17688251 Soldadura En Estructuras De Aluminio

Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Naval

“APLICACIÓN DE LA SOLDADURA EN ESTRUCTURAS DE ALUMINIO”

Tesis para Optar al Título: Ingeniero Naval Mención: Arquitectura Naval

Profesor Patrocinante: Sr. Elías Carrasco Maira. Ingeniero Naval. Licenciado en Ingeniería Naval

MAURICIO SEBASTIÁN MAUREIRA GONZALEZ VALDIVIA – CHILE 2007

ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 Reseña Histórica del Aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2 Evolución en el Tiempo de los Procesos de Soldadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Principales Procesos de Soldadura en Aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

II. TECNOLOGÍA EN LA APLICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA. . . . . . . . .10 2.1 Arco con Plasma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Rayo Láser de Corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Corte con Chorro de Agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Corte Mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.5 Soldadura TIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.6 Soldadura MIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.7 Otros Procesos de Soldadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Soldadura por Arco con Plasma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Soldadura Láser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Soldadura Láser con Arco Aumentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Soldadura de Rayo Eléctrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Soldadura por Fricción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Soldadura por Resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

III. PREPARACIÓN Y CUIDADOS DEL MEDIO AMBIENTE EN LOS TRABAJOS DE SOLDADURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

IV. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS EN LA APLICACIÓN DE LA SOLDADURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 Preparación de los Bordes y sus Tipos de Unión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Posiciones de Soldadura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

V. EVALUACIÓN E INSPECCIÓN DE LA SOLDADURA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Inspección Visual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Inspección Penetrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Inspección de Corriente Parasita. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Inspección por Ultrasonido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Inspección Radiografía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

VI. CONCLUSIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

Anexo A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

RESUMEN Esta tesis contiene criterios e información para el diseño de soldadura, recomendaciones para los procesos de ejecución y su inspección, al construir en aluminio. Aquí se presentan los métodos para la producción de soldadura a través de soldadores, usando procedimientos, materiales y equipos apropiados. Además se muestran los procesos de soldaduras comúnmente usados en las uniones de aluminio: Tig, Mig y otros procesos como arco de plasma, láser, haz electrónico, fricción, resistencia y procesos de corte como arco de plasma, rayo láser, chorro de agua, mecanizado. También se comentan los métodos para asegurar el apropiado análisis de la calidad de la soldadura, a través del uso de métodos, exámenes y sus equipamientos adecuado; un tema no menor es el cuidado de los materiales como son su almacenamiento, manejo, limpieza y diseño cuando se usa el aluminio.

SUMMARY This thesis contains criteria and information for the design of solder, recommendations for the executions of judgment and its inspection, when constructing in aluminum. Methods are up for the production of solder here to crosswise of welders, using procedures, materials and appropriate teams. Besides they give the appearance of being the processes of solders commonly used in the unions of aluminum: Tig, Mig, and other processes as Plasma-arc, Laser, Electron beam, Friction, Resistance and cutting processes as Plasma-arc, Laser beam, Water jet, Mechanical. Also they comment the methods to insure the appropriate analysis of the quality of the solder through the use of methods, exams and his adequate equipments. A theme not younger the care of the materials like music is his storage, handling, cleanliness and design when the aluminum is used.

I. INTRODUCCIÓN 1.1

RESEÑA HISTÓRICA DEL ALUMINIO

La existencia del aluminio (Al) fue propuesta por Sir Humphrey Davy en la primera década del siglo XlX, aislado los metales en 1825 por Hans Christian Oersted. Quedándose con algo de curiosidad en el laboratorio por los siguientes 30 años, donde algunas limitadas producciones comerciales fueron hechas; pero no fue hasta 1886 que la extracción del aluminio desde el mineral de bauxita (Sesquióxido hidratado de aluminio el cual constituye la principal fuente de este metal) se convirtió en un proceso verdaderamente viable. Los métodos de extracción fueron inventados simultáneamente por Paul Heroult en Francia y Charles M. Hall en U.S.A. y este básico proceso desde el mineral de bauxita se usa hasta hoy. Por su naturaleza reactiva el aluminio no es encontrado en el estado metálico en la naturaleza, pero esta presente en la corteza terrestre en forma de diferentes compuestos, los que son varios centenares. El más importante y prolífico es el bauxita; los procesos de extracción consiste en dos etapas separadas, la primera separa el oxido de aluminio Al2O3 (alúmina) del mineral, la segunda es la reducción electrolítica de la alúmina en criolita (Na3AlF6) entre 950 ° C y 1000 ° C. Esto da un aluminio que contiene entre 5% y 10% de impurezas tales como el silicio (Si) y el hierro (Fe), el cual es refinado adicionalmente por un proceso electrolítico o por la zona de fusión para dar al metal una pureza del 99% aproximadamente. A fines del siglo XX una gran porción de aluminio es obtenido del reciclage de los desechos y la chatarra. El resultado del metal puro es relativamente malo y rara vez es usado, particularmente en aplicaciones de construcción; para aumentar la resistencia mecánica, el aluminio puro es generalmente aleado con metales tales como el cobre (Cu), manganeso (Mn), magnesio (Mg), silicio (Si) y Zinc (Zn). Una

de

las

primeras

aleaciones

desarrolladas

es

aluminio-cobre.

Fue

aproximadamente en 1910 que los fenómenos de la época precipitaron el descubrimiento del templado en la familia de aleaciones, con muchas de estas aleaciones templadas se encontró un rápido uso en la nueva industria aeronáutica. Desde aquel tiempo un gran número de aleaciones han sido desarrolladas, con resistencia que pueden corresponder a un buen acero al carbono pero con la tercera parte del peso.

1

Un mayor ímpetu en el desarrollo de aleaciones de aluminio fue provisto en la Segunda Guerra Mundial, particularmente cuando el aluminio se transformo en el metal base para la construcción de aviones (miembros estructurales, y el casco), fue también en este período que un avance principal en la fabricación de aluminio y sus aleaciones cambiaron de dirección con el desarrollo de los procesos de soldadura protegidos con gas inerte como MIG (metal inert gas) y TIG (tungsten inert gas); esto permitió una soldadura de alta resistencia sin la necesidad de flujos agresivos como en los procesos de soldadura al arco. El aluminio es metal bello, liviano, fuerte y versátil, es usado ampliamente en superestructuras de buques graneleros y porta contenedores; la nueva clase de transbordadores de alta velocidad utilizan aleaciones de aluminio para el casco y superestructura; un uso que parece difícil de ver racionalmente pues la percepción del aluminio es de un metal blando y débil es en transportes blindados, donde la combinación de poco peso y rendimiento balístico lo hace un material ideal para veloces vehículos de reconocimiento, además es encontrado en flotas de ferrocarriles, publicidad en carreteras, líneas de cañerías, envases de presión, construcciones, embalajes industriales, puentes militares y civiles. Los amplios rangos de uso dan algunas ideas de las extensas variedades de aleaciones que hoy están disponibles para los diseñadores, además se puede comprender las dificultades en que se encuentran sometidas las soldaduras. Con el continuo aumento de la sofisticación de los procesos, materiales y especificaciones de ingeniería por lo cual, se debe tener un integral conocimiento de la metalurgia y de los procesos de soldaduras en aluminio.

2

1.2

EVOLUCIÓN EN EL TIEMPO DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA

La soldadura es un proceso crítico para la época actual, junto con sus avances tecnológico; mucha gente no percibe cuanto se depende de ella, la cual es parte fundamental en la mayoría de los tipos de construcción que hoy en día se desarrollan; si observamos los objetos a nuestro alrededor es difícil imaginarse al mundo sin la soldadura. Hasta hace algún tiempo la definición de soldadura era simplemente unir metales a través del calor (estado en que el metal se funde); con el correr del tiempo sus técnicas fueron evolucionando y su definición tuvo que cambiar. Ahora hay dos formas básicas de soldadura: sin fusión y con fusión, lo último es lo más común, e involucra la fundición real de los metales base que serán unidos. Pero no toda soldadura hoy involucra la fundición, la soldadura sin fusión es comúnmente representada por la soldadura blanda (estañado) y la soldadura fuerte (latón), dos procesos donde el material base se calienta pero no se funde y lo que se funde es el metal de aporte, formando una fuerte unión cuando todo se enfría. La presión y la fricción aisladamente pueden soldar conjuntamente metales, tal como un operario rechaza un trozo de metal en un torno; hoy, el término "soldándose" ha sido aplicado a la unión de materiales no metálicos, como la soldadura plástica que algunas veces involucra una fusión de materiales como resultado de calor o acción química. Resulta dificultoso determinar con exactitud en que país y en que momento se han desarrollado ciertas técnicas de soldadura en particular, ya que la experimentación ha sido simultánea y continua en diversos lugares. Aunque los trabajos con metales han existido desde hace siglos, los métodos tal cual como los conocemos hoy, datan desde el principio de este siglo. En 1801, el inglés Sir H. Davy descubrió que se podía generar y mantener un arco eléctrico entre dos terminales. En 1835, E. Davey, en Inglaterra, descubrió el gas acetileno, pero para dicha época su fabricación resultaba muy costosa. Recién 57 años después (1892), el canadiense T. L. Wilson descubrió un método económico de fabricación. El francés H. E. Chatelier, en 1895, descubrió la combustión del oxígeno con el acetileno, y en 1900, los también franceses E. Fouch y F. Picard desarrollaron el primer soplete de oxiacetileno.

3

En el año 1881, el francés De Meritens logró con éxito soldar diversas piezas metálicas empleando un arco eléctrico entre carbones, empleando como suministro de corriente acumuladores de plomo. Este fue el puntapié inicial de muchas experiencias para intentar reemplazar el caldeado en fragua por este nuevo sistema. La gran dificultad hallada para forjar materiales ferrosos con elevado contenido de carbono (aceros), motivó diversos trabajos de investigación de parte de los ingenieros rusos S. Olczewski y F. Bernardos, los que resultaron exitosos recién en el año 1885. En dicho año se logró la unión en un punto dos piezas metálicas el cual se definió como fusión. Se utilizó corriente continua, produciendo un arco desde la punta de una varilla de carbón (conectada al polo positivo) hacia las piezas a unir (conectadas al polo negativo). Dicho arco producía suficiente calor como para provocar la fusión de ambos metales en el plano de unión, que al enfriarse quedaban mecánicamente unidos. Los trabajos de soldadura efectuados no eran eficientes, ya que resultaba difícil gobernar el arco eléctrico, debido a que este se generaba en forma irregular. Continuando con los ensayos, se obtuvo un éxito concluyente al invertir la polaridad de los electrodos (pieza conectada al positivo), debido a que en estas condiciones el arco no se genera desde cualquier punto del electrodo de carbón, sino sólo desde la punta, es decir, en el mismo plano de la unión. El comportamiento del arco, según la polaridad elegida, llevó en 1889 al físico alemán, el doctor H. Zerener, a ensayar un tipo de soldadura por generación de un arco eléctrico entre dos electrodos de carbón. Como bajo estas condiciones no se lograba buena estabilidad en el arco producido, adicionó un electroimán, el cual actuaba sobre el mismo dirigiéndolo magnéticamente en el sentido deseado. Ello producía sobre el arco eléctrico un efecto de soplado. Por este motivo se aplica en procesos automáticos para chapas de poco espesor. El flujo del arco se regulaba con facilidad, variando la corriente de excitación Ie del electroimán, y por ende variando el campo magnético producido. El excesivo consumo de electrodos de carbón y el deseo de simplificar los equipos de soldadura, hicieron que en el año 1891, el ingeniero ruso N. Slavianoff sustituyera los electrodos de carbón por electrodos de metal (electrodos de hierro sin recubrir). Este cambio produjo mejoras en las uniones de los metales (a nivel métalo gráfico), al evitar la inclusión de partículas de carbón (aportadas por los mismos electrodos antes utilizados) dentro de la masa de metal fundido, y luego retenidas en la misma al solidificarse.

4

El método Slavianoff, con algunas mejoras técnicas implementadas en 1892 por el estadounidense C. L. Coffin (quien logró desarrollar el método de soldadura por puntos), ha sido usado hasta la fecha y es la soldadura por arco conocida en la actualidad. La nociva acción de la atmósfera (oxidación acelerada por el calentamiento) sobre los electrodos sin recubrir durante la formación del arco, llevó a los investigadores a tratar de solucionar dichos inconvenientes. Una de las primeras experiencias se debió a los ensayos realizados por Alexander, quien pensó en eliminar el oxígeno que rodeaba al arco, haciendo que se produjera en una atmósfera de gas protector, donde se observa el metal base a soldar (1), el porta electrodo con el electrodo ubicado (2), y el abastecimiento de gas (3), ver fig. 1.1.

Fig. 1.1 Soldadura por arco con atmósfera de gas (Método Alexander) [Manual de Soldadura]

Alexander ensayó con diversos gases, logrando buenos resultados con el metanol, pero este requería de un complejo equipamiento, por lo que lo hacía poco viable. Retomando y modificando la idea original de Alexander, en 1907 O. Kjellberg, revistió los electrodos con material refractario aglomerado, rodeando el electrodo con una sustancia sólida que poseía idéntico punto de fusión que el metal de aporte. En 1908, N. Bernardos desarrolló un sistema de electro escoria que se volvió muy popular en su momento. Los electrodos fusionables, fueron mejorados nuevamente en 1914 por su creador, el sueco O. Kjellberg junto al inglés A. P. Strohmenger. Quedaron constituidos por una varilla de una aleación metálica (metal de aporte) y un recubrimiento especial a base de asbesto, con una forma muy similar a los que se utilizan en la actualidad. 5

El sistema de soldadura por arco eléctrico es uno de los procesos por fusión para unir piezas metálicas. Mediante la aplicación de un calor intenso, el metal en la unión de dos piezas es fundido causando una aleación de las partes fundidas entre sí, o en la mayoría de los casos, junto con un aporte metálico fundido. Luego del enfriamiento y solidificación del material fundido, se obtiene una unión mecánicamente resistente. Por lo general, la resistencia a la tensión y a la rotura del sector soldado es similar o mayor a la del metal base. En este tipo de soldadura, el intenso calor necesario para fundir los metales es producido por un arco eléctrico. Este se forma entre las piezas a soldar y el electrodo, el cual es movido manualmente o mecánicamente a lo largo de la unión (puede darse el caso de un electrodo estacionario fijo y que el movimiento se le imprima a las piezas a soldar). En 1930, los estadounidenses H. M. Hobart y P. K. Devers desarrollaron el sistema de soldadura con gas inerte, y basado en ello, el doctor Orving Langmuir, ideó la soldadura de hidrógeno. En ésta, el arco se produce entre dos electrodos no consumible de tungsteno, en una atmósfera de hidrógeno soplando sobre el arco.

Fig. 1.2 Soldadura con atmósfera de H2 (Método Langmuir) [Manual de Soldadura]……….

En la figura se observa la fuente eléctrica (5), la provisión de hidrógeno a presión (4), los electrodos de tungsteno (3), el material de aporte (2) y el material a soldar (1). 6

Por acción térmica, el hidrógeno molecular se descompone en hidrógeno atómico, el que vuelve a su estado primitivo una vez atravesado el arco, transfiriendo el calor de recombinación a las piezas por soldar. Este método se emplea en la actualidad para soldar chapas delgadas. Una

variedad

del

sistema

anterior,

fue

desarrollado

en

1942

por

el

norteamericano R. Meredith (creador del soplete para TIG). Este es indiscutiblemente la joya de los procesos de soldadura, puesto que produce los cordones limpios, libres de fundentes y de perlillas, virtualmente sin contaminación, es fuerte, dúctil y resistente a la corrosión, con casi nada de mantenimiento. Por esta razón, es el método elegido para aplicaciones críticas tales como autos de carrera, aeronaves, construcción de cohetes y reactores nucleares, entre otras. En 1948 diversos ingenieros desarrollaron el sistema MIG, incluyendo las soldaduras por arco en atmósfera de helio o argón, ambos gases inertes que alejan el oxígeno de la zona por soldar. Las ventajas del sistema MIG incluyen terminaciones mucho más limpias en comparación a la soldadura por arco manual, además de su versatilidad para realizar buenas soldaduras en espesores delgados, sin varillas o electrodos que se deban reemplazar. Los progresos logrados en la industria electrónica, permitieron utilizar dichos adelantos para desarrollar así la soldadura por resistencia (a tope, continua y por puntos); la soldadura por inducción para materiales conductores del calor; la soldadura dieléctrica para los no conductores y, finalmente, la alumino-térmica, que resulta una combinación de un sistema de calentamiento con el procedimiento Slavianoff. La variedad de aplicaciones industriales de los sistemas de soldadura llegaron a un grado tal que inclusive han sustituido en la mayoría de los casos al tradicional forjado y remachado, resolviéndose los problemas de estanqueidad, rigidez y eliminándose las vibraciones.

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PRINCIPALES PROCESOS DE SOLDADURA EN ALUMINIO

PROCESOS

TIG

MIG

F U S I O N

Arco Manual

Oxiacetileno

Haz electrónico

Láser

Arco sumergido

APLICACIONES Alta calidad en toda posición No utiliza electrodo consumible Puede ser usado con o sin metal de aporte Puede ser manual, mecánico o totalmente automatizado Baja velocidad del deposito sin metal de aporte Alta velocidad del deposito con metal de aporte Ocupa corriente continua y alterna Alta calidad en toda posición Utiliza alambre de alimentación continua Puede ser manual, mecánico o totalmente automatizado Alta velocidad del deposito Puede ser adherida otra pistola soldadora Ocupa corriente continua y alterna Aplicaciones limitadas Usa electrodo consumible revestido Sin o poca tensión en las uniones Obsoleto Baja calidad de la soldadura Uniones sin tensiones Obsoleto Alta calidad y presión Usos en defensa aéreo espacial y equipos electrónicos Requiere cámara de vació Alto costo inicial Alta calidad y precisión Usos en defensa aéreo espacial y equipos electrónicos Alto costo inicial Aplicaciones limitadas Ej.: Barras de distribución Problemas de porosidad Obsoleto

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F U S I O N

P R E S I O N

Arco a tope magnético

Aplicaciones en uniones de cañerías Alto costo inicial Bajo costo del proceso Totalmente automatizado

Y

R E S I S T E N C I A

Y

Costura por puntos

C O N Adhesiva T A C T Inducción de O alta frecuencia

F A S E S O L I D A

Aplicaciones : industria automotriz y aéreo espacial Alto costo inicial Alta productividad Combina la soldadura por puntos a través de un adhesivo fijador en las uniones traslapadas Aplicaciones : industria automotriz Empalmes de tope Aplicaciones : tiras de cañerías Alto capital inicial Alta productividad

Aplicaciones : barras rectangulares, circulares Fricción y secciones huecas Une distintos metales Alto capital inicial Explosiva Aplicaciones : uniones de tiras de cañerías Une distintos metales y revestimientos Ultrasónica Aplicaciones : uniones traslapadas en aceite Al-Cu para terminaciones eléctricas Presión fría Aplicaciones : uniones traslapadas y a tope Ej.: Al-Cu, Al-acero, Al en laminas con cables Presión caliente Aplicaciones : uniones traslapadas en rollos Uniones a tope lado con lado

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II. TECNOLOGÍA EN LA APLICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA La correcta y precisa preparación de las uniones es fundamental para una eficaz soldadura en aluminio, esta preparación de uniones es lo más importante para lograr una buena penetración en la raíz de la unión y ayudar al soldador ha producir una soldadura sin defectos, haciendo que esta tenga un costo aceptable; para ello se emplean múltiples herramientas y diversos procesos térmicos de fabricación ya sea para los diversos cortes o la preparación de la soldadura, lo que se discutirá a continuación.

2.1

ARCO CON PLASMA

El arco con plasma puede ser usado para cortar o soldar, ver fig. 2.1 y es el proceso térmico más usado para cortar aleaciones de aluminio en forma manual, mecanizado y totalmente automatizado; es en los dos últimos casos donde se logra excelente calida en espesores mayores de 250 mm. con una gran velocidad de corte.

Fig. 2.1 Componentes básicos del arco con plasma; las dos botellas de gas protector son requeridas solo en las maquinas industriales [Haynes Techboock Welding Manual]

El equipo de plasma tiene un soplete que esta especialmente diseñado con un electrodo de Tungsteno en el interior de una cánula de cobre enfriada por agua, a través de la cual pasa el gas; un arco es pulsado entre el electrodo y la pieza de trabajo transfiriendo el plasma (usado para cortar) o entre el electrodo y la cánula donde no hay transferencia, ver fig. 2.2.

10

Fig. 2.2 Esquema ilustrativo de los principios del corte por chorro de plasma [The Welding of Aluminium and its Alloys]

El gas es calentado en la cánula por el arco a una temperatura extremadamente alta donde se ionizada convirtiéndose en plasma, al mismo tiempo que su volumen se expande y es forzado a través de la boquilla donde alcanza una gran velocidad. El calor para cortar y soldar es provisto por una flama o chorro de plasma de gran velocidad con temperaturas superiores a 15000°C, la cual tiene por característica ser altamente concentrado, virtualmente indiferente de la distancia al punto muerto o de la dureza del material; el gas para el plasma incluye aire, argón, argón-Hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono. El corte con plasma generalmente no deja los bordes rectos, debiendo emparejar los lados, particularmente cuando la energía del corte es alta para el espesor de la plancha o cuando se emplea una velocidad de corte excesiva. Por otro lado el chorro de plasma tiende ha remover mayor cantidad de material en la parte superior de la superficie ha cortar, resultando con sus bordes disparejos, es decir con un bisel entre 3° a 6°, además de la posibilidad que estos puedan quedar con rugosidad, ver fig. 2.3. La calidad del corte es afectado por el tipo de gas, su flujo, velocidad del corte y el voltaje empleado; las altas velocidades de flujo del gas y los altos voltajes mejoran la forma cuadrada del corte, en el corte mecanizado o automatizado se da una mejor terminación.

11

Fig. 2.3 En la parte superior de la foto se muestran 2 cortes hechos de forma manual con plasma, el primero con una velocidad y amperaje excesivos; el segundo de forma más correcta y el último corte está hecho de forma automatizada [Haynes Techboock Welding Manual]

La composición de los gases para el plasma depende de los requerimientos en la calidad del corte, espesores del material y el costo del gas; el aire es la opción más barata y existen sistemas que solo utilizan aire con un electrodo de hafnium que ha sido desarrollado para cortar materiales de hasta 6 mm. de espesor, en la figura 2.4 se muestra el mencionado.

Fig. 2.4 Funcionamiento del equipo por chorro de plasma utilizando aire [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Para espesores delgados se debe ocupar el nitrógeno, dióxido de carbono, argónHidrógeno o una mezcla de estos gases; para espesores superiores ha 12,5 mm., el Argón-Hidrógeno es considerado como la mejor selección del gas para el plasma, esta mezcla de gas aportan la mejor calidad de corte, sin distinción de espesores; en segundo lugar en calidad para el corte es el dióxido de carbono o el nitrógeno; la inyección de agua dentro de la boquilla puede usarse además de los orificios del gas, esto restringe el chorro plasma adicionalmente y produce una mejor calidad (un corte mas cuadrado), por encima de de los 50 mm. de espesor estas ventajas se reducen.

