Carta maestra de procesos: Arc welding

Transcripción

1 Juan Donoso V. Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales 2012 Carta maestra de procesos: Arc welding 1

2 Procesos de Soldadura al Arco AHW BMAW Atomic Hydrogen Welding Bare Metal Arc Welding Arc welding CAW Carbon Arc Welding CAW-G Carbon Arc Welding - Gas CAW-S CAW-T Carbon Arc Welding - Shielded Carbon Arc Welding - Twin Procesos de Soldadura al Arco Arc welding FCAW FCAW-EG GMAW GMAW-EG GMAW-P GMAW-S GTAW GTAW-P Flux Cored Arc Welding Flux Cored Arc Welding - Electrogas Gas Metal Arc Welding Gas Metal Arc Welding - Electrogas Gas Metal Arc Welding - Pulsed arc Gas Metal Arc Welding - Short circuiting arc Gas Tungsten Arc Welding Gas Tungsten Arc Welding - Pulsed arc 2

3 Procesos de Soldadura al Arco Arc welding PAW SMAW SW SAW SAW-S Plasma Arc Welding Shielded Metal Arc Welding Stud Arc Welding Submerged Arc Welding Submerged Arc Welding - Series Fuentes de Calor La mayoría de los procesos de soldadura requiere de la aplicación de calor y/o presión para producir la unión. Nuestro interés: generación de calor por efectos de alguna reacción química (v.g., oxidación de un gas combustible), o por generación de un arco eléctrico, o "plasma". Denominación genérica: "fuente de calor", que no debe ser confundido con "fuente de potencia" 3

4 Ejemplos de fuentes Potencia Calor Rol que desempeña la fuente de calor a) Calienta las piezas, b) Funde localmente las piezas a unir (en la mayoría de los casos, particularmente en procesos de arco) c) Funde el metal de aporte (si lo hay) La fuente de calor debe transferir suficiente cantidad de energía, E, con una alta intensidad, I, si se quiere producir fusión local. Las siguientes definiciones permiten ver diferencias entre procesos: Potencia, P = de (fuente a pieza)/dt, y se mide en [J/s], o [W] Intensidad, I = de/da, [W/mm2], donde A es el área efectiva de contacto entre fuente y pieza. Un ranking simple es: I(LBW) > I(EBW) > I(PAW) > I(GTAW) 4

5 El concepto de "aporte de energía" es, por lo tanto, fundamental para el análisis de conducción de calor (y de fusión). En el caso de soldadura por arco, se define como aporte la cantidad de energía introducida por una fuente de calor móvil por unidad de longitud de cordón, y se mide en [J/cm]. Se calcula como el cociente entre la potencia entregada, y la velocidad de avance: Q = P/v = V I/v Q = 60 VI/v [J/cm] donde: V = tensión aplicada, volts I = corriente, amperes, y v = velocidad de avance o pasada, cm/min Modelo v Q T o y z x B Parámetros: Q (V,I,v); B; T o 5

6 Considerando que el proceso tiene una eficiencia en general menor que uno, se define el "calor de aporte" neto, como H = η(v I / v) donde 0.50 < 1 < 1.0 es la eficiencia del proceso. Valores típicos para los procesos de soldadura por arco, son: - SMAW, η = GTAW, η GMAW, η SAW, η 1.0 El Arco Eléctrico. Física del Arco. El arco eléctrico consiste en un chorro ("plasma jet") de partículas cargadas en un medio gaseoso, el que ayuda a la estabilidad del arco. Esto es, el arco o plasma es una corriente de gases ionizados y de electrones, cuya temperatura máxima puede alcanzar los K. Una definición apropiada es El arco es una descarga eléctrica sostenida en el tiempo a través de un plasma conductor de alta temperatura, que produce energía térmica suficiente como para ser útil para unir metales por fusión 6

7 La descripción de las características del arco implica asumir que el electrodo que forma parte del equipo de soldadura tiene un signo dado (por ejemplo, negativo, o catódico. En adelante, este componente, que emite ê será designado simplemente como "electrodo ) En el otro extremo, la pieza de trabajo tiene signo opuesto (positivo, o anódico) En este caso, se habla de "corriente continua, polaridad directa" (CCPD). Esta situación se puede revertir, dando lugar a "corriente continua, polaridad inversa" (CCPI) Tipos de circuitos CC _ + + g _ g CCPD penetración CCPI 7

