Soldadura por arco sumergido
| ||||
La soldadura por arco sumergido: También llamado proceso SAW (Submerged Arc Welding) consiste en un alambre (electrodo) desnudo, continuamente alimentado, el cual produce el arco eléctrico con la pieza formando así el pozo de fusión, siendo ambos recubiertos por una camada de flujo granular fusible que protege al metal contra la contaminación atmosférica, además de otras funciones metalúrgicas.
Sumario
- 1 Orígenes
- 2 Descripción
- 3 Principio de funcionamiento
- 4 Usos
- 5 Ventajas y desventajas
- 6 Defectos en las soldaduras por arco sumergido
- 7 Parámetros de soldadura
- 8 Fuentes
Orígenes
- En 1801, el inglés Sir H. Davy descubrió que se podía generar y mantener un arco eléctrico entre dos terminales.
- En 1835, E. Davey, en Inglaterra, descubrió el gas acetileno, pero para dicha época su fabricación resultaba muy costosa.
- En 1892, el canadiense T. L. Wilson descubrió un método económico de fabricación.
- El francés H. E. Chatelier, en 1895, descubrió la combustión del oxígeno con el acetileno, y en 1900, los también franceses E. Fouch y F. Picard desarrollaron el primer soplete de oxiacetileno.
- En el año 1881, el francés De Meritens logró con éxito soldar diversas piezas metálicas empleando un arco eléctrico entre carbones.
- Los ingenieros rusos S. Olszewski y F. Benardos, que consiguieron resultados exitosos en el año 1885: lograron la unión por fusión de dos piezas en un punto definido. Se utilizó corriente contínua, produciendo un arco desde la punta de una varilla de carbón (conectada al polo positivo) hasta las piezas a unir (conectadas al polo negativo).
- Electrodos de metal se incorporaron a la soldadura por arco en el siglo XIX por el ruso inventor N. G. Slavianoff, y el inventor británico A. P. Strohmenger desarrollado electrodos revestidos, que estabiliza el arco eléctrico.
Primera Guerra mundial.
Hubo un gran aumento en la tecnología de la construcción durante la primera guerra mundial, incluida entre estos adelantos la soldadura de arco.
Segunda guerra mundial.
Durante la segunda guerra mundial y el período inmediatamente después, se desarrollaron nuevas técnicas de soldadura por arco, incluyendo la soldadura de arco sumergido, soldadura por arco de tungsteno y el metal de soldadura protegida por gas gas.
Descripción
Al igual que en los demás procesos de soldadura por arco eléctrico, este es un proceso en el cual el calor es aportado es generado entre uno o más electrodos desnudos y la pieza de trabajo. El arco eléctrico mencionado está sumergido en una capa de fundente granulado que lo cubre totalmente protegiendo el metal depositado durante la soldadura.
Es un proceso de alta dilución, en el que aproximadamente se funde dos veces más metal base que electrodo. Corrientemente se utilizan intensidades de 200 a 2000 amperes, aunque en los primeros días del proceso se emplearon intensidades hasta 5000 Amperes. En la actualidad estas intensidades extremadamente elevadas no son utilizadas generalmente por distintas razones, relacionadas principalmente con la metalurgia del depósito, y se prefiere depositar el metal en capas para aprovechar la ventaja de la normalización resultante del recalentamiento.
Un proceso de arco abierto que trabaje con intensidades por encima de los 300 A debe utilizarse con precaución, porque el arco es una intensa fuente de luz con elevado contenido de radiación infrarroja y ultravioleta. En la soldadura con arco sumergido no es visible el arco y tales precauciones son innecesarias. Por la misma causa el operario no puede ver el baño y juzgar el avance de la soldadura; debe confiar en que el ajuste sobre la unión permanece constante ó bien ajustar previa y cuidadosamente la trayectoria del cabezal de soldadura con respecto a la unión.
La cantidad de polvo fundente fundido durante la soldadura es aproximadamente la misma en peso que la de alambre fundido, y se deja sobre el cordón de soldadura como una capa de escoria vítrea. Bajo esta escoria el metal soldado tiene una superficie lisa, casi sin ondulaciones, debido al alto aporte de calor que produce un baño de soldadura grande que solidifica lentamente en contacto con la escoria relativamente fluida. Las soldaduras obtenidas por arco sumergido son notables por su apariencia limpia y contornos lisos. El polvo fundente no fundido durante la operación de soldadura se recupera para utilizarlo nuevamente, pero debe tenerse cuidado que no esté contaminado. Cuando se hace la soldadura en superficies inclinadas o cerca de los cantos es necesario un estante ó un dispositivo similar para soportar el fundente.
Principio de funcionamiento
La corriente eléctrica se conduce entre el electrodo y la pileta fundida a través de un plasma gaseoso inmerso en el fundente.
