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Soldadura por plasma

Soldadura por plasma.
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Soldadura por plasma.jpg
Un gas se calienta, mediante un arco eléctrico, hasta una temperatura suficiente como para que los choques entre átomos o moléculas provoquen la ionización y disociación del gas.

Soldadura por arco plasma: En este proceso, también conocido como soldadura PAW (Plasma Arc Welding), un flujo de gas se calienta, por medio de un arco eléctrico, hasta una temperatura suficiente como para que los choques entre átomos o moléculas provoquen un cierto grado de ionización y disociación del gas.

Orígenes

La nociva acción de la atmósfera (oxidación acelerada por el calentamiento) sobre los electrodos sin recubrir durante la formación del arco, llevó a los investigadores a tratar de solucionar dichos inconvenientes.

A principios de los años cuarenta se comenzó a utilizar la primera de estas técnicas. Se desarrolló un proceso para la soldadura de magnesio, en la que se utilizaba un electrodo no consumible (de tungsteno) y una atmósfera inerte (de helio). Esta técnica se conoce como Gas Tungsten Arc Welding (GTAW o TIG.). Los avances en esta técnica incluyen estudios sobre la utilización de otros gases alternativos.

En los años cincuenta se desarrolló una variación de la técnica GTAW o TIG que conseguía considerables aumentos en la temperatura y en el voltaje de trabajo. Esta técnica es la Plasma Arc Welding (PAW) y pequeñas variaciones en el flujo de gases pueden lograr que se utilice para el corte (Plasma Arc Cutting – PAC).

En la actualidad estas técnicas tienen una amplia aplicación, especialmente en la industria de automoción, industria aeroespacial, construcción.

Descripción

Diferencias del arco en la soldadura por plasma y la soldadura TIG

La soldadura por arco plasma conocida técnicamente como PAW (Plasma Arc Welding), y utiliza los mismos principios que la soldadura TIG, por lo que puede considerarse como un desarrollo de este último proceso. Sin embargo, tanto la densidad energética como las temperaturas son en este proceso mucho más elevadas ya que el estado plasmático se alcanza cuando un gas es calentado a una temperatura suficiente para conseguir su ionización, separando así el elemento en iones y electrones.

La mayor ventaja del proceso PAW es que su zona de impacto es dos o tres veces inferior en comparación a la soldadura TIG, por lo que se convierte en una técnica óptima para soldar metal de espesores pequeños.

Descripción del arco en la soldadura por plasma.jpg‎

Debido a su alta concentración puntual de calor, la transmisión de temperatura al resto de la pieza es mucho menor que la de una soldadura convencional. Esto evita la concentración de tensiones que comúnmente origina una soldadura, de lo cual pueden resultar torceduras y deformaciones al reparar la pieza. Se usa mayormente en uniones de alta calidad en máquinas electromecánicas, con tecnología de precisión aplicada en el punto a soldar.

En la soldadura por plasma la energía necesaria para conseguir la ionización la proporciona el arco eléctrico que se establece entre un electrodo de tungsteno y el metal base a soldar. Como soporte del arco se emplea un gas, generalmente argón puro o en ciertos casos helio con pequeñas proporciones de hidrógeno, que pasa a estado plasmático a través del orificio de la boquilla que estrangula el arco, dirigiéndose al metal base un chorro concentrado que puede alcanzar los 28.000 ºC.

El flujo de gas de plasma no suele ser suficiente para proteger de la atmósfera al arco, el baño de fusión y al material expuesto al calentamiento. Por ello a través de la envoltura de la pistola se aporta un segundo gas de protección, que envuelve al conjunto.

Ventajas

Debido a las grandes temperaturas del arco plasma, éste tiene numerosas aplicaciones y su mayor ventaja es que su zona de impacto es dos o tres veces inferior en comparación con la soldadura TIG. Es el procedimiento de soldadura con fusión más perfecto.

  • Arco excepcionalmente estable, permitiendo el uso de corriente hasta de 0.1 A
  • Concentración de la energía en una zona muy reducida.
  • Penetración controlada a través del valor del flujo.
  • Deformación mínima de la pieza a soldar por la concentración de energía térmica.
  • Forma cilíndrica del arco transferido con lo que se evitan los efectos negativos que aparecen al cambiar la distancia torcha-pieza a soldar.
  • Facilidad de operación al poder extenderse el arco a 10-15 mm de longitud.
  • Posibilidad de trabajar con facilidad con aporte de material.

