las áreas adyacentes. Tenga un extinguidor de fácil acceso.
b)
Donde se vayan a usar gases comprimidos se deberán de tomar precauciones especiales para prevenir situaciones riesgosas. Refiérase a la norma de Seguridad en Soldadura y
Lea y entienda las instrucciones del fabricante para el equipo y los consumibles que serán usados, incluyendo las Hojas de los Datos de Seguridad del Material (MSDS en inglés) y obedezca las prácticas de seguridad de su empresa.
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Corte (ANSI Z49.1) y al instructivo de operación del equipo que está siendo usado. c)
Cuando interrumpa la soldadura, asegúrese que ninguna parte del circuito del electrodo toque la pieza de trabajo o tierra. Un contacto accidental puede causar sobrecalentamiento y crear un riesgo de fuego.
d)
No caliente, corte o suelde tanques, tambos o contenedores hasta que se hayan tomado las medidas apropiadas que impidan que las operaciones mencionadas causen vapores inflamables o tóxicos, provenientes de las substancias contenidas en los recipientes. Ya que pueden causar una explosión aún cuando se se piense que han sido “limpiados” Para mayor información, referirse al libro Prácticas de Seguridad Recomendadas para la Preparación de Contenedores y Tuberías que serán Soldados o Cortados y que han Contenido Substancias Peligrosas. AWS F4 1-80 de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS en inglés).
e)
Aleje sus manos, cabello, ropa y herramientas de bandas, rodillos, ventiladores y otras partes con movimiento cuando arranque, opere o cuando efectúe algún tipo de mantenimiento. c) Asegúrese de que el cable de tierra esté conectado a la pieza de trabajo tan cerca del área de soldadura como le sea posible. Los cables conectados a la estructura del edificio o a otros lugares lejanos del área de soldadura, aumentan la posibilidad de que la corriente eléctrica haga arco con cadenas de levantamiento, cables de grúas o con algún otro circuito eléctrico. Lo que puede crear un riesgo de incendio o hacer que fallen las piezas debido al sobrecalentamiento ocasionado por el arqueo. d) Sólo use los cilindros de gas comprimido que contengan el gas de protección indicado para el proceso así como los reguladores apropiados al tipo de gas y presión que se use. Todas las mangueras y conectores deben ser los apropiados para la aplicación y deben mantenerse en buenas condiciones. e) Siempre mantenga los cilindros en posición vertical y asegurados con cadena sobre la plataforma o alguna base fija. f) Los cilindros deben colocarse: alejados de lugares donde • puedan recibir un golpe o estar sujetos a algún daño físico. a una distancia segura del arco • de soldadura o una operación de corte o de cualquier otra fuente de calor, chispas o flama.
Antes de calentar, cortar o soldar piezas huecas de metales vaciados se deberán de abrir porque pueden explotar.
Precauciones Generales en la Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas. IMPORTANTE: Si se usa un electrodo de tungsteno toriado, referirse al Estatuto de la Comisión VIII para la Higiene en el Uso de Electrodos de Tungsteno Toriado, páginas, 17 y 18. Protéjase a usted mismo cuidando que lo que se ponga esté libre de aceite o grasa, tal es el caso de: guantes de piel, chamarra, pantalones sin valencianas, botas y gorra sobre la cabeza. Siempre use lentes de seguridad cuando esté en el área de soldadura. Use lentes de seguridad con protectores laterales cuando esté cerca de la operación de desescoriado. b) Mantenga todos los equipos en buenas condiciones, con sus respectivas guardas, cubiertas y accesorios en su posición correcta
g)
Nunca permita que el electrodo o porta electrodo o cualquier otra parte eléctricamente viva haga contacto con el cilindro.
h)
Mantenga su cabeza y cara alejados de la válvula del cilindro cuando la accione para abrir el paso de gas.
i)
Las capuchas de protección de la válvula deben estar siempre en su lugar y apretadas a mano excepto
a)
j)
Cuando el cilindro esté conectado para ser usado. k) Lea y siga las instrucciones para cilindros de gases comprimidos y
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accesorios anexos, descritos en la publicación P-1 de la CGA denominada: Precauciones para el Manejo Seguro de los Cilindros de Gases Comprimidos. l)
Corte la alimentación de corriente accionando el interruptor antes de trabajar en el equipo.
m) Efectúe la instalación eléctrica de acuerdo con el Código Nacional de Electricidad o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. n)
Aterrice el equipo de acuerdo al Código Nacional de Electricidad y a las recomendaciones del fabricante.
Seguridad en Soldadura y Corte, Norma ANSI Z49.1 disponible a través de A WS P.O. box 351040 Miami, Florida 33135 La ANSI Z49.2 está disponible a través del Instituto Nacional de Normas Americanas (ANSI) 1430 Broadway, New York, N.Y. 10018 Las publicaciones de la CGA P-1 está disponible a través de la Asociación de Gases Comprimidos, Inc. 1235 Jefferson Davis Highway Suite 501, Arlington, VA 22202
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1.0 INTRODUCCION
Amps. para soldar placas de 25 mm (1 pulg.) de una sola pasada con el proceso SAETyG de arco i nmerso.
1.1 Descripción del Proceso
1.2 Historia del Proceso En 1930, Hobart y Devers patentaron un nuevo proceso que consistía en establecer un arco eléctrico entre un electrodo de tungsteno no consumible y el metal base, dentro de una cámara, llena de gas inerte. Fueron realizados experimentos con argón y helio como gases de protección aunque comercialmente no fue adoptado el proceso debido al alto costo de los gases inertes.
El proceso de Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas (SAETyG) que también es conocido como el proceso de tungsteno con gas inerte (TIG en inglés) origina el calor para la soldadura de un arco eléctrico que se establece entre un electrodo de tungsteno y la pieza ha ser soldada o pieza de trabajo, (Fig. 1). A la zona del arco se le debe agregar un gas inerte para proteger de la oxidación el electrodo de tungsteno y el metal en estado líquido, así como proporcionar un medio para el paso de la corriente del arco.
En 1941 Russell Meredith y V.H. Pavlecka desarrollaron la primer antorcha de uso práctico con la que se le podía sujetar un electrodo de tungsteno y además suministrar un gas inerte para protección del electrodo, el metal líquido y la zona de calor adyacente. El gas inerte se alimenta a través de una boquilla que rodea el electrodo de tungsteno lo que proporciona el medio de protección al arco mientras se avanza a lo largo de la junta. En 1942, Meredith patentó el proceso y llegó a ser conocido como Soldadura de Arco con Helio (Heli-Arc welding). Y aunque el proceso fue desarrollado con helio, fue el gas argón el que llegó a ser mas ampliamente usado como gas de protección, debido a su menor costo y por tener una operación mas suave.
Conductor de la Corriente
Portaelectrodo o Mordaza Entrada del Gas de Protección
Difusor o Portamordaza
El desarrollo de la antorcha y el proceso Heli-Arc o de Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas fue motivado por la necesidad que había en la industria de aviación de soldar las aleaciones de magnesio. Las primeras aplicaciones en la soldadura de aleaciones de magnesio fueron hechas con CD, electrodo al positivo (polaridad invertida) usando un generador de corriente constante como fuente de poder. Esta polaridad fue usada para conseguir la acción limpiadora, necesaria en el magnesio aunque la mayor parte del calor se concentró en el electrodo de tungsteno mas que en la pieza. Por lo que pronto se dieron cuenta que una fuente de CA podría proporcionar la necesaria acción de limpieza y además una gran cantidad del calor necesario para la píeza de trabajo.
Orificio para el Gas Boquilla
Varilla de Aporte
Electrodo de Tungsteno Gas de Protección
Pieza de Trabajo
Arco
Placa de Respaldo de Cobre
Fig 1. Proceso de Soldadura de Arco con Electrodo de Tun steno Gas Este proceso fue desarrollado en 1941, inicialmente para la soldadura de magnesio y aluminio ya que era necesario tener un proceso con resultados superiores que el que se ofrecía con el electrodo revestido. Y desde entonces, el proceso SAETyG se ha ido refinando y se ha usado para soldar casi todos los metales y aleaciones. La necesidad de agregar aporte depende de la forma y tamaño de la junta así como del material que se esté soldando. La velocidad a la que se alimente el metal de aporte es independiente de la energía del arco (voltaje x corriente) Sin embargo, la velocidad máxima de alimentación del aporte está limitada por la misma energía del arco. El proceso cubre un rango amplio de aplicaciones, desde el espesor de una hoja de 1.3 mm (0.005”) para soldarla con 2 a 3 Amps hasta aplicaciones con 1000
Válvula Opcional de Gas
Boquilla Electrodo de Tungsteno Pieza de Trabajo
Orificio para el Gas
Entrada de Gas
Cable de Fuerza
Gas de Protección
Cable de Tierra
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Figura 2. Antorcha para SAETyG enfriada por gas
1.3 Requisitos del Equipo Sin embargo, la tasa de depósito es la mas baja de todos los procesos de soldadura eléctrica por lo que no puede ser usado donde se requieran altas tasas de depósito. El proceso SAETyG puede ser usado para el paso de raíz en tuberías de acero al carbono, baja aleación y acero inoxidable con anillos de inserto consumibles o adicionando metal de aporte. El espesor faltante, de la junta de ranura en una tubería, puede ser rellenado mediante el proceso de electrodo revestido o mediante algún proceso semiautomático como el de Soldadura de Arco Metálico con Gas (GMAW en inglés) que usa un electrodo sólido o mediante el proceso de Soldadura de Arco con Núcleo de Fundente (FCAW en inglés) con un electrodo tubular.
Para el proceso de SAETyG se requiere de una antorcha enfriada con gas o agua para sujetar el electrodo y conectarla a la fuente de poder mediante el cable de fuerza. Las antorchas para corrientes bajas, enfriadas con gas (Figura 2), el cable de fuerza está dentro de la manguera de gas, lo que también proporciona un aislamiento al conductor. Las antorchas enfriadas por agua (Figura 3) requieren de tres mangueras: una para el suministro de agua, otra para el regreso y la tercera para el suministro de gas. El cable de fuerza, normalmente se encuentra en la manguera de retorno de agua lo que produce un enfriamiento del cable y permite el uso de conductores mas pequeños que el usado para una antorcha enfriada por gas, para la misma capacidad de corriente.
Para el proceso SAETyG se requiere una fuente de poder del tipo de corriente constante o con una curva característica del tipo “caída de voltaje” ya sea de CD ó CA y con o sin la capacidad de arco pulsado. En el caso de las antorchas enfriadas por agua se prefiere un recirculador en lugar de una conexión directa a una llave de agua.
Portaelectrodo o Mordaza
Manija
Entrada de Gas Orificio para el Gas Cable de Boquilla Fuerza Entrada de Agua
Salida de A ua
Electrodo
Para las operaciones de soldadura automática o mcanizada, se requiere equipo adicional, como por ejemplo, para mover la antorcha en relación con la pieza de trabajo así como ali mentar el alambre dentro del charco de soldadura. También puede ser requerido un sistema totalmente automatizado con un programador con microprocesadores que controlen la corriente de soldadura, velocidad de avance y la alimentación del alambre.
Figura 3 -Vista Seccional de una Antorcha Típica para el Proceso de SAETyG. (enfriada por agua)
También es necesario, para este proceso, un suministro de gas argón, helio o una mezcla entre éstos, así como un regulador de presión, flujómetros y mangueras. El gas o gases pueden ser suministrados desde uno o varios cilindros o desde contenedores con gas líquido. En la figura 4 se muestra un diagrama esquemático de un arreglo completo para la SAETyG.
1.4 Campo de Aplicación El proceso SAETyG es capaz de producir soldaduras de muy alta calidad en casi todos los metales y aleaciones.
Regulador/ Flujómetro de Gas
Manguera de Gas
Cable de Fuerza Cable de Tierra Pieza de Trabajo
Máquina de Soldar
Fuente de Suministro de Gas
Figura 4 - Arreglo Esquemático del Equipo para Soldadura de Arco con Electrodo de Tungsteno y Gas 11
La SAETyG puede ser usada para aquellas aleaciones donde una alta calidad de soldadura y la contaminación atmosférica son factores críticos. Como ejemplo de estas aplicaciones podemos citar la aplicación en metales reactivos y refractarios, tales como el titanio, circonio y columbio los cuales con pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno o hidrógeno pueden causar una pérdida de ductilidad y de la resistencia a la corrosión. También puede ser aplicada en aceros inoxidables y superaleaciones base níquel donde se requiere soldaduras de alta calidad respecto a la porosidad y fisuras. El proceso SAETyG también es apropiado para soldar hojas o láminas muy delgadas de cualquier material soldable debido a que el amperaje puede ser controlado a niveles muy bajos (entre 2 a 5 amps.) lo cual se requiere para estos espesores. La SAETyG no debe ser usado en metales o aleaciones de bajo punto de f usión, como la soldaura estañoplomo y aleaciones base cinc debido a que la alta temperatura del arco eléctrico hace muy difícil controlar el charco de soldadura.
desventaja es que se requiere de soldadores con mayor habilidad y generalmente es de mayor costo comparado con los otros procesos de soldadura de arco
2.0 FUNDAMENTOS En esta sección se describen los principios fundamentales del proceso SAETyG así como el equipo y consumibles requeridos.
2.1 Principios de Operación En el proceso SAETyG se establece un arco eléctrico en una atmósfera de gas inerte entre un electrodo de tungsteno y el metal base que se suelde. El arco está rodeado por un gas inerte que pude ser argón, helio o una mezcla de éstos. El calor generado en el arco es igual al producto de la corriente por el voltaje de arco lo que aproximadamente representa que el 70% del calor se genera en la terminal positiva del arco (ánodo).
Un desarrollo relativamente nuevo de la SAETyG para la soldadura de espesores gruesos que es conocida como arco inmerso o proceso de arco sumergido con tungsteno. Este proceso mecanizado se emplea una gran antorcha, enfriada por agua con un electrodo de tungsteno de hasta 13mm (1/2”) de diámetro, el cual se posiciona para que la punta quede dentro de la superficie de la placa que se está soldando. Una corriente de 1000 amps, produce una fuerza de arco que mantiene alejado el metal fundido del electrodo, mientras se realiza la soldadura. Para placas de 25 a 38 mm ( 1 a 1 ½” ) de espesor se pueden soldar e n dos pasadas con o sin la adición de una pequeña cantidad de aporte.
Electrones: Provenientes del electrodo de tungsteno, caliente y de la ionización del gas inerte, moviéndose en dirección hacia la ieza de traba o.
Pieza de Trabajo
Electrodo
Iones del Gas: Provenientes de la ionización del gas inerte, moviéndose en dirección hacia el electrodo de tungsteno.
1.5 Ventajas y Limitaciones La principal ventaja del proceso SAETyG es que se pueden obtener soldaduras de muy alta calidad en cualquiera de los metales soldables y sus aleaciones, excepto aquellos con punto de fusión muy bajo, debido a que el gas inerte que rodea el arco y la zona de soldadura, protege el metal fundido contra la contaminación. Otra gran ventaja es que el metal de aporte puede ser agregado al charco de soldadura, independientemente del nivel de corriente del arco. Mientras que en otros procesos de soldadura de arco eléctrico la velocidad de depósito del aporte está directamente relacionado con la intensidad de la corriente del arco. Entre otras ventajas se tiene: un nivel de chisporroteo muy bajo, la posibilidad de soldar materiales muy delgados y una adaptabilidad del proceso a una gran variedad de aplicaciones semiautomáticas y automáticas.
FIGURA 5 – Diagrama Esquemático de un Arco con Tungsteno y Gas con Corriente Directa (Electrodo al Negativo).
La corriente del arco es c onducida principalmente por los electrones (Figura 5) que son emitidos de la terminal negativa, sobrecalentada (cátodo) y también por los electrones producidos por la i onización de los átomos de gas. Los electrones son atraídos al ánodo donde generan aproximadamente el 70 % del calor del arco. Una pequeña porción de la corriente del arco es conducida por los iones de gas positivos que son atraídos al cátodo donde se genera aproximadamente el 30 % del calor del arco. El cátodo pierde calor como consecuencia de la emisión de electrones, los cuales transforman esta energía en calor cuando los electrones entran o interactúan con el ánodo. Esta es la razón de porque la cantidad de calor generada en el ánodo es mayor que la del
La principal desventaja o limitación en la SAETyG es que la tasa de depósito es la mas baja. Otra
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cátodo. El voltaje del arco está constituido por tres componentes: voltaje del cátodo, voltaje de la columna del arco y el voltaje del ánodo. El voltaje total del arco en el proceso SAETyG se incrementa con la longitud del arco (Figura 6). Sin embargo la corriente y el gas de protección tienen efectos sobre el voltaje que serán discutidos mas adelante. El voltaje total del arco puede ser fácilmente medido, sin embargo, los intentos de medir con precisión el voltaje entre el cátodo y el ánodo no han sido exitosos. Si graficamos el voltaje total del arco contra la longitud del arco y extrapolamos a cero la longitud del arco obtendremos un voltaje que es aproximadamente la suma del voltaje del cátodo mas la del ánodo. De la suma total del voltaje del cátodo mas el del ánodo, determinado mediante esta forma, se obtiene un valor de entre 7 y 10 volts, para un cátodo de tungsteno en un medio de gas argón.
con CA (ver Figura 7) . En el modo de electrodo al negativo, la mayor cantidad de calor se encuentra en la pieza de trabajo, por esta razón con el electrodo al negativo, es decir, con la polaridad directa es como mas se usa la SAETyG para la soldadura de la mayoría de los metales. El electrodo al negativo (polaridad directa) tiene una desventaja y es que no proporciona un efecto de limpieza en la superficie de trabajo. Aunque, esto no es significativo para la mayoría de los metales, porque sus óxidos se descomponen o funden bajo el calor del arco por lo que el metal depositado se fusionará con los bordes de la junta. Sin embargo, los óxidos de aluminio y magnesio son muy estables y tienen puntos de fusión muy por arriba que los del metal puro, correspondiente. Por lo que, estos óxidos no se funden con el calor del arco, manteniéndose en la superficie y causando que la fusión se restrinja.