La potencia la suministra un generador, un transformador – rectificador ó un transformador y se conduce al alambre (electrodo) a través del tubo de contacto, produciéndose el arco entre aquel y el metal base.
El calor del arco funde el electrodo, el fundente y parte del metal base, formando la pileta de soldadura que conforma la junta.
En todos los equipos de este tipo existe un mecanismo que tracciona el alambre y lo conduce a través del tubo de contacto y de la capa de fundente hasta el metal base.
Los alambres utilizados son generalmente aceros de bajo carbono y de composición química perfectamente controlada; el alambre se encuentra usualmente enrollado en una bobina.
El fundente se va depositando delante del arco a medida que avanza la soldadura. Cuando se solidifica, se extrae el exceso para utilizarlo nuevamente y el fundido se elimina mediante un piqueteado. En los equipos modernos existe una aspiradora que absorbe el excedente de fundente y lo envía nuevamente a la tolva de alimentación.
Usos
La soldadura por arco sumergido ha encontrado su principal aplicación en los aceros suaves de baja aleación, aunque con el desarrollo de fundentes adecuados el proceso se ha usado también para el cobre, aleaciones a base de aluminio y titanio, aceros de alta resistencia, aceros templados y revenidos y en muchos tipos de aceros inoxidables. También se aplica para recubrimientos duros y reconstrucción de piezas. Es un método utilizado principalmente para soldaduras horizontales de espesores por encima de 5mm, en los que las soldaduras sean largas y rectas. Pueden soldarse espesores hasta doce milímetros sin preparación de bordes mientras que con preparación de bordes el espesor máximo a unir es prácticamente ilimitado.
El propio cabezal de soldadura puede moverse sobre el trabajo en un vehículo autopropulsado ó en un puente ó el trabajo se hace girar bajo el cabezal de soldadura estacionario.
Este método es ampliamente utilizado, tanto para soldaduras a tope como en rincón, en construcción naval e industrias de recipientes a presión, estructuras metálicas, tubos y tanques de almacenaje; para esta última finalidad se utilizan máquinas especiales autopropulsadas, con un dispositivo para contener el fundente, para soldar las costuras circulares en plaza.
Ventajas y desventajas
Ventajas
- Las juntas pueden ser preparadas en “V” con poca profundidad debido a la elevada penetración del proceso, obteniéndose con esto un menor consumo de alambre y fundente.
- Los procesos de soldadura pueden realizarse a altas velocidades debido a la elevada intensidad con que se opera en la mayoría de las aplicaciones.
- No es necesario proteger al operador de la máquina de la emisión de radiación, ya que el arco se encuentra sumergido en el fundente, evitándose además las salpicaduras del metal fundido.
- El fundente actúa como un desoxidante protegiendo el arco y aportando elementos de aleación al cordón en el caso de emplear fundentes aleados.
- Cordones en acabado uniforme.
- Permite la utilización de distintas técnicas que contribuyen para el aumento de la productividad (múltiples alambres, adición de polvillo de hierro, etc).
- Proceso estable con poco humo y salpicaduras.
- Alta productividad.
- El hecho de que se puede ejecutar en un solo pase, hasta en materiales de gran diámetro.
- Es muy confiable si los parámetros de operación son los correctos..
- Muy poca tensión transversal.
- Muy bajo riesgo de grietas por hidrogeno.
Desventajas
- Muchas soldaduras requieren algún tipo de respaldo para evitar la perforación del metal base.
- Este proceso conlleva un tiempo de preparación mayor previa mayor que otros.
- Con este sistema generalmente se sueldan piezas a partir de los 5 mm de espesor.
- La posición de soldadura está restringida a plana y horizontal.
- Equipos muy costosos, así como la instalación que se puede convertir compleja.
Defectos en las soldaduras por arco sumergido
Porosidad
Es un defecto bastante común y se debe a varios factores. A veces aparece en forma visible, como “pinchaduras” en la superficie del cordón y otras en forma no visible, por debajo de la superficie, revelado por rayos X ó ultrasonido.
Las principales causas son:
Contaminación de la junta con pintura, grasa, aceite, óxidos hidratados, etc. Estos materiales se descomponen a las elevadas temperaturas del arco produciendo gases.
Fundente húmedo. Es buena práctica resecar los fundentes antes de su empleo y almacenarlos en un ambiente calefaccionado. Los fabricantes proveen indicaciones al respecto.
Si la unidad recuperadora es accionada por aire comprimido, éste deberá ser secado previamente.
Fisuración por hidrógeno
Algunos aceros son más susceptibles que otros a la fisuración en frío, pero afortunadamente las soldaduras por arco sumergido no poseen tendencia particular a este defecto. Si el acero es templable y el fundente está húmedo, entonces sí pueden aparecer fisuras en frío. Este problema se evita manipulando correctamente el fundente y respetando las temperaturas de precalentamiento, interpasadas y de postcalentamiento en los casos en que ello sea necesario.