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La tabla Nº 1 indica los parámetros para el corte con plasma: Espesores Gas para el (mm.) Plasma

1,0 1,5 3 6,5 6,5 6,5 10 12,5 25 50 6 6 10 12,5 12,5 12,5 25 25 50 50 75 75 75 100 125

Aire Aire Aire Aire N2 Ar + H2 N2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2 N2 N2 N2 N2 Ar + H2 N2 Ar + H2 N2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2 Ar + H2

Flujo del Gas Gas Flujo del gas Corriente Velocidad (l / min.) Protector (l / min.) (Amp.) (mm. / min.)

98 98 98 98 34 25 35 28 33 45 55 32 32 32 32 60 70 60 32 60 95 45 45 95 95

CO2

100

CO2

100

CO2 CO2 CO2 CO2

100 100 100 100

CO2

100

CO2

100

N2 N2

100 100

200 200 280 330 400 300 115 120 120 300 300 400 375 400 375 420 400 700 450 475

4800 6300 3000 1000 1800 1500 1250 1000 500 500 7500 1800 900 480 3200 5000 1800 2300 800 500 380 500 650 750 250

Método

Manual

Mecanizado

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Un desarrollo de estos procesos se conoce como corte con plasma de alta tolerancia (HT-PAC), ver fig. 2.5; también conocido como arco estrangulado en plasma, plasma fino o plasma de alta definición y se esta usado como una alternativa más barata que el sistema láser, haciendo cortes en materiales menores de 12 mm. de espesor.

Fig. 2.5 Esquema ilustrativo del soplete para cortes con plasma de alta tolerancia [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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Esta variación del proceso con plasma ha logrado una mejor calidad de corte con caras más perpendiculares, incisiones más estrechas y con terminaciones menos rugosas que el tradicional corte de arco con plasma, por una combinación de una rediseñada boquilla y una estrangulación en el campo magnético.

En la tabla Nº 2 se sugieren parámetros para HT-PAC: Espesores (mm.)

Gas para el Plasma

Gas Protector

Corriente (Amp.)

Distancia (mm.)

Velocidad (mm /min.)

1,2 2 4

Aire Aire Aire

Aire Aire Aire

70 70 70

2 2,5 2

3800 2540 1800

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Una variación del sistema convencional del proceso de corte con plasma es la técnica de la gubia, esta utiliza un chorro de plasma en un soplete el cual es presentado en la superficie con un ángulo de inclinación, al hacer eso se sopla la superficie y se forma un surco, la técnica puede usarse para remover los excesos del metal, socavar para eliminar los defectos, para eliminar soldadura y para preparar el área ha soldar, ya que es capas de remover grandes cantidades de material muy rápidamente, ver fig. 2.6.

Fig. 2.6 Descripción del funcionamiento del soplete con la técnica de la gubia. [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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2.2

RAYO LÁSER DE CORTE

Un láser (luz amplificada por la estimulación de emisiones de radiación) genera un rayo de luz consistente en una longitud de onda esencialmente constante; cuando este rayo es fijado en una superficie, hay suficiente energía concentrada en este punto que el material puede ser fusionado o vaporizado; esto da la posibilidad de cortar o soldar. La luz del láser se produce por la excitación de un medio de acción láser, esto puede ser un sólido o un gas; la excitación es provista por el paso de una corriente eléctrica o por medio de luz de alta intensidad. Estos son comúnmente el láser con CO2 y el láser con cristal en estado sólido Nd-YAG (neodymium – doped yttrium –aluminium – garnet); de los dos el láser con CO2 es el más poderoso con una potencia de salida de 50 Kw. Ambos tipos de láser pueden diseñarse para proveer una salida constante, un láser con luz de onda continua (OC) o en un modo pulsado de salida, en este último caso el poder de salida en los peak del pulso puede ser hasta 20 veces la potencia promedio. La longitud de onda de la luz proveniente del láser con CO2 es de 10,6 micrones (micrómetros) y esta longitud de onda es fácilmente absorbida por la mayoría de los sólidos permitiendo al láser con CO2 usarse en una amplia variedad de materiales; esta gran longitud de onda tiene una desventaja la cual no puede ser transferida por cristal o fibra óptica sino que requiere de espejos reflectantes de metal para manipular el rayo y materiales tales como seleniuro de zinc o arseniuro de galio para enfocar el lente. La luz del láser con Nd-YAG dispone de magnitudes menores de 1,06 micrones permitiendo el uso de lentes de cristal para enfocar y cables de fibra óptica para transmitir el rayo, esto da una clara ventaja sobre el láser con CO2 puesto que permite la unión de equipos de manipulación comercialmente disponibles tales como el soporte de control numérico (CN) o robots con láser; el poder de salida actualmente disponible para el láser con Nd-YAG está limitado alrededor de 6 Kw., sin embargo se debe restringir los espesores que se deban cortar. Con el láser de ondas continuas hay más derretimiento que vaporización y un gas asistente se usa para soplar el vapor y el metal derretido, creando un corte limpio y angosto, claramente delineado por el rayo a lo largo del material. El láser con pulsos generalmente provee bastante energía, de tal manera que imparte suficiente fuerza para que el mismo vapor remueva cualquier metal derretido.

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El gas asistente se introduce a través de la boquilla de corte o co-axialmente, esto es usado no solo para soplar y eliminar cualquier metal derretido sino que además para proteger el lente de salpicaduras o restos provenientes del corte. El proceso cortante del láser consiste en enfocar el rayo a través de una boquilla, en la superficie ha ser cortada, la concentración de energía es tal que vaporiza el material y lo corta, ver fig. 2.7.

Fig. 2.7 Esquema de las principales partes del sistema láser y el equipo en funcionamiento. [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Los gases asistentes para cortar aluminio pueden ser oxigeno, nitrógeno o aire; el oxigeno es un gas reactivo con el aluminio y da mayor velocidad de corte que el nitrógeno; sin embargo, el nitrógeno da mejores resultados en calidad de corte relacionados con los bordes rectos y su rugosidad comparando con el oxigeno; el aire es el más flexible pues es el más barato de los gases. La presión del gas es una variable muy importante que es necesaria para controlar y dar la mejor calidad de corte (las altas presiones de gas dan la más efectiva remoción del metal, pero también puede dañar el lente de enfoque), como la presión del gas asistente es incrementada, el lente también debe aumentar su espesor para conllevar el aumento de la presión; la presión del gas en el corte es también influenciada por la distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo. La relación entre la distancia y la presión no es simple, sin embargo en la mayoría de los cortes con láser son hechos con velocidades supersónicas del gas; es esencial que la distancia al punto muerto y las condiciones de la boquilla sean estrictamente controladas para proveer un corte consistente y de alta calidad.

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En la tabla Nº 3 se señala los parámetros típicos para el corte con láser: Procesos

Pulso Nd-YAG

OC Nd-YAG

OC CO2

-

Espesores

Potencia

ƒ Del Pulso

Ancho Del

Gas

Presión

Velocidad

(mm.)

Media (Kw.)

(Hz)

Pulso (ms)

Asistente

Del Gas

(mm /min.)

1,2 2 4

0,174 0,414 0,224

120 100 31

1 0,5 1,5

Oxigeno Oxigeno Oxigeno

4 6 7

6000 540 60

2 2

2 2

Oxigeno Nitrógeno

4500 300

1,2 2 4

1,41 1,2 1,5

Oxigeno Oxigeno Oxigeno

3800 3000 1200

OC: Onda Continua

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Ventajas en el uso del corte con láser:
Bajo inicio de calor, dando como resultado una mínima distorsión y afectando una estrecha zona de calor.
Bordes que son lisos y perpendiculares a la superficie; a menudo no requieren limpieza entes de soldar.
Las estrechas incisiones y zonas afectadas por el calor, dan como resultado que las terminaciones son más eficientes y pueden lograr un ahorro de materiales.
Muchos materiales delgados pueden cortarse sin distorsiones.
Se hacen cortes de precisión, dando en una mayor facilidad de acople y ajustes de las piezas a soldar, reduciendo el tiempo de preparación y provocando menos defectos de la soldadura.
Los procesos están automatizados y puede fácilmente conectarse ha equipo de control numérico (CN).

Desventajas de uso del láser para cortar aluminio y sus aleaciones:
El costo del equipamiento, el cual puede ser de varios cientos de miles de dólares, pues el láser interactúa con un adecuado y preciso equipamiento de manipulación.
El acople del rayo con la superficie de trabajo no son buenas puesto que el aluminio puede ser altamente reflectante, esto quiere decir que un gran poder es necesario para cortar una pieza de aluminio de igual espesor al del acero; el aluminio también puede reflectar los rayos de regreso al lente, pudiendo dañarlo, auque estos problemas se han disminuido con el desarrollo de lentes más precisos y sistemas de enfoque.

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El láser para cortar aluminio puede generar una gran escoria en la cara inferior del corte, la extracción de esta lo hace un proceso no competitivo con respecto a otros. La alta presión del gas asistente reduce o elimina estos problemas.
Los cantos del corte en la aleación con el tiempo pueden contener microfisuras, las que deben ser eliminadas.

2.3

CORTE CON CHORRO DE AGUA

El corte con chorro de agua introduce un poder abrasivo en la alta presión y la velocidad del chorro de agua es capaz de cortar materiales metálicos y no metálicos, esencialmente por un proceso de erosión. La velocidad del agua es de 2500 Km/h y la presión del agua entre 2109,21 a 4218,42 Kg/cm² (30000 a 60000 psi). Uno de los más importantes usos del corte con agua es eliminar la rugosidad de las piezas, con la ventaja no hay temperatura en el proceso, por lo que el calor no afecta a la zona de trabajo y no hay distorsiones térmicas; las partes pueden cortarse en forma precisa y correcta, resultando en el ahorro del material. La tolerancia de las piezas cortadas es muy pequeña, simplificando el acondicionamiento de la faena para la soldadura. Aunque el aluminio sobre los 450 mm. de espesor puede cortarse utilizando este método, las limitaciones del chorro de agua es la velocidad del corte, el cual pude ser la cuarta parte de la velocidad del corte con láser, particularmente en estos espesores. Otras limitaciones son los biseles o chaflanes de la cara del corte el cual puede ser el doble que el dejado por el láser, esto puede reducirse con menores velocidades de corte, produciendo la desventaja de incrementar los costos, ver fig. 2.8.

Fig. 2.8 Equipo en funcionamiento, cortando una pieza [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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2.4

CORTE MECÁNICO

Aunque los métodos mencionados pueden ser aplicados ha muchas actividades de fabricación, la técnica del corte mecanizado es usado en la mayoría de los talleres de soldadura el cual es el método de mayor eficiencia en costos y versatilidad. El equipo de corte y mecanizado son ampliamente utilizados en la mayoría de los talleres de fabricación y es frecuentemente de menor capital de implementación comparado con los sistemas de corte con plasma o láser. Además de los sistemas descritos en las secciones anteriores capases de cortar solamente biseles simples y rectos, cuando los biseles dobles sean requeridos, se deberán aplicar dos o más cortes necesariamente y la preparación del bisel tipo jota no es factible. La preparación de los bordes se puede producir de varias formas con fresadoras de alta velocidad, guimbarda (cepillo de cuchilla estrecha y muy saliente), aplanadora de bordes y distintos tipos de sierras; cuando los equipos renovadores de aire necesiten usarse, hay que asegurarse que el suministro de aire este seco y libre de aceite, para prevenir la contaminación de la superficie, cual daría paso a la porosidad durante la soldadura. Las guimbardas, aplanadoras y fresadoras son capases de producir los biseles en J y en U, donde son logrados con las diferentes formas de las herramientas, los equipos para estas tareas pueden ser manuales y son muy similares a las que se emplean para trabajar en la madera, el único requisito necesario es el ligero aumento de poder o un espacio apto para soportar gran capacidad; la alta velocidad de corte da la posibilidad de prescindir del lubricante o los enfriadores del material. Las maquinas rotativas de corte son idealmente apropiadas para remover y eliminar los excesos de soldadura, la profundidad del corte puede ser ajustada y se dispone de varios tipos de corte, incluidos el corte en V para biselado y cortes aplanados para soldaduras a tope. La guillotina pude usarse para cortar planchas hasta 6 mm. de espesor, sin la necesidad de futuras preparaciones para trabajar, sobre estos espesores es necesario arreglar los bordes del corte para lograr una buena calidad de la soldadura. El corte en aleaciones con un contenido mayor del 3,5% Mg, no se recomienda reparar los bordes porque se corre el riego que los bordes se endurezcan y provoquen tensiones, corrosión y grietas; los bordes soldados luego del corte no sufren de estos problemas. El aserrado es un método muy efectivo de corte y biselado del aluminio, usando equipos portátiles o montados en el piso; para lograr una buena calidad se necesita de gran velocidad, alrededor de 2500 m/min. (velocidad superficial periférica de la hoja de sierra circular del acero de corte rápido), 3500 m/min. en hojas de Tungsteno inclinado y 1800 m/min. en la hoja de sierra de cinta.

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Es usual que las sierras de cinta tengan mayor espaciamiento entre los dientes que para el acero, esto es para prevenir los obstáculos, es recomendado entre 8 y 16 dientes por centímetro; las sierras de cinta y circular pueden producir cortes rectos y cuando la meza es acondicionada en ángulo se puede cortar con bisel; el borde cortado por la sierra tiende la tendencia a quedar con rugosidad, lo que facilita la adherencia de grasa y suciedad, haciéndose difícil la limpieza; es recomendado que la cara cortada sea pulida o limada para producir una superficie suave donde la mejor calidad de soldadura es requerida. El desbaste es el más conveniente, el cual se realiza con discos flexibles de oxido de aluminio; se necesita tomar precauciones para asegurar que el desbaste sea controlado y no sea demasiado agresivo. Un desbaste sobre dimensionado puede agrietar o maltratar la superficie, la que puede ser embarrada, es decir atrapando la suciedad y la grasa, aumentando la porosidad en la soldadura. La velocidad rotacional de los discos necesita ser en la región de 8500 rpm., se debe tomar la precaución que los esmeriles angulares mantengan esta velocidad bajo carga (algunos esmeriles son incapaces de lograr o mantener la velocidad de operación); en estas condiciones los discos no deberían obstruirse y la velocidad de remoción del metal no debería ser afectada, el desbaste puede usarse para limpiar los pinchazos antes de soldar en el metal base, quitar los excesos del metal y retrocediendo a medida que la soldadura penetra y se solidifica; para lograr los mejores resultados se requiere de una adecuada y buena mantención de los equipos en operación por personal calificado. Las lijadoras manuales de cinta están ampliamente disponibles y posibilitan terminar operaciones sin un gran riesgo de daños por la incorrecta manipulación de estas, los ancho de las fajas que se encuentran en el comercio son de 3 a 100 mm. y la mayoría del las operaciones de mecanizado y desbaste, pueden ser hechas sin lubricación.

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2.5

SOLDADURA T.I.G.

La soldadura de arco de Tungsteno protegida por gas inerte (T.I.G. siglas en ingles Tungsten Inert Gas), también denominada soldadura por heliarco (por usarse el gas Helio como protector) o bien la denominación mas moderna G.T.A.W. (siglas en ingles de Gas Tungsten Arc Welding), es un proceso de soldadura al arco que ocupa un electrodo no consumible de Tungsteno y un gas inerte para proteger la zona de fundición; el arco de la soldadura actúa solo como una fuente de calor y el soldador tiene la opción de agregar o no un alambre de aporte o relleno. La soldadura fundida es fácil de controlar, el arco es estable, la corriente baja se ocupa para soldar espesores delgados y los procesos de soldadura producen muy buena calidad del metal soldado, aunque los soldadores altamente experimentados se requieren para mejores resultados. El proceso T.I.G. es por fusión, en el cual se genera calor al establecer un arco eléctrico entre el electrodo de Tungsteno (no consumible) y el metal de base o pieza a soldar. Como en este proceso el electrodo no aporta metal ni se consume, de necesitarse el aporte metálico, el cual se hará desde una varilla o alambre a la zona de la soldadura, utilizando la misma técnica que la soldadura oxiacetilénica. En zona de la soldadura se utiliza un gas protector (gas inerte) cuyo objetivo es desplazar el aire, para eliminar la posibilidad de contaminación por el oxigeno y nitrógeno presentes en la atmósfera, además de evitar la formación de escoria o el uso de fundentes o “flux” protectores, en la fig. 2.9.

Fig. 2.9 Esquema de un soplete para soldadura TIG [Haynes Techboock Welding Manual]

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La característica más importante que ofrece este sistema es la alta calidad de soldadura en todos los metales, incluyendo aquellos difíciles de soldar, así también para espesores delgados y para depositar cordones de raíz en uniones de cañerías. El equipo básico para la soldadura TIG comprende un equipo para soldadura por arco con sus respectivos cables; una provisión de gas inerte, mediante un sistema de mangueras y reguladores de presión; provisión de agua para el sistema de enfriamiento (solo para algunos tipos de soplete); soplete para soldadura TIG, puede poseer un interruptor de control desde el cual se comanda el suministro de gas inerte, el de agua y el de energía eléctrica, ver la fig. 3.0.

Fig. 3.0 Esquema de un sistema para soldadura TIG [Manual de Soldadura]

Para la mayoría de los materiales el proceso TIG convencionalmente ocupa corriente continúa con su electrodo conectado al polo negativo (CCEN) o CC Directa, ver fig. 3.1 (con esta polaridad no se remueve el oxido eficientemente, esto se discutirá más adelante), además en el terminal (+) se desarrolla el 70% del calor y en el negativo el 30% restante, es decir el grueso del calor es generado en el polo positivo y en el proceso TIG con CCEP o CC Inversa, el 70% del calor se desarrolla en el electrodo de Tungsteno, resultando en sobrecalentamiento y derretimiento del electrodo, ver fig. 3.2.

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Fig. 3.1 Ilustración de la polaridad directa

Fig. 3.2 Ilustración de la polaridad inversa

[Manual de Soldadura]

El arco es mantenido cuando los electrones son emitidos o evaporados desde la superficie del polo negativo (cátodo) y la corriente atraviesa la región caliente del gas eléctricamente cargado al polo positivo (ánodo) donde son absorbidos; cátodo y ánodo son términos eléctricos para los polos negativo y positivo, ver fig. 3.3.

Fig. 3.3 Se muestra al proceso TIG trabando con ambas polaridades [Welding Theory and Application]

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Cuando comienza el arco, el electrodo se calienta y emite electrones, los cuales son atraídos por el polo positivo, viajando a través de la abertura del arco y aumentando la temperatura de los átomos del gas protector, por las colisiones entre ellos; las colisiones de los electrones con los átomos y las moléculas producen una ionización termal de algunos de los átomos del gas protector. La carga positiva de los átomos del gas son atraídos por el electrodo negativo, donde su energía cinética (el movimiento) es convertido en calor, este calor mantiene al electrodo de Tungsteno lo suficientemente caliente para emitir electrones. La emisión de electrones desde la superficie del electrodo de Tungsteno (cátodo) es conocida como emisión térmica de iones; los iones positivos también atraviesan el arco, viajan desde el polo positivo o pieza de trabajo al polo negativo o electrodo. En general la CCEN es usada con todos los aceros dulces y CCEP son usados en la soldadura de metales no ferrosos tales como aluminio, bronce, monel y níquel. Para soldar de forma manual con TIG el aluminio normalmente se ocupa corriente alterna (CA), ver fig. 3.4, la cual tiene capacidad de penetrar con el arco del electrodo la película de óxido en el medio positivo del ciclo, el electrodo se enfría y la penetración del cordón de soldadura es en el medio negativo del ciclo en la onda sinusoidal de la CA, el arco se apaga y enciende cada medio ciclo ya que la corriente pasa a través de 0; sobre 50 Hz en una fuente de poder, se requiere que esto ocurra 100 veces por segundo, dos veces en cada ciclo de poder.

Fig. 3.4 Se muestra al proceso TIG trabajando con CA [Manual de Soldadura]

La humedad, el óxido, el sarro, etc., en la superficie de la plancha tienden a impedir parcialmente o completamente el flujo de corriente en la dirección de la polaridad inversa, esto es llamado rectificación.

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Para impedir que la rectificación ocurra, es una práctica común introducir en la corriente de la soldadura un alto voltaje y una alta frecuencia, ver la fig. 3.5. La corriente de alta frecuencia salta entre el espacio del electrodo y la pieza de trabajo, perforando la película de oxido, por consiguiente formando un camino para que la corriente de la soldadura lo siga, superponiendo el alto voltaje y la corriente de alta frecuencia en la corriente de la soldadura se logran las siguientes ventajas:
El arco puede comenzar sin tocar la pieza de trabajo con el electrodo.
Se obtiene mejor estabilidad del arco.
Un arco más largo es posible, esto es particularmente útil en operaciones de superficies duras y revestidas.
Los electrodos tienen una larga vida útil.
El uso de amplios rangos de corriente para distintos diámetros de electrodo.

Fig. 3.5 Se ve la soldadura aplicada en ambas polaridades de CC y CA estabilizada con alta frecuencia [Welding Theory and Application]

Para lograr un reinicio instantáneo del arco o mantener el arco encendido aun en tensión cero, se superpone la corriente de alta frecuencia AF (alto voltaje 9 - 15000 V), cruzando el intervalo del arco con una descarga continua; esto ioniza el gas en el intervalo, permitiendo al arco de la soldadura reiniciarse con el mínimo de retrazo, esto es particularmente importante en la mitad del ciclo de CCEP, ver fig. 3.6.

Fig. 3.6 Corriente de alta frecuencia y sus efectos en la corriente y el voltaje [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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El aluminio es un pobre emisor de electrones, esto quiere decir que es más difícil reiniciar el arco del electrodo positivo en la mitad del ciclo, si hubiera cualquier retraso en el reencendido, entonces hay menos flujo de corriente en la mitad positiva que en la mitad negativa del ciclo. Este es el término de rectificación parcial y eventualmente puede llegar a la rectificación total, donde la corriente no fluye en la mitad positiva del ciclo; el arco se pone inestable, la acción limpiadora se pierde y un componente directo de la corriente puede producir circuitos inducidos en la fuente de poder, provocando el sobrecalentamiento del transformador; esto es impedido en antiguas fuentes de poder, las cuales suministran una corriente opuesta desde acumuladores y en los equipos más modernos por la inserción de condensadores de bloqueo en el circuito de las fuentes de poder. La corriente de AF es operada continuamente cuando el arco arde en el proceso de CA; es importante saber que la corriente de AF puede recorrer otro equipo alrededor del arco y dañar seriamente los circuitos electrónicos, pudiendo causar mal funcionamiento y movimiento descontrolados de sistemas robóticos y maquinas de control numérico (CN), afectar el funcionamiento de teléfonos y redes de computadoras. Donde se usa corriente de AF se deben tomar precauciones para prevenir daños por la protección adecuada de equipos y circuitos electrónicos, quizás por el uso de una jaula de Faraday (enrejado metálico con el que se envuelve completamente un aparato eléctrico de precisión, para neutralizar los efectos de los campos eléctricos externos). La mayoría de los equipos modernos usan circuitos de estado sólido y son capaces de proveer una onda cuadrada de CA, en vez de la forma sinusoidal de los antiguos equipos. Estas fuentes de poder pueden ser ajustadas para variar la frecuencia de la onda y el balance de la corriente positiva y negativa, para acortar o extender el largo del tiempo transcurrido en la mitad negativo o positivo del ciclo. Las nuevas fuentes de poder inversoras de base proveen un alto grado de control con los electrodos negativos en el tiempo, capaces de ajustar desde 50% a 90% del ciclo. El incremento de la frecuencia resulta en un arco más enfocado, aumentando la penetración, permitiendo velocidades mayores de uso y reduciendo la distorsión; aumentar parte del electrodo negativo, el ciclo da similares resultados de incremento de penetración y rapidez, aunque los efectos de limpieza catódica se reducen; la onda cuadrada influencia más al electrodo positivo en la mitad del ciclo, reduciendo la penetración útil cuando se sueldan espesores delgados.