Debido a que la mayor cantidad de calor se genera en el ánodo, el proceso de SAETyG normalmente se trabaja con el electrodo de tungsteno al negativo o cátodo (polaridad negativa) y la pieza de trabajo al positivo o ánodo. Esto ocasiona que el calor se genere donde se requiere, es decir en la pieza de trabajo.
En el modo, electrodo al positivo o de polaridad invertida, si se realiza el efecto de limpieza en la superficie de trabajo, ocasionado por el impacto de los iones de gas, que remueve la capa delgada de óxido superficial mientras el gas inerte forma una cubierta que protege la superficie, permitiendo que el
2.2 Polaridad
metal se funda sobre el borde antes de que sea formada una nueva capa de óxido. La desventaja de este modo es que la mayor porción de calor se localiza en el electrodo de tungsteno conectado al positivo, mientras que la porción menor del calor, está en la pieza de trabajo. L o que significa que para
El proceso SAETyG puede ser operado en tres diferentes modos: electrodo al negativo (polaridad directa), electrodo al positivo (polaridad invertida) o
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conseguir la misma cantidad de calor que la que se obtiene cuando el electrodo está al negativo, la corriente tiene que ser incrementada por un factor de 2.3. Este incremento de corriente aunado al hecho de que la mayor cantidad de calor se genera en el electrodo cuando se conecta al positivo, ocasiona que la operación del electrodo cuando se conecta al
debido a que la superficie limpia del aluminio no emite electrones tan fácilmente como lo hace el electrodo de tungsteno sobrecalentado. Esto es muy común en máquinas viejas con una salida sinusoidal de la CA. La mayoría de las fuentes de poder nuevas para SAETyG estan integradas con circuitos que balancean tanto la mitad del ciclo positiva como la negativa y generalmente está condición de balance
positivo tenga que disipar cerca de cinco veces mas calor que cuando se opera con el electrodo al negativo. Por lo que normalmente el diámetro de un electrodo en polaridad al positivo es cuatro veces mayor que el usado c on polaridad negativa. En el modo de CA, se obtienen las características deseables de los otros dos modos pero a un nivel mas reducido. A 60 Hz en CA, la limpieza se obtiene en cada mitad de ciclo positivo y algo de calor es generado en la pieza de trabajo. El área limpiada durante la mitad del ciclo de polaridad positiva, se mantendrá limpia durante la otra mitad negativa, mientras sea protegida por el gas inerte. La mayor parte del calor en la soldadura se produce en la pieza de trabajo durante la parte del ciclo de polaridad negativa. Cuando se usa SAETyG con CA para la soldadura de aluminio puede ocurrir una rectificación del arco. Si esto ocurre, cuando el electrodo está negativo, una mayor corriente fluirá (Figura 8) ocasionando que el arco se vea y se oiga, inestable. Este fenómeno ocurre
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es muy deseable para la soldadura de aluminio. Las fuentes de poder mas avanzadas para SAETyG estan equipadas con circuitos de estado sólido que permiten el ajuste de la CA hacia el lado positivo o negativo de cada ciclo. Este tipo de fuentes de poder también producen una CA de onda cuadrada en lugar de la CA sinusoidal. Por lo que, cuando se desea el máximo de limpieza se favorece el modo de electrodo al positivo y cuando se desea el máximo de calor se favorece el modo de electrodo al negativo. En general, las fuentes de poder de onda cuadrada son menos susceptibles al fenómeno de rectificación del arco que las del tipo sinusoidal, aunque en ocasiones también ocurre.
sistema de distribución. El argón es mas usado en la SAETyG que el helio por las siguientes razones: 1. Produce un arco mas suave y estable 2. Se puede operar con menor voltaje de arco a un valor dado de corriente y longitud de arco
2.3 Gases de Protección Cualquier tipo de gas inerte puede ser usado para la SAETyG pero comercialmente sólo se usa el argón y el helio. En la Figura 9 se muestran las curvas características de longitud de arco contra el voltaje de arco para una intensidad de corriente de 300 amps. con un electrodo de tungsteno como cátodo y una pieza de trabajo de titanio como ánodo para cinco tipos de gases inertes. En la Figura 10 también se muestran las curvas características de voltaje de arco contra la corriente de arco, bajo las mismas condiciones señaladas. La tendencia de las curvas son similares para todos los gases, aunque la curva del helio se encuentra a un voltaje significativamente mas alto que la de los demás gases. De estos , únicamente el helio (peso atómico = 4) y el argón (peso atómico = 40) son los mas usados comercialmente debido a que son los mas abundantes y de mucho menor costo que los otros gases inertes. En la Tabla 1 se relacionan algunos datos de sus propiedades físicas relacionadas con los gases inertes mencionados. En estos datos se puede ver porque el helio y el argón son los mas usados en SAETyG en donde el flujo de gas mas representativo es de 0.85 3 3 m /hr (30 pies /hr). El contenido de argón en la atmósfera de la Tierra es de 1 % aprox. lo que proporciona una fuente ilimitada de gas mediante la licuefacción y su posterior separación. El argón grado soldadura se refina para purificarlo al 99.99 % y normalmente se transporta en camiones con aislamiento a una temperatura de - 150 oC (- 300 o F) y también puede ser suministrado al usuario como líquido o gas comprimido en cilindros. Para los usuarios con un gran consumo, se puede proporcionar argón líquido a un c osto significantemente menor que con cilindros de gas. Sin embargo, es necesario instalar equipo para: almacenamiento de argón líquido, evaporación y distribución a las áreas de uso. Existen contenedores portátiles con capacidad de 170 lts. (45 galones) de argón líquido, los cuales se pueden colocar donde se vaya a usar el gas y no requieren de tanques de almacenamiento ni de
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TABLA 1 Propiedades y Costos Aproximados de los Gases Inertes Gas
Argón
Peso Atómico
Densidad (% respecto al aire)
40
130
% de Contenido en la Atmósfera
0.934
Costo Aprox. usd/pie3 0.043 (en cilindros para líquido de 170 lts) 0.03 (en camión pipa)
Costo (1) usd/hr 1.39 0.90
Helio
4
13
0.00052 (del Gas Natural)
0.123 (en cilindro)
9.22
Neón
20
65
0.00182
4.00
120.00
Kriptón
84
273
0.000114
20.00
600.00
Xenón
131
425
0.000005
250.00
7500.00
(1)
Basado en un flujo de 14.2 lts/min (30 pies3 /hr) para todos los gases excepto para el helio que es de 2.5 X 14.2 = 35.5 lts/min (75 pies3/hr)
3. Proporciona una gran acción de limpieza en la soldadura de materiales como aluminio y magnesio usando el modo de CA.
aire a la atmósfera del arco. Debido a a que el costo del helio es tres veces mayor que el del argón y el flujo que se requiere es de dos a tres veces mas alto que el usado con argón, ocasionando que el costo de de usar helio como gas de protección puede llegar a ser hasta nueve veces mas que cuando se emplea argón.
4. El argón es mas abundante por lo que es mas fácil de conseguir y de menor costo. 5. Se puede obtener una muy buena protección con niveles de flujo menores.
El helio que tiene un peso atómico de 4 es el mas ligero de los gases monoatómicos y es le segundo en abundancia después del argón. El helio grado soldadura se purifica hasta obtener un grado de 99.99 %. Normalmente se transporta como líquido. Y aunque su precio es de tres veces el costo del argón, comparado con los otros gases inertes es, su costo es considerablemente menor. Bajo las mismas condiciones de corriente de arco y longitud de arco, el helio requiere de aproximadamente 1.7 veces mas de voltaje de arco que el requerido usando argón, como se indica en las figuras 9 y 10. Por lo que la energía o calor que se desarrolla en un arco con helio es 1.7 veces mas alto que el de argón, para un valor de corriente dado. Debido al mayor calor generado, el helio o las mezclas de argón con helio son mas favorecidas para la soldadura de secciones gruesas, materiales con alta conductividad térmica o una alta temperatura de fusión. Las mezclas de argón con helio estan disponibles en combinaciones estándar en porcentajes de 25, 50 y 75 % de helio. Con la ayuda de un mezclador
6. En la zona del arco, el argón es mas resistente a la contaminación por ráfagas de aire. 7. Es mas fácil iniciar el arco en argón. Debido a las características de bajo voltaje que se usan con el argón, es mas fácil iniciar el arco y particularmente mas útil en la soldadura manual de láminas delgadas en donde un arco de menor calor ayuda a evitar que se traspase la lámina. Cuando se suelda en las posiciones vertical o sobrecabeza, el calor mas bajo ayuda a reducir la tendencia del metal base de que se escurra o afloje. La densidad del argón es aprox. 1.3 veces que la del aire y es 10 veces mayor que la del helio. Por esta razón el argón, al ser mas pesado cubrirá el área de soldadura y será mas resistente a ráfagas de aire que el helio. Mientras que el helio por ser mas ligero que el aire tiende a elevarse mas rápidamente, causando turbulencia que puede introducir
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de gases se pueden obtener otras relaciones de mezclas.
Los electrodos de tungsteno puro (verdes) con 99.5 % de pureza son los menos costosos pero tienen la menor capacidad de conducción de corriente, cuando se usan en la CA y baja resistencia a la contaminación.
Usando helio o argón, en las aplicaciones de SAETyG, se pueden obtener muy buenos resultados, pero la mayoría de las veces se prefiere el argón por producir un arco mas suave y tener un menor costo. El argón es preferido también parta la soldadura de materiales delgados ya que previene que se traspase la pieza mientras se suelda. Cómo se mencionó arriba, el uso del helio se recomienda para la soldadura de materiales gruesos y de alta conductividad térmica como el cobre y aluminio.
Los electrodos de tungsteno que contienen 1 % de torio (amarillos) o con 2 % de torio (rojos) tienen mayor emisividad de electrones que los de tungsteno puro y por lo tanto mejor capacidad de corriente y una mayor durabilidad. El encendido de arco es mas fácil y el arco es mas estable lo que ayuda a que se tenga una mejor resistencia a la contaminación originada por el metal base. Cuando se usan con CD polaridad negativa, mantienen una punta bien afilada.
El hidrógeno también se emplea en porcentajes de hasta 35 % para altas velocidades de avance en aceros inoxidables y aleaciones de níquel. Cuando se quiere aumentar la velocidad de avance en materiales muy delgados se puede usar mezclas de argón con hasta 50% de hidrógeno. Se debe vigilar el uso de contenidos altos de hidrógeno ya que pueden causar p orosidad.
El torio es un material radioactivo por lo que cuando se usan este tipo de electrodos se deben de tomar medidas apropiadas de seguridad. Las siguientes claúsulas fueron desarrolladas por la Comisión VIII en Salud y Seguridad del Instituto Internacional de Soldadura (IIW por su siglas en inglés):
2.4 Electrodos.
Estatutos de la Comisión VIII en Aspectos de Salud para el Uso de Electrodos de Tungsteno Toriados.
Para seleccionar los electrodos para la SAETyG se deben considerar cinco factores: tipo de material, diámetro, afilado de la punta, portaelectrodo y boquilla de cerámica.
“Los óxidos de torio se encuentran en electrodos de tungsteno toriados hasta en un 4.2 % ( según ISO 6848-WT para el electrodo 40). El torio es un material radioactivo y puede causar riesgos por exposiciones externas e internas. Si se tienen, deben de considerarse alternativas factibles para su manejo”
2.4.1 Material del Electrodo Los electrodos para el SAETyG son fabricados de tungsteno puro, tungsteno con 1 ó 2 % de torio, tungsteno con 2 % de cerio, tungsteno con 1, 1.5 ó 2 % de lantano y tungsteno con un contenido de 0.15 a 0.4 % de zirconio. Todos los electrodos, normalmente, estan disponibles en los diámetros de 0.25 a 6 mm (0.010 a 0.25 pulg) e incluso con diámetros especiales hasta de 13 mm (0.5 pulg) y cuyas longitudes van desde los 75 a los 600 mm ( de 3 a 24 pulg). Los requisitos para la composición química estan dados en la Tabla A-9 del Apéndice de la Especificación para Electrodos de Tungsteno en Soldadura de Arco, A5.12 de la AWS. Los electrodos pueden ser suministrados con acabado superficial por limpieza o pulido. Donde el término limpieza se refiere a una limpieza química que remueve las impurezas superficiales ocasionadas en las operaciones de embutido y trefilado. Por otro lado, el acabado pulido se realiza por medio de un desbaste descentrado que remueve las imperfecciones de la superficie. En la Especificación para Electrodos de Tungsteno en la Soldadura de Arco, A5.12 de la AWS se anotan los requisitos y algunos datos para los electrodos de tungsteno.
“Varios estudios realizados con electrodos toriados han mostrado que debido al tipo de radiación generada, los riesgos de radiación externa, durante su almacenaje, soldadura o disposición de residuos pueden ser no considerables en condiciones de uso normal.” “Al contrario, cuando se está esmerilando la punta del electrodo se generan partículas radioactivas, con riesgos de exposición interna. Consecuentemente, es necesario el uso de sistemas localizados de ventilación para controlar las partículas en la misma fuente y si es necesario se deberá de complementar con equipo de protección respiratoria. El riesgo de una exposición interna durante la soldadura no es considerable ya que el electrodo se consume muy lentamente”
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“Se deben de tomar precauciones para controlar cualquier riesgo de exposición durante la disposición del polvo de los dispositivos de afilado o desbaste”
la información del tipo y cantidad de elementos de aleación adicionados.
2.4.2 Diámetro y Forma de la Punta del Electrodo.
“Los estatutos citados estan basados en consideraciones hechas a partir de los reportes disponibles. La Comisión VIII continuará manteniendo estos aspectos bajo revisión”
El material del electrodo, diámetro y forma de la punta (Figura 11) dependerán del tipo de aplicación de soldadura, espesor del material, tipo de junta y cantidad de metal a depositar. Los electrodos usados con CA o con polaridad al positivo deberán de ser de diámetros mas grandes que los que se usan con polaridad al negativo. En las Tablas 2 y 3 se enlistan los requisitos químicos típicos así como los rangos de corriente para diferentes tipos de electrodos de tungsteno .
Los electrodos de tungsteno que contienen zirconio (cafés) tienen propiedades entre los electrodos de tungsteno puro y los toriados con respecto al encendido de arco y su capacidad de conducción de corriente. Estos electrodos se recomiendan para la soldadura de aluminio en CA por encima de los electrodos de tungsteno puro y los toriados, cuando se usan con máquinas de soldar convencionales, no del tipo inversor, debido a que mantienen la punta redonda durante la aplicación y tienen una alta resistencia a la contaminación. Otra ventaja de estos electrodos es que estan libres de la radioactividad del elemento torio. Los electrodos de tungsteno ceriados (naranjas) fueron introducidos a finales de 1980. El uso de cerio, inicialmente en los electrodos no consumibles, estaba presente en diferentes valores de porcentaje. Recientemente, sólo la versión con 2 % de cerio, llegó a ser comercialmente significativa. Los electrodos de tungsteno ceriados no son radioactivos y operan bien tanto c on CA ó CD. Estos electrodos tienen buenas características de encendido de arco y estabilidad y tienen mejor durabilidad que sus contrapartes de tungsteno toriado.
La longitud total de un electrodo de tungsteno estará limitado por la longitud de la antorcha de SAETyG que se use. Las longitudes mayores permiten mayor número de afiladas, sin embargo los mas cortos, son mas económicos. La extensión del electrodo que sobresale de la mordaza o porta electrodo determina el calentamiento y la caída de voltaje en el electrodo. Ya que este calor no contribuye en la soldadura, la extensión del electrodo, deberá de mantenerse tan corta como sea necesaria para que nos permita tener acceso a la junta.
Los electrodos de tungsteno con 1 % de lantano (negros), 1,5 % de lantano (dorados) y 2 % de lantano (azules) tienen características similares a los tungsteno ceriados. Estos electrodos de tungsteno pueden ser usados para aplicaciones con corriente alterna o directa . En la medida que se aumente el porcentaje de lantano también se incrementa su facilidad de encendido, estabilidad de arco y mejora la vida de la punta. Estos electrodos pueden ser usados en lugar de los de tungsteno toriados con las máquinas de soldar tradicionales y las del tipo inversor. El lantano no es un material radioactivo.
