03 SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO CONSUMIBLE DE TUNGSTENO (GTAW)

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2 03 SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO CONSUMIBLE DE TUNGSTENO (GTAW) 21

3 A. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO La Soldadura de Arco con gas y electrodo no consumible de Tungsteno (GTAW o TIG) se define como un proceso de soldadura de arco abierto que produce la fusión de metales calentándolos con un arco eléctrico entre un electrodo tungsteno (no consumible) y la pieza. El baño de fusión se protege por un gas protector suministrado externamente. Se puede o no usar material de aportación. GTAW también es llamado comúnmente como proceso TIG (Tugsten Inert Gas), o soldadura de Heliarco, aunque la Sociedad Americana de Soldadura se refiere a este método como GTAW. La figura 11 ilustra básicamente el método GTAW. El uso del electrodo de tungsteno no consumible y el gas protector inerte produce una soldadura de gran calidad. La soldadura es brillante y luminosa, sin proyecciones ni salpicaduras, y requiere muy poca limpieza después de la soldadura. GTAW es utilizado fácilmente en cualquier posición de soldeo, y produce un control del baño de fusión excelente, especialmente en las partes estrechas y complicadas. Se utiliza mucho en la industria naval, aeroespacial, generación energética, química y petrolera. Aunque muchas veces se piensa que es un proceso manual, el GTAW se automatiza frecuentemente con o sin hilo de aportación para aplicaciones de alta producción. En 1969, Praxair produjo una variación del proceso llamado Alambre Caliente, Hot Wire. En este proceso, el hilo de aportación se precalienta independientemente aumentando la tasa de deposición. Esto ayuda a que el calor del arco se concentre en fusionar la pieza y no el consumible (figura 12). El proceso Hot Wire expande la versatilidad del proceso automatizado de GTAW, incrementando las tasas de deposición y la velocidad del avance. Soldura con o sin aporte FIG. 11 LOS ESENCIALES DE GTAW Arrastrador material de aportación Tubo de contacto Fuente de calentamiento AC Fuente de Alimentación ACHF, DCEN, DCEP Material de aportación calentado Soldadura Arco eléctrico Pieza Electrodo de Tungsteno Envoltura de gas Pieza Arco Antorcha TIG Trayectoria Conexión a tierra Fuente TIG DC FIG. 12 DIAGRAMA DEL SISTEMA DEL ARCO DE GAS TUNGSTENO CON CABLE CALENTADO 22

4 B. CAUDAL DEL GAS 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO EL CAUDAL DE GAS NECESARIO, CON RANGOS COMPRENDIDOS ENTRE ALGUNOS LITROS MINUTO HASTA 60 CFH, DEPENDE DE LA INTENSIDAD DEL PROCESO, EL DIÁMETRO DE LA TOBERA, LA COMPOSICIÓN DEL GAS PROTECTOR Y EL ENTORNO EN EL QUE SE ENCUENTRA. En general, una intensidad mayor necesitará una antorcha más grande y un caudal mayor. Además, la densidad del gas, o el peso del gas relativo al del aire, tiene una mayor influencia en el flujo mínimo requerido para proteger eficazmente la soldadura. El argón es aproximadamente 1,4 veces más pesado que el aire y 10 veces mas pesado que el helio. La importancia de esta diferencia en la densidad gaseosa se puede ver en la figura 13. La protección por argón es suministrada a la zona del arco por la tobera de la antorcha. Su función es proporcionar un cono de gas protector libre de contaminación, sobre la soldadura. Como el helio es mucho mas ligero que el argón, para producir una eficacia de protección similar cuando se suelda en una posición plana, es necesario incrementar el caudal del helio para obtener un protección similar. La misma relación general se puede aplicar para las mezclas de argón y helio, especialmente aquellas con más contenido de helio, aunque cuando el contenido de argón sube, el caudal de gas protector disminuye. Para soldaduras bajo techo con mezclas de helio, se puede reducir el flujo ya que la densidad relativa del gas es menor que la del aire. 23

5 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO En la figura 14, se puede ver la relación entre el caudal requerido y la velocidad de corrientes de aire cruzadas para el argón puro y para una mezcla de 25% argón 75% helio usando dos distancias diferentes entre la boquilla y la pieza. El caudal del gas debe de ser seleccionado con cuidado. Si se usa mas gas del necesario para producir una buena soldadura, no es económico ni productivo. Caudales altos pueden arrastrar aire hacia el baño, causando frecuentemente porosidades en la soldadura. Para evitar el malgasto del gas y contaminar la soldadura, se recomienda el uso de un dispositivo económico que restringe el caudal a un rango óptimo. FIG. 13 EFECTIVIDAD DEL PROTEGIDO POR DENSIDAD DEL GAS (GTAW) FIG. 14 LA RELACIÓN ENTRE CAUDAL REQUERIDO Y CORRIENTES LATERALES 24