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Otra importante diferencia entre las viejas unidades y las fuentes de poder inversoras de base, es que el ciclo de la onda cuadrada pasa a través del punto cero de la corriente de soldadura mucho más rápido que en una onda sinusoidal; esto posibilita prescindir de la corriente de AF para la estabilización del arco, eliminando los riesgos de daños de equipos electrónicos sensibles, aunque la AF todavía será necesaria para iniciar el arco, de cualquier forma que permanece un pequeño riesgo. La falta de alta frecuencia continua también puede ser inestable en superficies muy limpias, delineadas o en el metal a soldar; invirtiendo la fuente de poder son capases de solucionar problemas que aparezcan cuando se usan dos arcos muy cerca. La corriente de la soldadura puede seguir el rastro de una fuente de poder a otra, dañando los circuitos; con los últimos equipos los dos arcos son acoplados. La fuente de poder de onda cuadrada tiene una mayor ventaja en la punta del Tungsteno, ej: si la boquilla del electrodo se fragmenta y contamina el charco de soldadura, esto se puede solucionar reduciendo la porción del electrodo positivo, disminuyendo el sobrecalentamiento que causa la punta del Tungsteno. La zona de la soldadura estará protegida por un gas inerte, evitando la formación de escoria o el uso de fundentes o “flux” protectores. El Helio fue el primer gas inerte utilizado en estos procesos, su función era crear una protección sobre el metal fundido y así evitar el efecto contaminante de la atmósfera (Oxígeno y Nitrógeno). Las características de un gas inerte desde un punto de vista químico es que no reacciona en el proceso de soldadura, de los cinco gases inertes existentes (Helio, Argón, Neón, Kriptón y Xenón), sólo resultan aptos para ser utilizados en esta aplicación el Argón y Helio. Para una misma longitud de arco, el Helio necesita un voltaje superior que el Argón para producir el arco; el Helio produce mayor temperatura que el Argón, por lo que resulta más efectivo en la soldadura de materiales de gran espesor, en particular metales como el cobre, el aluminio y sus aleaciones. El Argón se adapta mejor a la soldadura de metales de menor conductividad térmica y de poco espesor, en particular para posiciones de soldadura distintas a la plana. Cuanto más denso sea el gas, mejor será su resultado en las aplicaciones de soldadura con arco protegido por gas. El Argón es aproximadamente 10 veces más denso que el Helio, y un 30% más denso que el aire. En la actualidad el Helio ha sido reemplazado por el Argón, o por mezclas de Argón-Hidrógeno Argón-Helio. Ellos ayudan a mejorar la generación del arco eléctrico y las características de transferencia de metal durante la soldadura; favorecen la penetración, incrementan la temperatura producida, el ancho de la fusión, la velocidad de formación de soldadura reduciendo al socavado.

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Por otro lado estos gases proveen condiciones satisfactorias para la soldadura de la gran mayoría de los metales reactivos tales como aluminio, magnesio, berilio, columbio, tantalio y zirconio. Las mezclas de Argón-Hidrógeno o Helio-Hidrógeno sólo pueden ser usadas para la soldadura de unos pocos metales como por ejemplo algunos aceros inoxidables y aleaciones de níquel. En las uniones el metal se puede depositar de dos formas: 1.- por transferencia en forma de “spray” y 2.- por transferencia globular. La transferencia spray es la más indicada y deseada. Esta produce una deposición con gran penetración en el centro de la unión y decreciendo hacia los bordes. La transferencia globular produce una deposición más ancha y de menor penetración a lo largo de toda la soldadura. Por lo general, el Argón promueve a una mayor transferencia en spray que el Helio con valores de corriente menores; posee la ventaja de generar fácilmente el arco, genera un arco más estable y tiene una mejor acción de limpieza en la soldadura sobre aluminio y magnesio (trabajando con CA) con una resistencia mayor a la tracción, además deja la soldadura brillante y con una apariencia plateada, en la tabla Nº 4 se muestran parámetros sugeridos para soldadura con CA protegida con argón. Tabla Nº 4 sugiere parámetros para soldadura con CA protegida con argón: Espesores

Tipos de Unión

(mm) 0,8 1,2 1,5 1,5 2 2,5 2,5 3,2 3,2 5 5 6,5 6,5 8 10 10

A Tope A Tope A Tope De Filete A Tope A Tope De Filete A Tope De Filete A Tope De Filete A Tope en V De Filete A Tope en V A Tope en V De Filete

Abertura de Raíz (mm)

Corriente

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

55 100 130 100 160 170 140 180 175 250 240 320 290 340 350 370

Nº de Pasadas

Ø del Aporte (mm)

Velocidad Trabajo (mm /min.)

Ø de la Boquilla (mm)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2

1,6 2,4 2,4 2,4 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 4,8 4,8 4,8 4,8 4,8 6,4 6,4

300 400 470 250 380 300 250 300 300 200 250 150 250 165 180 250

9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 12,7 16

(A)

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Las condiciones mostradas en la tabla Nº 4 son para la posición plana. Una reducción de la corriente alrededor del 10% debieran ser parámetros aceptables para otras posiciones; los espesores están limitados para 10 mm., sobre estos el proceso TIG es raramente utilizado a causa de las consideraciones económicas.

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Las siguientes fotos muestran la soldadura ejecutadas con TIG-AC con argón: [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Foto Nº 1 Plancha de 3 mm., sin respaldo con una pasada en posición plana; se aprecia la gran penetración lograda.

Foto Nº 2 Plancha de 6 mm., sin respaldo, 2 pasada en posición plana; la raíz muestra una excesiva penetración, debido un excesivo amperaje o una velocidad de trabajo muy lenta.

Foto Nº 3 Plancha de 6 mm., 1 pasada en posición horizontal y vertical; se puede observar una soldadura de gran penetración en la plancha horizontal, en comparación a la vertical y una buena presentación.

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En la tabla Nº 5, se están los rangos de corrientes para distintos espesores:

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

El Helio incrementa el voltaje del arco con el efecto de constreñir el arco, incrementando la penetración pero haciendo más difícil la ignición del arco y afectando su estabilidad. Algunas de las modernas fuentes de poder son equipadas con una facilidad para comenzar la soldadura con Argón y una vez que se estableció el arco, se hace una conversión automática al Helio. Ha modo de comparación con el Argón se muestran, las siguientes fotos de las secciones transversales soldadas con protección de Helio, en condiciones comparativas con la protección de argón. Las fotos muestran la soldadura en acción de TIG-AC con helio: [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Foto Nº 4 Plancha de 3 mm., sin respaldo, 1 pasada en posición plan, se aprecia la exagerara penetración y deformación de la plancha, debido a un exagerado rango de corriente.

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Foto Nº 5 Plancha lancha de 6 mm., sin respaldo, 1 pasada en posición plana, se ve una penetración más aceptable y poca deformación en la plancha

Foto Nº 6 Plancha de 6 mm., 1 pasada en posición vertical, notándose una penetración exagerada en la plancha vertical, debido a la lenta velocidad de trabajo.

En general el argón es bueno en el inicio del arco, tiene buena acción limpiadora, buena estabilidad del arco; en relación con el helio, el cual aumenta la velocidad de trabajo, incrementa la penetración, disminuye la acción limpiadora y se dificulta el inicio del arco. Soldar aluminio con el electrodo conectado al polo negativo (TIG-CCEN) puede ejecutarse usando Helio como gas protector, esto da un arco de elevada temperatura incrementando la penetración comparada con TIG-CA, pero no tiene la acción limpiadora de oxido que el electrodo conectado al polo positivo; esto quiere decir que la limpieza de las piezas ha ser soldadas asumen una mayor importancia que cuando se usa CA.

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Está soldadura significa un gran aporte de calor y una mayor penetración, lo que implica una mayor velocidad de trabajo a usarse y un mayor rango de espesores puede soldarse que con TIG - CA, aunque la alta velocidad de trabajo significa que el proceso es raramente usado en un contexto manual, pero se usa casi completamente mecanizado; en particular el mayor ancho y una penetración más profunda en los cordones de la soldadura de filete comparada con la protección con Argón, ver la tabla Nº 6. Tabla Nº 6 parámetros para la soldadura con CCEN protegida con Helio: Espesores

Tipos de Unión

(mm) 0,8 1 1,5 2,4 2,4 3,2 3,2 6,3 6,3 10 10 12,5 12,5 20 25,5

A Tope A Tope A Tope A Tope De Filete A Tope De Filete A Tope De Filete A Tope en V De Filete A Tope en V De Filete Doble bisel Doble bisel

Abertura de Raíz/Lado (mm)

Corriente

Voltaje

(A)

(V)

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0/6 0 0/6 0 0/5 0/0

20 26 45 80 130 120 180 250 255 285 290 310 315 300 360

20 20 20 17 14 17 14 14 14 14 14 14 16 17 19

Nº de Pasadas

Ø del Aporte (mm)

Velocidad de Trabajo (mm / min.)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 5

1,2 1,6 1,6 2,4 2,4 3,2 3,2 4,8 4,8 4,8 6,3 4,8 6,3 4,8 6,3

420 420 480 300 540 480 480 180 360 150 180 120 180 120 60

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Nota Nº 1: El tamaño de la boquilla cerámica debe ser de 12,7 mm. Nota Nº 2: Los parámetros mostrados son para posición plana en soldadura a tope y posición horizontal para soldadura de filete. Distinto al CA donde se prefieren los electrodos de Zirconio, los mejores electrodos para la soldadura con CCEN es mezcla de Tungsteno con Thorio, el cual permite un fácil comienzo del arco, manteniendo la forma alargada de la punta, resultando en menos chisporroteo del Tungsteno. El Helio es más caro que el Argón (algo así como 5 o 6 veces más) y provee muy poca o nada de acción limpiadora. Ciertamente, en algunas circunstancias, el uso del Helio puede resultar en depósitos de hollín en las zonas afectadas por el calor, esto se remueve normalmente por la escobilla de alambre aunque esto puede costar un poco de trabajo, por esta razón el Helio 100% puro es raramente usado en la soldadura manual CA.

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La mezcla de Argón y Helio mejora el acuñado y la estabilidad del arco, la velocidad de avance y penetración pueden ser menores que con el Helio puro, pero mayor que con el Argón; es posible controlar el cordón y su penetración variando la cantidad de Argón en la mezcla, como ejemplo en Chile se distribuye 3 tipos de mezclas llamadas Indurtig. 1. Indurtig Al 5: Mezcla de 70% Argón y 30% Helio, recomendada para soldaduras de aluminio y cobre en espesores de hasta 5 mm. 2. Indurtig Al 10: Mezcla de 50% Argón y 50% Helio, recomendada para soldaduras de aluminio y cobre en espesores de hasta 10 mm. 3. Indurtig Al 20: Mezcla de 30% Argón y 70% Helio, recomendada para soldaduras de aluminio y cobre en espesores superiores a 10 mm. Las fuentes de poder deben controlar la provisión del pre y post-flujo del gas protector. Un pre-flujo es usado para purgar las mangueras y proteger la boquilla y el electrodo cuando el arco sea establecido y el post-flujo mantiene el flujo del gas cuando la soldadura termina, también proteger el charco de soldadura y el electrodo de la oxidación cuando se enfrían. La velocidad del flujo es importante para asegurar la adecuada protección del gas; los medidores de flujo del tipo de bobina a menudo son usados junto al regulador para controlar el flujo. Es bueno validar las lecturas del medidor, adhiriendo un medidor de flujo al gas protector para monitorizando el flujo, como se muestra en la figura Nº 3.7.

Fig. 3.7 Regulador para gases inertes con flujometro [Welding Theory and Application]

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Además existen una amplia variedad de sopletes disponibles para soldar, desde los 10 a 450 A, el valor de las propiedades depende esencialmente de los espesores de los metales a ser soldados, la mayoría de los sopletes son provistos de controles en la agarradera del soplete; los sopletes normalmente se enfrían por aire, sobre los 200 A son enfriados por agua, la cual puede usarse para enfriar los cables de energía, permitiendo a estos ser más livianos y más flexibles, ver la fig. Nº 3.8.

Fig. 3.8 Soplete de uso mediano con su equipamiento [Handboock of Mold, Tool and Die Repair Welding] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Cuerpo del Soplete Base de la Juntura Collar de 1,6 y 2,4 mm. Cuerpo del Collar de 1,6 y 2,4 mm. Boquilla Extra Larga para Adaptar el Cuerpo del Collar Boquilla Larga para Adaptar el Cuerpo del Collar Boquilla Estándar para Adaptar el Cuerpo del Collar Lente del Gas de 1,6 y 2,4 mm. Boquilla Estándar para Adaptar el Lente del Gas Boquilla Larga para Adaptar el Lente del Gas Tungsteno de 1,6 y 2,4 mm. Thorio para Acero y Cobre Zirconio para Aluminio y sus Aleaciones

El collar del soplete cumple la finalidad de sujetar el electrodo de Tungsteno y transmitirle la corriente eléctrica; los hay de diferentes tamaños, y se usará el más apropiado al tamaño del electrodo seleccionado. Las boquillas o toberas cumplen con dos funciones: la de dirigir el gas inerte sobre la zona de la soldadura, y la de proteger al electrodo. Las boquillas pueden ser de dos materiales diferentes: de cerámica y de metal, aunque las de cerámicas son las más populares; sin embargo estas se dañan con mayor facilidad que las de metal.

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Las boquillas de cerámica son utilizadas en los sopletes con enfriamiento por aire, mientras que las metálicas son las utilizadas en los sopletes con enfriamiento por agua, en la tabla Nº 7 donde se muestran tamaños de boquillas.

En la tabla Nº 7 se dan los tamaños de las boquillas de cerámica y metal en función de la velocidad del flujo del gas protector: Espesor del Material mm.

Ø de la Boquilla mm.

Bajo 1 De 1 a 3 De 3 a 5 De 5 a 9 De 9 a 12 De 12 en adelante

9,5 9,5 12,5 12,5 16 25

Velocidad del Flujo del Gas Protector Argón Helio l /min. l /min. 3,4 4,5 5,6 7 8 12

7,5 9,5 11,8 14,2 16,5 21

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Se recomienda que un dispositivo conocido como lente del gas sea adaptado al soplete, este dispositivo es una malla circular insertada en el soplete, la cual ayuda en proveer una mayor eficiencia, laminado el flujo del gas con una mejor cobertura, ver la fig. 3.9.

Fig. 3.9 Flujo laminar usando el Lente del Gas [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Existen varios tipos de electrodos disponibles para soldar con TIG, esto incluye Tungsteno puro y Tungsteno aleado con Thorio (ThO2) o Zirconio (ZrO2), estos componentes son adheridos para mejorar las características de ignición del arco, estabilizarlo y extender su vida, ya que el punto de fusión es sobre los 3800 °C.

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Recientemente ha habido una tendencia al uso de otros materiales, tales como cesio, cerio o lantano; los cuales extienden la vida del electrodo y reduce los riesgos de radiación emanados durante la pulverización del Thorio contenido en el electrodo. El electrodo de Zirconio son preferidos para la soldadura CA, pues este tiene un mayor punto de fusión que el Tungsteno puro y que la aleación con Thorio, por esto pueden transportar corrientes más altas para la soldadura, son más resistentes a la contaminación y tienen menos posibilidad de fragmentarse, ver tablas Nº 8, Nº 9.

En la tabla Nº 8 se clasifican e identifican por un color la composición de los electrodos: Clasificación AWS

Tipo de Tungsteno

Identificación

EWP

Puro

Punto Verde

EWCe-2

1,8% a 2,2% Cerio (Ce02)

Punto Naranja

EWLa-1

0,9% a 1,2% Lantano (La203)

Punto Negro

EWLa-1.5

1,3% a 1,7% Lantano (La203)

Punto Dorado

EWLa-2

1,8% a 2,2% Lantano (La203)

Punto Azul

EWTh-1

0,8% a 1,2% Thorio (ThO2)

Punto Amarillo

EWTh-2

1,7% a 2,2% Thorio (ThO2)

Punto Rojo

EWZr-1

0,15% a 0,4% Circonio (Zr02)

Punto Café

EWG

Especificar

Punto Gris

Comentario Proveen buena estabilidad del arco para soldadura con CA. Razonable resistencia a la contaminación. Capacidad para transportar corriente baja; es menos costoso; mantiene la en forma de bola. Similar desempeño al tungsteno toreado. Fácil inicio del arco, buena estabilidad del arco, larga vida de trabajo. Similar desempeño al tungsteno toreado. Fácil inicio del arco, buena estabilidad del arco, larga vida de trabajo, capacidad para alta corriente. Similar desempeño al tungsteno toreado. Fácil inicio del arco, buena estabilidad del arco, larga vida de trabajo, capacidad para alta corriente. Similar desempeño al tungsteno toreado. Fácil inicio del arco, buena estabilidad del arco, larga vida de trabajo, capacidad para alta corriente. Fácil inicio del arco, capacidad para alta corriente, gran estabilidad del arco. Alta resistencia a la contaminación del charco de la soldadura; difícil para mantener la terminación en forma de bola. Fácil inicio del arco, capacidad para alta corriente, gran estabilidad del arco. Alta resistencia a la contaminación del charco de la soldadura; difícil para mantener la terminación en forma de bola. Excelente para soldar con CA debido a la favorable retención de la forma de bola, alta resistencia a la contaminación y un buen inicio del arco. Es preferido cuando la contaminación del tungsteno es intolerable. Contiene una combinación de óxidos.

[Tig Handbook]

En la tabla Nº 9 se recomiendan el tipo de corriente, electrodo de tungsteno y gas protector para soldar aluminio: Espesor

Tipo de Corriente

Electrodo

Gas Protector

Todos

AC

Puro o Zirconio

Argón o Argón-Helio

Todos

AC con onda cuadrada avanzada

Lantano, Circonio Toreado

Argón o Argón-Helio

Sobre 6,35 mm.

CC EN

Lantano, Circonio Toreado

100% Helio

[Tig Handbook]

Diámetros más utilizados: 1.6 mm (1/16"), 2.4 mm (3/32"), 3.2 mm (1/8"); largos standard: 3" y 7".

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Los electrodos originalmente no poseen forma. Antes de ser usados se les debe dar forma mediante mecanizado, desbaste o fundido. Los formatos pueden ser tres: en punta, media caña y bola, ver fig. Nº 4.0.

Fig. 4.0 Muestra los distintos tipos de formas de los electrodos [Manual de Soldadura]

La punta del electrodo asume una forma semiesférica durante la soldadura, es importante que esta forma se mantenga para que la estabilidad del arco se logre, la punta debe ser ligeramente afilada para asistir en la formación de la punta redondeada como se ilustra en la fig. 4.1.

Fig. Nº 4.1 Forma recomendada para electrodo de Tungsteno para soldar aluminio [The Welding of Aluminium and its Alloys]

La punta del electrodo debe ser afilada en un ángulo de 45° y en su extremo se desbasta la punta en plano, cerca de la mitad del diámetro del electrodo. Una punta alargada terminada en mucho filo puede dar como resultado turbulencia en el gas protector, soldando de forma defectuosa. Un electrodo demasiado pequeño para la corriente inducirá un sobre calentamiento y posiblemente derretimiento, resultando en una contaminación del Tungsteno con el charco de la soldadura; ahora un electrodo demasiado grande para la corriente resultara en problemas de estabilidad del arco y en un ancho desmedido del charco de soldadura. Los electrodos no deben proyectarse fuera de la boquilla más de 6 mm., aunque esto puede extenderse hasta los 10 mm., si un lente del gas es adaptado a la boquilla. Esta extensión puede ser útil si el acceso es restringido a causa de la contaminación de los componentes de la boquilla, ver la fig. 4.2.

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Fig. 4.2 Detalle de la longitud del electrodo [Handboock of Mold, Tool and Die Repair Welding]

Antes de comenzar con la producción de la soldadura es recomendado que se precaliente el electrodo formando un arco en una pieza pequeña de aluminio, esto permite que se forme la punta redonda y al soldador le permite inspeccionar que el electrodo funciona correctamente, permitiendo al arco dominar los componentes de producción con facilidad; si la punta viene contaminada o si se daña en cualquiera forma debería ser re esmerilado y re formado como se muestra más arriba. Las varillas de Aluminio para los procesos de soldadura con gas inerte (TIG), han sido sometidas a un proceso de limpieza especial, que permite que sean empleadas con éxito como metal de aporte. Las varillas son envasadas en cajas de 2,5 Kgs., fabricadas en las siguientes medidas; diámetro: 1/16"- 3/32"- 1/8"- 5/32"- 3/16"- 1/4" largo: 36", ver la tabla Nº 10. La tabla Nº 10 muestran como Indura comercializa sus productos y sus aplicaciones.

[Open House]

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Cabe señalar que los procesos con TIG pueden ser automáticos o mecanizados los que tienen un sin fin de beneficios, estos incluyen la habilidad para usar una rápida velocidad de trabajo, resultando en menores distorsiones y estrechas zonas afectadas por el calor; mejores y mayores parámetros de control permiten soldar materiales muy delgados, esto es una gran consistencia en la calidad de la soldadura y es posible emplear operarios con menor grado de habilidad y agilidad que la requerida en el proceso manual. Como siempre existen algunas desventajas no menores para el uso de la mecanización, las que son necesarias para proporcionar una instalación fija, para soldar con mayor precisión y constancia que las que son requeridas por el soldador manual. Las precisas uniones ajustadas y alineadas son cruciales para lograr consistentemente una alta calidad de la soldadura; los calibres y aditamentos necesitan ser capases de mantener los componentes y los procesos de la soldadura dentro de la tolerancia.

2.6

SOLDADURA M.I.G.

Este es el proceso conocido como Metal en Gas Inerte M.I.G. (siglas en inglés Metal Inert Gas), que hoy en día tiene nomenclatura AWS y que también es conocida como G.M.A.W. (siglas en inglés para Gas Metal Arc Welding). Este es un proceso de soldadura por arco que usa un alambre (electrodo continuo); tanto el electrodo, el metal de aporte, el arco y el charco de soldadura son protegidos por un gas inerte. Esto ofrece como ventaja, altas velocidades de soldadura, con pequeñas zonas afectadas por el calor en comparación con la soldadura TIG, una excelente remoción de la película de oxido durante la soldadura y una capacidad de soldadura en toda posición. Este tipo de soldadura sea perfeccionado incluyendo sus procesos de aplicación, entre los cuales esta el uso de gases activos del blindaje, en particular el CO2, para soldar ciertos metales ferrosos; en algunos casos se utilizan electrodos desnudos con protección gaseosa y en otros casos se utilizan electrodos con fundentes, similares a los utilizados en los procesos de arco protegido convencionalmente y como otra alternativa, electrodos huecos con núcleo fundente. Para algunos procesos particulares, se pueden combinar el uso de electrodos con fundente (recubierto o hueco) a la vez con gas. Por estas razones la soldadura MIG es el proceso manual más ampliamente usado para la unión de aluminio.