Se recomienda que los electrodos que se usen para soldar con CD, polaridad negativa, ya sean los del tipo de 2 % de torio, con cerio o con lantano deberán ser afilados con una punta en forma de un cono truncado. Aunque, un afilado de la punta en forma aguda, facilita el encendido de arco, no es muy recomendable, debido a que la punta se fundirá y se formará una pequeña bola en el extremo. Una punta plana y con un afilado angular, conservará esta forma, si se usa dentro del rango de corriente recomendado en la Tabla 3. Un exceso de corriente causará que el electrodo se sobrecaliente
La clasificación G para los tungstenos es aquella que contiene la adición de elementos de aleación no especificados. La adición directa de aleaciones al tungsteno afecta las características de operación del electrodo. Bajo esta clasificación, el fabricante debe de proporcionar
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Tabla 2 Requisitos de la Composición Química para los Electrodos a
Tabla 3 Rangos Típicos de Corriente para los Electrodos de Tungsteno (1)
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y se funda. Mientras que una corriente muy baja permitirá el bombardeo en el cátodo y la consecuente erosión debida a la baja temperatura de operación ocasionando una inestabilidad dell arco
2.5 Características de las Fuentes de Poder 2.5.1 Transformadores-Rectificadores
Para la soldadura con CA y CD con el electrodo al positivo, es deseable que la punta del electr odo tenga una forma de hemisferio del mismo diámetro del electrodo. En los electrodos de mayor diámetro que se utilizan en la soldadura con CA y CD con electrodo al positivo, este tipo de punta proporciona una superficie estable dentro del rango de operación de corriente. Los electrodos del tipo zirconiados son los preferidos para aplicaciones con CA y CD con electrodo al positivo ya que tienen mayor capacidad de arrastre de corriente que los electrodos de tungsteno puro y son mas fáciles para formar la bola en condiciones de operación normales. Los electrodos toriados no forman la bola fácilmente por lo que no se recomiendan para la soldadura con CA o CD electrodo al positivo. El ángulo de afilado en la punta del electrodo afecta en la penetración de la soldadura, ya que a menor ángulo se tenderá a reducir el ancho del cordón por lo que la penetración se incrementa. Cuando se esté preparando el ángulo de la punta de un electrodo, el desbaste debe ser hecho de forma paralela a la longitud del electrodo. Existen máquinas especiales para efectuar el desbaste de los electrodos que realizan un desbaste muy preciso con el ángulo deseado.
Las fuentes de poder para el uso con la SAETyG deben ser de corriente constante con una curva característica de “Caída de Voltaje” (Figura 12A). Puden tener otro tipo de funciones opcionales como control para el ascenso y descenso de la corriente, control de pulso y programas del ciclo completo. Las fuentes de poder de voltaje constante no deben ser usadas en el proceso SAETyG debido a que en longitudes de arco cortas, la corriente llega a ser excesiva (Figura 12B). La fuente de poder puede ser un transformadorrectificador monofásico el cual puede suministrar CA para la soldadura de aluminio. Las fuentes de poder fabricadas específicamente para SAETyG, normalmente incluyen una fuente de alta frecuencia para el inicio de arco y válvulas que controlan el flujo del gas inerte así como enfriamiento por agua para la antorcha. Cuentan también con temporizadores que permiten a las válvulas abrir poco antes de que se encienda el arco y cerrar poco después de que se extingue el arco. La alta frecuencia es necesaria para encender el arco en lugar del encendido por toque que ocasiona que se contamine el tungsteno fácilmente. Es posible controlar la alta frecuencia para que accione sólo para el encendido o de manera contínua para la operación en el modo de CA.
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Las fuentes de poder deben incluir un contactor secundario y un medio para controlar la corriente de manera remota. Para la soldadura manual, se podrían realizar estas funciones mediante un pedal que controle el contactor y la corriente de soldadura. Es deseable una fuente de poder con un solo rango de corriente que le permita al soldador variar la corriente de un valor mínimo al máximo sin necesidad de cambiar de rango con algún interruptor.
electrodos de tungsteno de mayor diámetro ya que mucho de la energía de arco se va hacia el t ungsteno.
2.5.2 Inversores Las capacidades de las fuentes de poder para soldar estan cambiando constantemente y muy rápido, especialmente en el área de la tecnología de los inversores. Las fuentes de poder del tipo inversor son apropiadas para la soldadura de una amplia variedad de metales que incluye las aleaciones de aluminio con espesores delgados.
Las fuentes de poder mas avanzadas cuentan con controles que les permite pulsar la corriente en los modos CA y CD con pulsos esencialmente cuadrados. Tanto la corriente de fondo como la de pico pueden ser ajustadas, así como la duración del pulso (tiempo del pico) y la frecuencia del pulso (Figura 13). La frecuencia del pulso es igual a 1 dividido entre el tiempo del ciclo en segundos. Este control del pulso nos permite realizar soldaduras en materiales delgados, paso de raíz y en la posición de sobrecabeza con menor riesgo de atravesar la pieza o deformarla.
Los inversores fueron introducidos, primeramente, como fuentes de poder para la soldadura con CD y mas recientemente para generar corriente alterna. En este tipo de fuentes de poder, la alimentación de CA de 50 ó 60 Hertz se rectifica a CD, posteriormente pasa a una sección del inversor en donde se encuentra un interruptor de estado sólido que enciende y apaga con una frecuencia de hasta 20,000 Hertz. Esta CA pulsada de alta frecuencia y alto voltaje se alimenta al transformador principal donde se convierte la CA de 20,000 Hertz a un voltaje bajo que es apropiado para efectuar la soldadura. Finalmente se hace pasar a través de un filtro y un circuito de rectificación. La salida se controla con circuitos de estado sólido que modulan la velocidad de interrupción de los transistores.
Todas las fuentes de poder transforman el alto voltaje y baja corriente de alimentación a una corriente alta y bajo voltaje de salida mediante un transformador. En el pasado, los transformadores operaban directamente con una alimentación de CA a 50 ó 60 Hertz. Desafortunadamente los transformadores son relativamente, poco eficientes a esas frecuencias ya que se genera mucho calor en el transformador que por diseño debe ser de gran tamaño y peso. Adicionalmente, cuando se usa a 60 Hertz, el control entrega una señal limitada a no mas de 120 por segundo. Hace algunos años, se encontró que en la SAETyG, la penetración en la soldadura , se origina cuando el electrodo está al negativo en el ciclo de CA. Durante la parte del ciclo positivo, la penetración se reduce y la mayor parte del calor se va al electrodo de tungsteno. Sin embargo, cuando el electrodo está en la parte positiva del ciclo, el arco realmente remueve los óxidos de la superficie del aluminio, haciendo que sea mas fácil soldarlo. Debido a esto y aunque la mayoría de los metales en el proceso SAETyG se sueldan usando corriente directa, el aluminio normalmente se suelda usando CA. Las primeras máquinas para SAETyG proporcionaban una salida en CA con una onda sinusoidal simple que generaba la misma cantidad de partes positivas y negativas, lo que resultaba muy poco eficiente, ya que sólo se necesita una pequeña cantidad de energía positiva para conseguir una adecuada limpieza. No era posible variar la proporción entre la parte positiva y negativa. Aproximadamente 85% del negativo y 15% del positivo proporcionan un arco para una adecuada limpieza y penetración. Sin embargo, se requieren
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que ayuda a concentrar y hacer cordones mas angostos.
Este novedoso diseño de inversores nos ofrece muchas ventajas. La primera, es que el transformador principal que opera a 20,000 Hertz es mas eficiente que los transformadores a 50 ó 60 Hertz , lo que permite que se pueda fabricar mucho mas pequeño. Las fuentes de poder de SAETyG del tipo inversor llegan a pesar de 14 a 23 Kg (30 a 50 lbs).
Casi todas las fuentes de poder del tipo inversor para la SAETyG estan diseñadas para usar tungstenos toriados al 2 %, sin importar si la salida es de CD ó CA. Las características de salida de los inversores les permiten usar tungstenos t oriados al 2 % con afilado en punta en el modo de CA, sin necesidad de realizar la punta en forma de bola, como ocurre en los transformadores tradicionales. También se pueden usar los tungstenos con cerio y con 2 % de lantano.
Otra ventaja de las fuentes de poder del tipo inversor es el costo de energía. El equipo tipo inversor es mucho mas eficiente que la del tipo transformador convencional. Bajo circunstancias normales, los ahorros por costos de energía son de un 10% aproximadamente.
También se recomienda integrar un módulo de alta frecuencia, sólo para el encendido, en la operación con CD o para una operación con CA con salida contínua. Algunas de las nuevas fuentes de poder del tipo generador de corriente incorporan una tecnología de fraccionamiento (chopper) que permite el encendido de arco por “toque” en la operación con CD, sin que exista contaminación del tungsteno.
Durante muchos años, las fuentes de poder tipo inversor solamente podían entregar CD, los inversores con salida de CA, simplemente no existían, lo que limitaba los inversores para el uso en la soldadura de aluminio que normalmente en SAETyG se suelda usando CA. Mediante el uso de dos inversores trabajando con polaridades opuestas y de manera alternada, encendiendo y apagándolas se podía generar un tipo de CA. Algunos inversores todavía generan CA de esta forma. Actualmente se tienen métodos mas sofisticados para generar la CA:
2.5.3 Generadores de Corriente. Las fuentes de poder tipo generadores de corriente normalmente son propulsadas por un motor a gasolina o diesel y producen CD, ya sea del tipo corriente constante o con la curva característica de “caída de voltaje” o también con la de característica de voltaje constante. La fuente de poder del tipo alternador, puede suministrar CA para la SAETyG. Una fuente de poder que sea capaz de operar en corriente constante o voltaje constante deberá de colocarse en el modo de corriente constante para la aplicación de soldadura con TyG.
La habilidad para generar CA es lo que hace que los inversores sean considerados para la soldadura de aluminio usando la SAETyG. El hecho de que el voltaje de arco, realmente nunca llegue a cero, permite que el arco con CA sea mucho mas estable que lo que se tenía en el pasado. La mayoría de las fuentes de poder del tipo inversor para SAETyG no necesitan que la alta frecuencia sea contínua para mantener la estabilidad. La eliminación de la alta frecuencia contínua, reduce la cantidad de interferencia por radiofrecuencia que se genera en la fuente de poder.
2.6 Antorchas Las antorchas para la soldadura con TyG deben de cumplir con las siguientes funciones: 1) sujetar el electrodo de tungsteno para que se pueda manipular durante la operación de soldadura, 2) proporcionar una conexión eléctrica al electrodo, 3) suministrar una protección de gas inerte a la punta del electrodo, a el arco y a la zona caliente de soldadura, y 4) aislar el electrodo y las conexiones eléctricas del operador o del soporte de montaje. En la Figura 14 se muestran las antorchas típicas para soldar mediante la SAETyG. La antorcha está constituída por un cuerpo metálico, un portaelectrodo, un difusor y una tapa que aprieta y sostiene el electrodo de tungsteno. El cable eléctrico está conectado al cuerpo de la antorcha, el cual está aislado y protegido por una cubierta de plástico. Las antorchas manuales tienen conectada una manija a la cubierta de plástico. El cable de fuerza, la línea de gas y la conexión para agua pasan a través de la manija o de la cabeza de la antorchas que se usan para las operaciones automáticas. En las antorchas pequeñas que se usan para ba jas corrientes, el electrodo, el portaelectrodo y los componentes internos son enfriados por el
Adicionalmente, el hecho de que las señales de control puedan ser enviadas a 20 Kilohertz significa que la frecuencia de salida de la CA de soldadura puede ser variada. Las máquinas viejas sólo producen una salida de 60 Hertz. Las altas frecuencias pueden ser muy útiles para en la soldadura de materiales delgados ya que cuando se aumenta la frecuencia, el cono del arco y el cordón se hacen mas angostos lo que ocasiona mayor penetración. Las fuentes de poder tipo inversor brindan un arco con efecto de limpieza con tan solo 15% en la parte positiva. Si se reduce la porción del ciclo en el positivo, el proceso se vuelve mas eficiente, se incrementa la penetración de la soldadura y se reduce la cantidad de calor que impacta en el electrodo de tungsteno, lo que nos permite el uso de menores diámetros de electrodos y afilado en forma de punta
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FIGURA 14 – Antorchas para SAETyG 23
flexible entre el cuerpo y la manija que permite ajustarla en un rango de 50 a 90 grados.
mismo flujo de gas inerte. Las antorchas mas grandes y para mayor capacidad de corriente son enfriadas por agua y requieren de conexiones a la llave de agua y descarga o a un recirculador de agua. Se prefieren los recirculadotes que trabajan con agua destilada y desionizada para prevenir la acumulación de depósitos de minerales, dentro de la antorcha, ocasionados por el agua de la llave.
Las antorchas para operaciones mecanizadas o automatizadas pueden llevar el cable de fuerza y las conexiones de gas y agua sujetadas a un lado de las mismas, mediante una perilla de ajuste. Hay otras que tienen todas las conexiones en la parte superior y se requiere de una herramienta especial para apretar el tungsteno al portaelelctrodo. Las antorchas mecanizadas normalmente estan sujetas mediante prensas alrededor del cuerpo de la misma antorcha.
Los portaelectrodos normalmente estan formados por dos piezas que se adaptan a los diferentes diámetros estándar de electrodos de tungsteno. Tanto las dos piezas que se insertan a la antorcha, como la misma parte de la antorcha, deben ser capaces de soportar la corriente de soldadura requerida sin que se sobrecaliente. Estos componentes estan fabricados de una aleación de cobre endurecible.
2.7 Rectificación y Efecto de Limpieza en la CA. Cómo se mencionó anteriormente, cuando se suelda aluminio o magnesio con CA ocurrirá un desbalanceo de la forma de onda (ver atrás la Figura 8 ) debido a que el tungsteno cuando se calienta emite electrones mas fácilmente que la superficie del metal. Lo que resulta en un mayor flujo de corriente cuando el electrodo está negativo, proporcionando mas calor donde se necesita. Cuando el electrodo está positivo, la menor cantidad de corriente será suficiente mientras sea la adecuada para que proporcione el efecto de limpieza en la superficie. También menor corriente significa que el electrodo de tungsteno se calentará menos.
El flujo de gas inerte fluye a través del cuerpo de la antorcha y de los orificios del difusor hacia el extremo del arco de la antorcha. Una boquilla o copa se coloca sobre el extremo del arco, en la antorcha, para dirigir el gas inerte sobre el electrodo y el charco de soldadura. La función de la boquilla de gas es dirigir el flujo de gas inerte alrededor del electrodo y por consiguiente al área de soldadura. Las boquillas estan hechas de un material duro y resistente al calor, como la cerámica y estan disponibles en varios diámetros y formas. Las de mayor tamaño brindan una protección del gas inerte mas completa en el área de soldadura pero pueden resultar demasiado grandes en áreas restringidas. Las boquillas pequeñas proporcionan una adecuada protección en áreas restringidas y con la ayuda de algunos dispositivos se puede matener el gas inerte en la junta.
Mediante la aplicación SAETyG con CA, el flujo de corriente se hace cero dos veces por cada ciclo y el arco debe ser restablecido dos veces eb cada ciclo. Cuando el electrodo se hace negativo, el reencendido ocurre fácilmente pero cuando el electrodo se hace positivo el reencendido es lento provocando una corriente baja. Cuando la corriente no enciende en la mitad positiva del ciclo, se crea una rectificación y por lo tanto, n o habrá efecto de limpieza El uso de una alta frecuencia sobrepuesta a la CA nos ayuda a asegurar que el arco está reencendiendo oportunamente en cada mitad positiva del ciclo para brindar la acción de limpieza y reducir el desbalanceo. Durante el modo de CA la onda básica sinusoidal de 60 Hertz puede ser modificada para producir una onda cuadrada. Existen otros controles que permiten que la onda de CA sea balanceada o variarla hacia la parte positiva o negativa del ciclo (Figura 15). Esta función es particularmente útil cuando se suelda aluminio y magnesio ya que con el control se puede poner hacia la parte positiva del ciclo para un máximo efecto de limpieza.
Las boquillas normalmente se atornillan a la antorcha y estan hechas de una cerámica dura y resistente al calor. Existen algunas hechas de un vidrio para alta temperatura como el vicor que está montado a presión sobre un componente de plástico compresible. Hay un tipo de boquillas a las que se les puede insertar una pieza con una forma de malla hecha con alambres muy finos a la que se le denomina: “lentilla de gas” la cual produce un flujo laminar, en lugar de una turbulencia del gas inerte que incrementa la eficiencia de la protección gaseosa. En la operación de soldadura por máquina o automatizada se debe proporcionar una mayor cobertura de gas mediante la ayuda de un dispositivo que suministre un gas de respaldo y un gas de arrastre a la antorcha. Estos artículos serán comentados en una sección posterior. En la mayoría de las antorchas para el proceso manual de SAETyG, la manija está colocada en un ángulo de 70 grados aproximadamente al cuerpo de la antorcha, algunas antorchas tienen un cuello
2.8 Alimentadores de Alambre Un alimentador de alambre para la SAETyG automatizada debe ser capaz de alimentar el
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alambre del carrete o a una velocidad controlada, a través de las guías, hacia el charco de soldadura. El sistema completo del alimentador está constituido de un portarrollo para el carrete de alambre, un motor de arrastre, un control de velocidad y una guía para dirigir el alambre del mecanismo de arrastre hasta el charco de soldadura. Estos alimentadores de alambre son casi de uso exclusivo en las instalaciones mecanizadas o automatizadas de la soldadura con TyG aunque en la soldadura manual con TyG también pueden ser usados alimentadores de alambre que se portan de forma manual.
níquel y titanio. El rodillo libre o “loco” puede se plano o liso o puede tener una ranura en “V” lisa. Para los alambre de cobre o aluminio se usan rodillos con ranuras lisas en ambos rodillos. Los rodillos estriados no deben ser usados en alambres suaves debido a la tendencia de producir pequeñas rebabas del alambre que son transferidas a la punta de contacto ocasionando que se atore. Hay algunos mecanismos que usan dos pares de rodillos en “tandem” y todos tienen tracción aunque este tipo de mecanismos se usan mas para los procesos MIG y arco sumergido en donde se alimentan alambres mas gruesos y a mayores velocidades que los usados en la SAETyG. El propósito de las unidades de control es que nos permita establecer la velocidad de alimentación requerida y que ésta se pueda mantener a pesar de las variaciones en las condiciones de carga. La mayoría de los controles usan circuitos electrónicos que comparan el voltaje proporcional a la velocidad del motor para establecer un voltaje de referencia. Este voltaje de referencia puede ser obtenido de la armadura del motor o de un tacómetro montado en la flecha del motor. El controlador debe tener un interruptor para reversa y otro para alimentación desenergizada. Por lo que de esta forma se puede alimentar o regresar el alambre durante la puesta en marcha. Después de que el alambre pasa por los rodillos y entra al tubo que lo guía hacia la boquilla de salida en donde se posiciona el alambre hacia el charco de soldadura. Este tubo guía es flexible y está blindado internamente con nylon. La longitud puede variar de unas cuantas pulgadas hasta varios píes de largo dependiendo de la posición del mecanismo de alimentación de rodillos y la antorcha de SAETyG. La boquilla de salida está montada sobre o cerca de la antorcha por una pieza que la sujeta la cual mediante un tornillo se puede ajustar la posición y el ángulo. Si el alimentador de alambre se usa para la soldadura manual con TyG , el soldador sujetará con una mano el extremo de la boquilla y el tubo guía y con la otra, la antorcha para la soldadura con TyG El encendido y apagado puede ser controlado mediante un interruptor en el tubo guía o mediante un pedal. Las antorchas manuales para la soladura con TyG también pueden encontrarse con el tubo guía de alimentación anexado a la cabeza de la antorcha, lo cual requiere del uso de una sola mano (Figura 16B).
