FORMACIÓN EN INSPECCIÓN DE SOLDADURA Soldadura MIG / MAG - GMAW

Transcripción

1 Descripción Es un proceso en el cual se establece un arco eléctrico entre un electrodo (alambre) no revestido alimentado en forma continua y la pieza de trabajo. La pileta de fusión es protegida por un gas que puede ser inerte (proceso MIG) o activo (proceso MAG). MIG: METAL INERT GAS. MAG: METAL ACTIVE GAS.

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3 Descripción del equipo REGULADOR-CAUDALIMETRO METAL BASE GAS DE PROTECCIÓN ALAMBRE ELECTRODO PISTOLA DE SOLDAR ALIMENTADOR TUBO DE GAS ARCO FUENTE V CTE(CV)

4 Descripción del equipo El equipamiento básico para soldadura GMAW está compuesto por una fuente de energía, un alimentador de alambre, una torcha y una fuente de gas protector, además de cables y mangueras como se muestra en la figura anterior. En los casos que se utilice soldadura automatizada, pueden emplearse dispositivos auxiliares como posicionadores y sistemas controlados de movimiento de la torcha.

5 Descripción del equipo Tipo de fuente Para que un proceso de soldadura con electrodo consumible sea estable, es necesario que la velocidad de consumo (fusión) del electrodo sea, en promedio, igual a su velocidad de alimentación, de modo que la longitud del arco permanezca relativamente constante. En la soldadura GMAW existen dos alternativas básicas para lograr este objetivo: 1. Permitir que el equipo controle la velocidad de alimentación, de modo de igualarla a la velocidad de fusión. 2. Mantener la velocidad de alimentación constante y permitir variaciones en los parámetros de soldadura, de forma de mantener la velocidad de consumo aprox. constante y en promedio, igual a la velocidad de alimentación del alambre.

6 Descripción del equipo Tipo de fuente 1. En este caso se trabaja con una fuente de tipo corriente constante, que permite una velocidad de fusión aprox. constante, con un alimentador de alambre de velocidad variable, controlada por el equipo, de forma de mantener la longitud del arco estable. Este control se realiza por comparación de la tensión del arco en cada instante, con un valor de referencia, modificando la velocidad de alimentación de manera de compensar las diferencias observadas entre la tensión real del arco y la tensión de referencia. Por ejemplo, si en cierto momento, por un movimiento involuntario el soldador aleja la torcha de la pieza, provocando un aumento indeseable en el largo del arco de soldadura, se producirá una elevación de la tensión del arco, que será mayor que la tensión de referencia, produciendo un aumento momentáneo de la velocidad de alimentación de alambre, restableciéndose la condición inicial.

7 Descripción del equipo Tipo de fuente 2. En este caso se emplea una fuente de tipo voltaje constante y un alimentador de alambre con velocidad de alimentación constante. Con esas características, este tipo de equipo tiende a mantener la longitud de arco estable. Se puede observar que variaciones en el largo del arco, las cuales van acompañadas de modificaciones en su tensión, tienden a causar grandes variaciones en la corriente de soldadura (FENÓMENO DE AUTO- AJUSTE DEL ARCO).. De esta forma, si en un instante dado el arco toma una longitud mayor que la de equilibrio, la corriente se reduce de modo que la velocidad de consumo cae y el largo del arco tiende a volver a su valor original. Se razona de igual forma cuando el arco disminuye momentáneamente su longitud. Este sistema es más barato, más simple y presenta buenos resultados con alambres más finos (hasta 3.2 mm de diámetro).

8 La fuente utilizada es normalmente del tipo transformador-rectificador, con curva estática característica del tipo voltaje constante, debido al fenómeno de autoajuste del arco. V (Volt.) V1 L2 Característica de Tensión Constante L1 L3 Efecto Auto ajuste del arco. El soldador controla sólo la longitud de arco correcta, el resto control interno de la fuente ( L2>L1>L3 ) Rango de caída de tensión en la fuente: 2 a 8 Volt/100 A. A1 A (Amp.)

