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SOLDADURA POR ARCO METÁLICO PROTEGIDO CON GAS Y ALAMBRE ELECTRODO GMAW

MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE CENTRO NACIONAL COLOMBO ALEMÁN

ATLÁNTICO

SOLDADURA POR ARCO METÁLICO PROTEGIDO CON GAS GAS METAL ARC WELDING GMAW Elaborada por: Henry Alberto Infante Coronado Instructor de Soldadura. Revisión y Corrección Técnica Enrique Buendía Mendoza Instructor de Soldadura Asesoría Pedagógica Luis José Barrios De la Hoz Subdirectora de Centro Gladys Flórez de Angulo Primera Edición Fecha de Impresión, agosto 30 de 2005 Barranquilla-Colombia Derechos Reservados para el Servicio Nacional de Aprendizaje

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TABLA DE CONTENIDO Introducción 1

Definición y antecedentes generales 1.1 1.2 1.3

Usos y Ventajas Limitaciones Fundamentos del Proceso 1.3.1 Principios de Operación 1.3.2 Mecanismos de Transferencia del Metal 1.3.2.1 Transferencia en Cortocircuito 1.3.2.2 Transferencia Globular 1.3.2.3 Transferencia en Spray Axial 1.2.3.4 Transferencia en Spray Pulsado 1.2.3.5 Transferencia de Tensión.

1.4

Variables del Proceso 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6 1.4.7 1.4.8

2

Equipo 2.1 2.2 2.3 2.4

Pistolas para Soldar Unidad de Alimentación del Alambre Control de Soldadura Fuentes de Energía 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

2.5 2.6 3

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Corriente de Soldadura Polaridad Tensión del Arco (longitud del arco) Velocidad de Avance Extensión Libre de Alambre o Stickout Orientación del Alambre Posición de la Junta a Soldar Tamaño del Alambre

Tensión de Arco Pendiente Efecto de Estrangulación Inductancia

Reguladores del Gas de Protección Suministro del Alambre

Consumibles


3.1 4

Alambres

Gases de Protección 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Generalidades Gases Inertes de Protección: Argón y Helio Mezclas de Argón + Helio Adiciones de Oxígeno y Dióxido de Carbono al Argón y al Helio Mezclas de Múltiples Gases de Protección 4.5.1 Argón + Oxígeno + Dióxido de Carbono 4.5.2 Argón + Helio + Dióxido de Carbono 4.5.3 Argón + Helio + Dióxido de Carbono + Oxígeno

4.6 5

Dióxido de Carbono

Aplicaciones 5.1

Selección del alambre 5.1.1 Composición Alambres Tubulares

5.2 5.3 5.4 5.5 6

Selección del Gas de Protección Establecimiento de las Variables del Proceso Selección del Diseño de la Junta Selección del Equipo

Aplicaciones Especiales 6.1 Soldadura de Puntos 6.1.1 Diseño de Juntas 6.1.2 Operación del Equipo 6.1.3 Efecto de las variables del Proceso sobre las Características de Soldadura. 6.1.4 Corriente 6.1.5 Tensión de Arco 6.1.6 Tiempo de Soldadura

7

Inspección y Calidad de la Soldadura 7.1 7.2

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Introducción Posibles Problemas


7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3

Pérdida de Ductilidad por Hidrógeno Contaminación con Oxígeno y Nitrógeno Limpieza Fusión Incompleta

Discontinuidades en la Soldadura 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.4.5 7.4.6 7.4.7

Socavaciones Porosidad Fusión Incompleta Penetración Incompleta en la Junta Excesiva Perforación por Fusión Grietas en el Metal de Soldadura Grietas en la ZAC

8

Localización de Problemas

9

Prácticas Seguras 9.1 9.2 9.3

Introducción Manejo Segura de Cilindros de Gas y Reguladores Gases 9.3.1 Ozono 9.3.2 Dióxido de Nitrógeno 9.3.3 Monóxido de Carbono

9.4 9.5 9.6 9.7

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Vapores Metálicos Energía Radiante Rudo - Protección del Oído Choque Eléctrico


INTRODUCCIÓN El trabajo que a continuación se presenta responde a la necesidad sentida por parte de alumnos e instructores de fortalecer el soporte teórico de los procesos de soldadura de estructuras metálicas. Bajo este fundamento, se revisó la bibliografía existente tanto del SENA como material técnico y así poder ajustar y actualizar la respuesta escrita. Soldadura por Arco Protegido con Gas y Alambre Electrodo GMAW tiene como propósito ampliar la fundamentación sobre Fundamentos del Proceso, Principios de Operación, Variables del Proceso, Equipo, Consumibles, Aplicaciones, Selección del alambre, Inspección y Calidad de la Soldadura, tópicos importantes en el Proceso GMAW. Como ayuda para los estudiantes, como material de consulta para la resolución de guías de aprendizaje es pertinente. El lenguaje que se ha utilizado es el apropiado a la técnica e intenta ser lo más claro posible para ser manejado por la población sujeto de aprendizaje. La fundamentación teórica que se trata en esta cartilla aplica para las Estructuras Curriculares de:

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Soldadura de Mantenimiento. Soldadura de Tuberías de Aceros al Carbono. Soldadura de Tuberías de Aceros al Cromo Molibdeno. Soldadura Naval.


1 DEFINICIÓN Y ANTECEDENTES GENERALES La soldadura por arco metálico protegido con gas, gas metal arc welding, GMAW, es un proceso de soldadura por arco que emplea un arco entre un alambre electrodo continuo de metal de relleno y el charco de soldadura. El proceso se realiza bajo una protección de gas suministrado externamente y sin aplicar presión. El concepto básico de GMAW surgió de la década de los 20´s, pero apenas en 1948 estuvo a disposición comercialmente. En principio se le consideraba básicamente un proceso de electrodo metálico desnudo de diámetro pequeño con alta densidad de corriente que empleaba un gas inerte para proteger el arco. La aplicación inicial de este proceso fue para soldar aluminio. Por lo anterior se acuñó el término MIG, Metal Inert Gas y aún lo usan algunos para referirse a este proceso. Entre los avances posteriores del proceso están la operación con bajas densidades de corriente y con corriente continua a pulsos, la aplicación de una gama más amplia de materiales y el empleo de gases y mezclas activos, sobre todo el CO2. Este último avance condujo a la aceptación formal de la expresión, soldadura por arco metálico protegido con gas, GMAW para el proceso, ya que se usan gases tanto inertes como activos. Una variación del proceso GMAW emplea un alambre tubular dentro del que existe un núcleo constituido principalmente por polvos metálicos

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(alambres con núcleo de metal). Estos alambres requieren una protección de gas para cubrir el charco de soladura de la contaminación por parte de la atmósfera. AWS considera los alambres con núcleo metálico como una variante de GMAW. Algunas asociaciones del ramo en otros países agrupan a estos alambres junto con los alambres tubulares de núcleo de fundente. GMAW puede operar en las modalidades mecanizada, semiautomática o automática. Todos los metales de importancia comercial, como aceros al carbono, aceros de baja aleación de alta resistencia mecánica, aceros inoxidables, aluminio, cobre, titanio y aleaciones de níquel pueden soldarse en cualquier posición con este proceso seleccionando el gas de protección, alambre y variables de soldadura adecuados. 1.1

Usos y Ventajas

Los usos del proceso, desde luego, se rigen por sus ventajas; las más importantes de éstas son:

Es el único proceso con alambre consumible que sirve para soldar todos los metales y aleaciones comerciales

No tiene restricción de tamaño de alambre limitado que se presenta en el proceso SMAW


Puede soldarse en todas las posiciones, algo que no es posible con el proceso SAW

Se logran tasas de deposición bastante más altas que con el proceso SMAW

Las velocidades de soldadura son más altas que con el proceso SMAW gracias a la alimentación continua del alambre y a las mayores tasas de deposición del metal de relleno

Como la alimentación del alambre es continua, es posible depositar soldaduras largas sin parar y reiniciar

Cuando se usa la transferencia spray axial, es posible lograr mayor penetración que con el proceso SMAW, lo que puede permitir el uso de soldaduras de filete más pequeñas, para obtener una resistencia mecánica equivalente.

Casi no se requiere limpieza después de la soldadura porque no se produce escoria

Estas ventajas hacen al proceso ideal para aplicaciones de soldadura en alto volumen de producción y automatizadas. Esto se ha hecho cada vez más obvio con la regada de la robótica, donde GMAW es el proceso predominante.

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1.2

Limitaciones

Como en cualquier proceso de soldadura, existen limitaciones que restringen el uso de GMAW. Entre ellas están:

El equipo para soldar es más complejo, más costoso y menos transportable que el de SMAW

Es más difícil de usar en lugares de difícil acceso porque la pistola es más grande que un porta electrodos, y la pistola debe estar cerca de la junta [entre 10 y 19 mm (3/8” y ¾”)] para asegurar que el metal de soldadura esté bien protegido

El arco de soldadura debe protegerse contra corrientes de aire que puedan dispersar el gas protector. Esto limita las aplicaciones en exteriores a menos que se coloquen barreras protectoras alrededor del área de soldadura.

Los niveles relativamente altos de calor y la intensidad del arco pueden hacer que los soldadores se resistan a utilizar el proceso.

1.3

Fundamentos del Proceso

1.3.1 Principios de Operación El proceso GMAW se basa en la alimentación automática de un alambre continuo consumible que se protege con un gas de procedencia externa. El proceso se ilustra en la figura 1. Una vez que el soldador


ajusta los parámetros iniciales, el equipo puede regular automáticamente las características eléctricas del arco. Por todo esto, en efecto, los únicos control4es manuales que el soldador requiere para la operación semiautomática son los de la

velocidad y dirección del desplazamiento, así como el posicionamiento de la pistola. Cuando se cuenta con equipo y ajustes apropiados, la longitud del arco y la corriente, es decir la velocidad de alimentación del alambre, se mantienen automáticamente.

Figura 1 Proceso de Soldadura por Arco Metálico Protegido con Gas

El equipo necesario para GMAW se muestra en la figura 2. Los componentes básicos del equipo son el paquete de mangueras y cables con

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la pistola, la unidad de alimentación del alambre, la fuente de energía y el suministro de gas de protección.

Figura 2 Diagrama del Equipo de Soldadura por Arco Metálico Protegido con Gas

La pistola guía el alambre consumible y conduce la corriente eléctrica y el gas protector a la pieza, de manera que proporciona la energía para establecer y mantener el arco y fundir el alambre, además de la protección necesaria contra la atmósfera del entorno. Se emplean dos combinaciones de unidad de alimentación y fuente de energía para lograr la autorregulación de la longitud del arco que se desea. Generalmente esta regulación se realiza con una fuente de energía de VC, que por lo regular tiene una curva voltios amperios prácticamente plana, en conjunción con una unidad de alimentación del alambre de velocidad constante. Como alternativa, una fuente de energía de CC proporciona una curva voltios - amperios de fuerte

caída, y la unidad de alimentación del alambre controlada mediante la tensión del arco. Con la combinación de VC + alimentación constante de alambre, los cambios en la posición de la pistola originan cambios en la corriente de soldadura que coincide exactamente con el cambio en la extensión libre de alambre, o protrusión o stickout, de modo que la longitud del arco no se modifica. Por ejemplo, si se aumenta el stickout al retirar la pistola, la salida de corriente de la fuente de energía se reduce, con lo que se mantiene el mismo calentamiento por resistencia del alambre.


En el sistema alternativo, la autorregulación se realiza cuando las fluctuaciones de la tensión del arco reajustan los circuitos de control del alimentador, los que modifican de manera apropiada la velocidad de alimentación del alambre. En algunos casos, como cuando se suelda aluminio, puede preferirse apartarse de estas combinaciones estándares y acoplar una fuente de energía de CC con una unidad de alimentación del alambre de velocidad constante. Esta combinación no tiene mucha capacidad de autorregulación, y por tanto requiere soldadores más hábiles en operaciones de soldadura semiautomática. Pese a ello, algunos usuarios opinan que esta combinación ofrece un grado de control sobre la energía del arco, la corriente, que puede ser importante para resolver el problema que implica la elevada conductividad térmica de los metales base de aluminio. 1.3.2 Mecanismos de Transferencia del Metal La mejor forma de describir las características del proceso GMAW es en términos de los tres (3) mecanismos básicos empleados para transferir metal del alambre a la pieza: Transferencia en Cortocircuito

Transferencia Globular

Transferencia en Spray Axial

El tipo de transferencia está determinado por varios factores. Entre los más influyentes de estos están:

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Magnitud y tipo de la corriente de soldadura

Diámetro del alambre

Composición del alambre

Extensión libre de alambre

Gas de protección

Con los más recientes desarrollos en la tecnología de las fuentes de energía, se ha descubierto un nuevo modo de transferencia del metal, la Transferencia de Tensión Superficial, cuya sigla es STT, superficial Tension Transfer. Incluso, aunque estas fuentes de energía son más costosas, las ventajas que obtienen los usuarios, justifican los costos adicionales en muchas aplicaciones. Las transferencias STT y la tradicional transferencia en corto circuito son procesos de energía relativamente bajas, generalmente limitadas a espesores de metal no mayores de 1/8” (3.2 mm), aunque son usadas en todas las posiciones de soldadura. 1.3.2.1 Transferencia en Cortocircuito. Este tipo de transferencia abarca el intervalo más bajo de corrientes de soldadura y de diámetros de alambre asociados al proceso GMAW. La transferencia en cortocircuito produce un charco de soldadura más pequeño, de rápida solidificación, que generalmente es apropiado para unir secciones delgadas, soldar fuera de posición y tapar aberturas de raíz anchas. El metal se transfiere del alambre a la pieza sólo durante el


periodo en que el primero está en contacto con el charco de soldadura; no se transfiere metal a través del espacio del arco.

El metal fundido en la punta del alambre se estrangula en (D) y (E), iniciando un arco como se aprecia en (E) y (F).

El alambre hace contacto con el charco de soldadura a razón de 20 a más de 200 veces por segundo.

La rapidez con que aumenta la corriente debe ser suficiente para calentar el alambre y promover la transferencia de metal, pero lo bastante baja como para minimizar las salpicaduras causadas por la separación violenta de la gota de metal. Esta tasa de aumento de la corriente se controla ajustando la inductancia de la fuente de energía.

La secuencia de sucesos durante la transferencia del metal, la corriente y la tensión correspondiente se muestran en la figura 3. Cuando el alambre toca el metal de soldadura, la corriente aumenta [(A), (B), (C), (D) en la figura 3].

Figura 3 Representación Esquemática de la Transferencia de Metal en Cortocircuito El ajuste óptimo de la inductancia depende tanto de la resistencia eléctrica del circuito de soldadura como del punto de fusión del alambre.