El mecanismo de arrastre consiste en un motor eléctrico conectado a un reductor de engranes y un juego de rodillos. La principal diferencia entre los alimentadores para el proceso MIG y los de TyG es el rango de velocidad. Ya que para los de TyG el rango de velocidad es de 500 a 5,000 mm/min (20 a 200 pulg/min) mientras que para los de MIG el rango anda de 2,500 a 25,000 mm/min (100 a 1,000 pulgs/min) N ormalmente un juego de rodillos se usa en el proceso con TyG y ambos rodillos pueden tener tracción o uno de ellos puede ser con tracción y el otro libre. La alimentación con ambos rodillos en tracción será mas positiva y con menos riesgo de deslizamiento. El o los rodillos de tracción tienen una ranura estriada en “V” para usarse con alambres de acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones base
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3.2 Composición del Electrodo y Forma de la Punta.
3.0 TECNICAS DE APLICACIÓN PARA LA SOLDADURA MANUAL
La composición química del electrodo, diámetro y configuración de la punta debe ser establecido en el PQR, si es que éste existe, en caso contrario es posible usar la información enlistada en las Tablas 2 a 4 como una guía. Los electrodos con 2 % de torio son recomendados para la mayoría de las soldaduras con TyG, con CD y el electrodo al negativo. Los electrodos circoniados se recomiendan para CD con el electrodo al positivo o para soldar con CA, como en el caso de la soldadura de aluminio. Estos electrodos deben tener una punta esférica, del mismo diámetro que el electrodo (ver atrás la Figura 11) . La bola puede ser formada en el extremo del electrodo de tungsteno, según el siguiente procedimiento: 1. Realice un afilado largo del electrodo de tungsteno , dejando una punta.
Para poder llegar a tener una gran destreza en la aplicación de la soldadura con TyG, el soldador debe desarrollar una habilidad para manipular la antorcha con una mano mientras controla la corriente con el pedal o con el control de mano y al imentar el metal de aporte, con la otra mano. Antes de iniciar cualquier trabajo, el soldador debe tener una buena idea de las condiciones, tales como: metal de aporte, corriente, gas de protección, posición, aplicación en campo o en el taller, etc.
3.1 Cómo Definir los Parámetros de Soldadura El tipo de material, diseño de la junta y los requisitos del servicio determinarán la corriente de soldadura, tipo de gas inerte, voltaje y velocidad de avance o viaje. Esta información puede estar disponible en el “Registro de la Calificación del Procedimiento” (PQR por sus siglas en inglés) o de los datos del manual de acuerdo al tipo de material y espesor. Estos datos deben considerarse los de inicio y el resto de los datos deberán de establecerse corriendo pruebas en algunas de las partes. La velocidad de avance penderá de la habilidad y la experiencia del soldador así como de otros factores.
2. Coloque el electrodo afilado en una antorcha para la SAETyG, de tal forma que se extienda mas de 13 mm (1/2”) mas allá de la boquilla y ajuste la tapa. 3. Sostenga la antorcha con el electrodo en la posición vertical sobre un bloque de cobre de 3 mm (1/8”) de espesor o mayor y usando CD c on
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el electrodo al positivo y la alta frecuencia al inicio, encienda el arco eléctrico.
por medio de un pulso de alt o voltaje. El método de toque no se recomienda para trabajos críticos debido a que hay un alto riesgo de contaminación ocasionada por el tungsteno. La mayoría de las fuentes de poder diseñadas para la SAETyG tienen un generador de alta frecuencia (oscilador de chispa) que sobrepone la alta frecuencia sobre el circuito principal de fuerza de soldadura. Cuando se suelda con CD con el electrodo al negativo o positivo, el interruptor de alta frecuencia debe ser colocado en la posición de AF inicial. Por lo que cuando el soldador presiona el pedal para empezar a soldar, se activa un temporizador que inicia la alta frecuencia y la detiene cuando se enciende el arco. Una vez encendido el arco, se conservará prendido aún después de que la alta frecuencia se apague, siempre y cuando, la corriente y la separación entre la punta y el metal base sean las apropiadas. Cuando suelde con CA el interruptor debe ser colocado en la posición de AF contínua, para asegurar que el arco se reencienda en cada mitad del ciclo. Los generadores de la alta frecuencia de las máquinas de soldar, producen frecuencias de radio en el rango de las comunicaciones. Por lo que los fabricantes de las fuentes de poder deben certificar que la radiación de las frecuencia de radio no exceden los límites establecidos por La Comisión Federal de Comunicaciones. El nivel de la radiación permitida puede dañar algunas computadoras y sistemas con microprocesadores o de comunicaciones. Se deben investigar las posibilidades de interferencia antes de que la alta frecuencia sea usada. Las instrucciones de instalación que se proporcionen con la fuente de poder deberán ser cuidadosamente estudiadas y seguidas, en lo que se refiere a la alta frecuencia.
4. Gradualmente incremente la corriente del arco hasta que se forme una bola en la punta del electrodo y después reduzca la corriente a cero y mida el diámetro de la bola. Repita este procedimiento hasta que sea obtenido el diámetro de la bola deseado.
3.3 Gases de Protección y Flujo del Gas El argón es el gas mas recomendado como gas de protección en la mayoría de las aplicaciones de soldadura con TyG ya que provee un arco suave a menor voltaje que con el helio. El flujo de gas depende del diámetro de la boquilla de la antorcha, la distancia de la antorcha a la pieza de trabajo y el movimiento del aire circundante. Los flujos mas 3 comunes estan en el rango de 0.42 a 0.85 m /hr (de 3 15 a 30 pies /hr). Para aprovechar el alto aporte térmico del arco originado por el uso del helio o las mezclas con helio, se recomiendan para la soldadura de piezas gruesas, para aquellos materiales con alta conductividad térmica y para materiales con un alto punto de fusión . En condiciones similares el flujo de helio deberá ser de dos a tres veces mayor que el argón para conseguir la misma protección de gas.
3.4 Antorchas El tamaño y tipo de antorcha para la SAETyG debe estar en base a el tipo de trabajo. Debe ser adecuada para la cantidad de corriente que se anticipa, será usada, sin que se sobrecaliente. Una antorcha demasiado grande causará fatiga en el operario además de que tendrá una pobre accesibilidad a algún tipo de juntas. Para aplicaciones en donde se usa baja corriente, el uso de una antorcha enfriada por gas es mas ligero y se elimina la necesidad de conexiones de agua. Se recomienda el uso de “lentillas de gas” en la boquilla de la antorcha para mejorar la eficiencia en la protección del gas inerte y reducir la cantidad del gas utilizado. El diámetro de la boquilla debe ser lo suficientemente grande para que proporcione una buena cobertura de gas inerte en la zona de soldadura pero que al mismo tiemp o sea accesible a la junta. La distancia que el electrodo se extiende mas allá de la boquilla o copa se determina por la configuración de la junta. Debe extenderse lo suficiente para alcanzar la junta y permitir que el soldador vea el arco pero no demasiado que permita que el aire se mezcle con el gas inerte y contamine la soldadura. Una e xtensión de 9.5 a 13 mm (3/8” a ½”) generalmente, será satisfactoria.
El encendido de arco también puede ser acompañado por un pulso de alto voltaje, de 2 a 3 KVolts con una duración de unos pocos milisegundos. El voltaje debe ser lo suficientemente alto para brincar del electrodo a la pieza de trabajo y con una duración suficiente que nos permita iniciar el flujo de corriente de soldadura. Un arco piloto entre el electrodo y un electrodo auxiliar en la antorcha provocarán que se establezca el arco entre el electrodo principal y la pieza de trabajo. Cualquiera de estos dos métodos de encendido de arco requieren de una fuente de poder especial adicional a la fuente de poder principal. El sistema de encendido por alto voltaje requiere de una fuente de alto voltaje que cargue los capacitares y un mecanismo que descargue a través de la separación entre el electrodo y el metal base. El método del arco piloto requiere de una fuente auxiliar de voltaje bajo y baja corriente así como una antorcha especial que incorpore el electrodo auxiliar. Las fuentes de poder con cualquiera de estos sistemas
3.5 Métodos de Encendido de Arco El arco de tungsteno con gas puede ser encendido de alguna de las tres formas siguientes: por toque de la pieza de trabajo con el electrodo, mediante el uso de alta frecuencia o
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son poco comunes y se emplean en las aplicaciones mecanizadas o automatizadas.
debe agregar un material de aporte para llenar la separación. Las láminas delgadas pueden estar dobladas o con forma de labios, en los extremos en tope. Esto ocasiona que se rellenen y nos ayuda a alcanzar una penetración completa usando corrientes de arco moderadas. Las juntas para placas mayores de 3 mm (1/8”) normalmente requieren de una preparación de los bordes, tal como la de un bisel sencillo, en “J” con ranura en “V”ó en “U”En placas mayores de 25 mm (1”) se pueden usar ranuras en doble “V” o doble “U”, si es que la junta tiene acceso por ambos lados. En la Figura 18 se enlistan las dimensiones recomendadas para juntas a tope vs. espesor del material. En los materiales gruesos puede ser mas económico realizar el paso de raíz y uno o dos pasos de relleno mediante la SAETyG y rellenar el resto de la junta usando un proceso con una tasa de depósito mas alta como el de electrodo revestido o MIG. Considerado que el factor mas importante es el metal base y los requisitos de calidad de la soldadura. En un acero al carbono, los procesos con electrodo revestido o MIG proporcionan una calidad de soldadura y propiedades aceptables de la junta. En el caso de las juntas de metales aleados, aceros inoxidables y aleaciones base níquel en las que aplican limitaciones mas estrictas tanto para los contenidos de porosidad como de las propiedades mecánicas, el proceso de SAETyG debiera ser el mejor para lograr soldaduras aceptables sin necesidad de retr abados.
3.6 Preparación de la Junta Antes de efectuar una soldadura en una diseño de junta dado, se deben de preparar los componentes de forma apropiada, lo cual incluye la preparación de la junta, limpieza y el arreglo de la junta.
3.6.1.2. Juntas de Traslape. Para las juntas de traslape en láminas o placas delgadas se requiere de un mínimo de preparación. Lo mas importante es que las láminas que se traslapen tengan un buen contacto a lo largo de toda la longitud de la junta, por lo que las rebabas o picos no deben de ocasionar áreas de separación. Las juntas de traslape de placas de 1/8” o de menor espesor pueden ser soldadas sin material de aporte sino sólo fundiendo el extremo de la placa de arriba con la de abajo. Se debe extremar los cuidados para asegurar que la soldadura está adecuadamente fundida con la placa de abajo sin que haya causado que se perfore o se pandee. Las juntas de traslape de de 3 a 6 mm (1/8” a ¾”) necesitarán de la adición de material de aporte en una o mas pasadas y debe tener cuidado de asegurar que el depósito esté adecuadamente fundido con la placa de fondo.
3.6.1 Diseño de la Junta Los tipos de juntas estándar que se usan en otros procesos de soldadura pueden ser usados en la SAETyG. El tipo de diseño de junta específico será determinado por un ingeniero o proyectista en base a los requisitos del componente, tipo de material y servicio. Los cinco tipos de junta básicos que se muestran en la Figura 17 son: a tope, de traslape, de esquina, de borde y en T, así como las juntas abocinadas para láminas.
3.6.1.1 Juntas a Tope. Una junta a tope con los bordes rectos se puede usar en materiales delgados de hasta 3 mm (1/8”) cuando se realice una soldadura de penetración completa, sin la adición de metal de aporte. Los bordes deben estar alineados correctamente con un mínimo de separación entre ellos. Cuando se colocan dejando una separación entre los bordes nos ayudará a conseguir una junta de penetración completa, pero se
6.1.3 Juntas de Esquina La preparación requerida para las juntas de esquina depende del espesor y el tipo de material, los extremos pueden estar a t ope con el
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extremo de una de las placas ligeramente traslapada al extremo de la otra placa. Para evitar que los extremos se separen o contraigan, se requiere del uso de algún dispositivo que sujete los extremos durante la soldadura. El área de la junta deberá estar limpia, es decir, libre de aceite, grasa, pintura, suciedad u óxido. Este tipo de juntas pueden soldarse fundiendo los extremos sin la adición de material de aporte. Si embargo, será necesaria una placa de respaldo para evitar se atraviese el metal durante la aplicación.. Los materiales mas gruesos requerirán de una preparación con bisel o con una ranura en “J” en una de las placas para permitir la penetración completa. Es importante que cuando se haga el maquinado de preparación de la junta a los extremos de la placa, se haga de forma recta y uniforme para conseguir que el arreglo de la junta sea el apropiado. Las juntas con los extremos biselados o con preparación en “J” requerirán de la
adición de material de aporte y de dos o más pasadas para concluir la soldadura. La cara de la raíz de la preparación de la junta debe ser de forma que se obtenga penetración completa en el primer pase per o lo suficientemente gruesa para evitar se atraviese el metal.
3.6.1.4. Juntas en T Ya que la mayoría de las juntas en T se usan para la soldadura de filete, normalmente se re quiere de la adición de material de aporte. Dependiendo de los requisitos de servicio, las soldaduras pueden las soldaduras pueden ser contínuas por ambos lados, intermitentes por ambos lados o intermitente por un lado y contínua por el otro. Cuando no se requiere de penetración completa, la única preparación de la junta, consiste en hacer cuadrado el extremo del
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miembro que se intersecta con la otra pieza. Si se requiere de penetración completa, en el miembro vertical de espesor de 6 mm (1/4”) o mayores, se recomienda que la preparación se haga por ambos lados, para disminuir la distorsión.
aporte se debe tener cuidado de no tocar la punta del electrodo de tungsteno debido a que esto lo contaminaría y causaría inestabilidad en el arco. Si esto ocurre, el electrodo deberá ser removido y afilado nuevamente o remplazado. Si se requiere mas de un paso, se debe de repetir el procedimiento hasta que se rellene la ranura
3.6.1.5. Juntas de Borde Las juntas de borde se usan normalmente para unir dos láminas delgadas a todo lo largo de uno de sus extremos, en común y expuestos. No se utiliza material de aporte debido a que los extremos de las dos piezas se van fundiendo conjuntamente para crear la unión. Una forma de unión de este tipo, es el que se usa para soldar la tapa que se inserta en los cilindros para cerrar uno de los dos lados. Una junta de borde contiene una grieta en la raíz, la cual es susceptible a fallar a esfuerzos de bajo nivel o a corrosión de la grieta, bajo cierto tipo de condiciones. Por lo que las condiciones de servicio así como el tipo de aleación del metal base debe ser evaluado cuidadosamente, antes de usar un diseño de junta de este tipo.