9 En definitiva, el autoajuste del arco consiste en una tendencia al equilibrio del arco en una longitud determinada. V(Volt.) 3 I En la figura se presentan tres tipos de curvas estáticas de fuente un dos curvas características de arco. Nótese que la fuente con curva ascendente produce mayor variación en I ( I 3 ) que la curva con voltaje constante ( I 2 ) y que la fuente con corriente constante ( I 1 ). 4 I 3 > I 2 > I 1 I 1 I 3 I (A) 1,2: Curvas características de arco. 3,4,5: Curvas estáticas de fuente.

10 El fenómeno de auto-ajuste del arco depende del nivel de variación de la corriente al modificarse la longitud del arco. La fuente que reaccione con mayor variación de corriente ( I i ), conseguirá restaurar más rápidamente la longitud de arco original. Por esta razón las fuentes con curva de tipo ascendente y de voltaje constante son las que mejor se adaptan a la dinámica de los procesos GMAW y SAW. No obstante, las primeras no se utilizan por eventuales problemas de inestabilidad.

11 Descripción del equipo Alimentador de alambre. El alimentador de alambre utilizado normalmente es accionado por un motor de corriente continua y suministra material a una velocidad constante, ajustable en una faja amplia de valores. Al ajustar la velocidad de alimentación del alambre, se regula la corriente de soldadura suministrada por la máquina, debido a las características de la fuente y del proceso. El alambre pasa entre un conjunto de rodillos, llamados rodillos de alimentación, que pueden estar próximos o lejanos a la torcha de soldadura. Dependiendo de la distancia entre el carretel de alambre y la torcha, uno u otro tipo de alimentador presenta mejores resultados.

12 Descripción del equipo Torcha. La torcha de soldadura consiste básicamente en un tubo de contacto, que produce la energización del alambre, de una boquilla que orienta el caudal de gas protector y de un gatillo de accionamiento del sistema. El tubo de contacto es un tubo a base de cobre, cuyo diámetro interno es ligeramente superior al diámetro del alambre y actúa como contacto eléctrico deslizante. La boquilla está construida en cobre o material cerámico y debe tener un diámetro compatible con la corriente de soldadura y el caudal de gas a emplear en la aplicación concreta.

13 Descripción del equipo Torcha. El gatillo de accionamiento mueve un contactor que está conectado al primario del transformador de la fuente, energizando el circuito de soldadura, además de accionar el alimentador de alambre y una válvula solenoide que comanda el caudal de gas protector de la torcha. Las torchas para soldadura GMAW pueden ser refrigeradas por agua o por el propio gas de protección, dependiendo de su capacidad y factor de trabajo. En cuanto a la forma, pueden ser rectas o curvas, del tipo cuello de cisne, para mejor operatividad.

14 Consumibles. Los principales consumibles utilizados en la soldadura GMAW son el alambre electrodo, el gas de protección y en algunos casos un spray de protección de la torcha y regiones adyacentes contra la adhesión de salpicaduras. Consumibles Alambres. AWS A5.18: Alambres sólidos y varillas aceros al carbono para procesos bajo protección gaseosa (GMAW, GTAW, PAW). AWS A5.20: Alambres acero al carbono para soldadura FCAW. AWS A5.22: Alambres acero inoxidable para soldadura FCAW y varillas acero inoxidable para GTAW.

15 Consumibles Alambres. Los alambres para soldadura están constituidos por metales o aleaciones que poseen composición química, dureza, condiciones superficiales y dimensiones bien controladas. Los alambres de mala calidad pueden producir fallas en la alimentación, inestabilidad de arco y discontinuidades en los cordones de soldadura. Los alambres para acero al carbono generalmente reciben una capa superficial de cobre con el objetivo de mejorar su terminación superficial y el contacto eléctrico con el tubo de cobre. Los alambres de acero empleados con protección de CO 2 contienen mayores tenores de Si y Mn en su composición, debido a su acción desoxidante.

16 Consumibles Alambres. La selección del alambre a ser utilizado en una determinada aplicación se realiza en términos de la composición química del metal de base, del gas de protección a emplear y de la composición química y propiedades mecánicas deseadas para la soldadura. Los alambres y varillas cubiertos por la especificación AWS A5.18 utilizan un sistema de clasificación basado en la composición química del electrodo y en las propiedades mecánicas del metal de soldadura. El sistema para identificar los consumibles cubiertos por esta especificación siguen el modelo de otras especificaciones AWS ya vistas.

17 Consumibles Alambres. ER XXY-Z Las letras ER indican que el metal de aporte puede ser usado en forma de alambre o de varilla. El conjunto XX indica la mínima resistencia a tracción del metal de soldadura producido por el aporte, multiplicado por el factor 1000, expresado en psi. El dígito Y puede ser una letra S (designa un alambre sólido o varilla) o una letra C (designa un aporte compuesto). El dígito Z indica la composición química del alambre.

18 Consumibles - Gases de protección Los gases utilizados en la soldadura GMAW pueden ser inertes, activos o mezclas de ambos. El tipo de gas influencia las características del arco y la transferencia metálica, así como la penetración, forma del cordón, tendencia a la aparición de mordeduras y costo de la soldadura. Gases Inertes: No reaccionan con el material de aporte, ni con el metal base. Argón (Ar), Helio (He) o mezcla de ambos en distintas proporciones. Se utilizan en la soldadura de metales y aleaciones no ferrosas. Gases Activos: Reaccionan con el metal fundido. Anhídrido Carbónico CO2 Mezclas de Ar+CO2 y Ar+O2. Se emplean en la soldadura de metales y aleaciones ferrosas.

19 Consumibles - Gases de protección. El CO 2 puede utilizarse para aceros al carbono, permitiendo gran penetración, buenas propiedades mecánicas y bajo costo inicial. Presenta algunas limitaciones: Salpicadura en la torcha y tubo de contacto. Alambre más caro (desoxidantes) Cordones profundos y estrechos susceptibles de fisuración. Debe evitarse para soldar aceros aleados, pues pueden perderse elementos de aleación por oxidación. No se aplica en aceros inoxidables pues oxida los elementos estabilizadores de carburos, aumentando la tendencia a la corrosión intergranular. Las mezclas Ar+CO 2 permiten algunas ventajas: Mejorar estabilidad del arco y la transferencia metálica. Reducir salpicaduras y proyecciones. Aumentar la velocidad de soldadura.

20 Transferencia Metálica En la soldadura con electrodos consumibles, el metal fundido en el extremo del electrodo (alambre) tiene que transferirse hacia la pileta de fusión. El modo en que ocurre esta transferencia es muy importante en la soldadura GMAW, pues afecta muchas características del proceso tales como: Volumen de gases absorbidos por el metal fundido (H2, N2, O2) Estabilidad del arco. Aplicabilidad del proceso en determinadas posiciones Nivel de salpicadura generado.

21 Transferencia Metálica De forma simplificada, se puede considerar que existen cuatro formas básicas de transferencia de metal de adición desde el electrodo hacia la pieza: Transferencia por corto-circuito. Transferencia globular. Transferencia por spray. Transferencia controlada. El modo de transferencia del metal hacia la pieza depende del tipo y valor de la corriente de soldadura, de la tensión y polaridad en el arco, del diámetro, composición química y stick-out del alambre, del proceso de soldadura y del gas de protección empleado.

22 Transferencia por corto-circuito: Transferencia Metálica Este modo de transferencia ocurre para bajos valores de tensión y corriente y es normalmente empleado para soldadura fuera de posición o en la soldadura de chapas finas. Se forma una gota metálica en el extremo del alambre que va aumentando de diámetro hasta que toca la pileta de fusión, produciendo un corto-circuito. El metal depositado es menos fluido y con menor penetración que el obtenido por spray. Este modo de transferencia se caracteriza por una gran inestabilidad del arco, con formación intensa de salpicaduras. Esto puede ser minimizado con una adecuada selección de parámetros y el ajuste de la reactancia de control, disminuyendo la elevación de corriente en los transitorios.

23 Transferencia globular: Transferencia Metálica Esta transferencia se produce para valores intermedios de tensión y corriente, resultando en un arco más estable que el anterior. El diámetro medio de las gotas transferidas varía con la corriente, tendiendo a disminuir con el aumento de aquella, resultando mayor o menor que el diámetro del electrodo. Transferencia por spray : A medida que la corriente de soldadura aumenta, el diámetro medio de las gotas de metal líquido que se transfieren para la pieza disminuye, hasta que encima de cierta faja, se produce un cambio brusco en el modo de transferencia, que pasa de globular a spray. En este modo, las gotas de metal son extremadamente pequeñas y su número muy elevado.