6 C. EL PRE-FLUJO Y EL POS-FLUJO Cuando los materiales son sensibles a la oxidación (como el cobre, aluminio o el acero inoxidable), el pre-flujo y pos-flujo del gas minimizará la contaminación de la zona del soldeo y del electrodo. Un pre-flujo del gas protector quita la humedad que pueda haber en el sistema y protege la zona para tener unas condiciones optimas al iniciar el soldado. Cambios en la temperatura del ambiente pueden hacer que el aire se mueva hacia el interior de la antorcha mientras no esta en uso; la humedad en el aire se condensa en el interior de la antorcha. El uso del pre-flujo del gas protector antes de iniciar el arco ayuda a quitar la humedad. 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO El pos-flujo ayuda a minimizar la contaminación del baño de fusión de forma efectiva. Cuando el arco esta apagado, el metal soldado empieza a enfriarse. Por un momento, el metal se mantiene lo suficientemente caliente para poder contaminarse por el aire del entorno. Para prevenir que esto pase, se permite que el gas protector fluya por unos segundos después de que arco se haya apagado. El tiempo de esto varia según el tamaño y la temperatura de la soldadura, pero por regla general, es un segundo por cada 10 amperios de corriente. Esto sirve para la protección de la soldadura al enfriarse. El pos-flujo también ayuda a proteger el electrodo caliente de la contaminación. el uso del pre-flujo del gas protector antes de iniciar el arco ayuda a quitar la humedad 25

7 D. 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO PROTECCIÓN DE LA RAÍZ (BAKING GAS) Y DE ARRASTRE (TRAILING GAS) A VECES ES NECESARIO USAR EL GAS PROTECTOR EN LA PARTE INFERIOR DE LA SOLDADURA, PARA PREVENIR LA OXIDACIÓN EN ESA PARTE DE LA SOLDADURA CALIENTE. Por ejemplo, el apoyo del gas protector se utiliza para purgar el aire del interior de los tubos antes y durante el soldado. Este proceso previene la contaminación de la parte interior de la soldadura (raíz) mientras se suelda desde el exterior. El mismo gas se puede usar de apoyo para soldar, pero es posible utilizar una mezcla gaseosa para soldar, y otro gas, como el argón puro, nitrógeno, o la mezcla argón/hidrógeno, nitrógeno/hidrógeno para el gas de respaldo, dependiendo del material de la pieza. En algunos casos, la velocidad de soldadura es demasiado rápida, y el gas protector no puede proteger el baño hasta que se enfríe. Mientras que el arco avanza, la soldadura solidificada se mantiene caliente y se oxida. Un gas de arrastre se puede utilizar en este caso para evitar que se oxide la superficie del cordón soldado. 26

8 E. GASES PROTECTORES PARA GTAW 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO ARGÓN (Ar) El argón, es un gas inerte que forma un 1% de nuestra atmosfera, es el gas más comúnmente usado en soldadura TIG. Su baja conductividad térmica produce un arco estrecho y columnar, la excelente conductividad eléctrica de su plasma permite que las variaciones de longitud en de arco no supongan grandes cambios de voltaje que afecten a la forma del cordón. Su baja potencial de ionización aporta facilidad de cebado y estabilidad de arco. Es una opción ideal para la soldadura TIG manual. Para la soldadura TIG con corriente alterna (AC), el argón de pureza ofrece una excelente acción limpiadora, mayor estabilidad del arco y un mejor aspecto de la soldadura. Aunque el argón se usa en procesos automáticos, las mezclas de argón/ helio o argón/hidrogeno aumentan la velocidad de soldadura dado el incremento en heat input que pro- ducen. Las mezclas argón/helio son ideales para materiales con elevada conductividad térmica como el aluminio o el cobre. El carácter reductor de las mezclas argón/hidrógeno y su mejora del heat input aporta mejoras de velocidad y penetración, así como un mejor aspecto en la soldadura de aceros inoxidables, siendo sólo válidas para los de grado austenítico. HELIO (He) El helio, otro gas inerte, tiene alta conductividad térmica y alto potencial de ionización, por lo que para una longitud de arco e intensidad dadas, requiere más voltaje en el arco en comparación con el argón. (Véase capitulo 2, figura 7, Relación entre el Voltaje y la Corriente). Esto produce un arco más ancho y caliente que permite obtener un perfil de penetración más ancho y profundo. El helio es preferible frente al argón cundo soldamos de espesores gruesos con elevados niveles de intensidad, sobre todo en materiales con elevado conductividad térmica y/o elevados puntos de fusión. Se usa también con frecuencia en procesos automatizados donde aporta mayor velocidad de soldadura, se suele mezclar con Argón para mejorar el cebado y la estabilidad del arco. Aunque el argón está más extendido en la soldadura de aluminio con corriente alterna (CA), el helio se ha usado con éxito tanto con polaridad inversa (CCEN), como con corriente alterna (AC) en este material. Produce una penetración más alta y velocidades de desplazamiento más altas. No obstante, se deben limpiar los óxidos de la superficie de la soldadura para obtener buenos resultados. 27