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El proceso MIG se usa ya sea con equipos semiautomáticos o automáticos y es aplicado en alta producción de soldadura; la mayoría de los metales pueden ser soldados con este proceso y es aplicado en toda posición con las variaciones energéticas que implica. La soldadura MIG es un proceso económico que requiere poco o ninguna limpieza del depósito de la soldadura en la producción. Raramente, con el sistema MIG, es necesario detener el proceso de soldadura como ocurre con el sistema de arco protegido y TIG. El sistema MIG posee cualidades importantes al soldar aceros, entre las que sobresalen:  El arco siempre es observado por el operador.  La pistola y los cables de soldadura son ligeros, haciendo muy fácil su manipulación.  Es uno de los sistemas de soldadura más versátiles que se encuentran disponibles hoy en día.  La rapidez del depósito.  Su alto rendimiento.  La posibilidad de automatización.

En algunos casos por ejemplo la soldadura de aluminio, puede ser preferible acoplar la fuente de poder con la velocidad constante de la unidad alimentadora del alambre. Esta combinación proveerá sólo un pequeño grado de autorregulación automática, además podría exigir mucho al mecanismo para soldadura semiautomática. Sin embargo, algunos usuarios piensan que esta combinación permite un rango de control sobre la energía del arco que se considerada importante en hacerle frente a la alta conductividad térmica del metal base (aluminio). En la soldadura MIG, las gotas de metal fundido son transferidas a través del arco, desde un alambre-electrodo; para un diámetro dado del electrodo (d), con una protección gaseosa, la cantidad de corriente determina el tamaño de las gotas (D) y el número de ellas que son separadas desde el electrodo por unidad de tiempo; en la fig.4.3 se muestran los ejemplos de la variación del amperaje. En A: Son valores bajos de amperaje, las gotas crecen a un diámetro que es varias veces el diámetro del electrodo antes de que éstas se separen. La velocidad de transferencia con poco amperaje es sólo de varias gotas por segundo. En B: Son valores intermedios de amperaje, el tamaño de las gotas separadas decrece rápidamente a un tamaño que es igual o menor que el diámetro del electrodo, y la velocidad de separación aumenta a varios cientos por segundo.

40

En C: Son valores altos de amperaje, la velocidad de separación aumenta a medida que se incrementa la corriente, las gotas son bastante pequeñas.

Fig. 4.3 Variación del amperaje y su influencia en las gotas de soldadura [Open House]

Estas características son descritas de mejor forma con cinco tipos básicos de transferencias, las cuales pueden ocurrir con el proceso. Los tres tradicionales modos de transferencias son por inmersión o cortocircuito, globular y spray o rocío, además el desarrollo tecnológico fomento mejoras considerables en fuentes de poder, dando paso a dos elevados modos de transferencia los que son el pulso spray y por tensión superficial [Surface Tension Transfer (STT)]. Si bien estas fuentes de poder son más caras, las ventajas para el usuario en múltiples aplicaciones justifican el costo adicional. La transferencia física del metal de la soldadura se entiende y se describe en la figura, la fuerza sujetadora es responsable por desprender el metal derretido desde el electrodo y propulsando a través del arco al metal base. Esta momentánea caricia de la porción liquida del electrodo es el resultado del flujo de corriente, la fuerza electromagnética son producidas y controladas por la cantidad de corriente fluyendo a través del electrodo de trabajo, en la fig. 4.4 se aprecia lo indicado.

41

Fig. 4.4 Transferencia del metal descrita por la ecuación de Northrup [MIG/MAG Welding Guide]

Transferencia Spray Axial (gas protector con un mínimo de 80% de Argón en acero inoxidables y metales no ferrosos como el aluminio): En este modo, la transferencia del metal atraviesa el arco a alta velocidad en forma de gotitas de un tamaño igual o menor que el diámetro del electrodo. La fuerza electromagnética es lo bastante fuerte para expulsar las gotas desde la punta del electrodo, direccionadas axialmente en línea recta al charco de la soldadura, sin importar la dirección en la cual el electrodo este apuntando, el arco es muy suave y estable; el resultado de esto es poca salpicadura (perlillas de soldadura) y un cordón de superficie relativamente liso. La energía del arco (plasma) es desplegada con un patrón en forma cónica; esto resulta en una buena característica de baño en las extremidades del cordón, pero produce una penetración relativamente baja. La penetración es mayor que la obtenida por el arco manual (SMAW), pero menor que la que se puede obtener de la energía con el modo de transferencia globular. El modo de transferencia spray es establecido con un mínimo nivel de corriente, para cualquier diámetro de electrodo dado (densidad de corriente); este nivel de corriente es generalmente llamado “corriente de transición”, en la fig. 4.5 se muestra la zona de transición de la corriente de transición para varios diámetros de electrodos de aluminio.

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Fig. 4.5 Curva de trabajo del electrodo de aluminio en al proceso MIG [MIG/MAG Welding Guide]

Una buena definición de corriente de transición existe solo con un gas protector que contenga un mínimo de 80% de Argón; bajo los niveles de la corriente de transición las magnitudes de caída se incrementan (mayores que el diámetro del electrodo), las características del arco son muy inestables en estos rangos de operación. Transferencia Globular (gas protector con CO2 o Helio en aceros dulces de espesores mayores a 12,7 mm. [½”] donde se requiere gran penetración): En este modo, el metal se transfiere en gotas de gran tamaño. La separación de las gotas ocurre cuando el peso de estas excede la tensión superficial que tiende a sujetarlas en la punta del electrodo. La fuerza electromagnética que actuaría en una dirección para separar la gota, es pequeña en relación a la fuerza de gravedad en el rango de transferencia globular (sobre 250 Amps.); la transferencia del metal atraviesa el arco en forma de glóbulos irregulares aleatoriamente direccionados a través de este, dando como resultando una cantidad considerable de salpicadura; la salpicadura es minimizada cuando se usa protección de CO2 ajustando las condiciones de la soldadura a fin de que la punta del electrodo este bajo la superficie del metal derretido en la soldadura y dentro de la cavidad generada por la fuerza del arco. El arco con CO2 es generalmente inestable en su naturaleza y se caracteriza por un sonido de chisporroteo, presenta un cordón de apariencia rugosa en la superficie (efecto de onda), en comparación con el cordón obtenido en la transferencia spray.

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Puesto que la mayor parte de la energía del arco es dirigida hacia abajo y debajo de la superficie del metal derretido en la soldadura, el contorno del cordón exhibe penetración sumamente profunda con una acción “de bañado” en las extremidades de este, las cuales son menores que la obtenido en el modo de transferencia spray. La estabilidad relativa del arco con CO2 puede ser establecida con altos niveles de corriente usando un arco enterrado. Cuando la mezcla de gas enriquecida con Helio es usada, el ancho cordón es producido con una profunda penetración similar al del Argón, pero con una presentación más bonita; la transferencia spray y globular están asociadas básicamente con la elevada energía del arco (con excepciones ocasionales del modo spray en pequeños diámetros de los electrodos), ambos transferencias globular y spray están normalmente limitadas para posiciones de soldadura plana y horizontal, en materiales de espesores no menores de 3,2 mm (1/8”). En la transferencia pulso spray, la cual los niveles promedio de energía se reducen, es otra excepción. Transferencia por Corto Circuito (gas protector es Ar, CO2 o Indurmig [ArCO2]): Este modo es de baja energía, el metal no es transferido libremente a través del arco, sino que se deposita, cuando la punta del electrodo toca el metal base. Los cortocircuitos producidos por el contacto del electrodo con el baño fundido, ocurre con mucha regularidad, hasta 200 o más veces por segundo. El resultado final es un arco muy estable usando baja energía (inferior a 250 Amps.) y de bajo calor. El bajo calor reduce a un mínimo la distorsión, deformaciones del metal y otros efectos metalúrgicos perjudiciales; las características de la fuente de poder controlan la relación entre la intermitente estabilidad del arco y el corto circuito del electrodo en la pieza de trabajo, lo que se aprecia en la fig. 4.6.

Fig. 4.6 Esquema de la energía eléctrica en el arco [MIG/MAG Welding Guide]

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Puesto que el calor aportado es poco, la penetración de la soldadura es muy baja, el cuidado debe ser ejercitado en una técnica para asegurar buena fusión en secciones pesadas; sin embargo, estas características permiten soldadura en toda posición. La transferencia de corto circuito es particularmente adaptable para soldar secciones de espesores delgados. Transferencia por Pulso Spray (GMAW-P): La transferencia pulso spray es una variación de la transferencia spray, donde la fuente de poder rápidamente pulsa entre el pico de la corriente y su seno, por un periodo fijo de tiempo; ver fig. 4.7.

Fig. 4.7 Curva volt-ampere para la corriente por pulso [MIG/MAG Welding Guide]

Al hacer eso, se tiene un gran control de la transferencia del metal, puesto que este pulso spray es capaz de soldar en toda posición con mayores niveles de energía en comparación al cortocircuito, reduciendo los riesgos deformaciones por enfriamiento; además de mejora la estabilidad del arco con mayores velocidades del alambre. La mayoría de las fuentes de poder capaces de soldar con pulsos, operaran con unidades controladoras de corriente en vez de voltaje constantes; estos procesadores de gran velocidad controlan el sistema inversor y son capaces de alternar el pico y el seno sobre los 40 khz. Esta mayor velocidad de alternación controla la transferencia del metal mientras la baja velocidad del ciclo muestrea el voltaje para controlar la longitud del arco; la naturaleza adaptable de la fuente de poder es más compasiva con el contacto de la boquilla para variados trabajos. Transferencia por Tensión Superficial (STT): Es una corriente controladora del proceso de transferencia por corto circuito; existen dos grandes diferencias entre la transferencia por tensión superficial y por cortocircuito, las que son: la corriente de la soldadura está basada en los requerimientos instantáneos del arco; la velocidad del alambre y la corriente son independientes uno del otro.

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La corriente es siempre controlada de una manera lógica, basada en que porción del ciclo de cortocircuito estará siendo realizado; justo antes que el alambre haga cortocircuito en la pieza de trabajo (T1 – T2) y previo a la separación del metal derretido desde el alambre (T3 – T5) la corriente es reducida para minimizar la salpicadura. La corriente alta es necesaria para coparse bajo el alambre (T2 – T3) o reiniciar el arco, reestablecer la correcta longitud de este y promover una buena fusión (T5 – T6); durante el resto del ciclo la corriente es delicadamente reducida (T6 – T7) y sustenta un optimo nivel controlando el aporte global de calor para la soldadura, lo indicado se aprecia en la fig. 4.8.

Fig. 4.8 Curva volt-ampere para la corriente por pulso [MIG/MAG Welding Guide]

La transferencia por tensión superficial y por corto circuito son procesos relativamente de poca energía, limitados por el espesor del material, el cual no debe ser mayor de 3,2 mm (1/8“), pero son usados en todas las posiciones de soldadura. El proceso MIG puede ser usado ya sea con un equipo semiautomático o automático; ver la fig. 4.9, para esto la instalación mínima de equipamiento es: 

Una pistola soldadora



Un motor alimentador y un engranaje asociado o un conductor para el alambre



Un control para la soldadura



Una fuente de poder para soldar (Maquina)



Un regulador para el suministro del gas protector



Un suministro de electrodo



Una interconexión de cables y mangueras

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Fig. 4.9 Muestra a los componentes, actuando en armonía los que conforman el sistema semiautomático [MIG/MAG Welding Guide]

La pistola soldadora es usada para introducir el electrodo y el gas protector en la zona a soldar, además de transmitir el poder eléctrico al electrodo, en el dibujo se muestra el cuello de una pistola semiautomática enfriada por aire, ver fig. 5.0.

Fig. 5.0 Típica pistola semiautomática enfriada por aire [MIG/MAG Welding Guide]

Diferentes tipos de pistolas han sido diseñadas para proveer un máximo de eficiencia a pesar de las aplicaciones, extendiéndose desde funciones con elevadas corrientes en producciones de alto rendimiento a pistolas livianas para bajas corrientes, pueden ser enfriadas con agua o aire, con boquillas rectas o curvas, para ambos tipos de trabajos (livianos y pesados).

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Las pistolas enfriadas con aire operan hasta los 600 Ampers, con un reducido ciclo de trabajo, la misma capacidad de corriente está disponible para operar continuamente con una pistola enfriada con agua; la fig. 5.1 muestra una pistola típica:

Fig. 5.1 Muestra una pistola típica para soldadora [The Welding of Aluminium and its Alloys]

La punta de contacto generalmente está hecha de aleación de cobre, la cual es usada para transmitir el poder de la maquina al electrodo y dirigirlo hacia la pieza de trabajo; la punta de contacto es conectada eléctricamente a la maquina soldadora por el cable de alimentación; el interior de la punta de contacto es de suma importancia, ya que el electrodo debe fluir fácilmente a través de ella, además de hacer un buen contacto eléctrico, ver la fig. 5.2.

Fig. 5.2 Muestra detalladamente la punta de contacto [Manual de Soldadura]

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La boquilla dirige una columna de de gas protector que fluye de forma pareja a la zona de la soldadura, este flujo constante es extremadamente importante en proveer una adecuada protección del metal fundido de la contaminación atmosférica; diferentes tamaños de boquillas están disponibles y deben ser intercambiadas de acuerdo a la aplicación; por ejemplo las mayores boquilla para corrientes altas operan donde el charco de soldadura es mayor y las boquillas más pequeñas para corrientes bajas y soldadura por corto circuito. El conductor y el revestimiento del electrodo, están conectados en línea con el rollo del alambre en la unidad alimentadora; a su vez soportan, protegen y dirigen el alambre desde el rollo a la pistola y la punta de contacto; el abastecimiento ininterrumpido del alambre es necesario para asegurar la estabilidad del arco, se debe impedir que se doble y que retroceda el electrodo ya que este tiende a atorarse en cualquier parte entre la rueda propulsora y la punta de contacto, en caso de que no sean correctamente soportados. El revestimiento puede ser una parte integral del conductor

o suministrada separadamente, en cualquier caso el material del

revestimiento y su diámetro interior son importantes; un revestimiento de acero es recomendado cuando se usa electrodos de materiales duros tales como el acero y el cobre, mientras que el revestimiento de nailon es usado para electrodos de materiales blandos tales como el aluminio y el magnesio. Se debe tener cuidado para no doblar o corrugar excesivamente el conductor, aun cuando la superficie exterior es usualmente soportada de acero. Los accesorios restantes traen el gas protector, el agua de enfriamiento (si lo requiere) y el poder para la pistola soldadora, las mangueras y cables pueden ser conectados directamente a estas instalaciones o para el control de la soldadura. La pistola básica usa un alimentador del alambre el que empuja al electrodo desde una posición remoto a través del conductor, una distancia típica de 3,7 m. (12 pies), estas son conocidas como de alimentación externa y donde están las de empuje y las de tracción. En las de empuje, el electrodo es empujado desde el alimentador y la pistola solo posiciona al mismo a través de sus sistemas de guiado interno, dentro de la misma. En las de tracción, varían respecto a las de anteriores en que el avance del electrodo se logra por el traccionamiento de un mecanismo interno en la pistola. Otros diseño es de alimentación interna, el principio de funcionamiento es similar al de las pistolas por tracción, con la salvedad de que el electrodo continuo se encuentra dentro de la misma carcaza de la pistola. Este tipo de mecanismo resulta de utilidad para soldar en lugares reducidos en los que no se puede trasladar todo el equipo, ver la fig. 5.3.

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Fig. 5.3 Ilustración de los tipos de pistolas para soldadura MIG [Manual de Soldadura]

Los alimentadores del alambre provee la manera de conducir al electrodo a través de la pistola a la zona de trabajo; los alimentadores semiautomáticos de velocidad constante, con un estado sólido libres de problemas en los controles electrónicos, dando una puesta en marcha controlada, una compresión automática a las fluctuaciones de voltaje y una respuesta instantánea al arrastre del alambre. Esto resulta en un arco limpio, minimizando los saltos y las salpicaduras, manteniendo el alambre estable al alimentar la soldadura; los componentes están totalmente contenidos dentro de la caja del alimentador, para una mayor protección de la suciedad y del deterioro del tiempo, contribuyendo en un bajo mantenimiento y en una prolongada vida útil, ver fig. 5.4.

Fig. 5.4 Unidad propulsora de alambre para soldadura MIG de cuatro ruedas [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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Una amplia gama de alimentadores que están disponibles en el mercado, los cuales cuentan con características especiales, tales como medidores digitales y la capacidad para interactuar directamente con un controlador robótico. Dentro de las características especiales se encuentra el control de la soldadura, cuya función principal es regular la velocidad del motor alimentador del alambre, usualmente a través de un gobernador electrónico en el control. La velocidad del motor es manualmente ajustada para proveer velocidades variables de alimentación del alambre, la cual con un suministro de voltaje constante, resultará en diferentes corrientes de soldadura; el control también regula el inicio y detención del electrodo, a través de una señal recibida desde el interruptor de la pistola. El gas protector, el agua y el poder para soldar son usualmente entregados en la pistola, requiriendo conexión directa a través del control a estás instalaciones y al suministro de poder. El agua y el gas son regulados para coincidir con el comienzo y la detención de la soldadura por el uso de un solenoide, el control además puede sincronizar el inicio y detención del flujo del gas, la salida del suministro de energía, además permite el flujo del gas antes de comenzar con la soldadura (pre-flujo), así como el post flujo, para proteger el charco de soldadura derretido. Por otra parte el sistema requiere un regulador de gas, para proveer una presión y flujo constante del gas protector durante la soldadura; estos reducen la presión del gas, para generar una presión constante en el trabajo a pesar de las variaciones en la fuente. Los reguladores pueden ser de etapa simple o dual y puede tener un contador de flujo (flujometro) incorporado; los reguladores de etapa dual entregan una presión más constante que los de una etapa. Las fuentes de gas protector pueden ser cilindros de alta presión, un cilindro llenado con líquidos o un sistema de liquido a granel, las mezclas de gases también están disponibles en los cilindros; la combinación de dispositivos son usados para obtener una correcta proporción cuando dos o más gases o fuentes líquidas son usados. Los tamaños y tipos de almacenamientos de los gases, son usualmente determinados por consideraciones económicas, basadas en la proporción de metros cúbicos usados por mes. Las maquinas soldadoras entregas el poder eléctrico al electrodo y a la pieza de trabajo para producir el arco, la gran mayoría de la aplicaciones MIG se usa corriente continua con el polo positivo (CCEP), es decir el polo positivo debe ir a la pistola y el polo negativo a la pieza de trabajo (tierra). La mayoría de los tipos fuentes de poder de corriente continua son maquinas generadoras (rotativas), transformador rectificador (estáticos) e inversas.

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Fuente de poder: inversa pueden ser usadas en pequeñas extensiones y modos de transferencia de alto nivel, las cuales generalmente requieren cambios más rápidos en la corriente de salida; las rectificadoras son usualmente preferidas para talleres de reparación y fabricación donde se dispone de poder eléctrico; las maquinas generadoras son usadas cuando no hay otra fuente de poder eléctrico como en el campo. El arco del proceso MIG requiere de una fuente de poder que provea corriente directa y con una adecuada relación establecida entre la corriente de la soldadura y el voltaje, esta relación se conoce como Fuente de Poder con Características Dinámicas. Con lo mencionado anteriormente el proceso MIG usa un alambre alimentado continuamente y para la mayoría de las operaciones de soldadura es importante que la velocidad con que el alambre se quema en el arco sea proporcional a la velocidad del alambre; un fracaso para lograr esto puede resultar en un arco inestable y una calidad variable de la soldadura. Para obtener este control muchas fuentes de poder para soldadura MIG son diseñadas con una característica de voltaje plano o constante, la importancia de esta característica se vuelve aparente cuando empieza la soldadura manual, el soldador no puede mantener invariable la longitud del arco (una vacilante mano o acomodarse durante el trabajo) denota la variación de la longitud del arco y esto a su vez causa la variación del voltaje de este. Cuando esto ocurre con una fuente de poder con característica fija, un pequeño incremento en la longitud del arco resulta en un incremento del voltaje, produciéndose una gran caída en el arco de la corriente. Con el incremento de las aplicaciones de los procesos MIG, se encuentra con maquinas de corriente constante que proveen beneficios operacionales, particularmente en materiales ferrosos; estas maquinas usadas en conjunto con un alimentador constante de alambre, mantienen un voltaje constante durante el proceso de soldadura. La principal razón para seleccionar la maquina de voltaje constante es la auto-corrección de la longitud del arco, inherente en estos sistemas, además de compensar las variaciones de contacto de la punta con la pieza de trabajo, la que ocurre automáticamente en el suministro de corriente durante la soldadura, por el aumento o disminución del voltaje para mantener la longitud del arco. Ajustando el voltaje de salida la longitud del arco se selecciona por lo que el porcentaje del alambre fundido es determinado por la corriente que también decrece. La unidad alimentadora del alambre además se convierte en el control de corriente, es preprogramada por el soldador u operario antes de comenzar a soldar, puede variarse en un rango considerable después de comenzar, estos ajustes son muy fáciles de hacer.

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A medida que la punta de contacto aumenta su distancia, el voltaje de la soldadura y la longitud del arco también se incrementan, la corriente de la soldadura disminuye, como se muestra en el dibujo de las características voltaje-amperio. Esto también decrece la velocidad de fusión del electrodo, ya que el electrodo es ahora alimentado más rápido y se quema completamente, luego el arco regresa a la longitud más corta programada; lo opuesto ocurriría por una disminución en la distancia de la punta de contacto. Los grandes cambios en la corriente y la velocidad de fusión asociadas con el voltaje constante (VC) puede ser ventajosos, particularmente con los electrodos ferrosos; el suministro de corriente constante (CC) es muy lento para lograr este tipo de corrección como la ∆A, pues cualquier ∆V es demasiado pequeña. Si un dispositivo de alimentación constante de alambre se usa con una fuente de (CC), la baja conducción del material del electrodo tiene una tendencia a fragmentarse en la pieza de trabajo o a regresar el calor a la punta de contacto. La propiedad de auto corrección del arco en la fuente de poder de (VC), es importante para producir las condiciones de una soldadura estable, pero hay ajustes adicionales, necesarios para producir las mejores situaciones posibles, estas son particularmente importantes para la soldadura por corto circuito. El voltaje del arco es el potencial entre el electrodo y la pieza de trabajo, este voltaje no puede ser directamente leído en el suministro de poder, porque otra caída de voltaje (tensión) existe a través del sistema de la soldadura; la inclinación de la curva en el gráfico es el gradiente, ver la fig. 5.5.

Fig. 5.5 El gradiente puede ser calculado por los determinantes ∆V y ∆A [MIG/MAG Welding Guide]

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Como ejemplo, si el voltaje del circuito abierto es de 48 volts y la condición de la soldadura es de 28 volts y 200 ampres, entonces la ∆V es de 10 volts y la ∆A es de 100 amperes, el gradiente es 10 volts por cada 100 ampres; la corriente en cortocircuito es una función del gradiente, ver la fig. 5.6.

Fig. 5.6 Efecto del cambio de pendiente [MIG/MAG Welding Guide]

Cualquier cosa que agregue resistencia al sistema de la soldadura, incrementa el gradiente y esto aumenta la caída de tensión en una corriente dada en la soldadura; los cables de poder, las conexiones pobres, los terminales sueltos, los contactos sucios, etc., acrecientan el gradiente. Aunque el amperaje y el voltaje operativo de estas dos fuentes de poder son idénticos, la corriente en corto circuito de la curva A es menor que la de la curva B, la curva A tiene un gradiente más pronunciado o con una mayor caída de tensión por cada 100 amperes, comparado con la curva B. Cuando se alcanza el máximo de la corriente en cortocircuito, entra en un valor de salpicadura, ver la tabla Nº 11.