3.7 Manejo de la Antorcha Alimentación del Material de Aporte.
y
Para realizar una soldadura en la posición plana, asegúrese de que las superficies esten limpias y libres de escamas de óxido. Coloque la fuente de poder en CDEN (polaridad directa), ajuste el flujo de gas y aplique el valor máximo de corriente que sea requerido por la “Especificación del Procedimiento de Soldadura” (WPS por sus siglas en inglés). Sujete la antorcha con una mano, apuntando hacia la o dirección de viaje, en un ángulo de 75 (Figura 19A). Con el tungsteno a 6 mm (1/4”) aproximadamente del metal base, posteriormente pise el pedal y presione un poco para que se cierre el contactor y se inicie la alta frecuencia. Baje la antorcha suavemente hacia el metal base hasta que se encienda el arco y entonces incremente la corriente al amperaje requerido, presionando el pedal por completo y sostenga su pie en esta posición hasta que se forme el charco de soldadura (Figura 19B) Si usa la alta frecuencia, el interruptor del en el panel de control debe de estar colocado en la posición “Alta Frecuencia al Inicio” Con la otra mano, sostenga una varilla de aporte, extendiéndola a 250 mm (10”) y vaya alimentándola en el frente del charco de soldadura con una inclinación de 15 grados con respecto a la placa (Figura 19C) Retire la varilla de aporte del charco, ligeramente y funda el metal agregado, en el charco, con un movimiento hacia delante de la antorcha (Figura 19D y E). Para evitar que el extremo caliente se oxide, la varilla de aporte no debe ser retirada fuera de la protección del gas inerte. Mueva la antorcha hacia atrás ligeramente y alimente mas alambre dentro del charco y repita esta secuencia hasta que el paso de soldadura se haya completado. Cuando se esté agregando la varilla de
Con la soldadura de TyG es importante que el soldador use guantes para soldar en ambas manos. Los guantes protegen las manos y los brazos de la radiación del arco que puede causar quemaduras y algunos otros problemas mas serios. También es importante que la varilla de aporte se sostenga con guante para proteger al soldador de una descarga eléctrica, si es que llega a hacer contacto con el electrodo de tungsteno. Para soldar una junta a tope en la posición vertical, sostenga la antorcha a 90 grados de la superficie a soldar e inicie la soldadura en la parte de arriba de la junta. Forme el charco de soldadura, de la misma forma que se describe para la posición plana y mueva la mano hacia abajo, cuidando que no se forme un charco demasiado grande que se vaya a escurrir. Si es necesario agregar, material de relleno, vaya agregándolo delante del charco, sosteniéndolo a 15 grados hacia debajo de la junta. Agregue el aporte regresando ligeramente la antorcha y después avance para fundir el metal adicionado, repita esta secuencia hasta que la soldadura se haya completado. La principal diferencia entre las soldaduras verticales o sobrecabeza y planas es que el metal de soldadura
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fundido debe sostenerse en la junta debido a la tensión superficial. Si el charco es demasiado grande, la fuerza de gravedad será demasiado grande y el metal líquido se escurrirá. Es por esta razón que el tamaño del metal fundido debe de limitarse en las soldaduras verticales y sobrecabeza.
cualquier óxido o decoloración después de que la protección haya pasado. El flujo de gas en la barra de respaldo debe ser el justo ya que el espacio es reducido y encerrado. 3 Un valor de aproximadamente 0.14 m /hr (5 3 pies /hr) puede ser utilizado. El flujo en un tren de protección, puede ser igual o mayor el que se usa para una antorcha, es decir, de 0.56 a 1.4 3 3 m /hr (20 a 50 pies /hr). Los trenes de protección pueden tener formas curveadas para que se adapten alrededor de una junta cilíndrica o circular.
3.8 Gas de Respaldo, Trenes de Protección y Cámaras con Atmósfera Controlada. Cuando suelda metales y aleaciones que son sensibles a la contaminación por la atmósfera, es necesario proporcionar una protección de gas inerte muy limpia en toda la zona de soldadura. Esto aplica a las aleaciones de los metales reactivos, tales como: titanio, aluminio, zirconio, algunas aleaciones de níquel, aceros inoxidables y los metales refractarios como: columbio, tántalo y algunos otros. El gas inerte de la antorcha de la SAETyG no proporciona, por si misma , suficiente protección para soldar los grupos de las aleaciones antes mencionadas. La raíz de la soldadura y la parte superior, caliente, deben ser protegidas de la contaminación por el aire hasta que se hayan enfriado. La raíz de la soldadura puede ser protegida con gas inerte proveniente de una barra de respaldo con una ranura montada en un dispositivo para la soldadura. El gas inerte se introduce dentro de la ranura de respaldo a través de una serie de orificios a lo largo de la ranura (Figura 20). Un tren de protección el cual se monta en la antorcha para la SAETyG, puede ser usado para proporcionar una cubierta de gas inerte en la parte superior de la soldadura mientras se enfría. El tren de protección (Figura 21) consiste de un canal, abierto en el fondo y cerrado por ambos extremos, con uno de éstos adaptado y anexado a la antorcha de TyG. El gas inerte puede ser introducido por la parte de arriba o por el extremo opuesto del de la antorcha. Un bloque de material poroso o un bloque hecho de varias capas de de alambres muy delgados, como un tamiz, se adapta dentro del tren de protección, justo arriba del fondo del mismo. El propósito de este bloque es formar un flujo uniforme, sin turbulencias que cubra con gas inerte la zona caliente de soldadura hasta que se enfríe a una temperatura a la que no se oxidará o que sea contaminada por el aire. La longitud y ancho del tren de protección dependerá del tamaño de la soldadura, el calor aportado y la velocidad de avance. Para la soldadura manual en la que la velocidad de avance y la energía aportada son bajas, se podría usar un tren de protección corto pero debería de ser lo suficientemente ancho si el soldador lleva la antorcha de lado a lado. Un tren de protección mas grande sería requerido para aplicaciones de soldadura mecanizadas o automatizadas, en las que las velocidades y energía aportada son mucho mas altas que en la soldadura manual. La longitud del tren de protección y el flujo de gas inerte debe ser tal que la parte superior del cordón de soldadura quede libre de
La mejor atmósfera de gas inerte puede ser obtenida realizando la soldadura en una “cámara de atmósfera controlada” o “compartimiento”. Las piezas que serán soldadas, el herramental, la antorcha y el metal de aporte, se colocan dentro de la cámara antes de cerrarla y rellenarla con gas inerte. En el caso del “compartimiento”, se purga el interior con gas inerte, como el argón, hasta que el nivel de oxígeno y nitrógeno se reduzcan a un nivel aceptable. Esto puede requerir una cantidad de gas inerte de hasta ocho veces mas que el usado para una cámara de atmósfera controlada. En una cámara de vacío, se colocan todos los accesorios necesarios antes de que se realice la evacuación del aire. . El nivel de
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evacuación dependerá de la pureza de atmósfera que se requiera y de la capacidad de la bomba. Un buen sistema mecánico de bombeo debe de evacuar a 1 x 10-1 Torr (10 a 20 Micrones), una bomba de difusión -4 puede realizar una evacuación a 1 x 10 Torr (0.1 Micrón). Normalmente la cámara debe ser evacuada una sola vez y posteriormente, llenarla con gas inerte para que quede lista para la operación de soldadura.
ajustar la longitud del arco y la alineación con la junta, si es necesario, como en le caso de las soldaduras lineales. El metal de aporte se puede agregar mediante el uso de sistemas de alimentación de alambre sin estar electrizado como los descritos en la Sección 2.8 La guía de alambre debe estar ajustada para que alimente el alambre delante del charco de soldadura y la velocidad de alimentación de alambre se ajusta a un valor que permita que el alambre se funda dentro del charco sin que lo enfríe.
Los puertos de maniobra deben ser cubiertos con placas durante l a evacuación del gas para evitar que los guantes sean succionados dentro de la cámara y se rompan. En el espacio entre los guantes y las cubiertas de los puertos de debe conectar por un tubo hacia la cámara principal para balancear la presión detrás de los guantes. Es necesario cerrar con una válvula el tubo, después de que el sistema a llenado con gas inerte y antes de quitar las placas. La presión dentro de la cámara tienen que ser ajustada, de forma que los guantes al salir, cuelguen suavemente.
4.2 Cómo Definir los Parámetros de Soldadura. El tipo de electrodo de tungsteno, la configuración de la punta, el rango de corriente, el gas inerte, la cantidad de flujo y la velocidad de avance deben de ser establecidos de acuerdo al procedimiento (WPS) para el tipo de componente que está siendo soldado. Si no existe un procedimiento (WPS) para el trabajo que se realiza, los parámetros deben desarrollarse experimentalmente, considerando los datos del manual o de otra información publicada para el material que se trate.
La pureza del gas dentro de la cámara puede ser verificada soldando una pieza de tita nio y observando la superficie de la soldadura., la cual debe ser de un color metálico brillante sin alguna otra coloración. Un color bronce pálido indicará una ligera presencia de aire. Si el color es de un azul claro a un azul fuerte, indicará un incremento en el nivel de contaminación. Un color blanquisco con escamas indicará un alto nivel de contaminación de aire.
Para la soldadura automatizada o mecanizada con TyG la antorcha es montada en un soporte y un mecanismo mecánico proporciona un movimiento relativo entre la antorcha y la pieza de tr abajo
Generalmente, los factores que se tienen que considerar para la soldadura manual con TyG, también deben ser considerados para la soldadura con TyG mecanizada o automatizada, tales como, la corriente, el voltaje, el gas de protección, diseño de junta, preparación de la junta y varilla de aporte. La principal diferencia entre la soldadura manual y la mecanizada o automatizada es que la velocidad de avance, la corriente y la velocidad de alimentación del alambre pueden ser mas altos para las soldaduras mecanizadas y automatizadas. Con velocidades de avance mas altas y corrientes mas altas, el depósito de soldadura se mantendrá suficientemente caliente para oxidarse después de que haya pasado la antorcha y por esto se recomienda el uso de los trenes de protección para las soldaduras mecanizadas y automatizadas en todo tipo de material. Un tren de protección es indispensable usarse en el caso de metales reactivos o refractarios, tales como el titanio y columbio, pero es fuertemente recomendado para los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel y cobalto.
4.1 Soldadura Mecanizada Básica
4.3 Control de la Velocidad de Avance.
En la forma mas simple, la antorcha se monta en un carro de transporte y las piezas se colocan en un dispositivo en una posición fija. La antorcha se alinea en dirección a la junta y se ajusta para que se mantenga la correcta longitud de arco. Después de encender el arco e iniciar la soldadura es posible que se requiera reajustar la alineación y la longitud del arco. Si es que se va a soldar una junta cilíndrica, la antorcha será montada en posición fija y las piezas girarán debajo del arco. Es posible que se requieran
En la soldadura mecanizada, el mecanismo de avance debe estar integrado con un control de velocidad para que cuando se actúe proporcione una velocidad uniforme en todo el rango de medición. Los controles electrónicos de retroalimentación de velocidad que usan los motores eléctricos y las cajas de engranes proveen el rango de velocidad necesario. Estos controles pueden usar el voltaje de la armadura del motor o el voltaje del tacómetro del motor para sensar el voltaje de control. Este voltaje se balancea contra el voltaje de referencia en el c ontrolador, el
Los puertos de acceso y los guantes son necesarios en la cámara de soldadura aún si la operación se realiza de forma automática. Después de que todos los componentes se colocan en la cámara y se llena con gas inerte será necesario activar y desactivar los mecanismos, alinear la junta, cambiar los electrodos y hacer otros ajustes que requieren que el operario alcance con las manos dentro de la cámara.
4.0 TECNICAS APLICACIÓN PARA LA SOLDADURA AUTOMATICA
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4.5 Control del Voltaje de Arco (Longitud del Arco)
cual ajusta la corriente al motor para mantener la velocidad requerida. El movimiento relativo pude ser alcanzado teniendo los componentes montados en una posición fija y la antorcha de SAETyG montada en un tractor o anexa a una viga transportadora que mueve la antorcha a lo largo de la junta, lo cual es lo mas usual en juntas muy largas. Para juntas cortas, los componentes pueden ser montados en un carro de transporte y la antorcha montada en un soporte ajustable, fijo. Este montaje fijo de la antorcha, también puede usarse para juntas de soldaduras cilíndricas, en la que la pieza está rotando, bajo la antorcha. Y donde el mismo giro del motor de CD con control de velocidad electrónico, se usa para el movimiento rotacional.
Para cada tipo de gas, la longitud del arco es una función del voltaje de arco. Por lo que, la longitud de arco puede ser controlada automáticamente, si se mantiene el voltaje de arco correspondiente. En la unidad de control se establece el voltaje de arco deseado el cual se balancea con el voltaje que medido a través del arco. La diferencia entre estos dos voltajes se procesa por la unidad de control para producir una corriente de salida al motor, la cual lo hará girar en una dirección hasta que los dos voltajes esten balanceados. Una longitud de arco larga, producirá un voltaje mas alto que causará que el motor rote en una dirección para reducir el voltaje hasta que se iguale con el voltaje que se preseleccionó. Si la longitud de arco e s muy corta, el voltaje de arco bajo, enviará la señal al motor para que gire en la dirección contraria hasta que el balance sea logrado.
4.4 Control de Velocidad de Alimentación del Alambre La velocidad de alimentación de alambre en “frío” para la SAETyG es de la décima parte de la velocidad de alambre que se usa para en el proceso MIG. Los componentes del sistema de alimentación son: los rodillos, el motor de alimentador con cajas de engranes, control de velocidad, tubos guías, boquilla del alambre y portacarrete. Estos componentes son similares a los requeridos en MIG, con excepción de que la velocidad de alimentación es mas lenta y no se necesita que exista contacto eléctrico con el alambre. A cambio, se requiere una boquilla para que el suministro de alambre se posicione en el lugar correcto en el charco de soldadura.
Las unidades de control mas avanzadas, tienen capacidad de controlar el voltaje de arco dentro de 0.1 volt y además utiliza circuitos que responden rápidamente a los cambios en la longitud de arco a pesar de ser muy repetitivos ni tampoco se atoran. Los motores usados en estos controles son los del tipo de CD de imán permanente o a pasos.
4.6 Programas para Soldadura. Los programas para soldadura pueden controlar todos los parámetros para el proceso con TyG: la corriente de arco, el voltaje, la velocidad de avance, la velocidad de alimentación de alambre y el flujo de gas. Se utilizan microprocesadores para iniciar o parar la corriente del arco, el viaje, la alimentación de alambre y el flujo de gas así como para fijar valores preestablecidos. El microprocesador puede variar estos valores a lo largo de la junta cuando debido al espesor o a otros factores se requiera realizar algún cambio. La mayoría de las fuentes de poder modernas para la SAETyG tienen la capacidad de poder ser controladas por un microprocesador o mediante un controlador externo. Los voltajes de referencia para el control de voltaje de arco, la velocidad de avance y la velocidad de alimentación de alambre son proporcionados por el microprocesador que alimenta a la unidad de control de cada una de estas funciones.
La mayoría de los alimentadores suministran el alambre a una velocidad constante preestablecida. Sin embargo, hay algunos que suministran en pequeños incrementos, avanzando y parándose o avanzando y retrayéndose para simular la acción manual del soldador que alimenta de poco a poco. Este tipo de alimentadores requiere de un control diseñado especialmente, que permita establecer la velocidad de avance y el tiempo y la velocidad de regreso y tiempo. Esto puede lograrse con una unidad de control con un microprocesador que haga que el motor invierta la dirección dos veces por cada incremento del alambre. Otra forma de lograrlo, es conectar dos motores a un diferencial de engranes, uno de los cuales, girará hacia delante con velocidad constante y el otro girará intermitentemente en dirección opuesta para crear una retracción del alambre. Esta acción de avance y retroceso en la alimentación es muy útil en la reconstrucción de bordes de componentes muy delgados, en los que una alimentación contínua, produciría un cordón excesivamente ancho o con bordo.
Existen máquinas integradas para soldar especialmente diseñadas y construidas que manejan una gran variedad de aplicaciones automáticas con la SAETyG.. Estas máquinas integradas pueden estar diseñadas para recibir partes de una banda transportadora, ensamblarlas, verificar la alineación de la junta, efectuar las soldaduras que se necesiten y lanzarlas hacia un contendor o hacia otro sistema de transporte. Una o mas de las soldaduras pueden ser hechas en la pieza de manera simultánea o usando
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una secuencia ya sea con una o varias fuentes de poder y controles. Muchas compañías diseñan y construyen máquinas integradas para soldaduras con propósitos específicos. Este tipo de diseño de equipos puede incluir todos los componentes para realizar la soldadura que se requiera (fuente de poder, unidades de control, alimentadores, antorcha, mecanismos de viaje de las piezas de trabajo, etc.) así como la integración a los equipos existentes con los que cuenta el cliente.
manual en la que el soldador mueve la antorcha hacia atrás y hacia delante y adiciona el metal de aporte de poco a poco o en pequeños i ncrementos. El proceso automático, con alimentación y corriente pulsados nos proporciona mejor control y depósitos mas uniformes que los que pueda conseguir el soldador mas experimentado. Cuando se usa la corriente y alimentación contínua se tiene la tendencia de que el depósito se haga desborde o se resulte demasiado grueso en la reconstrucción de los extremos finos de una pieza. Cuando ambos parámetros se pulsen, es necesario que se haga de manera sincronizada para que la corriente alta del pulso coincida con el pulso de alimentación y que el alambre se vaya fundiendo en el extremo del cordón. Cuando la corriente disminuye permita que el depósito solidifique antes de repetir el ciclo.
Antes de diseñar y construir una máquina integrada de soldar, el proceso y la aplicación deben ser estudiados cuidadosamente y realizar las pruebas que aseguren que el proceso de soldadura y la técnica utilizada funcionarán satisfactoriamente. En ocasiones, tan solo un pequeño cambio en la configuración puede simplificar el trabajo o incrementar el potencial de que se obtengan buenas soldaduras y esto siempre debe ser considerado cuando se diseñe un sistema de soldadura automático.
4.8 Herramental y Gas de Respaldo. El herramental para la SAETyG automatizada debe ser diseñado y construido para el trabajo en específico que se pretende realizar por lo que se deben de considerar los siguientes principios
4.7 Corriente Pulsada y Alimentación en Pulsos.
1. El herramental debe ser lo suficientemente robusto para sujetar los componentes en su lugar sin que se muevan de su posición o se deformen mientras se aplica la soldadura sin el uso de cubiertas masivas.
