Soldadura TIG - GTAW

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2 Descripción La soldadura por arco con electrodo no consumible de tungsteno y protección gaseosa de gas inerte (GTAW) es un proceso en el cual la unión de las piezas metálicas se produce por el calentamiento y fusión de estas a través de un arco eléctrico establecido entre un electrodo de tungsteno y la pieza a soldar. La protección de la pileta fundida y del arco contra la contaminación atmosférica está dada por un caudal de gas inerte o mezcla de ellos. Puede haber o no material de aporte.

3 Características Una característica importante de este proceso es el excelente control del calor cedido a la pieza, debido a la independencia entre la fuente de calor y la adición de material de aporte. Esto es semejante a lo que ocurre en soldadura oxiacetilénica. El proceso es adecuado para soldadura de piezas de pequeño espesor y junto a su eficiente protección contra la contaminación, permite la soldadura de materiales de difícil soldabilidad, con óptimos resultados.

4 Características Como el electrodo no es consumible, es posible la soldadura sin material de aporte, especialmente en el caso de chapas finas. Además, como no existen reacciones metal-gas ni metal-escoria, no hay una generación importante de humos y vapores, lo cual permite una visibilidad óptima para el soldador. El costo de los equipos necesarios y de los consumibles utilizados es normalmente alto y por otra parte la productividad del proceso es relativamente baja, lo que limita su aplicación a situaciones en que la calidad de la soldadura sea uno de los factores más importantes.

5 Características El arco eléctrico en la soldadura GTAW es suave, produciendo soldaduras con buena apariencia y terminación, exigiendo poca o ninguna limpieza después de la operación. La forma de trabajo es normalmente manual, en cualquier posición, aunque el proceso puede ser automatizado mediante dispositivos apropiados. Este proceso es aplicable a la mayoría de los metales y aleaciones, en una amplia faja de espesores. Sin embargo, debido a su costo relativamente elevado, se utiliza principalmente en la soldadura de metales no ferrosos y aceros inoxidables, en piezas de pequeño espesor y en pases de raíz en la soldadura de tuberías.

6 Descripción del equipo

7 Descripción del equipo: Fuente El equipo básico utilizado en soldadura GTAW consiste en una fuente de energía eléctrica, una torcha de soldadura, una fuente de gas protector, un dispositivo para apertura del arco y accesorios. La fuente de corriente eléctrica es del tipo corriente constante, pudiendo ser continua, alterna o pulsada. En términos de capacidad, las fuentes de soldadura GTAW suministran una corriente mínima en torno a 5 o 10 A y una corriente máxima en una faja de 200 a 500 A.

8 Descripción del equipo: Fuente En cuanto al tipo de curva característica, las fuente de soldadura GTAW son semejantes a las fuentes para soldar con electrodo revestido, de forma que equipos adecuados para un proceso también pueden ser aplicados en el otro. Las fuentes específicas para soldadura GTAW pueden estar equipadas con dispositivos para apertura de arco y/o temporizadores para control de caudal de gas, así como sistemas de refrigeración de la torcha.

9 Descripción del equipo: Torcha Las torchas de soldadura tienen la función de sostener el electrodo de tungsteno y permitir la salida del gas de protección. Pueden estar refrigeradas por el propio gas de protección (hasta aprox. 150 A) o por agua (hasta 500 A). Normalmente se emplea un circuito cerrado de refrigeración, con motor, bomba y radiador. Las torchas para proceso GTAW poseen internamente una pinza que sirve para asegurar el electrodo de tungsteno y realizar el contacto eléctrico. Debe usarse la pinza correcta para cada diámetro de electrodo.

10 Descripción del equipo: Torcha Las torchas tienen boquillas cerámicas o metálicas para direccionar el caudal de gas de protección. Son suministrados en diferentes diámetros, que se eligen en función del espesor de la pieza a soldar o de la corriente a aplicar. Se pueden usar también dispositivos especiales para mejorar la eficiencia de la protección gaseosa en situaciones especiales como los gas lens (mallas finas colocadas entre el el electrodo y la boquilla para lograr un flujo en régimen laminar) y los trailing shields (son una segunda boquilla de salida de gas, colocada detrás de la torcha, permitiendo proteger un área mayor del cordón de soldadura durante el enfriamiento).

11 Descripción del equipo: Gas La fuente de gas de protección consiste en uno o más cilindros de gas inerte con reguladores de presión y caudal de gases. Si se utilizan mezclas, se podrá emplear un mezclador y sistemas de válvulas para optimizar el consumo y la operación. La fuente posee temporizadores que permiten controlar el adelanto en el inicio de la salida de gas y el retardo al final de la ejecución de la soldadura.

12 Descripción del equipo: Dispositivos de apertura del arco En la soldadura con electrodos consumibles, se abre el arco tocando la pieza con el electrodo y estableciendo un corto-circuito momentáneo. En soldadura GTAW esto no es adecuado pues produce transferencia de tungsteno hacia la pieza, contaminando tanto el metal base como el electrodo. Para permitir el inicio del arco sin tocar la pieza se utiliza alta frecuencia. Es un dispositivo que genera, superpuesto a la corriente de soldadura, una señal de alta tensión y alta frecuencia (5 kv, 5 khz), permitiendo la ionización de la columna de gas entre el electrodo y la pieza, logrando abrir el arco con bajas tensiones en la fuente, del orden de 60 a 80V. La señal es de bajísima potencia y no ofrece peligro para el soldador.