Tabla Nº 11 muestra la máxima de la corriente en cortocircuito para la transferencia con la mejor estabilidad del arco: Diámetro del

Electrodo

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

Pulg. 0,03 0,035 0,03 0,035

Material de Electrodo Acero al carbono Acero al carbono Aluminio Aluminio

Corriente en Corto Circuito Amperes (CCEP) 300 320 175 195

[MIG/MAG Welding Guide]

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El inverso de la fuente de poder plana, es la fuente de poder con característica inclinada o con gradiente, este diseño de fuente de poder es usado generalmente en la soldadura manual o TIG, pero también tiene algunas ventajas cuando se suelda aluminio con el sistema MIG. Con la fuente de poder con característica inclinada un gran cambio en el voltaje del arco resulta en un pequeño cambio en la corriente de la soldadura, el aporte de calor es por consiguientemente constante, a diferencia del arco con características de la fuente de poder plana, dando una mayor consistencia a la penetración. El problema con la característica inclinada de la fuente de poder, es cuando se ocupa para soldadura manual con procedimiento MIG, la cual requiere de una mayor habilidad por parte del soldador. Mientras cambia la carga en una fuente de poder, la corriente toma un tiempo limitado para lograr este nuevo nivel, la característica primordialmente responsable en este intervalo es la inductancia; esta variable de la fuente de poder está usualmente medida en Henrys. Los efectos de la inductancia son ilustrados en la fig. 5.7.

Fig. 5.7 Cambio en la velocidad del incremento en la corriente, debida al agregar inductancia [MIG/MAG Welding Guide]

En la función A se muestra una curva de corriente-tiempo, a medida que la corriente se eleva desde cero a su altura final cuando una cantidad de inductancia se agrega, en esta curva se hace un índice exponencial del incremento de la corriente. La curva B muestra la trayectoria de la corriente que habría tomado si no hubiera inductancia en el circuito. Durante la transferencia por cortocircuito y spray, la velocidad con que la fuente de poder responde a los cambios en la longitud del arco es determinada por la inductancia en el circuito de la soldadura, esto controla el porcentaje de caída o subida de la corriente y puede tener un efecto significativo en la calidad de la soldadura.

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Poca inductancia permite a la corriente de la soldadura elevarse extremadamente rápido, dando lugar a una excesiva salpicadura y a socavación tras el paso de la punta del alambre en contacto; por otro lado una inductancia demasiado elevada, significa que el alambre no se derrite suficientemente rápido y la punta puede escudarse en el charco de la soldadura o es empujada a través del paso de la raíz para proyectarse en ella. Por esto, es esencial que la fuente de poder se ajuste con la correcta cantidad de inductancia cuando por ejemplo se cambie el diámetro o la velocidad del alambre. En el proceso MIG, la separación y caída del electrodo derretido se controla por un fenómeno eléctrico llamado “efecto sujetador”, es una fuerza que constriñe un conductor debido a la corriente fluyendo a través de ella, su máximo exponente es la corriente en cortocircuito, ver la fig. 5.8.

Fig. 5.8 Muestra como actúa efecto pinza en un electrodo durante la soldadura en cortocircuito [MIG/MAG Welding Guide]

Como se observó anteriormente, estos niveles de corriente son determinados por el diseño de la fuente de poder, la tasa de aumento del efecto sujetador se controla por la velocidad de subida de la corriente, la cual es determinada por la inductancia del suministro de poder; si el efecto sujetador es aplicado rápidamente, la gota de material fundido será violentamente comprimida cerca del electrodo y causará salpicadura. La mayor inductancia disminuirá el número de metal transferido por segundo en cortocircuito y aumentará el arco en el tiempo, este incremento del arco en el tiempo hace el charco de soldadura más fluido, resultando en un cordón más suave y plano; si la inductancia deciente ocurre lo contrario.

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En la soldadura por transferencia spray, agregar algo de inductancia a la fuente de alimentación producirá un inicio más suave, más apto, sin reducir la cantidad final de corriente disponible; demasiada inductancia resultaría en un electrodo alejado en el inicio (a menos que un circuito especial sea construido en el alimentador). Un mínimo de salpicadura se realiza cuando existe un correcto aumento y una adecuada proporción de corriente, los ajustes requeridos en la fuente de poder para una mínima condición de salpicadura varían con el material y tamaño del electrodo. Por regla general, ambas cantidades, inductancia y corriente en cortocircuito se necesitan para el ideal efecto sujetador, estas se aumentan como se aumente el diámetro del electrodo, ver la tabla Nº 12.

La tabla Nº 12 muestra los ajustes en el control del efecto sujetador Mínimo Efecto Sujetador Inductancia Máxima

Máximo Efecto Sujetador Inductancia Mínima

1.- Mayor Penetración

1.- Usada solo para Estabilizar el Arco cuando la Soldadura Abre Boquetes 2.- Algo más de Soldadura Convexa 3.- Incremento en la Salpicadura 4.- El Arco de menor temperatura

2.- Mayor Fluidez del Charco 3.- Soldadura más Plana 4.- Depósito más Suave [MIG/MAG Welding Guide]

Además de la soldadura manual, es muy común encontrarse con equipos de soldadura automática, los cuales son usados eficientemente cuando se puede traer las piezas a soldar a una estación de trabajo o cuando una gran cantidad de soldadura se debe hacer. La calidad y producción de la soldadura se puede aumentar considerablemente, ya que el recorrido del arco es controlado automáticamente y la posición de la boquilla se mantiene más segura.

Básicamente todos los equipos son idénticos en sus necesidades para conformar la estación semiautomática, excepto por los siguientes cambios:


La boquilla o pistola soldadora se encuentra montada directamente debajo de la unidad alimentadora. El conductor del electrodo, el mango ergonómico y el interruptor de la pistola no se usan.
El control de la soldadura es montado separadamente de la unidad alimentadora y se utiliza un control remoto.

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Además, son necesarios para proveer un arco automático o trayectoria de trabajo y un posicionamiento de la boquilla; ver la fig. 5.9, como ejemplo de estos equipos son:


Biga de movimiento con un motor controlador.
Motor de transporte.
Posicionador o manipulador.
Sistema de control numérico o robótico.

Fig. 5.9 Aquí se muestra un equipo de soldadura automática [MIG/MAG Welding Guide]

Cuando el equipo soldador se mueve, el carro montado al costado de la viga debe ser paralelo a la costura de la soldadura; el motor alimentador del alambre, el suministro del alambre, el control de la soldadura y el control de velocidad de movimiento son usualmente montados en el carro. El motor transportador proporciona movimiento al carro y la velocidad del movimiento es ajustada a través de la conexión al control remoto. Otro tipo de equipos pueden ser usados para el movimiento automático, estos incluyen vigas especiales, carros montados en guías o rieles, posicionadores e instalaciones fijas especialmente construidas; el control de la soldadura regula el inicio y detención del movimiento y lo coordina con el inicio y detención de la soldadura. Ahora por definición del proceso MIG la unión del metal es producida calentándolos con un arco establecido entre un electrodo consumible continuo y la pieza de trabajo, el gas protector y el electrodo consumible son dos requerimientos esenciales de este proceso.

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La mayoría de los metales exhiben una fuerte tendencia a combinarse con el Oxigeno (para formar oxido) y en menor magnitud con Nitrógeno (para formar nitratos de metal), el oxigeno también reaccionará con el carbón para formar monóxido de carbono; todos estos productos reactivos son una fuente de soldadura deficiente en forma de: 

Defectos de fusión debido al oxido.



Perdida de resistencia debido a la porosidad, al oxido y a los nitratos.



El metal de la soldadura se pone quebradizo debido a la disolución del oxido y los nitratos. Estas reacciones se forman con facilidad, puesto que la atmósfera esta

compuesta alrededor de un 80% de nitrógeno y un 20% de oxigeno; la función primordial del gas protector es excluir la atmósfera circundante de contacto con el metal derretido de la soldadura. El gas protector, también tiene un profundo efecto sobre los aspectos de la soldadura y su resultado, estando presente en la:  Característica del arco.  Modo de transferencia del metal.  Penetración y el contorno del cordón de soldadura.  Velocidad de la soldadura.  Tendencia a la socavación.  Acción limpiadora.

Los gases protectores como el Argón y Helio, son gases inertes; estos gases y su mezcla son necesariamente usados en la soldadura de metales no ferrosos y también ampliamente usada en soldadura en acero inoxidable y aceros de baja aleación. Las diferencias básicas entre el Argón y el Helio son:
Densidad.
Conductividad térmica.
Características del arco. Para soldar aluminio el gas usado es el Argón, el cual se ocupa en la forma manual y en algunas soldaduras automáticas, siendo sustancialmente más barato que el Helio y produce un arco suave y estable, dando un cordón ancho y una penetración como un dedo, dando una sección transversal como una forma de hongo. El Argón sin embargo, da un aporte mínimo de calor inicial, por lo cual la velocidad de la soldadura es lenta, pudiéndose generan defectos por la falta de fusión y porosidad en secciones gruesas, además del riesgo por depósitos de hollín negro en la superficie de la soldadura (el cual se puede remover con una escobilla del mismo metal base).

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El Helio incrementa el voltaje del arco en un 20% comparado con el Argón, resultando en un arco mucho más caliente, incrementando la penetración y el ancho del cordón, el cual requiere menos posiciones críticas del arco careciendo de los defectos típicos de la penetración; el incremento del calor también permite lograr velocidades elevadas en la soldadura (tres veces más rápido en una unión de similares características hecha con Argón). El Helio, sin embargo es caro y da un arco menos estable que Argón, por consiguiente encuentra su máximo uso en aplicaciones de soldadura mecanizadas y automatizadas. La densidad del Argón es aproximadamente 1,4 y el Helio 0,14 veces más pesado que el aire, es decir el Helio es más liviano que el Argón. Mientras más pesado el gas, más efectivo es cualquier porcentaje de flujo dado para proteger y cubrir el área de la soldadura en posición plana (bajo la mano); es por eso que el Helio requiere aproximadamente dos o tres veces mayor velocidad del flujo que el Argón, para proveer la misma protección efectiva. El Helio posee una conductividad térmica mayor que la del Argón y también produce un arco de plasma en el cual la energía del arco es más uniformemente disipada; el arco de plasma con Argón es caracterizado por una energía muy alta en su interior y una capa exterior de menor energía calórica, esta diferencia afecta fuertemente al contorno del cordón de soldadura. El arco con Helio produce un profundo, ancho y parabólico cordón de soldadura y el arco de Argón produce un contorno del cordón más a menudo caracterizado por un patrón pupilar de penetración, del tipo tetilla; cualquier velocidad dada al dispositivo alimentador del alambre, el voltaje del arco con Argón será considerablemente menor que el arco con Helio, como consecuencia habría menos cambios en el voltaje con respecto a los cambios en el largo del arco y una tendencia de mayor estabilidad para el arco con Argón que para el con Helio. El arco con Argón (incluyendo mezclas con un punto de 80% de Argón) generara una transferencia en spray axial con niveles de corriente por encima de la corriente de transición; el arco con Helio produce una transferencia del metal con grandes gotas en rangos normales de operación, es por esto que el arco con Helio produce un gran nivel de salpicadura y una pobre apariencia del cordón de soldadura, comparada con el arco con Argón. El Argón es más fácilmente ionizado, además de facilitar la iniciación del arco y proveer una mayor acción limpiadora en la superficie, cuando se usa con polaridad inversa (EP).

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La protección con Argón puro es usada en muchas aplicaciones para soldar materiales no ferrosos, el uso de Helio puro está generalmente restringido para zonas especializadas por su limitada estabilidad del arco, sin embargo las características deseadas del contorno en la soldadura (profundidad, anchura y parábola) producidas por el arco con Helio, son muy a menudo el objetivo en usar una mezcla de gas protector con Argón y Helio; los resultados son un contorno mejorado del cordón de soldadura además de la provechosa transferencia del metal por spray característica del Argón. En la soldadura manual y algunas aplicaciones mecanizadas la mezcla de Argón y Helio dan buenos resultados con características intermedias entre los dos gases. Estas mezclas son útiles en materiales gruesos, puesto que estas incrementan el aporte de calor y proveen una tolerancia mayor de parámetros en la soldadura que el Argón puro, también mejora la productividad permitiendo mayores velocidades de trabajo, la combinación más popular es de 50% y 75% de Helio en Argón. Los gases protectores deben tener una pureza mínima de 99,998% y un bajo nivel de humedad, idealmente un punto de roció menor que -50°C, sin olvidar que esto debe suceder en la pistola y no a la salida del regulador del cilindro. En la transferencia por corto circuito la mezcla de Argón-Helio es con 60% a 90% de Helio para elevar la temperatura introducida en el metal base para mejorar las características de la fusión; para algunos aceros de baja aleación inoxidables se añade Helio en vez de CO2, por que el Helio no produce reacciones en la soldadura del metal, la cual afecta negativamente a las propiedades mecánicas de los depósitos. El Argón y hasta cierto punto el Helio puro, producen excelentes resultados en soldaduras de metales no ferrosos, sin embargo estos gases protectores en su forma pura no producen las características funcionales más satisfactorias para soldar materiales ferrosos (el arco tiene una tendencia errática acompañado de salpicadura con el Helio y muestra una marcada habilidad a socavar la soldadura con el Argón), agregando al Argón desde el 1% al 5% de Oxigeno o desde el 3% al 10% de CO2 (como máximo el 25% de CO2), se produce una mejoría notable. Las cantidades optimas de Oxigeno o de CO2 son usadas en función de las condiciones de la superficie (medida de fabricación) del metal base, geometría de la unión, posición o técnica de la soldadura y composición del metal base, generalmente el 3% de Oxigeno o 9% de CO2 son considerados un buen ajuste para cubrir un amplio rango de estas variables; adicionar CO2 al Argón tiende a realzar el cordón de la soldadura, produciendo más definido el contorno en forma de pera.

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El dióxido de carbono CO2 es un gas reactivo siendo adecuado sólo como escudo protector en el proceso MIG para soldar aceros de baja aleación de carbono, la gran velocidad de la soldadura, la penetración de las uniones y su bajo costo, son características esenciales que han promovido un amplio uso como escudo protector al CO2. La protección del CO2 puede ser ocupada en la transferencia por corto circuito y en la transferencia globular, por otro lado la transferencia spray es una protección característica del Argón y no puede ser conseguida con el CO2; en la transferencia globular es bastante tosco y produce un elevado nivel de salpicadura, esto requiere que las condiciones de soldadura deban ser relativamente de bajo voltaje para proveer un corto arco enterrado ( la punta del electrodo esta actualmente bajo la superficie del trabajo) en orden a minimizar la salpicadura.

La tabla Nº 13 muestra los gases protectores y su mezcla para MIG: GAS PROTECTOR Argón

COMPORTAMIENTO APLICACIONES TÍPICAS QUÍMICO Inerte Virtualmente en todos los metales excepto el acero.

Helio

Inerte

Ar + 20~80% He

Inerte

Nitrógeno

Aluminio, Magnesio y aleaciones de Cobre, para mayor aporte calórico y minimizar la porosidad. Aluminio, Magnesio y aleaciones de Cobre, para mayor aporte calórico y minimizar la porosidad. (mejora la acción del arco con Helio puro) Gran aporte de calor en el cobre.

Ar + 25~30% N2

Gran aporte de calor en el cobre, mejora la acción del arco en relación al Nitrógeno puro.

Ar + 1~2% O2

Ligeramente Oxidante

Inoxidables y aleaciones de aceros; algunas aleaciones desoxidadas de Cobre.

Ar + 3~5% O2

Oxidante

Acero al carbono y algunos aceros de baja aleación.

CO2

Oxidante

Acero al carbono y algunos aceros de baja aleación.

Ar + 20~50% CO2

Oxidante

Varios acero, principalmente en modo Cortocircuito.

Ar + 10% CO2 + 5% O2

Oxidante

Varios tipos de aceros.

CO2 + 20% O2

Oxidante

Varios tipos de aceros.

90% He + 7,5% Ar + 2,5% CO2

Ligeramente Oxidante

60~70% He + 25~35% Ar + 4~5% CO2

Oxidante

Aceros inoxidables para buena resistencia a la corrosión, se ocupa en modo Cortocircuito. Aceros de baja aleación en dureza, se ocupa en modo Cortocircuito.

[MIG/MAG Welding Guide]

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La tabla Nº 14 muestra la selección de gases con transferencia Spray: METAL

GAS PROTECTOR Argón

Aluminio

35% Ar + 65% He

25% Ar + 75% He

VENTAJAS De 0 a 25 mm. de espesor, mejor transferencia metálica, estabilidad del arco y menor salpicaduras. De 25 a 76 mm. de espesor, mayor aporte de calor que el Argón, las mejoradas características de fusión con las series 5XXX de aleaciones de Al-Mg. Sobre los 76 mm. de espesor, mayor aporte de calor, minimizando la porosidad.

[MIG/MAG Welding Guide]

La tabla Nº 15 muestra la selección de gases con transferencia en Cortocircuito: METAL

GAS PROTECTOR

Aluminio, Cobre, Magnesio, Níquel y sus aleaciones

Argón Argón + Helio

VENTAJAS Satisfactorio en laminas delgadas de metal Preferentemente en espesores sobre 3,2 mm.

[MIG/MAG Welding Guide]

Posteriormente se debe tener en cuenta la selección de los electrodos, para producir un depósito de soldadura con objetivo básico: Un depósitos estrictamente adecuado a las propiedades mecánicas y características



físicas del metal base. Un buen depósito de soldadura, libre de discontinuidades.



Hay que hacer notar en el primer objetivo que aun cuando la composición de la soldadura sea idéntica al metal base, poseerá características metalúrgicas únicas; es por eso que el objetivo de la soldadura es producir una composición del depósito teniendo propiedades iguales o mejores que las del metal base; por otra parte en el segundo objetivo es lograr generalmente a través del electrodo o metal de aporte formulado para producir un depósito libre de defectos. La composición básica del metal de aporte es diseñada para ser compatible con uno o más de las siguientes características del metal base: 

Química



Resistencia



Ductilidad



Fuerza Una consideración alternativa o adicional puede ser dada por otras propiedades

tales como la corrosión, respuesta de tratamiento térmico, la resistencia al desgaste, color equivalente, etc., sin embargo todas estas consideraciones son secundarias, para la compatibilidad metalúrgica del metal base y el metal de aporte.

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La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) establece especificaciones para los diversos metales de aporte y los detalla en una guía, de donde se desprende la siguiente tabla Nº 16.

La tabla Nº 16 muestra las recomendaciones para el metal de aporte: Tipo de Metal Base

ELECTRODO Tipo de Material

1100 Aluminio 3003, 3004 y sus 5052, 5454 aleaciones 5083, 5086, 5456 6061, 6063

RECOMENDADO Clasificación del Electrodo ER1100 or ER4043 ER1100 or ER5356 ER5554, ER5356, or ER5183 ER5556 or ER5356 ER4043 or ER5356

Metal de Aporte Ø de Electrodo AWS mm. in.

A 5,10

0.8 1.2 1.6 2.4 3.2

0,03 3/64 1/16 3/32 1/8

Rango de Corriente Amperes 50-175 90-250 160-350 225-400 350-475

[MIG/MAG Welding Guide]

Los electrodos además deben asegurar cierta demanda del proceso relacionadas con la estabilidad del arco, funcionamiento de la transferencia del metal y características de la solidificación. La selección de los electrodos debe basarse principalmente en corresponder las características químicas y las propiedades mecánicas del metal base (ver la tabla anterior), posteriormente se deben considerar los equipos que se utilizarán, el tamaño de la soldadura (velocidad del deposito utilizado), inventario existente de los electrodos y los sistemas de manejo del material; el tamaño del embalaje del electrodo debería ser compatible con el equipo manipulador (el tamaño del embalaje debe ser determinado por la evaluación de costos, la cual considera el volumen de producción), variación del tiempo versus variación del espacio, costo del inventario y sistema de manipulación de materiales. El diámetro del electrodo debe ser escogido para un ajuste óptimo de los requerimientos en el tamaño y la velocidad del depósito de la soldadura que se usará, en general es económicamente ventajoso el uso de un diámetro lo más grande posible. La velocidad del depósito es definida actualmente como la cantidad de metal depositado por unidad de tiempo (generalmente en términos de kilogramos (libras) por hora), esto es necesariamente para balancear la velocidad de depósito con la velocidad de avance, puesto que el ajuste correcto logra una óptima velocidad de depósito en la uniones diseñadas; esto es particularmente importante en soldadura semiautomática cuando la calidad de la soldadura depende de la capacidad física del movimiento del soldador, los siguientes factores afectan esta relación de balance:



Tamaño de la soldadura



Diseño de las uniones a soldar

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Número de pasadas de soldadura



Limitaciones físicas del soldador (en soldadura semiautomática), para retener el dominio del charco de soldadura, a medida que la velocidad de avance es incrementada para proteger el metal de la soldadura de invadir el arco. Esta limitación puede ser alrededor de los 0,6 m/min. (25 in/min.), auque en muchas instancias la velocidad de trabajo puede alcanzar los 3,8 m/min. (150 in/min.). En general, las altas velocidades de trabajo se logran cuando la dimensión de la soldadura es muy pequeña, el largo es muy corto, la soldadura es en línea recta o cuando la apariencia optima no es un factor.

Ahora para determinar la óptima velocidad del depósito en las aplicaciones, se debe establecer la corriente relacionada a la soldadura y la velocidad del dispositivo alimentador para que el alambre sobresalga lo justo; en una aplicación practica, la velocidad del depósito es más apropiadamente determinada, mantenida y reproducida por medio de la velocidad del dispositivo alimentador del electrodo, en vez del valor de la corriente de la soldadura. El voltaje de la soldadura (relacionado a la correcta longitud del arco) es establecido para mantener la estabilidad del arco en la velocidad escogida del alimentador o el nivel de la corriente de la soldadura para minimizar la salpicadura. La variación de la salida del electrodo (stick out) resulta en un cambio en la característica eléctrica del sistema balanceado determinado por la resistividad de la longitud del electrodo entre la punta de contacto y el arco, ver la fig. 6.0.

Fig. 6.0 Salida del electrodo (stick out) [MIG/MAG Welding Guide]

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En esencia, como la distancia de trabajo a la punta de contacto se incrementa, los efectos de calor de I2R aumentan, así decrecerán los requerimientos de corriente (I) en la soldadora para derretir el electrodo (en efecto, aumenta la velocidad de depósito para un nivel de corriente dado); inversamente, como la distancia de trabajo a la punta de contacto decrece, los efectos de I2R disminuyen, de tal manera aumenta los requerimientos de la corriente para la soldadura para una velocidad dada del dispositivo alimentador del alambre (de hecho, decrece la velocidad de depósito para un nivel de corriente dado). Este punto enfatiza la importancia de mantener la boquilla en una correcta distancia de la punta de contacto en la pistola soldadora, así como también la importancia de mantener buenas técnicas de soldadura a través de la adecuada posición de la pistola. En las fig. 6.1 y 6.2 se ilustra la información básica para establecer la relación de la velocidad del depósito con la velocidad del dispositivo alimentador del alambre, la distinción debe hacerse entre la velocidad de fusión (velocidad de derretimiento del electrodo) y la velocidad de deposición (velocidad real del metal depositado). Las dos no son lo mismo, debido al arco y a la pérdida de salpicadura, pero se relacionan por la eficiencia de la transferencia del arco, también se nota que la relación entre la velocidad del dispositivo alimentador y la corriente de la soldadura pueden ser variada por la extensión o salida del alambre (stick out).