9 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO Definitivamente las propiedades físicas del helio ofrecen ventajas en algunos casos. Sin embargo, debido a su alto potencial de ionización, también produce un arco menos estable y una dificultad de cebado mayor que con argón. También se debe considerar su elevado precio y que se necesita aumentar el caudal dada su baja densidad relativa. En algunos casos una mezcla argón/helio se utiliza para cebar el arco y helio puro para soldar. Esta técnica se utiliza para la soldadura GMAW-CCEN automatizada del aluminio. MEZCCLAS DE ARGÓN/ HELIO (Ar/He) Mezcla Praxair HeliStar Tanto el argón, como el helio, tienen sus ventajas específicas, como se ha explicado anteriormente. Las mezclas HeliStar de Praxair (mezclas de argón/helio) se utilizan para incrementar el heat input del arco, manteniendo las características aportadas por el argón de una buena estabilidad de arco y facilidad de cebado. Mezcla Praxair HeliStar 30 Esta mezcla se recomienda cuando necesitamos elevar el heat input tanto en soldadura con corriente continua como alterna, pero manteniendo el buen cebado y estabilidad de arco característico del argón. Es una buena elección si se suelda espesores medios de aluminio (>6mm) con el proceso MIG. Mezcla Praxair HeliStar 50 Esta mezcla se usa principalmente para soldadura automatizada e alta velocidad para materiales no ferrosos (aluminio, magnesio, cobre) en espesores medios a altos. Mezcla Praxair HeliStar 70 La velocidad y calidad de la soldadura de aluminio, cobre y acero inoxidable en CA y CC puede mejorarse con esta mezcla. Se recomienda tanto para soldadura manual como mecanizada de aluminio. La mezcla Praxair HeliStar 70 también se utiliza para aplicaciones TIG hilo caliente (hot wire) para incrementar el input térmico y facilitar el elevado ritmo de deposición del proceso. MEZCCLAS DE ARGÓN/ HI- DRÓGENO (Ar/H 2 ) Mezcla Praxair HydroStar Es frecuente añadir hidrógeno al argón para potenciar las propiedades térmicas. Además la característica del hidrógeno como gas reductor mejora el baño de fusión y produce una superficie soldada mas limpia ya que reduce los óxidos superficiales. Este carácter reductor hace que sus mezclas sean excelentes como gases de purga o backing Las mezclas con hidrógeno se utilizan normalmente para soldar aceros inoxidable de la serie 300 (austeníticos). 28

10 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO El hidrógeno aumenta fuertemente el input térmico, las cantidades mezcladas con argón suelen estar en el 5% para soldadura manual y llegar al 15% en soldadura automatizada. Concentraciones mayores pueden causar porosidad en GTAW. Advertencia: Se necesitan medidas de seguridad al mezclar el argón con el hidrogeno. NO intente mezclar el argón y el hidrogeno desde botellas. Véase la parte sobre Seguridad en este manual para más información. Existen mezclas con mayores concentraciones de H 2 en argón (hasta un 35%) pero son específicas para procesos plasma, ya que el H 2 actúa como gas plasmágeno favoreciendo la formación de un arco plasma estable. La gama Praxair HydroStar consistente en mezclas de argón con pequeñas adiciones de H 2 está enfocada a la soldadura TIG mecanizado o manual de los aceros inoxidables compatibles con H 2 (austeníticos y aleaciones base níquel). Sustituyendo al argón puro en algunas ocasiones. Mezcla Praxair HydroStar 2 y 5 Estas mezclas se utilizan para GTAW con acero inoxidable de la serie 300. Es preferible usar la mezcla Praxair HydroStar 5 con materiales de un grosos superior a 2 mm. Estas mezclas también se pueden usar como gas de purga en tubería de inoxidable. Mezcla Praxair HydroStar 15 Esta mezcla, contiene 15% de hidrógeno, se usa con frecuenta para soldaduras a tope en acero inoxidable (serie 300) consiguiendo unas velocidades comparables a las del helio, y es un 50% más rápido que el argón. Se puede utilizar en todo tipo de espesores de acero inoxidable, aunque concentraciones mayores al 15% pueden causar porosidad en la soldadura. Mezcla Praxair HydroStar 35 Esta mezcla, que contiene 35% de hidrógeno, se usa normalmente para corte y achaflanado plasma del acero inoxidable. en algunos casos una mezcla argón/ helio se utiliza para cebar el arco y helio puro para soldar 29

11 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO 30

12 3. SOLDADURA DE ARCO CON GAS Y ELECTRODO NO OXÍGENO Y DIÓXIDO DE CARBONO (O 2 Y CO 2 ) Estos gases son químicamente reactivos y no deberían usarse con GTAW. Su alto potencial de oxidación causa el deterioro del electrodo tungsteno a las temperaturas del arco. Nota: Soldar con mezclas de Argón/He normalmente requiere el uso de antorchas refrigeradas y mayor diámetro de tungsteno debido al incremento del voltaje en el arco. TABLA. 3 GUÍA DE SELECCIÓN GASES PROTECTORES GTAW 31