“SOLDADURA POR ARCO CON ELECTRODO NO CONSUMIBLE

CUADERNO F.I. Nº 2-2001
SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE
GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW
“SOLDADURA POR
ARCO CON
ELECTRODO NO
CONSUMIBLE –
GAS TUNGSTEN ARC
WELDING”
Elaborado por :
Mónica Zalazar
Laboratorio de
metalografía y soldadura
Depto de Mecánica
aplicada
UNIVERSIDAD
NACIONAL DEL
COMAHUE
Buenos Aires 1400 -(8300)
NEUQUEN
0299-4490300 - Interno 261
[email protected]
LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -
MONICA ZALAZAR
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1. RESUMEN
En este trabajo se presenta una descripción del proceso de soldadura por arco con electrodo
de tungsteno no consumible y protección gaseosa.
Este proceso que se conoce desde el año 1941 fue primeramente desarrollado para la
soldadura del magnesio y el aluminio y se ha vuelto una herramienta indispensable en
muchas industrias en virtud de la alta calidad de las soldaduras producidas y el bajo costo del
equipo utilizado.
En este trabajo se presentan el fundamento del proceso GTAW, el equipo y los consumibles
empleados, los procedimientos y variables del proceso, sus aplicaciones y consideraciones
de seguridad.
2. INTRODUCCION:
En el proceso GTAW se genera un arco eléctrico entre un electrodo de tungsteno
virtualmente no consumible y la pileta fundida de metal base. Este proceso es usado con la
protección de un gas externamente suministrado, y sin la aplicación de presión. La adición de
metal de aporte es opcional y se realiza en forma externa. La Figura 1 muestra
esquemáticamente el proceso de soldadura GTAW.
Este proceso ha recibido los nombres de soldadura con tungsteno y gas inerte (TIG), pero la
terminología empleada por AWS1 es de GTAW porque en algunas aplicaciones es posible
usar mezclas de gases protectores que no son inertes.
El uso de este proceso en forma automática esta muy difundido, y es ampliamente utilizado
1
American Welding Society
Figura 1: Esquema del proceso GTAW
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en soldaduras de cañerías de pequeños diámetros.
3. VENTAJAS Y LIMITACIONES:
Los beneficios más importantes de este proceso son:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Produce soldaduras de buena calidad, generalmente libres de defectos
Esta libre de salpicaduras que ocurren con otros procesos de arco.
Puede utilizarse con metal de aporte o sin él, según requiera la aplicación específica.
Ofrece un control excelente de la penetración en la pasada de raíz.
Puede producir soldaduras económicas a altas velocidades.
Las fuentes de potencia son de costos relativamente bajos
Permite controlar de manera precisa las variables de soldadura.
Sirve para soldar casi todos los metales incluso aleaciones disímiles
Permite controlar en forma independiente la fuente de calor y la adición de metal de
aporte.
Algunas de las limitaciones del proceso son:
1. Las tasas de deposición son mas bajas que con GMAW.
2. El soldador requiere un poco más de destreza y coordinación que con los otros procesos
de soldadura.
3. Para espesores mayores de 10mm(3/8”) resulta más costoso que los procesos con
electrodo consumible
4. Es difícil proteger la zona de soldadura en lugares donde hay corrientes de aire
Entre los problemas potenciales del proceso están:
1. Puede haber inclusiones de tungsteno si se permite que el electrodo haga contacto
con al pileta líquida.
2. Una inadecuada posición del metal de aporte podrá producir contaminación dl mismo.
3. Requiere buena calidad en el metal base y en el aporte.
4. Puede haber contaminación o porosidad causada por fuga del refrigerante en el caso
de torchas refrigeradas por agua.
5. Puede haber golpe, o desviación del arco, al igual que en los otros procesos por arco
4. FUNDAMENTOS DEL PROCESO
El proceso GTAW se basa en el uso de un electrodo de tungsteno (o una aleación de
tungsteno) no consumible sostenido en una torcha (o soplete). Se alimenta un gas de
protección para proteger el electrodo, la pileta líquida y el metal de soldadura durante la
solidificación de la contaminación atmosférica. El arco eléctrico se produce por el paso de la
corriente a través del gas de protección ionizado, que conduce la electricidad. El arco se
establece entre la punta del electrodo y la superficie de trabajo. El calor generado funde el
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metal base. Una vez establecido el arco y el charco de soldadura, el soplete se mueve a lo
largo de la unión y el arco funde progresivamente las superficies de empalme. Si se usa
alambre de aporte, se alimenta por el borde delantero del charco de soldadura para llenar la
unión.
Todos los sistemas de soldadura GTAW tienen en común cuatro componentes básicos, los
cuales se muestran en la Figura 1 y 2.