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Una vez que se establece el arco, la punta del alambre se funde al tiempo que se alimenta hacia el siguiente cortocircuito en (H) de la figura 3. La


OVC de la fuente de energía debe ser tan baja como para que la gota de metal fundido en la punta del alambre no pueda transferirse hasta que toque el metal base. La energía para el mantenimiento del arco proviene en parte de la energía almacenada en el inductor durante el periodo de cortocircuito. Aunque sólo hay transferencia de metal durante el cortocircuito, la composición del gas de protección tiene un efecto drástico sobre la tensión superficial del metal fundido. Los cambios en la composición del gas protector pueden afectar notablemente el tamaño de las gotas y la duración del cortocircuito. Además, el tipo de gas influye sobre las características de operación del arco y la penetración en el metal base. El dióxido de carbono generalmente produce niveles de salpicadura elevados en comparación con los gases inertes, pero el dióxido de carbono también promueve la penetración. Para lograr un buen término medio entre salpicaduras y penetración, con frecuencia se usan mezclas de dióxido de carbono y argón al soldar aceros al carbono y de baja aleación. Las adiciones de helio al argón incrementan la penetración en metales no ferrosos. 1.3.2.2 Transferencia Globular. Con DCEP, existe transferencia globular, cuando la corriente es relativamente baja, sea cual fuere el gas de protección empleado. Sin embargo, con dióxido de carbono y helio este tipo de transferencia ocurre con todas las corrientes de soldadura útiles. La transferencia globular se

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caracteriza por un tamaño de gota mayor que el diámetro del alambre. La gravedad actúa fácilmente sobre esta gota grande, por lo que en general sólo existe transferencia útil en la posición plana. Con corrientes medias, sólo un poco mayores que las empleadas para la transferencia en cortocircuito, es posible lograr transferencia globular en dirección axial con una protección de gas más o menos inerte. Si el arco es demasiado corto (baja tensión), la gota en crecimiento puede hacer corto con la pieza, sobrecalentarse y desintegrarse, produciendo una buena cantidad de salpicaduras. Por tanto, el arco debe tener la longitud suficiente para asegurar que la gota se suelte antes de hacer contacto con el charco de soldadura. Sin embargo, una soldadura hecha empleando la tensión más alta probablemente resulte inaceptable a causa de la falta de fusión, la insuficiente penetración y el excesivo refuerzo. Esto limita considerablemente el empleo de la modalidad de transferencia globular en aplicaciones de producción. La protección con dióxido de carbono produce transferencia globular en dirección aleatoria cuando la corriente y la tensión de soldadura están bastante por encima del intervalo para la transferencia en cortocircuito. La desviación respecto a la transferencia axial está regida por fuerzas electromagnéticas, generadas por la corriente de soldadura al actuar sobre la punta fundida, como se muestra en la figura 4. Las más importantes de estas fuerzas son, la fuerza (P) de estrangulamiento electromagnético


(efecto pinch) y la fuerza de reacción del ánodo (R). La magnitud de la fuerza de estrangulamiento es función directa de la corriente de soldadura y del diámetro del alambre, y por lo regular es la causa de la separación de las gotas. Con protección con dióxido de carbono, la corriente de soldadura se conduce a través de la gota fundida y el plasma del arco no envuelve la punta del alambre. Con fotografías de alta velocidad se ha visto que el arco se mueve sobre la superficie de la gota y la pieza, porque la fuerza R tiende a sustentar la gota. Esta crece hasta que se separa por cortocircuito [figura 4 (B)] o por gravedad [figura 4 (A)], es posible que la gota se suelte y se transfiera al charco de soldadura sin romperse. La situación más probable se muestra en la figura 4 (B), donde puede verse que la gota pone en cortocircuito la columna del arco y explota. Por ello, las salpicaduras

pueden ser severas, lo que limita el empleo de dióxido de carbono en muchas aplicaciones comerciales. No obstante, el dióxido de carbono sigue siendo el gas más utilizado para soldar aceros comunes. La razón es que el problema de la salpicadura puede reducirse de manera significativa “enterrando” el arco. Cuando esto se hace, la atmósfera del arco se convierte en una mezcla del gas y de vapor de hierro, lo que permite una transferencia casi por aspersión. Las fuerzas del arco bastan para mantener una cavidad que atrapa una buena parte de las salpicaduras. Esta técnica requiere una corriente de soldadura más alta y produce mayor penetración. Sin embargo, a menos que la velocidad de recorrido se controle con mucho cuidado, la excesiva tensión superficial (mojado deficiente) puede dar como resultado un refuerzo excesivo de la soldadura.

Figura 4 Transferencia Globular No Axial

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1.3.2.3 Transferencia en Spray Axial. Con una protección rica en argón, es posible producir una modalidad de transferencia en spray axial muy estable y libre de salpicaduras, como el que se ilustra en la figura 5. Para esto es preciso usar DCEP y un nivel de corriente por encima de un valor crítico conocido como corriente de transición. Por debajo de este nivel, la transferencia se realiza en la modalidad globular antes descrita, a razón de unas cuantas gotas por segundo. Por encima de la corriente de transición, la transferencia se realiza en forma de gotas muy pequeñas que se forman y sueltan a razón de centenares por segundo. Se aceleran axialmente a través del espacio del arco. La relación entre la tasa de transferencia y la corriente se representa gráficamente en la figura 6

La corriente de transición, que depende de la tensión superficial del metal fundido, es inversamente proporcional al diámetro del alambre y en menor grado, a la extensión del alambre. Varía con el punto de fusión del metal de relleno y la composición del gas protector. En la tabla 1 se dan las corrientes de transición típicas para algunos de los metales más comunes. El modo de transferencia en spray axial produce un flujo altamente direccional de gotas discretas aceleradas por las fuerzas del arco hasta alcanzar velocidades que vencen los efectos de la gravedad. Por esta razón y en ciertas condiciones, el proceso puede usarse en cualquier posición. Como las gotas son más pequeñas que la longitud del arco, no hay cortocircuitos y las salpicaduras son insignificantes, si es que no se eliminan del todo.

Figura 5 Transferencia en Spray Axial

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Figura 6 Variación en el volumen y la tasa de transferencia de las gotas con la corriente de soldadura (alambre de acero) Otra característica de la modalidad de spray axial es la penetración tipo dedo que produce. Aunque el dedo puede ser profundo, acusa el efecto de los campos magnéticos, los que deben controlarse para que siempre se sitúe en el centro del perfil de penetración de la soldadura. La modalidad de transferencia en spray axial puede servir para soldar casi cualquier metal o aleación gracias a las características inertes de la protección con argón.

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Sin embargo, puede ser difícil aplicar el proceso a láminas delgadas por las corrientes tan altas que se requieren para producir l arco en spray. Las fuerzas del arco que resultan pueden perforar láminas relativamente delgadas en lugar de soldarlas, además, la tasa de deposición característicamente alta puede producir un charco de soldadura demasiado grande para sostenerse exclusivamente con la tensión superficial en la posición vertical o sobre cabeza (cenital).


Tabla 1 Corrientes de Transición de Globular a Spray Axial para Alambres Diversos Diámetro del Alambre Tipo de Alambre

Acero simple Acero simple Acero simple Acero simple Acero Inoxidable Acero Inoxidable Acero Inoxidable Aluminio Aluminio Aluminio Cobre Desoxidado Cobre Desoxidado Cobre Desoxidado Bronce al Silicio Bronce al Silicio Bronce al Silicio

Gas de Protección Pulgadas

Milímetros

0,030 0,035 0,045 0,062 0,035 0,045 0,062 0,030 0,045 0,062 0,035 0,045 0,062 0,035 0,045 0,062

0,0 0,9 1,1 1,6 0,9 1,1 1,6 0,8 1,1 1,6 0,9 1,1 1,6 0,9 1,1 1,6

1.3.2.4 Transferencia en Spray Pulsado. Las limitaciones de la transferencia en spray axial en cuanto al espesor de la pieza y la posición de soldadura se han superado en gran medida con el empleo de fuentes de energía de diseño especial. Estos equipos producen formas de onda y frecuencias cuidadosamente controladas que “pulsan” la corriente de soldadura.

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98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno 98% argón + 2% oxígeno argón argón argón argón argón argón argón argón argón

Corriente Mínima de Arco en Spray, Amperios 150 165 220 275 170 225 285 }95 135 180 180 210 310 165 205 270

Como puede verse en la figura 7, suministran dos niveles de corriente: un de fondo baja y constante que mantiene el arco sin proporcionar energía suficiente para hacer que se formen gotas en el extremo del alambre, y una corriente a pulsos superpuesta cuya amplitud es mayor que la corriente de transición necesaria para la transferencia en spray axial.


Figura 7 Características de la Corriente de Soldadura de la Transferencia en Spray Pulsado

Durante este pulso de corriente, se forman y transfieren una o más gotas. La frecuencia y amplitud de los pulsos controlan el nivel de energía del arco y por tanto la rapidez con que se funde el alambre. Al reducir la energía media del arco y la rapidez de fusión del alambre, los pulsos permiten aprovechar las características deseables de la transferencia en spray axial en la soldadura de láminas y de metales gruesos en cualquier posición.

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Existen muchas variaciones de estas fuentes de energía. Las más sencillas producen pulsos de una sola frecuencia (60 o 120 pps) con control independiente de los niveles de corriente de fondo y de pulso. Las fuentes de energía más avanzadas, a veces llamadas “sinérgicas”, proporcionan automáticamente la combinación de corriente de fondo y de pulso apropiada para la velocidad de alimentación del alambre seleccionada.

Transferencia de Tensión Superficial

1.3.2.5 Transferencia de Tensión Superficial ™, STT®. Es un proceso de transferencia en corto circuito. Las dos diferencias importantes entre la transferencia STT y la tradicional en corto circuito son: la corriente de soldadura está basada en los requerimientos instantáneos del arco. La velocidad del alambre y la corriente son independientes uno del otro. La corriente siempre es controlada de manera lógica, basada en que la porción del ciclo de corto circuito está siendo llevado a cabo. Ver Figura. Justo antes que el alambre se corte en el arco (T1 – T2) y antes que el material fundido se separe del alambre (T3 – T5) la corriente es reducida para minimizar las salpicaduras.

Una alta corriente es necesaria para el desprendimiento hacia abajo del alambre (T2 – T3) o para re encender el arco, restableciendo la longitud apropiada del arco y promover la buena fusión (T5 – T6) Durante el resto del ciclo la corriente es levemente reducida (T6 – T7) y sostenida a un nivel óptimo controlando la entrada de calor general. Con los màs recientes desarrollos en la tecnología 1.4 Variables del Proceso Las que siguen son algunas de las variables que afectan la penetración de la soldadura, la geometría de la ranura y la calidad global de la soldadura:


Corriente de soldadura (velocidad de alimentación del alambre)

Polaridad

Tensión del arco (longitud del arco)

Velocidad de avance

Extensión (stickout)

Orientación del alambre (ángulo respecto de la dirección de desplazamiento)

Tipo de metal base

Composición del alambre

Posición de la junta a soldar

Posición en que se suelda

Diámetro del alambre

Requisitos de calidad

Composición y tasa de flujo del gas de protección

Por lo tanto, no hay conjunto único de parámetros que produzca resultados óptimos en todos los casos.

del

alambre

El conocimiento y control de estas variables es indispensable para 1.4.1 Corriente de Soldadura. Si todas las variables se mantienen constantes, la corriente de soldadura varía con la velocidad de alimentación del alambre o con la rapidez de fusión siguiendo una relación no lineal. Al variarse la velocidad de alimentación, la corriente de soldadura varía de manera similar si se emplea una fuente de energía de VC. Esta relación entre la corriente de soldadura y la velocidad de alimentación del alambre se muestra en la figura 8 para alambres de acero al carbono. En

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producir consistentemente soldaduras de buena calidad. Estas variables no son del todo independientes y cuando se modifica una, casi siempre es necesario modificar un o más de las otras para obtener los resultados que se buscan. Se requiere considerable habilidad y experiencia para seleccionar los valores óptimos de cada aplicación. Estos valores óptimos son afectados por:

los niveles de baja corriente para cada diámetro de alambre, la curva es casi lineal, pero con corrientes de soldadura altas, sobre todo si los alambres son de diámetro pequeño, las curvas dejan de ser lineales y su pendiente aumenta al incrementarse la corriente de soldadura. Esto se atribuye al calentamiento por resistencia de la extensión libre de alambre que sobresale del tubo de contacto. Las curvas pueden representarse aproximadamente por medio de la ecuación:


I WFS Donde WFS Wire Feed Speed, velocidad de alimentación del alambre, en mm/s (Pulg. /s) a

Constante de proporcionalidad para el calentamiento anódico o catódico. Su magnitud depende de la polaridad, la composición y otros factores, mm/s (pulg. /s)

b

Constante de proporcionalidad para el calentamiento por resistencia eléctrica, s -1 A -2 (mín. -1 A -2)

L

Extensión libre de alambre, mm (pulg.)

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Corriente de soldadura, A

aI + bLI2 Como puede verse en las figuras 8, 9, 10, 11, cuando se aumenta el diámetro del alambre, manteniendo la misma velocidad de alimentación, se requiere una corriente de soldadura más alta. La relación entre la velocidad de alimentación del alambre y la corriente de soldadura depende de la composición química del alambre. Este efecto puede verse comparando las figuras 8, 9, 10 y 11, que corresponden a alambres de acero al carbono, aluminio, acero inoxidable y cobre, respectivamente. Las diferentes posiciones y pendientes de las curvas se deben a diferencias en los puntos de fusión y resistividades eléctricas de los metales. La extensión libre de alambre también afecta las relaciones.

Figura 8 Corrientes de soldadura típicas vs. Velocidades de alimentación del alambre de acero al carbono Si todas las demás variables se mantienen constantes, un aumento en la corriente de soldadura (velocidad de alimentación del alambre) producirá lo siguiente:

Un aumento en la profundidad y ancho de penetración de la soldadura

Un incremento en la tasa de deposición

Un aumento en el tamaño del cordón de soldadura


Figura 9 Corrientes de soldadura típicas vs. Velocidades de alimentación del alambre de aluminio ER 4043

Figura 10 Corrientes de soldadura típicas vs velocidades de alimentación del alambre de acero inoxidable de la serie 300

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La transferencia en spray pulsado es una variación del proceso GMAW en la que la corriente se pulsa con el fin de disfrutar de las ventajas del modo de transferencia

de metal en spray axial con una corriente promedio igual o menor que la corriente de transición de globular a spray axial.

Figura 11 Corrientes de soldadura típicas vs. Velocidades de alimentación del alambre de cobre E Cu

Puesto que la fuerza del arco y la tasa de deposición dependen de forma exponencial de la corriente, cuando se opera por encima de la corriente de transición, las fuerzas del arco a menudo se vuelven incontrolables en las posiciones, vertical y sobre cabeza. Al reducir la corriente promedio con los pulsos, es posible reducir tanto las fuerzas del arco como las tasas de deposición para poder soldar en cualquier posición y en secciones delgadas.

Si se usa alambre sólido, otra ventaja de la soldadura con corriente a pulsos es que puede usarse alambre de mayor diámetro [1,6 mm (1/16”)]. Aunque las tasas de deposición en general no son más altas que aquellas con alambre de menor diámetro, la ventaja reside en el menor costo por unidad de metal depositado. También hay un incremento en la eficiencia de deposición porque se reducen las pérdidas por salpicaduras.


Si se usa alambre con núcleo de metal, la energía a pulsos produce un arco que es menos sensible a los cambios en la extensión del alambre y en la tensión, en comparación con los alambres sólidos. Esto hace al proceso más tolerante respecto a las fluctuaciones de la conducción por parte del soldador. La energía a pulsos también minimiza las salpicaduras en una operación que ya de por sí salpica mucho. 1.4.2 Polaridad. El término polaridad describe la conexión eléctrica de la pistola en relación con las terminales de una fuente de energía de DC. Si el cable de energía de la pistola se conecta al positivo, la polaridad se designa como corriente directa electrodo positivo, DCEP y se le ha dado arbitrariamente el nombre de polaridad inversa. Cuando la pistola se conecta al negativo, la polaridad se designa como corriente directa electrodo negativo, DCEN, que originalmente se llamó polaridad directa. Casi todas las aplicaciones de GMAW emplean DCEP. Esta condición produce un arco estable, una transferencia de metal uniforme, relativamente pocas salpicaduras, buenas características del cordón de soldadura y profundidad máxima de penetración para una amplia gama de corrientes de soldadura.

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La DCEN raras veces se usa porque no puede obtenerse transferencia en spray axial sin realizar modificaciones que no han gozado de mucha aceptación comercial. La DCEN ofrece una clara ventaja de velocidades de fusión altas que no pueden explotarse porque la transferencia es globular. En el caso de los aceros, la transferencia puede mejorarse añadiendo un mínimo de 5% de oxígeno al argón (lo que requiere aleaciones especiales para compensar las pérdidas por oxidación) o tratando un alambre para hacerlo termoiónico (lo que eleve el costo del metal de relleno). En ambos casos, las tasas de deposición decaen, con lo que desaparece la única ventaja real de cambiar la polaridad. Sin embargo en virtud de alta tasa de deposición y la menor penetración, DCEN se usa ocasionalmente en aplicaciones de recubrimientos. Los intentos por usar AC con el proceso GMAW casi nuca han alcanzado éxito. La forma de onda cíclica hace inestable el arco porque este tiende a extinguirse cuando la corriente pasa por el punto cero (0). Aunque se han desarrollado tratamientos especiales de la superficie del alambre para resolver este problema, el costo de de su aplicación ha hecho que la técnica no resulte económica, como es el caso de la soldadura del aluminio con AC.


1.4.3 Tensión del Arco (longitud del arco). Tensión de arco y longitud de arco, son expresiones que se usan con frecuencia de manera indistinta. Pese a ello, cabe señalar que si bien están relacionados entre sí, son diferentes, en GMAW, la longitud de arco es una variable crítica que debe controlarse cuidadosamente. Por ejemplo, en la modalidad de arco en spray axial con protección de argón, un arco demasiado corto experimenta cortocircuitos momentáneos que causan fluctuaciones de la presión, que bombean aire hacia el chorro del arco y producen porosidad y pérdida de ductilidad por absorción de nitrógeno. Si el arco es demasiado largo, tiende un movimiento lateral aleatorio que afecta tanto la penetración como el perfil de la superficie del cordón. Además, un arco largo puede romper la protección del gas.

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En el caso de arcos enterrados con protección de dióxido de carbono, un arco largo produce salpicaduras excesivas y también porosidad; si el arco es demasiado corto, la punta del alambre hará cortocircuito con el charco de soldadura, causando inestabilidad. La longitud del arco es la variable independiente. La tensión del arco depende de la longitud del arco así como de muchas otras variables, como la composición y dimensiones del alambre, el gas protector, la técnica de soldadura y, dado que a menudo se mide en la fuente de energía, incluso la longitud del cable de la corriente de soldadura. La tensión del arco permite expresar en forma aproximada la longitud física del arco (véase la figura 12) en términos eléctricos, aunque la tensión del arco también incluye la caída de tensión en la extensión libre de alambre que sobresale del tubo de contacto.