Aplicaciones

Con esta técnica se consigue soldar aceros difícilmente soldables mediante otras técnicas con elevada penetración.

Una aplicación muy común consiste en realizar revestimientos a base de cromo, níquel y cobalto, de piezas que van a estar sometidas a temperaturas elevadas durante su funcionamiento. En estos casos el metal de aporte es introducido en forma de polvo por un gas de transporte. En esta aplicación se utiliza como gas protector Argón con un pequeño contenido de hidrógeno, para mejorar la penetración y reducir la posibilidad de formación de óxidos.

El mismo principio se utiliza para realizar el corte con chorro de plasma.

  • Equipamiento gastronómico en aceros inoxidables.
  • Máquinas y equipos en aceros inoxidables.
  • Instrumentación y control (presostatos, termocuplas, termómetros, manómetros).
  • Carpintería metálica de acero inoxidable o hierro.
  • Rellenos en matrices, moldes, herramientas, etc.
  • Caños de pequeño espesor en aceros inoxidables o especiales.
  • Industria nuclear.
  • Industria aéreo espacial.

Otra de sus aplicaciones es en el rematizado de las piezasa a soldar, el mismo se logra agregando el polvo de rematizar al flujo de gas.

Clasificación

La soldadura por plasma se clasifica en tres modalidades:

  • Soldadura Microplasma: Se aplica sobre materiales muy delgados con corrientes de soldadura de 0,1 Amp y hasta de 20 Amp. Esta soldadura puede realizarse sobre espesores de calibre muy delgado, lo cual no sería posible lograr con ningún otro proceso.
  • Soldadura medioplasma o soldadura de plasma mediano: Este tipo de soldadura por plasma funciona por fusión de metal a metal, con corrientes de soldadura de entre 20 Amp y de hasta 100 Amp.
  • Soldadura Keyhole u ojo de cerradura: Se emplea para uniones de placas y tuberías con corrientes de soldadura mayores a 250 Amp, con lo cual se logra la penetración del arco plasma en todo el espesor del material a soldar.

Elementos de la soldadura por plasma

  • Gases, los cuales fluyen envolviendo el electrodo de tungsteno. Generalmente argón o helio.
  • El electrodo de tungsteno, que es el principal ayudante durante el proceso de soldadura.
  • Metal base, que puede ser cualquier metal comercial o diversas aleaciones.
  • Depósito de gas, que puede ser de cerámica, de metal de alta resistencia de impacto o enfriado por agua.
  • La fuente de poder, CAAF, CDPD o CDPI.
  • Metal de aporte, pero sólo si se cuenta con él, porque no es indispensable para la soldadura.

El equipo necesario para la soldadura por plasma es similar al que se utiliza en la soldadura TIG.

Pistola de soldadura por plasma

Pistola soldadura por plasma.jpg‎

La pistola que se utiliza dispone de un conducto alrededor del electrodo, por el que circula el gas plasmágeno, con un estrangulamiento en el extremo de salida para acelerar el chorro. El gas protector circula alrededor del gas plasmágeno por un conducto concéntrico.

Para evitar el excesivo calentamiento, la boquilla dispone de un sistema de refrigeración de la punta, por agua.



Medidas de seguridad

El proceso de soldadura ha de realizarse preferentemente en áreas asignadas de forma específica, para evitar que personal ajeno al proceso pueda en determinado momento salir lastimado.

Toda soldadura al arco, genera rayos ultravioleta, los que de incidir directamente en la retina por un periodo prolongado de tiempo pueden producir ceguera. Debido a esto, siempre ha de utilizarse una protección específica, a través de una máscara de soldadura; también han de protegerse manos, brazos y cuerpo.

Fuentes

  • Hernández, Germán. “Manual del soldador”. Madrid: M-44.384, 2007.
  • Kalpakjian, Serowe. “Manufactura, ingeniería y tecnología”. Pearson, Educación, 2002.
  • ZABARA, O. (1989). Soldadura y técnicas afines, tomos I, II y III. Madrid: Bellisco.