1.
2.
3.
4.
Soplete o torcha
-Electrodo
Fuente de poder
Sistema de alimentación del gas de protección.
FIGURA 2: Equipamiento necesario
5. EQUIPAMIENTO
5.1 SOPLETE O TORCHAS
Los sopletes de GTAW sostienen el electrodo de tungsteno que transporta la corriente de
soldadura y conducen el gas de protector a la zona de soldadura.
La elección de un soplete se basa en al corriente máxima de soldadura que pueden
transportar sin recalentarse. La mayoría de los sopletes permiten manejar electrodos de
distintos tamaños para un intervalo dado de boquillas. En función de la corriente máxima de
trabajo los sopletes podrán ser refrigerados con agua o con gas, estos últimos eliminan el
calor por medio del gas de protección. Los sopletes refrigerados por gas están limitados a
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una corriente máxima de soldadura de 200 Amperes. En los sopletes enfriados por agua
pueden llegar a utilizarse corrientes entre 300 y 500 Amperes. La figura 3 corresponde a
sopletes refrigerados por agua.
Figura 3: Sopletes refrigerados por agua
Casi todos los sopletes para aplicaciones manuales tienen un ángulo de cabeza (el ángulo
entre la posición del soplete y el mango) de 120º. También hay sopletes con cabeza de
ángulo ajustable, cabeza a 90º, o cabeza en línea recta. Los sopletes manuales contienen
interruptores en el mango que le permiten manejar la corriente y el gas de protección.
Los accesorios que utiliza el soplete son los mandriles y las boquillas.
Los mandriles generalmente son de cobre y el tamaño debe adecuarse al electrodo. Es
importante que cuando se ajusta el electrodo por medio de la tapa del soplete haya un buen
contacto entre el mandril y el electrodo. Esto permite una buena transferencia de la corriente
sin sobrecalentamiento.
Las boquillas son las que dirigen el gas de protección a la zona de soldadura. Para ello en el
soplete hay difusores de modo que el régimen de salida del gas sea con flujo laminar. Estos
difusores se conocen como difusores de gas y se diseñan para insertarse alrededor del
electrodo o mandril , producen un flujo más largo y uniforme de gas de protección y permiten
soldar con la boquilla a 25mm o más de la superficie de trabajo, lo que permite llegar a
sectores de acceso limitado. La figura 4 muestra distintas formas de boquillas.
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Figura 4: Distintas formas de boquillas
Las boquillas se fabrican en distintos materiales resistentes al calor y con formas, diámetros
y longitudes variables.
Se debe aclarar que hay un equilibrio delicado entre el diámetro de la boquilla y el flujo de
gas si el flujo de gas es excesivo, para un diámetro dado, se producirá turbulencia y la
protección dejaran de ser efectiva. Cuando el amperaje es alto se requiere un flujo de gas
elevado y por ende un diámetro de boquilla grande. La elección del tamaño de la boquilla
depende de:
•
•
•
•
Tamaño del electrodo
Tipo de unión a soldar
Área de soldadura que debe protegerse efectivamente
Acceso a la unión que se va a soldar
La Tabla 1 da las recomendaciones de tamaños de boquillas.
El empleo de boquillas más pequeñas permite una mejor visión de la zona de soldadura,
pero si esta es muy chica puede haber turbulencias y formación de chorros del gas protector,
e incluso puede fundirse el borde de la boquilla. Para soldar materiales reactivos, tal como
Titanio conviene el uso de boquillas más grandes.
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Tabla 1: Electrodos de tungsteno y boquillas recomendadas para distintas corrientes (gas Ar)
Corriente continua, A
Corriente alterna, A
Diámetro del
Diám. Int- Polaridad Polaridad
Onda no
Onda
electrodo
boquilla
directaa
inversaa
balanceadab balanceadab
Pulg
mm
Pulg
CCEN
CCEP
0,010
0,25
1/4
Hasta 15
Hasta 15
Hasta 15
0,020
0,50
1/4
5-20
5-15
10-20
0,040
1,00
3/8
15-80
10-60
20-30
1/16
1,6
3/8
70-150
10-20
50-100
30-80
3/32
2,4
1/2
150-250
15-30
100-160
60-130
1/8
3,2
1/2
250-400
25-40
150-210
100-180
5/32
4,0
1/2
400-500
40-55
200-275
160-240
3/16
4,8
5/8
500-750
55-80
250-350
190-300
1/4
6,4
3/4
750-1100
80-125
325-450
325-450
a) Electrodos EWTh2; b) Electrodos EWP
5.2 ELECTRODOS:
Los electrodos de tungsteno son no consumibles, si el proceso se emplea como es debido,
ya que no se derriten ni transfieren a la soldadura. La función del electrodo de tungsteno es
servir como una de las terminales eléctricas del arco que proporciona el calor necesario para
soldar. La temperatura de fusión del tungsteno es de 3410 ºC, y cuando se acerca a esta
temperatura se vuelve termoiónico, es decir, es una fuente abundante de electrones. El
electrodo alcanza esta temperatura gracias al calentamiento por resistencia y, de no ser por
el considerable efecto de enfriamiento de los electrones que se desprenden de su punta,
dicho calentamiento haría que se fundiera la punta. De hecho, la punta del electrodo tiene
una temperatura mucho menor que el cuerpo del mismo.