Figura 12 Terminología de Soldadura por Arco Metálico Protegido con Gas Si todas las variables se mantienen constantes, la tensión del arco se relaciona directamente con la longitud del arco. Aunque la variable que interesa y que debe controlarse es la longitud del arco, es más fácil vigilar la tensión. Por esta razón, y por el requerimiento normal de que en el procedimiento de soldadura se especifica la tensión de arco, éste es el término que se usa con mayor frecuencia. Los niveles establecidos de tensión del arco varían dependiendo del material, el gas protector y la modalidad de transferencia. En la tabla 2 se presentan valores típicos. Se requieren series de pruebas para ajustar la tensión del arco a fin de producir las características del arco y el aspecto del cordón de soldadura más favorable. Estas

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pruebas son indispensables porque la tensión del arco óptimo depende de diversos factores, incluidos el espesor del material, el tipo de junta, la posición de soldadura, el tamaño del alambre, la composición del gas de protección y el tipo de soldadura. A partir que cualquier valor específico de tensión del arco, un incremento en la tensión tiende a aplanar el cordón de soldadura y aumentar el ancho de la zona de fusión. Una tensión excesiva puede causar porosidad, salpicaduras, socavación. Si se reduce la tensión se obtendrá un cordón de soldadura más angosto con un refuerzo más alto y penetración más profunda. Una tensión demasiado baja puede hacer que el alambre se amontone.


incrementa también la cantidad de energía térmica que se transmite del arco al metal base, porque el arco actúa de manera más directa sobre el metal base. Si continúa el aumento en la velocidad de avance, se impartirá al metal base menos energía térmica por unidad de longitud de la soldadura. Por tanto, al incrementarse la velocidad de avance, la fusión del metal base primero aumenta y luego disminuye.

1.4.4 Velocidad de Avance. La velocidad de avance o desplazamiento es la tasa de movimiento lineal del arco a lo largo de la junta a soldarse. Si todas las demás condiciones se mantienen constantes, la penetración de la soldadura es máxima a una velocidad de avance intermedia. Cuando se reduce la velocidad de avance, se incrementa la deposición del metal de relleno por unidad de longitud. A velocidades muy bajas, el arco actúa sobre el charco de soldadura, no sobre el metal base, con lo que se reduce la penetración efectiva. Otra consecuencia es un cordón de soldadura ancho.

Si se aumenta todavía más la velocidad de avance, aparecerá una tendencia a la socavación a lo largo de los bordes del cordón de soldadura, porque no se depositará suficiente metal de relleno para llenar el trayecto fundido por el arco.

Al incrementarse la velocidad de avance, en un principio se Tabla 2 Tensiones del arco Típicos para GMAW de Diversos Metales a Transferencia Globular / Spray Axial

Transferencia en Cortocircuito Diámetro del Alambre

b

Diámetro de Alambre de 1,6 mm (1/16”) Metal CO2

Ar

-

-

19 16

-

-

-

-

28 28 26

30 30 -

17 17 28

18 18 19

19 19 21

20 20 -

28 28

-

-

22 22

-

-

-

Ar

He

Aluminio Magnesio

25 26

30 -

29 28

Acero al carbono Acero de baja aleación Acero inoxidable

24

-

Níquel Aleación Cobre + Níquel

26 26

30 30

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25% Ar Ar + 75% He 1 a 5% O2

Ar + 75% Ar CO2 1 a 5% + O2 25% CO2


Transferencia Globular / Spray Axial

Transferencia en Cortocircuito Diámetro del Alambre

b

Diámetro de Alambre de 1,6 mm (1/16”) Metal Ar

He

25% Ar Ar + 75% He 1 a 5% O2

Aleación Níquel + Cromo + 26 Hierro

30

28

Cobre Aleación Cobre + Níquel

30 28

36 32

Bronce al Silicio Bronce al Aluminio Bronce al Fósforo

28 28 28

32 32 32

CO2

Ar

Ar + 75% Ar CO2 1 a 5% + O2 25% CO2 -

-

-

22

33 30

-

-

24 23

22 -

-

-

30 30 30

28 23

-

23 23 23

-

-

-

a

Más o menos aproximadamente 10%. Las tensiones bajas normalmente se usan con materiales ligeros y baja corriente; las tensiones altas se usan con materiales pesados y alta corriente.

b

En la transferencia en spray pulsado, la tensión del arco debe estar entre 18 y 28 voltios, dependiendo del intervalo de corriente empleado

1.4.5 Extensión Stickout.

del

Alambre

o

La extensión del alambre es la distancia entre el extremo del tubo de contacto y la punta del alambre, como puede verse en la figura 12. Un aumento en la extensión del alambre produce un aumento en su resistencia eléctrica. El calentamiento por resistencia a su vez, hace que se eleve la temperatura del alambre, lo que aumenta ligeramente la tasa de fusión del alambre. La mayor resistencia eléctrica hace que aumente la caída de tensión entre el tubo de contacto y la pieza, situación que es detectada por la

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fuente de energía, que compensa este aumento reduciendo la corriente. Esto de inmediato reduce la tasa de fusión del alambre y permite que se acorte la longitud física del arco. En consecuencia, a menos que haya un incremento de tensión en el equipo para soldar, el metal de relleno se depositará en un cordón de soldadura angosto y de refuerzo alto. La extensión deseable del alambre generalmente está entre 6 y 13 mm (1/4” y ½”) para la transferencia en cortocircuito y entre 13 y 25 mm (1/2” y 1”) para los demás tipos de transferencia de metal.


Figura 13 Efecto de la Posición del Alambre y de la Técnica de Soldadura

1.4.6 Orientación del Alambre. Como en todos los procesos de soldadura por arco, la orientación del alambre con respecto a la junta a soldarse afecta la forma y la penetración del cordón de soldadura, y este efecto sobre el cordón es mayor que el de la tensión del arco o el de la velocidad de avance. La orientación del alambre se describe de dos maneras: Por la relación entre el eje del alambre y la dirección de avance (ángulo de avance) Con el ángulo entre el eje del alambre y la superficie adyacente de la pieza (ángulo de trabajo)

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Cuando el alambre apunta en dirección opuesta a la dirección de avance, la técnica se denomina soldadura de revés con ángulo de arrastre o alambre arrastrado. Cuando el alambre apunta en la misma dirección del avance, la técnica se denomina soldadura de derecha con ángulo de ataque o alambre punzante. La orientación del alambre y su efecto sobre el ancho y la penetración de la soldadura se ilustran en las figuras 13 (A), (B) y (C). Cuando el alambre se saca de la perpendicular dándole un ángulo de ataque y todas las demás


condiciones se mantienen sin alteración, la penetración disminuye y el cordón de soldadura se hace más ancho y plano. La penetración máxima en la posición plana se obtiene con la técnica de arrastre, empleando un ángulo de arrastre de unos 25° respecto a la perpendicular. Esta técnica también produce un cordón más convexo y angosto, un arco más estable y menos salpicaduras en la pieza. Para todas las posiciones, el ángulo de avance que se usa normalmente es un ángulo de arrastre del orden de 5 a 15°, ya que así se controla y protege mejor el charco de soldadura.

En algunos materiales, como el aluminio, se prefiere una técnica de ataque o punzante. Está técnica produce una acción limpiadora adelante del metal de soldadura fundido que reduce su tensión superficial y la oxidación del metal base. Si se desea producir soldaduras de filete en la posición horizontal, el alambre debe colocarse a unos 45° respecto al miembro vertical (ángulo de trabajo), como se ilustra en la figura 14.

Figura 14 Ángulo de Trabajo Normal para Soldaduras de Filete 1.4.7 Posición Soldar.

de

la

Junta

a

Casi todas las soldaduras con GMAW en la modalidad de spray axial se realizan en las posiciones plana u horizontal, pero si el nivel de energía es bajo, la GMAW a pulsos y en cortocircuito puede usarse en todas las posiciones. Las soldaduras de filete hechas en

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posición plana con transferencia en spray axial suelen ser más uniformes, menos propensas a tener un perfil asimétrico o convexo y menos susceptible a la socavación, que las soldaduras de filete similares hechas en posición horizontal. A fin de vencer la atracción de la gravedad sobre el metal de


soldadura al soldar en las posiciones vertical y sobre cabeza, por lo regular se usan alambres de diámetro pequeño, con la transferencia en cortocircuito o bien en spray pulsado. Los alambres con diámetros de 1,1 mm (0,045”) o menos son los más apropiados para soldar fuera de posición. La baja entrada de calor permite al charco de soldadura solidificarse rápidamente. Cuando se suelda lámina en posición vertical, la dirección de soldadura más efectiva casi siempre es hacia abajo. Si se suelda en posición plana, la inclinación del eje de soldadura respecto al plano horizontal influirá en la forma del cordón de soldadura, en la penetración y en la velocidad de avance. En la soldadura circunferencial en posición plana, la pieza gira debajo de la pistola y la inclinación se obtiene moviendo la pistola en cualquier dirección que la aparte del centro muerto superior. Si las juntas lineales se colocan con el eje de soldadura a 15° con

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respecto a la horizontal y se suelda cuesta abajo (downhill), es posible reducir el refuerzo de soldadura en condiciones que producirían un refuerzo excesivo si se colocara el trabajo en la posición plana. Además, con el desplazamiento cuesta abajo, casi siempre es posible aumentar la velocidad. Al mismo tiempo, la penetración es menor, lo que resulta benéfico cuando se sueldan láminas. La soldadura cuesta abajo afecta el perfil y la penetración de la soldadura, como se observa en la figura 15(A). El charco de soldadura tiende a fluir hacia el alambre y precalienta el metal base sobre todo en la superficie. Esto produce una zona de fusión de forma irregular, llamad depósito secundario. Al aumentar el ángulo de inclinación, la superficie media de la soldadura adquiere una depresión, la penetración disminuye y el ancho del cordón aumenta. En el caso del aluminio, está técnica cuesta abajo no se recomienda porque se pierde acción limpiadora y la protección es deficiente.


Figura 15 Efecto de la Inclinación de la Pieza sobre la Forma del cordón de Soldadura La soldadura cuesta arriba (uphill) afecta el perfil de a zona de fusión y de la superficie de la soldadura, como se ilustra en la figura 15 (B). La fuerza de gravedad hace que el charco de soldadura fluya hacia atrás y se retrase respecto al alambre. Los bordes de de la soldadura pierden metal, que fluye hacia el centro. Al aumentar el ángulo de inclinación, aumentan también el refuerzo y la penetración y disminuye el ancho del cordón. Los efectos son exactamente opuestos a los de la soldadura cuesta abajo. Si se emplean corrientes de soldadura elevadas, se reduce el ángulo máximo que puede usarse. 1.4.8 Tamaño del Alambre. El tamaño o diámetro del alambre influye en la configuración del cordón de soldadura.

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Un alambre de mayor diámetro requiere una corriente mínima más alta que un alambre de diámetro pequeño con las mismas características de transferencia de metal. Las corrientes altas, a su vez, producen mayor fusión del alambre y depósitos de soldadura más grandes y fluidos. Otra consecuencia de las corrientes altas es el aumento en la tasa de deposición y en la penetración. No obstante, la soldadura en posición vertical o sobre cabeza por lo regular se realiza con alambres de menor diámetro y obviamente con corrientes más bajas. Gas de Protección. Las características de los diversos gases y su efecto sobre la calidad de la soldadura y las características del arco se analizan en la sección consumibles.


2

EQUIPO

El proceso GMAW puede usarse en forma semiautomática o automática. El equipo básico para cualquier instalación de GMAW consiste en:

Suministro regulado de gas de protección

Suministro de alambre

Pistola soldadora (enfriada por gas o agua)

Cables y mangueras para interconexión Sistema de circulación de agua (para pistolas enfriadas con agua)

Unidad de alimentación del alambre

Control de soldadura

Fuente soldar

de

energía

En las figuras 2 y 16 se ilustran los componentes típicos para operación semiautomática y mecanizada.

para

Figura 16 Instalación para Soldadura por Arco Metálico Protegido con Gas Mecanizada

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Figura 16 Instalación para Soldadura por Arco Metálico Protegido con Gas Mecanizada

2.1

Pistolas para Soldar

Se han diseñado diversos tipos de pistolas para obtener el máximo de eficiencia sea cual fuera la aplicación, y van desde pistolas de trabajo pesado para trabajos de producción de alto volumen con corriente elevada hasta pistolas ligeras para soldar fuera de posición con bajas corrientes. Pueden conseguirse toberas enfriadas por aire o por agua, curvadas o rectas, tanto para pistolas ligeras como de trabajo pesado. Las pistolas enfriadas por

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aire suelen ser más pesadas que las enfriadas por agua para la misma capacidad de corriente y ciclo de trabajo especificados, porque las pistolas enfriadas por aire requiere más masa para compensar la menor eficiencia del tipo de enfriamiento. Los componentes básicos de las pistolas son los siguientes:

Tubos o Puntas de Contacto

Tobera para protección

el

gas

de


Conducto o túnel para el alambre y su forro

Manguera para el gas de protección

Cable de energía

Interruptor de control

Estos componentes se ilustran en la figura 17.

Manguera para el agua

Figura 17 Vista en Corte Seccional de la Pistola para GMAW El tubo de contacto, que por lo regular es de cobre o de una aleación de cobre, transfiere la corriente de soldadura al alambre y dirige este último hacia la pieza. El tubo de contacto se conecta eléctricamente a la fuente de energía mediante el cable de energía. La superficie interior del tubo de contacto debe ser lisa para que el alambre se alimente con facilidad a través de él sin dejar de mantener un buen contacto eléctrico. El instructivo que acompaña a la pistola indica el tamaño de tubo de contacto

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correcto para cada material del alambre.

tamaño

y

En general, el agujero del tubo de contacto debe ser entre 0,13 y 0,25 mm (0,005 y 0,010”) mayor que el alambre empleado, aunque podrían requerirse agujeros mayores en el caso del aluminio. El tubo de contacto debe sostenerse firmemente en la pistola y centrarse dentro de la tobera. El posicionamiento del tubo de contacto en relación con el extremo de la tobera puede ser una variable que dependa de la modalidad de transferencia empleada.


Si la transferencia es en cortocircuito, el tubo debe estar a ras o sobresalir fuera de la tobera, pero si se usa el modo de transferencia en spray, debe estar aproximadamente 3 mm (1/8”) dentro de la tobera. Durante la soldadura, debe examinarse periódicamente y reemplazarse si el agujero se ha dilatado por un desgaste excesivo o si se ha taponado con salpicaduras. El empleo de un tubo desgastado o taponado puede perjudicar el contacto eléctrico y producir un arco de características irregulares. La tobera dirige una columna de gas de protección de flujo uniforme hacia la zona de soldadura. Es en extremo importante que el flujo sea uniforme para asegurar que el metal de soldadura fundido esté bien protegido contra la contaminación por los gases de la atmósfera. Existen toberas de diferentes tamaños que deben elegirse de acuerdo con la aplicación; esto es, toberas grandes para trabajos con corrientes elevadas y pequeñas para soldaduras de baja corriente y en cortocircuito. Las toberas para aplicaciones de soldaduras de puntos cuentan con aberturas que permiten al gas escapar cuando son presionadas contra la pieza. El conducto o túnel y el líner se conectan a una ménsula adyacente a los rodillos de impulsores del motor que alimenta el alambre. El túnel sustenta, protege y dirige el alambre desde los rodillos impulsores hasta la pistola y el tubo

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de contacto. Se necesita una alimentación ininterrumpida del alambre para asegurar un arco estable. Es preciso evitar que el alambre se doble o pandee. Si el alambre no se sustenta bien en todos los puntos entre los rodillos impulsores y el tubo de contacto, tenderá a atascarse. El líner puede ser una parte integral del túnel o adquirirse por separado. En cualquier caso, el material y diámetro interior del líner son importantes. Es preciso dar mantenimiento periódico a los forros para asegurar que estén limpios y en buenas condiciones, a fin de que alimentación del alambre sea consistente. Se recomienda un líner helicoidal de acero si se usan alambres de materiales duros como el acero o el cobre. Los líners de nylon o teflón sirven para alambres blandos como el aluminio o el magnesio. Debe tenerse cuidado de no estrangular o flexionar excesivamente el túnel aunque, como es usual, su superficie exterior tenga un refuerzo de acero. El instructivo que acompaña a cada unidad, incluye por lo regular, una lista de los túneles y líners recomendados para cada tamaño y material de alambre. Los accesorios restantes llevan el gas de protección, el agua de enfriamiento y la corriente de soldadura a la pistola.