Pulsar la corriente en el proceso de soldadura de TyG, proporciona mayor penetración y una relación entre la profundidad y el ancho del cordón, mayor que la obtenida por una soldadura de TyG con salida continua y el mismo valor de calor de aporte. Pulsar es mas efectivo a velocidades de pulso bajas como por ejemplo, una pulsación por segundo a una amplitud de pulso alta. La principal ventaja del pulsado es en materiales delgados, pasos de raíz y aplicaciones en bordes delgados. También, el pulsado reduce el nivel de habilidad de un operario que es necesario en los trabajos críticos. En los materiales delgados y pases de raíz, un valor de corriente alto, con una duración corta del pulso puede lograr rápidamente una penetración completa. Por lo que es posible evitar un exceso de fusión y deformación debido a que la corriente desciende rápidamente al valor de fondo al finalizar el pulso. En el modo de corriente pulsada, el calor de soldadura se aplica rápidamente a la junta y causa la fusión de una área pequeña. Si se aplicara una corriente alta de forma constante ocasionaría una excesiva fusión a menos que se incremente la velocidad de avance significativamente. A una velocidad de avance alta, el metal fundido en la junta tiene la tendencia a conformarse irregularmente en los extremos en lugar de fluir uniformemente entre ellos. La técnica de corriente pulsada hace que la corriente disminuya antes de el charco sea demasiado grande para poder controlarlo.
2. El herramental debe estar hecho de un material no magnético, como el acero inoxidable, bronce, aluminio o cobre. Los aceros al carbono o de baja aleación pueden provocar problemas de soplo magnético o arco errático, además de que es mas difícil mantenerlos limpios y libres de oxidación. Los herramentales se pueden hacer de diferentes materiales para aprovechar las propiedades de los mismos. Si se usa el cobre para el enfriamiento, se debe recubrir de níquel donde las piezas hacen contacto para evitar que el cobre se adhiera. Esto es muy importante cuando se sueldan aceros al carbono o aleados y aleaciones de cobalto, en los que puede ocurrir una penetración intergranular de cobre. 3. Las prensas de sujeción o el herramental de sujeción, deben estar diseñados para una operación rápida, como las prensas de palanca En los soldadoras totalmente automatizadas se usan prensas de acción mediante sistemas neumáticos o hidráulicos. 4. El herramental debe proporcionar un respaldo de gas inerte para proteger todas las soldaduras que se realicen. Las barras de respaldo para cada soldadura deben tener ranuras de alivio, centradas bajo l a unión, las cuales deben estar conectadas a una fuente de suministro de gas. La “cara” de los cordones se protegerá con el gas inerte de la antorcha o del “tren de protección gaseosa” por lo que parte del
El modo de corriente pulsada combinado con una alimentación pulsada es lo mas apropiado para la reconstrucción de bordes como los sellos rotatorios de las turbinas de gas. Ya que esta técnica simula a la
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herramental debe incluir pantallas a lo largo de toda la junta para mantener el gas inerte sobre las soldaduras durante el enfriamiento y reducir las corrientes de aire.
aluminio como desoxidante adicional. Otra clasificación de los aceros al carbono es en base a su contenido de carbono: aceros bajo carbono, hasta con 0.15% de C; aceros dulces con 0.15 a 0.29% de C; aceros medio carbono con 0.30 a 0.50 % de C y los aceros alto carbono de 0.50 a 1.00 % de C.
4.9 Protección Auxiliar
La soldabilidad (b) de los aceros al carbono y los de baja aleación está en f unción del endurecimiento del acero, el cual depende del contenido de carbono y la cantidad de otros elementos que incrementen el grado de endurecimiento. El carbono determina la dureza máxima alcanzable y los elementos de endurecimiento como el cromo y el manganeso determinan la velocidad de enfriamiento necesaria para transformar la austerita (c) en un 100 % de martensita (d) que brinda la máxima dureza. La zona afectada por el calor y el calor de la zona de fusión combinados con el usual y rápido enfriamiento, transformarán a martensita si el carbono y el contenido de aleantes es suficientemente alto. Debido al contenido alto de carbono, la martensita es muy dura y con una baja ductilidad por lo que la formación puede conducir a un agrietamiento. Los dos métodos para reducir la velocidad de enfriamiento para prevenir la formación de martensita y por lo tanto, prevenir el agrietamiento, son: el precalentamiento y el uso de un aporte térmico alto.
Para la soldadura mecanizada o automatizada en las que la velocidad de avance es alta, es importante que se suministre de gas inerte de protección la superficie del cordón, mientras se enfría. Lo cual puede ser efectuado mediante un “tren de protección ” o una cámara de atmósfera controlada como la descrita en la Sección 3.8. El “tren de protección” en combinación con el gas de respaldo son capaces de proporcionar la protección adecuada para la mayoría de los materiales y aplicaciones, además de ser de mucho menor costo que las cámaras de atmósfera controlada. Las aleaciones de titanio pueden ser soldadas usando un “tren de protección” diseñado especialmente para adaptarse específicamente a la unión. El uso de sellos flexibles en el fondo del “tren de protección” ayudarán a prevenir la entrada de aire a la zona de soldadura mientras aun esté caliente. Las aleaciones de circonio, columbio y tántalo son mas sensibles a las atmósferas contaminadas en pequeña cantidad. Por lo que este tipo de materiales debe ser soldado en cámaras de atmósfera al vacío, rellenadas con argón o helio, grado soldadura. Antes de que las piezas sean soldadas usando un “tren”, un respaldo o con la ayuda de una cámara, se debe correr una prueba y examinada para localizar cualquier si gno de contaminación así como de alguna coloración superficial.
5.0 SOLDADURA MATERIALES
DE
(a) Endurecimiento – Es la propiedad de los aceros que determina la profundidad y distribución de la dureza que se obtiene con el templado. (b) Soldabilidad – la capacidad de un material de ser soldado bajo condiciones de fabricación impuestas, dentro de una estructura en específico y apropiada, para que tenga un desempeño satisfactorio durante el servicio para el que fue diseñada.
LOS
En esta sección se discuten las técnicas especiales así como las precauciones que deben considerarse cuando se sueldan los varios tipos de grupos de materiales y sus aleaciones. También se establecen los parámetros y los materiales de aporte que se utilizan y algunas otras recomendaciones pertinentes. Sin embargo, estos parámetros deben considerarse como punto de partida para definir los parámetros de trabajo reales, los cuales deben ser desarrollados soldando algunas muestras y realizando un examen cuidadoso.
(c) Austenita – Una solución sólida de carbono y otros elementos en el hierro cúbico de caras centradas. Esta estructura se obtiene en los aceros al carbono y de baja aleación cuando son llevados a o temperaturas entre los 870 y 1090 C (de 1600 a 2000 o F) (d) Martensita – Una fase del acero inestable que se forma por la transformación de la austerita, durante el enfriamiento por debajo de la temperatura Ms, o normalmente entre los 200 y 300 C (de 400 a 600 o F). Es una solución sólida intersticial, sobresaturada del carbono, dentro del hierro y que tiene una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo, la cual es mas dura y frágil a mayor contenido de carbono. Se caracteriza por tener una forma de agujas.
5.1 Aceros al Carbono El término de acero al carbono, cubre un grupo de aceros en los que los elementos de aleación principales son: carbono hasta 1.0 %, el manganeso hasta 1.65% y el silicio hasta 0.60% El carbono es el elemento de endurecimiento, el manganeso incrementa la dureza (a) y se asocia con el azufre residual como sulfuro de manganeso, el silicio actúa como desoxidante. En algunas ocasiones se agrega
Los aceros al carbono y de baja aleación son susceptibles a la fractura por hidrógeno inducido y esta susceptibilidad se incrementa con el contenido
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de carbono. Este efecto también se incrementa con el aumento en el espesor. Por lo que se deben usar los procedimientos de soldadura tipo bajo hidrógeno para los materiales que sean susceptibles, asegurándose que el metal base y los materiales de aporte deben estar limpios y que la atmósfera no contenga humedad o algún otro contaminante. La SAETyG es un proceso de soldadura bajo hidrógeno.
formar monóxido de carbono que compensa la contracción debida a la solidificación. (c) Aceros Calmados – Son aceros desoxidados mediante un agente desoxidante poderoso como el silicio o aluminio para reducir el contenido de oxígeno a un nivel en el que no ocurra una reacción entre el carbono y oxígeno, durante la solidificación. La mayoría de los aceros que se usan, hoy en día, son aceros calmados.
Los aceros bajo carbono pueden ser suministrados como aceros efervescentes (a) , semicalmados (b) o calmados (c) y son fácilmente soldables sin necesidad de precalentamiento. Los aceros efervescentes no estan desoxidados y tienen una gran tendencia a formar porosidad en la soldadura si no se usa un material de aporte que contenga desoxidantes.
5.2 Aceros Baja Aleación Los aceros baja aleación se clasifican en tres grupos de aceros que contienen un máximo de 6 % de aleación aunque hay algunos cuyo contenido es un poco mayor.
Los aceros dulces, normalmente pueden ser soldados con el proceso de TyG sin necesidad de precalentamiento aunque es requerido el uso de un procedimiento de soldadura que sea el adecuado. Los parámetros aproximados para la soldadura de estos aceros estan enlistados en la Tabla 4. Los aceros de medio carbono tienden a un mayor endurecimiento y generalmente requieren de un precalentamiento de o o 200 a 300 C (400 a 600 F) y además pueden requerir de un postcalentamiento, un revenido o un tratamiento de relevado de esfuerzos. Los aceros con alto carbono tienden a desarrollar una dureza de tratamiento térmico de hasta 63 HRC y son usados para la fabricación de herramientas y troqueles que generalmente no requieren de soldadura. Pueden ser soldables pero requieren un precalentamiento de 250 o o a 300 C (500 a 600 F), una temperatura de interpaso o de 230 a 250 C (450 a 500 oF) y un tratamiento térmico de revenido posterior a la soldadura. El proceso de SAETyG, normalmente no se usa para para la soldadura de aceros al carbono a excepción de la aplicación de láminas delgadas, pasos de raíz en placas gruesas y tubería. Los pasos de relleno en las juntas de placas gruesas y de tubería se efectúan con otros procesos debido a que la tasa de depósito con el proceso de SAETyG es demasiado lento y no es rentable. Cuando se realicen los pasos de raíz o de fusión en materiales delgados, se recomienda que el fondo sea protegido con argón o CO 2 para evitar la formación de óxido y fomentar una superficie lisa de la raíz, sin porosidad ni marcas.
Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA por sus siglas en inglés) son el grupo que corresponde a la especificación de ASTM para placas, formas estructurales y tubería. Son suministrados en la condición de rolado normal, rolado controlado o normalizado. El contenido de carbono es menor de 0.30% Estos aceros se usan en la construcción de grandes estructuras como las de los edificios, puentes y recipientes a presión y con excepción de la SAETyG se usa cualquier otro proceso de soldadura para unirlos. Sin embargo, los pasos de raíz de las juntas para recipientes a presión y tubería se pueden hacer con el proceso de SAETyG. En estos aceros se deben usar prácticas de soldadura tipo bajo hidrógeno o o y precalentamientos de hasta 150 C (300 F). La temperatura de precalentamiento dependerá del tipo de acero en particular y se incrementará con el espesor del acero. Los materiales de aporte deben una composición como la del metal base o estar tan cercana como sea posible. Los parámetros de soldadura aproximados que se dan en la Tabla 4 pueden ser usados para estos aceros. Los aceros templados y revenidos (Q&T por sus siglas en inglés) contienen menos del 0.30 % de carbono y tienen composiciones similares a los aceros HSLA pero con mayor contenido de cromo y molibdeno. La principal diferencia, es que estos aceros son suministrados en la condición de tratados térmicamente que consiste en austenizarlos (a) templarlos (b) y revenirlos (c) Con lo que se consiguen muy buenos valores de resistencia a la cedencia, de 350 a 1000 MPa (50 a 150 ksi), tenacidad, ductilidad y resistencia a la corrosión. Estos aceros al igual que los aceros HSLA, se usan principalmente en construcción y en l a fabricación de los recipientes a presión y para estas aplicaciones no se usa el proceso de SAETyG. Para este tipo de aceros con resistencias a la cedencia mayores de 690 MPa (100 ksi), los procesos MIG y SAETyG son los preferidos, especialmente en los componentes pequeños. Los aceros Q&T requieren de un control cuidadoso de la velocidad de enfriamiento de la
(a) Aceros Efervescentes – Es un acero bajo carbono que no está desoxidado por lo que contiene suficiente óxido de hierro para generar contínuamente monóxido de carbono mientras el lingote se está solidificando, lo que produce una masa de metal virtualmente libre de cavidades. Las láminas y los productos estirados a partir de estos lingotes presentan una buena calidad superficial. (b) Aceros Semicalmados – Son aceros con una desoxidación parcial que contienen suficiente oxígeno disuelto que reacciona con el carbono para
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soldadura para evitar perder el valor de la resistencia de la soldadura y en la zona afectada por el calor: Una velocidad de enfriamiento demasiado rápida producirá una estructura martensítica muy dura y frágil, mientras que una velocidad de enfriamiento muy lenta producirá una mezcla de estructuras de ferrita (d) martensita de alto carbono, bainita gruesa (e) y martensita sobrerevenida. Esta combinación de estructuras produce una zona afectada por el calor con la resistencia y tenacidad, reducidas. La velocidad de enfriamiento puede ser controlada seleccionando la temperatura de precalentamiento y el aporte de energía de soldadura, apropiados, lo cual dependerá del tipo de acero y espesor. Las temperaturas de precalentamiento normalmente andan entre los 10 a 150 oC (50 a 300 oF) y para los espesores mayores de 50 mm ( 2 pulg) se usa o únicamente la temperatura de 150 C. Se deben usar procedimientos tipo bajo hidrógeno para evitar o grietas bajo el cordón así como un mínimo de 38 C o (100 F) de precalentamiento para retirar la humedad del área de la junta. Los datos del manual y las recomendaciones del fabricante del acero deben ser usadas para establecer el precalentamiento, material de aporte y parámetros de s oldadura para cada tipo de acero y espesor. El material de aporte normalmente debe igualarse o ser lo mas cercano al metal base.
(b) Templado – Enfriamiento rápido por inmersión en agua, aceite, chorro de aire o rocío con agua. (c) Revenido – Recalentamiento de un acero endurecido por temple por debajo de la temperatura de transformación y un enfriamiento a la velocidad deseada. Este tratamiento normalmente disminuye la dureza pero aumenta la tenacidad. (d) Ferrita – Una solución sólida de carbono y otros elementos en la microestructura del hierro, cúbica centrada en el cuerpo, la cual es estable a o o temperaturas por debajo de los 700 C (1300 F). (e) Bainita – Un microestructura que se genera a partir de la austenita y que se forma cuando se enfría rápidamente desde la temperatura de austenización a una ligeramente arriba de la temperatura Ms y manteniéndola. La estructura está formada de agregados de ferrita fina y carburos. Esta microestructura tiene apariencia de plumillas. Los aceros baja aleación que responden al tratamiento térmico (HTLA, por sus siglas en inglés) en el rango de carbono entre 0.25 y 0.45 % con pequeños contenidos de Cr, Ni y Mo para mejorar el endurecimiento. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente con lo que se obtienen niveles de resistencia de mas de 1400 MPa (200 ksi) y durezas de hasta 60 HRC. Estos son s oldados, normalmente
(a) Austenización – Es el calentamiento de un acero a la temperatura de transformación hasta conseguir una transformación parcial o completa a austenita
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en la condición de recocido o con un revenido a mas temperatura y posteriormente tratados térmicamente hasta obtener la dureza requerida. Debido a que estos aceros presentan un alto endurecimiento, se debe de emplear un adecuado precalentamiento, un aporte térmico y temperatura de interpaso, apropiados, con el fin de evitar el agrietamiento en frío. Ya que estos aceros se usan primordialmente para componentes relativamente pequeños es posible realizarles un tratamiento térmico posterior al proceso de soldadura. La temperatura de precalentamiento dependerá de la aleación en particular y el espesor en un rango de 10 o o a 290 C (50 a 550 F). Se debe de tener un cuidado extra para asegurar que el área de la junta esté limpia y libre de óxido, suciedad, grasa o cualquier tipo de material orgánico. Y usar procedimientos de soldadura del tipo bajo hidrógeno. Este tipo de aceros normalmente son fundidos en vacío para producir un acero con muy bajas impurezas. Para realizar las soldaduras de estos aceros con una limpieza equivalente, los materiales de aporte así como la atmósfera deben estar limpios. La SAETyG es el proceso de soldadura de arco, preferido para los aceros HTLA debido a que tiene la capacidad de producir soldaduras con el contenido de hidrógeno mas bajo. Las recomendaciones para los procedimientos de soldadura, parámetros y materiales de aporte, pueden ser obtenidos de manuales o de los fabricantes de los aceros. Sin embargo, los parámetros de la Tabla 5 se pueden usar como punto de partida.
cantidades de elementos como el Mo, Ti, Cb y Ta. Como el nombre lo dice, estos aceros se mantienen austeníticos a temperatura ambiente y a muy bajas temperaturas. Se caracterizan por una muy buena ductilidad, tenacidad y soldabilidad. Sin embargo, se deben de considerar varios factores para obtener una buena soldadura. Lo primero es que los aceros inoxidables austeníticos tienen un alto coeficiente de expansión térmica que es un 50% mayor que el de los aceros al carbono y de baja aleación. Esto puede ocasionar esfuerzos de contracción muy altos que produce alabeo o agrietamiento en caliente. Estas condiciones se pueden disminuir usando un bajo calor de aporte y con el uso de diseño de juntas que disminuyan la cantidad de material de aporte requerido. La baja conductividad térmica es una ayuda debido a que el calor de la soldadura se disipa mas lentamente que en los aceros al carbono. El uso de algunos dispositivos puede reducir la distorsión pero también puede desarrollar esfuerzos residuales mas altos. Los aceros inoxidables austeníticos son susceptibles a la precipitación de carburos de cromo en la zona afectada por el calor, lo que ocurre entre los 425 y o o 870 C (800 a 1600 F). Este fenómeno que también se le conoce como “sensibilización” remueve el cromo en solución hacia los límites de grano y reduce la resistencia a la corrosión Estas áreas pueden ser atacadas por algún medio corrosivo y producir una severa corrosión intergranular. El remedio para este problema es soldar con bajo aporte térmico para reducir el tiempo de permanencia dentro del rango de las temperaturas de sensibilización, usar metales base y materiales de aporte de aceros inoxidables Bajo Carbono grado “ L” ( Low = Bajo) o mediante el uso de aceros inoxidables estabilizados que contienen Ti, Ta ó Cb, los cuales reaccionan con el carbono, dejando el cromo en la solución.