Fig. 6.1 Velocidad de fusión para el electrodo de aluminio [MIG/MAG Welding Guide]

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Fig. 6.2 Corriente de la soldadura v/s la velocidad de alimentación del alambre, para electrodos de aluminio ER5356 [MIG/MAG Welding Guide]

2.7

OTROS PROCESOS DE SOLDADURA.

Mientras que la soldadura MIG y TIG se consideran como las más frecuentemente usadas para las uniones de aluminio y sus aleaciones, hay un gran número de otros procesos que son igualmente útiles y son regularmente utilizados, aunque quizá en aplicaciones más especializadas que los convencionales procesos de fusión de soldadura. Algunos de estos procesos se discutirán a continuación:

SOLDADURA POR ARCO CON PLASMA (Plasma Arc Welding [PAW]). La soldadura por arco de plasma es un proceso en el cual la unión de los metales se produce calentando con un arco constreñido entre el electrodo y la pieza de trabajo (transferencia por arco) o el electrodo y la boquilla estranguladora (sin transferencia por arco), la protección es obtenida desde un gas caliente ionizado emitido desde los orificios de la boquilla, el cual puede ser suplementado por una fuente auxiliar de gas protector, el gas protector puede ser un gas inerte o una mezcla, además puede o no usar metal de aporte, la fig. 6.3 muestra este proceso.

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Fig. 6.3 Diagrama del proceso de soldadura por arco con plasma [MIG/MAG Welding Guide]

El soplete soldador es similar en apariencia al soplete TIG pero más complejo, todos los sopletes son enfriados por agua, aun en rangos bajos de corriente, este ocupa un electrodo de tungsteno con 2% de thorio similar al usado en el proceso TIG. El soplete es diseñado para conectarse a una consola de control en lugar de una fuente de poder ya que la consola incluye una para el arco piloto, además de un sistema temporizador de retraso para transferir del arco piloto hacia la transferencia por arco, las válvulas de gas y de agua y un flujometro separador del gas protector y del plasma, tiene una unidad de alta frecuencia que inicia el arco, una fuente de poder para el piloto sin transferencia, un circuito protector del soplete y un amperímetro. Una unidad alimentadora puede usarse para soldaduras automáticas o mecanizadas. El proceso de soldar con arco de plasma es normalmente comparado con el proceso TIG, un arco eléctrico entre el electrodo de tungsteno y la pieza de trabajo es constreñido transversalmente y su temperatura aumenta porque transporta la misma cantidad de corriente, este arco constreñido se llama plasma o el cuarto estado de la materia. Dos modalidades de manipulación son:  Sin transferencia por arco  Transferencia por arco.

En el modo sin transferencia, el flujo de corriente es del electrodo dentro del soplete hacia la boquilla contenedora y luego de regreso a la fuente de poder, esto sirve para atomizar el plasma o para generar calor en elementos no metálicos.

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En el modo transferencia, la corriente es transferida desde el electrodo de tungsteno en el interior del soplete soldador a través de los orificios a la pieza de trabajo y de regreso a la fuente de poder, es este proceso el usado para soldar. La diferencia entre estos dos modos de operación se muestra en la fig. 6.4 y se compara con el proceso TIG.

Fig. 6.4 Arco de plasma con transferencia y sin transferencia [MIG/MAG Welding Guide]

La ventaja de la soldadura de arco con plasma comparada con el proceso TIG es que tiene una mayor concentración de energía, ya que su alta temperatura, su área trasversal constreñida y la velocidad del chorro de plasma crean un gran calor concentrado; otra ventaja se basa en el tipo columnar rígido del arco o la forma del plasma, lo cual no da una llamarada como la del TIG, estos dos factores provee las siguientes ventajas:  La distancia desde el arco con plasma a la pieza de trabajo es menos crítica que con el proceso TIG, esto es importante cuando se opera en forma manual ya que da al soldador mayor libertad para observar y controlar la soldadura.  La alta temperatura y el alto calor concentrado del plasma permite una penetración completa en una pasada, en esta operación la zona afectada por el calor y la forma de la soldadura son más atractivas, además de que las zonas calentadas son más pequeñas que con el TIG y la soldadura tiende a tener más lados paralelos reduciendo la distorsión angular.  El alto calor concentrado y el chorro de plasma permiten una gran velocidad de trabajo, el arco con plasma es más estable; la mayor variedad de uniones de alineadas es con el arco con plasma, esto es importante cuando se hace soldadura de raíz en cañerías y en un lado de la unión; este proceso tiene una capacidad de gran penetración y produce una estrecho cordón.

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Algunos de los mayores usos de la soldadura con plasma son en la manufactura de cañerías hechas de aceros inoxidable, titanio y otros metales, basada en la rápida velocidad de trabajo comparada con el TIG.; la mayoría de las aplicaciones de la soldadura son en rangos de baja corriente, alrededor de los 100 amperes o menos, permitiendo trabajar en materiales de espesores muy delgados. Este proceso es usado para hacer trabajos parecidos a la soldadura con rayo eléctrico (electron beam welding), pero con un costo de equipo muy inferior; este proceso se ocupa generalmente en aplicación en forma manual, aunque también puede ocuparse en forma automática y mecánica, pudiendo ocuparse en toda posición de trabajo. Las limitaciones principales del proceso tienen que ver con el equipo y su aparataje, el soplete es más delicado y complicado que el soplete TIG, aun el soplete más pequeño tienen que ser enfriado por agua, la punta del tungsteno y la alineación de los orificios en la boquilla es extremadamente importante y deben mantenerse dentro de límites muy juntos, los niveles de corriente no pueden ser excedidos sin dañar la punta, las paredes de enfriamiento para el agua son relativamente pequeñas y es por esta razón se debe filtrar y desionizar del agua, esto se recomienda para baja corriente y pequeños sopletes. La consola de control suma otras piezas y equipamiento al sistema, lo cual lo hace más caro y requiere un alto nivel de mantenimiento.

SOLDADURA LÁSER (Laser Beam Welding [LBW]). La soldadura por láser es un proceso que une materiales con el calor obtenido de la aplicación de un concentrado rayo de luz, actuando sobre la superficie a unir. El rayo láser enfocado tiene la concentración más alta de energía que cualquier fuente de poder conocida, este láser es una fuente de energía electromagnética o de luz que puede ser emitida sin divergencias y puede concentrarse en un punto preciso. La consistente luz emitida por el láser puede ser enfocada y reflectada en la misma forma que un rayo de luz; el tamaño del dispositivo enfocador se controla por la elección del lente y la distancia de este al metal base. El láser puede ser comparado con un rayo de luz solar para soldar, este puede ser enfocado y diseccionado por lentes ópticos y espejos especiales, puede operar a una distancia consistente de la pieza de trabajo. Cuando se usa el láser para soldar la radiación electromagnética choca en el metal base con tal concentración de energía que la temperatura de la superficie del metal se vaporiza, fundiendo el metal base.

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La distancia desde la cavidad óptica al metal base tiene poco efecto en el láser ya que este es consistente y muy poco divergente, dirigiéndolo a un lugar preciso del trabajo con la misma cantidad de energía disponible, ya sea que este cerca o lejos. Con la soldadura láser el metal fundiendo toma una configuración radial de forma similar a la soldadura al arco; en algunas aplicaciones se usa un gas inerte para proteger el metal fundiendo de la atmósfera. El vapor de metal que ocurre puede causar un desajuste del gas protector y crear plasma en la región, alrededor de la luz de gran intensidad justo por encima de la superficie del metal, el plasma absorbe energía del láser y realmente puede bloquear el rayo y puede reducir la fusión, el uso dirigido de un chorro de gas inerte cerca de la superficie del metal elimina la acumulación del plasma y protege la superficie de la atmósfera. La soldadura láser tiene un tremendo diferencial de temperatura entre el metal derretido y el metal base inmediatamente adyacente a la soldadura, las velocidades de calentamiento y enfriamiento son muy superiores en la soldadura láser y las zonas afectadas por el calor son muy pequeñas. En el trabajo empírico con la soldadura láser indican que los normales factores de control de la soldadura tiene, un máximo de penetración cuando el rayo es focalizado ligeramente debajo de la superficie y la penetración es menor cuando el rayo es enfocado en la superficie o muy profundamente, si el poder se aumenta la penetración será más profunda. El láser ha sido usado para soldar acero carbono, aceros de alta resistencia y baja aleación, aluminio, acero inoxidable y titanio; progresivamente se ha incorporado en la industria automotriz y aeroespacial para soldar un cierto rango de materiales, en la soldadura del aluminio y sus aleaciones. La longitud de onda del láser afecta el acoplamiento (absorción de la energía del rayo por el metal siendo cortado o soldado), con el incremento de la longitud de onda se vuelve pobre y esto es un problema en particular con el aluminio y sus aleaciones. La longitud de onda de un láser de CO2 es de 10,6 µm. y el láser de estado sólido Nd-YAG es de 1,06 µm., es por eso que satisface mejor la soldadura de aluminio, el desarrollo del trabajo ejecutado en su mayor parte para la industria automotriz, también fueron de ayuda, minimizando estos problemas al mejorar el enfoque del rayo con ambos tipos de láser, ver la fig. 6.5. Una de las primeras aplicaciones para este desarrollo fue el Audi A2 que tiene 30 metros de soldadura láser en su carrocería, el principal motivo de mejorar la soldadura ha sido la capacidad para lograr potencia de gran densidad, por encima de los 40 kW/mm2 en ambos láser (CO2 y sólido).

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Fig. 6.5 Láser soldando una plancha y el detalle de su funcionamiento [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Como el proceso la soldadura láser ofrece la ventaja de una concentrada fuente de calor de elevada energía, la profunda penetración de la soldadura produce estrechas zonas afectadas por el calor, minimizando las deformaciones y la perdida de resistencia o precipitando el endurecimiento de la aleación reduciendo el bajo punto de ebullición de los elementos aleados tales como el magnesio. El rayo de alta energía también permite lograr velocidades muy rápidas para la soldadura y fácilmente conseguidas en alrededor de 2 m/min. con 2 kW para el láser sólido y entre 5 a 6 m/min. con 5 kW para el láser de CO2 en laminas de 2 mm de espesor, el principal parámetro para la soldadura es el poder del láser, el cual determina la penetración y la velocidad, otra variable es la posición del punto focal, generalmente en la superficie, el diámetro del alambre, la velocidad del dispositivo alimentador y la abertura a soldar. Los defectos de las uniones soldadas con láser son similares a las hechas por otros procesos de soldadura por fusión; la porosidad es causada por el hidrogeno del ambiente disuelto en el metal base, contenido en la película de oxido o de un inestable preparación de los cantos; la solución a estos problemas es preparar cuidadosamente la superficie incluyendo desoxidación, limpieza de los residuos, el uso del gas protector y el adecuado poder para asegurar la penetración adecuada. La mayoría de las aleaciones no tratables en calor son capaces de soldarse exitosamente, el agrietamiento en caliente puede encontrarse en estas aleaciones que son tan sensibles, esto puede reducirse o eliminarse con la adición de un adecuado alambre de aporte; lo más difícil es causado por la baja viscosidad del metal fundido en la soldadura, con la caída del metal soldado fuera de las uniones en posición plana y esto se puede solucionarse por la soldadura en posición horizontal y vertical.

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SOLDADURA LÁSER CON UN ARCO AUMENTADO. Ha habido un gran desarrollo de nuevas tecnologías, donde el láser ha sido combinado con el arco de una fuente convencional de poder, los procesos MIG, TIG y el arco de plasma han sido usados, permitiendo que se logren velocidades superiores, en particular en delgadas láminas para la industria automotriz; de estas opciones la soldadura MIG es el proceso por fusión preferido, aunque el proceso plasma láser es activamente desarrollado produciendo buenos resultados, ver la fig. 6.6, donde se muestra una combinación de esto.

Fig. 6.6 Muestra una cabeza soldadura láser-MIG y el principio de su operación [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Además para las altas velocidades el mejoramiento del rayo láser permite una gran variación del ajuste de la tolerancia, la penetración exigida es aumentada y el cambio en la forma del charco de la soldadura, permitiendo la ayuda del hidrogeno para difundir fuera de la unión, reduciendo la porosidad encontrada en la soldadura láser. Actualmente estos procesos láser se expanden y están en la primera etapa del desarrollo pero con una gran promesa de ampliarse en el campo de esta aplicación de procesos.

SOLDADURA DE RAYO ELÉCTRICO (Electron Beam Welding [EBW]). La soldadura con rayo electrónico es un proceso de unión de metal con calor de un concentrado rayo de alta velocidad de electrones golpeando la superficie de la unión, el calor es generado en la pieza de trabajo tal como esta, bombardeada por un denso flujo de electrones de alta velocidad, virtualmente toda la energía cinética o la energía de movimiento de los electrones es transformada en calor al momento del impacto.

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Dos diseños básicos de estos procesos son los sistemas de rayo eléctrico de bajo voltaje que usa aceleradores de voltaje en rangos de 30.000 a 60.000 volts y sistema de alto voltaje con aceleradores de voltaje en el rango de 100.000 volts, este último emite mayor cantidad de rayos-x; en un tubo de rayos-x, el rayo de electrones está enfocado a un objetivo ya se de tungsteno o molibdeno que emite rayos-x, este objetivo se vuelve extremadamente caliente y debe ser enfriado con agua; cuando se suelda, el objetivo es el metal base que absorbe el calor para generar la etapa de fusionarse, aquí los rayos-x pueden ser producidos si el potencial eléctrico es lo suficientemente elevado, por otro lado el disparador de electrones y la pieza de trabajo se albergan en una cámara de vació, ver la fig. 6.7.

Fig. 6.7 Diagrama del proceso de soldadura por rayo eléctrico [Welding Theory and Application]

Hay tres componentes básicos en la máquina soldadora de rayo electrónico, los cuales son la pistola de rayo eléctrico, fuente de poder con control y una cámara de vació con manipulación de equipo; la pistola de rayo eléctrico es similar al usado en un tubo de imagen en la televisión, los electrones son emitidos por un cátodo caliente o filamento y acelerados por un ánodo el cual es una plancha con un agujero que está positivamente cargada, a través del cual pasa el rayo eléctrico; una bobina magnética ubicada más abajo del ánodo desvía el rayo eléctrico. La cámara de vacío debe ser un contenedor completamente sellado, es evacuado de forma mecánica por bombas para reducir la alta presión del vacío; el equipamiento de trabajo es necesario para mover y manipular las piezas bajo el rayo eléctrico, los cuales están diseñados para trabajar en el vacío, ver la fig. 6.8 que muestra un esquema de la cámara.

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Fig. 6.8 Principales características del funcionamiento del proceso [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Una de las mayores ventajas de la soldadura de rayo eléctrico es la tremenda penetración, esto ocurre cuando los electrones altamente acelerados chocan con el metal base, penetrando ligeramente bajo la superficie y en ese momento soltará la mayoría de la energía cinética que empieza a calentar; la adición de calor causa un sustancial incremento de la temperatura en el punto de impacto, la sucesión de electrones golpeando en el mismo lugar causa fusión y evaporación del metal base, esto crea vapor de metal donde el rayo electrónico viaja a través del vapor mucho más fácilmente que en el metal sólido, lo que causa que el rayo penetre más profundamente en el metal base, el patrón de ancho en la penetración es sumamente estrecha, lo que produce una proporción que puede exceder del orden de 1 a 20; como la densidad de poder se aumenta, la penetración también lo hace, además la velocidad de enfriamiento es muy superior y para muchos metales es muy ventajosa, sin embargo para el acero carbono esto es una desventaja y pueden ocurrir grietas. Los recientes avances en los equipamientos permiten a la cámara de trabajo operar en una presión o vacío mediano, esto es algunas veces llamado un vació suave, con rangos de vacío que permitieron la misma contaminación que sería obtenida en la atmósfera de Argón de un 99,995 % de pureza. La soldadura de rayo eléctrico fue inicialmente hecha en el vacío porque el rayo es fácilmente desviado por el aire, los electrones en el rayo chocan con las moléculas del aire perdiendo velocidad y dirección de manera que la soldadura no pueda ser realizada.

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En un sistema de gran vacío, el rayo electrónico puede localizarse tan lejos de la pieza de trabajo como 762 mm (30 in.), en la cámara de vacío medio la distancia en funciones se reduce a 304,8 mm (12 in.), los espesores que pueden soldarse en la cámara alta son de hasta 152,4 mm (6 in.), mientras que en la cámara de vacío mediana se reducen los espesores a soldarse 50,8 mm (2 in.). El desarrollo más reciente del sistema es un rayo eléctrico de vacío sectorizado, aquí el área de trabajo se mantiene la presión atmosférica durante la soldadura, la pistola de rayo se aloja en una cámara alta de vacío, donde hay varias cámaras intermedias entre la pistola y el área de trabajo, cada una de estas plataformas intermedias se reduce la presión por medio de bombas de vacío; el rayo pasa a través de un pequeño orificio bastantemente grande para el pequeño volumen de aire. Por medio de estas cámaras diferenciales de presión, un gran vacío se mantiene en la cámara de la pistola eléctrica; el máximo espesor que se puede soldar es aproximadamente 51 mm (2 in.), además con este sistema se utiliza una fuente de poder de alto voltaje. El aporte de calor en la soldadura con rayo eléctrico se controla por cuatro variables:  Número de electrones por segundos que chocan en la pieza de trabajo o corriente emitida.  Velocidad de los electrones al momento del impacto, el potencial acelerador.  El diámetro del rayo en la pieza de trabajo, el tamaño en el lugar del rayo.  Velocidad de trabajo o la velocidad de la soldadura.

Casi todos los metales pueden ser soldados con el proceso del rayo eléctrico, los metales que a menudo se sueldan son las súper aleaciones, metales refractarios, metales reactivos, aceros inoxidables y muchas combinaciones de materiales disímiles.

SOLDADURA POR FRICCIÓN (Friction Welding [FRW]). La soldadura por fricción es un proceso de soldadura por presión de estado sólido, el cual produce la unión de materiales por el calor obtenido del movimiento inducido mecánicamente entre superficies en contacto manteniendo unidas bajo presión las piezas de trabajo; este proceso usualmente involucra la rotación de una parte contra la otra generando calor friccional en el empalme, cuando la adecuada temperatura tiene un incisivo alcance, la rotación cesa y una presión adicional se aplica ocurriendo la unión.

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Hay dos variaciones del proceso de soldadura por fricción, las que se describen a continuación:  En el proceso original, una parte es sujetada fijamente y la otra parte es rotada por un motor, el cual mantiene una velocidad rotacional esencialmente constante, las dos piezas son puestas en contacto bajo presión por un periodo de tiempo y una presión especifica. El poder rotativo se libera de la pieza aumentando la presión, cuando esta se detiene la soldadura se completa; este proceso puede controlarse exactamente mientras la velocidad, presión y el tiempo estén estrictamente regulados.  La otra variación es la soldadura por inercia, un volante se hace girar por un motor hasta que una velocidad preprogramada se alcanza, este a su vez rota una de las piezas para soldar; el motor se desembraga del volante y la otra parte puede ser soldada colocándola en contacto bajo presión con la pieza en rotación, durante un tiempo determinado en el cual la velocidad rotacional se reduce hasta detenerse, una presión adicional es provista para completar la soldadura.  Ambos métodos utilizan calor friccional y producen soldadura de similar calidad, aunque el primer proceso mantiene un mejor control, ver la fig. 6.9 que muestra estos procesos:

Fig. 6.9 Características principales del proceso de soldadura por fricción [Welding Theory and Application]

Las ventajas de este proceso de soldadura son las siguientes:  La soldadura por fricción puede producir alta calidad de soldadura en un corto periodo de tiempo.  No se requiere de metal de aporte ni fundente.

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 Este proceso es capaz de soldar la mayoría de los metales y también puede unir muchas combinaciones de metales disímiles.

SOLDADURA POR RESISTENCIA. La soldadura por resistencia es un procesos en el cual la unión se produce por el calor obtenido desde una resistencia eléctrica empleando un circuito y luego por la aplicación de presión, para lograr una sólida unión; la forma más simple del proceso es la soldadura por puntos, donde la presión se provee sujetando dos o más láminas traslapadas entre dos electrodos, la fig. 7.0 se detalla esto:

Fig. 7.0 Principios de la soldadura por resistencia [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Una corriente pasa entre electrodos, generando suficiente calor en la interconexión de la resistencia en el flujo de corriente de tal manera que la fusión ocurre, se forma un punto de soldadura y una fusión autógena se produce entre las láminas, el calor generado depende de la corriente, el tiempo que esta pasa y la interfase de la resistencia. La alta corriente en un bajo flujo de voltaje a través del circuito esta acorde con la ley de Ohms. I=E R

o

R=E I

Donde I es la corriente medida en amperes, E es el voltaje medida en volts y R es la resistencia del material medida en ohms, la energía total es expresada por la formula: ENERGÍA = I x E x T donde T es el tiempo medido en seg. durante la corriente fluye por el circuito.

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La combinación de estas dos ecuaciones da la energía calórica; por razones prácticas un factor relacionado con la pérdida de calor debe ser incluido, es por esto que la formula actual de la soldadura por resistencia es:

H (Energía Calórica) = I2 x R x T x k

En la formula I es la corriente al cuadrado en amperes, R es la resistencia de la pieza de trabajo en ohms, T el tiempo de la corriente fluyendo por seg. y k representa la perdida de calor a través de radiación y conducción. La resistencia es una función de la resistividad y las condiciones de la superficie del material base, tamaño, forma y material del electrodo además de la presión aplicada por estos; en la mayoría de las aplicaciones los electrodos son enfriados por agua para minimizar el calor generado entre ellos y la pieza de trabajo. La soldadura por resistencia reforzada es usada principalmente en la industria de producción masiva; la industria automotriz es el usuario principal de este proceso, seguida de la industria de electrodomésticos, además de ser usada por muchas industrias confeccionando una variedad de productos hechos de metales de delgados espesores, también se usa en la industria del acero para fabricar e instalar cañerías y pequeñas secciones estructurales. La soldadura por resistencia tiene la ventaja de producir un alto volumen de trabajo con una elevada velocidad y no requiere material de aporte, además que la alta calidad de la soldadura es habitual. La posición cuando se trabaja con este proceso no es un factor, particularmente cuando se trabaja con materiales delgados; la mayoría de los metales pueden soldarse con este proceso, pero la dificultad puede encontrarse al soldar ciertos metales de secciones más gruesas; los metales, los espesores y el diseño de las uniones están relacionados con la resistencia específica del proceso, ciertos materiales requieren de un tratamiento térmico luego de soldar, para satisfacer las propiedades mecánicas. La facilidad para soldar es controlada por tres factores:  Resistividad  Conducción Térmica  Temperatura de Fusión Los metales con una alta resistencia al flujo de corriente, con una baja conductividad térmica y temperatura de fusión son fáciles de soldar; todos los metales ferrosos caen esta categoría. Ahora los metales que tienen poca resistividad pero una alta conductividad térmica pueden ser ligeramente más difíciles de soldar, esto incluye metales livianos, aluminio y magnesio.