24 Transferencia por spray : Transferencia Metálica La faja de corriente en que ocurre el cambio mencionado es conocida como corriente de transición. La transferencia por spray solamente ocurre para determinados gases o mezclas de gases de protección. En este modo de transferencia el arco es muy estable, no se producen salpicaduras, siendo el cordón obtenido suave y regular. Durante la transferencia por spray las gotas metálicas sufren la acción de elevadas fuerzas electromagnéticas, que superan la acción de las fuerzas gravitacionales, lo que permitiría en principio aplicar este método en cualquier posición de soldadura. Sin embargo, al ser elevado el valor de la corriente, no podremos aplicarlo en chapas finas, y su empleo fuera de posición es problemático debido al gran tamaño de la pileta de fusión, lo cual dificulta su control.

25 Transferencia controlada: Transferencia Metálica Bajo esta denominación se agrupan otros modos de transferencia que pueden ser obtenidos por la introducción de perturbaciones controladas en la corriente de soldadura y/o en la velocidad de alimentación del alambre. El objetivo es obtener una transferencia controlada del metal de adición, con las características deseables del modo spray, pero a niveles mucho más bajos de corriente media, lo cual permite su aplicación en chapas finas o fuera de posición. La transferencia controlada más utilizada es la pulsada, en la cual la corriente varía en dos niveles, uno inferior a la corriente de transición y otro superior a ella, de modo que durante el lapso del primero la gota a transferir se forma y crece, y durante el tiempo del nivel superior, la misma se transfiere.

26 Transferencia controlada: Transferencia Metálica Para obtener este modo de transferencia se deben utilizar fuentes específicas, capaces de suministrar corriente pulsante, con parámetros de pulso controlables. Una limitación de este modo es la introducción de variables adicionales, dificultando la selección y optimización de los parámetros operacionales. Tomando en cuenta esta situación se desarrollaron fuentes de energía controladas por microprocesadores, en las cuales se pre-programan las condiciones de soldadura optimizadas para una determinada aplicación. Este método de control básico conocido como sinérgico.

27 Transferencia Metálica: variación de la velocidad de transferencia y volumen de gotas con la corriente de soldadura. Zona A: Bajo amperaje, varias gotas por segundo. Zona B: Valores medios de amperaje, cientos de gotas por segundo. Zona C: Valores altos de amperaje, la velocidad de separación aumenta a medida que se incrementa la corriente.

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29 Condiciones operativas del proceso MIG La habilidad manual requerida del soldador en el proceso GMAW es menor que la necesaria para soldar por electrodo revestido, al estar automatizada la alimentación del aporte, eliminando el movimiento de inmersión de la torcha en dirección a la pileta de fusión. La optimización de los parámetros es más difícil, debido al mayor número de variables de proceso y de su inter-dependencia. La apertura del arco se produce por contacto con la pieza, aproximando la torcha y presionando el gatillo. En ese momento, se inician la salida de gas de protección, la alimentación de alambre y la energización del circuito de soldadura. Al final de la operación, simplemente se suelta el gatillo de la torcha, interrumpiéndose la corriente de soldadura, la alimentación de alambre y la salida de gas de protección. También se utiliza el sistema llamado de 4 tiempos.

30 Condiciones operativas del proceso MIG Las principales variables del proceso GMAW son: tensión, corriente y polaridad del arco de soldadura, velocidad de desplazamiento de la torcha, caudal de gas protector, diámetro y stick-out. El diámetro del alambre se elige principalmente en función del espesor del metal de base, de la posición de soldadura y otros factores que pueden limitar el tamaño de la pileta de fusión o la cantidad de calor aportada. El proceso GMAW utiliza normalmente CC(+), la cual presenta mejor penetración y estabilidad de arco. La corriente alterna no es normalmente empleada. La corriente de soldadura afecta directamente la penetración, forma del cordón, tasa de deposición y modo de transferencia metálico.