Estas mangueras y cables pueden conectarse directamente a los suministros correspondientes o al control de soldadura. Existen

atmósferas de gas con estela que pueden ser obligatorios para proteger el charco de soldadura en operaciones a alta velocidad.

Figura 18 Pistola de Empujar para GMAW

Figura 19 Pistola Tipo Halar para GMAW

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Figura 20 Vista de una Pistola del Tipo Carrete Integrado La pistola básica (figura 18) (de empujar) se conecta a una unidad alimentadora del alambre que lo empuja desde una posición remota para hacerlo pasar por el túnel. Existen otros diseños, que cuentan con un pequeño mecanismo alimentador del alambre integrado. Esta pistola hala el alambre desde el alimentador, donde puede haber otro impulsor adicional que al mismo tiempo empuje el alambre hacia el túnel (figura19) (es decir, sistema push - pull o empujar halar). Este tipo de pistola también resulta útil para alimentar alambres suaves como los de aluminio o de diámetros pequeños, pues si se empujara el alambre podría pandearse. Otra variación es la del carrete integrado a la pistola (figura

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20) en la que el mecanismo se alimentación del alambre y el de suministro están integrados. 2.2 Unidad del Alambre

de

Alimentación

La unidad de alimentación o alimentador del alambre, consiste en un motor eléctrico, rodillos impulsores y accesorios para mantener la alineación y la presión sobre el alambre. Estos alimentadores pueden incorporarse al control de la velocidad de alimentación o colocarse lejos. El motor del alimentador por lo regular es de DC y empuja el alambre a través de la pistola hacia la pieza.


El motor debe tener un circuito de control que varíe su velocidad dentro de un rango amplio. Los alimentadores de velocidad constante se usan normalmente en combinación con una fuente de energía de VC. Pueden usarse con fuentes de energía de CC si se añade un circuito de aporte lento del alambre. Si se emplea una fuente de energía de CC se requiere un control automático detector de tensión.

Este control detecta los cambios de tensión del arco y ajusta la velocidad de alimentación del alambre de modo que mantenga una longitud de arco constante. Esta combinación de alimentador de velocidad variable y fuente de CC se limita a alambres de diámetros grandes [mayor de 1,6 mm (1/16”)] con los que se usan velocidades de alimentación bajas. Si la velocidad de alimentación es alta, la velocidad del motor normalmente no podrá ajustarse con la rapidez suficiente para mantener la estabilidad del arco.

Figura 21 Unidad de Alimentación del Alambre de Cuatro Rodillos Típica

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Figura 22A Rodillos Impulsores amolados con respaldo plano para alambres sólidos

El motor de alimentación se conecta a un conjunto de rodillos impulsores que transmiten la fuerza al alambre; lo halan del suministro y lo empujan hacia la pistola. Los alimentadores pueden tener un sistema de dos o de cuatro rodillos. En la figura 21 se muestra un alimentador de cuatro rodillos típico. El ajuste de presión de los rodillos permite aplicar una fuerza variable al alambre, dependiendo de sus características (por ejemplo, sólido o con núcleo, duro o blando). Las guías de entrada y salida alinean debidamente el alambre con los rodillos y le dan soporte para evitar que se doble. En la figura 22(A) se muestra el tipo de rodillos que suelen usarse con alambre sólido: un rodillo provisto

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de una ranura se combina con uno de respaldo liso. Se emplea una ranura en forma de “V” para alambres sólidos duros, como los de aceros al carbono e inoxidables, y una ranura en forma de “U” para alambres blandos como el aluminio Los rodillos impulsores moleteados, como los de la figura 22(B) se usan generalmente para alambres tubulares. El diseño moleteado permite transmitir el máximo de fuerza impulsora al alambre con la misma presión de los rodillos. Estos tipos no se recomiendan para alambres blandos, como el aluminio, porque tienden a formar limaduras del metal del alambre que pueden llegar a taponar el líner o la pistola.

2.3

Control de la Soldadura

En aplicaciones semiautomáticas, el control de soldadura y el control de la alimentación del alambre pueden estar integrados en una unidad. La función principal del control de la soldadura es regular la velocidad del motor del alimentador del alambre, por lo general mediante un sensor electrónico. Si aumenta la velocidad de alimentación del alambre, el sensor incrementará la corriente de soldadura. Una disminución en la velocidad de alimentación produce corrientes de soldadura más bajas. El control también regula el arranque y detención de la alimentación del alambre a través de una señal procedente del interruptor de la pistola. También se dispone de funciones de control de alimentación del alambre que permiten usar un arranque de toque (la alimentación del alambre se inicia cuando éste toca la pieza) o un aporte lento (la tasa de alimentación inicial se reduce hasta que se establece el arco y luego se incrementa hasta la requerida para soldar). Estas dos funciones se emplean primordialmente en conjunción con fuentes de energía de CC y son especialmente útiles para soldar el aluminio. Generalmente, el gas de protección, el agua de enfriamiento y la energía para soldar se suministran a la pistola a través del control, para lo que se requiere una conexión directa del control con

estos recursos y con la fuente de energía. El flujo de gas y de agua se regula mediante válvulas solenoides de manera que coincidan con el inicio y final de la acción de soldadura. El control también puede determinar el inicio y final del flujo de gas y energizar el contactor de la fuente de energía. Puede ser que el control permita cierto flujo de gas antes de iniciar la soldadura (pre flujo) y después de soldar (post flujo) con el fin de proteger el charco de soldadura. El control por lo general tiene una alimentación independiente de 115V de AC. 2.4

Fuentes de Energía

La fuente de energía para soldar suministra energía eléctrica al alambre y la pieza a fin de producir el arco. En casi todas las aplicaciones de GMAW se emplea DCEP; por tanto, el terminal positivo se conecta a la pistola y la negativa a la pieza. Los tipos principales de fuentes de energía de DC son generadores impulsados por un motor (rotatorios) y transformadores + rectificadores (estáticos). Los inversores están incluidos en la categoría estática. A menudo se prefieren las fuentes transformador + rectificador para la fabricación dentro de un taller donde se dispone de corriente eléctrica de 220 V o 440 V. Este tipo de fuentes responde con mayor rapidez que las del tipo generador cuando cambian las condiciones del arco.


El motogenerador se emplea cuando no se dispone de energía eléctrica, como en lugares remotos. Ambos tipos de equipos pueden diseñarse y construirse de modo que suministren CC o bien VC. Las primeras aplicaciones de GMAW empleaban fuentes de CC, conocidas como fuentes de energía de fuerte pendiente o fuerte caída. Estas fuentes mantienen un nivel de corriente relativamente fijo durante la soldadura, sin importar

las variaciones en la longitud del arco, como se ilustra en la figura 23. Estas fuentes se caracterizan por tener OVC elevadas y niveles de corriente de cortocircuito limitados. Como suministran una salida de corriente prácticamente constante, el arco mantendrá una longitud fija sólo si la distancia entre el tubo de contacto y la pieza permanece constante, con una velocidad de alimentación también constante.

Figura 23 Relación Voltios - Amperios para una Fuente de Energía de CC

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En la práctica, como esta distancia varía, el arco tiende a arder hacia atrás en el tubo de contacto o a amontonarse, en la pieza. Esto puede evitarse empleando un sistema de alimentación controlado por la tensión. Cuando la tensión aumenta o disminuye porque se incrementó o disminuyó la longitud del arco, el motor se acelera o decelera a fin de mantener .

constante la longitud del arco. El sistema de control modifica automáticamente la velocidad de alimentación del alambre. Este tipo de fuente de energía generalmente se usa para soldar con el modo de transferencia en spray axial, ya que por la corta duración del arco en la transferencia en cortocircuito hace que el control de regulación por la tensión no resulte práctico

Figura 24 Relación Voltios - Amperios para una Fuente de Energía de VC

Al aumentar el número de aplicaciones de GMAW, se vio que una fuente de energía de VC mejoraba la operación. Si se emplea junto con un alimentador de velocidad constante, mantiene una tensión casi constante durante la operación de soldadura. La curva voltios - amperios de esta fuente se ilustra en la figura 24.

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El sistema de VC compensa las variaciones en la distancia entre el tubo de contacto y la pieza que ocurren durante las operaciones normales de soldadura, aumentando o disminuyendo instantáneamente la corriente de soldadura, a fin de contrarrestar los cambios en la extensión del alambre debidos a los cambios en


la distancia entre la pistola y la pieza.

alambre y de tensión con un mínimo de instrucción.

La longitud del arco se establece ajustando la tensión de soldadura en la fuente de energía. Una vez fijada, no se requieren más modificaciones durante la soldadura. La velocidad de alimentación del alambre, que además se convierte en el control de la corriente, la establece el soldador/operario antes de iniciar la soldadura. Puede ajustarse dentro de un rango considerable antes que el alambre se amontone en la pieza o se funda dentro del tubo de contacto. Los soldadores/operarios de inmediato aprender a ajustar los controles de alimentación del

El mecanismo de auto corrección de una fuente de VC se ilustra en la figura 25. Al aumentar la distancia entre el tubo de contacto y la pieza. La tensión del arco y su longitud tenderían a crecer; sin embargo, la corriente de soldadura disminuye con este ligero aumento en la tensión, lo que compensa el incremento en la extensión libre de alambre. Por otro lado, si la distancia se acorta, la menor tensión irá acompañada por un aumento en la corriente lo que compensará la reducción de la extensión del alambre.

Figura 25 Regulación Automática de la Longitud del Arco en el Proceso GMAW

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La función de auto corrección de la fuente de energía de VC es importante para producir condiciones de soldadura estables, pero hay otras variables que contribuyen a un rendimiento óptimo, sobre todo cuando la transferencia se realiza en cortocircuito. Además del control de la tensión de salida, puede desearse cierto grado de control sobre la pendiente y la inductancia. El soldador/operario debe entender el efecto de estas variables sobre el arco de soldadura y su estabilidad. 2.4.1 Tensión. La tensión de arco es el potencial eléctrico entre el alambre y la pieza. Esta tensión es menor que el que se mide directamente en la fuente de energía a causa de las caídas de tensión en las conexiones y a lo largo de los cables del equipo. Como se dijo antes, la tensión de arco se relaciona directamente con la longitud del arco; por lo tanto, un aumento o disminución en la tensión de salida de la fuente producirá un cambio similar en la longitud del arco. 2.4.2 Pendiente. Las características voltios amperios estáticas (salida estática)

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de una fuente de energía de VC se ilustran en la figura 24. La pendiente de la salida es la pendiente algebraica de la curva voltios - amperios y se acostumbra citarla como la caída de tensión por 100 amperios de aumento en la corriente. La pendiente de la fuente de energía, según las especificaciones del fabricante, se mide en sus terminales de salida y no es la pendiente total del sistema de soldadura por arco. Cualquier elemento que añada resistencia a sistema de soldadura, por ejemplo, cables de energía, conexiones deficientes, terminales flojas, contactos sucios, etc., hará crecer la pendiente. Por tanto, en un sistema de soldadura dado lo mejor es medir la pendiente en el arco. Se necesitan dos puntos de operación para calcular la pendiente en un sistema de soldadura del tipo de VC, como se muestra en la figura 26. No conviene utilizar la OCV como uno de los puntos, porque en algunos equipos existe una marcada caída de tensión a corrientes bajas. Esto se indica en la figura 24. Deben escogerse dos condiciones de arco estables en niveles de corriente que abarquen el intervalo que probablemente se usará.


Figura 26 Cálculo de la Pendiente para una Fuente de Energía 2.4.3 Efecto de Electromagnética.

Estrangulación

La pendiente tiene una función preponderante en la modalidad de transferencia en cortocircuito de GMAW en cuanto a que controla la magnitud de la corriente de cortocircuito, que es la intensidad de corriente que fluye cuando el alambre está en corto con la pieza. En GMAW, la separación de las gotas de metal fundido del alambre se controla por un fenómeno eléctrico conocido como efecto de estrangulación electromagnética. La estrangulación es la fuerza de

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“constricción” que la corriente ejerce sobre un conductor al fluir por él. En la figura 27 se ilustra este efecto para la transferencia en cortocircuito. La corriente en cortocircuito y por tanto la fuerza del efecto de estrangulación, es función de la pendiente de la curva voltios amperios de la fuente de energía, como se ilustra en la figura 28. La tensión de operación y la corriente de las dos fuentes de energía son idénticos, pero la corriente en cortocircuito de la curva A es menor que la de la curva B.


Figura 27 Ilustración del efecto de Estrangulación durante la Transferencia en Cortocircuito

Figura 28 Efecto de un Cambio de Pendiente

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La curva A tiene una pendiente más pronunciada, o una mayor caída de tensión por cada 100 amperios, en comparación con la curva B; por tanto tiene una corriente de cortocircuito menor y un efecto de estrangulación menos intenso. En la transferencia en cortocircuito, la magnitud de la corriente de cortocircuito es importante porque el efecto de estrangulación resultante determina la forma como una gota fundida se desprende del alambre. Esto a su vez, afecta la estabilidad del arco. Si hay poca o ninguna pendiente en el circuito de la fuente de energía, la corriente de cortocircuito subirá con rapidez hasta un nivel elevado. El efecto de estrangulación será intenso y la gota se separará violentamente del alambre. El excesivo efecto de estrangulación hará aun lado

abruptamente el metal fundido, despejará el cortocircuito y producirá demasiadas salpicaduras. Si la corriente de cortocircuito disponible de la fuente de energía se limita a un nivel bajo mediante una pendiente pronunciada, el alambre transportará la corriente completa, pero es posible que el efecto de estrangulación sea demasiado leve para separar la gota y restablecer el arco. En esas condiciones, el alambre chocará contra la pieza o se congelará en el charco. Si la corriente de cortocircuito tiene un valor aceptable, la separación de la gota fundida del alambre será suave con muy pocas salpicaduras. En la tabla 3 se dan las corrientes de cortocircuito típicas requeridas para la transferencia de metal con un arco lo más estable posible.

Tabla 3 Corrientes de Cortocircuito Típicas necesarias para transferir metal en Cortocircuito Material del Alambre

Acero al carbono Acero al carbono Aluminio Aluminio

Diámetro del Alambre Pulgadas

Milímetros

Corriente de Cortocircuito DCEP, amperios

0,030 0,035 0,030 0,035

0,8 0,9 0,8 0,9

300 320 175 195

Muchas fuentes de energía de VC están equipadas con un ajuste de la pendiente. Pueden ajustarse por pasos o continuamente para

suministrar los niveles deseados de corriente de cortocircuito para la aplicación de que se trate.


Algunas tienen pendientes fija que se ha establecido previamente para las condiciones de soldadura más comunes. 2.4.4 Inductancia. Cuando el alambre hace corto con la pieza, la corriente sube rápidamente a un nivel elevado. La característica del circuito que afecta la rapidez de este aumento es la inductancia, que por lo regular se mide en Henrios. El efecto de la inductancia se ilustra en la figura 29. La curva A es un ejemplo de curva corriente tiempo inmediatamente después del cortocircuito cuando hay cierta inductancia en el circuito. La curva

B ilustra el camino que hubiera recorrido la corriente si no hubiera inductancia en el circuito. La magnitud máxima del efecto de estrangulación se determina por el nivel de corriente de cortocircuito final. El efecto de estrangulación instantáneo está bajo el control de la corriente instantánea, y por tanto de la forma de la curva corriente tiempo es significante. La inductancia del circuito controla la rapidez de elevación de la corriente. Sin inductancia, el efecto de estrangulación se aplica con rapidez y la gota fundida será “degollada” violentamente del alambre, con un exceso de salpicadura.

Figura 29 Cambio en la Velocidad de Elevación de la Corriente debido a la Adición de Inductancia

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Una inductancia mayor produce una reducción en el número de cortocircuitos por segundo y un aumento en el tiempo de “arco encendido”. Esto último hace al charco más fluido y produce un cordón de soldadura más plano y liso. En la transferencia por spray axial, la adición de inductancia a la fuente de energía producirá un inicio de arco más suave sin afectar las condiciones de soldadura de estado estable. Los ajustes a la fuente de energía requeridos para obtener condiciones d e salpicaduras mínimas varían con el material y el diámetro del alambre. Por regla general, se requieren corrientes de cortocircuito e inductancias más altas para alambres de mayor diámetro. Existen fuentes de energía con niveles de inductancia fijos o ajustables por pasos o continuamente. 2.5 Reguladores del Gas de Protección Se requiere un sistema que proporcione una tasa de flujo de gas de protección constante a presión atmosférica durante la soldadura. Un regulador de gas reduce la presión del gas de la fuente a una presión de trabajo constante sin importar las variaciones en el cilindro. Los reguladores pueden ser de una o dos etapas y pueden tener un medidor de flujo integrado. Los reguladores de dos etapas

suministran gas a una presión más consistente que los de una etapa cuando la presión de la fuente varía. La fuente de gas de protección puede ser un cilindro de alta presión, un cilindro de gas licuado o un sistema de líquido de alto volumen como los tanques criogénicos. Es posible conseguir mezclas de gases en un solo cilindro. Cuando se emplean dos o más fuentes de gas o líquido, las proporciones correctas se obtienen por medio de dispositivos mezcladores. El usuario debe determinar el tamaño y el tipo de la fuente donde estará almacenado el gas, con base en el volumen de gas que se consuma al mes. 2.6

Suministro de alambre

El proceso GMAW emplea un alambre de alimentación continua que se consume con relativa rapidez. Por tanto, el suministro de alambre debe proveer una gran cantidad de este metal de relleno que pueda alimentarse con facilidad a la pistola para levar al máximo la eficiencia del proceso. Por lo regular, esta fuente es un carrete o rollo que contiene entre 4,5 y 27 kilos (10 a 60 libras) de alambre, enrollado para que la alimentación esté libre de dobleces y nudos. También existen carretes más grandes de hasta 114 kilos (250 libras), y puede conseguirse alambre en tambores de 340 a 450 kilos (750 a 1000 libras). Se emplean carretes pequeños [de 0,45 a 0.9 kilos (1 a 2 libras)] con


el equipo de carrete integrado a la pistola. La especificación de AWS o Militar aplicable define los requisitos de empaque estándar. Si el usuario tiene requerimientos especiales, normalmente puede llegar a un acuerdo con el fabricante.

Propiedades que debe tener el metal de soldadura

Condición y metal base

Tipo de servicio o requisito de especificación aplicable

El suministro de alambre puede ubicarse muy cerca del alimentador o colocarse a cierta distancia y conducirse mediante un equipo de entrega especial. Normalmente, el suministro de alambre debe estar lo más cerca posible de la pistola para minimizar los problemas de alimentación, pero lo bastante retirado para dar flexibilidad y accesibilidad al soldador.

Posición de soldadura

Modalidad de transferencia del metal que piensa usarse

3.1

Alambres

3

CONSUMIBLES

Además de los componentes del equipo, como los tubos de contacto y los forros del túnel, que se desgastan y deben reemplazarse, los consumibles del proceso GMAW son los alambres y los gases de protección. La composición química del alambre, del metal base y del gas de protección determinan la composición del metal de soldadura. A su vez, esta composición determina en gran medida las propiedades químicas y mecánicas del ensamble soldado. Los siguientes son factores que influyen en la selección del gas de protección y del alambre:

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Metal base

limpieza

del

Los alambres o metales de relleno para GMAW están cubiertos por diversas especificaciones de AWS para metal de relleno. Otras asociaciones que redactan normas también publican especificaciones de metal de relleno para aplicaciones específicas. Por ejemplo, la SAE redacta especificaciones para materiales aeroespaciales. En la tabla 4 se muestran las especificaciones de alambres de la AWS, designados como normas A5.XX, aplicables a GMAW. Definen requisitos de tamaño y tolerancias, empaque, composición química y en algunos casos, propiedades mecánicas. La AWS también publica cartas de comparación de metales de relleno, Filler Metal Comparison Charts, en las que los fabricantes pueden incluir sus marcas para cada una de las clasificaciones de metal de relleno. En general, para aplicaciones de unión, la composición del alambre es similar a la del metal base. La


composición del metal de relleno puede alterarse un poco para compensar las pérdidas que ocurren en el arco o para desoxidar el charco de soldadura. En algunos casos, esto apenas requiere modificación de la composición del metal base, pero en ciertas aplicaciones se requiere un alambre con una composición química muy diferente de la del metal base con el fin de obtener características de soldadura y propiedades del metal de soldadura satisfactorias. Por ejemplo, el mejor alambre para soldar con GMAW bronce al manganeso, una aleación de cobre + cinc es una de bronce al aluminio o de una aleación de cobre + manganeso + níquel + aluminio. Los alambres más apropiados para soldar las aleaciones de aluminio y acero de más alta resistencia mecánica a menudo tienen una composición diferente a la de los metales base con los que van a usarse. Esto se debe a que las aleaciones de aluminio como la 6061 no son apropiadas como metales de relleno. Por ello, las aleaciones de alambre se diseñan de manera que produzcan las propiedades de metal de soldadura deseadas con características de operaciones aceptables. Aparte de cualquier otra modificación hecha a la composición de los alambres, casi

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siempre se agregan desoxidantes u otros elementos limpiadores. Esto se hace para minimizar la porosidad de la soldadura o para asegurar que el metal de soldadura tenga propiedades mecánicas satisfactorias. La adición de desoxidantes apropiados en las cantidades correctas es indispensable para producir soldaduras íntegras. Los desoxidantes más utilizados en los alambres de acero son manganeso, silicio y aluminio. El titanio y el aluminio son los principales desoxidantes que se emplean con los alambres de aleación de níquel. Los alambres de aleación de cobre pueden desoxidarse con titanio, silicio o fósforo. Los alambres que se usan para GMAW son de diámetro muy pequeño si se les compara con los del proceso SAW o FCAW. Son comunes los diámetros de 0,9 a 1,6 mm (0,035” a 0,062”), pero pueden usarse alambres con diámetro tan pequeño como de 0,5 mm (0,020””) y tan grande como 3,2 mm (1/8”). Como los diámetros de alambre son pequeños y las corrientes relativamente altas, las velocidades de alimentación del alambre en GMAW son altas, desde unos 40 hasta 340 mm/s (100 a 800”/min.) para la mayoría de los metales, excepto el magnesio, con el que pueden requerirse velocidades de hasta 590 mm/s (1400”/min.)


Tabla 4 Especificaciones AWS para Diversos Alambres de GMAW Tipo de material base

Aceros al carbono Aceros de baja aleación Aleaciones de aluminio Aleaciones de cobre Magnesio Aleaciones de níquel Aceros inoxidables serie 300 Aceros inoxidables serie 400 Titanio

Con tales velocidades de alimentación, los alambres se proveen en forma de hilos continuos de alambre debidamente templado que pueden alimentarse de manera suave y uniforme a través del equipo de soldadura. Normalmente, los alambres se enrollan en carretes de tamaño conveniente, o en bobinas. Los alambres tienen razones superficie/volumen altas por su tamaño relativamente pequeño. Cualquier compuesto o lubricante de estiramiento o trefilación que penetre en la superficie del alambre durante el proceso de fabricación pueden afectar adversamente las propiedades del metal de soldadura. Estos materiales extraños producen porosidad en aleaciones de aluminio y acero, y agrietamiento del metal de soldadura o de la ZAC en aceros de alta resistencia mecánica. Por tanto, los alambres deben fabricarse con una superficie de

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Especificación AWS A5.18 A5.28 A5,10 A5.7 A5.19 A5.14 A5.9 A5.9 A5.16

alta calidad para evitar la acumulación de contaminantes en las costuras o traslapos. Además de usarse en aplicaciones de unión, el proceso GMAW se utiliza ampliamente para recubrir en los casos en que un depósito de soldadura superpuesto puede conferir una resistencia al desgaste o a la corrosión deseable, u otras propiedades. Los recubrimientos normalmente se aplican a aceros al carbono o al manganeso y deben someterse a una ingeniería y evaluación cuidadosas para garantizar resultados satisfactorios. En las operaciones de recubrimiento, la dilución del metal de soldadura con el metal base se convierte en una consideración importante; es función de las características del arco y de la técnica. Con GMAW pueden esperarse tasas de dilución del 10 al 50% dependiendo de la modalidad de transferencia. Por esta razón, lo normal es que se


requieran múltiples capas para obtener una química apropiada del depósito en la superficie. La mayoría de los recubrimientos de metal de soldadura se depositan automáticamente a fin de controlar con precisión la dilución, el ancho y espesor del cordón, y el traslapo al colocar cada cordón junto al anterior.

4

GASES DE PROTECCIÓN

4.1

Generalidades

La función principal del gas de protección es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido. Esto es necesario porque la mayoría de los metales, al calentarse hasta su punto de fusión al aire, presentan una marcada tendencia a formar óxidos y en menor grado, nitruros. Además, el oxígeno reacciona con el carbono del acero para formar monóxido y dióxido de carbono. Estos diversos productos de reacción pueden causar deficiencias de la soldadura, como escoria atrapada, porosidad y pérdida de ductilidad del metal de soldadura. Los productos de reacción mencionados se forman con facilidad en la atmósfera si no se toman precauciones para excluir el oxígeno y el nitrógeno. Además de proporcionar un entorno protector, el gas de protección y la tasa de flujo tienen un efecto importante sobre lo siguiente:

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Características del arco

Modalidad de transferencia del metal Penetración y perfil del cordón de soldadura

Velocidad de soldadura

Tendencia a la socavación

Acción limpiadora

Propiedades mecánicas del metal de soldadura

En la tabla 5 se muestran los principales gases que se usan con GMAW. Casi todas son mezclas de gases inertes que también pueden contener pequeñas cantidades de oxígeno o dióxido de carbono. El empleo de nitrógeno al soldar cobre es una excepción. En la tabla 6 se da una lista de los gases que se emplean para GMAW con transferencia en cortocircuito. 4.2 Gases Inertes de Protección: Argón y Helio El argón y el helio son gases inertes. Estos dos y sus mezclas se emplean para soldar metales no ferrosos y aceros inoxidables, al carbono y de baja aleación. Las diferencias físicas entre el argón y el helio son la densidad, la conductividad térmica y las características del arco. El argón es aproximadamente 1,4X más denso que el aire, en tanto que la densidad del helio es de alrededor de 0,14X la del aire. El argón, por ser más pesado, es más efectivo para proteger el arco y


cubrir el área de soldadura en la

posición plana.

Tabla 5 Gases de Protección para Transferencia en Spray Axial con GMAW Metal

Gas de Protección

Aluminio

Magnesio

Aceros carbono

al

Aceros de baja aleación

Aceros inoxidables

Níquel,

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Espesor

Ventajas

100% argón

0 a 25 mm (0 a 1”)

Transferencia de metal y estabilidad del arco óptimas; mínimo de salpicaduras.

35% argón + 65% helio

25 a 76 mm (1 a 3”)

Mas alta entrada de calor que sólo con argón; mejores características de fusión con aleaciones Al - Mg de la serie 5XXX

25% argón + 75% helio

Más de 76 mm (3”)

Máxima entrada de calor; minimiza la porosidad

100% argón

-

Excelente acción limpiadora

95% argón + 3,5% CO2

-

Mejora la estabilidad del arco; produce un charco de soldadura más fluido y controlable; buena coalescencia y perfil del cordón; minimiza la socavación; permite velocidades más altas que el argón puro.

90% argón + 8 -10% CO2

-

Soldadura mecanizada de alta velocidad; soldadura manual de bajo costo.

98% argón + 2% oxígeno

-

Minimiza la socavación; confiere buena estabilidad.

99% argón 1% oxígeno

-

Mejora la estabilidad del arco; produce un charco de soldadura más fluido y controlable; buena coalescencia y perfil de cordón; minimiza la socavación en aceros inoxidables gruesos.

98% argón + 2% oxígeno

-

Ofrece mejor estabilidad de arco, coalescencia y velocidad de soldadura que la mezcla con 1% de oxígeno para piezas de acero inoxidables delgadas.

hasta 3,2 mm (1/8”)

Ofrece buena humectación; reduce

100% argón


Metal cobre y sus aleaciones

Titanio

Gas de Protección

Espesor

Ventajas la fluidez del metal de soldadura.

argón - helio

-

Mayor entrada de calor que con mezclas con 50 y 75% de helio, lo que compensa la elevada disipación del calor de los calibres más gruesos.

100% argón

-

Buena estabilidad del arco; contaminación mínima de la soldadura; se requiere respaldo con gas inerte para evitar la contaminación con aire de la parte de atrás del área de soldadura

Tabla 6 Gases de Protección para Transferencia en Cortocircuito con GMAW Metal Aceros al carbono

Gas de Protección

Espesor

75% argón + CO2

25% Menos de 3,2 mm (1/8”)

75% argón + CO2

25%

Ventajas Altas velocidades de soldadura sin perforación; mínimo de distorsión y salpicaduras

Más de 3,2 mm (1/8”)

Mínimo de salpicaduras; aspecto limpio de la soldadura; buen control del charco en las posiciones vertical y cenital

Aceros inoxidables

Argón + 5 a 10% de CO2

-

Penetración más profunda; más altas velocidades de soldadura

Aceros de baja aleación

90% helio + 7,5% argón + 2,5% CO2

-

Ningún efecto sobre la resistencia a la corrosión; pequeña zona afectada por el calor; sin socavación; mínima distorsión.

60 a 70% helio + 25 a 35% argón + 4,5% CO2

-

Reactividad mínima; excelente estabilidad del arco, características de humectación y perfil del cordón; pocas salpicaduras.

75% argón + CO2

-

Buena tenacidad; excelentes estabilidad del arco, características de humectación y perfil del cordón; pocas salpicaduras.

Más de 3,2 mm

El argón es satisfactorio para

Aluminio, cobre, magnesio, níquel y sus aleaciones

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25%

Argón y argón + helio


Metal

Gas de Protección

Espesor (1/8”)

Ventajas láminas; se prefiere argón + helio para material base.

El helio requiere tasas de flujo unas 2X o 3X mayores que las usadas con argón para proporcionar una protección equivalente.

En la figura 30 se ilustran los perfiles de cordón típicos para argón, helio, mezclas argón + helio y dióxido de carbono.

El helio tiene mayor conductividad térmica que el argón y produce un plasma de arco en el que la energía del arco es distribuida de manera más uniforme. El plasma de arco del argón, en cambio, se caracteriza por un núcleo de alta energía y una zona exterior de menor energía. Esta diferencia afecta sobre manera el perfil del cordón de soldadura. Un arco protegido con helio produce un cordón profundo, ancho, parabólico. Un arco protegido con argón produce un perfil de cordón caracterizado por una penetración tipo “dedo”.

El helio tiene un potencial de ionización más alto que el del argón y en consecuencia, una tensión de arco más alto si todas las demás variables son iguales. Además, el helio puede presentar problemas de iniciación del arco. Los arcos protegidos exclusivamente con helio no presentan transferencia en spray axial verdadera en ningún nivel de corriente. El resultado es que los arcos protegidos con helio producen más salpicaduras y tiene cordones con superficies más ásperas que los protegidos con argón. La protección con argón, incluidas las mezclas con un contenido de argón tan bajo como 80%, producen transferencia en spray axial cuando la corriente está por encima del nivel de transición.

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Figura 30 Perfil del Cordón y Patrones de Penetración para Diversos Gases de Protección

4.3

Mezclas de Argón + Helio

La protección con argón puro se usa en muchas aplicaciones de soldadura de materiales no ferrosos. El empleo de helio puro se restringe, generalmente, a áreas más especializadas porque un arco en helio tiene estabilidad limitada. Pese a ello, las características de perfil del cordón de soldadura deseables (profundo, ancho y parabólico) que se obtienen con el arco de helio muchas veces son el objetivo al usar mezclas de argón + helio como gas de protección. El resultado, que se ilustra en la figura 30, es un mejor perfil de cordón aunado a la característica de transferencia de metal en spray axial deseable del argón. En la transferencia en cortocircuito se usan mezclas argón + helio con entre 60 y 90% de helio a fin de obtener una mayor entrada de calor

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al metal base y mejorar las características de fusión. Con algunos metales, como los aceros inoxidables y de baja aleación, se seleccionan adiciones de helio en lugar de las de dióxido de carbono porque éste último puede afectar adversamente las propiedades mecánicas del depósito. Las mezclas de argón y 50 a 75% de helio aumentan la tensión del arco (para la misma longitud del arco) con respecto a la del argón puro. Estos gases se emplean para soldar aluminio, magnesio y cobre porque la mayor entrada de calor, gracias a la tensión más alta, reduce el efecto de la elevada conductividad térmica de estos metales base.


4.4 Adiciones de Oxígeno y Dióxido de Carbono al Argón y el Helio El argón y en menor medida el helio puros, producen excelentes resultados cuando se sueldan metales no ferrosos. No obstante, la protección de aleaciones no ferrosas con argón puro produce un

arco irregular y una tendencia a la socavación. Las adiciones de 1 a 5% de oxígeno o de 3 a 25% de dióxido de carbono producen una notable mejoría en la estabilidad del arco y ausencia de socavación al eliminar las divagaciones del arco causadas por el chisporroteo en el cátodo.