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Otro grupo son los metales preciosos, los cuales son difíciles de soldar por causa de la alta conductividad térmica y el último grupo son los metales refractarios, los cuales tienen un extremadamente alto punto de fusión y son más difíciles de soldar. Estas tres propiedades pueden ser combinadas en una formula la cual provee una indicación cuan fácil de soldar (soldabilidad) es el metal, esta formula es: W= R x 100 F x Kt En la formula W es soldabilidad, R es la resistividad, F es la temperatura de fusión del metal en ° C y Kt es la conductividad térmica relativa, si la soldabilidad (W) esta por debajo de 0,25 es una evaluación pobre, si W está entre 0,25 y 0,75 es considerable y si se encuentra entre 0,75 y 2 la evaluación es buena, sobre 2 la soldabilidad es excelente; el acero dulce debe tener una soldabilidad de alrededor de 10 y el aluminio tiene un factor desde 1 al 2 dependiendo de la aleación.

Dentro de la soldadura por resistencia existen al menos siete importantes procesos, entre los que se cuentan:


Soldadura Instantánea (Flash Welding)
Soldadura por Alta Frecuencia (High Frecuency Resistence Welding)
Soldadura por Percusión (Percusión Welding)
Soldadura por Proyección (Projection Welding)
Soldadura por Costura (Resistence Seam Welding)
Soldadura por Puntos (Resistence Spot Welding )
Soldadura por Perturbación (Upset Welding)

Las cuales a modo de información solamente serán nombradas sin entran en detalle en cada una de estas, puesto que generalmente se ocupan de forma industrial y no tienen directa relevancia con este trabajo.

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III. PREPARACIÓN Y CUIDADOS DEL MEDIO AMBIENTE EN LOS TRABAJOS DE SOLDADURA Como parte no menos importante de los procesos involucrados en la calidad de un producto terminado, es el manejo y almacenamiento adecuado de los componentes de aluminio, tanto como el corte, mecanizado, desoxidación y la limpieza. El aluminio es un material relativamente blando, pudiéndose rayar o abollar fácilmente por una mala manipulación o por equipamiento inapropiado de alzamiento o levante; las pinzas de agarre comúnmente usadas para las planchas de acero pueden dejar marcadas sus quijadas y sus cadenas pueden producir rayas y abolladuras. Una solución a las marcas de las pinzas es, colocar un material blando como madera o bloques de polietileno en las caras de las quijadas; para el levante deben ser ocupadas sogas o fajas de nylon, debido a su excelente resistencia; hay que tener siempre en mente, que estos materiales son más delicados que el acero y se hace necesario una mayor preocupación del mantenimiento de cualquiera de los equipos de levante, por otro lado existen partículas duras pueden incrustarse en el embalaje protector o en las correas de levante, resultando rayado el material. El almacenamiento es otro factor importante para que las superficies del aluminio no sufran deterioros; idealmente el producto debe ser almacenado en un lugar de ambiente seco, limpio y de buena ventilación, separando las caras de las planchas unas de otras y apilando en línea sus lados, para que la condensación en las planchas pueda ser eliminada de las superficies, reduciendo los riesgos de acumulación de agua y de suciedad, también ayuda a reducir las posibles rayas por el arrastre de las planchas cuando se quiere sacar fuera de la pila. En la fabricación con aluminio es ideal, que las áreas sean separadas físicamente de otras zonas de trabajo; por ejemplo, el polvo de actividades tales como esmerilados, se asientan en la superficie causando problemas; el aluminio y el acero nunca deben soldarse en el mismo lugar de trabajo. Para una adecuada soldadura, el aluminio debe limpiarse, removiendo toda materia extraña del área de unión de manera que la contaminación no se transporte con la soldadura y desemboque en la unión; la limpieza es más efectiva justo antes de soldar, sin embargo el supervisor de la soldadura puede colocar un tiempo limite, basado en las condiciones y requerimientos del producto.

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Tres métodos comúnmente usados para limpiar el aluminio son: con diluyentes, mecánicamente y químicamente.


Los diluyentes eliminan las grasas, aceites, suciedad y partículas sueltas, lo cual es más efectivo en superficies lizas y cuando la contaminación no está firmemente adherida. Los diluyentes incluyen un amplio rango de productos comercialmente disponibles; como ejemplo: el acetona, pero no se deben usar los hidrocarburos tales como el tetracloruro de carbono y el tricloroetileno; estos se descomponen en presencia del arco para formar gases altamente tóxicos como el fosgeno, las precauciones de seguridad deben observarse cuando se usan todos los solventes. Los componentes para soldar pueden ser planos, preformados, tener fallas de corte, aserruchados, procesados para dar la forma deseada o proveer la preparación para la soldadura; los lubricantes usados durante estos procesos deben ser removidos para mantener una buena calidad de la soldadura.
Los métodos mecánicos de limpieza incluyen, raspado, limado, cepillado, amolado y fricción con viruta metálica; ya que estos métodos son costosos, estos deben ser usados solo en las áreas de soldadura; el cepillado puede ser hecho con un cepillo duro o un cepillo rotativo eléctrico, ambos tipos deben tener cerdas de acero inoxidable, las cuales deben mantenerse limpias y se recomienda desengrasarlas con los solventes o diluyentes que se ocupen. Antes de cepillar el área de la unión se debe desengrasar, lo cual asegurará que el cepillo permanezca limpio y no se adhiera contaminación en la superficie de aluminio. Pulir la superficie de aluminio también puede agregar contaminación, es por eso que solo una ligera presión debería servir para el cepillado eléctrico; la limpieza con amolado es más conveniente hacerla con un disco grano 80 de capa abierta para oxido de aluminio; este proceso es esencialmente usado para remover la gruesa capa de oxido asociada con manchas de agua (el cepillo y el tratamiento químico no son efectivo). Antes de la limpieza mecánica, el metal se debe desengrasar. Los bordes mecánicamente cortados pueden acarrear rebabas a lo largo del borde cortado, las cuales atraparán suciedad y grasa; las cuales deben ser eliminadas en la preparación de la soldadura, raspando con alguna herramienta desbastedora, esto además es un excelente método para remover la película de oxido; de ninguna manera deberían ocuparse cepillos de acero carbono, latón o cobre, además de asegurase que cualquier herramienta limpiadora sea separada y usada solamente en el aluminio, de otra manera se puede presentar contaminación del material.

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Tratamiento químico es útil para una gran cantidad de cosas, eliminando la contaminación de la superficie y las gruesas capas de oxido, sin embargo las superficies tratadas tienden ha ser más absorbentes que antes, así pueden recontaminarse, si no se protegen y deberán ser limpiadas poco antes de soldarse, ver la tabla Nº 17. La tabla Nº 17 detalla el tipo de tratamiento químico y la planificación para su aplicación: SOLUCIÓN

CONCENTRACIÓN Temp. °C

PROCEDIMIENTO

PROPÓSITO

Ácido Nítrico

50% AGUA 50% HNO3 Grado Técnico

18 - 24

Sumergir 15 min, enjuagar con agua fría, caliente y secar.

Elimina una delgada película de oxido para soldadura por fusión

Hidróxido de Sodio seguido por Ácido Nítrico

5% NaOH en Agua

70

HNO3 Concentrado

18 - 24

Sumergir 10 a 60 seg, enjuagar con agua fría, Sumergir 30 seg, enjuagar con agua fría, caliente y secar.

Remueve una gruesa película de oxido, para todas las operaciones de soldadura.

Acido Sulfúrico - Crómico

5 Litros H2SO4 1,4 kg CrO3 40 Litros de Agua

70 - 80

Remojar de 2 a 3 min, enjuagar con agua fría, caliente y secar.

Elimina las manchas y la capa del tratamiento térmico y la película de oxido

Acido Fosfórico - Crómico

1,98 Litros de 75% de H3PO3 0,65 kg de CrO3 45 Litros de Agua

95

Remojar de 5 a 10 min, enjuagar con agua fría, caliente y secar.

Remueve el recubrimiento anódico

[The Welding of Aluminium and its Alloys]

Una vez desengrasado y limpio el metal base este debe soldarse en un periodo corto de tiempo, cuatro horas estarían dentro de lo razonable, los componentes deben mantenerse en una condición limpia durante este tiempo, pudiendo requerir que el material este recubierto por una lamina de poliuretano o por papel de envolver. Si las piezas se dejan durante la noche, las uniones pueden precisar una limpieza adicional dispuesta solo en las uniones, así que es aconsejable limpiar solo esas partes para que puedan soldarse dentro de un periodo de cuatro o cinco horas. Hay un par de puntos concernientes a la limpieza que vale mencionar, si la limpieza química ha sido extremadamente buena es posible dejar actuar a los componentes por un periodo de tiempo más largo, quizás durante toda la noche si las condiciones de almacenamiento son limpias y secas; además se ha notado que cuando las piezas quedan muy limpios el proceso TIG o MIG puede experimentar problemas de estabilidad al inicio del arco, la razón de esto no está clara, pero probablemente se asocia con la ausencia completa de cualquier tipo de óxido; por esto se considera que un poco de óxido asista en la formación de un ánodo activo localizado, resultando un arco más estable.

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La necesidad de remover la película de óxido antes de soldar reduce los riesgos de porosidad y durante la soldadura disipar esta película evita la falta de fusión y el entrampado de la película de óxido. El oxido de aluminio (Al2O3) es muy tenaz y de rápida formación, el cual da al aluminio una excelente resistencia a la corrosión, tiene un alto punto de fusión (2060 °C) comparado con el aluminio puro, el cual tiene un punto de fusión de 660 °C. En la soldadura por arco protegida por gas se produce un fenómeno conocido como limpieza catódica, la cual se emplea para dar los resultados deseados; cuando el electrodo es conectado al polo positivo de la fuente de poder y pasa corriente continua, hay un flujo de electrones de la pieza de trabajo al electrodo, con iones viajando en la dirección opuesta y bombardeando la superficie de la pieza de trabajo, este bombardeo de iones rompe y dispersa la película de óxido y permite que el metal de la soldadura fluya y se funda con el metal base. Otro factor importante a la hora del mantenimiento del espacio físico y la posterior protección de la soldadura es en el diseño, comúnmente pasando por alto la visión del soldador hacia la zona de fusión y la distancia necesaria para este pueda trabajar cómodamente; frecuentemente estos errores pueden ser reconocidos y corregidos en la etapa de proyecto gracias a la experiencia de un ingeniero especializado. La distancia que el operador toma a partir de la aplicación de la soldadura puede ser fácilmente comprobada, idealmente esta distancia debe ser estar alrededor de 200 a 450 mm, además debe tenerse en cuenta que el diámetro de la careta o casco del soldador es aproximadamente de 300 mm lo cual puede afectar el acceso requerido. Las uniones deben ser accesibles para poder soldarlas y los soldadores deben estar cómodos con su equipamiento para poder producir una soldadura de alta calidad, esto requiere de suficiente espacio que permita el libre movimiento del soplete o pistola soldadora y su electrodo, permitiendo operar en el charco de la soldadura con el correcto ángulo de trabajo. En el diseño también deben tenerse en cuenta los detalles como la proximidad de los materiales adyacentes, donde el soldador tenga una vista irrestricta del arco; la importancia requerida del espacio depende en gran parte del equipo que se use, en particular el tamaño del soplete. Soldar aluminio con el proceso de protección gaseosa requiere de una amplia atmósfera de gas alrededor de la unión y una corta longitud del arco, de manera que el soldador aprecie el charco de soldadura más restringida que cuando trabaja de forma similar en acero.

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Una situación que a menudo se encuentra en la práctica, cuando los diseñadores no toman en cuenta la necesidad de un acceso adecuado; por otro lado también se pueden presentar problemas cuando se sueldan accesorios, planchas o cañerías, si la boquilla se presenta en la superficie con un ángulo menor de 45°, el acceso en un agudo ángulo es difícil, resulta en defectos por falta de fusión en la raíz de la soldadura como se ilustra, en la fig. Nº 7.1.

Fig. 7.1 Problemas de accesos en terminaciones con ángulos en planchas y cañerías [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Se debe tener en cuenta estos espacios a la hora de diseñar una estructura, puesto que además de la facilidad para que el soldador trabaje de forma cómoda se debe considerar en el futuro la mantención y limpieza de los sectores soldados, pudiendo esto influir en modificar el diseño original.

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IV. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS EN LA APLICACIÓN DE LA SOLDADURA La seguridad del personal que está involucrado en la aplicación de los procesos de soldadura debe ser de consideración primordial, todas las precauciones que se tomen deben asegurar que el proyecto de construcción o reparación llegue a término libre de peligro y en la mayor parte de los casos la seguridad es un factor de sentido común. Cuando la soldadura o el corte se aplican, existen peligros específicos en la seguridad que deben tomarse en cuenta y tomar adecuadas precauciones:
Los ojos y la piel expuesta se tienen que protegerse de la intensa radiación luminosa y del calor de la soldadura o flama del corte. La ropa protectora para los procesos de soldadura varían con el tamaño, naturaleza y la posición de los trabajos a realizar, los soldadores deberían llevar ropa de trabajo sin aberturas para impedir que los rayos del arco entren en contacto con la piel; además de aquellos trabajos cercanos a la zona de la soldadura también se debe traer ropa protectora. La ropa de lana debe preferirse ante el algodón, ya que la lana no se quema o daña fácilmente por la salpicadura de la soldadura, ayudando además a proteger al soldador de los cambios de temperatura. La ropa de algodón, si se usa, debe estar químicamente tratada para reducir su combustibilidad, cualquier otra ropa, debería estar razonablemente libre de grasa o aceites. Las chaquetas, delantales, capas o cobertores de hombros deben ser de cuero, materiales resistentes al fuego u otro material adecuado para usarse como protección en contra de la salpicadura del metal derretido, el calor irradiado y las chispas. Las chispas se pueden alojar en los pliegues de las mangas, bolsillos de la ropa o los puños de los overoles o pantalones, por lo cual las mangas y cuellos deben mantenerse abotonados y los bolsillos deben eliminarse del frente, si no es posible, se debe evitar mantener en los bolsillos cualquier material inflamable como fósforos, encendedores o papel celofán. Los pantalones y overoles no deben aparecer por fuera de la tenida de cuero, para los trabajos pesados se deben ocupar polainas, botas altas u otra forma de protección para los tobillos. La protección visual es un punto primordial, ya que durante todos los procesos de soldadura eléctrica el operario debe traer puestas sus gafas de seguridad para proteger sus ojos de salpicaduras que ocasionalmente entran a la careta, estos lentes claros también protegen los ojos de la escoria cuando se astilla y de las chispas cuando se amola.

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Por otro lado el arco eléctrico desprende radiaciones visibles y no visibles, dentro de estas últimas se tiene en los rayos ultravioletas e infrarrojos, los cuales son los que provocan los mayores daños. El tipo de quemadura que produce el arco no es permanente, aunque extremadamente doloroso, su efecto es como tener arena en los ojos, además de afiebrarse y asimilar una intolerancia a cualquier tipo de luminosidad. A fin de asegurar una completa protección, el vidrio protector debe poseer una densidad adecuada al proceso e intensidad de corriente utilizada (amperios), la tabla Nº 18 ayuda en la selección del vidrio adecuado para las diversas mascaras o caretas para soldar.

La tabla Nº 18 una guía para seleccionar la densidad del lente filtro:

[Guías de soldadura y de Seguridad]

En la producción del trabajo donde hay muchos soldadores es bueno tener cubículos para cada solador y evitar las radiaciones entre ellos, para esto se pueden utilizar cortinas que poseen filtros para rayos UV y dan una excelente disminución de la luminosidad del arco eléctrico.

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La perdida auditiva ya sea parcial o total, es el resultado directo del trabajo sin la protección adecuada en los lugares de la construcción, para evitar esto existen distintos dispositivos protectores.
Los procesos de soldadura y corte incrementan el polvo y los niveles de ozono cerca de la construcción, es por eso que la ventilación adecuada debe proveerse para todo el personal en el lugar de la aplicación de la soldadura, ahora si se hacen en espacios confinados deben estar adecuadamente aireadas para impedir la acumulación de materiales tóxicos, gases combustibles o posibles diferencias de oxígeno, para corroborar esto se deben emplear instrumentos de monitoreo de las atmósferas dañinas. Donde sea imposible proveer ventilación adecuada, los respiradores abastecidos de aire o mascaras conectadas a mangueras con aire deben ocuparse.

En general la ventilación mecánica será provista al soldar o cortar metales descubiertos, bajo las siguientes condiciones: •

En espacios inferiores ha 284 m2 para soldar.

•

En un lugar que tenga una altura al techo menor de 5 m.

•

En espacios confinados o donde hayan barreras que obstruyan la ventilación. La ventilación debe tener como mínimo una velocidad de 57 m2 / min por

soldador; la ventilación naturales considera suficiente para los procesos de soldadura y corte, cuando las condiciones nombradas anteriormente no se encuentran presentes en el trabajo. En casos específicos, son otros los factores involucrados en los dispositivos de respiración que deben proveerse, estos incluyen: •

Condiciones atmosféricas.

•

Calor generado.

•

Presencia de solventes volátiles.

Prevenir lesiones del personal; hay que tener extrema cautela al usar cualquier equipo de soldadura o corte, ya que pueden resultar en incendios, explosiones, choques eléctricos o agentes dañinos. Las precauciones de seguridad que se enunciarán a continuación deben ser observadas por los trabajadores que sueldan o cortan y por el o los ingenieros a cargo para que se cumplan:
No permitir que personas sin autorización usen los equipos de soldadura y corte.

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Remover todo material inflamable, tales como el algodón, paños, aceites, gasolina, etc., de la zona adyacente a la soldadura.
No hacer soldaduras en construcciones con pisos de madera, a menos que estos sean protegidos del metal ardiente por medio de telas resistentes al fuego, arena u otro material a prueba de fuego, asegurando que las chispas no caiga en el operador o en cualquier componente del equipamiento para soldar.
No dejar colillas, residuos de aluminio o herramientas en el piso o alrededor del equipo soldador, ya que los accidentes o incendios pueden ocurrir.
Mantenga los extintores con la carga adecuada para el tipo de trabajo que se este realizando, asegurándose que estén operativo en todo momento y que esten al alcance de todos.
Marque las piezas calientes luego de soldarlas o acumúlelas en un sitio designado para esto.
La humedad entre el cuerpo y algo electrificado forman una línea a tierra que puede conducir corriente al cuerpo del operador y producirle un choque eléctrico. El operador nunca debe estar sobre una posa o el suelo húmedo cuando suelda, como tampoco trabajar en un lugar húmedo, deberá conservar sus manos, vestimenta y lugar de trabajo completamente seco.
Todas las personas involucradas en los procesos deben estar familiarizadas con las normas de seguridad aplicadas al trabajo.
Los cilindros de gas comprimidos deben manipularse cuidadosamente y deben asegurarse cuando estén en uso; la tapa protectora de la válvula tienen que mantenerse hasta el acoplamiento del equipo al envase y dejarse a la mano.
Antes de conectar el regulador a la válvula del cilindro, esta debe abrirse y cerrarse momentáneamente, para limpiar el polvo o suciedad que de otra manera podría entrar en el regulador. El operador de la válvula debe parase a un lado del manómetro regulador, nunca delante de el.

PREPARACIÓN DE LOS BORDES Y SUS TIPOS DE UNIONES. Hay pocas decisiones más importantes que afecten el éxito de la soldadura que el correcto diseño de las uniones; los problemas de calidad o ejecución de la soldadura a menudo pueden ser atribuidos al diseño erróneo de la preparación de los bordes. El diseño de las uniones, es determinado por los requerimientos de resistencia, aleaciones, espesores del material, tipos y posiciones de estas, los accesos y el proceso de soldadura ha emplearse.

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Hay tres formas fundamentales de soldadura: a tope, de filete y de borde, las que se ilustran a continuación:

SOLDADURA A TOPE

SOLDADURA DE FILETE

SOLDADURA DE BORDE En la fig. 7.2 se muestran en general algunos tipos de uniones más usados que se ocupan en la soldadura.

Fig. 7.2 Diseño de uniones habituales en soldadura [Manual de Soldadura]

En las fig. 7.3 y 7.4 se muestran la preparación de los bordes de las piezas a soldar en aluminio.

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Fig. 7.2 Diseño de uniones habituales en soldadura TIG [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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Fig. 7.3 Diseño de uniones habituales en soldadura MIG [The Welding of Aluminium and its Alloys]

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POSICIONES DE SOLDADURA. Soldar en posición plana o bajo la mano debe preferirse ante cualquier otra posición; es fácil para el operario depositar un metal de gran calidad y con una gran velocidad, el charco es mayor en esta posición, con una lenta solidificación y velocidad de enfriamiento, permitiendo a los gases desarrollarse gradualmente desde el charco, reduciendo la porosidad. La fuerza de gravedad en posiciones tales como vertical y horizontal implica que el charco tiende a caer, haciendo más difícil lograr un perfil de soldadura aceptable, estos efectos son más marcados en el proceso MIG que con el TIG, es por esto que la posición plana da mejor calidad de soldadura a un menor costo; la soldadura a menudo es hecha en la posición definitiva de las estructuras, para esto se han desarrollado técnicas para todas las posiciones, las cuales se pueden clasificarse de acuerdo a la posición que se encuentra la unión o las secciones que se soldarán. En general la calidad de la soldadura es determinada por los procedimientos específicos y la habilidad de los soldadores u operario de la soldadura para aplicar estos procedimientos; muy a menudo las decisiones en, como debe hacerse la soldadura, el metal de aporte y los parámetros de la soldadura se dejan a elección del operario, mientras esto pueda ser aceptable en situaciones donde la calidad de la soldadura es solo incidental para la integridad de la fabricación, pero no se permite cuando es crucial para el desempeño de los componentes. La necesidad que soldadores calificados trabajen en el procedimiento, es a menudo un requisito ya sea por la norma que se aplique, las especificaciones técnicas o el contrato del proyecto. Los principios de aprobación de la calificación, están basados en requisitos estándar de ensayo de las piezas de prueba, una lista de condiciones, un número de variables esenciales y los rangos correspondientes de aprobación. En la calificación, el soldador u operario está obligado a soldar una pequeña plancha o cañería de prueba, de un material que es igual o parecido a la existente en la soldadura de producción; las pruebas son sometidas a ensayos no destructivos y destructivos, estos pasos garantizan que la soldadura se encuentra dentro de los estándares de aprobación mínimos requeridos, de acuerdo a la aplicación que se evalúan. Los requisitos de las calificaciones garantizan el empleo del personal de forma adecuada, ya que estas incluyen una gran variedad de materiales, procedimientos, procesos, equipos y personal, además de dar confianza al cliente que los soldadores están amparados y son capaces de producir soldaduras reguladas por el procedimiento y por las especificaciones; el valor de la calificación aumenta cuando las condiciones en que se producen son lo más estrechamente posibles.

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Estas pruebas no garantizan que el soldador producirá soldaduras satisfactorias cada vez, pero se podrá eliminar o evitar el empleo del personal cuyo trabajo no sea aceptable. Consecuentemente, durante los procesos de construcción, los soldadores deben ser inspeccionados antes y después de terminar. La fig. 7.4 se muestra los tipos de pruebas que requieren los soldadores para calificar, para las diversas posiciones de soldadura.