5.3 Aceros Inoxidable Los aceros inoxidables se definen como aquellas aleaciones base hierro que contienen al menos 11 % de cromo. El cromo les proporciona la resistencia a la oxidación y corrosión debido a la formación de una capa muy tenaz de óxido de cromo. También se adicionan otros elementos para mejorar la resistencia a la corrosión y al tensión. Hay cinco clasificaciones de aceros inoxidable: austeníticos, ferríticos, martensíticos, duplex y de endurecimiento por precipitación. Existen un gran número de aleaciones de estas clasificaciones y la mayoría pueden ser soldables con la SAETyG si se usan los procedimientos correctos. Los parámetros aproximados para soldar estos aceros inoxidable se dan en la Tabla 5. La composición del alambre de aporte debe ser la recomendada por el fabricante de cada tipo de acero. Todos los aceros inoxidables requieren del uso de un respaldo de argón en la parte posterior, en las juntas sin respaldo sólido para evitar la formación de óxido de cromo durante la soldadura
Otro problema son las grietas cortas en caliente que se producen mientras se enfría la soldadura. Aunque los metales base normalmente son 100 % austeníticos, se ha descubierto que los depósitos de soldadura que contengan de 3 a 10 % de ferrita serán mas resistentes al agrietamiento en caliente que los alambres de aporte 100 % austeníticos. Por lo que los alambres de aporte que produzcan depósitos de soldadura con este rango de ferrita prevendrán la formación de grietas en caliente. El nivel de ferrita puede ser medido con un instrumento llamado “ferretoscopio” o calculado a partir de la composición química usando los diagramas de Schaeffler, De Long ó el WRC 1988. No se debe usar mas ferrita de la necesaria, para evitar el agrietamiento, debido a que la ferrita puede formar la Fase Sigma (compuesto intermetálico de hierro y cromo) si se exponen a periodos prolongados de servicio entre los 540 y 870 oC (1000 y 1600 oF): La fase sigma reduce la ductilidad, tenacidad y la resistencia a la corrosión.
5.3.1 Aceros Inoxidables Austeníticos Los aceros inoxidables austeníticos básicos contienen 18 % de Cr y 8% de Ni, comúnmente conocidos como 18-8 ó AISI 304. Algunas variaciones tienen hasta 26 % de Cr y 22 % de Ni con pequeñas
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Sin embargo, en los primeros aceros Fe-Cr con niveles de carbono mas alto se puede formar algo de austenita durante el calentamiento que se transformará en martensita durante el enfriamiento ocasionando agrietamiento cuando se somete a o esfuerzos altos. Un precalentamiento de 150 C (300 o F) o mayor puede disminuir los esfuerzos y el agrietamiento Los alambres de aporte utilizados para la soldadura de estos aceros debe ser igualados o con la composición que mas se les acerque. Para uniones de materiales disímiles se pueden usar tanto aportes de inoxidables austeníticos como aleaciones base níquel.
5.3.2 Aceros Inoxidables Ferríticos Los aceros inoxidables ferríticos son principalmente aleaciones Fe-Cr con suficiente cromo y otros elementos estabilizadores de la ferrita para evitar la formación de austenita durante un tratamiento térmico u durante la soldadura. Debido a que no ocurre alguna transformación de estos aceros con el calentamiento, no son tratados térmicamente ni pueden ser endurecidos. Los primeros aceros inoxidables ferríticos Fe-Cr contenían suficiente carbono para hacerlos susceptibles a la precipitación de carburos intergranular en la zona afectada por el calor, por soldadura, a menos que se realizara un post tratamiento térmico de redisolución de carburos. Los aceros inoxidables ferríticos, posteriores, contenían formadores de ferrita, formadores de carburos y muy bajo carbono lo cual reduce la susceptibilidad a la precipitación de carburos.
El proceso de SAETyG se debe emplear con CD y el electrodo al negativo y la protección gaseosa con argón, helio o una mezcla de los dos. No se recomienda la soldadura usando CA:
5.3.3 Aceros Inoxidables Martensíticos El principal problema encontrado en la soldadura de los aceros inoxidables ferríticos es el crecimiento de grano en la zona afectada por el calor y la consecuente pérdida de la tenacidad. Esto ocurre debido a que no hay transformación a austenita durante el calentamiento y por consiguiente transformación a ferrita que cuando se enfría, ocasiona un refinamiento del grano. Normalmente no se requiere precalentamiento debido a que no hay transformación y el mismo precalentamiento incrementaría aun mas el crecimiento de grano.
Los aceros inoxidables martensíticos también son aleaciones Fe-Cr pero con un contenido de cromo menor y mas carbono que el de los aceros ferrríticos que les permite la transformación a austenita durante el calentamiento con la consecuente transformación a martensita durante el enfriamiento. Estos aceros son endurecibles y la dureza depende del contenido de carbono. El alto contenido de cromo los hace endurecibles al aire por lo que se obtendrá una estructura totalmente martensítica aún a velocidades
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de enfriamiento bajas. Cuando el carbono es lo suficientemente producirá una zona afectada por el calor de alta dureza y baja tenacidad. Estos aceros pueden ser soldados en cualquier condición de tratamiento térmico: recocido (a), endurecido (b), relevado de esfuerzos (c) o revenido. Debido a que la condición de tratamiento térmico tiene poco efecto en el comportamiento del endurecimiento de la zona afectada por el calor, por consiguiente, de la soldabilidad. La soldabilidad depende del contenido de carbono, disminuyendo con el incremento de carbono. La mejor forma de evitar el agrietamiento es usar un precalentamiento y temperatura de interpaso apropiados y un tratamiento térmico posterior a la soldadura. La temperatura recomendada de precalentamiento e interpaso es de 200 a 300 oC (400 o a 600 F). Después de la soldadura, la junta debe ser o enfriada a 200 C para permitir la transformación a martensita y entonces calentada a la temperatura de revenido o recocido evitando se enfríe a menos de los o 300 C para inhibir la formación de grietas. La temperatura de precalentamiento dependerá principalmente del contenido de carbono y también del espesor de la junta, el tipo de material de aporte y el grado de contracción.
consiste usualmente en calentar y enfriar a una o mas temperaturas. (c) – Relevado de Esfuerzos – calentamiento a una temperatura apropiada, sostenimiento durante un tiempo suficiente para reducir los esfuerzos residuales y luego un enfriamiento lento que impida el desarrollo de nuevos esfuerzos residuales. El relevado de esfuerzos no reduce la dureza de manera significativa.
5.3.4 Aceros Inoxidables Duplex Los aceros inoxidables duplex típicamente están formados por una microestructura de 50 % ferrita y 50 % austerita pero pueden contener un rango de 20 a 80 % de ferrita. La composición es una modificación de la composición típica de la austenita mediante el incremento de cromo del 22 al 26 %, disminuyendo el níquel de 4 a 8 % y adicionando molibdeno de 2 a 5 % y hasta un 2 % de cobre. La microestructura deseable de 50 % de ferrita con 50 % de austerita se obtiene después de un tratamiento térmico, un trabajado en caliente o una combinación de ambos. El tratamiento térmico normalmente se hace en el rango o o de los 1040 a 1150 C (1900 a 2100 F) lo que ocasiona que parte de la ferrita delta se transforme a una austenita mas estable.
Los aceros inoxidables martensíticos tipo 410, 410NiMo y 420 estan disponibles comercialmente como materiales de aporte estándar. Otros grados en algunas marcas comerciales se pueden encontrar disponibles. El tipo 410 se recomienda para la soldadura de los grados 403, 410, 414 y 420. El tipo 410NiMo se usa para soldar las piezas vaciadas de CA-6NM o grados similares. El tipo 420 puede ser soldado con metal de aporte ER420 cuando se requiere que el contenido de carbono sea el mismo. Debido a que los metales martensíticos que se sueldan tienen una tenacidad muy baja en la condición, tal y como se soldó, se les debe hacer un tratamiento térmico posteriormente a la soldadura para brindarles una tenacidad adecuada.
Los aceros inoxidables duplex proporcionan una excelente resistencia a la corrosión por picaduras, a la corrosión por grietas y al agrietamiento por esfuerzos de corrosión. La ductilidad y tenacidad es similar a los aceros inoxidables austeníticos y la cedencia es casi dos veces que la de los aceros inoxidables austeníticos forjados. Una soldadura hecha con un material de aporte que iguale la composición o inclusive sin material de aporte tendrá la tendencia, primeramente a una estructura ferrítica, a menos que se realice un tratamiento térmico o algún trabajado en caliente. Las soldaduras con alto contenido de ferrita tienden a ser muy frágiles y generalmente se agrietarán durante el enfriamiento antes de que sea aplicado algún tratamiento térmico postsoldadura. Debido a que no es muy práctico realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura o un trabajado en caliente de las soldaduras de gran tamaño, se hace necesario usar un material de aporte que proporcione al depositarse una microestructura de 50 % de austenita y 50 % de ferrita. Los materiales de aporte recomendados para los aceros inoxidables duplex igualan la composición a excepción del níquel que se incrementa de 8 a 1 0 % Para la SAETyG del Ferralium 255, se recomienda el uso del ER2553 y para el Sandvik 2205, se recomienda el uso del ER2209. Algunas aleaciones duplex contienen adiciones de nitrógeno. Estas aleaciones deben ser soldadas con materiales de aporte en cuyo contenido incluya nitrógeno. De otra forma la resistencia a la c orrosión de la soldadura y la
Los materiales de aporte de aceros inoxidables austeníticos como los del tipo 308, 309 y 310 pueden ser usados para soldar los aceros inoxidables martensíticos entre ellos mismos o con otros grados de aceros de acero inoxidable para proporcionar una mejor tenacidad, tal y como se soldaron que la que se obtiene con los materiales de aporte martensíticos. Debe ser notado, sin embargo, que los materiales de aporte austeníticos proveen una menor resistencia a la tensión y a la cadencia que los materiales de aporte con química igual y con tratamiento postsoldadura. (a) Recocido – calentamiento y sostenimiento a la temperatura apropiada y después un enfriamiento a una velocidad que permita reducir la dureza y facilitar el maquinado o el trabajo enfrío. (b) Endurecimiento – Incremento de la dureza por medio de un tratamiento térmico apropiado que
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zona afectada por el calor pueden ser degradadas significativamente.
recomendados se puede esperar que la resistencia de la soldadura sea de 90 a 100 % de la del metal base.
La soldadura de aceros inoxidables duplex de 6 mm (1/4 “) o de espesores mayores normalmente se realiza mediante un proceso de soldadura de arco distinto al de la SAETyG con el fin de aprovechar la mayor tasa de depósito de los otros procesos. Los pasos de raíz y las soldaduras de láminas delgadas se pueden hacer utilizando la SAETyG con alambres sólidos como aporte. El aporte térmico debe ser controlado cuidadosamente para disminuir la dilución y que se pueda obtener el nivel deseado de austenita en el depósito.
Los grados austeníticos son los mas difíciles de soldar de los tres grados de los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación: El metal base debe estar en la condición de tratamiento de disolución y se deben emplear cordones pequeños y rectos con el uso del proceso de SAETyG El proceso SAETyG o cualquier otro proceso con protección de gas inerte puede ser recomendado para soldar todos los grados de los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación, evitando que se lleve a cabo la fácil oxidación de elementos como el Al, Ti y Cb.
5.3.5 Aceros Inoxidables de Endurecimiento por Precipitación
5.4 Aleaciones de Aluminio
La dureza y resistencia de los aceros inoxidables endurecidos por precipitación se puede incrementar mediante un tratamiento térmico de disolución y precipitación (envejecimiento). Hay tres tipos de aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación en los que la dureza de cada uno de ellos se puede incrementar mediante el mecanismo de envejecimiento. Los grados martensíticos pueden ser endurecidos mediante la reacción martensítica y después endurecidos aun mas con el envejecimiento. Los grados semiausteníticos se les somete a un tratamiento térmico de acondicionamiento que permite que se forme martensita durante el enfriamiento. Y entonces el envejecimiento les proporciona un endurecimiento adicional. Al tercer grado corresponden los austeníticos que se mantienen con la misma microestructura aun muy por debajo de la temperatura ambiente. Sólo pueden ser endurecidos por el método del envejecimiento.
Dos factores se deben considerar cuando se usa el proceso de TyG para la soldadura de aluminio: la tenaz capa de óxido que se forma rápidamente en la superficie del aluminio y la alta conductividad térmica del aluminio. La capa de óxido superficial interfiere con la conformación del metal fundido del aporte en la superficie de la junta, causando una baja adherencia a pesar de que las superficies hayan sido muy bien limpiadas antes de la aplicación de la soldadura. El óxido superficial será removido mediante el bombardeo de los iones de gas cuando se conecta el electrodo al positivo en CD, lo que permite una buena limpieza de la superficie de la junta. Sin embargo, esta polaridad produce la mayor cantidad de calor del arco en el electrodo por lo que se usan electrodos con diámetros mas grandes y mas mayor cantidad de corriente que la que se requeriría si se conectara el electrodo al negativo. El uso de CA se recomienda en la soldadura de aluminio con TyG debido a que proporciona las mejores características de ambos modos de polaridades. El pulso positivo de la CA en el electrodo provee la acción de limpieza necesaria y el pulso negativo entregará mayor calor a la pieza de trabajo. El calor no es tan grande como cuando se conecta el electrodo al negativo en la CD por lo que se recurre al aumento de la corriente y de electrodos mas gruesos que los usados en la CD electrodo al negativo.
La soldabilidad de los grados martensíticos generalmente es excelente. No son sensibles a agrietarse o susceptibles al agrietamiento en caliente debido a que el contenidos de carbono es bajo. Puede ocurrir que se presente el agrietamiento en caliente si se sueldan con aceros al carbono o baja aleación debido a la excesiva dilución. No es necesario precalentar para evitar las grietas Las piezas grandes o con muy alta contracción pueden recibir un tratamiento térmico que les brinda una condición robusta antes de aplicar la soldadura.
Muchas de las fuentes de poder disponibles para la SAETyG estan integradas con una función que proporciona CA de onda cuadrada que permite el ajuste de duración del tiempo en la mitad del ciclo, del lado positivo y luego en el negativo, de forma proporcional. Esto permite que el pulso positivo sea ajustado al valor mas bajo necesario para alcanzar un efecto de limpieza adecuado y entonces el máximo calor será aportado a la pieza de trabajo durante el pulso negativo. Otro beneficio de la onda cuadrada es que no hay necesidad de mantener de forma contínua la alta frecuencia en el arco de CA. En la onda sinusoidal de CA, la corriente de arc o cae a cero, dos
La soldabilidad de los grados semiausteníticos es muy buena y no es necesario ni precalentar ni tampoco un tratamiento de postcalentamiento. Estos grados pueden ser soldados en cualquier condición sin necesidad de calentamientos o control de las temperaturas de interpaso debido a que tanto la soldadura como la zona afectada por el calor conservan su condición austenítica después de la soldadura. Cuando se usa un material de aporte de composición similar y se siguen los procedimientos
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veces por cada ciclo por lo que se requiere de la alta frecuencia para reiniciar cada mitad del ciclo. La corriente de onda cuadrada, al viajar de una dirección a la opuesta, pasa a través del cero tan rápidamente que el arco se reiniciará sin necesidad de la alta frecuencia.
ése punto, hasta que se forme el charco y posteriormente se puede mover a lo largo de la junta a una velocidad que mantenga el charco fundido. Se debe usar un arco corto para que se obtenga una buena penetración y no se ocasione un s ocavado. Un arco muy largo causará un cordón excesivamente ancho y dificultad para controlar la penetración y el contorno del arco. La longitud del arco, generalmente, debe ser aproximadamente igual al diámetro del electrodo de tungsteno.
Cuando se usan fuentes de poder con salida de CA que no estan diseñadas para producir una onda balanceada, se produce una rectificación de la CA debido a la baja emisión de electrones del aluminio fundido en la superficie En este caso, la corriente es alta cuando el electrodo está al negativo y baja cuando está al positivo por lo que el efecto de limpieza se reduce significativamente. Por lo que la fuente de poder debe tener un voltaje de circuito abierto lo suficientemente alto o una unidad de alta frecuencia para producir una onda balanceada y por consiguiente un efecto de limpieza.
Cuando se agrega material de aporte a la soldadura, se debe tener cuidado de no tocar con el alambre el electrodo de tungsteno ya se contaminará y debe ser remplazado antes de continuar con la soldadura. En la Tabla 6 se muestran los parámetros aproximados para la soldadura de las aleaciones de aluminio mediante el proceso de TyG, cuando se usan espesores de hasta 13 mm (1/2”). Estos se basan en el uso de una fuente de poder de CA de onda balanceada, usando electrodos t ipo EWZr o EWP y argón como gas de protección. Se pueden usar mezclas de gases, helio y argón, hasta con 75 % de He para soldar materiales de grueso calibre e incrementar la penetración.
En la soldadura de TyG para aluminio, se recomienda el uso de la alta frecuencia para encender el arco, en lugar del encendido por “toque” para evitar inclusiones de tungsteno en el charco. Los electrodos de tungsteno puro o con circoniados con punta hemisférica deben ser usados para la soldadura de aluminio con CA: Los electrodos de tungsteno toriados generalmente no se recomiendan para las soldaduras con CA.
Una protección adecuada de gas y una buena acción de limpieza serán indicadas por la brillantez de los cordones de soldadura y en los bordes de la zona afectada por el calor.
Una vez que se establece el arco, se de be sostener en
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Un color gris opaco en la superficie del cordón será indicativo de una soldadura oxidada, lo que podría ser causado por una protección de gas pobre, una excesiva longitud del arco, una inestabilidad del arco, baja corriente de soldadura o un ángulo de la antorcha incorrecto.
desarrollan los esfuerzos de contracción, durante el enfriamiento. Adicionalmente a las grietas en caliente, pueden aparecer grietas por la deformación del envejecimiento, en la zona afectada por el calor, de este tipo de aleaciones, cuando se exponen a temperaturas elevadas de servicio. Esto es provocado por un envejecimiento y endurecimiento adicional que puede ocurrir antes de que los esfuerzos sean relevados. Estas aleaciones que contienen mas de 8 % de Al y Ti son consideradas no soldables debido a su tendencia alta de agrietamiento en caliente. De hecho, muchas de estas aleaciones no son trabajables en caliente y sólo se producen piezas coladas o vaciadas como los álabes de una turbina de gas y aspas. En la Figura 22 se muestra la soldabilidad relativa de varias aleaciones de endurecimiento por precipitación, base níquel.
5.5 Aleaciones Base Níquel El níquel de pureza comercial es fácilmente soldable por casi todos los procesos de soldadura existentes. Aunque la mayor utilización del níquel es en las aleaciones base níquel y en los aceros inoxidables. El níquel puede estar aleado con muchos otros elementos metálicos para brindar una mejora en su resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y su resistencia a los esfuerzos de ruptura a alta temperatura.
El fortalecimiento por dispersión de las aleaciones base níquel se produce mediante un proceso de metalurgia de polvos en la que partículas de óxidos metálicos muy finas como el ThO 2 son uniformemente distribuidas en la aleación. Esto se realiza compactando polvo sinterizado y un trabajado en caliente sin que haya una fusión de por medio. La fusión durante la soldadura aglomeraría las partículas de óxido y destruiría el efecto de fortalecimiento. Puede ocurrir un agrietamiento en la zona de fusión en donde se une el metal base con el de aporte. Obviamente, las aleaciones fortalecidas por dispersión no son soldadas por fusión pero pueden ser unidas por otros procesos como por ejemplo: la soldadura fuerte o mediante la soldadura por difusión.
El níquel puede ser fortalecido con elementos de aleación en la solución sólida, mediante la dispersión de partículas muy finas de óxidos metálicos o por el endurecimiento por precipitación. Todos los elementos aumentan la resistencia de la solución sólida hasta el límite de su solubilidad. El aluminio, molibdeno, cromo y tungsteno son muy efectivos para incrementar la resistencia de la solución sólida. Generalmente, los elementos de aleación que aumentan la resistencia de la solución sólida no son afectados por los tratamientos térmicos y mantienen una buena soldabilidad. Aleaciones como el Monel (Ni-32Cu), Hastelloy C (Ni-16Cr-16Mo-5Fe-2.5Co) y el Inconel (Ni-16Cr-8Fe) son buenos ejemplos de soluciones sólidas fortalecidas con distintos aleantes.
El procedimiento y las técnicas para la soldadura de las aleaciones base níquel son similares a los que se usan para los aceros inoxidables austeníticos. La soldadura de arco con electrodo de tungsteno y gas es la mas apropiada y mas frecuentemente usada para la soldadura de la mayoría de las aleaciones base níquel. Se recomienda el uso de CD electrodo al negativo tanto para la soldadura manual como la automática. El argón, el helio o las mezclas de estos dos gases son usados como protección gaseosa. Aunque el argón es el mas preferido para las soldaduras manuales. Se puede agregar hasta 5 % de hidrógeno al argón para mejorar la limpieza de las soldaduras de un solo paso pero esto puede causar porosidad en las soldaduras de múltiples pasos de algunas aleaciones. El helio presenta una ventaja sobre el argón para las soldaduras mecanizadas en las que se manejan altas velocidades de aplicación para la misma corriente de arco. El encendido de arco con helio es mas difícil que con el argón. Es muy importante que la protección sea la adecuada para la parte de arriba y debajo de los cordones de las aleaciones base níquel con el fin de evitar la porosidad y que se reduzca la ductilidad de algunas aleaciones.
Loe elementos de aleación para el fortalecimiento por precipitación son similares a los aleantes usados para el fortalecimiento de la solución sólida pero adicionalmente contienen pequeñas cantidades de aluminio y titanio. Este tipo de aleaciones son endurecidas mediante un tratamiento de disolución, o o calentando a alrededor de los 1040 C (1900 F), seguido de un enfriamiento a temperatura ambiente y un recalentamiento a la temperatura de precipitación o o de aproximadamente 760 C (1400 F) para desarrollar un compuesto intermetálico finamente disperso y homogéneo, conocido como gama primario ó Ni3 (Al, Ti). La proporción del aluminio y titanio en este compuesto dependerá de la cantidad relativa de cada uno ellos en la aleación. La soldabilidad de este tipo de aleaciones disminuye con el incremento de las cantidades de Al y Ti. Las aleaciones con una cantidad total combinada de Al y Ti menor al 5 % son fácilmente soldables si se sigue el procedimiento adecuado. Cuando el total de estos elementos se incrementa arriba del 5 % se crean grietas en caliente, en la zona afectada por el calor mientras se va enfriando la soldadura. Se cree que esto es causado por el bajo punto de fusión y baja resistencia de las fases que se forman en los límites de grano en la zona afectada por el calor cuando se
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Los gases grado soldadura deben ser usados y suministrados al área de soldadura con ayuda de un sistema que no contamine el gas. La boquilla de la antorcha debe ser lo suficientemente grande que proporcione una protección completa de la soldadura mientras se enfría. Para las soldaduras mecanizadas, se puede emplear un tren de protección y también se recomienda para obtener una superficie libre de oxidación. Un respaldo de gas debe ser usado para asegurar que la raíz de la soldadura estará limpia y libre de óxido.
En los casos sonde la porosidad sea un problema, el material de aporte debe constituir al menos el 50 % del depósito. El níquel puro comercial y las aleaciones cobre-níquel son particularmente susceptibles a la porosidad en la soldadura por lo que se requiere del uso de materiales de aporte con elementos desoxidantes. Se debe tener un cuidado especial en la protección que se usa para las aleaciones endurecidas por precipitación para evitar la pérdida del titanio y aluminio que son los elementos de endurecimiento los cuales son muy fácil de oxidar. También se debe tener cuidado de remover cualquier óxido refractario de titanio, aluminio y cromo que pueden formarse en la superficie de la soldadura y restringir la conformación (mojado) del metal fundido en la superficie de la junta . Pequeñas cantidades de azufre y fósforo forman compuestos de bajo punto de fusión con el níquel, los cuales tienden a penetrar en los límites de grano,.causando agrietamiento en caliente y fragilidad a menores temperaturas. Por lo que todos los metales base de aleaciones base níquel y los materiales de aporte deben ser limpiados cuidadosamente para asegurar que esten libres de aceites, grasas o pintura. El manganeso y magnesio se agregan a algunas aleaciones base níquel para que de preferencia se combinen con el azufre o fósforo residual.
La antorcha de la soldadura se debe mantener cercana a la posición vertical con una longitud de arco de 0.5 a 1.3 mm (0.02 a 0.05”) para proveer una buena protección de la soldadura. Si la antorcha se inclina mas de 35 grados de la vertical y se usa una longitud de arco mayor, la soldadura puede sufrir contaminación por el aire. Cuando se agrega alambre de aporte al charco de soldadura puede ser requerido usar una longitud de arco ligeramente mayor para permitir una manipulación apr opiada del alambre en el charco. El extremo caliente del material de aporte debe ser mantenido dentro de la zona del protección del gas inerte para evitar una oxidación del mismo así como tener cuidado de no tocar el electrodo de tungsteno. La mayoría de los materiales de aporte contienen elementos desoxidantes para ayudar a evitar la porosidad en la soldadura.
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En la soldadura de las aleaciones de endurecimiento por precipitación, el uso de alambres de aporte con menores cantidades de titanio y aluminio que las del metal base pueden reducir la tendencia de microgrietas en la zona afectada por el calor. Sin embargo, la respuesta de la zona de soldadura al tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento, será menor que la del metal base y esto deberá ser considerado para el diseño de la junta.
Los parámetros aproximados para la soldadura con TyG de piezas forjadas o vaciadas estan enlistadas en la Tabla 7.
5.6 Aleaciones de Titanio El titanio es un metal reactivo que reacciona con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y el carbono a elevadas temperaturas para formar compuestos con estos elementos. Así como el aluminio, cuando se enfría a temperatura ambiente, de inmediato, se forma una capa de óxido en la superficie. Esta capa de óxido es muy tenaz y le brinda una resistencia a la oxidación ulterior y una excelente resistencia a la corrosión contra una gran variedad de agentes corrosivos a temperatura ambiente y así como a temperaturas moderadas. A diferencia de lo que ocurre con el aluminio, el óxido de titanio, se o disuelve en el metal a temperaturas de los 650 C o (1200 F) en la que la resistencia a una ulterior oxidación disminuye rápidamente. El nitrógeno, hidrógeno y carbono también se disuelven en el o titanio arriba de los 650 F y junto con éstos, el oxígeno incrementa la resistencia mecánica del metal pero disminuyen la ductilidad y l a tenacidad. Por esta razón, es muy importante que el titanio y las aleaciones de titanio esten muy bien protegidas del aire y de cualquier otro material que pudiera contaminar la aleación durante la operación de soldadura. Por lo que el proceso de SAETyG es uno de los preferidos para la soldadura de las aleaciones de titanio. Existen otros procesos que también excluyen el aire como el MIG, plasma y el de haz de electrones.
No se requiere precalentamiento ni tampoco se recomienda su uso en la soldadura de aleaciones base níquel aunque el área de soldadura no deberá de o o soldarse a menos de 15 C (60 F). La energía aportada deberá de ser baja para evitar que la temperatura de interpaso exceda los 100 oC (200 oF) en la mayoría de las aleaciones. Es de particular importancia mantener baja la temperatura de precalentamiento e interpaso cuando se suelda las aleaciones base níquel de endurecimiento por precipitación. Esta práctica reduce el tiempo a la temperatura en la que la reacción de endurecimiento puede ocurrir y minimiza los esfuerzos en el área de soldadura. Algunas de las fundiciones base níquel con alta aleación que contienen mas de 8 % de aluminio y titanio, son consideradas no soldables aunque se podrían soldar en cierto grado cuando la deformación sea muy baja. Algunos ejemplos podrían ser en la soldadura de reparación o de depósitos duros como en el caso de las esquinas o extremos libres o sin restricciones alrededor, en algunas piezas coladas como los álabes de una turbina o los aspas.
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El titanio pasa de una transformación alotrópica, hexagonal compacta cerrada (fase alfa) debajo de los 885 oC (1625 oF) a otra, cúbica centrada en el cuerpo (fase beta) arriba de los 885 oC. Las adiciones de aluminio, oxígeno, nitrógeno y carbono aumentan la temperatura de transformación, estabilizando la fase alfa; el estaño y el circonio tienen muy poco efecto pero la mayoría de los otros elementos bajan la temperatura de transformación estabilizando la fase beta.
temperatura intermedia precipitará partículas finas de fase alfa que endurecen la aleación; la aleación Ti13V-11Cr-3Al es el ejemplo mas común del grupo. Estas aleaciones tienen muy buena soldabilidad pero las soldaduras se usan normalmente en la condición, tal y como se soldó, debido a que un tratamiento térmico tiende a reducir la ductilidad de la soldadura. Estas soldaduras tienen muy buena ductilidad aunque baja resistencia mecánica en la condición de cómo se soldó.
Hay cuatro categorías de las aleaciones de titanio: las comercialmente puras, las aleaciones alfa, aleaciones alfa-beta y las aleaciones beta. El titanio comercialmente puro es realmente una aleación con pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro que aumentan la resistencia mecánica acompañada de una pequeña reducción en la ductilidad. Las aleaciones alfa contienen aluminio como el elemento primario de estabilización de la fase alfa. Cuando solidifica como fase beta al seguirse enfriando cambia a fase alfa debajo de la temperatura de transformación (isoterma de o o transformación beta) al menos 885 C (1625 F). La aleación mas común de titanio alfa es la Ti-5Al-2.5Sn Tiene mayor resistencia que el titanio comercialmente puro y muy buena tenacidad. Tanto el titanio comercialmente puro como las aleaciones fase alfa no pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos pero pueden ser recocidos o relevados de esfuerzos. Estos dos grupos de aleaciones tienen una soldabilidad excelente y pueden ser fácilmente soldables mediante el proceso de SAETyG cuando se usen los procedimientos correctos. En adición, a las precauciones normales, se debe de tener cuidado de la contaminación con el hierro debido a que las aleaciones alfa que contienen arriba de 0.05% de hierro pueden estabilizar pequeños granos de fase beta. Lo que puede originar una acción galvánica entre estos granos y la matriz alfa resultando en una corrosión de la soldadura en soluciones de ácido nítrico.
Dos consideraciones importantes deben ser recordadas cuando se usa la soldadura de TyG para cualquiera de las aleaciones de titanio: 1. La soldadura y cualquier metal caliente circundante debe estar completamente protegido por gas inerte, grado soldadura, argón o helio. El gas inerte que contenga cualquier cantidad de oxígeno, nitrógeno, CO 2 ó humedad no es aceptable y causará fragilidad en la soldadura. 2. El titanio y las aleaciones de titanio no pueden ser soldadas directamente a la mayoría de los otros metales y aleaciones. El hierro, níquel, cobre, cobalto y aluminio forman compuestos intermetálicos muy frágiles con el titanio. Por lo que cualquier intento de soldar titanio con estos materiales resultaría en juntas extremadamente frágiles. El titanio puede ser soldado a cierto tipo de materiales, incluyendo el circonio, hafmio y columbio. A pesar de que el titanio forma una capa de óxido protectora como el aluminio, ésta no interfiere con la conformación o el “mojado” del cordón y el metal fluye cuando se emplea la soldadura de TyG con el electrodo al negativo. Esto se debe a que el óxido se disuelve en el metal base a una temperatura cercana al punto de fusión, ofreciendo un cordón limpio y bien conformado. Cuando la superficie del titanio está apropiadamente limpia antes de la soldadura y no es expuesta a temperaturas por encima de los 125 o o C (250 F) la capa de óxido no es lo suficientemente gruesa para causar una pérdida en la ductilidad de la soldadura. Sin embargo, si la soldadura se realiza sobre una superficie claramente oxidada, la capa de óxido mas gruesa se disolverá en el metal y causará una reducción en la ductilidad de la soldadura según el espesor del óxido. Si la soldadura se hace en una atmósfera limpia de gas inerte, la superficie de la soldadura puede tener un aspecto limpio y brillante debido a que la capa de óxido ha sido disuelta. Esto hace parecer que la soldadura esté bien aunque puede haber una baja ductilidad provocada por algunos óxidos disueltos.
Las aleaciones alfa-beta contienen un balance de elementos estabilizadores que producen una microestructura que normalmente consiste de las dos fases, alfa y beta en la condición de recocido. Estas aleaciones pueden ser fortalecidas por un tratamiento térmico que consiste en un tratamiento de disolución, un temple en agua y un envejecimiento. La soldabilidad de estas aleaciones depende de cada aleación en particular y varía de excelente a no soldable. La aleación de titanio mas ampliamente empleada es la Ti-6Al-4Vpertenece a este grupo. Su soldabilidad es muy buena y es excelente para el extra bajo grado intersticial.
Cuando se suelda con el proceso de soldadura con TyG es muy importante que toda la soldadura esté completamente cubierta por el gas inerte mientras se efectúa la aplicación y hasta que se enfríe por debajo o o de los 200 C (400 F). La antorcha que se use para el proceso de soldadura debe tener una boquilla o copa
Las aleaciones beta contienen suficiente elemento estabilizador beta para obtener un 100 % de estructura beta cuando se enfría desde un tratamiento térmico de disolución. El envejecimiento a una
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