Figura 31 Efecto Relativo de las Adiciones de Oxígeno y del Dióxido de Carbono al Argón

La cantidad óptima de oxígeno o dióxido de carbono que se añade al gas inerte es función de la condición de la superficie de la pieza (presencia de incrustaciones de forja u óxidos), la geometría de la junta, la posición o técnica de soldadura y la composición del metal base. En general, 2% de oxígeno u 8 a 10% de dióxido de carbono se considera un buen término medio para cubrir un intervalo amplio de estas variables. Las adiciones de dióxido de carbono al argón también pueden mejorar la apariencia del cordón de

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soldadura al producir un perfil “en forma de pera” de más fácil definición, como se aprecia en la figura 31. La adición de entre 1 y 9% de oxígeno al gas mejora la fluidez del charco de soldadura, la penetración y la estabilidad del arco. El oxígeno también reduce la corriente de transición. La tendencia a la socavación disminuye, pero hay una mayor oxidación del metal de soldadura con una pérdida apreciable de silicio y manganeso. Las mezclas argón + dióxido de carbono se usan con acero al


carbono y de baja aleación, y en menor grado con aceros inoxidables. Las adiciones de dióxido de carbono de hasta el 25% elevan la corriente de transición mínima, aumentan las pérdidas por salpicadura y la profundidad de penetración y reducen la estabilidad del arco. Las mezclas argón + dióxido de carbono se usan principalmente en aplicaciones de transferencia en cortocircuito, aunque también pueden servir para soldar con transferencia en spray axial y spray pulsado. Se usa ampliamente una mezcla de argón con 5% de dióxido de carbono para soldar por arco spray pulsado y alambres sólidos de acero al carbono. Las mezclas de argón + helio + dióxido de carbono son las favoritas para soldar con spray pulsado y alambres sólidos de acero inoxidable. 4.5 Mezclas de Gases Múltiples de Protección 4.5.1 Argón + Oxígeno + Dióxido de Carbono. Las mezclas de argón con hasta 20% de dióxido de carbono y de 3 a 5% de oxígeno son versátiles. Proveen una protección adecuada y características de arco deseables para soldar en las modalidades de spray axial, cortocircuitos y spray pulsado. Las mezclas con 10 a 20% de dióxido de carbono no son comunes en EE.UU., aunque si gozan de popularidad en Europa. 4.5.2 Argón + Helio + Dióxido de Carbono. Las mezclas de argón + helio + dióxido de carbono se usan

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para soldar aceros al carbono, de baja aleación e inoxidables en cortocircuito y spray pulsado. Las mezclas en las que el argón es el constituyente primario sirven para soldar por spray pulsado y aquellas en las que predomina el helio se emplean para soldar en cortocircuito. 4.5.3 Argón + Helio + Dióxido de Carbono + Oxígeno. Esta mezcla conocida como mezcla cuadrada (quad mix), es popular para GMAW de alta deposición empleando el tipo de arco de transferencia de metal con elevada densidad de corriente. Esta mezcla ofrece buenas propiedades mecánicas y operabilidad dentro de un intervalo amplio de tasas de deposición. Su aplicación principal es en soldadura de materiales base de baja aleación y buena resistencia a la tensión, pero también se ha usado con acero dulce en soldadura de alta producción. Los aspectos económicos son una consideración importante para usar este gas en la soldadura de acero dulce. 4.6

DIÓXIDO DE CARBONO

El dióxido de carbono es un gas reactivo ampliamente utilizado en su forma pura para GMAW de los aceros al carbono y de baja aleación. Es el único gas reactivo que puede usarse sólo como protección en el proceso GMAW. La mayor velocidad de soldadura, la penetración más profunda en la junta y el bajo costo son características generales que han


promovido el uso del dióxido de carbono como gas de protección.

Alambre composición, diámetro y empaque

Con una protección de dióxido de carbono la modalidad de transferencia de metal es en cortocircuito o bien globular. La transferencia en spray axial requiere una protección de argón y no puede lograrse con uno de dióxido de carbono. Con la transferencia globular, el arco es muy brusco y produce abundantes salpicaduras, lo que exige fijar las condiciones de soldadura de modo que produzcan un “arco enterrado” muy corto (el extremo del alambre está por debajo de la superficie de la pieza) a fin de minimizar las salpicaduras.

Gas de protección y tasa de flujo

Variables del proceso, incluidos, intensidad, tensión, velocidad de avance y modo de transferencia

Diseño de las juntas

Equipo, incluida la fuente de energía, la pistola y el alimentador del alambre

En una comparación general con el arco protegido por una mezcla rica en argón, el arco protegido con dióxido de carbono produce un cordón de soldadura con excelente penetración y un perfil superficial más áspero, con una acción de “humectación” muy inferior en los bordes del cordón de soldadura gracias al arco enterrado. Se logran depósitos de soldadura muy íntegros, pero las propiedades mecánicas pueden sufrir menoscabo por la naturaleza oxidante del arco. 5

5.1

Selección del Alambre

En la ingeniería de ensambles soldados, el objetivo es seleccionar los metales de relleno que producirán un depósito de soldadura con dos características básicas:

Un depósito que se asemeja mucho al metal base en sus propiedades mecánicas y físicas o que lo mejora, por ejemplo confiriéndole resistencia a la corrosión o al desgaste

Un depósito de soldadura íntegro, libre de discontinuidades

APLICACIONES

El proceso GMAW puede usarse con una amplia variedad de metales y configuraciones. El éxito en su aplicación depende de la elección correcta de lo siguiente:

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En el primer caso, el depósito de soldadura, aunque tenga una composición casi idéntica a la del metal base, tiene características metalúrgicas únicas. Esto depende de factores tales como la entrada de calor y la configuración del


cordón de soldadura. La segunda característica generalmente se logra empleando un alambre de metal formulado, por ejemplo, uno que contenga desoxidantes para producir un depósito relativamente libre de defectos. 5.1.1 Composición. El alambre debe satisfacer ciertas demandas del proceso en cuanto a estabilidad del arco, comportamiento de transferencia de metal y características de solidificación. También debe producir un depósito de soldadura compatible con una o más de las siguientes características del metal base:

Química

Resistencia mecánica

Ductilidad

Tenacidad

Es preciso considerar también otras propiedades como la resistencia a la corrosión, la respuesta al tratamiento térmico, la resistencia al desgaste y la igualación de colores. Sin embargo, todas estas consideraciones tienen importancia secundaria en comparación con la compatibilidad metalúrgica del metal base y el metal de relleno. La AWS establece especificaciones para los metales de relleno de uso común. La tabla 7 ofrece una guía básica para seleccionar los tipos de metal de relleno apropiados para los metales base que se listan,

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junto con todas las especificaciones AWS de metal de relleno aplicables. 5.1.2 Alambres Tubulares. En el proceso GMAW se usan alambres tanto sólidos como tubulares. Estos últimos tienen un núcleo de polvo metálico que incluye pequeñas cantidades de compuestos estabilizadores del arco. Estos alambres producen un arco estable y tienen eficiencias de deposición similares a las de los alambres sólidos. El enfoque tubular permite fabricar alambres metálicos de baja escoria y alta eficiencia con composiciones que no sería fácil fabricar como alambres sólidos. 5.2 Selección Protección

del

Gas

de

Como se anotó en secciones anteriores, el gas de protección que se emplea para el proceso GMAW puede ser inerte (argón o helio), reactivo (dióxido de carbono) o una mezcla de ambos tipos. Puede agregarse un poco de oxígeno y en ocasiones de hidrógeno a fin de lograr otras características de arco y geometrías de cordón de soldadura deseadas. La selección del mejor gas de protección se basa en la consideración del material que va a soldarse y del tipo de transferencia de metal que se empleará. Para la transferencia en transferencia spray, la tabla 5 presenta los gases de protección de uso más común para diversos metales. La tabla 6


presenta los gases de protección que se emplean con la modalidad de transferencia en cortocircuito. Estas tablas no listan todas las combinaciones especiales de gases que están disponibles. 5.3 Establecimiento Variables del Proceso

de

las

La selección de los parámetros del proceso (intensidad, tensión,

velocidad de avance, tasa de flujo del gas de protección, extensión libre del alambre, etc.) requiere estrategia de prueba y error para determinar en conjunto las condiciones aceptables. Esto se dificulta aún más por la interdependencia de muchas de las variables. Se establecen intervalos típicos de siete (7) variables, los mismos que se listan en las tablas 8 a la 13 para diversos metales.

Tabla 7 Alambres Recomendados para GMAW Material Base Tipo Aluminio y aleaciones de aluminio (Normas ASTM, volumen 2,02)

Aleaciones de magnesio (normas ASTM volumen 2,02)

Cobre y aleaciones de cobre (normas ASTM volumen 2,01)

Níquel y aleaciones

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Clasificación 1100 3003, 3004 5052, 5454 5083, 5086 5456 6061, 6063 AZ10A AZ31B, AZ61A AZ80A ZE10A ZK21A AZ63A, AZ81A AZ91C AZ92A, AM100A HK31A, HM21A HM31A LA141A

Clasificación del Alambre ER4043 ER5356 ER5554, ER5556 O ER5183 ER5556 O ER5356

Especificación del Alambre de la AWS (última edición)

AWS A5.10

ER4043, ER5356 ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ61A, ERAZ92A ERAZ92A AWS A5.19 EREZ33A EREZ33A EREZ33A EREZ33A

Comercialmente puro Latón Aleaciones Cu Ni Bronce al magnesio Bronce al aluminio Bronce

ERCu ERCuSi - A. ERCuSn - A ERCuNi ERCuAL - A2 ERCuAl - A2 ERCuSn - A

Comercialmente puro

ERNi

AWS A5.7


Material Base Clasificación del Alambre ERNiCu - 7 ERNiCrFE - 5

Tipo de níquel (normas ASTM volumen 2,04)

Clasificación Aleaciones Ni Cu Aleaciones Ni Cr Fe

Titanio y aleaciones de titanio (normas ASTM volumen 1,04)

Comercialmente puro Ti 6Al 4V Ti 0,15 Pd Ti 5Al 25 Sn Ti 13V 11Cr 3Al

Aceros inoxidables austeníticos (normas ASTM volumen 1,04)

Tipo 201 Tipos 301, 302 304 y 308 Tipo 304L Tipo 310 Tipo 316 Tipo 321 Tipo 347

Aceros al carbono

ERTi - 1, -2, -3, -4 ERTi 6AL 4V ERTi 0,2 Pd ERTi 5Al 2,5Sn ERTi 13V 11Cr 3Al

Especificación del Alambre de la AWS (última edición) AWS A5.14

AWS A5.16

ER308 ER308 ER308L ER310 ER316 ER321 ER347

Aceros simples al carbono laminados en caliente y en frío

AWS A5.9

ER70S 3. ER70S 1 ER70S 2, ER70S 4 ER70S 5, ER70S 6

AWS A5.18

Tabla 8 Condiciones Típicas para GMAW del Acero al Carbono y de Baja Aleación en Posición Plana Espesor del Material

Pulg.

mm

0.062 0,125 0,187 0,250 0,250

1,6 3,2 4,7 6,4 6,4

1 2 3 4

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Tipo de Soldadura

A tope 3 A tope 3 A tope 3 A tope 3 A tope 4

Diámetro del Alambre

Corriente y Tensión 1

Velocidad de Alimentación

Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg./mín.

Mm/s

0,035 0,035 0,035 0,035 0,045

0,9 0,9 0,9 0,9 1,1

95 140 150 150 200

18 20 20 21 22

150 250 265 265 250

64 106 112 112 106

DCEP También puede usarse CO2 grado soldadura Abertura de raíz de 0,8 mm (0,030”) Abertura de raíz de 1,6 mm (1/16”)

Gas 2 de Protección

75% de Argón + 25% de Dióxido de Carbono

Flujo de Gas

Pie3/h

L/mín.

25 25 25 25 25

12 12 12 12 12


Tabla 9 Condiciones Típicas para GMAW del Aluminio en Posición Plana Espesor del Material

Pulg.

mm

0.062 0,125 0,187 0,250 0,375

1,6 3,2 4,7 6,4 9,5

Tipo de Soldadura

A tope A tope A tope A tope A tope

•


Corriente y Tensión *


Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg./mín.

Mm/s

0,035 0,030 0,045 0,045 0,063

0,8 0,8 1,1 1,1 1,6

90 125 160 205 240

18 20 23 24 26

365 440 275 335 215

155 186 116 142 91

Gas de Protección

Argón Argón Argón Argón Argón

Flujo de Gas

Pie3/h

L/mín.

30 30 35 35 40

14 14 16 16 19

DCEP

Tabla 10 Condiciones Típicas para GMAW del Acero Inoxidable Austenítico empleando Transferencia en Spray Axial en Posición Plana Espesor del Material Pulg.

mm

0,125 0,250 (1) 0,375 (1)

3,2 6,4 9,5

1 2 a b c

iGMAW!

Tipo de Soldadura A tope a A tope b A tope c




Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg/mín

mm/s

0,062 0,062 0,062

1,6 1,6 1,6

225 275 300

24 26 28

130 175 240

55 74 102

DCEP Se requieren dos pasadas Con respaldo En V con ángulo de 60° En V con ángulo de 60°


98% de Ar + 0,2% de Oxígeno

Flujo de Gas Pie3/h

L/mín.

30 35 35

14 16 16


Tabla 11 Condiciones Típicas para GMAW del Acero Inoxidable Austenítico empleando Transferencia en Cortocircuito Espesor del Material

Pulg.

mm

0.062 0,093 0,125

1,6 2,4 3,2

*

Tipo de Soldadura

A tope A tope A tope




Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg./mín.

Mm/s

0,030 0,030 0,030

0,8 0,8 0,8

85 105 125

21 23 24

185 230 280

78 97 118


90% He + 7.5% Ar + 2,5% CO2

Flujo de Gas

Pie3/h

L/mín.

30 30 30

14 14 14

DCEP

Tabla 12 Condiciones Típicas para GMAW del Cobre en Posición Plana Espesor del Material

Pulg.

mm

0,125 0,187 0,187

3,2 4,8 6.4

*

Tipo de Soldadura

A tope A tope A tope




Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg./mín.

Mm/s

0,035 0,045 0,062

0,9 1,1 1,6

175 210 365

23 25 26

430 240 240

182 101 101


Argón Argón Argón

Flujo de Gas

Pie3/h

L/mín.

25 30 35

12 14 16

DCEP

Tabla 13 Condiciones Típicas para GMAW del Magnesio en Posición Plana Espesor del Material Pulg.

mm

0.062 0,090 0.125 0,250 0,375

1,6 2,3 3,2 6,4 9,5

*

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DCEP

Tipo de Soldadura

A tope de Ranura Cuadrada o Filete




Flujo de Gas

Pulg.

mm

Amp.

Volt.

Pulg./mín.

Mm/s

Pie3/h

L/mín.

0,062 0,062 0,062 0,062 0,094

1,6 1,6 1,6 1,6 2,4

70 105 125 265 335

16 17 18 25 26

160 245 290 600 370

68 104 123 254 157

50 50 50 60 60

24 24 24 28 28


5.4 Selección del Diseño de la Junta En la figura 32 se muestran diseños y dimensiones de juntas de soldadura típicos para el proceso GMAW. Las dimensiones indicadas generalmente producen una penetración completa en la junta y un refuerzo aceptable si se emplean los procedimientos correctos de soldadura. Es posible usar configuraciones de unión similares con otros metales, aunque los tipos con mayor

conductividad térmica (por ejemplo: aluminio, cobre, etc.) deben tener ángulos de ranura más amplios a fin de minimizar los problemas por fusión incompleta. Las características de penetración profunda de GMAW con transferencia en spray axial pueden permitir el empleo de ángulos incluidos más pequeños. Esto reduce la cantidad de metal de relleno y las horas de mano de obra requeridas para fabricar los ensambles soldados.

Figura 32 Diseños y Dimensiones de Uniones Típicas para GMAW

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Figura 32 Diseños y Dimensiones de Uniones Típicas para GMAW (continuación)

5.5

Selección del Equipo

Al seleccionar el equipo, deben considerarse los requerimientos de la aplicación, el intervalo de energía de salida, las características estáticas y dinámicas y las velocidades de alimentación del alambre. Por ejemplo, si una parte importante de la producción implica el uso de alambre de aluminio de diámetro pequeño, el fabricante debe considerar la adquisición de un alimentador de alambre del tipo de (halar y empujar (push - pull). Si se contempla soldar fuera de posición, debe investigarse los equipos de corriente pulsada.

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Si se desea soldar aceros inoxidables de calibre delgado, puede considerarse una fuente de energía con pendiente e inductancia ajustables. Si se piensa en adquirir equipo nuevo, conviene pensar un poco en la versatilidad del equipo y en la estandarización. La selección del equipo para producir un solo propósito o de alto volumen por lo general puede basarse únicamente en los requisitos de esa aplicación en particular.


