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

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

Tabla 4: rangos típicos de corrientes para electrodos de tungsteno

Figura 7: Formas del arco y perfil de la zona de fusión

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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 -

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW 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.

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

FIGURA 18: Diseños básicos de juntas

FIGURA 19: Juntas recomendadas en materiales ferrosos

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

Tabla 8: Defectos más comunes en soldadura GTAW

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR

CUADERNO F.I. Nº 2-2001 SOLDADURA POR ARCO CON ELETRODO DE TUNGSTENO NO CONSUMIBLE GAS-TUNGSTEN ARC WELDING - GTAW

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

LAB. METALOG. Y SOLDADURA - U. N. COMAHUE -

MONICA ZALAZAR