Cinco factores se consideran en la selección de los electrodos para GTAW: composición
química, tamaño, forma de la punta, mandriles y boquillas.
5.2.1 CLASIFICACION DE LOS ELECTRODOS
Los electrodos de tungsteno se clasifican de acuerdo a su composición química. La Norma
ANSI/AWS A 5.12 "Especificación para electrodos de tungsteno para soldadura y corte por
arco", establece los requisitos que deben cumplir los mismos. La Tabla 2 muestra la
composición química y el sistema de clasificación por Código de color que es ampliamente
utilizado.
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Tabla 2: Código de color y elementos de aleación
Öxido de
Clasificación
Colora
Elemento
aleación
AWS
de
aleación
EWP
Verde
---EWCe-2
Anaranjado
Cerio
CeO2
EWLa-1
Negro
Lantano
La2O3
EWTh-1
Amarillo
Torio
ThO2
EWTh-2
Rojo
Torio
ThO2
EWZr-1
Marrón
Zirconio
ZrO2
EWG
Gris
No se
----especifica
Porcentaje de óxido
------2
1
1
2
0,25
------
a)El color puede aplicarse en forma de bandas, puntos, etc.
b) El fabricante debe especificar el tipo y contenido de óxidos de tierras raras
ELECTRODOS EWP:
Los electrodos de tungsteno puro (EWP) contienen por lo menos 99,5% de tungsteno, y
ningún elemento de aleación intencional. La capacidad de transporte de corriente es menor
que la de los electrodos aleados. Se emplean principalmente con corriente alterna para
soldar aleaciones de aluminio y magnesio. La punta del electrodo mantiene un extremo
limpio en forma de bola, que produce un arco bastante estable. Se pueden utilizar con
corriente continua pero no ofrecen las características de encendido y estabilidad del arco de
los electrodos con torio, cerio o con lantano.
ELECTRODOS EWTh:
La emisión termoiónica del tungsteno puede mejorarse aleándolo con óxidos metálicos que
tienen funciones de trabajo muy bajas. El resultado es que los electrodos pueden manejar
corrientes de soldadura más altas sin fallar. El óxido de torio se usa para tal fin. Hay dos tipo
de electrodos de tungsteno con torio- EWTh -1 y EWTh –2 contienen 1 y 2% de óxido de
torio, respectivamente, (ThO2) llamado toria, dispersado uniformemente en toda su longitud.
El color de identificación de estos electrodos será amarillo o rojo de acuerdo al porcentaje de
óxido.
Estos electrodos superan a los de tungsteno puro en varios aspectos. La toria aumenta en
cerca del 20% la capacidad de transporte de corriente, los hace más duraderos y tienen
mejor encendido del arco. Son diseñados para usar con polaridad negativa (CCEN),
mantienen una configuración de punta aguda durante la soldadura. Casi nunca se utilizan
con CA ya que es muy difícil lograr la configuración en forma de bola.
El Torio es radiactivo de muy bajo nivel, por lo que debe extremarse las precauciones en el
amolado y en la ventilación durante la soldadura.
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ELECTRODOS EWCe, EWLa:
Los electrodos de tungsteno con cerio contienen 2% de óxido de Cerio (CeO 2), llamado ceria.
Se identifican con el color Anaranjado.
Los electrodos de tungsteno con Lantano, contienen un 1% de óxido de lantano (La2O3) se
identifican con el color negro.
Estos electrodos tienen iguales característica operativa que los electrodos con torio pero su
uso se prefiere ya que no son radiactivos.
ELECTRODOS EWZr:
Los electrodos de tungsteno con zirconio. Tienen características operativas intermedias entre
los de tungsteno puro y las de tungsteno con torio. Son los preferidos para soldar con CA.
Tienen buena resistencia a la contaminación.
5.2.2 CONFIGURACIÓN DE LA PUNTA DE LOS ELECTRODOS
La forma de la punta y el tamaño del electrodo es una variable importante del proceso
GTAW, esta depende de la aplicación de la soldadura; espesor a ser soldado; tipo de junta y
cantidad. La figura 5 muestra diversas geometría de la punta. La Tabla 3 da
recomendaciones sobre las geometrías de los electrodos
Electrodo para CCEN
Electrodo para CA o CCEP
Figura 5. Formas de los electrodos de Tungsteno
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En general al aumentar el ángulo de afinamiento, aumenta la penetración de la soldadura y
disminuye el ancho. Si bien pueden usarse electrodos con punta cuadrada en CCEN, las
puntas cónicas ofrecen un mejor rendimiento.
Tabla 3: Forma de la punta y rango de corriente recomendado- (Ver Figura5)
Tabla 3: Formas de las puntas de los electrodos y rangos de corrientes
Cuando se suelda con CA o polaridad positiva, los electrodos deberán ser de mayor diámetro
(en general con electrodos de tungsteno puro o con zirconio) con la forma de la punta
deberá ser hemisférica. Para ello antes de usarse se enciendo el arco en CCEP o en CA
sobre una chapa de cobre refrigerada. Una vez que se formo la punta se reduce
gradualmente la corriente: El tamaño del hemisferio no deberá ser mayor que 15 veces el
diámetro del electrodo, pues de lo contrario puede desprenderse cuando este fundido.
Sea cual sea la geometría de la punta del electrodo que se escoja, es importante seguir
usando la misma geometría una vez establecido el procedimiento de soldadura. Los cambios
de geometría del electrodo pueden influir de manera significativa en el tamaño y forma de la
pileta soldada.
Los electrodos de tungsteno deben amolarse con su eje perpendicular al eje de la rueda de
amolar. A fin de evitar contaminación la piedra debe preservarse para amolar solo electrodos
de tungsteno. Los electrodos con torio, con cerio y con lantano, no son adecuados para CA,
en general sé fisura. Hay máquinas especiales que se utilizan para el amolado de los
electrodos de tungsteno, las que permiten seleccionar un ángulo adecuado para el amolado,
figura 6.
La tabla 4 muestra rangos de corrientes en función de composiciones químicas de los
electrodos, para el uso de Argón como gas de protección. La figura 7 muestra la forma de los
perfiles de soldaduras en función de los perfiles de la punta del electrodo para un proceso
con protección de Ar, 150 A y 2s de aplicación.
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Figura 7: Equipo utilizado para el amolado de los electrodos
5.3 FUENTE DE PODER
La fuente de poder utilizadas en GTAW son las de corriente constante. La potencia requerida
para soldar pueden obtenerse de fuentes transformador rectificador o rotatorias CA o CC.
Casi todas las fuentes disponen de rampas de ascenso y descenso del arco, programas para
pulso del arco, etc.
Las fuentes de potencia para GTAW suelen tener características estáticas de caída o de
corriente prácticamente constante, como muestra la figura 8.
Figura 8: Curva característica
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Tabla 4: rangos típicos de corrientes para electrodos de tungsteno
Figura 7: Formas del arco y perfil de la zona de fusión
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5.3.1 CORRIENTE CONTINUA
Si se usa CC el electrodo puede conectarse al terminal positivo o al negativo. En casi todos
los casos se elige que el electrodo sea negativo (cátodo). Con esta polaridad los
electrones fluyen del electrodo al trabajo y los iones positivos se transfieren del trabajo al
electrodo, como muestra la figura 8. Cuando el electrodo es polo positivo (ánodo), las
direcciones de flujo de electrones e iones se invierte, como se muestra para CCEP
(polaridad inversa) en la figura 8.
Con CCEN y un electrodo termoiónico como el de tungsteno, aproximadamente el 70% de
calor se genera en el ánodo y el 30% en el cátodo. Esta polaridad produce una mayor
penetración, y es la configuración más común empleada en GTAW, y se usa con argón, helio
o una mezcla de los dos para soldar la mayor parte de los metales.
Cuando el electrodo de tungsteno se conecta a la terminal positiva (CCEP), se crea una
acción de limpieza catódica en la superficie de trabajo. Esta acción ocurre en todos los
metales pero es más importante cuando se suelda aluminio o magnesio porque se elimina la
capa de óxido refractario que inhibe la soldadura. Esta polaridad calienta además la punta
del electrodo lo que requiere del uso de electrodos de mayor diámetro. La capacidad de
transporte de corriente de un electrodo conectado a la terminal positiva es de
aproximadamente la décima parte de la de un electrodo conectado a la terminal negativa. En
general el uso de la polaridad CCEP esta limitado a la soldadura de piezas en láminas.
5.3.1.1 SOLDADURA DE CC A PULSOS
En la CC a pulsos la corriente de arco varía en forma repetitiva desde un valor de fondo
(bajo) hasta un valor pico (alto). Las fuentes de potencia de CC a pulsos por lo general
permiten ajustar la duración del pulso de corriente, el tiempo de la corriente de fondo, el nivel
de la corriente pico y el nivel de la corriente de fondo, a fin de producir una salida con forma
de onda adaptada a una aplicación en particular. En la figura 10 se muestra una forma típica.
En general los tiempos de duración del pulso y del fondo se ajustan de modo que la corriente
cambie de nivel a intervalos que van desde una vez cada 2 segundos hasta 20 pulsos por
segundos. Generalmente se aplica corriente CCEN.
El nivel de la corriente del pulso suele ajustarse entre 2 y 20 veces el nivel de corriente de
fondo. Esto combina las características de arco vigoroso de la corriente elevada con el aporte
de calor bajo de la corriente reducida. La corriente de los pulsos logra buena fusión y
penetración, en tanto que la corriente de fondo mantiene el arco y permite que se enfrié el
área de soldadura.
La CC a pulsos se utiliza principalmente en soldadura automática y entre las numerosos
virtudes permite con los mismos parámetros realizar soldaduras circunferenciales de tubos.
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TIPO DE CORRIENTE
POLARIDAD DEL
ELECTRODO
CCEN
NEGATIVA
C EP
POSITIVA
CA (BALANCEADA)
FLUJO DE
ELECTRONES
CARACTERISTICAS DE
PENETRACION
ACCION LIMPIADORA
NO
DE OXIDOS
BALANCE CALORIFICO 70% EXTREMO DE
DEL ARCO
TRABAJO
30% EXTREMO
DEL ELECTRODO
PENETRACION
PROFUNDA
ANGOSTA
CAPACIDAD DEL
EXCELENTE
ELECTRODO
(3,2mm -400 A)
SI
SI, UNA VEZ CADA MEDIO
CICLO
30% EXTREMO DE TRABAJO 50% EXTREMO DE TRABAJO
70% EXTREMO DEL
50% EXTREMO DEL
ELECTRODO
ELECTRODO
SOMERA, ANCHA
MEDIANA
DEFICIENTE
(6,4mm -120 A)
BUENA
(3,2mm -225 A)
Figura 9: Características de los tipos de corriente
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Figura 10: Forma de la onda de corriente a pulso
5.3.1.2 SOLDADURA A PULSOS DE ALTA FRECUENCIA
La CC conmutada de alta frecuencia implica la aplicación de corriente continua que se
conmuta desde un nivel bajo hasta otro alto con una frecuencia fija rápida de
aproximadamente 20 KHz, como muestra la figura 11. El tiempo de "encendido" de la
corriente máxima (de pico) sé varia a fin de cambiar el nivel de corriente medio. A medida
que aumenta la frecuencia de conmutación mayor es la presión del arco. Este tipo de
corriente se emplea en aplicaciones de precisión mecanizadas y automatizadas.
Figura 11: Forma de la onda de cc a pulso conmutada a alta frecuencia
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5.3.2 CORRIENTE ALTERNA
La corriente alterna experimenta una inversión periódica de su polaridad, de electrodo
positivo a electrodo negativo. Por tanto puede combinar la acción limpiadora del trabajo de la
polaridad inversa (electrodo positivo) con la penetración profunda característica de la
polaridad directa (electrodo negativo).
Las fuentes de potencia de CA tradicionales producen una salida de voltaje de circuito
abierto senoidal que está desfasada cerca de 90º con al corriente. La frecuencia del defasaje
suele estar fija a la frecuencia estándar de 60Hz de la potencia primaria El voltaje de arco
real está en fase con la corriente de soldadura. El voltaje que se mide es la suma de las
caídas de voltaje en el electrodo y el plasma y en el ánodo y cátodo, todas estas resultantes
del flujo de corriente.
Cuando la corriente cae a cero, se presentan diferentes efectos, dependiendo de la
polaridad. Si el electrodo de tungsteno se vuelve negativo, proporciona de inmediato
electrones para volver encender el arco. En cambio cuando la pileta líquida se vuelve
negativa, no podrán suministrar electrones a menos que el voltaje se eleve lo suficiente para
iniciar huna emisión de cátodo frío. Sin este voltaje el arco se vuelve inestable, como muestra
la figura 12 (a).
Si se usan fuentes de potencia sinusoidal convencionales, se requiere algún mecanismo para
estabilizar el arco durante la inversión del voltaje. Esto requiere de fuentes con voltaje de
circuito abierto elevado, descargando condensadores en el momento apropiado durante el
ciclo, empleando chispas de alto voltaje y alta frecuencia en paralelo con el arco y utilizando
fuentes e potencia con salidas de onda cuadrada. La figura 12 (b) muestra los resultados de
tal estabilización.
El voltaje de circuito abierto necesario es de 100V cuando se usa helio como gas de
protección, para incrementar el voltaje de circuito abierto suele añadirse una fuente de alta
frecuencia en serie con el transformador. El voltaje de alta frecuencia suele ser del orden de
varios miles de volts, y su frecuencia puede ascender a varios Megahertz.. La corriente es
muy baja. El voltaje de alta frecuencia puede aplicarse continuamente o en forma periódica
durante la soldadura.
Las fuentes de potencia para soldadura de onda cuadrada pueden cambiar la dirección de la
corriente en un lapso muy corto. La presencia de alto voltaje, junto con una temperatura
elevada del electrodo y del metal base en el momento de invertirse la corriente, permite que
el arco se vuelva a encender sin necesidad de un estabilizador. Además la corriente “pico”
mas baja de la forma de onda cuadrada tiende a ampliar el intervalo de corriente útil del
electrodo.
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Figura 12: Forma de ondas para tensión y corriente en soldadura con corriente alterna.
5.4 GASES DE PROTECCION
El soplete dirige el gas hacia el arco y la pileta líquida con el fin de proteger el electrodo y el
metal fundido de la contaminación atmosférica. También suele utilizarse gas purgante de
respaldo para proteger el lado de debajo de la soldadura y las superficies del metal base
adyacente contra la oxidación durante al soldadura.
El argón y el helio o la mezcla de ambos, son los gases inertes más utilizados en soldadura.
El caudal de gas depende del tamaño de la boquilla, en general se recomienda 7 a 16l/min
para el argon y 14-24l/min para el helio.
5.4.1 ARGON
El Ar es un gas monoatómico inerte con peso molecular 40. se obtienen de la atmósfera por
separación del aire licuado.
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Para soldadura se refina hasta 99,95%, esto es aceptable para la mayor parte de los metales
excepto los reactivos y refractarios para los cuales se requiere una pureza mínima de
99,997%.
El Ar se utiliza más que el He por las siguientes ventajas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Acción de arco mas uniforme y silenciosa
menor penetración
acción de limpieza al soldar materiales como Aluminio y el magnesio
menor costo y mayor disponibilidad
Buena protección con menores caudales
Mayor resistencia a ráfagas transversales
Más fácil iniciación del arco.
La menor penetración del Ar resulta especialmente útil para soldar materiales delgados, y
para la soldadura vertical y sobre cabeza.
5.4.2 HELIO
El He es un gas monoatómico inerte muy ligero con peso molecular cuatro. Se obtiene por
separación a partir del gas natural. Para su uso en soldadura se refina hasta 99,99%.
Con valores fijos de corriente de soldadura y longitud de arco, el He transfiere más calor al
trabajo que el Ar, lo que lo hace ventajoso para soldar metales de elevada conductividad
térmica y aplicaciones mecanizadas a alta velocidad. También se prefiere para soldar placas
gruesas. Las mezclas de He y Ar son útiles cuando se desea un término medio entre las
características e ambos gases.
5.4.3 CARACTERÍSTICAS DEL ARGON Y EL HELIO
El factor principal que influye en la efectividad de la protección es la densidad del gas. El
argón es aproximadamente una 1,3 veces más denso que el aire y diez veces más denso
que el helio. El argón después de salir de la boquilla del soplete, forma un manto sobre el
área de soldadura. El helio, como es más ligero tiende a elevarse alrededor de la boquilla, lo
que requiere 2 o 3 veces más caudal de helio para igual protección comparada con el argón.
La Figura 13 muestra las características voltaje - corriente de arco de estos gases. Vemos
que para todos los niveles de corriente el voltaje que se obtienen con helio es mayor que con
argón, lo que muestra que el helio ofrece mayor calor disponible. Vemos en la figura que
para el rango de amperajes bajos (50 –150 A) hay un aumento del voltaje al disminuir la
corriente para obtener una misma potencia de arco se requiere mayor amperaje con argon.
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Figura 13: Relación tensión - corriente para distintos gases de protección
Por otro lado la estabilidad del arco en corriente continua es muy buena para ambos gases,
mientras que con corriente alterna, el argon produce una arco mucho mas estable y buena
acción de limpieza.
5.4.4 MEZCLAS DE ARGON E HIDROGENO
Esta mezcla suele utilizarse en soldaduras automatizadas de aceros inoxidables de pared
delgada donde el hidrógeno no causa ni porosidad ni fisuración en frío. Es posible aumentar
la velocidad de soldadura máxima en proporción casi directa a la cantidad de hidrógeno
añadida en el argon, en virtud del aumento del voltaje de arco. La cantidad de hidrógeno que
puede agregarse varía con el espesor del metal base y el tipo de unión. Un exceso de
hidrógeno causará porosidad.
Las mezclas de argón hidrógeno más comunes contienen 15% de hidrógeno y se usan para
soldar mecánicamente uniones a tope estrechas de acero inoxidables de hasta 1,6mm de
espesor a velocidades comparables con las que se obtienen con helio (50% más rápido que
con argon). En soldaduras manuales se prefiere un 5% de hidrógeno.
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5.4.5 GAS DE RESPALDO.
Al efectuar la pasada de raíz de una soldadura, el aire contenido en el lado de atrás de la
pieza de trabajo puede contaminar la soldadura. Para evitar este problema, es preciso purgar
el aire de esta región. El argon y helo son adecuados como gas de respaldo independiente
del material. Hay varios dispositivos que sirven para contener el gas de protección en el lado
de atrás. La Figura 14 muestra uno de ellos. Cuando se purga un sistema de tuberías es
importante contar con un escape adecuado, como muestra la figura 15, a fin de evitar que
suba demasiado la presión durante la soldadura.
La figura 16 muestra barreras fijas que se utilizan para confinar el gas protector dentro del
área inmediata del electrodo.
Figura 14: Canales para gas purgante
Figura 15: Gas purgante o de respaldo en cañerías
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Figura 16: Barreras empleadas para contener el gas protector
6. TÉCNICAS DEL GTAW
La soldadura en GTAW puede ser manual, semiautomática o automática
Para la soldadura manual la figura 17 ilustra la técnica a seguir. Una vez iniciado el arco el
electrodo se mueve describiendo un circulo pequeño hasta establecer la pileta líquida. Luego
se sostienen la torcha con un ángulo de 15 º respecto a la vertical y se mueve a lo lago de la
unión para fundir progresivamente la superficie de empalme. El metal de aporte s, si se usa,
se añade en el borde delantero de la pileta.
En la soldadura semiautomática la torcha lleva la alimentación de metal de aporte, el
soldador solo controla el avance de al misma
7. MATERIALES:
Casi todos los metales pueden unirse con GTAW, las Tablas 5, 6 y 7 pueden servir de guía
para la elección de los parámetros.
No se tratan en este apunte aspectos vinculados con al soldabilidad de las distintas
aleaciones.
Para la elección del metal de aporte, se aplican los mismos criterios que en GMAW, por lo
que para su elección deben utilizarse las siguientes Normas
ACEROS AL CARBONO: AWS A5.18
ACEROS DE BAJA ALEACION: AWS A5.28
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ACEROS INOXIDABLES: AWS A5.9
ALUMINIO Y SUS ALEACIONES: AWS A5.10
FIGURA 17: Técnica de soldadura.
8. DISEÑO DE JUNTAS:
Las cinco uniones básicas que se muestran en la figura 18 se utilizan en soldadura GTAW.
De las cuales se realizan variaciones en virtud de las propiedades físicas y metalúrgicas de
los distintos materiales. La figura 19 muestra las juntas típicas en soldaduras de aceros.
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TABLA 5: Parámetros aproximados para la soldadura GTAW en aceros al carbono y de baja aleación,
para posición plana en juntas a tope, juntas solapadas y filetes horizontales
Espesor -mm
1,6
2,4
3,2
4,8
6,4
12,7
1,6
1,6
2,4
2,4
3,2
3,2
Diámetro electrodo mm
30º
30º
45º
45º
60º
90º
Angulo del electrodo1
0,8
0,8
1,1
1,1
1,1
1,5
Diámetro punta del
1
electrodo
100-140
100-160
120-200
150-250
150-250
150-300
Corriente del arco -A
12
12
12
12
12
12
Tensión del arco , V
1,6
1,6
1,6
2,4
3,2
3,2
Diámetro del alambre mm
4,2
4,2
4,2
3,4
3,4
3,4
Velocidad de avance,
mm/s
9,5
9,5
9,5
9,5
12,7
12,7
Diámetro de la copa mm
9,4
9,4
9,4
9,4
11,8
11,8
Caudal de flujo de gas
-l/min
(1) Ver figura 5.
Electrodo EWTH2- Polaridad negativa Gas de protección 100% ArMetal de aporte ER70S3 Evaluar la necesidad de precalentamiento, en función de la composición química y del espesor.
TABLA 6: Parámetros aproximados para la soldadura GTAW en aceros inoxidables, para posición
plana en juntas a tope, juntas solapadas y filetes horizontales
Espesor -mm
1,6
2,4
3,2
4,8
6,4
12,7
1,6
1,6
2,4
2,4
3,2
3,2
Diámetro electrodo mm
30º
30º
45º
45º
60º
90º
Angulo del electrodo1
0,3
0,3
1,1
1,1
1,1
1,5
Diámetro punta del
1
electrodo
80-120
100-130
120-150
150-250
200-350
225-375
Corriente del arco -A
12
12
12
12
12
12
Tensión del arco , V
1,6
1,6
1,6
2,4
3,2
3,2
Diámetro del alambre mm
4,2
4,2
4,2
3,4
3,4
3,4
Velocidad de avance,
mm/s
9,5
9,5
9,5
9,5
12,7
12,7
Diámetro de la copa mm
9,4
9,4
9,4
9,4
11,8
11,8
Caudal de flujo de gas
-l/min
(2) Ver figura 5. - Electrodo EWTH2- Polaridad negativa Gas de protección 100% ArAporte de acuerdo al metal base -
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Aceros inoxidables austeníticos y ferríticos generalmente no requieren precalentamiento - Aceros
inoxidables martensíticos pueden requerir dependiendo del % de carbono.
TABLA 7: Parámetros aproximados para la soldadura GTAW de aleaciones de aluminio, para posición
plana en juntas a tope, juntas solapadas y filetes horizontales
Espesor -mm
1,6
3,2
4,8
6,4
9,5
12,7
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
6,4
Diámetro electrodo mm
Hemiesf.
Hemiesf.
Hemiesf.
Hemiesf.
Hemiesf.
Hemiesf.
Angulo del electrodo1
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
6,4
Diámetro punta del
1
electrodo
60-80
125-160
190-220
200-300
330-380
400-450
Corriente del arco -A
15
15
15
15
15
25
Tensión del arco , V
1,6
2,4
3,2
3,2
4,8
6,4
Diámetro del alambre
-mm
4,2
4,2
4,2
4,2
3,4
3,4
Velocidad de avance,
mm/s
9,5
9,5
11,1
12,7
15,9
15,9
Diámetro de la copa mm
9,4
9,4
9,4
11,8
11,8
11,8
Caudal de flujo de gas
-l/min
(3) Ver figura 5.
Electrodo EWZr o EWP - Corriente Alterna Gas de protección 100% Ar- Para 12,7 mm de espesor helio - argón puede incrementar la penetración.
Metal de aporte deberá evaluarse en función del metal base -
9. DEFECTOS Y FALLAS:
En la Tabla 8 se enumeran brevemente las distintas discontinuidades que pueden
presentarse en este tipo de soldaduras y el modo de corregirlas.
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FIGURA 18: Diseños básicos de juntas
FIGURA 19: Juntas recomendadas en materiales ferrosos
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Tabla 8: Defectos más comunes en soldadura GTAW
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10. REFERENCIAS:
♦ Welding Handbook- Vm 2 - VIII Ed AWS.
♦ Metals Handbook- Vm 6 - X Ed.
♦ GTAW - J. F. Lincoln Foundation.
11. INDICE:
1.
RESUMEN ___________________________________________________________________ 1
2.
INTRODUCCION:_____________________________________________________________ 2
3.
VENTAJAS Y LIMITACIONES: _________________________________________________ 3
4.
FUNDAMENTOS DEL PROCESO _______________________________________________ 3
5.
EQUIPAMIENTO _____________________________________________________________ 4
5.1 SOPLETE O TORCHAS ____________________________________________________________ 4
5.2 ELECTRODOS: ___________________________________________________________________ 7
5.2.1
5.2.2
CLASIFICACION DE LOS ELECTRODOS ________________________________ _________________ 7
CONFIGURACIÓN DE LA PUNTA DE LOS ELECTRODOS________________________________ ___ 9
5.3 FUENTE DE PODER______________________________________________________________ 11
5.3.1
5.3.2
CORRIENTE CONTINUA ________________________________ ______________________________ 13
CORRIENTE ALTERNA ________________________________ _______________________________ 16
5.4 GASES DE PROTECCION_________________________________________________________ 17
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
ARGON ________________________________ ________________________________ _____________ 17
HELIO ________________________________ ________________________________ ______________ 18
CARACTERÍSTICAS DEL ARGON Y EL HELIO ________________________________ ___________ 18
MEZCLAS DE ARGON E HIDROGENO ________________________________ __________________ 19
GAS DE RESPALDO. ________________________________ ________________________________ __ 20
6.
TÉCNICAS DEL GTAW _______________________________________________________ 21
7.
MATERIALES: ______________________________________________________________ 21
8.
DISEÑO DE JUNTAS: ________________________________________________________ 22
9.
DEFECTOS Y FALLAS:_______________________________________________________ 24
10. REFERENCIAS: _____________________________________________________________ 27
11. INDICE: ____________________________________________________________________ 27
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