AUTOMATIZACION DE LA SOLDADURA POR PLASMA VICTOR M. SANCHEZ 2004

Transcripción

1 AUTOMATIZACION DE LA SOLDADURA POR PLASMA VICTOR M. SANCHEZ

2 PLASMA: Definición Tal y como vemos la materia en el mundo que nos rodea somos concientes de su existencia en tres estados: SÓLIDO, LIQUIDO Y GASEOSO. Todos sabemos la diferencia entre sólidos, líquidos y gases y del hecho de que el incremento de temperatura permite cambiar a la materia de un estado a otro. Cuando cierta cantidad de energía (calor) es añadida a un material en estado gaseoso, su temperatura se incrementa. Si se añade la suficiente cantidad de energía, la temperatura es lo bastante alta para que en el gas ya no existan moléculas individuales. Las moléculas se rompen (disociación) y la materia se constituye en átomos independientes. Si la temperatura es de nuevo incrementada, los átomos perderán electrones y se convertirán en iones (ionización). Esta materia, consistirá entonces en una mezcla de electrones libres e iones con carga eléctrica positiva. Bajo estas condiciones, la materia existe en un cuarto estado, el estado de PLASMA. 2

3 SOLDADURA POR ARCO DE PLASMA La soldadura por arco de plasma (PAW Plasma Arc Welding) es un proceso que utiliza una cierta cantidad de plasma a alta temperatura para conseguir fundir y unir la mayoría de los metales. Esta columna de plasma es comprimida al hacerla pasar por un orificio situado a continuación de un electrodo. El término plasma se refiere a un gas que sido suficientemente ionizado para hacerse conductor de la corriente eléctrica. 3

4 PLASMA vs TIG La soldadura por plasma no es un proceso nuevo para la industria, pero solo en los últimos años ha ganado una notable aceptación. Hasta ahora el proceso era considerado exótico y difícil de entender. Esto fue debido principalmente a las aplicaciones a las que estaba siendo dedicado. El plasma ha demostrado su utilidad en el campo de las soldaduras automatizadas repetitivas. El proceso nos proporciona una mayor repetitibilidad y seguridad para cumplir con los altos estándares de productividad exigidos actualmente. Es usado frecuentemente como alternativa al proceso TIG. Para la mayoría de las aplicaciones, el proceso de arco plasma ofrece un incremento en la vida del electrodo, un cebado fiable del arco, así como una mejor estabilidad del mismo, un mejor control de la penetración y reducidos niveles de corriente. En algunos casos el plasma permite mayores velocidades de soldadura, mejoras en la calidad de la misma y una menor sensibilidad a los cambios en las variables del proceso. 4

5 ELECTRODO PROTEGIDO El electrodo de tungsteno, que está encajado dentro de la antorcha de plasma y detrás del tip (boquilla), está protegido de las impurezas exteriores que normalmente atacarían su superficie caliente. Con esta protección necesita ser cambiado aproximadamente cada 8 horas en la mayoría de las operaciones. En el proceso TIG el electrodo está sujeto externamente. Esto expone el electrodo a las contaminaciones (óxidos, impregnaciones de aceites, grasas... ) presentes en la superficie del material que va a ser soldado. Estos contaminantes bajo temperaturas intensas, atacarán al electrodo de tungsteno. También la Alta Frecuencia (H.F) con que se pone en marcha el arco puede contribuir a la erosión del electrodo al estar constantemente funcionando. Si este problema continua puede provocar un inconsistente encendido del arco y una pérdida de su control, causando pérdidas de tiempo y rechazo de piezas debido a soldaduras de mala calidad. No es raro que en muchas aplicaciones de soldadura TIG se precise cambiar el electrodo una o dos veces por hora, dependiendo de la limpieza de las piezas y de los niveles de utilización (producción) 5

6 FACIL CEBADO DEL ARCO El cebado del arco es facilitado por un arco piloto que se genera en las partes internas de la pistola, entre el electrodo y el tip. El arco es activado al superponerse una alta frecuencia (que proviene de un pequeño generador de alta frecuencia situado en la consola de control) a una baja corriente en continua, durante un corto periodo de tiempo para ionizar el gas. Una vez que el arco piloto se ha estabilizado la alta frecuencia deja de actuar. Al posicionar la torcha sobre la pieza a soldar el arco principal es transferido a esta última desde la unidad de alimentación y a través del arco piloto. 6