Fisuras de solidificación
La fisuración en caliente suele ser un problema causado por el gran tamaño de la pileta líquida debido a grandes corrientes de soldadura combinado con elevadas velocidades de avance. Esto origina cordones estrechos y profundos que son muy proclives a las fisuras longitudinales en caliente.
El problema se agravará ante la presencia de P, S, C.
Si se presume la presencia de estos elementos en el metal base en cantidades mayores que lo normal, debe minimizarse la dilución además de lograr cordones con un perfil adecuado.
Parámetros de soldadura
La selección de condiciones de soldadura más conveniente para el espesor de chapa y preparación de junta a soldar es muy importante, a los efectos de lograr soldaduras libres de defectos tales como fisuras, poros y socavación lateral.
Polaridad
Con corriente continua positiva, CC(+) se logra mayor penetración, mejor aspecto superficial y mayor resistencia a la porosidad.
Con corriente continua negativa, CC(+) se obtiene mayor velocidad de deposición con menor penetración.
Corriente de soldadura
Determina en forma directa la penetración y la velocidad de deposición, aumentando ambas con el incremento de corriente.
Tensión de arco
Al aumentar la tensión se incrementan la dilución y el ancho del cordón y disminuye la sobremonta lográndose un cordón ancho y plano. Al mismo tiempo aumenta la cantidad de fundente que se funde con igual cantidad de alambre, lo que afecta a la composición química del metal de soldadura en el caso se emplear fundentes activos. Los voltajes excesivamente pequeños hacen que el arco muera completamente bajo la superficie de la plancha, de modo que la penetración tiene una sección transversal en forma de tulipa.
El voltaje de trabajo normal para soldar a tope es de 35 Voltios a 1000 A.
Velocidad de avance
Al aumentar la velocidad de traslación del arco disminuye el ancho del cordón y la penetración, incrementándose el riesgo de porosidad. Las velocidades excesivas se traducen en cordones mordidos y rugosos ó picudos.
Espesor de la capa de fundente
Una cama de fundente de poco espesor puede producir porosidad por una inadecuada protección del metal fundido. Por otro lado, una cama muy gruesa desmejora el aspecto del cordón y pude conducir a derrames del metal fundido en soldaduras circunferenciales y producir dificultades para la remoción de la escoria en chaflanes profundos.
Alambre para electrodo
El alambre para soldadura por arco sumergido se emplea en forma de bobinas y esté cobreado; esto evita la oxidación superficial en el almacenaje y proporciona seguridad en el contacto eléctrico; con poca resistencia entre el alambre de soldar y los contactos de cobre a través de los cuales se conduce la corriente. El diámetro del hilo utilizado depende fundamentalmente de la intensidad de corriente de soldadura necesaria y puede situarse entre 5mm de diámetro, para corriente de 150 A, a 10mm de diámetro, para una corriente de 3000 A.
El cordón de soldadura es ligeramente más estrecho con un alambre delgado que con un alambre grueso con la misma intensidad de corriente, pero el efecto principal del tamaño del alambre reside en su penetración.
La composición de los alambres para soldadura por arco sumergido depende del material que se suelda, puesto que los elementos aleados se añaden generalmente al alambre y no al fundente. En este proceso las variaciones en la técnica pueden alterar las relaciones de las cantidades fundidas de plancha alambre y fundente. Cuando se utilizan alambres altamente aleados, por ejemplo, aceros inoxidables, pude ser necesario añadir compuestos de los elementos aleantes al fundente, para disminuir las reacciones metal-escoria que pueden traducirse en pérdidas de los elementos aleantes hacia la escoria.
Diámetro del alambre
Para una corriente dada, aumentando el diámetro se reduce la penetración pero el arco se torna más inestable y se dificulta su encendido.
Longitud libre del alambre
Con un incremento de la longitud libre del alambre, se aumenta la velocidad de deposición y decrece la penetración.
Inclinación del alambre
Tiene un efecto considerable sobre la penetración y sobre las eventuales socavaduras.
Parámetros recomendados para alambres
| Diámetro de alambre | Rango de Corriente (A) | Rango de tensión en (V) |
| 1/16" (1.6 mm) | 150-500 | 22-30 |
| 5/64" (2.0 mm) | 175-600 | 24-32 |
| 3/32" (2.4 mm) | 250-700 | 26-34 |
| 5/32" (4.0 mm) | 400-1000 | 28-38 |
Fundentes
Entre las principales funciones del fundente para la soldadura de arco sumergido podríamos enumerar las siguientes:
- Protege la soldadura fundida de la interacción con la atmósfera.
- Limpia y desoxida la soldadura fundida.
- Ayuda a controlar las propiedades químicas y mecánicas del metal de aporte en la soldadura.
