INTRODUCCIÓN

Se entiende por soldadura en su sentido más general, a un proceso de fabricación mediante el cual se realiza la unión continua y homogénea de dos materiales, que puede llevarse a cabo, aunque dependiendo del tipo de soldadura, mediante la aportación directa de calor o sin ella, con aplicación de material de aportación o sin ella, o mediante la aplicación o no de esfuerzo mecánico entre las piezas a unir.

RESUMEN

Para proporcionar el calor necesario para la operación de soldadura se requiere un arco eléctrico de bajo voltaje (18-49V) y alta intensidad (60-450 A) entre el electrodo y la pieza de trabajo. Para proteger el electrodo, el arco, el metal fundido y el área de soldadura de la contaminación atmosférica se emplea una corriente de gas inerte o mezcla de gases. Ventaja de la protección con gas:

Mejor perfil Menos salpicaduras Superficie suave La estabilidad del arco proporciona un ancho uniforme

MARCO TEORICO

Gases de Protección: Propiedades y Aplicaciones

Gas Propiedades Aplicaciones Comentarios

Argón(Ar)

· Conductividad térmica baja (provoca cordón estrecho con elevada penetración  en el centro)· Gas inerte (no reactivo)· Excelente estabilidad de arco· Arco spray posible para mezclas >= 80% Ar

· Puro: Metales no férricos (Ni, Cu, Al, Mg, Ti Zr)· Mezcla: Aceros

· Ar puro tiende a provocar mordeduras al usarse en aceros

Helio(He)

· Conductividad térmica elevada (provoca cordón menos afilado)· Gas inerte· Más ligero que el aire (peor protección que Ar en posición plana)· Arco errático y proyecciones en aceros· Voltaje arco mayor que Ar (mayor cambio de voltaje al cambiar la longitud de arco)· Más proyecciones que Ar· Peor apariencia del cordón que Ar

· Puro: Metales no férricos, cuando se necesita más aporte de calor que con Ar

· He puro provoca arco errático y proyecciones al usarse en aceros· El gas más caro en general

CO2

· Gas reactivo· Permite mayores velocidad de avance y penetración· Menor coste· Modo corto circuito y globular sólo· Elevado nivel de salpicaduras· Cordón de superficie rugosa y peor mojado de paredes que Ar

· GMAW con acero al carbono y baja aleación

· Único gas reactivo adecuado para ser usado puro como gas de protección· Para disminuir las proyecciones hay que bajar el voltaje (longitud de arco)

Hidrógeno(H2)

· Elevada conductividad térmica· Elevada reactividad (inflamable)· Gas más ligero

· Corte por plasma· Tratamientos térmicos

Nitrógeno(N2)

· No combustible· Reactivo a muy altas temperaturas con Ti, Mg, Al· Más ligero que el aire

· Puro: Corte por plasma· Mezcla: Soldadura

· Puro no se recomienda como gas de soldadura porque reacciona con metal fundido

Oxígeno(O2)

· Oxidante fuerte· Reacciona con todos los elementos excepto gases nobles

· Puro: Soldadura y corte por oxigás

· Adición a Ar (5% O2 máx.) mejora estabilidad arco, apariencia cordón, mojado paredes

Ar-O2· El O2 estabiliza el arco, mejora la apariencia del cordón y el mojado de paredes

· Inoxidable: 1% O2 máx.· Acero–C o baja aleación: 2% O2 máx.

· Hasta 5% O2 permite velocidad de avance mayor y baño más caliente

Ar-CO2 · A más CO2 más corriente necesaria para arco spray· CO2 ³ 20% Arco spray inestable· A más CO2  baño más caliente· Elevado nivel de proyecciones

· Amplias en acero-C y baja aleación· CO2 ³ 25% No arco spray, pero en corto circuito máxima productividad y mínima penetración

· No se recomienda para inoxidable

en chapa fina

Ar-He· Gas inerte· Perfil cordón típico He (ancho y parabólico) + arco spray típico Ar

· Metales no férricos· Inoxidable y baja aleación

· En corto circuito se añade 60-90% He para aumentar el aporte de calor

Ar-O2-CO2

· Todos los modos de transferencia· Menor aportación de calor (disminución penetración excesiva)

· Aceros-C, baja aleación e inoxidables cuando se quiere mayor tasa deposición y velocidad avance que Ar-CO2 sólo (en arco spray)

Ar-He-CO2· Mejor mojado de paredes, fluidez y  apariencia del cordón (más aporte de calor)· Menor porosidad

· Aceros baja aleación e inoxidables

· Mayor retención de aleaciones· Mayor penetración

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS GASES

    Conductividad Térmica

    La conductividad térmica se define como la capacidad o habilidad para conducir el calor. La conductividad térmica del gas afecta a la forma del arco y el perfil de penetración que produce.

    El argón tiene una conductividad térmica baja y produce un arco con dos zonas diferenciadas. En el centro se establece una zona estrecha de alto calor. La baja conductividad térmica provoca que este calor no se transmita hacia fuera fácilmente por lo que la zona exterior del arco es mucho más fría y menos afilada. El perfil de penetración que se obtiene al soldar con argón como gas de protección refleja directamente la existencia de estas dos zonas diferenciadas: un cilindro central caliente envuelto por un cono más frío. Una sección transversal del cordón muestra un cordón estrecho con elevada penetración en el centro.

    En el extremo opuesto respecto a conductividad térmica tenemos gases como el helio, argón-hidrógeno y argón-CO2. Estos gases tienen conductividad térmica elevada y, por tanto, provocan más conducción de calor radial desde el centro del arco. Esta expansión radial del calor provoca una columna de arco caliente más ancha que da lugar a un cordón menos afilado.

Fig. 1. Perfiles de contorno de cordón y penetración para varios gases de protección

Disasociación y Asociación

    Algunos gases tienen como unidad básica un átomo. Otros tienen como unidad básica varios átomos unidos, es decir, moléculas. Ejemplos de gases moléculas con el dióxido de carbono (un átomo de carbono y dos de oxígeno), hidrógeno (dos átomos de hidrógeno) o oxígeno (dos átomos de oxígeno). El gas argón en un átomo.

    Cuando los gases se calientan en el arco se “rompen” o disocian en sus átomos. Estos átomos se ionizan para producir electrones libres y flujo de corriente. Las moléculas disociadas buscan el equilibrio. Para conseguirlo se desplazan a la superficie de trabajo, que está más fría, y allí se recombinan. Este proceso de recombinación produce más calor en la superficie de trabajo. Debido a esta rotura y recombinación de moléculas, los gases como el dióxido de carbono, el hidrógeno o el oxígeno crean más calor en la superficie de trabajo. Son, por tanto, gases más “calientes” que el argón o el helio, y provocan mayor penetración en el metal base.

Reactividad

    La reactividad es la capacidad o habilidad de los gases para reaccionar con el metal fundido. Hay dos tipos de gases según su reactividad: inertes y reactivos. Cada tipo de gas tiene un efecto diferente en la composición química del metal soldado.

Gas Símbolo Reactividad Naturaleza Efecto en Comp. Química

Argón Ar Inerte No reactivo Ninguno

Helio He Inerte No reactivo Ninguno

Nitrógeno N2 Inerte generalmente Puede reaccionar Sólo a altas temperaturas

Oxígeno O2 Reactivo Oxidante Formación de óxidos

Dióxido de Carbono CO2 Reactivo Oxidante Formación de óxidos

Hidrógeno H2 Reactivo Reductor Prevención de formación óxidos

Tabla 1. Reactividad de los gases de protección

    Tensión Superficial

    La tensión superficial no sólo afecta a la transferencia de gota, sino también a la forma del cordón. La interacción del metal base con la atmósfera que lo rodea juega un papel muy importante en el contorno del cordón. Cuando las interacciones superficiales son elevadas el cordón es más convexo. Cuando las tensiones son menores el cordón tiende a ser más plano. El argón puro produce una alta tensión superficial y, por tanto, provoca un baño de fusión menos fluido que da lugar a cordones convexos. Si se añade oxígeno y/o dióxido de carbono al argón se obtiene un baño más fluido.

2. GASES Y SUS APLICACIONES

Argón

    El argón proporciona una estabilidad de arco excelente. Se usa normalmente mezclado con otros gases como oxígeno, dióxido de carbono y helio. El argón se utiliza en metales no férricos, como aleaciones base níquel, cobre, aluminio o magnesio, y también en aceros inoxidables y de baja aleación, y metales reactivos como titanio y circonio.    Gracias a su bajo potencial de ionización, el argón crea un excelente “camino” para la corriente y un arco muy estable. Además, crea un perfil de penetración en forma de dedo que es único del argón. El arco plasma que se crea al utilizar argón como gas de protección se caracteriza por un cono interno muy caliente rodeado por otro externo de menor energía.

    Helio

    El Helio posee una conductividad térmica superior a la del argón y, por tanto, produce un arco plasma más uniformemente disperso, dando lugar a un cono caliente más ancho. El arco del helio produce un cordón amplio y parabólico. Es en general el más caro de los gases de protección.

Argón vs Helio

Las principales diferencias entre argón y helio son:

    a) Densidad    b) Conductividad térmica como función de las características de ionización    c) Características de arco

    La densidad del argón es aproximadamente 1,4 veces la del aire (más pesado) mientras que la del helio es aproximadamente 0,14 veces la del aire (más ligero). Cuanto más pesado es el gas, más efectivo es protegiendo el arco y el metal soldado en posición plana, para cualquier caudal de gas. Por este motivo, el helio requiere alrededor de dos o tres veces más caudal que el argón para proporcionar la misma protección.

    Para cualquier velocidad de alimentación, el voltaje de arco con argón es notablemente inferior al de helio. Como resultado de esto, hay menos cambio de voltaje respecto a cambio en la longitud de arco con argón que con helio, y el arco tiende a ser más estable con argón. El arco del argón (para mezclas de composición mínima 80% de argón) produce transferencia en spray para niveles de corriente superiores al nivel de transición. El uso de helio proporciona una transferencia de metal en grandes gotas en el rango de operación normal. Por tanto, el helio produce

mayor nivel de proyecciones y peor apariencia de cordón en comparación al argón.

    El argón, al ionizarse más fácilmente, facilita el encendido y proporciona menor acción limpiadora de superficie cuando se utiliza en polaridad reversa (electrodo positivo).

Hidrógeno

    El hidrógeno es un gas inflamable por lo que puede ser explosivo cuando se mezcla con ciertas concentraciones de oxígeno, aire o otros oxidantes. Al ser el elemento más ligero y al tener elevadas reactividad y conducción térmica es muy útil en corte por plasma, tratamientos térmicos y algunas aplicaciones de soldadura.

    Nitrógeno

    El nitrógeno es un gas inodoro, incoloro e insípido que da lugar al 78% de la atmósfera terrestre. Es un poco más ligero que el aire y no es combustible. A las temperaturas que se alcanzan en la soldadura reacciona con algunos metales como titanio, magnesio y aluminio. Es por ello que no se recomienda como gas de protección primario para aplicaciones de soldadura. Se utiliza, eso sí, en combinación con otros gases en soldadura y corte por plasma

Oxígeno

    El oxígeno es un oxidante fuerte que reacciona con prácticamente todos los elementos excepto los gases inertes (argón, helio, neón, etc.). Gracias a ello, es un gas ideal para la soldadura y el corte por oxigás. En soldadura GMAW se suele añadir al gas argón pequeñas cantidades de oxígeno, normalmente de 5% o menos, para mejorar la estabilidad del arco, la forma del cordón y el mojado de paredes.

Dióxido de Carbono

    El dióxido de carbono (CO2) es un gas reactivo muy usado para la soldadura GMAW de aceros al carbono y de baja aleación. Es el único gas reactivo adecuado para ser usado puro (100% CO2) como gas de protección para el proceso GMAW. El uso extensivo del CO2 como gas de protección se ha visto potenciado por algunas de sus características como las mayores velocidad de soldadura y penetración del cordón que proporciona, y el menos coste.

    El uso de CO2 como gas de protección limita los tipos de transferencia en GMAW a corto circuito y globular. La transferencia en arco spray es característica del argón y no se puede conseguir con CO2. Al soldar con transferencia globular se produce un elevado nivel de salpicaduras. Para disminuirlas es necesario reducir el voltaje, es decir, la longitud de arco.

    En comparación con el argón, el CO2 produce un cordón de excelente penetración pero con superficie más rugosa y peor mojado de paredes.

Adiciones de O2 y CO2 a Argón y a Helio

    Argón puro y, hasta cierto punto, helio producen excelentes resultados al soldar metales no férricos. Por el contrario, estos gases puros no proporcionan características satisfactorias en la soldadura de metales férricos: el helio puro provoca arco errático acompañado de salpicaduras mientras que el argón tiene una marcada tendencia a provocar mordeduras. La adición de un 1-5% de O2 o de un 3-10% de

CO2 (incluso hasta un 25% de CO2) produce importantes mejoras en estas deficiencias operacionales.

    La cantidad óptima de O2 o de CO2 a añadir al gas inerte es función de las condiciones de la superficie (cascarilla) del metal base, de la geometría de la unión, de la posición o técnica de soldadura y de la composición del metal base. En general, una adición de un 3% de O2 o de un 9% de CO2 se considera un nivel adecuado para cubrir un amplio rango de estas variables.

    La adición de CO2 a argón tiende a mejorar el cordón de soldadura al provocar un perfil más definido en forma de “pera”.

    Mezclas Argón-Oxígeno

    Las adiciones de pequeñas cantidades de oxígeno al argón estabiliza notoriamente el arco, aumenta el ratio de gota del metal de aportación y mejora la apariencia de la forma del cordón.

    El baño de soldadura está más caliente y, por tanto, más fluido, permitiendo que el metal fluya hasta el contorno entre el metal base y metal fundido.

    Para soldar acero inoxidable con arco spray se añade hasta un 1% de oxígeno. Esta cantidad es suficiente para conseguir las características mencionadas anteriormente. Para soldar aceros al carbón, de baja aleación e inoxidables con arco spray se añade hasta un 2% de oxígeno. Adiciones de hasta 5% de oxígeno proporcionan un baño de soldadura mucho más caliente y grande. El oxígeno adicional permite además mayores velocidades de soldadura.

    Mezclas Argón- CO2

    Las mezclas argón-CO2 se utilizan ampliamente en la soldadura de aceros al carbono y de baja aleación, pero tienen limitadas aplicaciones en aceros inoxidables. En general la adición de dióxido de carbono al argón provoca un aumento en las proyecciones.

    La utilización de mezclas argón- CO2 en GMAW provoca que sean necesarias corrientes más elevadas para conseguir transferencia en arco spray. Niveles superiores a un 20% de dióxido de carbono provoca transferencia arco spray inestable con aumento de las proyecciones y disminución de la eficiencia.

    Mezclas de hasta un 10% de CO2 pueden utilizarse para transferencia en arco pulsado o en corto circuito par un amplio rango de espesores. Para arco pulsado en soldadura en posición y con aceros de baja aleación pueden usarse mezclas de menor contenido en CO2. Este arco será mucho más tolerable a la presencia de cascarilla y proporcionará un baño más controlable que otras mezclas. Las mezclas con un 10% de CO2 provocan una mayor aportación de calor (heat input) resultando en un baño de soldadura más ancho y más fluido.

    Mezclas de hasta un 25% de pueden ser usadas genéricamente como gas de protección multiuso para aceros al carbono y de baja aleación. Con arco en corto circuito se pueden obtener máxima productividad y mínima penetración en chapa fina. Por otro lado, esta mezcla no es capaz de establecer transferencia en arco spray.

Mezclas de Argón y Helio

    El argón puro se utiliza frecuentemente en aplicaciones de soldadura de metales no férricos. El uso de helio puro está más restringido a aplicaciones especializadas debido a la limitada estabilidad de arco que proporciona. Por otro lado las deseables características de cordón que se obtienen con helio (ancho y parabólico) hacen que a menudo sean el objetivo del uso de mezclas argón-helio. El resultado es un mejor perfil del cordón además de la transferencia en arco spray característica del argón.

    En transferencia en corto circuito se utilizan mezclas de argón-helio de 60 a 90% de helio para obtener una mayor aportación de calor en el metal base, y, así, mejores propiedades de fusión. Para algunos metales, como acero inoxidable y de baja aleación, se elige argón con adición de helio en lugar de CO2 para obtener un aporte de calor más elevado, ya que el helio no reacciona con el metal soldado evitando los efectos adversos en las propiedades mecánicas que estas reacciones pueden provocar.

Mezclas de Argón-Oxígeno-CO2

    Estas mezclas son muy versátiles, ya que pueden usarse en una gran variedad de modos de transferencia, en concreto, en arco en cortocircuito, arco globular, arco spray y arco pulsado. Además, proporcionan todos estos modos de transferencia independientemente del espesor del acero al carbono o de baja aleación. Aunque aplicables en cualquier modo de transferencia, se utilizan principalmente en arco spray, proporcionando mayor tasa de deposición y mayor velocidad de avance que las mezclas con dióxido de carbono sólo.

    Estas mezclas proporcionan además una menor aportación de calor, por lo que minimizan la penetración excesiva y la distorsión.

    Mezclas de Argón-Helio-CO2

    La adición de helio y dióxido de carbono al argón aumenta la aportación de energía a la soldadura resultando en un mejor mojado de paredes, mayor fluidez y mejor apariencia del cordón. Adiciones específicas de helio y dióxido de carbono proporcionan un amplio rango de beneficios tales como mejores propiedades mecánicas, reducción de porosidad, excelente retención de aleaciones, mayor penetración y mayor resistencia a la corrosión.

CONCLUSIONES

El proceso de soldadura fuerte es un medio efectivo de crear uniones resistentes, dúctiles, conductoras tantas térmicas como eléctricamente, además de ofrecer gran resistencia a las fugas siempre y cuando se conozcan y se aplique adecuadamente los fundamentos del proceso.

Los expertos de soldadura fuerte consideran que para las aleaciones de base plata de baja temperatura, si no se alcanza un 70 % de recubrimiento en la unión, la técnica necesitaría ser mejorada, por otro lado no debería esperarse tener más de un 85 % de solidez en la junta.

Algunas compañías que utilizan este procedimiento son más generosas y permiten tener hasta un 60 % de material de aporte en la unión para que se considere aceptable