07 CRITERIOS PRODUCTIVOS EN LA SELECCIÓN DE GASES PARA GMAW

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1 07 CRITERIOS PRODUCTIVOS EN LA SELECCIÓN DE GASES PARA GMAW 74

2 FIG. 38 COSTES DE SOLDADURA Cuando se consideran todos los costes asociados a la operación de soldadura, es importante entender que la selección de consumibles puede influenciar notablemente el coste general. No es el coste por kilogramo o el coste por metro cubico lo que es realmente influye, sino el impacto en la productividad y el posible ahorro en trabajo y mano de obra. En la figura 38 se puede ver como el coste total de los consumibles se relaciona con el coste general de la soldadura para naciones industrializadas (EEUU, Europa, Japón etc.). En este gráfico se puede ver que si el coste de mano de obra se reduce un 10% por las mejoras en la productividad (como un aumento de la velocidad de soldadura, menor retrabajado del cordón, disminución en operaciones de limpieza después del soldadura etc.), se generaría un gran fuerte ahorro en el coste total.. Estos ahorros no tan obvios excederían notablemente a una reducción del 10% del coste del hilo o del gas protector. Muchas veces la focalización en reducir gastos de consumibles ciega la verdadera reducción de costes que puede ocurrir minimizando el trabajo y ahorrando en gastos generales. 75

3 A. MANO DE OBRA Y GASTOS GENERALES EL GASTO DOMINANTE EN LA MAYORÍA DE LAS OPERACIONES DE SOLDADURA SON LA MANO DE OBRA Y GASTOS GENERALES. Una buena selección del gas protector y electrodo pueden reducir estos costes al incrementar la velocidad y ciclo de trabajo, a la vez que se reducen las operaciones de limpieza post-soldado. El efecto de un gas protector apropiado en la operación del soldadura puede resultar en una reducción significativa del coste general. 76

4 B. EL EFECTO DEL GAS PROTECTOR EN LA VELOCIDAD DEL SOLDADO Si la velocidad de soldadura se incrementa, la mano de obra y los gastos generales por unidad de metro soldado disminuirán en proporción disminuyendo el coste final. La velocidad máxima de soldadura depende en la selección de gas protector y sus propiedades de transferencia térmica, su potencial oxidante y sus características de transferencia de la aportación del consumible. Los gases con conductividades térmicas altas producen un baño mas fluido y caliente. Los gases con potenciales oxidantes altos reducen la tensión superficial del baño de soldadura proporcionando un mejor mojado del material base. Mezclas con gas inerte que promueven la transferencia spray suministran los niveles mas altos de tasa de deposición del hilo y una velocidad mas alta en general. Además del gas protector y la geometría del cordón, otros factores que afectan a la velocidad del soldadura son la corriente y el voltaje, la posición (plana, vertical, etc.), el diseño de la junta y el modo del desplazamiento (manual vs. mecanizado). La velocidad del soldadura máxima utilizable para cualquier grupo de consumibles es mas alta en aplicaciones mecanizadas con una junta bien mecanizada y un buen ajuste. En la soldadura manual, las cualidades de operación suelen ser el factor limitante, ya que todos los gases protectores pueden producir soldaduras a unas velocidades mas altas de las que puede ejecutar el soldador. Si la soldadura es mecanizada, mezclas ricas en dióxido de carbono son capaces de producir una soldadura con mayor velocidad en materiales de bajo espesor, siempre en cuando la sobrepenetración no sea un problema. Aun así, cuando el ajuste no es bueno surgen problemas de quemado, sobrepenetración, etc. Las mezclas con ricas en argón reducen estos efectos y consiguen los resultados que se deseados, si nos encontramos con problemas de exceso de energía (sobrepenetración, requemado,etc.). El estado superficial también pueden afectar a la velocidad y a la geometría del cordón. Óxidos, cascarilla de laminación o el aceite pueden reducir la velocidad y la apariencia de la soldadura. Si se usa una superficie limpia, por ejemplo granallada, se pueden reducir estos problemas. Las velocidades de soldadura incrementan para GTAW y se puede medir directamente para el proceso PAW cuando se sustituye el argón por mezclas de gases con helio, hidrógeno, etc. Por el otro lado, cuando se usa GMAW, se tienen que tener en cuenta otros factores (es decir, la alimentación del alambre y el voltaje del arco) para conseguir mejoras. 77

5 C. INFLUENCIA DEL GAS DE PROTECCIÓN EN EL CICLO DE TRABAJO Y LIMPIEZA El ciclo de trabajo del soldador es el tiempo en el que está realmente soldando (tiempo de arco) discriminado el tiempo que tarda en la preparación, la limpieza y otras operaciones secundarias. Cuando se usa dióxido de carbono con gas protector, las salpicaduras se concentran en la boquilla de la pistola e interfiere con la soldadura. Las proyecciones también se pueden acumular en la punta de contacto e interferir con la alimentación del alambre. Quitar las salpicaduras de las boquillas, puntas y la pieza final disminuye el ciclo de trabajo del soldador. Como el uso de mezclas ricas en argón como gas protector puede disminuir la cantidad de salpicaduras, hay que limpiar menos, haciendo que el ciclo de trabajo sea mas alto que con dióxido de carbono. Los niveles bajos de proyecciones asociados con las mezclas de argón incrementan el porcentaje de soldadura eliminado operaciones de limpieza, aumentando el confort del operador y disminuye la posibilidad de que el operador se queme con las proyecciones. Las proyecciones de la soldadura son material de aportación que no llegan a formar parte de la soldadura. Esto es material perdido incrementa el coste final del proceso. Esta pérdida se refleja en la eficiencia de deposición del proceso de soldadura. Cuando la pérdida por proyecciones se disminuye, la eficiencia de deposición incrementa. Como se puede ver en la tabla a continuación, hay un gran rango de eficiencias para procesos de arco con gas protector, y este rango es debido a la gran variedad de gases que se pueden usar. El uso de mezclas con argón dará los niveles de eficiencia mas altos. Eficiencias de Deposición Típicas: GTAW (TIG) % GMAW (MIG) 88-98% GMAW-P 97-99% FCAW (gas protector) 85-90% FCAW (Auto-Protector) 75-85% PAW (Arco de Plasma) % SMAW (electrodo) 50-65% 78

6 El uso del gas protector adecuado asegura que la eficiencia de deposición sea lo mas alta posible en el proceso que se use. Por ejemplo, la eficiencia de deposición para una operación MIG con 100% CO 2 es normalmente de un 88-92%. Si se sustituye el CO 2 por una mezcla de argón/8% CO 2, la eficiencia incrementa a un 95-97%. Mas hilo llega a formar parte de la soladura final. Los humos se forman por el efecto del calor intenso del arco en el consumible y la interacción de la radiación ultra violeta del arco y lo que lo rodea. Se generan menos humos con el argón en la soldadura, como se puede ver en las figura 39 y 40. Esto significa que será mas fácil mantener unas buenas condiciones de trabajo para el soldador, y el coste asociado con filtrar y recircular el aire del taller es menor. mg/g mg/g mg/g= miligramos de humo por gramo de metal soldado FIG. 39 NIVELES DE HUMOS (CO 2 VS. MEZCLA ARGÓN/CO 2 ) mg/g= miligramos de humo por gramo de metal soldado FIG. 40 NIVELES DE HUMOS (CO 2 NÚCLEO FUNDENTE VS. ARGÓN NÚCLEO FUNDENTE) 79

7 D. COSTE DE CONSUMIBLES Para determinar los costes de los consumibles, se deben considerar los precios del hilo y del gas protector juntos, ya que el gas protector tiene un gran efecto en la eficiencia de deposición. El hilo y gas mas barato pueden tener la peor eficiencia de deposición. Aunque el precio inicial puede que sea mas alto, la combinación del alambre y gas protector recomendado pueden incrementar la eficiencia de deposición, haciendo que el precio final sea mas bajo (tabla 10). Los gases de protección que son muy oxidantes, como el dióxido de carbono puro, requieren alambres con desoxidantes adicionales, normalmente más costosos. Esto se debe a la perdida de micro aleantes por la reactividad del CO 2 en el arco de soldadura. Si se cambia el CO 2 como gas protector por argón con 8% CO 2 se puede usar un hilo más barato ya que el argón tiene buenas propiedades para retener los aleantes. Este cambio puede causar hasta un 25% de ahorro en costes de hilo mientras que mantiene las propiedades mecánicas, la facilidad de operación e incrementa la velocidad del soldadura. Para determinar hasta que punto influye la geometría del cordón y el sobrecordón en el coste de hilo, examinaremos las siguientes soldaduras de cordones de 5 mm y 6,5mm. *Contiene 92% Argón/ 8% CO 2 **El coste del hilo varia dependiendo del tipo AWS, el diámetro, la zona geográfica y la cantidad comprada. TABLA 10 EL EFECTO DEL GAS PROTECTOR EN EL COSTE DEL ALALAMBRE (CO 2 VS. ARGÓN/ MEZCLAS CON CO 2 ) 80

8 E. COSTE TOTAL DEL GAS DE PROTECCIÓN El coste del gas de protección normalmente es un 1%-5% del coste total de la soldadura, dependiendo del ratio de deposición de la aplicación. Una buena comparación entre una mezcla rica en argón y CO 2 puede verse en el análisis, en la tabla 11. Se puede ver que aunque el coste del argón es mas alto ($0,100 vs. $0,025 por pie cúbico), es un porcentaje muy bajo de la soldadura. Cuando se incrementa el ciclo de trabajo (del 40 al 45% ya que se reduce el tiempo de limpieza al terminar de soldar) y la eficiencia de deposición (del 89% al 97% ya que se reducen las salpicaduras y los humos) por el uso de argón, el coste por pie de soldadura es menor con una mezcla de argón que con CO 2 ($0,796 vs. $0,881). TABLA 11 COMPARACIÓN DEL COSTE POR CADA PIE DE ALAMBRE (CO 2 VS. ARGÓN/ MEZCLAS CON CO 2 ) 81

9 (5) Eficiencia de Deposición en un arco de soldadura es el ratio del peso de metal depositado al peso neto del consumible de relleno utilizado. Eficiencia de Deposición = material depositado/ hilo de aportación utilizado. Se puede ver otro análisis de costes en la tabla 12 y en la figura 41, donde la compañía usa 100% CO 2 como gas protector y alambre solido. Compran aproximadamente 70,000 libras de alambre/ año y tienen 54 soldadores en todos los turnos/día. El incremento en la soldadura es del 38% (13pulgadas/min a 18 pulgadas/min), el incremento del 3% en el ciclo de trabajo del soldador, y el decrecimiento del retrabajado (se puede ver por el metal de soldadura requerido por cada unidad de longitud de soldadura de cordón), generaron un ahorro de un cuarto de millón de dólares por año. Además, se redujeron los humos producidos al soldar, por lo que se reducen los costes aun mas. Nota 1: El precio refleja el suministro de gas en botella. El coste del gas protector y el alambre varia dependiendo de la zona geográfica y la cantidad comprada y la forma de suministro. Nota 2: Los cálculos han sido realizados con la media obtenida en distintas regiones. Para determinar el coste de su operación si se sustituye una mezcla de argón por el CO 2, inserte los números concretos que tiene su compañía en las columnas adecuadas. (1) Coste Total del Gas Protector ($/ft3)= a x b / c x (60 (min/h)/ 12 (in/ft)) (2) Coste Total mano de obra y Gastos Generales (2) ($/ft) = d/ c x e x (60 (min/h)/ 12 (in/ft)) (3) Coste Total del Hilo ($/ft) = f x h /g (4) El ciclo de trabajo del operador es la cantidad de tiempo que el operador esta soldando vs. El tiempo que pasa en actividades relacionadas como el montaje, limpieza u otras funciones que no son el soldadura. TABLA 12 COMPARACIÓN DEL COSTE POR CADA PIE DE SOLDADURA (CO 2 VS. ARGÓN/ MEZCLAS CON CO 2 ) 82

10 FIG. 41 COMPARACIÓN DEL COSTE POR PIE DE SOLDADURA (CO 2 VS. ARGÓN/ MEZCLAS CO 2 ) Nota 1: El precio reflejado es con suministro de gas en tanque (granel). El coste del gas de protección y el hilo varían dependiendo de la zona geográfica, la cantidad comprada y la forma de suministro. Nota 2: Los cálculos han sido realizados con la media obtenida en distintas regiones. Para determinar el coste de su operación si se sustituye una mezcla de argón por el CO 2, inserte los números concretos que tiene su compañía en las columnas adecuadas. (1) Coste Total del Gas de Protección ($/ft3)= a x b / c x (60 (min/h)/ 12 (in/ft)) (2) Coste Total Mano de Obra y Gastos Generales (2) ($/ft) = d/ c x e x (60 (min/h)/ 12 (in/ft)) (3) Coste Total del Hilo ($/ft) = f x h /g (4) El ciclo de trabajo del operador es la cantidad de tiempo que el operador esta soldando (tiempo de arco) vs. El tiempo que pasa en actividades relacionadas como el montaje, limpieza u otras funciones que no son directas de soldadura (5) Eficiencia de Deposición es la relación entre el peso del metal depositado en la unión de soldadura frente al peso del hilo utilizado. Eficiencia de Deposición = peso metal depositado/ peso hilo utilizado. 83

11 F. FORMA DE SUMINISTRO Los gases de protección pueden suministrarse en fase gas comprimido en botellas a elevada presión (200/300 bar) o en fase licuada almacenado en depósitos criogénicos portátiles (starcyl y microbulk) o fijos (tanques criogénicos) ambos almacenamientos están dotados de los gasificadores adecuados para poder suministrar el producto en fase gas. El coste del producto, además del formato de suministro, dependerá de la mezcla de gases y componentes de la misma, patrones de consumo, localización del punto de suministro, y la presencia de un sistema de tuberías de distribución del gas. La segunda parte del coste del gas se basa en controlar el gas usado en la operación de soldadura y ver que la cantidad es la correcta, elimi- nando mermas, fugas, caudales excesivos, etc. Las tuberías deben ser inspeccionadas con frecuencia y reparadas en caso de detectarse algún deterioro evitando fugas. La mezcla gaseosa suministrada en botellas debe de comprarse a un suministrador de confianza para asegurarse que la composición y calidad del gas no varía dentro del envase produciéndose fenómenos de estratificación. Esto minimiza por un lado incidencias de calidad por fenómenos de desmezcla del producto y por otro reduce la cantidad de gas residual devuelto en el envase. El uso de orificios calibrados, controladores de presión, optimiza el consumo de gas en cada uno de los puntos de alimentación. Praxair trabaja de forma personalizada con cada cliente no sólo cual debe ser el gas o la mezcla de gases correcta para su proceso, sino que estudia cual es la forma de suministro que permite la mayor productividad, rendimiento del producto y autonomía, ofreciendo la mayor gama de formas de suministro de gases de protección de soldadura del mercado. 84