7 ARCO CONSTREÑIDO Un orificio (llamado también boquilla o tip), situado en la parte frontal de la torcha, permite obtener el chorro laminar de gas plasma y un arco constreñido. La magnitud de esta constricción esta normalmente controlada por tres factores: el diámetro del tip, el caudal del gas plasma, y la posición interna del electrodo (distancia entre la punta del electrodo y el tip: SETBACK) El arco estará estrechado al máximo cuando la torcha esté operando con caudales de plasma más potentes y el electrodo se encuentre lo más separado posible con respecto al tip. Este tipo de arco es normalmente utilizado cuando se intenta conseguir soldaduras de una sola pasada, con un máximo de penetración, cordones de soldadura estrechos y en aquellas en las que se quiere reducir la distorsión del metal base. La soldadura con un 100% de penetración es usada generalmente en espesores entre 2,3 y 6,4 mm. Reduciendo la posición retrasada del electrodo y el flujo de plasma, aparecerá un arco menos estrecho. Este tipo de arco es normalmente usado en las soldaduras de fusión (sin 100% de penetración) y permite mayores velocidades en materiales base de espesores reducidos desde 0,3 a 4,7 mm. 7

8 EQUIPO Un sistema típico de soldadura por plasma consiste en: Consola de control del arco piloto, Fuente de alimentación de corriente continua con una escala de regulación adecuada, Torcha (para soldadura manual o mecanizada) Recirculación de agua. 8

9 TORCHA En la fotografía adjunta vemos el despiece de una torcha de soldadura por plasma con los siguientes elementos: 1.- Cerámica con gas lens ó difusor en flujo laminar del gas secundario de protección. 2.- Boquilla ó Tip 3.- Camisa aislante centradora del electrodo. Tiene unos pequeños orificios que deben orientarse hacia la punta de la torcha, por ellos sale el gas plasma hacia la boquilla. 4.- Electrodo de Tungsteno. Normalmente al 2% de Thorio (AWS EWTh-2). Color Rojo 5.- Portatungsteno 6.- Tapón Torcha Thermal Dynamics TM PWM-2 A 9

10 GASES PARA PLASMA $5*21$y$U Es el gas preferido. Es un gas totalmente inerte y no formará compuestos químicos con otros materiales a cualquier temperatura o presión. Su bajo potencial de ionización, asegura un iniciación y un arco piloto totalmente fiables. Proporciona una buena estabilidad al arco y una excelente protección al electrodo de tungsteno. $5*21+,'5Ï*(12 $U+ La adición de pequeñas cantidades de Hidrógeno al Argón es algunas veces recomendable. Esto incrementa el calor (Heat input) sobre el baño de soldadura. La mezcla argón/hidrógeno dará un arco con mayor temperatura estimulando tanto la penetración como la fluidez del baño. La vida de las partes de la torcha será menor que cuando se usa únicamente argón. El rango aproximado de caudales es de 0.25 SCFH (0.18 l/min) a 5.0 SCFH (2.4 l/min) 10

11 GASES DE PROTECCION (1) $5*21$y$U El argón puede ser usado para todos los metales. Proporciona una buena estabilidad al arco y una eficaz limpieza en los niveles más bajos de corriente (menos de 20 amperios). Se recomienda también en la soldadura de aluminio, aleaciones de cobre, titanio y metales reactivos. En algunos casos el argón puede no funcionar satisfactoriamente debido a los altos voltajes que se usan en la soldadura por plasma (18 32 Voltios). Cuando el baño de soldadura no es fluido, se pueden producir finas socavaduras y se observa una cierta oxidación en la superficie. El uso de argón/hidrógeno, helio ó argón/helio, puede ser entonces necesario. $5*21+,'5Ï*(12 Las mezclas de argón/hidrógeno se emplean para proporcionar un incremento de temperatura en la soldadura. La adición de hidrógeno al argón reduce la tensión superficial del metal fundido, y como resultado se consigue un aumento de la velocidad, se facilita la desgasificación de la zona soldada evitándose de esta manera el peligro de formación de poros por inclusiones de gas. En soldaduras de alta velocidad, las socabaduras se evitan también y se consigue una superficie de soldadura más lisa. Además del efecto beneficioso en la temperatura del arco, el hidrógeno tiene un efecto decapante que reduce la cantidad de oxido formado cuando se unen aceros inoxidables, níquel y aleaciones de níquel. Cuando se suelda níquel o sus aleaciones, la presencia de hidrógeno realmente ayuda previniendo la porosidad. Los óxidos de níquel que se forman por la entrada de oxigeno del aire son reducidos por el hidrógeno. El hidrógeno ataca cualquier oxigeno esporádico antes de formar óxido de níquel. 11