8 Tipos de circuitos CC CCPI CCPD + + Circuitos básicos en soldadura Como característica básica, el sistema CCPD logra que el electrodo esté "frío", y la pieza "caliente", lo que se traduce en una pileta angosta y profunda. Con CCPI, ocurre lo contrario, obteniéndose una pileta ancha y poco profunda, como se vio en las figuras. Mantener un valor de g relativamente constante es esencial para definir el tipo de equipo a usar. Realizar una adecuada selección de procesos, y comprender el efecto de algunas de las variables que influyen sobre éstos, implica conocer las características del arco, en el plano V-I. La curva, conocida como característica del arco, tiene una forma típica, cuya posición y extensión relativas dependen de: - tamaño del electrodo (y ángulo de la punta) - presión ambiente - tipo de atmósfera (tipo de gas) - "gap" o longitud del arco 8

9 Selección de procesos: característica del arco V V g 2 > g 1 g 2 > g 1 g 1 g 1 I I Característica del arco: respuesta de la máquina V V g 2 > g 1 g 2 > g 1 g 1 g 1 I I Corriente constante (SMAW, TIG) Tensión constante (Otros) 9

10 El arco o plasma, en lo que a soldadura respecta, permite: calentar y fundir remover óxidos transferir metal a la pieza de trabajo Preguntas básicas: el metal transferido, llega a la pieza de trabajo por gravedad?, o cómo se "sostiene" el metal líquido en la unión cuando cambio de la posición plana a otra?, o si tengo que soldar en posición sobre-cabeza, se caerá el metal fundido hacia abajo? Fuerzas en la punta del electrodo 1.-Tensión Superficial: retiene el líquido en la punta del electrodo. Esta fuerza depende del radio del electrodo, de la constante de capilaridad del metal, y de la tensión superficial del líquido. 2.- Gravedad: puede retener (cuando apunta hacia arriba), o desprender (apunta hacia abajo). Depende de la densidad y del volumen de la gota. 3.- Electromagnética o de Lorenz: separa la gota de la punta del electrodo. Se debe a la interacción de la corriente con su propio campo magnético. Depende del valor de la corriente (al cuadrado), y del cambio en la sección recta de la interfaz electrodo-gota. 4.-Fuerza hidrostática 5.- Fuerza electrodinámica 6.-Fuerza de evaporación 10

11 Procesos de soldadura por arco, AW SMAW 11

12 SMAW: Soldadura por Arco Metálico Protegido Núcleo metálico Revestimiento sólido Protección gaseosa Escoria protectora Cono protector Penetración Metal depositado Pileta líquida Cráter Metal base, MB SMAW Es probable que el proceso de soldadura por arco metálico protegido, con electrodos revestidos con un material fundente, sea, en promedio, el principal proceso de soldadura al arco (o el más conocido) en todo el mundo. Es muy apropiado para soldaduras cortas de producción, para mantenimiento y reparación, y para trabajo de terreno. En Chile el 60-70% de la producción por soldadura es por SMAW. En este proceso, el arco (o plasma) porta pequeñas gotas de metal fundido, desde la punta del electrodo hacia la pieza de trabajo. El principio básico de este proceso es la protección del arco, obtenida por la descomposición del recubrimiento del electrodo 12

13 SMAW: ventajas 1.-Equipo simple, barato y portátil. 2.-El metal de aporte, y los medios para protegerlo de contaminación, son proveídos por el recubrimiento del electrodo. 3.-Gas auxiliar o fundente granulado para protección, no son necesarios. 4.-El proceso es menos sensible a corrientes de aire que otros protegidos por gas. 5.-Puede ser usado en áreas de acceso limitado. 6.-Es adecuado para la mayoría de los metales y aleaciones usados normalmente. SMAW El recubrimiento desempeña las siguientes funciones: 1.-Crea una atmósfera inerte protectora 2.-Confiere estabilidad al arco 3.-Forma una película de escoria protectora de la pileta líquida Con SMAW se puede soldar aceros al carbono, "low alloy", e inoxidables; hierros fundidos y aleaciones de níquel, y algunas aplicaciones en aleaciones de cobre y de aluminio. No es recomendable para soldar metales de bajo punto de fusión como plomo, estaño y cinc, por el intenso calor, Tampoco para metales reactivos como Titanio, Circonio, Tántalo y Niobio, por la pobre protección que les ofrecería. Por supuesto, SMAW permite realizar soldadura de metales disímiles (con el aporte apropiado). 13

14 GTAW: Soldadura por arco de tungsteno y gas Metal de aporte externo Arco Dirección de soldadura Protección gaseosa Cabezal TIG Conductor eléctrico Protección gaseosa Tubo de contacto Electrodo de tungsteno Metal depositado Protección gaseosa GTAW La soldadura por arco de tungsteno y gas (TIG = Tungsten Inert Gas) utiliza un arco entre un electrodo de tungsteno (no consumible) y la pieza de trabajo (pileta líquida). La protección se logra con un gas (o mezcla de gases), y la unión se puede realizar con la adición de metal de aporte, o sin éste (autógena). El proceso usa un electrodo no-consumible de tungsteno (o de una aleación de tungsteno), en un porta-electrodo por cuyo interior fluye el gas protector. El gas protege al electrodo, a la pileta líquida, y al metal que solidifica, de la contaminación por gases de la atmósfera. Adicionalmente, el gas protector coadyuva a la formación del arco. Entre las ventajas del proceso, destacan: 14

15 GTAW: ventajas 1. Uniones de calidad superior, generalmente libres de defectos. 2. Cordones libres de salpicaduras. 3. Dependiendo de la aplicación, puede o no usar metal de aporte. 4. Excelente control de la penetración en pase de raíz. 5. Puede producir soldaduras autógenas a altas velocidades. 6. Usa fuentes de potencia relativamente baratas. 7. Permite control preciso de las variables de soldadura. 8. Permite soldar casi todos los metales, incluyendo uniones disímiles. 9. Permite control independiente de fuente de calor y metal de aporte. GTAW: desventajas 1. Velocidades de depositación menores que con otros procesos. 2. Se requiere mayor destreza del soldador que con SMAW o GMAW. 3. Es menos económico que otros procesos para espesores > 10 mm. 4. Es difícil proteger la zona a soldar en presencia de corrientes de aire. 5. Se pueden producir inclusiones de tungsteno si el electrodo toca la pileta líquida. 6. Puede haber contaminación del metal de soldadura si no se mantiene una adecuada protección por el chorro de gas protector. 7. Menor tolerancia por contaminantes en metales base y de aporte. 8. Posible contaminación o porosidad por fuga de líquido enfriador desde el porta-electrodo (generalmente enfriado por agua). 15

16 SAW: soldadura por arco sumergido A fuente de poder Metal de aporte externo (alambre) A depósito de fundente Contacto eléctrico Metal depositado Escoria sólida Soporte de fundente Alimentación de fundente Fundente sólido particulado Bisel Placa de respaldo Oreja Metal de aporte (alambre) Metal base Dirección de soldadura Conexión a tierra SAW: submerged arc welding El proceso de soldadura por arco sumergido (SAW) produce coalescencia de metales al calentarlos con un arco producido entre un electrodo metálico desnudo, y la pieza de trabajo. El arco y la pileta líquida están "sumergidos" en un "cerro" de fundente granular sobre la pieza. El metal de aporte proviene del electrodo, pero a veces se utiliza varillas o granallas metálicas. 16

17 SAW En soldadura por SAW, el fundente desempeña los siguientes roles: 1. Da estabilidad al arco 2. Las propiedades del depósito final pueden controlarse vía fundente, y 3. La calidad de la unión puede verse afectada por el cuidado y manejo del fundente. Los factores que se debe tener en cuenta para decidir si se debe usar SAW, incluyen los siguientes: Composición química y propiedades mecánicas requeridas para el depósito final. Espesor del metal base a soldar. Accesibilidad de la junta. Posición en que hay que realizar la unión. Frecuencia o volumen de soldadura a realizar. SAW Una de las características únicas de SAW es el "cerrito" de fundente que se debe transportar a medida que se realiza el depósito. Se debe recordar que bajo este fundente están el metal y la escoria en estado líquido. Con el propósito de contener tanto al fundente como al líquido, se utilizan unas orejas" de partida y de término las cuales están "pinchadas" a la pieza en los sitios de inicio y término del depósito de soldadura. Estas orejas deben tener geometría similar a la pieza a soldar (igual ángulo del bisel, etc.), y sirven, adicionalmente, para eliminar los efectos de los transientes de inicio ("raspón") y término de la soldadura por SAW. 17

18 SAW La mayoría de las soldaduras efectuadas por SAW corresponden a posición plana. Sin embargo, en ocasiones es posible realizar las uniones en posiciones levemente alejadas de la plana. Cono de molienda Porta-alambre SAW FCAW Arco abierto Con protección gaseosa 18

19 FCAW: soldadura por arco con núcleo fundente Soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW) es un proceso de soldadura que utiliza un arco entre un electrodo continuo y la pileta líquida. El proceso se usa con protección de un fundente contenido en el electrodo tubular, y con o sin la protección adicional externa de gas. El electrodo con núcleo fundente es un electrodo tubular de metal de aporte, consistente de una vaina metálica, y un núcleo de varios materiales en polvo. Al soldar, se produce una capa de escoria protectora sobre el cordón de soldadura. Las bondades del proceso se logran combinando las siguientes características: FCAW 1. Alta productividad conseguida con una alimentación continua de alambre. 2. Beneficios metalúrgicos derivados de la presencia de un fundente. 3. Una escoria que soporta y da forma al cordón. 4. La ventaja más clara de FCAW, cuando se le compara con SMAW, es su alta productividad, mayores velocidades de depositación, y mayores eficiencias de depositación (no hay pérdidas de restos de electrodos como en SMAW). 5. Esto se traduce en costos menores de metal depositado en uniones que permitan soldadura continua, y accesibilidad de equipo y pistola FCAW. 19