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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V. EVALUACIÓN E INSPECCIÓN DE LA SOLDADURA Las uniones son inspeccionadas por dos razones, la primera se usa para determinar la calidad de las uniones y garantizar que esta se ajusta a la aplicación de las especificaciones, los defectos de la soldadura son detectados y localizados en su lugar, así la parte inaceptable puede ser removida y reemplazada con un metal de buena calidad. La segunda es tan importante, pero frecuentemente menos reconocida, la inspección sirve como un control de calidad de los soldadores o de los procedimientos de la soldadura, registrando como ocurren los diversos tipos de defectos, denotando cuando es necesario cambiar los procedimientos de la soldadura, cuando se utiliza en la practica una soldadura pobre o cuando los soldadores u operarios deberían ser recalificados. Una fabricación responsable estará sujeta a los registros de inspección, para proveer información anticipada si las operaciones de soldadura necesitan atención, el fabricante podrá remediar los problemas lo suficientemente rápido como para impedir la perdida de tiempo y el alto costo de las reparaciones frecuentes. El tipo de inspección, los criterios de evaluación y los requisitos o requerimientos de los inspectores deben quedar establecidos en el contrato o especificación técnica. Las soldaduras inspeccionadas deben ser evaluadas y determinar si pueden ser reparar, si fuese el caso o si se adaptan bajo todos los conceptos de las especificaciones. El inspector debe conocer las limitaciones de los métodos de prueba, el material y el proceso de la soldadura, idealmente el inspector también debe ser integro y debe estar dispuesto a aceptar la responsabilidad del cargo. A modo general, los métodos de inspecciones no destructivas disponibles usados para examinar soldaduras son las siguientes:
Visual
Partículas magnéticas
Líquidos penetrantes
Ultrasonido
Pruebas de presión
Radiografías
Corrientes parasitas Las emisiones acústicas solo han sido usadas en la producción experimental, pero no están siendo ocupadas en las inspecciones en terreno.

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Los métodos y magnitudes de las inspecciones varían con la naturaleza de los trabajos y lo critico de ciertas uniones, los siguientes factores se deben considerar en la selección de los métodos no destructivos de soldadura:  Material de la prueba  Procesos de unión  Geometría del material  Defectos posibles o esperados y su orientación  Consideraciones económicas Algunas soldaduras pueden requerir combinaciones de dos o más métodos de inspección para proveer una adecuada evaluación; resultados cuestionables de un método a menudo pueden ser verificados por otro método. Los métodos destructivos son usados principalmente en la calificación de los procesos de soldadura, soldadores, operarios y al mismo tiempo para el control de calidad. INSPECCIÓN VISUAL (de forma general) Es el procedimiento de inspección más ampliamente usado, siendo el más rápido, el más fácil y el más barato; los equipos comúnmente usados son una lupa, una linterna, un espejo telescópico, los cuales son útiles para inspecciones dentro de estanques, cañerías o áreas confinadas. Las inspecciones visuales son siempre requeridas en la evaluación de la soldadura, sin embargo, no revelarán defectos a intervalos o diminutos defectos de superficie. Antes de soldar, se debe remover el escoria, la película de oxido, grasa, pintura, aceite y la suciedad; se deben preparar los bordes, alinear y ajustar sus partes; la lista de requerimientos de la soldadura debería ser puntual e indicar todas las uniones ha ser inspeccionadas para la conformidad de los requisitos de preparación, colocación, alineación y limpieza.

INSPECCIÓN PENETRANTE (de forma general) Esta técnica es capaz de detectar solo defectos de superficies agrietadas o porosas, esto depende de un tinte colorido o fluorescente atomizado en esta, el cual penetrará en sus defectos; posteriormente se limpian los excesos de la superficie, el tizne dentro de los defectos se verá forzado a salir a la luz por el rociado de un revelador, en caso de tintura se muestra un contraste o exponiendo la superficie a una luz ultravioleta, es decir los defectos se muestran por las manchas en el revelador o siendo fluorescentes por la luz, a continuación se detalla este procedimiento, en la fig. 7.3.

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Fig. 7.3 Características principales de la inspección de tintas penetrantes [The Welding of Aluminium and its Alloys]

El tinte fluorescente da mayor sensibilidad que el tizne de contraste y no requiere el uso de un revelador de contraste, pero se hace preciso el uso de la luz ultravioleta y preferentemente en un lugar oscuro; los limpiadores, tintas penetrantes y reveladoras, se consiguen en aerosoles, haciendo el proceso sumamente portátil y de rápido uso en el lugar. Las inspecciones dentro de lugares en posición plana no son complicadas, pero el penetrante ha sido desarrollado con una consistencia como jalea que puede usarse para llevar a cabo inspecciones en las posiciones verticales y sobre cabeza. Aunque la técnica es simple para su aplicación, la interpretación de los resultados puede ser difícil, en particular si la superficie es naturalmente rugosa o el penetrante es atrapado en características geométricamente aceptables; el personal encargado por consiguiente debe ser entrenado y para muchas inspecciones de este tipo, una calificación o capacitación en exámenes de tintas penetrantes pondría ser un requisito de la norma o del contrato. Existen pocos riesgos que involucran la salud y la seguridad en el uso de esta técnica; los limpiadores y algunos de los solventes en los cuales son disueltos las tintas y el revelador, pueden causar irritación en la piel, si se usan sin guantes. Los vapores de los limpiadores y solventes también necesitan controlarse, si son aplicados en espacios confinados, una cierta cantidad de estos materiales son inflamables, de tal manera que existen riesgos de fuego y explosión.

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INSPECCIÓN DE CORRIENTE PARASITA (de forma general) La corriente parasita es un proceso que puede usarse en cualquier material que pase la corriente eléctrica; una bobina transporta una corriente alterna, que se sitúa sobre la pieza a examinar, donde se le induce una corriente parásita, los defectos interrumpirán el flujo de la corriente y estas perturbaciones pueden ser detectadas por una segunda bobina de búsqueda. Su exactitud puede ser afectada por las condiciones metalúrgicas, su punto muerto y las dimensiones de la bobina, por esta razón las pruebas de corriente parásita son usadas raramente en componentes soldados, aunque son excelentes en examinar tubos continuamente soldados en fábricas de tuberías. El proceso ha sido desarrollado durante los recientes años, creando un equipo portátil y más simple de usar, un microprocesador base controla las unidades del registro, perfeccionando la tolerancia de las sondas y lo ligero de su electrónica ha permitido que la técnica pueda ser usada en el lugar para el examinar estructuras en funcionamiento, la cual es una herramienta efectiva para la detección de grietas y problemas de corrosión. Su uso es limitado para inspeccionar soldaduras, sin embargo es comúnmente en el examen de soldadura de tubos continuamente soldados.

INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO (de forma general) La inspección por ultrasonido usa los mismos principios que el sonar, una onda sonora emitida desde un transmisor, rebota en un objeto y esta reflexión es captada por un receptor, la dirección y distancia del objeto puede determinarse por medir el lapso de tiempo entre la transmisión y la detección del eco. En componentes soldados, esto se hace usualmente movimiento una pequeña sonda que tiene ambos instrumentos (transmisor y receptor), sobre el producto que se examinará, lo que exteriorizará el eco en la pantalla del osciloscopio. La sonda transmite un rayo ultrasónico que pasa a través del metal y se refleja al regreso cualquier defecto, así como el brillo de un soplete en un espejo, en principio la misma regla se aplica a la reflexión de la luz. Los defectos profundamente enterrados tales como la falta de fusión, falta de penetración, grietas, además de los defectos volumétricos tales como la escoria entrampada y los poros se detectan fácilmente. El éxito de la técnica depende del uso de operarios entrenados y experimentados, quienes conocen exactamente las características del metal bajo examen, la geometría de la soldadura, la dirección, la amplitud y la frecuencia del rayo; es recomendado que los operarios sean certificados o calificados por alguna entidad competente.

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La frecuencia de las ondas del ultrasonido están generalmente en el rango de los 2 a 5 MHz, la frecuencias bajas son usadas para el examen de material de grano grueso y en superficies rugosas, las pruebas con alta frecuencia son usadas para la detección de los pequeños defectos tales como las grietas, las incrustaciones no metálicas, falta de fusión. El ángulo de la sonda debe seleccionarse para optimizar la reflexión del rayo, ya que la proyección de este a la pieza a examinar con un ángulo normal a la superficie, es ideal para la detección de los defectos laminares, es decir, paralelos a la superficie de inspección y para determinar el espesor de la pancha. Las sondas angulares son adecuadamente para la detección de los defectos en ángulos respecto a la superficie de la plancha, tales como la falta de fusión lateral de las paredes, aquí el defecto está en el bisel de la preparación para soldar y son más fáciles para detectar por una sonda de un ángulo apropiado; el rayo puede pasar por el interior de la plancha, permitiendo una larga distancia de donde se encuentra la sonda. El método normal de inspección es escanear con la sonda la superficie del metal base, adyacente a la soldadura, para hacer esto la superficie debe estar libre de escoria, perlillas de la soldadura, rugosidad, el metal base debe estar idealmente libre de laminación y de excesivas impurezas. Un acoplamiento generalmente de agua, aceite, grasa o glicerina, son aplicadas para formar una película en la superficie de la pieza a probar, esto ayuda a la transmisión sonora. Para asegurar que todos los defectos en la soldadura y en la ZAC (zona afectada por el calor) sean detectados, la sonda debe escanear sobre la totalidad del largo de la soldadura y las secciones transversales; la posición y dimensión precisa del defecto dependerá de las marcas fuera de la soldadura, los defectos que yacen paralelamente al haz emisor pueden perderse, para asegurar que esto no ocurra, hay que escanear en dos direcciones, a 90° una da la otra. INSPECCIÓN RADIOGRÁFICA (de forma general) La inspección radiográfica es una técnica que involucra tomar una fotografía de las condiciones internas del material, esta película es producida por dirigir un rayo X a través de un material. Los rayos viajan en línea recta y no pueden ser reflectados o reflejados por espejos o lentes, estos tienen largos de onda que permiten que la radiación penetre muchos materiales, incluyendo la mayoría de los metales, sin embargo estos perjudican el tejido vivo, por lo que plantean algunos problemas de salud y seguridad.

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Cualquier radiación, ya sea de rayos X o rayos gama, son absorbidos a medida que atraviesan el material, esta absorción se incrementa a medida que la densidad del material se acentúa, de tal manera que si una película fotográfica se coloca en el lado opuesto de la fuente de radiación, cualquier área menos densa aparecerá como secciones obscuras en el film, en la fig. 7.4 se muestra el proceso en acción:

Fig. 7.4 Características principales de la inspección radiográfica [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Para fotografiar una unión de soldadura, se requiere una adecuada fuente de radiación, una película y algunos métodos para procesar la película; esto último generalmente requiere de un cuarto oscuro, donde se puede revelar, fijar, lavar, secar y ver la película. La radiación puede producirse por un tubo de rayos X, la energía generalmente se describe por el voltaje y la corriente en que el tubo opera, esto puede variar desde los 20 a los 30 kV y de 10 a 30 mA, auque los limites normales para las unidades industriales son alrededor de 400 kV, esta medida es capaz de penetrar sobre los 100 mm de acero y 200 mm de aluminio. La radiación gama se producen por un isótopo radioactivo, el cual se desgasta con el tiempo y los más comunes son el Cobalto-60 (vida útil de 5,3 años), Cesio-137 (vida útil de 30 años), Iridio-192 (vida útil de 74 días), Tulio-170 (vida útil de 127 días), Iterbio-169 (vida útil de 31 días), la fuerza de la fuente emisora es expresada en Curie o Bequerel.

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La fuente de los rayos gama no se puede apagar o desconectar, los isótopos son almacenados en contenedores especialmente equipados con, ya sea un puerto que puede ser abierto remotamente para exponer la fuente o desde el cual puede deslizarse fuera en caso de ser requerido, ver la fig. 7.5.

Fig. 7.5 Muestra un isótopo radioactivo con su sistema de proyección [The Welding of Aluminium and its Alloys]

Las pistolas de neutrones y electrones, también son usadas para producir un rayo de alta energía, esto puede usarse para examinar materiales de la misma forma que los rayos X y la radiación gama, estos equipos no están fácilmente disponibles, pero tienen usos industriales, particularmente para espesores muy gruesos, donde los largos tiempos de exposición serían requerido usando fuentes inferiores de energía convencional. La calidad de las radiografías se ve afectada por la distancia de la fuente a la película, mientras mayor sea la energía menos brillante será la imagen, el tamaño del grano de la película, la calidad y el correcto procesamiento de esta. Para permitir la calidad radiográfica debe ser usado y determinado un señalizador de calidad de imagen (Imagen Quality Indicator [IQI]), esto comprende un número de diferentes diámetros de alambres o una cuña graduada con varios diámetros agujereados en los grados, el IQI se coloca de forma lateral en la pieza a probar y adyacente o a través de la soldadura, a fin que su imagen pueda verse en la radiografía después del procesamiento.

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El diámetro más delgado del alambre o el menor agujero que puede verse, es entonces expresado como un porcentaje del espesor de la pieza; otro control de calidad calcula la densidad de la radiografía, la cual se puede medir fácilmente con un densímetro, idealmente la densidad debería estar entre 1,8 y 2,5. La radiación X es generalmente de mejor calidad que las producidas usando radiación gama, las diferencias en el espesor de las muestras, darán como resultado variaciones en la densidad que puede hacer que la película sea demasiado obscura o insuficientemente densa para la detección de los defectos precisos; la interpretación de las radiografías debe estar a cargo de personas que están entrenadas y experimentadas, debiéndose realizar en un cuarto oscuro viendo en un visor diseñado para esto, en la tabla Nº 19 se observan las imperfecciones en las uniones soldadas en aluminio.

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En la tabla Nº 19 se muestran los defectos, comentarios y sus falencias:

[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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[Reglas y Guía Germanischer Lloy]

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VI. CONCLUSIÓN El ingeniero debe estar en pleno conocimiento de las características del material con el cual se trabajara (en este caso aluminio), para luego poder definir el tipo de equipamiento y maquinarias a usar, el tipo de procesos y su entrono (en algunos casos, dos o más procesos pueden probar ser igualmente eficientes para un trabajo dado), el tipo de trabajadores y operarios que se requieren para ejecutar estas labores. A la hora de proyectar se debe acordar con el cliente si se empleará o no una norma. Sí existe el acuerdo sobre una normativa en particular, no solo se deberán respetar los protocolos de la norma, sino que debe estar por escrito en el contrato los alcances de cuando y donde se aplicará, además de estar sujeto a la administración por parte de la norma escogida, en el anexo A se da un ejemplo de una especificación del procedimiento de soldadura WPS. En el caso de que no se use alguna norma en particular, se deberá indicar un procedimiento aceptado por las partes donde el ingeniero debe especificar el metal base para lo que se desee construir, según los requisitos y servicio del diseño; debiendo poseer información metalúrgica del material, selección del proceso de corte y soldadura, especificando el adecuado material de aporte, etc., además de indicar en los planos cuando corresponda, así como el diseño de las uniones y sus respectivos símbolos o por dibujos detallados de estas uniones. Por otro lado el ingeniero debe determinar los requerimientos de la soldadura y debe desarrollar o seleccionar las secciones apropiadas de esta, lo cual esta basado en el diseño que se desarrolla. El ingeniero debe establecer la necesidad de procedimientos de inspecciones para determinar la calidad de la soldadura, para lo cual este debe estar familiarizado con los métodos de ensayos destructivos y no destructivos para su evaluación, debiendo conocer sus capacidades y limitaciones. Se debe especificar el procedimiento de inspección, además de la extensión y o lugares específicos de estas, así como los exámenes y pruebas a realizar. Por otro lado la necesidad de disponer de un lugar protegido, equipamientos y personal altamente calificado, es mayor que cuando se trabaja en acero, lo cual exige asegurar un producto de calidad en todo momento del proyecto, sin dejar de lado la seguridad personal y ambiental.

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Anexo A La necesidad de que soldadores calificados deban trabajar en procedimientos de soldadura aprobados, es a menudo un requerimiento de la norma que se este aplicando, de acuerdo al diseño o un requisito de especificación del contrato; además esto es necesario para que el constructor pueda demostrar al cliente, a las autoridades reguladoras o si fuese el caso de daño o perdida de la estructura a una corte de justicia, que la soldadura fue hecha de acuerdo a las exigencias y con la calidad requerida. Para esto se debe desarrollar una especificación del procedimiento de soldadura o WPS (weld procedure specification) es una instrucción escrita que especifican materiales, consumibles y preparación de los bordes o cantos para una unión determinada, etc., de acuerdo a la norma especificada, así como y la ejecución de la secuencia del trabajo y en muchos casos los criterios de aceptación y métodos de inspección. El propósito del WPS es para asegurar que los criterios de aceptación puedan ser encontrados consistentes, incluyendo propiedades mecánicas y niveles de defectos; esto también es útil en implementar procedimientos de control de calidad, en estandarizar los métodos de soldadura, los tiempos de producción, costos y controlar los horarios de producción, pero sin embargo su principal propósito es darle al soldador instrucciones claras, inequívocas de cómo debe hacerse una soldadura. Para confirmar que el procedimiento de soldadura que se siguiese es capaz de proveer la resistencia requerida y que este libre de defectos, el WPS es aprobado o calificado por un documento que lo valida y respalda, el cual es denominado como el reporte de calificación del procedimiento PQR (Procedure Qualification Record) o WPAR (Wled Procedure Approval Record). En el PQR se registran los valores reales de las variables del proceso de soldadura usado para ejecutar una calificación en una probeta soldada y los valores de los resultados obtenidos de las pruebas y ensayos efectuados a la misma. Para efectos contractuales y para efectuar soldaduras similares en el futuro, las pruebas realizadas son igualmente aplicables tanto para la soldadura por máquina como para la soldadura manual; además es inútil llevar a cabo para cada pequeña variación del material, espesor o métodos de soldadura un nuevo ensayo de procedimiento. Por consiguiente, los materiales se dividen en grupos que corresponden a aleaciones con características similares de soldadura. Una prueba realizada sobre un metal de uno de los designados se considera aplicable a todas las demás aleaciones dentro del mismo grupo; a continuación se da un ejemplo de una WPS y PQR.

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REMADOR LTDA. AV. Pedro Montt #495, Valparaíso. Manufactura de una Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS) según norma BS-EN 288 parte 4. Nº del WPS

036/AL/82/PL

Organismo Calificador

TWI

Nº del PQR

005/AL/82/PL

Supervisor de soldadura

Mauricio Maureira G.

Locación

Taller

Método de preparación y

De acuerdo con el

Fabricante

REMAPORT LTDA.

limpieza

procedimiento CP015/AL

Principal proceso de soldadura

131-MIG

Metal base

AlMg4,5 Mn0,7

Proceso de soldadura de raíz

131-MIG

Especificación

BS EN 573 Pl2 AW5083

Tipo de unión

Planche a Tope

Composición

Posición de soldadura

Plano

Espesor del material (mm)

Diámetro exterior (mm) Detalle de la preparación para soldar (Dibujo) Diseño de la unión

Desde 12 a 25 Desde > 500 a

Secuencia de la soldadura

Detalles de soldadura

Ø del metal Ejecución

Proceso

de aporte (mm)

Relleno

131-MIG

1,6

Corriente

Voltaje

Tipo de corriente

Vel. alimentación del alambre (m/min)

(A)

(V)

/ polaridad

325 a 375

26 a 31

CC +

Velocidad de trabajo (mm/min)

Calor de entrada (kj/mm)

400 a 450

Detalles de soldadura Marca del metal de aporte

METRODE ER5556

Clasificación del metal de aporte

BS 2901 Pt 4 5556A

Garantía o instrucciones de secado Gas o tipo de fundente:

Protección: 99,995% ARGÓN PURO (PUNTO DE ROCIO < -40 °C) Respaldo:

Velocidad del gas protector:

(l/min) Protección: 26 (l/min) Respaldo:

Tipo de electrdo de tungsteno/tamaño

(mm)

Detalle del respaldo

A5083 CINTA DE RESPALDO 35 mm x 10 mm DE ESPESOR

Temperatura de precalentamiento

(°C) 10 MIN

Temperatura de interfase

(°C) 200 MAX

Tratamiento de temperatura post soldadura Tiempo, temperatura, método

(min, °C)

Velocidad de calentamiento y enfriamiento *

(°C/min) Otra Información *

Trazado (máximo trazado de ejecución) (mm) Oscilación, amplitud, frecuencia, tiempo de aporte Detalle del pulso de la soldadura Distancia al tubo de contacto/pieza de trabajo

15

(mm)

Detalle de la soldadura con plasma Ángulo del soplete

(grados)

Nota *Si es requerido

Supervisor de Soldadura del Fabricante

Organismo calificador

Nombre

Nombre

Mauricio Maureira G. Fecha 20 de Marzo del 2007

Firma

Firma

TWI Fecha 23 de Marzo del 2007

112

REMADOR LTDA. AV. Pedro Montt #495, Valparaíso. Reporte de Calificación del Procedimiento (PQR) 005/AL/82/PL

Organismo Calificador

TWI

Nº del WPS

036/AL/82/PL

Supervisor de soldadura

Mauricio Maureira G.

Locación

Taller

Método de preparación y

De acuerdo con el

Fabricante

REMAPORT LTDA.

limpieza

procedimiento CP015/AL

Nombre del soldador

Juan Pérez G.

Metal base

AlMg4,5 Mn0,7

Fecha de la Prueba

21/03/07

Especificación

BS EN 573 Pl2 AW5083

Principal proceso de soldadura

131-MIG

Composición

Tipo de unión

Planche a Tope

Espesor del material (mm)

Posición de soldadura

Plano Diámetro exterior (mm) Detalle de la preparación para soldar (Dibujo)

Nº del PQR

Diseño de la unión

25

Secuencia de la soldadura

Detalles de soldadura

Ø del metal

Corriente

Voltaje

Tipo de corriente

Vel. alimentación del

(A)

(V)

/ polaridad

alambre (m/min)

360

28

CC +

Ejecución

Proceso

de aporte (mm)

Relleno

131-MIG

1,6

Velocidad de trabajo (mm/min)

Calor de entrada (kj/mm)

430

Detalles de soldadura Marca del metal de aporte

METRODE ER5556

Clasificación del metal de aporte

BS 2901 Pt 4 5556A

Garantía o instrucciones de secado Gas o tipo de fundente:

Protección: 99,995% ARGÓN PURO (PUNTO DE ROCIO < -40 °C) Respaldo:

Velocidad del gas protector:

(l/min) Protección: 26 (l/min) Respaldo:

Tipo de electrdo de tungsteno/tamaño

(mm)

Detalle del respaldo

A5083 CINTA DE RESPALDO 35 mm x 10 mm DE ESPESOR

Temperatura de precalentamiento

(°C) 10 MIN

Temperatura de interfase

(°C) 180

Tratamiento de temperatura post soldadura Tiempo, temperatura, método

(min, °C)

Velocidad de calentamiento y enfriamiento *

(°C/min) Otra Información *

Trazado (máximo trazado de ejecución)

(mm)

15

Oscilación, amplitud, frecuencia, tiempo de aporte Detalle del pulso de la soldadura Distancia al tubo de contacto/pieza de trabajo (mm) Detalle de la soldadura con plasma Ángulo del soplete

(grados) *Si es requerido

Supervisor de Soldadura del Fabricante

Organismo calificador

Nombre

Nombre

Mauricio Maureira G. Fecha 20 de Marzo del 2007

Firma

Firma

TWI Fecha 23 de Marzo del 2007

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BIBLIOGRAFÍA.


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Soldering, Brazing & Welding, Derek Pritchard.
Manual de Soldadura, Pedro Claudio Rodríguez.
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Open House, Indura.
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Guías de soldadura y de Seguridad, Miller.
Reglas para la Construcción y Clasificación American Bureau of Shipping.
Reglas y Guía Germanischer Lloy.
Reglas y Regulaciones para la Clasificación de Barcos Lloyd’s Registers.

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