T-1-6

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

TEMA 1.6 INTRODUC INTRODUCCIÓN CIÓN A L SOLDEO SOL DEO POR POR ARCO A RCO PROTEGIDO CON GAS

A c t u al i zad o p p o r : Man u el A r ac i l C Cad en as

Septiembre 2004

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONAL EUROPEOS/INTERNACIONAL DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA Y CORTE POR ARCO PROTEGIDO POR GAS 2.- PROPIEDADES DE LOS GASES Y MEZCLAS 3.- EL ARCO Y LA TRANSFERENCIA DEL METAL 4.- PROCESOS DE SOLDADURA Y SUS GASES DE PROTECCIÓN 5.- CONSUMIBLES 6.- GASES DE APOYO 7.- GASES DE PROTECCIÓN PARA CORTE PLASMA 8.- FORMAS DE SUMINISTRO DE GASES 9.- RECOMENDACIONES SOBRE SEGURIDAD 10.- RECOMENDACIONES SOBRE UTILIZACION DE GASES

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.6 -1-


1.- INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA Y CORTE POR ARCO PROTEGIDO POR GAS El concepto de gas de protección se aplica normalmente a los gases o mezclas empleados en los procesos TIG (Gas Tungsten Arc Welding), PAW (Plama Arc Welding), MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding), (FCAW (Flux Cored Arc Welding) y PAC (Plama Arc Cutting). El desarrollo de los gases de protección, puede decirse que comenzó el el siglo XIX cuando Charles Lewis Coffin sustituyo el aire de una caja que cubría una soldadura con una atmósfera no oxidante. Durante los siguientes 40 años, el interés interés en la utilización de atmósferas inerte, inerte, no oxidantes fue esporádico. esporádico. En 1930 se presentaron dos patentes en U.S. donde puede considerarse que son las primeras descripciones del empleo de los gases inertes para soldadura. Estas fueron realizadas por H. M. Hobart, sobre el empleo del helio como protección entre electrodos de carbón o metálicos y por P.K. Devers, sobre el empleo del argón y sus mezclas para procesos con arco eléctrico. En 1940 la compañía Northrup Aircraft emplea por primera vez un proceso de soldadura con un electrodo de tungsteno no consumible. El proceso fue desarrollado principalmente para la soldadura de magnesio en aplicaciones aeronáuticas, utilizando helio como gas de protección. Posteriormente, las compañías industriales viendo las posibilidades de esta aplicación, lo perfeccionaron y lo dieron a conocer ampliamente. ampliamente. En 1946 se introduce ya comercialmente comercialmente el proceso Heliarc Heliarc que es conocido hoy día como Gas Tungsten Arc Welding o Tungsten Inert Gas (TIG). En 1950 fue presentada presentada una patente por Air Reduction Co. Co. sobre un proceso de soldadura soldadura con “arco spray” (arco largo) de aluminio protegida con helio llamado SIGMA (Shielded Inert Gas Welding) que mas tarde se conocería como Gas Metal Arc Welding (GMAW) o Metal Inert Gas (MIG) o Metal Active Gas) MAG. A partir de entonces para ampliar las aplicaciones de los dos procesos Heliarc y Sigma, se produjeron produjeron avances en el desarrollo de nuevas nuevas mezclas de gases, en las composiciones químicas de los alambres alambres y en los equipos. Durante cualquier proceso de soldadura con arco eléctrico, la función principal del gas de protección es desplazar el aire de la zona de soldadura para proteger al metal fundido, el baño de fusión y el electrodo, para evitar su contaminación. Esta contaminación es originada principalmente por el oxígeno, nitrógeno y agua presentes en la atmósfera que pueden reaccionar con el metal fundido, causando defectos que debiliten la soldadura. Cuando la protección del gas no es la adecuada: El oxígeno puede dar lugar a diferentes problemas dependiendo de su contenido: •

•

Combinar con el carbono en el baño de fusión para formar monóxido de carbono (CO), que puede producir porosidad, al escapar (longitudinalmente (longitudinalme nte por el centro) del cordón de soldadura, cuando el metal soldado se enfría. Formar óxidos con otros elementos que pueden da lugar a un exceso de escorias, inclusiones inclusio nes en la soldadura, que tengan como consecuencia la pérdida de propiedades mecánicas.


Tema 1.6 -2-


El nitrógeno, soluble en el baño a elevadas temperaturas, puede originar porosidad cuando escapa durante el enfriamiento del cordón de soldadura. El agua al disociarse liberará hidrógeno que puede dar lugar a porosidad y fisuración en frío. Otras funciones del gas de protección son: Influir en: -

El tipo de transferencia de metal.

-

La estabilidad del arco.

-

La cantidad y en la calidad de los humos.

-

Las propiedades propiedades mecánicas.

-

La penetración y en el tipo y tamaño de cordón.

-

La velocidad de soldadura

-

Los costos de soldadura.

-

La cantidad de energía que pasa a través del arco eléctrico.

Formar parte del plasma que se genera al pasar la intensidad de soldadura a través del espacio entre electrodo y el metal a soldar. En algunas aplicaciones, es necesario utilizar además del gas de protección propiamente dicho, otros gases como: Gas de respaldo. También llamado gas de backing, se utiliza para proteger la parte posterior de la soldadura. En la soldadura de tubería para proteger el cordón de raíz. Gas de arrastre. Para aplicaciones automáticas, donde la velocidad de soldadura es elevada y el cordón de soldadura deja deja la zona de influencia del gas de protección protección cuando esta todavía a una temperatura temperatura suficientemente alta como para ser afectado por el oxígeno y nitrógeno del aire. La distancia a la que se debe situar la boquilla y su forma depende de la aplicación. 1.1.- Factor Factor es que afectan afectan la elección d el gas de protecci ón adecuado. En ocasiones, hay un factor que tiene una mayor importancia y por si sólo determina el gas adecuado, en otras, es necesario hacer hacer una evaluación de varios varios factores. Los fundamentales fundamentales son: -

Procedimiento Procedimiento de soldadura.

-

Material a soldar.

-

Espesor del material.

-

Posición de soldadura.


Tema 1.6 -3-


-

Material de aportación.

-

Propiedades Propiedades mecánicas requeridas. requeridas.

-

Penetración.

-

Velocidad de soldadura.

-

Calidad exigida.

-

Humos.

-

Aspecto final.

-

Costos.

2.- PROPIEDADES DE LOS GASES Y MEZCLAS 2.1.2.1.- Energía Energía de io nización nizació n Es la energía, expresada en electrones voltio (eV), necesarios para liberar un electrón de un átomo en estado gaseoso, convirtiéndolo en un ion, o en un átomo cargado eléctricamente. Por ejemplo: Ar

Ar + + e-

Manteniendo el resto de las variables constantes, el potencial de ionización disminuye cuando el peso molecular del gas se incrementa. incrementa. Pueden tomarse como ejemplos ejemplos la estructura atómica del argón y helio. El gas argón con número atómico 18 y con 8 electrones en su última capa, es mucho más pesado que el helio, que solamente tiene 2 electrones electrones (Figura 1). La energía necesitada para para liberar un electrón de un átomo de argón es 15,759 eV mientras que en el helio es de 24,586 eV.

FIGURA 1 ESTRUCTURA ATÓMICA DE LOS GASES ARGÓN Y HELIO

La energía necesaria para la ionización es tomada del arco. Una vez ionizado el gas, se tendrán los electrones libres necesarios para soportar el flujo de corriente entre el espacio que separa el electrodo y el -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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metal base. Aunque pueden existir otros factores, para sostener el arco será necesario mantener los niveles de energía correspondientes al gas empleado. Por lo tanto para una misma longitud del arco eléctrico, el voltaje obtenido con helio es apreciablemente apreciableme nte superior al obtenido con argón (Figura 2).

FIGURA 2 RELACIÓN ENTRE VOLTAJE E INTENSIDAD CON AR Y HE. (SOLDADURA CON CORRIENTE ALTERNA )

Como el calor generado por el arco eléctrico esta fuertemente ligado al producto del voltaje por la intensidad, el uso del helio como gas de protección origina un calor superior al obtenido empleando argón. Esta es la razón por la que se dice que el helio es un gas "mas caliente" que el argón. (Figura 3) Se puede decir lo anterior de otro modo, un arco eléctrico protegido por gas tendrá un voltaje y una energía mayor, cuanto mayor sea la energía de ionización del gas.

FIGURA 3 COMPARACIÓN DEL CALOR GENERADO (INPUT TÉRMICO) UTILIZANDO GAS ARGÓN Y MEZCLAS DE ARGÓN –HELIO.


Tema 1.6 -5-


El inicio del arco y su estabilidad son dependientes de la energía de ionización del gas de protección empleado. Los gases como el argón, con una energía de ionización relativamente baja, liberan electrones más fácilmente, ayudando a iniciar el arco y mantenerlo de modo estable. Esto último es importante durante el reencendido que hay efectuar con cada ciclo cuando se suelda con corriente alterna. En la Tabla 1 pueden pueden observarse los valores valores de energía de ionización para para los gases puros más empleados como componentes de los gases de protección.

2.2. 2.2.-- Conduct ividad térmica La conductividad térmica de un gas mide la facilidad con la que conduce el calor. Influye en la pérdida radial de calor desde el centro a la periferia de la columna del arco eléctrico. El argón que tiene una conductividad térmica baja, origina un arco eléctrico con dos zonas: una interior, en el centro, más caliente y otra exterior considerablemente considerablemente más fría. Entonces la penetración penetración tendrá una forma más estrecha en la raíz y una más ancha en en la parte superior. superior. Un gas con una conductividad conductividad térmica elevada, conduce más el calor de la parte interior, interior, en el centro del arco, hacia la parte exterior, exterior, dando como resultado una penetración más ancha y uniforme un arco más caliente. Esto sucede cuando se emplea helio, o mezclas de argón-helio, argón-hidrógeno, argón-helio-hidrógeno, argón-dióxido de carbono. (Figura 4 y 5)

FIGURA 4 COMPARACIÓN DE TIPOS DE ARCO Y PENETRACIÓN CON ARGÓN Y HELIO.

ARGON ARGO N (% (%)) HELIO HE LIO (%)

10 0 0

75

50

25

0

25

50

75

100

FIGURA 5 EFECTO DE DIFERENTES CONTENIDOS DE HELIO SOBRE LA PENETRACIÓN Y FORMA DE CORDÓN .


Tema 1.6 -6-


2.3.- Disociación La disociación es el proceso por el cual una molécula formada por varios átomos, se rompe en los átomos que la forman. Los gases como CO 2, O2 y H2 pueden romper o disociar su molécula por las elevadas temperaturas presentes en el arco eléctrico. Por ejemplo el CO 2 se disocia en un átomo de carbono y dos de oxígeno. Cuando el gas disociado llega a la superficie de metal metal base frío, los átomos se recombinan generando generando un calor adicional. adicional. Este proceso no sucede con gases como el argón. argón. Por tanto, a la misma temperatura y manteniendo constante el resto de las variables, el calor generado en la superficie del metal puede ser considerablemente mas elevado con gases como CO 2, O2 , H2 que con argón.