Existen dos métodos importantes para elaborar los fundentes, Granulados y fundidos:
Fundentes granulados aglomerados
Se fabrican mezclando en seco los ingredientes del fundente y luego aglomerándolos en una mezcla con silicato liquido, entonces los gránulos del fundente son horneados una temperatura relativamente baja para eliminar el agua del silicato liquido. Este tipo de fundente puede contener partículas metálicas desoxidantes las cuales pueden favorecer a la buena operación sobre oxido y escamas metálicas.
Una desventaja notable de este tipo de fundente es su alta capacidad higroscópica, mientras están almacenados son capaces de absorber altas cantidades de humedad si no están apropiadamente aislados y acondicionados. Un procedimiento eficaz para eliminar la humedad, si se sospechara de su existencia, es el de hornear los paquetes de fundente sin abrir en hornos para electrodos a una temperatura de entre 260 grados centígrados (500 F) y 427 grados centígrados (800 F) durante un tiempo no mayor de 6 horas, lo que debería remover toda la humedad existente, muchos operadores prefieren hacer este procedimiento con todos los paquetes de fundente, incluyendo los nuevos, como una forma de asegurar el resultado de sus soldaduras y garantizando así que estén libres de contaminación.
Fundentes fundidos
Como su nombre lo indica, son fabricados mezclando los ingredientes para luego fundirlos en un horno eléctrico de alta temperatura hasta formar un líquido homogéneo. Este fundente líquido al enfriarse vuelve a su estado sólido para luego ser triturado en un molino hasta lograr la granulometría adecuada al formato requerido. Su ventaja principal es que debido a su alta dureza, producto del proceso de fundición a alta temperatura de 1614 Grados Centígrados (3000 F), es que el grado de hidroscopia es casi nulo, es muy difícil que este material absorba humedad, no obstante alguna humedad podría condensarse en las superficies de los granos, la cual es de fácil manejo pudiéndose eliminar a una muy baja temperatura, 145 Grados Centígrados (300 F) por una hora, el proceso de fundición también logra que los componentes se mezclen químicamente uniforme, esto proporciona un rendimiento estable de la soldadura, incluso a altos niveles de corriente, también permiten una velocidad de avance mas alta durante el proceso.
Clasificación según sus efectos operacionales
Los fundentes también se clasifican según sus efectos en los resultados finales en la operación de soldadura, en este sentido existen dos categorías:
Activos
Los fundentes activos son aquellos que causan un cambio sustancial en la composición química final del metal de soldadura cuando el voltaje de soldadura (y por consiguiente la cantidad de fundente) es cambiado.
Los fundentes fundidos generalmente aportan grandes cantidades de Magnesio y Silicio al material de aporte, incrementando la resistencia, pero cuando se usa fundente activo para hacer soldaduras de multipases, puede ocurrir una excesiva acumulación de estos componentes resultando en una soldadura muy vulnerable a las grietas y las fracturas, los fundentes activos deben ser usados limitadamente en las soldaduras con pasos múltiples, especialmente sobre oxido y escamas metálicas, un cuidado especial en la regulación del voltaje es recomendado cuando se usa este tipo de fundentes en el procedimiento de soldadura con pasos múltiples para evitar la saturación de magnesio y silicio, en líneas generales, no es recomendado el uso de fundentes activos en soldaduras de pasos múltiples en laminas de un diámetro superior a los 25 mm (1")
Neutros
Como su clasificación misma lo dice este tipo de fundentes no causan cambios significativos en la composición química del metal de aporte, ni siquiera con variaciones de voltaje. Los fundentes neutros no afectan la fuerza de la soldadura indiferentemente al voltaje o numero de pases de soldadura que se apliquen. Como regla general, los fundentes neutros deben ser parte de las especificaciones de las soldaduras con pases múltiples.
Elementos utilizados en los fundentes
| Mineral | Formula |
| Calcita | CaCo3 |
| Cordindón | Al2o3 |
| Criolita | Na3AlF6 |
| Dolomita | CaMg(Co3)2 |
| Ferosilicio | FeSi2 |
| Fluorita | CaF2 |
| Hausmanita | Mn3O4 |
| Hierro | Fe |
| Óxido de cálcio | CaO |
| Magnesita | MgCO3 |
| Periclasa | MgO |
| Cuarzo | SiO2 |
| Rhodenita | MnSiO3 |
| Rutilo | TiO2 |
| Wellastonita | CaSiO3 |
| Zircón | ZrSiO4 |
Fuentes
- http://www.esab.es/es/sp/education/proceso-gtaw-tig.cfm
- http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/soldaduratig/
- Hernández, Germán. “Manual del soldador”. Madrid: M-44.384, 2007.
- Kalpakjian, Serowe. “Manufactura, ingeniería y tecnología”. Pearson, Educación, 2002.