31 Condiciones operativas del proceso MIG La tensión del arco afecta el modo de transferencia y la geometría del cordón. Voltajes elevados presentan una mayor tendencia a la aparición de salpicaduras así como un aumento en el ancho del cordón. Las tensiones bajas favorecen la transferencia por corto-circuito o globular, teniendo en consecuencia un arco inestable. Esto facilita la absorción de los gases atmosféricos, resultando porosidad u otros problemas asociados. El largo energizado del alambre ( stick-out ) se define como la distancia entre el extremo del tubo de contacto de la torcha y el extremo del alambre. Como esto resulta difícil de medir en operación se toma hasta la pieza de trabajo. Cuanto mayor sea esta distancia, tanto mayor será el calentamiento por efecto Joule y en consecuencia menor la corriente necesaria para fundir el alambre, a velocidad de alimentación constante.

32 Condiciones operativas del proceso MIG El largo energizado del alambre ( stick-out ) puede entonces ser utilizado como forma de aumentar la tasa de deposición. El caudal de gas de la torcha debe ser tal que proporcione una protección adecuada. En general, cuanto mayor es la corriente de soldadura, mayor es el área de la pileta de fusión y mayor será el caudal de protección necesario. Caudales muy bajos causan la aparición de porosidad, mientras que caudales muy altos pueden ocasionar depresiones en la pileta de fusión y deformar el cordón, además de aumentar el costo. Además, un caudal elevado puede producir turbulencias que reducen significativamente el grado de protección del gas.

33 Condiciones operativas del proceso MIG La velocidad de soldadura afecta la energía de soldadura y por lo tanto la cantidad de calor entregada a la pieza. Velocidades muy bajas pueden producir problemas metalúrgicos debido a la alta energía entregada, mientras que velocidades elevadas resultan en menor penetración, refuerzo y ancho de cordón. Una velocidad excesiva puede provocar la aparición de mordedura (socavadura) y falta de fusión y/o penetración en el cordón.

34 Condiciones operativas del proceso MIG -Regulación de parámetros Clasificación Predeterminados: se eligen antes de empezar a soldar y se determinan según el material base, el tipo de unión y la posición de soldadura. Predeterminados Tipo de Electrodo (*) Parámetros de soldadura a regular Dependientes del equipo Velocidad de alimentación del alambre Dependientes del soldador Velocidad de soldadura Dependientes del equipo: son los que se ajustan en la máquina. Especificados en el procedimiento de soldadura y seleccionados por el operador. Diámetro del Electrodo (*) Gas Protector (*) Tensión Inductancia Distancia del tubo de contacto a la pieza Inclinación de la torcha Dependientes del operador: son aquellos vinculados a la capacitación y habilidad del soldador. Caudal de Gas Protector (*) Estos cambios obligan a detener el proceso

35 Condiciones operativas del proceso MIG - Regulación de parámetros Relación entre parámetros Dimensiones del cordón Aumento Corriente (Veloc. alambre) Aumento Tensión Aumento Veloc.de avance a Aumenta Aumenta (*) Disminuye (*) S Aumenta Disminuye(*) Disminuye (*) P Aumenta (*) Disminuye Disminuye t Aumenta (*) Igual Igual (*) Son los más afectados

36 Discontinuidades inducidas por el proceso GMAW (MIG/MAG) Porosidad: es causada por gas retenido en la soldadura. Inclusiones: el oxígeno del metal de base o aquel captado por la soldadura en condiciones deficientes de protección, forma óxidos en la pileta. En general, los óxidos son eliminados. Falta de fusión: puede ocurrir en transferencia por cortocircuito. Enventualmente aparece en transferencia por spray a bajas corrientes. Falta de penetración: iguales causas que el anterior. Mordedura (socavadura): errores del soldador. Superposición: errores del soldador. Fisura interlaminar: ocurre cuando el metal base se fisura en planos paralelos a la dirección de laminación, debido a tensiones de contracción.

37 Condiciones ambientales y de protección individual adecuadas La soldadura no debe ejecutarse en presencia de viento o lluvia. El arco eléctrico emite radiación ultravioleta, además de proyecciones metálicas. El soldador deberá usar guantes, botas, ropa de protección, máscara con vidrio de filtro adecuado. El local deberá contar con adecuada ventilación. 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.