12 GASES DE PROTECCION (y 2) El porcentaje permisible de hidrógeno varia hasta un 15%. Está indirectamente relacionado con el espesor del material a soldar. Con una corriente alta de soldadura y una velocidad reducida en los materiales más gruesos, el hidrógeno puede quedar encerrado en el baño de soldadura. Esto causa fragilidad en la soldadura. En general a menos espesor de la pieza, más porcentaje de hidrógeno se debe usar. En soldaduras automatizadas, un alto porcentaje de hidrógeno puede aumentar la velocidad del proceso en materiales finos (1.6 mm ó menos). +(/,2+H El uso de helio como alternativa al argón incrementa el calor de la soldadura aproximadamente en un 25%. Esto es debido al alto potencial de ionización del helio, que además incrementa el voltaje del arco. El Helio se usa normalmente con aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y con secciones gruesas de titanio. Estos materiales disipan el calor más rápidamente y necesitan el uso de helio. El rango caudales varia de 15 SCFH (7.1 l/min) a 40 SCFH (18.8 l/min). +(/,2$5*21 La adición de helio al argón produce un arco más caliente para una intensidad de corriente dada. La mezcla debe contener al menos un 40% de helio antes de que sea detectado un cambio significativo de calor. El argón posee una tendencia a estabilizar el arco. Mezclas con más de un 75% de helio darán resultados similares al helio puro. Una mezcla de 75% de helio y 25% de argón se usa en las aplicaciones de segmentos gruesos de titanio o en aleaciones de cobre. El rango caudales varia de 15 SCFH (7.1 l/min) a 40 SCFH (18.8 l/min). Nota: La iniciación del arco se complicará un poco con el uso del helio o sus mezclas. Una protección especial puede ser requerida cuando se sueldan materiales reactivos o titanio para disminuir la oxidación en la superficie del cordón de soldadura. 12

13 SOLDADURA POR FUSION Esta forma de soldadura es la más usada con el sistema de soldadura por plasma. Se realiza con un arco suave y menos estrecho, usando caudales de plasma más bajos, un ligera posición retrasada del electrodo (setback) y unas intensidades comprendidas entre 1 y 200 amperios. El mínimo setback del electrodo se consigue con la nivelación del electrodo con el borde del tip. Esta técnica de colocar el electrodo permite reducir el chorro de gas plasma mientras se mantiene una elevada corriente en el tip. Esto normalmente da un cordón de soldadura más ancho que permite una mayor velocidad a la hora de soldar. Este método de soldar es muy similar al sistema TIG pero con muchas ventajas adicionales. 13

14 VENTAJAS PLASMA 1. Seguro cebado del arco 2. Electrodo protegido 3. Menos sensibilidad a los cambio de distancia boquilla-pieza 4. Mejora de la estabilidad del arco de soldadura con baja corriente 5. Se suelda con menos intensidad 6. Reducida aportación de calor (Heat input) 7. El arco es más direccional (arco menos errático) 8. Mejora la geometría del cordón y el control de la penetración 14

15 APLICACIONES TIPICAS SOLDADURA POR FUSION SOLDADURA POR PUNTOS SOLDADURA DE ANGULOS EXTERIORES SOLDADURA DE PESTAÑAS O REBORDES SOLDADURAS A TOPE SOLDADURAS DE LAMINAS SOLDADURAS A SOLAPE 15

16 APLICACIONES TIPICAS SOLDADURA POR FUSION 16

17 APLICACIONES TIPICAS SOLDADURA POR FUSION 17

18 SOLDADURA PLASMA CON PENETRACION ó KEYHOLE Este tipo de soldadura es generalmente obtenido usando un consistente arco constreñido. En la soldadura con penetración ésta es conseguida por la combinación de plasma y un momento de gas con conductividad térmica. Con un incremento de los caudales gas plasma y del setback de electrodo, un agujero conocido como KEYHOLE (ojo de cerradura) es traspasado completamente a través de la totalidad del espesor del metal a soldar en el punto donde se está formando el caldo de soldadura y donde la columna de plasma reemplaza al metal fundido. 18