GAS

ENERGIA DE DISOCIACION (eV)

H2

4,5

O2

5,1

CO2

4,3

N2

9,8 T ABLA 1

ENERGÍA DE DISOCIACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LOS GASES DE PROTECCIÓN

2.4.2.4.- Reacti Reacti vidad vid ad Esta propiedad, cuando se refiere a los gases de protección, mide la capacidad (a la temperatura del arco) que tienen para reaccionar con los elementos químicos en el baño de fusión. El argón y helio son completamente inertes y por lo tanto no reaccionan químicamente en el baño de fusión. El nitrógeno se considera como inerte, sin embargo, a las elevada temperaturas alcanzadas en la soldadura, puede reaccionar reaccionar y afectar al metal fundido. El oxígeno y el CO2, son gases reactivos oxidantes. Estos gases reaccionaran reaccionaran con el metal fundido en el arco y en el baño de fusión. Esta propiedad influye en la formación de humos de soldadura. El hidrógeno es un gas reactivo reactivo y reductor. Reaccionará preferentemente preferentemente con con los agentes oxidantes, oxidantes, ayudando a prevenir prevenir la formación de óxidos en el metal fundido. Sin embargo, este gas puede puede producir efectos perjudiciales, como fisuración bajo cordón, cuando se emplea como componente en el gas de protección en la soldadura de algunos aceros de elevada resistencia y baja aleación.

2.5.- Tensión Superficial En cualquier líquido, existen unas fuerzas de tensión superficial ejercidas por las moléculas que están debajo de la superficie sobre las que están en la superficie. superficie. Esta fuerza tiende a contraer contraer el líquido y evitar que fluya. La magnitud de estas fuerzas variara con la naturaleza naturaleza química del líquido. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En soldadura, la fuerzas de tensión superficial, afectan al metal fundido teniendo una pronunciada influencia influenci a sobre el tipo de cordón. Si tienen un valor elevado, dará lugar a un cordón convexo e irregular. Si por el contrario es baja, se obtendrá un cordón plano con baja tendencia a las mordeduras. Cuando se emplea argón puro, como gas de protección en la soldadura GMAW (MIG) de aceros al carbono, se formaran cordones excesivamente coronados y con bordes irregulares. Esto es parcialmente atribuido a que las fuerzas de tensión superficial del acero fundido serán elevadas en una atmósfera inerte. Por esta razón, no se recomienda el empleo MIG con atmósfera inerte en la soldadura de aceros al carbono. Los óxidos de hierro, tienen una tensión superficial inferior dando lugar a una mejor adherencia al metal base. Por lo tanto, la adición al argón de pequeñas cantidades de CO 2 ó O2 en la soldadura GMAW (MIG) de los aceros al carbono, proporcionará un baño de fusión con una mayor fluidez.

2.6.- Pureza Algunos metales como el acero al carbono, tienen una relativamente elevada tolerancia a la posible contaminación del gas de protección. Otros metales como el aluminio y magnesio, son bastante sensibles a las impurezas. Finalmente, existen otros que tienen una extremadamente extremadamente baja tolerancia a las impurezas en el gas. Dependiendo, del metal soldado y del proceso de soldadura empleado, aún pequeñas cantidades de impurezas en el gas, puede tener un fuerte impacto perjudicial, sobre la velocidad de soldadura, apariencia del cordón y niveles de porosidad. Estas impurezas, pueden ser debidas a diferentes causas. Puede hacerse una clasificación de los metales en función de su tolerancia (de mayor a menor) a los posibles contaminantes que en ppm. pueden contener los gases de protección. -

Aceros al carbono y cobre.

-

Acero inoxidable

-

Aluminio y magnesio.

-

Titanio .

La clasificación anterior únicamente debe considerarse como orientativa, ya que esta tolerancia puede hacerse más estricta dependiendo de las exigencias que se tengan en la unión soldada. Cuando se utiliza la pureza del gas adecuada y existen defectos que pueden ser debidos al gas de protección, una vez comprobadas que las demás variables como el caudal y el ángulo del soplete son correctos para la aplicación, debe tenerse en cuenta que el gas puede contaminarse entre la salida del gas en el punto de suministro y la salida por la boquilla. boquilla. En este caso es necesario revisar todo todo el circuito de gas (regulador y su junta, elementos de la canalización, puesto de trabajo, manguera y conexiones con electroválvula).

2.7.- Densidad Es el peso del gas por unidad de volumen. La densidad es uno de los factores mas influyentes en la efectividad del gas de protección. protección. Los gases mas pesados que el aire como como el CO2, y argón necesitaran un caudal inferior que los gases mas ligeros.


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Símbolo Símbolo químico

Ar

CO2

He

H2

N2

O2

18

--

2

1

7

8

Peso Molecular

39.95

44.01

4.00

2.016

28.01

32.00

Peso Específico

1.38

1.53

0.1368

0.0695

0.967

1.105

1.678

1.849

0.176

0.085

1.188

1,342

15.7

14.4

24.5

13.5

14.5

13.2

Conductividad Térmica

9.69

8.62

85.78

97.22

13.93

14.05

(10-3 x Btu/hr x ft x ºF)

(32 ºF)

(32 ºF)

(32 ºF)

(32 ºF)

(32 ºF)

(32 ºF)

Nº Atómico

(Aire=1) Densidad (0 ºC, 1 Atm.) Energía de Ionización (ev)

T ABLA 2 PROPIEDADES FÍSICAS – QUÍMICAS DE LOS GASES DE PROTECCIÓN

2.8.- Consistencia de las mezclas Cuando el gas de protección es una mezcla de gases comprimidos, puede que no tenga una composición homogénea homogénea durante su utilización. Si la composición de la mezcla varia a medida que se vacía el envase, se puede obtener una variación de los parámetros de soldadura. Esta variación puede dar lugar a: -

No utilizar todo el gas contenido en la botella.

-

Originar defectos de soldadura en procesos procesos críticos y sobre todo en automatismos. automatismos.

Este defecto se puede originar cuando los diferentes gases que componen las mezclas, tengan grandes diferencias en sus densidades. Las mezclas donde se pueden producir mas fácilmente esta estratificación son las que contengan He, H 2 y CO2. Hay que ponerse en contacto contacto con el fabricante de la mezcla mezcla cuando se aprecie que se esta produciendo produciendo este defecto.

2.9. 2.9.-- Componentes de los gases y mezclas de prot ección Los gases que se emplean como protección, para la soldadura al arco son: - Argón. (Ar) - Helio. (He)


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- Dióxido de Carbono. (CO2) - Nitrógeno. (N 2) - Oxígeno. (O2) - Hidrógeno. (H 2) En la Tabla 2 se pueden ver un resumen de las características físico - químicas de los de estos gases. Argó Ar gón n Se obtiene, a partir de la destilación del aire donde esta en proporción aproximada del 1 %. No tiene olor, ni color, ni sabor y no es tóxico. Es inerte y no reacciona durante la soldadura. Por el conjunto de sus propiedades físico - químicas es el más empleado como componente mayoritario en las mezclas de soldadura con arco eléctrico. También se emplea sólo o mezclado con He en soldadura láser y en el corte plasma dual, mezclado con hidrógeno en los aceros inoxidables. Tiene una energía de ionización baja, que facilita el inicio del arco y su estabilidad. Esta es otra de sus características que hace que sea ampliamente utilizado. Densidad elevada, 1,4 veces mas pesado que el aire, lo que le ayuda en su función de protección a desalojar el aire de la zona de soldadura. Tiene una conductividad térmica baja. Helio Se obtiene de yacimientos en la tierra, donde esta mezclado con gas natural. Debido a la escasez de estos yacimientos y a su dificultad de extracción y distribución, hace que su precio sea elevado. Su utilización se limita a las aplicaciones donde las ventajas de su empleo sean claras. Es inerte y como el argón no reacciona durante la soldadura. Por tener una conductividad térmica y una energía de ionización elevados, se utilizará en aplicaciones donde sea necesario un input térmico elevado como en la soldadura de cobre y aluminio, donde permitirá disminuir o eliminar el precalentamiento y en donde se quiera elevar la velocidad de soldadura. Esto tiene importancia en soldadura soldadura con robot y automatismos. Por la característica anterior, anterior, el helio y sus mezclas no serán aconsejables en la soldadura de espesores delgados. El tener un elevada energía de ionización, hará que el inicio del arco y su estabilidad sean mas difíciles que con argón.


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Su baja densidad, solo 1/10 de la del argón, hace que sea necesario utilizar mayores caudales de gas para eliminar el aire de la zona de soldadura y tener mayores precauciones con las corrientes de aire, que pueden arrastrarle e impedir que haga su función de protección. También se utiliza como gas de proceso y de protección en la soldadura con láser de CO 2 Anhíd An hídri rido do Carbón Carb ónic ico o Puede obtenerse obtenerse de diferentes formas, formas, las mas habituales habituales son como subproductos subproductos del craking craking del petróleo y en la producción de alcoholes. Es un gas activo y oxidante. Tiene una conductividad térmica y un potencial de ionización moderados. Por ser una molécula poliatómica, antes de producirse la ionización se produce la disociación a temperaturas temperaturas mas bajas, recombinándose recombinándose posteriormente. posteriormente. La disociación increme incrementa nta la transmisión de calor al metal base. Puede utilizarse solo como gas de protección en la soldadura GMAW (MAG) con alambres macizos, pero como en muchas aplicaciones, no se logra una estabilidad del arco y una transferencia de metal óptimas, se utiliza formando mezclas con argón. De modo que el CO 2 aporta a la mezcla un incremento de calor y por lo tanto de penetración y el argón aporta a la mezcla una mejora en la estabilidad de arco y en la transferencia de metal. Se emplea solo como gas de protección en la soldadura FCAW (Flux Cored Arc Welding) con alambres tubulares. Es el gas más pesado de los empleados como protección, es 1,5 veces mas pesado que el aire. Esta propiedad le permite eliminar más fácilmente el aire de la zona de soldadura. Es el gas que mejor podría tolerar la soldadura en el exterior, siempre que el viento no le impida realizar su función de protección. Nitrógeno Se obtiene, a partir de la destilación del aire donde esta en proporción aproximada del 78 %. No tiene olor, ni color, ni sabor. Es inerte excepto a las temperaturas del arco eléctrico, donde reaccionará con algunos metales como aluminio, magnesio y titanio. No se recomienda para su aplicación en la soldadura GMAW, ni solo, ni como componente mayoritario. Forma parte de mezclas de protección para la soldadura de aceros inoxidables duplex y como componente mayoritario en las mezclas N 2 + H2 como gas de respaldo o gas backing. Se emplea en el corte plasma y en el corte con láser de CO 2 como gas de proceso y de asistencia en el corte de los aceros inoxidables. Oxígeno Se obtiene, a partir de la destilación del aire donde esta en proporción aproximada del 21 %. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Es un gas activo y oxidante, combina con con la mayoría de los elementos excepto con los gases inertes. Su conductividad térmica y energía de ionización son bajos. Se utiliza mezclado en pequeñas proporciones proporciones en la soldadura GMAW (MAG) de los aceros al carbono y de los aceros inoxidables. El oxígeno añadido al argón, ayuda a incrementar la estabilidad del arco y a bajar la tensión superficial del metal fundido, lo que permite obtener cordones mas planos. Por bajar la tensión superficial del metal fundido y por su bajo potencial de ionización, la transferencia de metal se puede producir a intensidades más bajas que la las utilizadas con mezclas de Ar-CO2. Debido a sus propiedades se emplea para soldadura brazing para la combustión de fuel gases como acetileno. En los procesos de corte se emplea en oxicortes, en el corte con plasma de aceros al carbono y con láser de CO2 como gas de asistencia para cortar aceros al carbono. Hidrógeno Se obtiene en la industria petroquímica como subproducto del craking del petróleo y por electrólisis del agua. Es un gas activo y reductor. Es el gas gas mas ligero. Tiene una conductividad térmica elevada y una baja energía de ionización. Se utiliza como un componente minoritario en las mezclas de argón. Por ser una molécula poliatómica y tener una elevada conductividad térmica, eleva la energía del arco. Sus principales aplicaciones son para la soldadura TIG , GMAW y PAW de los aceros inoxidables austeníticos, como protección de la raíz, como gas de respaldo formando mezclas de N 2 + H2 y Ar + H2 también en la soldadura soldadura de los aceros inoxidables inoxidables austeníticos. No deben emplearse mezclas conteniendo H 2 para la soldadura de aceros al carbono ya que puede aportar el riesgo de fragilidad a la unión. También se emplea para corte plasma formando las mezclas Ar + H 2 y N2 + H2 con contenidos entre 5 y 35 %. Clasific Clasific ación de los gases de protección p ara el el sol deo y corte por arco eléctrico eléctrico . Las tablas que se muestran a continuación son un resumen de la norma UNE EN 439 que facilita la clasificación de los gases y mezclas y algunas de sus propiedades que son utilizadas en soldadura y corte. En caso de duda, debe consultarse la norma completa.


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Tabla 1 EN 439 Propiedades de los gases puros

Valores a 0ºC y 1,013 bar(1,101 Mpa) ‘Tipo de gas

Símbolo químico

Argón

Punto de ebullición a 1,013 bar ºC

Comportamiento químico durante la soldadura

Densidad (aire=1,293 kg/m3)

Densidad relativa al aire

Ar

1,784

1,380

-185,9

Inerte

Helio

He

0,178

0,138

-268,9

Inerte

Anhídrido Carbónico

CO2

1,977

1,529

-78,5 1)

Oxidante

Oxígeno

O2

1,429

1,105

-183,0

Oxidante

Nitrógeno

N2

1,251

0,968

-195,8

No reactivo2)

Hidrógeno

H2

0,090

0,070

-252,8

Reductor

1)

La temperatura de sublimación.

2)

El comportamiento del nitrógeno varía con los diferentes materiales. Los efectos pueden ser perjudiciales.


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Tabla 2 EN 439 Designación1) Designación1)

Clasificación de los gases de protección para el soldeo y corte por arco eléctrico Constituyentes, % en volumen Oxidante Inerte Reductor No reactivo Aplicaciones típicas

Gru po

Nº de identificación

R

1 2

Resto2) Resto2)

1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2 1 2

100

1 M1

M2

M3 C F

CO2

O2

> 0a 5 >0a5 >0a5 > 5 a 25

>0a3 >0a3

>0a5 > 5 a 25 > 25 a 50 > 5 a 50 100 Resto

Ar

Resto Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2) Resto2)

He

H2

Notas

N2

> 0 a 15 > 15 a 30

Soldeo TIG, soldeo por arcoplasma, corte por arcoplasma, protección por el reverso Soldeo MIG, TIG, soldeo por arcoplasma, protección por el reverso

100 > 0 a 95

Reductor

Inerte

>0a5

Ligeramente oxidante

MAG

Oxidación más pronunciada

> 0 a 30 100 Resto

No reactivo Corte por arcoplasma Protección por el reverso Reducto 1) Si a uno de los grupos de esta tabla se añaden añaden componentes componentes no indicados, la mezcla mezcla se designa como mezcla mezcla de gas especial especial y lleva el prefijo S. Los detalles de la designación S se indican en el capítulo 4. 2) El Argón puede reemplazarse reemplazarse por Helio hasta un un 95%. El contenido de Helio se designa designa por un número número adicional de identificación, identificación, que se indica en la Tabla 3. Véase capítulo 4 para los detalles de la designación > 0 a 50


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Tabla 3 EN 439 Números de identificación para gases que contienen helio en los grupos R y M

Número de identificación identific ación

Contenido de helio, % en volumen

(1)

>0 a 33

(2)

>33 a 66

(3)

> 66 a 95 Tabla 4

Purezas y puntos de rocío de los gases y mezclas de gases

1)


Tabla 3 EN 439 Números de identificación para gases que contienen helio en los grupos R y M

Número de identificación identific ación

Contenido de helio, % en volumen

(1)

>0 a 33

(2)

>33 a 66

(3)

> 66 a 95 Tabla 4

Purezas y puntos de rocío de los gases y mezclas de gases

Grupo 1)

Pureza mínima, % en Temperatura del volumen punto de rocío a 1,013 bar ºC máx.

Humedad máxima ppm

R

99,95

-50

40

I

99,99

-50

40

M1

99,70

-50

40

M2

99,70

-44

80

M3

99,70

-40

120

C

99,70

-35

200

F

99,50

-50

40

Oxígeno

99,50

-35

200

Hidrógeno

99,50

-50

40

1) En esta tabla tabla se han inclui do los datos para el oxígeno y el hidrógeno


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3.- EL ARCO Y LA L A TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DEL METAL El arco eléctrico de combustión continua fue inventado hace más de 150 años. Se conectaban dos electrodos de carbono a los polos de una batería normal, y eran instantáneamente corto-circuitados,de forma que pudiera pasar una corriente eléctrica a través del punto de contacto. A continuación los electrodos eran separados entonces varios milímetros. La corriente entre los extremos de los electrodos continuaba a través del aire, que era entonces calentado a una temperatura muy alta y empezaba a inflamarse intensamente (figura 6). Debido al flujo superior de aire caliente, el trayecto de la corriente entre los electrodos formaba un arco. Por esto, este tipo de descarga eléctrica se llama arco. Electrodos de carbón

Fuente de energía

FIGURA 6 ARCO ELÉCTRICO

El arco puede dividirse en tres partes distintas, el cátodo (electrodo negativo), el plasma y el ánodo (electrodo positivo) (Figura (Figura 7). En la superficie del cátodo cátodo están situados los focos catódicos. Desde estos estos puntos superficiales se liberan los electrones, que pasan a través del plasma para llegar al ánodo. Para conseguir este proceso, se necesita que el electrodo tenga una temperatura muy alta en este foco catódico, y una composición adecuada, para la emisión de electrones, como la tienen ciertos óxidos. El área del cátodo es, por tanto, una parte crítica del arco y su estado determinará en un alto grado la estabilidad del arco. El área del ánodo es la parte de la superficie del electrodo positivo donde los electrones pasan del arco plasma a la superficie del electrodo. Esto puede ocurrir independientemente de la temperatura y material en la superficie del electrodo. El área del ánodo no es tampoco una parte importante para la estabilidad del arco. El plasma es la parte del aire o del gas entre los electrodos, que es conductora de la intensidad y tiene una temperatura muy alta.


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FIGURA 7 DIFERENTES PARTES DEL ARCO ELÉCTRICO

Durante la soldadura TIG (Figura 8), los focos catódicos, se encuentran en el punta del electrodo de tungsteno, que alcanza una temperatura muy elevada; alrededor de 3.000º K. El área del ánodo se encuentra en la superficie del baño de fusión. El plasma esta formado por iones del gas de protección e iones metálicos del metal base y del metal de aportación. El plasma no tendrá iones procedentes del electrodo de tungsteno por su elevada temperatura de fusión.

Varilla de aportación Electrodo no consumible Gas de protección

Dirección de soldadura

FIGURA 8 SOLDADURA TIG


Tema 1.6 -17-


Durante la soldadura MIG (Figura 9), donde el metal de aportación constituye polo positivo o ánodo, el área del ánodo se encuentra en la parte inferior del hilo de fusión. La superficie de la pieza a soldar será el polo negativo o cátodo con uno o más focos catódicos. El plasma aquí estará formado por iones metálicos procedentes del extremo final del hilo, por iones metálicos procedentes procedentes del metal base y por iones procedentes del gas.

Boquilla Punta de contacto Gas de Proteción

Ala Alam mbre MIG Ar Arco eléc léctric trico o Baño de Fusión

Dirección de soldadura

FIGURA 9

SOLDADURA MIG

Para la soldadura MIG de los aceros al carbono con argón como gas de protección, es necesario añadir al argón un gas oxidante. oxidante. Este gas oxidante es necesario para estabilizar estabilizar los focos catódicos que se formarán en la superficie del baño de soldadura y de este modo, dar estabilidad al arco. El arco sin esta estabilización fluctuará fluctuará sobre la superficie de la pieza pieza y el cordón de soldadura soldadura será irregular. irregular. (Figura 10). 10). Los componentes oxidantes del gas de protección reaccionaran con los componentes metálicos del metal base, produciéndose una merma de algunos de los elementos. Para compensar esta merma, principalmente de manganeso y silicio, se utilizan electrodos que tengan los contenidos apropiados en exceso de estos elementos. La composición del electrodo dependerá de la composición del gas de protección, de la cantidad de componentes oxídantes oxídantes que tenga el gas y de las propiedades mecánicas mecánicas que se exija a la unión. A lo largo de los últimos 20 años, los gases de protección han ido evolucionando para pasar de CO 2 a mezclas de arCO2 o Ar-CO2-O2.


Tema 1.6 -18-


FIGURA 10 SOLDADURA MIG DE ACERO AL CARBONO CON ARGÓN

La influencia de los gases de protección en arco Revisando las propiedades de los gases de protección se puede ver su influencia en el arco eléctrico. La energía de ionización del gas tendrá una influencia sobre el inicio y la estabilidad del arco. El argón tiene un potencial de ionización inferior al del helio y comenzará a ionizarse a temperaturas mas bajas. La energía de disociación de los gases poliatómicos, como CO 2, O 2 y H2, permite valorar la cantidad de calor que puede trasmitirse al metal base como consecuencia consecuencia de la disociación y considerar que a la misma temperatura y manteniendo constante el resto de las variables, el calor generado en la superficie del metal puede ser considerablemente considerablemente mas elevado con gases como CO 2, O2 y H2 que con argón. La conductividad térmica de un gas mide la facilidad facilidad con la que conduce el calor. Influye en el gradiente de calor que hay entre el centro y la periferia de la columna del arco eléctrico. Un gas con una conductividad térmica elevada como el helio, conduce más el calor de la parte interior, en el centro del arco, hacia la parte exterior, dando como resultado una penetración más ancha y uniforme. También la conductividad térmica y su variación con la temperatura, influirá sobre la pérdida de energía del arco eléctrico. En la Figura 11 se puede observar que las curvas Conductividad Térmica – Temperatura para varios gases a 1 atmósfera. Las curvas del H 2 y N2 tienen unos máximos debidos a su disociación que no se presentan en las curvas del del argón y helio. helio. Aunque no se ha hecho ningún comentario dentro dentro del apartado de las Propiedades Físicas de los gases, la perdida de energía de un arco eléctrico por radiación dependerá de la masa atómica, la estructura química, presión y temperatura del gas que envuelva el arco. La pérdida de energía por radiación puede ser del orden del 10-20 % .


Tema 1.6 -19-


Helio

1 -

K x

Hidrógeno

1 -

g e s x 1 -

m c x g r E

Nitrógeno

Argón

Temperatura, 103 k FIGURA 11 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS GASES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

Todas las características mencionadas mencionadas anteriormente se combinan combinan para dar al arco sus características eléctricas. La energía eléctrica es igual al producto V (voltios) x Intensidad (Amperios). Para una misma intensidad, tendremos un voltaje diferente dependiendo del gas empleado. Podemos obtener un voltaje superior , al obtenido con argón, empleando helio o mezclas de argón y helio, o argón e hidrógeno. En la Figura 12 se puede ver un ejemplo de las curvas Voltaje – Intensidad para soldadura TIG de acero inoxidable con argón y helio. Un incremento de voltaje dará lugar a un incremento de la energía eléctrica del arco, ya que aún manteniendo manteniendo la intensidad constante, se incrementará el producto V (voltios) x Intensidad (Amperios). La Figura 13, nos muestra las curvas curvas Voltaje – Intensidad para soldadura soldadura TIG de acero inoxidable inoxidable con argón-helio y argón-hidrógeno. A una intensidad constante, constant e, aumenta el voltaje cuando se le añade hidrógeno al argón.


Tema 1.6 -20-


Voltaje (V)

Intensidad (A) FIGURA 12 CURVAS VOLTAJE – INTENSIDAD PARA SOLDADURA TIG DE ACERO INOXIDABLE

FIGURA 13 CURVAS VOLTAJE – INTENSIDAD PARA SOLDADURA TIG DE ACERO INOXIDABLE

CON ARGÓN Y HELIO

CON ARGÓN-HELIO Y ARGÓN-HIDRÓGENO


Tema 1.6 -21-


4.- PROCESOS DE SOLDADURA Y SUS GASES DE PROTECCIÓN Aunque cada proceso se estudia mas ampliamente en su tema, aquí solo se hará una breve descripción para entender la influencia de los gases de protección en estos procesos.

4.1.- Soldadura TIG (Tungsten Arc Welding) - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) y los gases de protección empleados

FIGURA 14 SOLDADURA TIG

Es un proceso de de soldadura (Figura 14) 14) donde el calor calor necesario para para la unión unión es producido producido por un arco eléctrico entre un electrodo (que puede considerarse que no se consume) y la pieza a soldar. El baño de fusión esta protegido por un gas de protección. Con este proceso se obtienen soldaduras de gran calidad ya que al utilizar un electrodo que no se consume y un gas de protección que es generalmente inerte, no se afecta prácticamente la composición de la pieza a soldar. Puede emplearse con y sin aportación. No se producen proyecciones y se necesita poco trabajo de limpieza después de soldar. Puede utilizarse en todas las posiciones. Permite un fácil control del baño de fusión. Está especialmente indicado para la soldadura de espesores delgados y de tubería. t ubería. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.6 -22-


Se puede automatizar fácilmente. Caudal de gas El caudal de gas, debe ser el necesario para proteger el baño de fusión de modo eficaz. La información que se facilita sobre el caudal en las diferentes tablas, debe entenderse como orientativa, ya que depende del la intensidad de soldadura, soldadura, del gas de protección, la boquilla empleada, la posibilidad que haya viento o corrientes y de la accesibilidad de la unión. En general con mayores intensidades se necesitan mayores caudales. La densidad del gas tiene una fuerte influencia influencia sobre el caudal mínimo necesario. necesario. El argón es 1.4 veces mas pesado que el aire y 10 veces mas que el helio. Para que el helio, proporcione una protección eficaz similar a la del argón en una soldadura en posición horizontal, necesitará un caudal del orden de 2 a 2,5 veces superior al del argón. Para las mezclas de argón y helio debe tenerse en cuenta el contenido del helio, siendo necesario necesario emplear más caudal cuanto mayor sea el el contenido de helio. En la soldadura soldadura a techo, pueden reducirse los caudales del helio y sus mezclas ya que su peso específico es inferior al del aire.

FIGURA 15 RELACIÓN ENTRE VELOCIDAD DEL VIENTO Y CAUDAL DE GAS DE PROTECCIÓN MÍNIMO NECESARIO


Tema 1.6 -23-


En la Figura 15 puede observarse la relación entre la velocidad del viento y el caudal mínimo necesario para dos boquillas diferentes. El caudal de gas debe elegirse con cuidado, el utilizar un caudal excesivo, además de afectar al costo de la soldadura, puede arrastrar aire dentro de la zona de soldadura y provocar porosidad. También es importante que el ángulo ángulo del soplete soplete no exceda exceda más de 30º respecto a la vertical, para evitar que el gas de protección arrastre aire dentro de la zona de soldadura. Además de las boquillas estándar, existen en el mercado otros tipos como las denominadas denominadas “Gas Lens” (Figura 16) que producen un flujo laminar a la salida del gas de protección, que facilita que este pueda hacer su función a una mayor distancia . Se emplean estas boquillas en aplicaciones donde la unión tiene un difícil acceso.

Flujo de gas de protección sin boquilla “Gas Lens”

Flujo de gas de protección con boquilla “Gas Lens”

FIGURA 16 FLUJO DE GAS DE PROTECCIÓN CON Y SIN BOQUILLAS “ G AS L ENS”

Para las soldaduras automáticas, donde se puede soldar a velocidades elevadas, las boquillas adoptan formas diferentes a las estándar para alargar el tiempo que el cordón esta bajo la acción del gas de protección. (Figura 17)


Tema 1.6 -24-


FIGURA 17 A CCESORIO PARA MEJORAR LA PROTECCIÓN DEL CORDÓN DE SOLDADURA

Preflujo Preflujo y Posflujo El preflujo de gas elimina el aire de la zona de soldadura antes de que se inicie el arco eléctrico. De este modo la soldadura comenzará de modo adecuado. El preflujo de gas también puede eliminar la posible condensación de la humedad del aire en el soplete. Esto no siempre se produce, depende de la temperatura ambiente, de la humedad del aire y de la refrigeración del soplete. El postflujo reduce la contaminación contaminac ión del baño de soldadura en diferente maneras. Cuando se cierra el arco, la soldadura comienza a enfriar . Por unos instantes, la soldadura está a una temperatura lo bastante elevada como para que sea contaminada por el aire del alrededor. Para prevenir esto, el gas de protección debe seguir saliendo por algún tiempo hasta después de que el arco se haya extinguido . El tiempo necesario depende del tamaño, espesor y la temperatura de la pieza, pero puede tomarse como regla general , de 1 segundo por cada 100 amperios de intensidad. Con esto el baño se enfriará en una atmósfera protectora. Propiedades del arco Una de las propiedades importantes del gas de protección, es el efecto que tiene en el arco en la relación voltaje/intensidad. La diferencia entre el helio y el argón, puede verse en las Figuras 17, 18 y 19. El helio necesita un voltaje alrededor de dos voltios mayor, para corrientes superiores a los 150 A. en soldadura de acero inoxidable y algo mayor en soldadura de aluminio y cobre. La adición del hidrógeno al argón influye sobre el voltaje en gran medida. Un incremento de la mezcla del 10% aumenta el voltaje del arco alrededor de 2 voltios. Con helio, es necesario añadir un 70% para obtener un aumento correspondiente del voltaje del arco. (Figura 20)


Tema 1.6 -25-


Voltaje (V)

Voltaje (V)

Voltaje (V)

Intensidad (A)

FIGURA 17

Intensidad (A)

FIGURA 18

Intensidad (A)

FIGURA 19

CURVAS VOLTAJE – INTENSIDAD PARA SOLDADURA TIG DE ACERO INOXIDABLE, ALUMINIO Y COB RE RESPECTIVAMENTE CON ARGÓN Y HELIO

Un arco eléctrico dará una respuesta diferente en atmósfera de argón o helio con la variación de la longitud del arco. En atmósfera de helio, la variación del voltaje del arco estará fuertemente influenciada influenciada por la variación de la longitud del arco. Esta variación será inferior en una atmósfera de argón. Como el voltaje y la intensidad del arco están relacionadas por la curva característica del equipo, la intensidad de soldadura también estará influenciada por la variación de la longitud del arco. Observando la Figura 20, en la soldadura TIG con helio, es más difícil controlar la penetración que con una atmósfera de argón. argón. Si se produce un incremento en la longitud longitud de arco de 2 a 4 mm, esto dará lugar en los cortes con la curva característica a un incremento en el voltaje ( ∆V) y a un incremento en la intensidad ( ∆I). El ∆I será menor en atmósferas de argón que de helio y por tanto el control de la penetración será mejor en atmósferas de argón que de helio. El problema del control de la penetración se acentuará, utilizando helio, para unas intensidades comprendidas comprendidas entre 50 y 150 A y en menor medida, utilizando argón, con intensidades inferiores inferiores a 40 A. En equipos con curva curva característica de pendiente pendiente elevada, el problema problema es menor menor que en los de de característica plana, ya que a un incremento dado de voltaje le corresponderá un incremento menor de la intensidad y por tanto una menor variación del calor del arco y como consecuencia de la penetración. penetración.


Tema 1.6 -26-


Voltaje (V)

Intensidad (A)

FIGURA 20 V ARIACIONES DEL VOLTA JE E INTENSIDAD CON LA L ONGITUD DE ARCO

Gases Gases de Prot ección para Soldadura TIG Argó Ar gón n Es el gas mas usualmente empleado en soldadura TIG. Su baja conductividad térmica produce una columna de arco estrecha. Buen control de la penetración. Debido a su bajo potencial de ionización, el inicio del arco es fácil. Las características anteriores anteriores le hacen que sea la primera opción para la soldadura soldadura manual. Para la soldadura con corriente alterna, el argón con elevada pureza, ofrece una superior acción de limpieza, estabilidad del arco y apariencia de soldadura. Aunque el argón puede emplearse para aplicaciones mecanizadas, las mezclas de argón/helio, argón/helio, argón/hidrógeno o argón/helio/hidrógeno, son empleadas frecuentemente para incrementar la velocidad de soldadura. Las características de estas mezclas de producir un arco más caliente, también las hacen apropiados para la soldadura de metales con elevada conductividad térmica como cobre y aluminio. Las mezclas de argón/hidrógeno solo deben emplearse en la soldadura de aceros inoxidables austeníticos. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 1.6 -27-


Helio Por su elevada conductividad conductividad térmica y su elevado potencial de ionización, ionización, necesita un voltaje voltaje más elevado que el argón para una misma intensidad y longitud de arco. Esto produce un arco mas caliente y más ancho que mejora la penetración y la anchura del cordón. El empleo del helio tiene ventaja sobre el argón a las intensidades elevadas que se emplean en espesores gruesos y especialmente, de metales con elevada conductividad térmica. También presenta ventaja el helio en soldadura automatizada para incrementar la velocidad de soldadura. La adición del argón al helio mejorara el inicio del arco y la acción de limpieza. Aunque en la soldadura del aluminio es el argón es el gas más empleado, empleado, el helio se emplea en la soldadura automatizada con CCPD. El helio produce una mayor penetración y velocidad de soldadura, pero para lograr esto es necesario limpiar previamente la superficie de óxidos. Las propiedades físicas le dan ventaja en algunas aplicaciones frente al argón, sin embargo, su elevada energía de ionización, producirá un arco mas inestable y unas peores características de inicio. Otro factor a considerar es el costo, debe tenerse en cuenta el mayor precio y los mayores caudales del helio frente al argón. Para aprovechar las ventajas del helio y del argón a un costo más razonable, se utilizan mezclas de ambos y en algunos automatismos se favorece el inicio del arco con una mezcla de argón / helio y se continua el resto de soldadura con helio. Mezclas Mezclas de argón /heli o Las mezclas más empleadas son : Mezcla 70%-75%Ar-25%-30% He. Con esta mezcla puede mejorarse la velocidad y la calidad de soldadura con CC y CA de aluminio, cobre y acero inoxidable. Se emplea en soldadura manual y automática. Mezcla 50 % Ar-50% He. Empleda para soldadura automátizada a elevadas velocidades de soldadura de metales no férricos en espesores inferiores a 6 mm. Mezcla 25%-30%Ar-70-75 %He. %He . Empleada con CC cuando se desea incrementar el input térmico manteniendo un buen inicio del arco. Su principal aplicación es para soldadura soldadura MIG de aluminio en espesores superiores superiores a 12 mm. Mezclas de argón/hidrógeno . El hidrógeno se mezcla con el argón por dos motivos fundamentalmente, para incrementar el input térmico y para aprovechar el carácter reductor para mejorar la fluidez del baño y producir una superficie de cordón más limpia. Estas mezclas se emplean para la soldadura de aceros inoxidables austeníticos.


Tema 1.6 -28-


El incremento del voltaje debido al hidrógeno, incrementa la dificultad de inicio del arco. Por esta razón, se emplean bajos contenidos de hidrógeno. Hasta el 5 % en soldadura manual y hasta el 15 % en soldadura automatizada. automatizada. Las mezclas de argón / hidrógeno hidrógeno se emplean principalmente principalmente para la soldadura soldadura de aceros inoxidables inoxidables austeníticos, níquel y sus aleaciones. Por el contenido en hidrógeno, estas mezclas no deben emplearse, para la soldadura de aceros al carbono, de baja aleación, cobre, aluminio o titanio ya que puede originar fisuración o porosidad. Mezcla de 98 %Ar-2% H2; 95%Ar-5%H2 Se emplean para la soldadura TIG manual de aceros inoxidables austeníticos, el 95%-5%H2 debe emplearse para espesores superiores a 1,6 mm. Estas mezclas también se pueden emplear como gas de respaldo para la soldadura de tubería. Mezcla de 90 %Ar-10% H2 Se utiliza para aplicaciones mecanizadas con elevada velocidad de soldadura de aceros inoxidables austeníticos. Mezcla de 85 %Ar-15% H2 Se emplea para soldadura de aceros inoxidables austeniticos a velocidades comparables a las del helio aproximadamente aproximadamente un 30 - 50 % más elevadas que con argón. Una aplicación típica es la soldadura de tubo de acero inoxidable.


Tema 1.6 -29-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

Tabla 3.- Guia de selección de gases para soldadura TIG Metal Tipo de Gas de Protección Características Soldadura Acero suave Por puntos Se prefiere generalmente para una mayor duración del electrodo, y facilidad de inicio de arco. Ar (99,990%) Manual Buen control del baño, especialmente para soldaduras en posición. Ar (99,996%) Automática Velocidades de soldadura más elevadas. Ar/He Aluminio y Manual Mejor inicio del arco, acción de limpieza y calidad de soldadura. Consumo de gas menor que con helio. Ar (99,998%) Magnesio Facilita una elevada velocidad de soldadura, debido al mayor input térmico. Mayor penetración que con argón. Ar/He Automática Mayor velocidad de soldadura. Ar/He Con corriente continua polaridad directa. Mayor penetración y velocidad de soldadura que con argón. He Acero Manual Excelente control del baño y de la penetración. Ar (99,996%) Inoxidable Automática Excelente control de la penetración sobre materiales en espesores delgados. Ar (99,996%) Input térmico más elevado, permite velocidades de soldadura más elevadas sobre espesores gruesos. Ar/He Evita las mordeduras, produce un adecuado contorno de la soldadura a bajos niveles de intensidades. Se emplea Ar/H2 Cobre, niquel y aleaciones

Ar (99,996%) Ar/He

Titanio

He Ar (99,9990%)

Bronces

Ar/He Ar (99,996%)

en la fabricación de recipientes y tubos. Se puede emplear como gas de respaldo en la soldadura de aceros inoxidables austeníticos. Fácil control del baño de fusión, penetración y contorno del c ordón sobre metales con espesores delgados. El input térmico más elevado de las mezclas de helio compensan la elevada conductividad térmica de espesores más gruesos. Mayores velocidades de soldadura. Permite obtener el mayor input térmico para mejorar la velocidad de soldadura sobre espesores gruesos Es necesario mantener muy bajo el nivel de impurezas para soldar este metal. Emplear caudalímetros apropiados. Mejor penetración para soldadura manual de secciones gruesas. Permite un buen control de la penetración.


Tema 1.6 -30-


4.2.4.2.- Soldadur a Plasma y los gases de protección empleados empleados La soldadura plasma plasma es una evolución de de la soldadura TIG. En el proceso pasma pasma el electrodo de tungsteno esta “retraído” dentro de la boquilla. El diseño especial de la boquilla hace que al pasar el arco a través de su orificio, orificio, se “constriña”, lográndose lográndose un arco más delgado delgado y largo largo que con el proceso proceso TIG.

ELECTRODO GAS PLASMA (DE ORIFICIO)

GAS DE PROTECCION

BOQUILLA

BOQUILLA DE GAS EXTERIOR

DISTANCIA DE AJUSTE AJUSTE DE DE ELECTRODO

LONGITUD DE GARGANTA DISTANCIA DEL SOPLETE AL METAL METAL

DIAMETRO DE ORIFICIO DE BOQUILLA

FIGURA 21

FIGURA 22

SOLDADURA PLASMA

COMPARACIÓN DE SOLDADURA TIG Y PLASMA

Al pasar el arco a través del pequeño orificio de la boquilla, se eleva el voltaje produciéndose produciéndose la


4.2.4.2.- Soldadur a Plasma y los gases de protección empleados empleados La soldadura plasma plasma es una evolución de de la soldadura TIG. En el proceso pasma pasma el electrodo de tungsteno esta “retraído” dentro de la boquilla. El diseño especial de la boquilla hace que al pasar el arco a través de su orificio, orificio, se “constriña”, lográndose lográndose un arco más delgado delgado y largo largo que con el proceso proceso TIG.

ELECTRODO GAS PLASMA (DE ORIFICIO)

GAS DE PROTECCION

BOQUILLA

BOQUILLA DE GAS EXTERIOR

DISTANCIA DE AJUSTE AJUSTE DE DE ELECTRODO

LONGITUD DE GARGANTA DISTANCIA DEL SOPLETE AL METAL METAL

DIAMETRO DE ORIFICIO DE BOQUILLA

FIGURA 21

FIGURA 22

SOLDADURA PLASMA

COMPARACIÓN DE SOLDADURA TIG Y PLASMA

Al pasar el arco a través del pequeño orificio de la boquilla, se eleva el voltaje produciéndose produciéndose la ionización del gas, formándose el plasma plasma y elevándose elevándose la temperatura temperatura.. Esto dará dará lugar a mayores velocidades de soldadura.

FIGURA 23 DOS TIPOS DE ARCO PLASMA – TRANSFERIDO Y NO TRANSFERIDO

Dependiendo de los electrodos entre los que salte el arco, la soldadura plasma (PAW), puede entonces definirse como Plasma de Arco Transferido cuando el arco “constreñido” salte entre el electrodo no


Tema 1.6 -31-


consumible y el baño baño de fusión y Plasma de Arco Arco No Transferido Transferido cuando el el arco salte entre entre el electrodo electrodo y la boquilla que constriñe el arco. El Plasma de arco No Transferido se utiliza para aplicaciones de soldadura donde no se desea que la pieza a soldar forme parte del circuito eléctrico. También se emplea para fusión de materiales no metálicos como los cerámicos. El Plasma de arco Transferido, se emplea con dos métodos diferentes, estándar (Melt in) y por agujero (Keyhole). La soldadura estándar (Melt in), tiene ventajas sobre el proceso TIG por tener un arco más largo y delgado. Esto incluye la mayor estabilidad del arco a bajas intensidades. Menos distorsión del metal , posibilidad de mayores velocidades de soldadura y mayores tolerancias a variaciones de la distancia entre el soplete y el metal base. Como puede observarse en la Figura 24 el cambio en el área de la sección del arco, con la variación de la distancia entre el soplete y el metal base es mayor en la soldadura TIG que en el PLASMA. Esto tiene un marcado efecto sobre el calentamiento del metal base y por tanto sobre la penetración y el tipo de soldadura.

FIGURA 24 V ARIACIÓN DEL C ALENTAMIENTO CON EL PROCESO TIG Y PLASMA ESTANDAR (MELT IN) CON LA VARIACIÓN DE LA DISTANCIA ENTRE EL SOPLETE Y EL METAL BASE

En soldadura por agujero (Keyhole), el arco penetra en metal base en todo el espesor formándose un agujero que se mueve con el el arco en la dirección de soldadura. soldadura. Detrás del arco plasma, plasma, el metal fundido fluye uniéndose otra vez (por la fuerza de tensión superficial), solidifica y forma la soldadura.


Tema 1.6 -32-


FIGURA 25 SOLDADURA POR AGUJERO (K EYHOLE)

Gases Gases de Protecci ón para Soldadura Plasma Se emplean dos gases, el gas de orificio o gas plasma y gas de protección. El gas de orificio o plasma sale del soplete a través del orificio central y controla las características del arco y protección del electrodo. También afecta a la transferencia transferencia de calor al metal base. El gas de protección, introducido introducido a través de la periferia del arco, protege la soldadura. Soldadura con baja intensi dad (< 100 100 amperios) Se prefiere el argón como gas de orificio o gas plasma por su bajo potencial de ionización que facilita el inicio del arco. Las mezclas de argón/ helio y argón/hidrógeno, se utilizan para aplicaciones donde necesitan un elevado input térmico. La elección del gas de protección, depende del tipo y espesor del metal base. Para la soldadura de aluminio, acero al carbono y cobre, los gases empleados son argón, helio, mezclas de argón/helio. El contenido de helio deberá aumentarse con el incremento del espesor. Para la soldadura de aceros de baja aleación, aceros inoxidables inoxidables y níquel, además de los gases mencionados anterirmente, anterirmente, se utilizan mezclas de argón /hidrógeno.


Tema 1.6 -33-


TABLA 4.- Selecci Selecci ón de gases gases para soldadura sol dadura plasma con baja intensidad Metal

Espesor Inferior a 1.5 Superior a 1.5

Procedimiento Procedimiento Agujero ó Keyhole Keyhole No recomendado He

Procedimiento Estándar Ar, He He

Aluminio Acero al carbono carbono

Inferior a 1.5 Superior a 1.5

No recomendado recomendado Ar, Ar/He

Ar, He, Ar/He Ar, Ar/He

Acero de baja Aleación

Inferior a 1.5 Superior a 1.5 Inferior a 1.5 Superior a 1.5 Inferior a 1.5 Superior a 1.5

No recomendado recomendado Ar, Ar/He No recomendado recomendado Ar, He, Ar/H2 No recomendado recomendado He, Ar/He

Ar, He, Ar/H2 Ar, He Ar, He, Ar/H2 Ar, He, Ar/H2 He,Ar/He He

Inferior a 1.5 Superior a 1.5

No recomendado recomendado Ar, Ar/He

Ar, He, Ar/H2 Ar, He, Ar/H2

Acero inoxidable inoxidable Cobre Aleaciones de Niquel Titanio

Inferior a 1.5 No recomendado Ar Superior a 1.5 Ar,He, Ar/He Ar/He La selección del gas se refiere únicamente al gas de protección. El gas 'plasma' en todos los casos argón. Soldadura con elevada intensidad int ensidad (> 100 100 amperio amperio s) La elección del gas empleado en la soldadura con elevada intensidad, también depende de la composición y del espesor del metal base. En la mayoría de los casos, se utiliza el mismo gas para orificio o plasma y de protección. Argó Ar gón n El argón es apropiado como gas de orificio o plasma y de protección para la soldadura de todos los metales, pero no necesariamente es el gas que produce el resultado óptimo para todas las aplicaciones. En la soldadura estándar, las adiciones del hidrógeno al argón producen un gas mas caliente y una mas eficiente transferencia de calor al metal base. Los límites en el contenido de hidrógeno, están relacionados con su potencial para la formación de f isuras y porosidad. Sin embargo, utilizando la soldadura por agujero (Keyhole), para un espesor dado puede soldarse con un contenido más elevado de hidrógeno. Esto puede ser debido al modo de soldadura por agujero o Keyhole y el diferente modo de solidificación que ello produce. El argón, se emplea para la soldadura de aceros al carbono, aceros de elevada resistencia y en metales como las aleaciones de titanio y circonio, donde aún pequeñas cantidades cantidades de hidrógeno en el gas utilizado, utilizado, puede dar origen a porosidad, fisuración o disminución de las propiedades propiedades mecánicas.


Tema 1.6 -34-


Mezclas Mezclas de argón/heli o Las adiciones de helio al argón produce un arco más caliente para una intensidad dada. Las mezclas de argón/helio con contenidos entre 50 a 75 % de helio son utilizadas para la soldadura por agujero o keyhole en espesores gruesos cuando es necesario el calor adicional y una forma de penetración más amplia. Mezclas de argón /hidrógeno Las mezclas de argón/hidrógeno se emplean como gas de orificio o plasma y de gas de protección para hacer soldaduras de acero inoxidable, Inconel, níquel y aleaciones de cobre-níquel. Las cantidades de hidrógeno varían entre 5 al 15 %.

TABLA 4.- Selecci Selecci ón de gases gases para soldadura sol dadura plasma con int ensidad elevada Metal

Espesor

Procedimiento Procedimiento Procedimiento Agujero ó Keyhole Keyhole Estándar Aluminio Inferior a 6 Ar Ar, Ar/He Superior a 6 He He, Ar/He Acero al carbono carbono Inferior a 3 Ar Ar Superior a 3 Ar Ar/He Acero de baja Inferior a 3 Ar Ar Aleación Superior a 3 Ar Ar/He Acero inoxidable inoxidable Inferior a 3 Ar, Ar/H2 Ar Superior a 3 Ar, Ar/H2 Ar/ He Cobre Inferior a 2 Ar He,Ar/He Superior a 2 No recomendado He Aleaciones de Inferior a 3 Ar/H2 Ar Niquel Superior a 3 Ar/H 2 Ar/ He Titanio Inferior a 1.5 Ar Ar Superior a 1.5 Ar, Ar/He Ar/He La selección del gas se refiere únicamente al gas de protección. El gas 'plasma' en todos los casos argón.


Tema 1.6 -35-


4.3.- Soldadura MIG (Metal Inert Gas)- GMAW (Gas Metal Arc Welding) y los gases de protección empleados

FIGURA 26 SOLDADURA MIG (G AS METAL ARC WELDING )

Es un proceso de de soldadura (Figura 26) 26) donde el calor calor necesario para para la unión unión es producido producido por un arco eléctrico entre un un electrodo continuo continuo consumible y la pieza a soldar. soldar. La protección protección del arco arco eléctrico y del del baño de fusión se obtiene mediante un gas o mezcla de gases. Este proceso se utiliza para soldar los principales metales como el acero al carbono, aluminio, cobre y acero inoxidable. Normalmente se utiliza corriente continua con el electrodo conectado al polo positivo. (Corriente continua polaridad invertida (CCPI). El consumible se alimenta automáticamente de modo continuo, es protegido por el gas de protección cuando se funde con el arco eléctrico. El proceso MIG (GMAW) tiene cinco diferentes tipos de transferencia: transferencia: -

Arco corto o cortocircuito

-

Globular

-

Arco largo o arco spray

-

Arco Pulsado

-

Con Elevada Densidad de Corriente - Arco rotacional


Tema 1.6 -36-


El modo de transferencia está determinado por muchos factores: -

Nivel de intensidad

-

Diámetro de alambre

-

Longitud de arco o voltaje

-

Características del equipo

-

Gas de protección

Transferencia por arco corto (Short-Circuit Gas Metal Arc Welding – GMAW-S) Es una variación del proceso en la que el electrodo se deposita durante los sucesivos cortocircuitos. La transferencia de metal tiene lugar cuando el electrodo toca el baño de fusión. En este tipo de transferencia la relación entre la velocidad de fusión del electrodo y su velocidad de alimentación dentro de la zona de soldadura, hace que se alterne de modo intermitente el arco eléctrico y el cortocircuito entre en electrodo y el metal base. Esta secuencia se repite del orden de 50 a 250 veces por segundo. Debido a las características de bajo input térmico, este tipo de transferencia, produce un baño de fusión pequeño, que solidifica rápidamente, rápidamente, que lo hace ideal para la soldadura en todas las posiciones. Este tipo de transferencia es también particularmente apropiada para la soldadura de espesores delgados con una distorsión mínima y para “puentear” “puentear” preparaciones preparaciones con huelgos excesivos.

FIGURA 27 TRANSFERENCIA POR ARCO CORTO

Resumen de características: -

Bajos voltajes e intensidades.

-

Diámetros de alambre pequeños.


Tema 1.6 -37-


-

Input térmico pequeño.

-

Pequeño baño de fusión.

-

Soldadura de espesores delgados y con con preparaciones preparaciones con separaciones separaciones amplias. amplias.

-

Soldadura en todas las posiciones.

-

Soldadura de preparaciones preparaciones con separaciones amplias.

-

Pequeños valores de deposición de alambre.

-

Poca distorsión.

Transferencia Globular El metal se transfiere, en forma de grandes gotas a través del arco. (Figura 28) Este modo de transferencia tiene lugar cuando el ajuste de voltaje y de intensidad esta comprendido entre los valores de arco corto y arco largo. Esto sucede con todos los gases de protección. Cuando se emplea el CO2 como gas de protección se produce este tipo de transferencia con cualquier valor de intensidad por encima de los valores de arco corto. La transferencia globular se caracteriza por dar lugar a un gran tamaño de gota del orden de 2 a 4 veces el más grande que el diámetro del alambre.

FIGURA 28 TRANSFERENCIA GLOBULAR

Con el CO2 la transferencia transferencia de las las gotas no no se dirigen dirigen axialmente a través del del arco y debido a su gran gran tamaño, caen por gravedad debido a su peso o hacen cortocircuito a través del arco con el metal a soldar. Transferencia Transferencia por Arco Largo El metal fundido se transfiere axialmente axialmente a través del arco al baño de fusión en en pequeñas gotas. No existe "contacto" como sucedía en la transferencia por arco corto entre el electrodo y el metal base. Con una gas de protección con menos de 15 - 18 % de CO 2 y unas adecuados parámetros de soldadura, el tipo de transferencia cambia de globular a arco largo. Esto sucede siempre que se supere unos valores valores -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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de intensidad y voltaje mínimos que dependen del gas y del diámetro de alambre. A esta intensidad mínima se la denomina Intensidad de Transición de arco globular a arco largo. Ver Tabla 5 La transferencia por arco largo, provoca la constricción del arco y una forma de afilado en el extremo del electrodo. (Figura 29).

FIGURA 29 TRANSFERENCIA POR ARCO L ARGO

El metal fundido se transfiere a través del arco en pequeñas gotas de menor diámetro que el del alambre y dirigidas axialmente al metal base. El número de estas gotas es muy elevado, de cientos por segundo. Debido a la fluidez del baño, este t ipo de transferencia se emplea únicamente en posición horizontal o en cornisa. Resumen de características: -

Input térmico elevado.

-

Grandes baños de fusión.

-

Soldadura de espesores gruesos.

-

Soldadura en horizontal (excepto cuando se emplee arco largo con arco pulsado).

-

Mayor distorsión.

-

Menos salpicaduras.

-

Elevados valores de deposición de alambre.

-

En la tabla tabla a continuación puede observarse la diferencia diferencia que existe en la transferencia transferencia por arco spray spray entre diferentes gases. gases.


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Transferencia por Arco Arc o Pulsado (GMAW-P) (GMAW-P) En esta variación, el equipo produce una salida con dos niveles de intensidad, el inferior llamado “base” que es demasiado bajo para producir cualquier tipo de transferencia, pero si es capaz de mantener el arco; y el nivel superior llamado “pico”, que es el que funde las gotas del consumible que se transfieren a través del arco (Figura 30). Este “pico” sucede en intervalos regulares y controlados. La intensidad puede tener una frecuencia baja o elevada de varios cientos de ciclos por segundo. El resultado neto es producir un arco largo con un nivel de intensidad medio mucho más bajo que el nivel de intensidad necesitado para un diámetro y tipo de electrodo particular.

FIGURA 30 TRANSFERENCIA CON ARCO PULSADO

El tipo de corriente empleado que se obtiene puede observarse en la Figura 31.

Intensidad

Tiempo FIGURA 31 TRANSFERENCIA POR ARCO PULSADO

Transferencia con Elevada Densidad Densidad de Corri ente Este tipo de transferencia exige el empleo conjunto de una determinada combinación de alimentación de alambre, una longitud de alambre (stick out) y un gas de protección.


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Las velocidades de deposición que se encuentran con este tipo de transferencia son del orden de 5 a 12 Kg por hora, mientras mientras que con arco arco largo esta entre 3 y 5 kg por hora. Las Las características de la transferencia de elevada densidad de corriente, esta dividida entre transferencia por arco largo rotacional y no rotacional. Utilizando la combinación de un alambre macizo, un alimentador que permita elevada velocidad de alimentación de hasta 30 m/min, una gran longitud de alambre y una mezcla de gases adecuados, puede obtenerse una transferencia con arco largo rotacional. rotacional. La elevada longitud longitud de alambre alambre crea una resistencia resistencia elevada que produce el calentamiento del alambre que llega a fundir su extremo final. El paso de la intensidad a través del alambre genera un campo magnético y unas fuerzas que hacen que el extremo del alambre fundido comience a rotar de forma helicoidal. (Figura 32)

FIGURA 32 TRANSFERENCIA CON ELEVADA DENSIDAD DE CORRIENTE . ROTACIONAL POR ARCO L ARGO

Soldadura con alambres Metal Cored Se considera una variación del MIG (GMAW). Con un alambre “metal cored” se trabaja de modo similar a uno macizo, generalmente produce menos humos, no deja escoria y tiene una eficiencia de deposición del orden el 95 % y superior. Un alambre metal cored esta formado por un tubo metálico lleno con elementos aleantes en forma de polvo, estabilizadores del arco y elementos desoxidantes. Puede conseguirse con ellos un elevada velocidad de deposición deposición con una elevada eficiencia y puede utilizarse utilizarse en todas las posiciones. También pueden emplearse donde las preparaciones no son las más óptimas. Están diseñados para poder soldar sobre superficies con alguna suciedad y óxido utilizando como gas de protección mezclas de argón. Tienen un mayor contenido de desoxidantes con el que se obtienen cordones de calidad con un excelente control del baño. Este tipo de alambres combinan la elevada velocidad de deposición de los alambres flux cored con una eficiencia de deposición y nivel de humos de los alambres sólidos. Las


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propiedades propiedades mecánicas son comparables comparables a las de los alambres macizos del acero al carbono y también también como estos tienen un bajo contenido de escorias. Los gases de protección mas empleados con estos alambres son Ar/ 8-20 % de CO 2 para acero al carbono y Ar/1-2 % O 2 o Ar/2-10 % CO 2 para los aceros inoxidables Las ventajas de los alambres metal cored son: -

Elevada velocidad de deposición

-

Elevada eficiencia de deposición (95 % o superior)

-

Soldadura de calidad sobre ligera suciedad y óxido.

-

Bajo nivel de salpicaduras.

-

Poca escoria.

-

Buena soldabilidad.

-

Soldadura en todas las posiciones

-

Bajo nivel de humos.

-

Facilita la soldadura en preparaciones preparaciones que no son las mas óptimas.

Gases Gases de d e Protecci ón p ara soldadur a MIG MIG (GMAW) (GMAW) Argó Ar gón n Se emplea para la soldadura de los metales no férreos como las aleaciones de aluminio, níquel, cobre, magnesio y de titanio y circonio. El argón facilita sobre estos metales, una excelente estabilidad del arco, penetración y una buena forma del cordón. Cuando se sueldan metales férreos, se utiliza el argón mezclado con otros gases como CO2, O2, o He. La baja energía de ionización y la buena conductividad eléctrica del argón facilita la estabilidad del arco. El argón produce una columna de arco estrecha que concentra una elevada densidad de energía sobre una superficie pequeña. El resultado es una forma de penetración característica. (Figura 33)


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FIGURA 33 FORMAS DEL CORDÓN CON DIFERENTES GASES DE PROTECCIÓN

Dióxido de Carbono Carbono Al disociarse libera CO y O 2 en el arco. El O 2 se combina con los elementos que se transfieren a través del arco para formar óxidos y escoria y también es el causante de la formación de gran cantidad cantidad de humos. Aunque el CO 2 es un gas activo y produce la oxidación del material soldado, se obtienen soldaduras sanas si se selecciona el consumible adecuado. adecuado. El CO2 se utiliza a menudo en la soldadura de aceros al carbono por su bajo costo. Sin embargo hay que tener en cuenta que el costo unitario más bajo del gas no se corresponde con el costo mas bajo por metro soldado. Deben considerarse otros factores que pueden afectar al costo como una baja eficiencia de deposición debido a salpicaduras, un elevado nivel de humos, un bajo tiempo de arco y unas reducidas propiedades propiedades mecánicas. El CO2 no permite la transferencia por arco largo. El metal se transfiere por arco corto y globular. Una de las mayores desventajas del CO 2 es la gran cantidad de proyecciones que se obtienen en la transferencia globular. (Figura 34)


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(CCPI)

FIGURA 34 COMPARACIÓN DE SALPICADURAS CON CO2 Y CON MEZCLAS DE AR-CO2-O2

Empleando CO2 se obtiene una superficie menos límpia que empleando mezclas de argón y también debe seleccionarse un consumible con un mayor contenido de elementos desoxidantes para compensar la pérdida de elementos en la transferencia a través del arco. Las soldaduras con CO 2 normalmente requieren una operación de limpieza antes de pintar que hay que tener en cuenta a la hora del cálculo del gas. Las principales ventajas del CO 2 son la buena penetración y anchura de la fusión. Helio Se emplea en las aplicaciones donde sea necesario un mayor input térmico. El helio no facilita la estabilidad del arco como lo hace el argón pero puede mejorar la fluidez, la penetración y la velocidad de soldadura. El helio tiene una mayor conductividad térmica que el argón y produce una columna de arco mas ancha. Al necesitar un mayor voltaje para un arco estable, genera un input térmico mayor que con argón, produce un baño mas grande, con una mayor fluidez y mejor mojadura. Esto es una ventaja importante en la soldadura de aluminio, magnesio y aleaciones de cobre.


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Mezclas Mezclas d e argón/oxígeno La adición de pequeñas cantidades del oxígeno al argón crea una gran estabilidad del arco, incrementa la velocidad de transferencia transferencia de gotas, gotas, baja la intensidad de transición a arco largo y mejora el tipo de cordón. Mezcla de 99 % Ar - 1% O2 Principalmente empleadas para la soldadura por arco largo del acero inoxidable. El 1% de oxígeno es suficiente para estabilizar el arco, mejorar la velocidad de transferencia de las gotas y el aspecto del cordón. Mezclas d e 98 % Ar- 2% O2 Se emplean en la soldadura con arco largo de aceros al carbono, de baja aleación y aceros inoxidables. Se logra una mayor fluidez que con el 1 % de O 2. Las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de las soldaduras hechas con 1% y 2% son similares. Sin embargo, la apariencia del cordón de acero inoxidable será mas oscura y más oxidada para el 2%. Mezclas d e 95 % Ar- 5% O2 Esta mezcla produce produce un baño de fusión más fluido. Es la mezcla de Ar-O2 mas empleada para la soldadura de aceros al carbono. Con ella se pueden conseguir las mayores velocidades velocidades de soldadura. Mezclas Mezclas d e argón/ CO2 Se emplean en la soldadura de aceros al carbono, de baja aleación y de algunos aceros inoxidables. A medida que se incrementa el contenido de CO 2 en la mezcla y se emplea para la soldadura a intensidades elevadas, se incrementa la cantidad de salpicaduras. Con contenidos superiores al 20 % de CO2, la transferencia por arco largo es inestable y solo sucede la transferencia por arco corto o globular. Mezclas d e 95 % Ar- 2% CO CO2 Se utiliza en la soldadura de aceros inoxidables con todos los tipos de transferencia. La apariencia del cordon es mas límpia que en la soldadura con Ar-CO 2 Mezclas d e 95 % Ar- 5% CO CO2 Empleada para la soldadura con con arco pulsado de diferentes diferentes espesores de aceros aceros al carbono y de baja aleación y en todas las posiciones. Produce una buena estabilidad del arco cuando se suelda sobre una superficie con ligero óxido y un baño de fusión mas controlable que las mezclas de Ar/ O 2 Mezclas d e 92 % Ar- 8% CO CO2 Estas mezclas se comportan de modo similar a 95 % Ar- 5% CO 2 pero incrementan el input térmico dando lugar a un baño de fusión mas grande y fluido en arco corto, arco largo y arco pulsado.


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Mezclas d e 90 % Ar- 15% CO2 Estas mezclas se utilizan en un gran número de aplicaciones en la soldadura de aceros al carbono y de baja aleación. Se puede conseguir la máxima productividad en espesores delgados en la transferencia con arco corto. En comparación con el CO 2, en la soldadura de espesores delgados, se consigue disminuir la excesiva penetración del CO2 que puede llegar a perforar, mientras se incrementan la velocidad de deposición y la velocidad de soldadura. En comparación con mezclas con mayor contenido en CO 2 como Ar-20 % CO2 se puede incrementar la eficiencia de la deposición debido a la disminución de salpicaduras. salpicaduras. Con esta mezcla se puede puede conseguir la transferencia transferencia con arco arco largo, aunque aunque este cerca del del límite máximo considerado del 20 % de CO 2 para poder poder tener esta transferencia. transferencia. Mezclas d e 80 % Ar- 20% CO2 Esta mezcla se utiliza para soldadura de aceros al carbono por arco corto y por el contenido de CO 2 esta en el límite para poder soldar con arco largo. De hecho con muchos equipos de soldadura no es posible llegar a obtener un arco largo. Se utiliza para la soldadura con alambres flux cored de aceros al carbono y de aceros inoxidables (ver recomendaciones del fabricante del alambre). Mezclas d e 75 % Ar- 25% CO2 Es la mezcla típica para soldar aceros al carbono con arco corto con alambres de 1,0 y 1,2 mm de diámetro. No se puede obtener con ella un arco largo. Se utiliza para la soldadura con alambres flux cored de aceros al carbono y de aceros inoxidables (ver recomendaciones del fabricante del alambre). Mezclas Mezclas de argón/heli o El helio se mezcla con el argón para obtener las ventajas de ambos gases. El argón aporta una buena estabilidad y acción de limpieza y el helio aporta un mayor input térmico, una mayor fluidez y mas amplia anchura de fusión. Las mezclas Ar/He se utilizan principalmente para la soldadura de metales no f érreos como aleaciones de aluminio, cobre, niquel, magnesio, titanio y circonio. Generalmente se puede emplear la regla de mayores contenidos de helio para mayores espesores. Contenidos del 15 al 20% son suficientes para afectar al arco. Cuando el contenido de helio se aumenta, se necesita un mayor voltaje y se produce produce un incremento incremento de las salpicaduras y de la relación anchura anchura / profundidad de la penetración y una disminución de la porosidad. El contenido de argón debe ser al menos del 20%-30% para poder obtener transferencia por arco largo. Mezclas de 70-75 % Ar- 25-30% He Se utiliza para la soldadura de metales no férreos, donde se necesita un incremento del input térmico y cuando un buen aspecto del cordón es importante. importante. Es una de las mezclas más utilizadas en la soldadura soldadura del aluminio. Mezclas d e 50 % Ar- 50% He Para aplicaciones atomatizadas atomatizadas o con robot de metales no férreos en espesores inferiores inferiores a 15 mm. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Mezclas de 25-30% Ar- 70-75% He Para aplicaciones atomatizadas o con robot de aluminio en espesores superiores a 15 mm. en posición horizontal. Incrementa Incrementa el input térmico y reduce la porosidad de las soldaduras de aleaciones de cobre. Mezclas Mezclas de argó n/Oxígeno/CO n/Oxígeno/CO2 Estas mezclas de tres componentes componentes se utilizan para la soldadura de aceros al carbono y de baja aleación. Ofrecen la versatilidad necesaria para poder soldar con todos los tipos de transferencia, arco corto, arco largo, arco pulsado y alta densidad de energía. Las composiciones mas usuales son: 80 % Ar-15% O2-5% CO2 90 % Ar-8% O2-2% CO2 90 % Ar-5% O2-5% CO2 93 % Ar-5% O2-2% CO2 96 % Ar-3% O2-1% CO2 La mezcla mas adecuada adecuada dependerá dependerá del tipo de transferencia y la posición de de soldadura. soldadura. En la soldadura de espesores delgados, el contenido en oxígeno ayudará a la estabilidad del arco a bajas intensidades (30-60 A) con un arco corto de fácil control, con bajo input para tener baja tendencia a traspasar y con pocas deformaciones. A intensidades elevadas en transferencia por arco largo, se obtienen velocidades de deposición y de soldadura más elevadas que con mezclas de Ar-CO 2 Mezclas Mezclas de argón /Helio /Helio/CO /CO2 Las adiciones del helio y CO2 al argón incrementan el input térmico y la fluidez y mojabilidad del baño. Pueden emplearse en la soldadura de aceros al carbono, baja aleación, aceros inoxidables y aleaciones de níquel, pero debido al elevado costo del helio, tienen sus principales aplicaciones en la soldadura de acero inoxidable y de aleaciones de niquel. Las composiciones mas usuales para la soldadura de acero al carbono y baja aleación son: 72% Ar-20% He-8 %CO 2 66% Ar-26% He-8 %CO 2 Se utilizan para la soldadura con arco largo y con arco pulsado. Pueden emplearse para todos los espesores y en todas las posiciones. Aunque la limpieza es necesaria, estas mezclas permiten la soldadura sobre superficies con contenidos superiores de óxidos que las mezclas convencionales de dos componentes. Se puede controlar el baño con facilidad y se obtienen buenas propiedades propiedades mecánicas.