13 Descripción del equipo: Electrodos Los electrodos utilizados en la soldadura GTAW son varillas sinterizadas de tungsteno puro o con adición de elementos de aleación, tales como óxido de torio u óxido de zirconio, siendo su función conducir la corriente eléctrica hasta el arco. La capacidad de conducción varía con la composición química, el diámetro y tipo de corriente. El límite inferior de corriente para un electrodo determinado está relacionado con la pérdida de estabilidad del proceso y el límite superior con el desgaste excesivo o la fusión del mismo.

14 Descripción del equipo: Electrodos Los electrodos de tungsteno puro son de menor costo y se utilizan generalmente con corriente alterna, en aplicaciones más simples. Los electrodos con adición de óxido de zirconio presentan mejor desempeño que los anteriores y se usan también con corriente alterna. Los electrodos con óxido de torio se emplean con corriente continua. Recientemente surgieron electrodos con adiciones de óxido de cerio, que posibilitan aún mejor estabilidad de arco y mayor durabilidad de los mismos.

15 Descripción del equipo: Electrodos La forma de la punta del electrodo se obtiene generalmente por medios mecánicos, antes de iniciar la soldadura y puede ser una variable importante para garantir repetitividad en los resultados. El electrodo se coloca en la torcha de modo que su extremo se extienda más allá de la boquilla una distancia de aproximadamente un diámetro. Se pueden usar mayores extensiones para conseguir mejor visibilidad de la pileta fundida, pero se reduce la zona protegida por el gas.

16 Descripción del equipo: Electrodos

17 Diámetro del Electrodo (mm) Descripción del equipo: Electrodos CA Corriente de soldadura (A) - CC W W Zr W/W Th (CC + ) W/W Th (CC - ) W: electrodo de tungsteno W Zr: electrodo de tungsteno con óxido de zirconio W Th: electrodo de tungsteno con óxido de torio

18 Consumibles Los consumibles principales en la soldadura GTAW son los gases de protección y las varillas de metal de aporte. Los electrodos de tungsteno, a pesar de no ser considerados consumibles, se desgastan durante el proceso, debiendo ser reacondicionados y sustituidos con cierta frecuencia. Los gases de protección empleados son inertes, principalmente argón, helio o mezclas de ambos. La pureza de los gases es de gran importancia para la calidad de la soldadura, exigiéndose tenores mínimos de 99.99%.

19 Consumibles Comparando la soldadura con argón y con helio se tiene lo siguiente: Argón: Mejor estabilidad de arco. Menor consumo de gas. Menores tensiones de arco. Menor costo. Mayor facilidad de abrir el arco. Mejor efecto de limpieza de óxidos con CA. Helio: Mayor consumo de gas. Mayores tensiones para igual corriente (mayor energía de soldadura). Mayor penetración del cordón. Costo más alto. Mayor velocidad de avance.

20 Consumibles La soldadura con mezclas Ar+He presenta características intermedias, dependiendo de la proporción. Una mezcla 80% Ar + 20% He reúne las mejores características de c/u de ellos. La selección del gas depende del material a soldar, la posición de soldadura y el espesor de las piezas a unir. Material Espesor (mm) Soldadura manual Aleaciones de Aluminio < 3.2 > 3.2 Acero al Carbono < 3.2 > 3.2 Acero inoxidable < 3.2 > 3.2 Aleaciones de cobre < 3.2 > 3.2 Ar (CA) Ar (CC-) Ar (CC-) Ar-He (CC-) Ar He (CC-) He (CC-)

21 Consumibles El metal de adición para soldadura manual se suministra en forma de varillas de largo aproximado a 1 m. Para soldadura mecanizada, el metal se suministra en forma de alambre en bobinas. Los diámetros varían entre 0.5 y 5 mm aproximadamente. Los materiales de adición están disponibles en una gran variedad de aleaciones. Generalmente su composición química tiene límites de tolerancia inferiores a los del metal base de igual tipo y su costo es más elevado. La elección del material de aporte para una determinada aplicación es función de la composición química y de las propiedades mecánicas deseadas para la soldadura. En general se usa aporte de composición similar a la del metal de base, aunque no necesariamente idéntica.

22 Técnica operatoria Antes de iniciar la soldadura, es indispensable la remoción de aceite, grasa, suciedad, pintura, óxido o cualquier contaminación existente en el metal de base. Es recomendable que se inicie la salida de gas inerte algunos segundos antes de la apertura del arco. Este tiempo es llamado de pre-purga. Luego se produce la apertura del arco, con un dispositivo que genera alta frecuencia u otro medio semejante.