En cambio, si se piensa realizar un gran número de trabajos distintos, como en un taller, muchos de los cuales tal vez no se conozcan en el momento de seleccionar equipo, la versatilidad es importante. Debe considerarse el resto del equipo que está en uso en la instalación. La estandarización del equipo existente minimizará los requerimientos de inventario y aumentará al máximo la eficiencia de la operación global. En secciones anteriores se dieron ya detalles de los componentes del equipo. 6

APLICACIONES ESPECIALES

6.1

Soldadura de Puntos

La soldadura de puntos es una variación de GMAW continua en la que dos láminas se funden mediante la penetración completa a través de una de las piezas hasta llegar a la otra. Se usa esta variación para unir materiales de calibre delgado, hasta unos 5 mm (3/16”) de espesor, en la producción de carrocerías, aparatos electrodomésticos y gabinetes eléctricos. No se requiere más preparación de la junta que una limpieza de las áreas de traslapo. También es posible soldar por puntos secciones más gruesas empleando esta técnica si se taladra o troquela un agujero en la pieza superior y se dirige un arco a través de él para lograr la junta con la pieza subyacente. Esto se conoce como soldadura de tapón.

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En la figura 33, se compara una soldadura de punto hecha con el proceso GMAW y otra por RSW. Las soldaduras realizadas con este último proceso se hicieron calentándolas por resistencia y presionándolas luego con dos electrodos de cobre que funden ambos componentes en su interfaz y los fusionan. En la soldadura GMAW por puntos, el arco penetra de lado a lado la pieza de encima y la fusiona con la inferior con su charco de soldadura. Una ventaja importante de la soldadura de puntos por GMAW, es que sólo se accede por un lado de la junta. La variación de soldadura de puntos, requiere cierta modificación del equipo GMAW tradicional. Se emplean toberas especiales con aberturas que permiten el escape del gas de protección cuando la pistola se presiona contra la pieza. También se necesitan controles del tiempo y de la velocidad de alimentación del alambre, a fin de regular el tiempo de soldadura real y un periodo de decaimiento de la corriente para llenar el cráter de soldadura y dejar un perfil de refuerzo adecuado. 6.1.1 Diseño de las Juntas. El proceso GMAW puede usarse para soldar juntas traslapadas en aceros al carbono, aluminio, magnesio, aceros inoxidables y aleaciones de contengan cobre. Es posible soldar metales con espesores iguales o diferentes, pero la lámina más delgada siempre debe ser la pieza superior


si se sueldan espesores desiguales. La soldadura por puntos con GMAW se restringe normalmente a la posición plana, pero si se

modifica el diseño de la tobera puede adaptarse a uniones de traslapo - filete, y filete de rincón en posición horizontal.

Figura33 Comparación de Soldaduras de Puntos realizadas por GMAW y por Resistencia, RSW

6.1.2 Operación del Equipo. La pistola para soldar por puntos con GMAW se coloca en posición, presionando las dos piezas y se acciona el gatillo para iniciar el arco. El cronómetro del arco arranca mediante un dispositivo que detecta el flujo de la corriente de soldadura. El arco se mantiene por el alambre consumible que se alimenta continuamente hasta que la lámina superior se funde de lado a lado y se fusiona con la inferior sin que se haya desplazado lateralmente la pistola. El tiempo del ciclo se ajusta de modo que se mantenga un arco hasta completar la secuencia de fusión, es decir hasta formar una soldadura de punto.

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El alambre sigue alimentándose durante el ciclo del arco y debe producir un refuerzo en la superficie de la lámina superior. 6.1.3 Efecto de las Variables del Proceso sobre las Características de Soldadura. El diámetro de la soldadura en la cara interna y el refuerzo son las dos características de una soldadura de punto con GMAW que determinan si la soldadura satisfará o no los requerimientos de servicio propuestos. Tres (3) variables principales del proceso - corriente de soldadura, tensión y tiempo de arco - afectan una de estas características, o ambas.


6.1.4 Corriente. Tiene el efecto más marcado sobre la penetración. Ésta aumentará si se usan corrientes más elevadas (con un aumento correspondiente en la velocidad de alimentación del alambre). El aumento en la penetración generalmente produce una soldadura de mayor diámetro en la superficie. 6.1.5 Tensión del Arco. La tensión del arco es lo que más afecta la forma de la soldadura de puntos. En general, si la corriente se mantiene constante, un aumento en la tensión del arco hará crecer el diámetro de la zona de fusión, aunque también causará una pequeña disminución en la altura del refuerzo y en la penetración. Las soldaduras realizadas con tensiones de arco demasiado bajas presentan una depresión en el centro del refuerzo. Si la tensión de arco es excesiva, se crearán condiciones de fuerte salpicadura. 6.1.6 Tiempo de Soldadura.

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Se recomienda elegir condiciones que produzcan una soldadura satisfactoria en un lapso de 20 a 100 ciclos de una corriente de 60 Hertz (0,3 a 1,7 s) al unir metal base de hasta 3,2 mm (0,125”) de espesor. Puede requerirse un tiempo de arco de hasta 300 ciclos (5 segundos) en materiales más gruesos para lograr una resistencia mecánica adecuada. La penetración, el diámetro de la soldadura y la altura del refuerzo generalmente aumentan con el tiempo de soldadura. Como sucede con GMAW convencional, los parámetros de la soldadura de puntos son muy independientes. La modificación de uno por lo regular exige ajustar uno o más de los otros. Se requiere cierto tanteo para encontrar un conjunto o conjuntos de condiciones para una aplicación en particular. En la tabla 14 se muestran parámetros de “arranque” para la soldadura por puntos con GMAW en acero al carbono.


Tabla 14 Ajustes Variables para soldar por puntos con GMAW en Acero al Carbono en Posición Plana [gas de protección CO2 con nuez de 6,4 mm (1/4”)) de diámetro] Tamaño del Alambre

Espesor

Corriente y Tensión

Pulg.

mm

Calibre

Pulg.

mm

Seg.

Amp.

Volt.

0,030

0,8

24 22 20

0,022 0,032 0,037

0,56 0,81 0,94

1,0 1,2 1,2

90 120 120

24 27 27

0,035

0,9

18 16 14

0,039 0,059 0,072

0,99 1,50 1,83

1,0 2,0 5,0

190 190 190

27 28 28

0,045

1,2

14 12 11

0,072 0,110 0,124

1,83 2,79 3,15

1,5 3,5 4,2

300 300 300

30 30 30

0,063

1,6

11

1/8 5/32

3,15 4,0

1,0 1,5

490 490

32 32

7 INSPECCIÓN Y CALIDAD DE LA SOLDADURA 7.1 Introducción Los procedimientos de control de calidad para las uniones de GMAW son muy similares a los que se usan para otros procesos. De acuerdo con las especificaciones aplicables, los procedimientos de inspección deben servir para determinar si el desempeño del soldador / operario es apropiado, para calificar un procedimiento de soldadura satisfactorio y para realizar un examen completo del producto final soldado.

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Tiempo de Arco

La inspección de la soldadura del producto terminado se limita a los métodos de END´s como la VT, LT, MT, RT y UT. Las pruebas destructivas, tracción, corte, fatiga, impacto, flexión, fractura, pelado, sección transversal o dureza, por lo regular se limitan al desarrollo de ingeniería, la calificación de procedimientos de soldadura y la calificación del desempeño del soldador / operario.


7.2

Problemas Posibles

7.2.1 Pérdida de Ductilidad por Hidrógeno. Es importante estar conscientes de los problemas de pérdida de ductilidad que pueden presentarse a causa del hidrógeno, si bien no es muy probable que esto suceda con GMAW porque no se usan fundentes o revestimientos higroscópicos. Sin embargo, se recomienda tener en cuenta otras fuentes de hidrógeno. Por ejemplo, el gas de protección debe tener un contenido de humedad suficientemente bajo. El proveedor del gas debe controlar bien este aspecto, pero quizás convenga verificarlo. El aceite, la grasa y los compuestos de trefilación presentes en el alambre o el metal base pueden convertirse en fuentes potenciales de absorción de hidrógeno en el metal de soldadura. Los fabricantes de alambres son conscientes de lo necesaria que es la limpieza y normalmente se preocupan mucho por suministrar un alambre limpio. Es posible introducir contaminantes durante la manipulación en las instalaciones del usuario. Los usuarios que están conscientes de esta probabilidad toman medidas para evitar problemas graves, sobre todo al soldar aceros endurecibles. Las mismas precauciones son necesarias al soldar aluminio, excepto que el problema potencial es la porosidad causada por la relativamente baja solubilidad del hidrógeno en el aluminio solidificado, más que la pérdida de ductilidad por hidrógeno.

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7.2.2 Contaminación con Oxígeno y Nitrógeno. El oxígeno y el nitrógeno pueden representar problemas más graves que el hidrógeno en el proceso GMAW. Si el gas de protección no es totalmente inerte o no protege debidamente, estos elementos pueden absorberse con facilidad de la atmósfera. Tanto los óxidos como los nitruros pueden reducir la tenacidad a la entalla del metal de soldadura. El metal depositado con GMAW no es tan tenaz como el que se deposita con GTAW. No obstante, cabe señalar que es posible añadir oxígeno al gas de protección en proporciones de hasta el 5% o más sin afectar adversamente la calidad de la soldadura. 7.2.3 Limpieza. La limpieza del metal base cuando se usa GMAW es más crítica que cuando se usa SMAW o SAW. Los compuestos fundentes presentes en SMAW y SAW capturan impurezas y limpian el depósito de metal fundido eliminando óxidos y compuestos que forman gases. Estas escorias fundentes no están presentes en GMAW, y ello hace crecer la importancia de limpiar minuciosamente el área de soldadura antes de soldar y entre cada pasada, sobre todo cuando se suelda aluminio; en este caso es preciso aplicar procedimientos minuciosos de limpieza química o eliminación mecánica de los óxidos metálicos.


7.2.4 Fusión Incompleta. La menor entrada de calor característica del proceso GMAW en corto circuito da como resultado una penetración superficial en el metal base. Esto se desea en materiales de calibre delgado y al soldar fuera de posición, pero si la técnica de soldadura no es la apropiada, el resultado puede ser una fusión incompleta, sobre todo en el área de la raíz o a lo largo de las caras del cordón.

7.3 Discontinuidades Soldadura

de

En los párrafos que siguen se analizan algunas de las discontinuidades de soldadura más comunes que pueden ocurrir con el proceso GMAW. 7.3.1 Socavación. Las siguientes son causas posibles de una socavación, y las medidas que pueden tomarse para corregirlo. Véase la figura 36.

Posibles Causas

Acciones Correctivas

Velocidad de avance excesiva

Reducir la velocidad de avance

Tensión de demasiado alta

soldadura

Reducir la tensión

Corriente excesiva

soldadura

Reducir la velocidad alimentación del alambre

Insuficiente permanencia

Prolongar la permanencia en el borde del charco de soldadura

Ángulo de la pistola

Cambiar el ángulo para que la fuerza del arco ayude a posicionar el metal

de

Causas de las Socavaciones

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de


6.3.2 Porosidad. Las que siguen son posibles causas de porosidad, y las medidas que pueden tomarse para corregirla: Posibles Causas


Cobertura de gas de protección insuficiente. Véase figura 37

Limpiar todas las caras de los cordones y las superficies de la zona de soldadura, eliminando todas las impurezas de forja antes de soldar. Eliminar fugas de las líneas de gas. Eliminar corrientes de aire, de ventiladores, puertas abiertas, etc., que incidan en el arco de soldadura. Restaurar por medio de calentadores los reguladores congelados o taponados, cuando se suelda con dióxido de carbono. Reducir la velocidad de soldadura. Reducir la distancia tubo de contacto - pieza. Detener la pistola al final de la soldadura hasta que se solidifique el metal fundido.

Contaminación por gas


Contaminación del alambre

Reducir la tensión

Contaminación de la pieza

Reducir la velocidad alimentación del alambre

Excesiva tensión del arco

Prolongar la permanencia en el borde del charco de soldadura

Cambiar el ángulo para que la fuerza del arco ayude a posicionar el metal

Tubo de contacto demasiado retirado de la pieza

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de


7.3.3 Fusión Incompleta. Las siguientes son las causas posibles de una fusión incompleta, y las acciones que pueden emprenderse para corregirla Posibles Causas


Las superficies de la zona de soldadura no están libres de películas o de exceso de óxido

Limpiar todas las caras de los cordones y las superficies de la zona de soldadura, eliminando todas las impurezas de forja antes de soldar

Insuficiente entrada de calor

Aumentar la velocidad de alimentación del alambre y la tensión del arco: reducir la extensión libre de alambre

Charco de demasiado grande

soldadura

Minimizar el zig - zagueo excesivo a fin de producir un charco más controlable. Aumentar la velocidad de avance

Técnica de inadecuada

soldadura

Si se usa técnica de zigzagueo, permanecer momentáneamente en las paredes del cordón. Mejorar el acceso a la raíz de las uniones. Mantener el alambre dirigido hacia el borde delantero del charco

Usar un ángulo de ranura suficiente para permitir el acceso al fondo de la ranura y a las paredes con la extensión libre de alambre correcta o usar una ranura en “J” o en “U”


Diseño incorrecto de juntas. Véase la figura 38

Ángulo de la pistola

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las


7.3.4 Falta de Fusión en la Raíz. Las que siguen son causas posibles de una penetración incompleta en las juntas, y las acciones que pueden emprenderse para corregirla: Posibles Causas


Preparación incorrecta de la junta

El diseño de la junta debe proveer acceso apropiado al fondo de la ranura y al mismo tiempo mantener la extensión libre de alambre correcta. Reducir la cara de la raíz si esta es excesivamente grande. Aumentar la separación en la raíz en juntas a tope, y aumentar la profundidad del bisel trasero

Técnica incorrecta

soldadura

Mantener el ángulo del alambre normal a la superficie de la pieza a fin de lograr penetración máxima. Mantener el arco en el borde delantero del charco

Corriente de soldadura insuficiente. Véase la figura 39

Aumentar la velocidad de alimentación del alambre (corriente de soldadura).

de

7.3.5 Perforación Excesiva por Fusión. Las siguientes son causas posibles de una perforación excesiva por fusión, y las medidas que pueden tomarse para corregirla: Posibles Causas


Excesiva entrada de calor

Reducir la velocidad de alimentación del alambre (corriente de soldadura) y la tensión. Aumentar la velocidad de avance

Preparación incorrecta de las uniones

Reducir la abertura de raíz. Aumentar la dimensión de la cara de la raíz.

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7.3.6 Grietas en el Metal de Soldadura. Todas las que siguen son causas posibles para que se agriete el metal de soldadura, y sus acciones correctivas: Posibles Causas


Diseño incorrecto uniones

Relación profundidad / ancho de la soldadura demasiado alta. Véase la figura 40

de

las

Cordones de soldadura demasiado pequeños, sobre todo en cordones de filete y de raíz

Excesiva entrada de calor, que causa demasiada contracción y distorsión

Fragilidad en caliente

Restricción

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fuerte

de

los

Mantener las dimensiones del cordón correctas para posibilitar el depósito de suficiente metal de soldadura y sobreponerse a condiciones de restricción

Aumentar la corriente, o ensanchar soldadura penetración

Reducir la velocidad de desplazamiento para aumentar el área seccional del depósito

Reducir la corriente o la tensión, o ambos. Aumentar la velocidad de avance

Usar un alambre con mayor contenido de manganeso (usar arco más corto para minimizar la pérdida de manganeso en el arco). Ajustar el ángulo de la ranura para que pueda adicionarse suficiente metal de relleno. Ajustar la secuencia de pasadas para reducir la restricción sobre la soldadura durante el enfriamiento. Cambiar a otro metal de relleno que confiera las características deseadas

Usar

tensión o reducir la ambas, a fin de el cordón de o reducir la

precalentamiento

para


Posibles Causas componentes de la junta

Acciones Correctivas reducir la magnitud de los esfuerzos residuales. Ajustar la secuencia de soldadura a fin de reducir la restricción

Enfriamiento rápido en el cráter del extremo de la junta. Véase la figura 41

Eliminar los cráteres con la técnica del paso hacia atrás

8.3.7 Grietas en la Zona Afectada Térmicamente, ZAC. El agrietamiento de la ZAC casi siempre se asocia a los aceros endurecibles. Posibles Causas


Endurecimiento en la ZAC

Precalentar para hacer más lenta la tasa de enfriamiento

Excesivos esfuerzos residuales

Utilizar tratamiento térmico para aliviar tensiones

Pérdida de hidrógeno

Usar alambres limpios y gas de protección seco. Eliminar contaminantes del metal base. Mantener la soldadura a temperaturas elevadas durante varias horas antes de enfriar (la temperatura y el tiempo necesarios para eliminar el hidrógeno varían dependiendo del tipo de metal base)

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ductilidad

por


Figura 41 Agrietamiento del metal de soldadura en el cráter al final de una soldadura

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Tabla 16 Localización de Problemas Eléctricos que pueden presentarse al soldar con el proceso GMAW

Problema

Posible Causa

Dificultad para iniciar el Polaridad equivocada arco

Solución Verificar la polaridad; invertir las terminales si es necesario.