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Las composiciones mas usuales para la soldadura de aceros inoxidables son: 78% Ar-20% He-2 %CO 2 83% Ar-15% He-2 %CO 2 81% Ar-18% He-1 %CO 2 66% Ar-33% He-1 %CO 2 Se utilizan para transferencia con arco corto, largo y pulsado. En comparación con las mezclas de dos componentes se obtienen mayores velocidades de soldadura, cordones mas anchos y planos, con buen color, baja porosidad y buena resistencia a la corrosión por la baja pérdida de elementos. Mezclas Mezclas de argón/CO2/H2 y argón/Helio/CO2/Hidrógeno Estas mezclas con adiciones de hidrogeno del 1 %, se utilizan en la soldadura de acero inoxidable austenítico donde la presencia de hidrogeno no presenta problemas de fisuración y sí añade un efecto reductor que ayuda a obtener cordones con una superficie con muy buen aspecto. Factores que tienen influencia sobre el gas de protección Como una de las principales funciones del gas de protección, es la de proteger el metal fundido, fundido, el baño de fusión y el electrodo, del oxígeno y nitrógeno nitrógeno del aire. Si estos gases se mezclan mezclan con el aire, pueden, pueden, entre otras cosas, producir porosidad en el material soldado. Esto puede suceder si alrededor alrededor del lugar de soldadura hay puertas, ventanas abiertas o ventiladores que originen corrientes corrientes de aire que puedan arrastrar el gas de protección protección o si el caudal es muy bajo o muy alto. Con un caudal de gas muy bajo, la cantidad de gas de protección es insuficiente y con un caudal de gas muy elevado, se pueden crear turbulencias y arrastrar aire dentro del flujo de gas de protección. (Figura 35). Arco Corto 20 l/min.

12 l/m in

5 l/m in

16 l/m in

8 l/m in

Arco Largo 30 l/min.

FIGURA 35 UTILIZACIÓN UN CAUDAL DE GAS ADECUADO

El ángulo del soplete no debe exceder de 10 – 20º de la vertical (Figura 36) para evitar que se produzca un arrastre de aire, que se mezcle con el gas de protección y produzca porosidad.


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FIGURA 36 UTILIZACIÓN DE UNA INCLINACIÓN ADECUADA EN EL SOPLETE

El extremo de la punta de contacto debe estar metida 2 mm aproximadamente dentro de la boquilla en la soldadura con arco largo y a nivel o fuera 2mm hacia fuera en la soldadura con arco corto. Cuando la longitud de alambre (distancia entre el extremo de la punta de contacto y el del alambre) es muy elevada, puede que la protección del gas no sea la adecuada. La punta de contacto debe estar situada concentricamente con la boquilla del gas para evitar que el arco eléctrico quede situado fuera de la protección del gas. (Figura 37) Deben quitarse regularmente las proyecciones de la boquilla y de la punta de contacto, para evitar que creen un régimen turbulento en la salida del gas de protección que introduzca aire dentro de la zona que debe estar protegida.

FIGURA 37 SITUACIÓN CORRECTA DE LA PUNTA DE CONTACTO


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Acero Ac eross no n o aleado al eadoss y con co n baja b aja aleaci al eación ón de carb c arbon ono o En los aceros al carbono, no se puede usar argón puro para soldadura MIG, esto se debe a que el argón puro hace que el arco sea muy inestable, y se producirá una soldadura muy irregular con porosidad.. Otra de las razones por la que el argón puro no debe usarse, es la mala adherencia del baño de fusión con el material base. Para estabilizar el arco e incrementar la adherencia, el gas de protección debe tener propiedades oxidantes, y esto se consigue mezclando oxígeno o CO 2. con argón o usando CO 2.puro, entonces a la vez que conseguimos un arco estable, también obtendremos un gas con componentes oxidantes. Estos componentes oxidantes, reaccionaran con los componentes del metal base y del metal de aportación en el baño de fusión formando los óxidos de silicio, manganeso, carbono, aluminio y otros, y obteniendo con ello una merma de estos en el baño de fusión. Esta pérdida de elementos se compensa mediante la aleación del material de aportación con los elementos que mas se oxidan como el managaneso y el silicio. Los gases de protección que podemos seleccionar son: -

Mezclas de argón con 5 - 25 % de CO2.

-

Mezclas de argón con 5 - 15% de CO2 y 2 - 5% de O2

-

Mezclas de argón con 2 - 8 % de O2

-

CO2

Penetración La penetración penetración con arco corto con CO2 como gas de protección, es mayor que con una mezcla de argón - CO2, con la misma velocidad de alimentación del hilo. La razón de esto es que cuando se usa una mezcla de argón, el baño de fusión es más frío debido a que la frecuencia de arco corto es mayor que con CO 2 puro. La mezcla de argón- CO 2 debido a la estabilidad del arco, tiene una tolerancia mucho mayor que con el CO2 a variaciones de parámetros como la intensidad. Entonces, se puede aumentar la velocidad de la alimentación del hilo (la intensidad) y compensar la diferencia de penetración. Al mismo tiempo, se puede aumentar la velocidad de la soldadura (Figura 38).


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FIGURA 38 EJEMPLO DE CAMPO DE UTILIZACIÓN DE CO2 Y MEZCLA DE ARGÓN 20% CO2 CON ARCO CORTO

Cuando se utiliza una velocidad de soldadura elevada con mezclas de argón - CO 2 se puede lograr una arco largo estable y una penetración adecuada. Para utilizar CO 2 con la misma velocidad de soldadura es necesario utilizar una longitud de arco muy corta que origina una penetración muy profunda , con mala relación altura / anchura de la soldadura. Velocidad de soldadura La soldadura con mezclas de argón, normalmente permite una velocidad mayor que con el CO 2 puro. Esto es debido a que el arco en más estable, el campo de parámetros utilizable es más amplio que permite una velocidad de alimentación de alambre mayor y por consiguiente la posibilidad de incrementar la velocidad de soldadura. Tolerancias contra las variaciones en la separación de chapas Con las mezclas de argón se obtiene un baño de fusión más frío que el CO 2, y se tiene la ventaja de que es más fácil puentear la distancia entre las chapas a soldar. Esta es una de las ventajas por la que la mezclas de argón son mas apropiadas que el CO 2 en soldadura mecanizada o con robot. Propiedades mecánicas del metal depositado El CO2 del gas de protección, bien sea puro o mezclado con argón, se disocia en el arco eléctrico en monóxido de carbono (CO) y oxígeno. Una parte del oxígeno liberado en el arco reacciona con el metal fundido para formar, entre otras cosas, el óxido de hierro. Este óxido puede reducirse con el carbono del metal base y desprender CO causando -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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porosidad en la soldadura. Para evitar estos inconvenientes, se añaden elementos reductores al hilo de aportación. Estos elementos reductores reaccionan más fácilmente con el oxígeno que con el hierro y el carbono. Estos elementos son normalmente, silicio y manganeso, y en este caso, obtendremos la formación de dióxido de silicio (SiO 2) y óxido de manganeso MnO 2, que pueden observarse en la superficie del cordón de soldadura en la forma de una escoria vítrea formada por silicato de manganeso. Se crea un equilibrio entre el gas, la disociación de sus productos y el contenido de carbono del material base. Cuando se utiliza CO2 puro para soldar acero al carbono, estaría en equilibrio el contenido en carbono si está entre 0.07 a 0,1% de carbono. Si el contenido del carbono es inferior, se produciría un incremento de carbono en el baño de fusión y si el contenido es superior, se produciría una disminución. Esta es la razón por la que no se utiliza CO 2 puro como gas de protección en la soldadura MIG de los aceros inoxidables austeníticos donde el contenido en carbono es normalmente menor que 0,003 %. Los productos de disociación del CO 2 producen una disminución disminución por oxidación oxidación de los elementos elementos reductores en el metal depositado. Cuanto mayor sea el contenido de CO 2 en el gas de protección, mayor será esta merma y menor será la resistencia del metal depositado. Cuando se use utilice CO 2, el material de aportación debe tener un contenido suficientemente alto de manganeso y silicio para que a pesar de las mermas por oxidación que se produzcan, se obtengan las propiedades mecánicas adecuadas. Como guía general y dependiendo de las propiedades mecánicas requeridas, puede apuntarse que cuando se utilice CO2 (EN 439 C) como gas de protección, debe utilizarse un alambre: ER AWS A5.18 ER70S-6 (EN440 G/W 3Si) con una composición típica de C = 0.08%, Mn = 1.1% , Si = 0.6% Cuando se utilice una mezcla de gases como Ar-15% CO 2 (EN 439 M21) debe utilizarse un alambre: ER AWS A5.18 ER70S-3 (EN440 G/W 2Si) con una composición típica de C = 0.1%, Mn = 1.5% , Si = 0.90% La Figura 38, nos muestra la influencia que tiene el contenido de CO 2 en la oxidación de elementos, que es alrededor del 20% para un 80% Ar-20% CO 2 y 35% para CO 2 puro.


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FIGURA 38 DISMINUCIÓN DE MN Y SI POR OXIDACIÓN DEBIDA AL CO2

Cuanto mayor sea el contenido de CO 2 y O2 en la mezcla, mayor será la oxidación de elementos y la formación de escorias. Estas pueden ser un problema a considerar si su eliminación es difícil y hay un trabajo de pintura posterior. También hay que considerar que si el gas de protección tiene un contenido elevado de componentes oxidantes, se obtendrá una cantidad mayor de oxígeno en el metal soldado y una cantidad mayor de inclusiones (microescorias) En la Figura 39 puede observarse, el contenido de oxígeno en el material depositado, como una función del contenido de CO 2 en el argón.


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FIGURA 39 CONTENIDO DE OXÍGENO EN EL MATERIAL SOLDADO EN FUNCIÓN DEL CONTENIDO DEL CO2 EN LA MEZCLA

El contenido de componentes oxidantes en el gas de protección, también afecta a la resiliencia. Utilizando mezclas de argón, se obtienen valores mas elevados que los que se obtienen con CO 2. En la Figura 40 se pueden observar observar un ejemplo de los valores valores de resiliencia con mezclas mezclas Ar-20% CO 2 y CO2 .

FIGURA 40 COMPARACIÓN DE VALORES DE RESILIENCIA CON MEZCLA DE AR-20% CO2 Y CO2 PURO


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TABLA 5.- Intensidades de Transición de Arco Globular a Arco Largo Tipo de alambre

Diámetro alambre

Gas de protección

Intensidad mínima para Arco Largo (A.) 135 150 165 220 275 155 200 265 175 225 290 180 240 295 195 255 345

Pulgadas

mm.

Acero bajo en carbono (ER70S-3 o ER70S-6)

0.023 0.030 0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062

0,4 0,8 0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6

98% Argon / 2% O 2 98% Argon / 2% O 2 98% Argon / 2% O 2 98% Argon / 2% O 2 98% Argon / 2% O 2 95% Argon / 5% O 2 95% Argon / 5% O 2 95% Argon / 5% O 2 92% Argon / 8% O 2 92% Argon / 8% O 2 92% Argon / 8% O 2 85% Argon / 15% O 2 85% Argon / 15% O 2 85% Argon / 15% O 2 80% Argon / 20% O 2 80% Argon / 20% O 2 80% Argon / 20% O 2

Acero inoxidable

0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062 0.035 0.045 0.062

0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6

99% Argon / 1% O 2 150 99% Argon / 1% O 2 195 99% Argon / 1% O 2 265 Arg on / Heli um / CO2 160 Arg on / Heli um / CO2 205 Arg on / Helium Heli um / CO2 Argon / 280 Hydrogen / CO2 145 Arg on / Hydro Hyd ro gen / CO2 185 Arg on / Hydro Hyd ro gen / CO2 255

Aluminio

0.030 0.047 0.062 0.035 0.045 0.062

0,8 1,2 1,6 0,9 1,2 1,6

Arg on Arg on Arg on Arg on Arg on Arg on

95 135 180 180 210 310

0.035 0.045 0.062

0,9 1,2 1,6

Argo Ar gon n Argo Ar gon n Argo Ar gon n

165 205 270

Cobre desoxidado

Bronce al silicio


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T-1-6

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