20 FCAW Las principales desventajas, comparado con SMAW, son: mayor costo del equipo, mayor complejidad del equipo, restricción en distancia de operación desde el alimentador de alambre. grandes volúmenes de gases y humos, lo que requiere de un adecuado apoyo de equipo de extracción en taller. Comparado con GMAW, se requiere remover la escoria entre pases, lo que significa un costo adicional. GMAW: Soldadura por arco metálico y gas 20

21 GMAW (MIG) Este proceso, conocido también como MIG, es un proceso del tipo CCPI, en el cual el electrodo consumible, en la forma de un alambre desnudo y continuo, es protegido externamente por una atmósfera gaseosa de He, Ar, o una mezcla Ar-CO2. Los usos del proceso GMAW están estrechamente vinculados con sus ventajas GMAW: ventajas 1. Es el único proceso de electrodo consumible que puede ser usado para soldar todos los metales y aleaciones comerciales. 2. No existe restricción de longitud limitada de electrodo como en SMAW. 3. Soldadura puede hacerse en toda posición, a diferencia de SAW. 4. Velocidades de depositación son significativamente mayores que en SMAW. 5. Velocidades de pasada > que en SMAW, debido a la alimentación continua, y a tasas de depositación >'s. 6. Debido a la alimentación continua, se puede depositar cordones largos sin interrupción (detenciones y comienzos). 7. Cuando se usa transferencia por spray, se logra mayor penetración que con SMAW, lo que puede permitir el uso de uniones de filete más pequeñas para resistencias equivalentes. 8. Se requiere una mínima limpieza post-soldadura debido a la ausencia de escoria (como en SMAW). 21

22 GMAW, modo cortocircuito Modos globular y spray 22

23 Corriente de transición GMAW: desventajas 1. Los equipos son más complejos, más caros, y menos portátiles que aquellos para SMAW. 2. Es más difícil usarlo en lugares poco accesibles, debido a que la pistola de soldar es más grande que un porta-electrodo para SMAW. Además, la pistola GMAW debe estar cerca de la unión (10 a 20 mm.) para asegurar una adecuada protección gaseosa. 3. El arco debe estar protegido contra corrientes que dispersen el gas de protección. Esto limita aplicaciones de terreno, a menos que se instalen escudos de protección en torno a la unión a efectuar. 4. Niveles de radiación (calor) relativamente altos para el soldador. 23

24 Procesos y metales base Procesos y metales base 24

25 Procesos y metales base PAW: soldadura por arco plasma 25

26 PAW Soldadura por arco plasma es un proceso de soldadura que produce coalescencia de metales al calentarlos con un arco constreñido entre un electrodo y la pieza (arco transferido), o entre un electrodo y la tobera constrictora (arco no-transferido). La protección se logra generalmente de los gases ionizados y calientes que emanan de la tobera. Este sistema es a menudo complementado con una fuente auxiliar de gas protector, el que puede ser un gas único, o una mezcla de gases inertes. En el caso de PAW, no se aplica presión, y se puede usar o no metal de aporte (como en GTAW). PAW El proceso PAW es muy bien aceptado en las industrias de fabricación, aeroespacial, y nuclear. Resulta económico, además de ofrecer calidad y confiabilidad en la unión soldada. Todos los metales y aleaciones soldables con GTAW pueden ser satisfactoriamente soldados con el proceso PAW, el que es usado para unir la mayoría de los metales, en toda posición. Algunas de sus principales ventajas (comparado con GTAW) son: 26

27 PAW 1. La concentración de energía es mayor, por lo tanto: a) velocidades de soldadura pueden ser mayores en algunas aplicaciones. b) se requiere menores intensidades de corriente para producir una soldadura, con menor distorsión c) la penetración puede ser controlada a través de las variables de soldadura. 2. Mejora la estabilidad de arco. 3. La columna del arco tiene mayor estabilidad direccional. PAW 4. Produce cordones más angostos para una penetración dada, con menor distorsión. 5. Se requiere de menos arreglos para algunas aplicaciones. 6. Si se requiere metal de aporte, es más fácil soldar puesto que el electrodo no tocará la pileta líquida. Esto además elimina la contaminación por tungsteno. 7. Pequeñas variaciones en la distancia torcha-pieza no afectan el ancho del depósito. Esto simplifica operaciones de soldadura cuando el soldador se sale de posición. 27

28 Posiciones en soldadura Posiciones en soldadura Ascendente Descendente 28