Mala conexión con la Fijar bien la conexión del cable de la pieza. pieza

Alimentación de alambre Fluctuaciones en el Verificar la tensión de la línea irregular y retro circuito de energía Polaridad equivocada quemado

Sobrecalentamiento los cables

demasiado Comprobar la polaridad; de Cables delgados o demasiado invertir las terminales si es necesario largos

los No hay control sobre la Conexiones de cables Verificar requerimientos de velocidad de flojas transporte de corriente alimentación del alambre cambiar o acortar si es necesario. Arco inestable

Alambres rotos o flojos Apretar en el circuito de control

Falta de alimentación del Tarjeta de circuitos Revisar y reparar si es impresos defectuosa en necesario. alambre el gobernador tarjeta Conexiones de cables Cambiar circuitos impresos flojas Fusible quemado en el Apretar conexiones Cambiar fusibles circuito de control

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de


Problema

Posible Causa

Solución

El alambre avanza pero Fusible quemado en el Cambiar fusibles circuito de control no fluye gas conexiones, Fusible quemado en la Verificar cambiar interruptor fuente de energía El alambre avanza pero Interruptor de gatillo de Revisar y cambiar no recibe corriente, no la pistola defectuoso o terminales rotas hay arco Motor quemado Porosidad soldadura

en

impulsor Cambiar

la Falla del solenoide de Revisar y cambiar si es necesario una válvula de gas Alambres al solenoide Apretar si está suelta; de una válvula de gas limpiar la pieza de pintura, herrumbre, etc. rotos o flojos Conexión deficiente con Apretar la pieza Conexiones de cables Reparar o cambiar flojas Bobinas o platinos del Reparar o cambiar contactor primario defectuoso Terminales de control Reparar o cambiar del contactor rotas Alambres al solenoide de una válvula de gas rotos o flojos

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Tabla 17 Localización de Problemas Mecánicos que pueden presentarse al soldar con el proceso GMAW

Problema Alimentación del alambre quemado

Posible Causa

Solución

irregular Insuficiente presión de Ajustar y retro los rodillos impulsores Tubo de contacto Limpiar o reemplazar taponado o desgastado Recortar, Alambre con dobleces Cable de la pistola carrete enrollado

cambiar

el

Forro del túnel sucio o Enderezar mangueras. desgastado El alambre se enreda Túnel demasiado largo Colgar el alimentador del alambre en el rodillo impulsor (nido de pájaro) Excesiva presión de los Limpiar o reemplazar rodillos impulsores Forro del túnel o tubo Acortar o usar un de contacto incorrectos sistema de impulso de empujar - halar Depósito de soldadura Rodillos impulsores o Ajustar guías del alambre muy oxidado desalineados Restricción en la pistola Usar forro y tubo de contacto del tamaño o en su cable correspondiente al alambre El alambre deja avanzar durante soldadura

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y alinear de Fugas de aire / agua en Revisar pistola y las correctamente la la mangueras Quitar la restricción Flujo de gas de


Problema

Posible Causa protección restringido

Solución Comprobar que no haya fugas y reparar o reemplazar si es necesario Revisar y limpiar la tobera

Presión de rodillos El alambre avanza pero impulsores excesiva o insuficiente no fluye el gas Rodillos impulsores del alambre desalineados o desgastados Túnel o tubo de Ajustar contacto taponado El cilindro del gas de Porosidad en el cordón protección está vacío La válvula del cilindro de soldadura del gas de protección está cerrada El medidor de flujo no está ajustado Restricción en la línea de gas o en la tobera Falla en el solenoide de la válvula de gas Válvula del cilindro de gas de protección cerrada Insuficiente flujo del gas de protección

Alinear y/o reemplazar Limpiar o reemplazar

Reemplazar y purgar las líneas antes de soldar Abrir válvula del cilindro Ajustar hasta obtener el flujo especificado en el procedimiento Revisar y limpiar

Reparar o reemplazar Abrir válvula

Fugas en la línea de suministro del gas de Comprobar que no haya protección (incluida la restricciones en la línea del gas o en la tobera; pistola) corregir Comprobar que no haya fugas, sobre todo en las conexiones; corregir

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Tabla 17 (continuación) Localización de Problemas Mecánicos que pueden presentarse al soldar con el proceso GMAW

Problema

Posible Causa

Solución

El motor alimentador Insuficiente presión de Ajustar del alambre funciona los rodillos impulsores pero el alambre no avanza Rodillos impulsores del Usar rodillos impulsores diseñados para el alambre inadecuados tamaño y tipo de alambre empleado Presión excesiva sobre Reducir la presión del el freno del carrete de freno alambre Restricción en el forro Revisar el forro y el tubo de contacto del túnel o en la pistola La pistola para soldar Forro o tubo de contacto Limpiar y/o reemplazar Revisar y reemplazar incorrecto se sobre calienta con componentes del tamaño correcto Línea de refrigerante Revisar y corregir estrangulada o taponada y Nivel de refrigerante Revisar bajo en el depósito de la refrigerante necesario bomba La bomba de agua no Revisar y funciona correctamente reemplazar

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agregar si es

reparar

o


Tabla 18 Localización de Problemas del Proceso que pueden presentarse al soldar con el proceso GMAW

Problema Arco inestable

Posible Causa

Solución

Área de soldadura sucia

Limpiar para eliminar incrustaciones, herrumbre, etc.

Depósito de soldadura Ángulo de incorrecto muy oxidado

la

pistola Usar ángulos de ataque o arrastre de unos 15°

Debe estar Distancia tobera - pieza Reducir. entre 13 y 19 mm (1/2” y excesiva ¾”) Proteger de las corrientes el área de soldadura

Corrientes de aire

Porosidad en el cordón Tubo de contacto no Centrar el centrado en la tobera contacto de soldadura del gas

de

Limpiar para eliminar incrustaciones, herrumbre, etc.

Material base sucio

Velocidad alimentación alambre excesiva

tubo

de Reducir del

Humedad en el gas de Cambiar el cilindro de gas protección Alambre contaminado

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Mantener protegido el alambre durante el uso. Limpiar el alambre antes que entre en el alimentador


Tabla 18 (continuación) Localización de Problemas del Proceso que pueden presentarse al soldar con el proceso GMAW

Problema

Posible Causa

El alambre se amontona Velocidad alimentación en la pieza alambre excesiva Tensión del demasiado baja Exceso de salpicaduras

Solución de Reducir la velocidad del

arco Aumentar la tensión

para Se fijó una pendiente Restablecer excesiva en la fuente de reducir la pendiente energía, para transferencia en cortocircuito Tensión excesivo

de

arco Reducir la tensión Ajustar hacia arriba la pendiente

La pistola para soldar se Se fijó una pendiente Ajustar o cambiar por insuficiente en la fuente uno más largo sobrecaliente de energía, para Reducir el flujo transferencia en cortocircuito Reducir la intensidad o Tubo de contacto cambiar a una pistola demasiado retraído en de mayor capacidad la tobera Tasa de flujo de gas excesiva Intensidad demasiado alta para la pistola

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DE

estas tres (3) categorías: eléctricos, mecánicos y de proceso.

La localización de problemas en cualquier proceso requiere un conocimiento exhaustivo del equipo y de la función de los diversos componentes, de los materiales que intervienen y del proceso mismo. En el caso del proceso GMAW ésta es una tarea más complicada que en el de procesos manuales como SMAW y GTAW en virtud de la complejidad del equipo, el número de variables y las interrelaciones de dichas variables.

Las tablas 16 a la 18 señalan algunos de los problemas que pueden presentarse e indican cuáles podrían ser sus causas y posibles remedios. Estos son problemas que ocurren durante la operación de soldadura o que impiden la formación de la soldadura, en contra posición con los que descubren como resultado de inspeccionar el producto final. Los problemas de este último tipo se cubrieron en la sección “Inspección y Control de Calidad” del presente capítulo.

8 LOCALIZACIÓN PROBLEMAS

Por conveniencia, los problemas pueden clasificarse de acuerdo con 9

PRÁCTICAS SEGURAS

9.1 Introducción La seguridad en la soldadura, el corte y procesos afines se trata en ANSI Z49.1, Seguridad en Soldadura, Corte y Proceso Relacionados1, y en ANSI Z49.2, Prevención de Incendios durante el Empleo de Procesos de Soldadura y Corte2.el personal debe familiarizarse con estas prácticas seguras descritas en estos documentos. En la soldadura y el corte por arco existen ciertas áreas de peligro potencial, incluidos humos, gases, energía radiante, ruido, manejo de 1

ANSI Z49.1 puede obtenerse de la AWS, 550 N.W. LeJeune Road, Miami, 33135 2 ANSI Z49.2 puede obtenerse de ANSI, 1430 Broadway, Nueva York, N.Y. 10018

cilindros y reguladores y choque eléctrico, que ameritan consideración. En este capítulo se describen brevemente aquellas áreas que pueden asociarse al proceso GMAW. 9.2 Manejo Seguro de Cilindros de Gas y reguladores Los cilindros de gas comprimido deben manejarse con cuidado y fijarse firmemente cuando están almacenados o en uso. Los golpes, caídas y el maltrato pueden dañar los cilindros, válvulas y tapones fusibles, y causar fugas o accidentes. Si se cuenta con tapas para proteger las válvulas, deben mantenerse en su lugar, apretadas a mano, a menos que se conecte un regulador al cilindro. Véase el


folleto P - 1 de la CGA, Manejo Seguro de Cilindros de Gas Comprimido3. Se recomienda tomar las siguientes precauciones al instalar y usar los cilindros de gas de protección:

Asegurar cilindro

Antes de conectar un regulador a la válvula del cilindro, debe abrirse y cerrarse momentáneamente la válvula para dejar escapar una cantidad muy pequeña de gas, a fin de despejar cualquier polvo o suciedad que pueda haber en la válvula y que de otra manera podría introducirse en el regulador. El operario de la válvula debe pararse a un lado de los reguladores, los manómetros. Nunca pararse frente a ellos.

3

debidamente

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el

Una vez conectado el regulador, el tornillo de ajuste de la presión debe soltarse dándole vuelta en sentido anti - horario, contrario al del giro de las manecillas del reloj. A continuación debe abrirse la válvula del cilindro con lentitud para evitar la entrada repentina del gas a alta presión en el regulador.

CGA P - 1 puede obtenerse de la Compressed Gas Association, Inc., 500 Fifth Avenue. Nueva York, 10036

Luego debe darse vuelta al tornillo de ajuste en sentido horario hasta obtener la presión correcta

9.3

Cuando no se esté usando, la fuente de suministro del gas, en este caso, la válvula del cilindro, debe cerrarse y el tornillo de ajuste debe sacarse Gases

Los principales gases tóxicos asociados al proceso GMAW son: ozono, dióxido de nitrógeno y el monóxido de carbono. También puede presentarse gas fosgeno como resultado de la descomposición térmica o por luz ultravioleta de agentes limpiadores a base de hidrocarburos clorinados que se encuentran en las inmediaciones de las operaciones de soldadura. Dos de estos solventes son el tricloroetileno y el percloroetileno. Las operaciones de desengrasado y limpieza en las que intervengan hidrocarburos clorinados deben efectuarse en sitios donde los vapores de esta operación no queden expuestos a la radiación del arco de soldadura. 9.3.1 Ozono. La luz ultravioleta que emita el arco de GMAW actúa sobre el oxígeno de la atmósfera circundante para producir ozono. La cantidad de ozono que se produzca depende de la intensidad y longitud de onda de la energía ultravioleta, de la humedad, de la acción filtradora de las emisiones


de la soldadura y de otros factores. En general, la concentración de ozono como gas de protección y al soldar metales reflexivos. Si no es posible reducir el ozono a un nivel seguro mediante ventilación o variaciones del proceso, será necesario suministrar aire fresco al soldador ya sea con un respirador conectado a un tanque de aire o por otros medios. 9.3.2 Dióxido de Nitrógeno. Los resultados de algunas pruebas indican que sólo hay concentraciones elevadas de dióxido de nitrógeno a una distancia de 150 mm (6”) del arco o menos. La ventilación natural normal reduce rápidamente estas concentraciones a niveles seguros en la zona de respiración del soldador, siempre que éste mantenga la cabeza fuera de la nube de emisiones, y por tanto, fuera de esta nube de gases generados por la soldadura. El dióxido de nitrógeno no se considera un peligro durante GMAW 9.3.3 Monóxido de Carbono. El calor del arco disocia la protección de dióxido de carbono que se emplea en el proceso GMAW, con la formación de monóxido de carbono. El proceso de soldadura sólo crea cantidades pequeñas de dióxido de carbono, pero que pueden generar temporalmente concentraciones relativamente elevadas en la nube de emisiones. El monóxido de carbono caliente se oxida a dióxido

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de carbono, así que las concentraciones del primero se reducen a niveles insignificantes a distancias de más de 75 0 100 mm (3 o 4”) de la nube de emisiones. En condiciones de soldadura normales, esta fuente de monóxido de carbono no debe representar un peligro. Si el soldador se ve obligado a colocarse encima del arco, o si la ventilación natural lleva a la nube de emisiones hacia su zona de respiración, o si se suelda en un espacio confinado, debe suministrarse ventilación suficiente para desviar la nube o eliminar los humos y gases. Véase ANSI Z49.1. 9.4

Vapores Metálicos

Las emisiones generadas por el proceso GMAW pueden controlarse mediante ventilación general, ventilación de extracción local o equipo protector respiratorio, como se describe en ANSI Z49.1. El método de ventilación requerido para mantener el nivel de sustancias tóxicas en la zona de respiración del soldador por debajo de las concentraciones del límite umbral, dependen directamente de varios factores, entre los que están el material que se suelda, el tamaño del área de trabajo y el grado de confinación u obstrucción del movimiento natural del aire en el lugar donde se suelda. Es preciso evaluar cada operación en forma individual para determinar lo que se requiere.


más alta que la generada por SMAW, en virtud de la mayor energía de su arco, la menor producción de humos y el hecho de que el arco está más expuesto. En general, la energía radiante ultravioleta de máxima intensidad se produce cuando se emplea argón como gas de protección y cuando se suelda aluminio.

La American Conference Governmental Industrial Hygienists, ACGIH y la Occupational Safety and Health Administration, OSHA de los Estados Unidos establecen los niveles aceptables de exposición a sustancias asociadas a la soldadura, designándoles como valores límites del umbral, TLV, promedio ponderados en el tiempo y como valores máximos permitidos. El cumplimiento con estos niveles de exposición aceptables puede verificarse monitoreando la atmósfera dentro de la careta del soldador o en las inmediaciones de su zona de respiración. El monitoreo debe realizarse según ANSI / AWS F1.1., Método para Monitorear Particulados Aéreos Generados por Soldadura y Procesos Relacionados. 9.5

Las tonalidades de los filtros recomendados en ANSI Z49.1 para GMAW se presentan como una guía en la tabla 19. La mejor tonalidad para una aplicación puede determinarse seleccionado primero un a tonalidad más oscura. Si es difícil ver bien la operación, debe seleccionarse tonalidades sucesivamente más claras hasta que sea posible ver la operación con la claridad suficiente para tener un buen control. Sin embargo, nunca debe escogerse un número de tonalidad más clara que la recomendada, en su caso.

Energía Radiante

La energía radiante total producida por el proceso GMAW puede ser

Tabla 19 Tonos de Filtro de Vidrio sugeridos para GMAW

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Corriente de Soldadura, Amperios

Número de Tonalidad, mínimo

Número de Tonalidad Cómodo

Menos de 60 60 a 160 160 a 250 250 a 500

7 10 10 10

9 11 12 14

Para GMAW se recomienda ropa de cuero o de lana oscura, para reducir los reflejos que podrían causar quemaduras de ultravioleta en la cara y el cuello debajo de la careta. La radiación ultravioleta de alta intensidad puede desintegrar con rapidez la ropa de algodón. 9.6

Ruido - Protección del Oído

El personal debe protegerse contra la exposición al ruido generado por los procesos de soldadura y corte, de acuerdo con el párrafo 1910.95., “Exposición Ocupacional al Ruido”

de la OSHA, del DOT de los Estados Unidos. 9.7

Choque Eléctrico

Las tensiones de línea que se alimentan a las fuentes de energía y equipo auxiliar empleados en GMAW van desde 110 a 575 voltios. Los soldadores y el personal de servicio deben tomar medidas para no entrar en contacto con estas tensiones. Véanse las precauciones descritas en ANSI Z49.1., Seguridad en Soldadura, Corte y Procesos Relacionados”.

Cartilla_Gmaw

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