23 Técnica operatoria Se mantiene la torcha parada por un cierto tiempo hasta formar la pileta de fusión. Cuando ésta alcanza el tamaño adecuado, se inicia el movimiento a lo largo de la junta y eventualmente la adición de aporte. La adición se realiza en la pileta de fusión, delante de la torcha, con la varilla formando un ángulo de 15º con la pieza. Debe cuidarse de no retirar la punta caliente de la varilla de la cortina protectora de gas inerte, para no contaminarla Al final, se extingue el arco, interrumpiendo el pasaje de corriente. Con la torcha sobre la última zona soldada, se deja salir un caudal de gas durante cierto tiempo ( pos-purga ).

24 Técnica operatoria a) Generación de la pileta de fusión. b) Leve retroceso de la torcha. c) Aporte de material. d) Alejamiento de la varilla. e) Avance de la torcha conduciendo la pileta de fusión.

25 Técnica operatoria En soldadura con corriente continua, el ignitor de alta frecuencia se usa solamente para la apertura del arco, siendo desconectado después. El propio dispositivo interrumpe la señal cuando el arco está en operación. En soldadura con corriente alterna, como la corriente se anula a cada inversión de polaridad, el arco tiende a extinguirse cuando la corriente es baja o nula. De esta forma, el ignitor debe permanecer encendido durante toda la operación, a fin de estabilizar la descarga eléctrica. Debe considerarse que la señal de alta frecuencia generada por el ignitor puede interferir en la operación de circuitos electrónicos próximos.

26 Técnica operatoria Las principales variables operatorias de la soldadura GTAW son el largo de arco, la corriente, la velocidad de avance y el caudal de gas protector. El largo del arco es la distancia entre el extremo del electrodo y la pieza de trabajo. Para una corriente y gas de protección definidos, el voltaje del arco aumenta con su longitud. Cuanto mayor es la longitud del arco, el cordón se hace más ancho y con menos refuerzo. Los arcos muy cortos o muy largos tienden a ser inestables, lo que favorece la formación de discontinuidades como porosidad, falta de fusión y mordeduras. La corriente de soldadura se selecciona directamente en la fuente y cuanto mayor sea, mayor resulta la penetración y el ancho del cordón.

27 Técnica operatoria La geometría del cordón varía con el tipo de corriente utilizada, según se muestra en la figura.

28 Técnica operatoria El efecto de limpieza mostrado en la figura anterior consiste en la remoción de capas superficiales de óxidos del metal base, por la acción del arco eléctrico, cuando el electrodo es positivo. Por lo tanto, este tipo de corriente y polaridad sería ventajoso en la soldadura de metales fuertemente reactivos como aluminio, magnesio y titanio. Sin embargo, como el balance térmico en esta situación es muy desfavorable, llevando a un proceso ineficiente, esto se aplica solamente en el caso de piezas muy finas. Soldando con corriente alterna se obtiene una situación intermedia, produciéndose remoción de óxidos en cada semi-ciclo de corriente en que el electrodo es positivo.

29 Técnica operatoria La penetración y el ancho del cordón tienden a disminuir con el aumento de la velocidad de soldadura. Lo mismo sucede con el refuerzo en la soldadura con aporte. De forma general, cuanto mayor sea la velocidad de soldadura, mejor es la eficiencia y la productividad, permitiendo una reducción de costos por unidad de longitud de soldadura producida. Sin embargo, velocidades exageradas pueden introducir discontinuidades en el cordón, tales como falta de fusión, falta de penetración y mordeduras.

30 Técnica operatoria El caudal de gas de protección influye directamente en la calidad del cordón de soldadura. Caudales bajos producen una protección insuficiente, pudiendo generar oxidación excesiva, porosidad, etc. Caudales elevados no causan problemas operativos en general, pero aumentan mucho el costo de la soldadura. Caudales muy elevados pueden producir turbulencia en el flujo de gas, resultando en efectos semejantes a los de caudal bajo, con un costo muy significativo debido al mayor consumo. Una regla práctica para determinar el caudal ideal en un caso determinado es hacer una prueba, iniciando con un caudal elevado e ir disminuyendo gradualmente hasta que se inicie la oxidación superficial del cordón de soldadura. El caudal ideal estará ligeramente por encima de este último.

31 Condiciones ambientales y de protección individual adecuadas El arco eléctrico emite radiación ultravioleta intensa, por lo cual el soldador deberá usar guantes, botas, ropa de protección, máscara con vidrio de filtro adecuado. Deberán retirarse o mantenerse tapados aquellos recipientes que contengan solventes clorados (tricloroetileno, percloroetileno) para evitar su descomposición formando fósgeno bajo la acción de la radiación ultravioleta.

32 Aplicaciones industriales La soldadura GTAW es uno de los procesos más versátiles en términos de aleaciones soldables, produciendo soldaduras de óptima calidad. En contrapartida es relativamente caro y lento, con baja productividad. Por estas razones, la soldadura GTAW es empleada principalmente en la unión de metales difíciles de ser soldados por otros procesos o en situaciones en que es necesario un control riguroso del calor cedido a la pieza. Las principales aplicaciones industriales de la soldadura GTAW son: acero inoxidable, aluminio, magnesio y titanio, piezas de precisión (por ej. industria aeroespacial), pases de raíz en tuberías de aceros al carbono y otros materiales.

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