19 KEYHOLE Según se desplaza la torcha a una velocidad constante, el metal fundido, sostenido por la tensión superficial, fluye detrás del keyhole formando el cordón de soldadura. La forma de soldadura keyhole es casi exclusivamente realizado en sistemas automáticos. Esta técnica es utilizada típicamente en soldaduras a tope en espesores que van desde 2,4 mm hasta 6,4 mm en las que se requiere un 100% de penetración en pasada única. La soldadura manual keyhole no es recomendada a causa de la dificultad de mantener una velocidad de desplazamiento constante, en la posición de la torcha ó en la aportación de material. 19

20 KEYHOLE VENTAJAS DESVENTAJAS 1.- Reducidos niveles de corriente 2.- Soldaduras de una sóla pasada 3.- Minimiza la preparación de la soldadura 4.- Cordones más estrechos 5.- Comprobación visual de 100% de penetración 6.- Mejora la geometría del cordón 7.- Se requiere menos material de aportación 1.- Este modo de soldar está limitado a posiciones plana, cornisa y vertical ascendente. 2.- Menos sensibilidad a cambios en las variables. 3.- Limitado a instalaciones automáticas. 20

21 EJEMPLO KEYHOLE Tubería Titanio Grado 23 (Ti-6Al-4V ELI) Espesor: 14 mm 1.- Multipasada TIG (5 cordones) 2.- Cordón raíz TIG, 2 cordones de relleno MIG 3.- Cordón único PAW Keyhole 21

22 ELECTRODO DE TUNGSTENO Como hemos repetido en varias ocasiones el electrodo de Tungsteno (Normalmente al 2% de Thorio AWS EWTh-2) está protegido y es sumamente importante para contar con todos los beneficios del procedimiento de soldadura por Plasma su buena preparación ó afilado dentro de los parámetros establecidos por el fabricante del sistema. Se recomienda el uso de afiladores con sistema de recogida por vía húmeda. 22

23 CASO PRACTICO Nº 1 Unión disimilar: Brida de acero al carbono (F-112) Tubo de acero inoxidable AISI 304 Diámetro 14 mm, espesor 0.5 mm Producción requerida: 1500 piezas/día. Tiempo total del ciclo: 14 s Tiempo de arco: 7 s 23

24 INSTALACION

25 INSTALACION

26 CASO PRACTICO Nº 2 SOLDADURA LONGITUDINAL Se solicita una instalación para soldar depósitos de Acero Inoxidable AISI 316 de espesor 0.3 a 0.8 mm, para uso alimentario: centrifugadoras y almacenado de miel. La longitud a soldar puede ser de hasta 2000 mm y el diámetro puede variar entre 150 y 1250 mm. 26

27 INSTALACION

28 INSTALACION 2.2 La velocidad de soldadura alcanzada es tan elevada que no daba tiempo a enfriar el baño de fusión, provocando su contaminación aérea. Por ello se instalo una zapata de acompañamiento de la torcha con protección gaseosa, lo que mejoro notablemente la situación. 28

29 CASO PRACTICO Nº 3 Se solicita la soldadura longitudinal de unos elementos tubulares destinados a la industria Automovilística: Longitud de soldadura: 450 mm Tiempo de ciclo: 1 50 Producción requerida: 1400 piezas/día Instalación Propuesta: 3 unidades dobles (Diseño Provisional y Confidencial) 29

30 THERMAL ARC ULTIMA 150 El equipo THERMAL ARC ULTIMA 150 es un equipo compacto que incorpora todos los elementos necesarios: 1.- Interruptor Principal 2.- Caudalímetro Gas de Protección 3.- Caudalímetro Gas Plasma 4.- Ajuste/Encendido Arco Piloto 5.-Ajuste Corriente Arco Piloto 6.- Visualización Corriente Arco Piloto 7.- Visualización Corriente de Soldadura 8.- Ajuste Corriente de Soldadura 9.- Ajuste Limitador de Corriente 10.- Rango de Corriente de Soldadura 11.- Control Remoto/Panel 30

31 3UHJ~QWHQRVFyPRSRGHPRV PHMRUDUVXSURGXFWLYLGDG Autovía Sevilla-Utrera, Km. 8, Montequinto (Sevilla) Tel: Fax: