selección de los parámetros de pulso en la soldadura

SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE PULSO EN LA SOLDADURA
DE ALEACIONES Al-Si y Al-Mg CON GMAW-P
Vicente Ignoto
Universidad Central de Venezuela (UCV), Facultad de Ingeniería, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. Correo electrónico: [email protected]
Miguel A. Grella
Universidad Central de Venezuela (UCV) – Escuela de Ingeniería Mecánica – Caracas – Venezuela
Resumen. Este trabajo tiene por finalidad predecir los parámetros de pulso en la soldadura
GMAW-P usando como material de aporte alambres de aluminio macizos ER 4043 y ER 5356. La
compleja interdependencia existente entre las corrientes de pico (Ip) y de base (Ib) y los tiempos de
pico (Tp) y de base (Tb) dificulta la selección de la combinación más adecuada para lograr
soldaduras de alta calidad. Se aplicó la metodología desarrollada por Amin (1983) y las
correcciones realizadas por Rajasekaran (1999), basada en la determinación de una “zona
paramétrica” de combinaciones de estos parámetros que proporciona arcos eléctricos estables con
tasas de consumo o fusión balanceadas con la velocidad de alimentación del alambre para tiempos
de ciclo fijos y desprendimiento de una gota por pulso mediante la aplicación de tres criterios:
Criterio “burnoff” (velocidad de alimentación, Va = velocidad de fusión, Vf), Transferencia
Metálica (transferencia de una gota por pulso) y Estabilidad del Arco Eléctrico (corriente base
mínima). Combinaciones de estos parámetros de pulso que cumplen con dichos criterios son Ip =
320 A, Ib = 60 A, Tp = 2.3 ms, Tb = 5.7 ms y Va = 6 m/min para el aporte ER 4043 e Ip = 300 A,
Tp = 2.3 ms, Ib = 46 A, Tb = 3.7 ms y Va = 8 m/min para el ER 5356. La selección definitiva de los
parámetros, después de construir la “zona paramétrica” se hizo en base a la inspección visual y a
la caracterización química y metalográfica de los cordones.
Palabras Claves: GMAW-P, Parámetros de Pulso, Zona Paramétrica, Aleación de Aluminio.
1.
INTRODUCCIÓN
El aluminio y sus aleaciones son metales de amplio uso industrial gracias a su alta resistencia,
bajo peso y elevada ductilidad, entre otras propiedades, según los expuesto por The Aluminum
Association (1998), Hatch (1984) y Martukanitz (1993). Por otra parte, el proceso de soldadura
eléctrica al arco con protección gaseosa o gas metal arc welding (GMAW), mejora la productividad,
basado en Martukanitz et al (1982), Kim et al (1993) y Choi et al (1998); (electrodo continuo) por
lo que se usa en la soldadura del aluminio en aplicaciones industriales tan diversas como la
automotriz, férrea, náutica, aeronáutica y aerospacialsegun se muestra en varios trabajos: The
Aluminum Association (1998), Hatch (1984) y Martukanitz (1993). Este trabajo contempla el
estudio de una variante del proceso GMAW, conocida con el nombre de GMAW pulsado (GMAWP), cuya principal característica es la variación del nivel de corriente entre un valor pico (Ip) y uno
base (Ib) a intervalos fijos de tiempo (Tp y Tb). Estos parámetros de pulso junto con otras variables
como la velocidad de alimentación del alambre, la velocidad de avance y el flujo y tipo de gas,
tienen una marcada influencia en las características geométricas y superficiales de los cordones de
soldadura, por lo cual es necesario que los valores de estos parámetros sean los más adecuados para
que los depósitos realizados cumplan con los niveles de calidad exigidos por la aplicación. Debido a
la compleja interrelación entre los parámetros de pulso (Ip, Tp, Ib, Tb), y la amplia gama de las
combinaciones posibles, la selección de estos parámetros se hace bastante difícil. Sin embargo,
varios investigadores como Rajasekaran (1998), Kim (1989)y Amin (1983), han desarrollado
métodos para seleccionar correctamente dichos parámetros. Este método se denomina “método de
la zona paramétrica” basado en la delimitación de un área determinada de acuerdo a
requerimientos de estabilidad de arco y transferencia metálica que permite seleccionar la
combinación de los parámetros de pulso mas adecuados para producir soldaduras de aluminio de
alta calidad, como lo reporta en sus trabajos Rajasekeran (1999).
2.
PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES
Se empleó una fuente multiproceso semiautomática con un equipo adicional de registro de
oscilogramas de las variables de soldadura. La posición de soldadura fue 1G y la distancia tubo de
contacto-pieza fue de 15 mm. Como material base se empleó una aleación de aluminio AA 1100 de
6 mm de espesor y como materiales de aporte ER 4043 y ER 5356 con un diámetro de 1,2 mm. La
relación entre la velocidad de alimentación del alambre y la velocidad de avance fue 10.
2.1. Selección de los parámetros de soldadura
La selección de los parámetros de soldadura se basa en la aplicación de los tres criterios de la
metodología desarrollada por M. Amim (1983).
2.1.1. Criterio “burnoff”
Es el primero de estos criterios y para su aplicación se realizaron cordones empleando el proceso
de soldadura GMAW (transferencia metálica cortocircuito) y GMAW-P (transferencia metálica
pulsada) para distintas velocidades de alimentación del alambre, ajustando los parámetros en cada
caso por ensayo y error hasta obtener un arco estable. Para cada velocidad de alimentación (Va) se
registró el valor de la corriente media (Im) y se realizaron gráficas (Va vs. Im) tal como se indica en
la Figura 1. Para el aporte ER 4043 el punto de corte entre las dos rectas corresponde a Va = 3.35
m/min e Im = 87 A, mientras que para el ER 5356 ocurre a Va = 8 m/min e Im = 181 A, valores a
partir de los cuales se garantiza la transferencia metálica rociado.
Figura 1. Gráficas va vs Im para los materiales de aporte ER 4043 y ER 5356.
La construcción de la “zona paramétrica” se realizó graficando la ecuación [1], tomando en
cuenta la existencia de un punto donde Ip = Ib = Im, variando los valores de Tp y fijando Va = 6
m/min, Im = 132 A y tiempo de ciclo de (Tc) de 8 ms para el aporte ER 4043, y Va = 8 m/min, Im
= 181 A y Tc de 6 ms para el aporte ER 5356.
T
Ip =  c
T
 p



.I m −  Tc − 1I B

T


 p

(1)
Las zonas paramétricas representadas en la Figura 2 presentan la combinación de parámetros de
pulso que proporcionan teóricamente un arco estable.
Figura 2. Zona Paramétrica delimitada por el criterio “burnoff” para ER 4043 y ER 5356.
Se calculó el volumen de gota (Vg) para ambos materiales de aporte asumiendo que éstas
poseen forma esférica y tomando como radio 0,6 mm. Este volumen es igual a 0,91 mm3.
2.1.2. Criterio de Transferencia Metálica
A pesar de que todas las condiciones de pulso obtenidas por la ecuación (1) en la zona
paramétrica podrían satisfacer el criterio “burnoff”, algunas combinaciones podrían no producir
transferencia metálica tipo rociado si Ip e Ib no fuesen suficientes como para transferir el volumen
de gota requerido así que las zonas paramétricas de la Figura 2 deben ser limitadas mediante este
segundo criterio.
Para ello se llevaron a cabo una serie de ensayos de soldadura fijando los valores de Ip, Tb y Va,
a fin de establecer una relación entre Ip y Tp para diferentes cantidades de gotas por pulso
desprendidas utilizando combinaciones de parámetros contenidos dentro de dichas zonas. En la
Figura 3 se observan oscilogramas que indican el desprendimiento de una gota por pulso.
Figura 3. Oscilogramas indicando la transferencia de una gota por pulso.
Finalmente para definir la relación existente entre Ip y Tp, se plantea la ecuación (2) donde “m”
representa el valor de la pendiente de las rectas agrupadas por números de gotas desprendidas por
pulso (en este caso una gota) y donde Kv es una constante llamada “parámetro de
desprendimiento”. Para ello se grafica en escala logarítmica los parámetros que representan una
gota por pulso (Figura 4).
Ip-m.Tp = Kv
(2)
Figura 4. Relación Ip vs. Tp para desprendimiento de una gota por pulso ER 5356 y ER 4043.
En la Figura 4, para el material de aporte ER 4043 el valor de la pendiente “m” corresponde a
1,86 y para el aporte ER 5356 es igual a 1,6. La constante Kv se obtiene mediante la ecuación (3) y
tomando el valor de “m” para cada material de aporte:
Idcm.TMD = Kv
(3)
Para ello se realizan ensayos de soldadura con arco convencional con valores de Va que
garanticen transferencia rociado. A partir de los oscilogramas de estos ensayos se toman los tiempos
de desprendimientos de gotas (Tmd), Volumen de las mismas (Vmd) y sus correspondientes niveles
de corriente media (Idc). Con la construcción de histogramas de frecuencias se obtuvo el valor del
tiempo modal (TMD), para luego, a partir de la ecuación (4), obtener el volumen modal de gota
(VMD). En la Tabla 1 se presentan los parámetros de soldadura usados y los valores obtenidos.
V MD =
π .d .V a .T MD
240
(4)
Tabla 1. Parámetros de corriente para obtener el valor de Kv.
ER 4043
Nº
1
2
3
4
Va
(m/min)
5
5,5
6
6,5
IDC
(A)
130
144
154
164
U
(V)
23
23
24
24
ER 5356
TMD
(ms)
2,08
1,79
1,56
1,29
VMD
(mm3)
0,79
0,74
0,71
0,63
Nº
1
2
3
4
Va
(m/min)
10
10,5
11
11,5
IDC
(A)
180
186
192
198
U
(V)
24
26
27
27
TMD
(ms)
3,00
2,67
1,72
0,78
VMD
(mm3)
0,57
0,53
0,36
0,17
Mediante los datos de la Tabla 1 se construyen las gráficas (VMD vs. IDC) y (VMD vs. TMD)
representadas en la Figura 5, a partir de las cuales puede obtenerse los valores de corriente Idc y
Tmd para cualquier requisito de gota. Esto implica que se obtiene el valor de Kv para el volumen
teórico de gota requerido (en este caso 0,91 mm3). Las gráficas muestran que a medida que aumenta
la corriente, para la relación Idc vs. VMD, el VMD disminuye. Esto ocurre debido a que una mayor
cantidad de calor es concentrada en una misma área, aunque la cantidad de material suministrado
por unidad de tiempo también aumente, la energía neta es cada vez mayor por lo que las gotas de
metal fundido son más pequeñas. Para la relación TMD vs. VMD se observa que para un incremento
del tiempo, el volumen de gota disminuye debido a que durante la formación de la gota, esta tendrá
un mayor tamaño debido al mayor tiempo que transcurre recibiendo energía para fundirse. Como se
ha mencionado, los parámetros del pulso a seleccionar deben proporcionar el tiempo y la corriente
suficientes para permitir la formación de una gota por pulso de igual diámetro al del electrodo (VMD
= 0,91 mm3). Estos valores son tomados a partir de la Figura 5 y se reportan en la Tabla 2.
Figura 5. Relación VMD vs. IDC y relación TMD vs. VMD para los aportes ER 4043 y ER 5356.
Tabla 2.- Valores de IDC y TMD para VMD = 0,91 mm3
Material de Aporte
IDC (A)
TMD (ms)
ER 4043
104,7
2,642
ER 5356
163,6
4,757
Kv
14,9
16,7
Los datos presentados en la Tabla 2 permiten evaluar el “parámetro de desprendimiento” Kv,
sustituyendo los valores en la ecuación (5) y (6), con la cual queda definida y limitada la zona
paramétrica de la figura 2 permitiendo cumplir con este segundo criterio.
ER 4043
ER 5356
IP1,86.Tp = 14,9
IP1,6.Tp = 16,7
(5)
(6)
2.1.3. Criterio de Estabilidad del Arco
Este es el criterio final para delimitar completamente la zona paramétrica y establece que es
necesario encontrar un valor mínimo de corriente de base (Ib) que mantenga el arco encendido
permitiendo la transferencia de la gota en el siguiente pulso.
Se realizaron soldaduras para cada material de aporte, seleccionando aleatoriamente puntos
dentro de la zona paramétrica predicha por el criterio “burnoff”. Se disminuyó progresivamente el
valor de la corriente base hasta observar la extinción del arco. El valor que satisface este criterio es
Ib = 25 A para ambos materiales de aporte.
Finalmente las zonas paramétricas completamente delimitadas se observan en la Figura 6. Los
puntos contenidos dentro de ambas zonas representan la combinación teórica de parámetros de
pulso más adecuada para producir cordones con características geométricas adecuadas. Estas áreas
se encuentran entre las líneas radiales de Tp = 1.5 y 2.5 ms para ER 4043 y entre Tp = 2 y 3 ms para
ER 5356 lo que indica que para ambos materiales las mejores condiciones se encuentran cuando los
Tp son menores que los Tb. Los puntos ensayados que se encuentran fuera de las zonas delimitadas
presentan condiciones de soldadura menos estables con respecto a las contenidas dentro de la
misma.
Figura 6. Zonas Paramétricas limitadas para ER 4043 y ER 5356.
Sin embargo, no todos los puntos dentro de estas zonas garantizan la obtención de arcos
estables, adecuada penetración y aspecto superficial, etc, por lo que se evaluaron y graficaron
combinaciones adicionales de parámetros obteniéndose áreas de menor tamaño para cada aporte
(Figura 6).
2.2. Fabricación e inspección de probetas
Dentro de cada una de estas áreas se tomaron tres combinaciones distintas de parámetros de
pulso con los cuales se realizaron cupones de prueba. En las Figura 7 y 8 se observan el aspecto
superficial y macrografía de cortes transversales de los cordones obtenidos empleando Va = 6
m/min, Ip = 320 A, Tp = 2.3 ms, Ib = 60 A, Tb = 5.7 ms para el aporte ER 4043 y Va = 8 m/min, Ip
= 320 A, Tp = 2.3 ms, Ib = 46 A, Tb = 3.7 ms para ER 5356.
Figura 7. Aspecto superficial de los cupones de prueba.
Figura 8. Macrografías de la sección transversal de los cupones.
3.
−
−
−
−
4.
CONCLUSIONES
El método de Amin (1983) permite encontrar el conjunto de condiciones de soldadura o “zona
paramétrica” mas adecuado para la fabricación de cordones con transferencia metálica estable a
baja energía en aleaciones de aluminio.
La soldadura de las aleaciones (Al – Si) y (Al – Mg) con el proceso “Gas Metal Arc Welding”
(GMAW) con transferencia metálica pulsada proporcionan cordones con un buen acabado
superficial (sin salpicaduras) y de excelente calidad.
Un conjunto de parámetros de pulso obtenido en la “zona paramétrica” en la soldadura GMAWP del alambre Al-Si (ER 4043) que proporciona depósitos con excelentes características
superficiales y geométricas es Va = 6 m/min, Ip = 320 A, Tp = 2.3 ms, Ib = 60 A, Tb = 5.7 ms.
Los parámetros de pulso en la soldadura GMAW- P del alambre Al-Mg ER 5356 que
proporcionan depósitos de excelentes características superficiales y geométricas así como un
aporte calórico inferior al obtenido durante el proceso GMAW con corriente constante son Va =
8 m/min, Ip = 320 A, Tp = 2.3 ms, Ib = 46 A, Tb = 3.7 ms.
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3. CHOI, S.K., YOO, C.D., and KIM, Y.-S. 1998. Dynamic Simulation of Metal Transfer in
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6. KIM, Y.-S. and EAGAR, T.W. 1993. Analysis of Metal Transfer in Gas Metal Arc Welding.
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11. SUBRAMANIAM, S., WHITE D.R. & LYONS, D.W. 1999. Experimental Approach to
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12. THE ALUMINUM ASSOCIATION. Aluminum Alloys. Selection and Applications.
Copyright 1998. U.S.A.
WELDING PARAMETRES SELECCTION FOR Al-Si y Al-Mg ALLOY USED
GMAW WITH PULSED METAL TRANSFER
Vicente Ignoto
Universidad Central de Venezuela (UCV), Engineering´s Faculty, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. E-mail: [email protected]
Miguel A. Grella
Universidad Central de Venezuela (UCV), Engineering´s Faculty, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela.
Abstract. This work attempts to predict the suitable combination of GMAW pulsed welding
parameters for Al-Si y Al-Mg alloys used filler metal ER 4043 y ER 5356. The complex
interdependence of the pulsed currents parameters, peak corrent (Ip), peak duration (Tp),
background current (Ib), and background duration (Tb), makes it difificult to select the most
suitable combination of parameters for welding. Employing a theorical approach developed by
Amin, and Rajasekaran´s corrections, which is based on a first estimate of the pulse parametric
zone employing a burnoff (wire feed speed (Va) must be balanced with wire burnoff rate (Vf)),
metal transfer (spray type metal transfer must be produced) and arc stability (background current
must be exceed a minimum limit for a stable arc) criteria. The selected pulsed welding parameters
were Ip = 320 A, Ib= 60 A, Tp=2.3 ms, Tb= 5.7 ms y Va= 6 m/min for ER 4043 and Ip = 300 A,
Ib= 46 A, Tp=2.3 ms, Tb= 3.7 ms y Va= 8 m/min for ER 5356. This final selection of pulsed
welding parameters before of the construction of the parametric zone were made on based of visual
inspection, chemical analysis and micrographs on the weld beads.