La soldadura por arco con electrodos no consumibles en una atmósfera protectora de gas inerte es un método de soldadura por arco que se utiliza para soldar aluminio , magnesio y sus aleaciones, acero inoxidable , níquel , cobre , bronce , titanio , circonio y otros metales no ferromagnéticos. La técnica de soldadura es similar a la soldadura con gas (combustible) , por lo tanto, requiere un soldador altamente calificado . Utilizando este proceso tecnológico, se pueden obtener soldaduras de alta calidad. Sin embargo, los indicadores de rendimiento cuando se utiliza este método son muy bajos y no pueden competir con la soldadura de electrodos consumibles en una atmósfera de gas protector, especialmente con el uso de máquinas de soldadura semiautomáticas o robots .
Una de las principales ventajas de esta tecnología es la capacidad de soldar una amplia variedad de materiales: junto con aceros de bajo contenido en carbono, alta aleación y martensíticos, la posibilidad de soldadura de alta calidad de aleaciones de aluminio y magnesio y, además, tales metales y aleaciones como titanio, zirconio, molibdeno , es más valioso.níquel, cobre, bronce, latón . El método también se utiliza con éxito para soldar materiales diferentes entre sí, por ejemplo, aceros al carbono y aceros inoxidables , cobre con latón, etc. La desventaja es el mayor riesgo de formación de poros en las soldaduras. [1] [2] [3]
El método se caracteriza por dos aspectos. El primero está en el uso de electrodos de tungsteno no consumibles. La segunda está en el uso de gases inertes , que protegen tanto al baño de soldadura como al propio electrodo. En algunos casos, se utiliza hidrógeno o nitrógeno además de argón o helio .
Los nombres técnicos del método están asociados al helio utilizado en los primeros intentos de soldar con este método.
En Europa, el método a menudo se abrevia como WIG del alemán Wolfram - Inertgas schweißen o TIG, donde T significa tungsteno ( inglés tungsteno ). En los EE. UU., generalmente se denomina GTAW para soldadura por arco de tungsteno con gas . En EE. UU., se aplica AWS D10.11M/D10.11. [cuatro]
Numeración de métodos según ISO 4063.
En los primeros años después del descubrimiento de la descarga por arco eléctrico por Humphrey Davy [5] en 1800 y el arco eléctrico por Vasily Petrov en 1802, la tecnología de soldadura por arco se desarrolló lentamente.
La idea de soldar con un electrodo no consumible en un ambiente de gas protector fue propuesta recién en 1890 por Charles L. Coffin , recibiendo la patente estadounidense 419032 para ello.
Pero incluso a principios del siglo XX, la soldadura de materiales no ferromagnéticos, como el aluminio y el magnesio , causó importantes dificultades debido al hecho de que estos metales reaccionan rápidamente con el aire, formando poros e impurezas en las uniones soldadas, degradando drásticamente su calidad. . [6]
La producción de soldadura de acero y otros metales de alta calidad requiere la eliminación de hidrógeno , nitrógeno y oxígeno de la masa fundida durante el proceso de soldadura y, por lo tanto, previene la formación de burbujas o poros no deseados. Para lograr soldaduras de buena calidad, es necesario utilizar un baño de soldadura o dispositivos adicionales para proteger las piezas a soldar de la atmósfera circundante.
Unas décadas más tarde, en la década de 1920, Irving Langmuir propuso un proceso adecuado para la soldadura por arco a alta temperatura: soldadura con un arco formado entre dos electrodos de tungsteno en una atmósfera de hidrógeno . Un arco en una atmósfera de hidrógeno conduce a la disociación y recombinación de moléculas de hidrógeno para liberar una gran cantidad de calor. En 1924 recibió la patente estadounidense 1952927.
El desarrollo de la tecnología del proceso anterior se llevó a cabo en 1941 por empleados de la corporación Northrop Aircraft Inc. V.Pavlečka ( checo. V.Pavlečka ) y Russ Meredith ( ing. Russ Meredith ), quienes desarrollaron un proceso para soldar con un electrodo de tungsteno no consumible, que es adecuado para soldar magnesio , aluminio y níquel en una atmósfera protectora de helio. El uso del método abrió nuevas posibilidades para la soldadura de materiales utilizados en la industria de la aviación , lo que resultó especialmente valioso en la producción de equipos militares al comienzo de la Segunda Guerra Mundial . [7]
El soplete de soldadura desarrollado entonces recibió la patente estadounidense US2274631.
A fines de la década de 1950, Nelson E. Anderson ( ing. Nelson E. Anderson ) patentó un método de soldadura con corriente pulsada (patente estadounidense US2784349), en el que la corriente de soldadura es una secuencia de pulsos regulares y en cierto modo alternos de alta y bajas amplitudes. [ocho]
Al principio, se utilizó un rectificador de selenio como fuente de corriente continua para la unidad de soldadura .
Algo más tarde, los transformadores de soldadura se modificaron para permitir generar corrientes de alta frecuencia más adecuadas para soldar de esta manera. Los pasos recientes han llevado a la optimización de las características dinámicas de las fuentes de poder de soldadura, es decir, el ajuste de la corriente y el voltaje de soldadura [7]
Cuando se suelda con un electrodo no consumible en una atmósfera de gas de protección, se enciende un arco eléctrico entre el electrodo de tungsteno y los materiales base a soldar, o el baño de soldadura. El calor resultante funde los bordes de las partes soldadas del material base y, junto con ellas, el material de relleno.
Este método de soldadura manual es relativamente complejo, ya que requiere un soldador altamente calificado. Al igual que la soldadura con gas, se requiere que GTAW se realice con las dos manos, porque durante el proceso de soldadura, el soldador sostiene el soporte con el electrodo (soplete de soldadura) con una mano y con la otra mano introduce la varilla en la zona de soldadura [9 ] .
También es importante mantener una longitud de arco corta mientras se evita el contacto entre el electrodo y las piezas de trabajo [10] .
El arco de soldadura en un método llamado TIG AC se obtiene de una fuente, que ahora casi siempre se usa como un generador de alta frecuencia (similar al transformador de Tesla ), que da una chispa eléctrica . Esta chispa es un medio conductor para el flujo de corriente de soldadura en un ambiente de gas de protección y permite que el arco se encienda mientras el electrodo está separado de las piezas a soldar por una distancia de 1,5-3 mm [11] .
Tan pronto como se enciende el arco, para crear una unión soldada, el soldador mueve el electrodo hacia la zona de soldadura, que tiene la forma de un círculo, cuyo tamaño depende del tamaño del electrodo y la magnitud de la Actual. Manteniendo una distancia constante entre el electrodo y la pieza de trabajo, el soldador luego retrae el soporte ligeramente y lo inclina hacia atrás aproximadamente 10-15° desde la posición vertical. El metal de la varilla de aporte se agrega manualmente al borde delantero de la soldadura según sea necesario.
Los soldadores a menudo también usan la tecnología de alternar rápidamente el avance del electrodo (obteniendo la costura real de la unión soldada) con la adición de material de relleno. La varilla de aporte se agrega a la unión soldada cada vez que se avanza el electrodo, sin embargo, permanece siempre en el ambiente del gas de protección para evitar la oxidación de su superficie y la contaminación de la zona de soldadura. Las varillas de aporte de metal de bajo punto de fusión, como el aluminio, requieren que el soldador las sostenga a cierta distancia del arco, pero al mismo tiempo en un entorno de gas de protección. Si la varilla está demasiado cerca del arco, puede derretirse antes de que tenga tiempo de hacer contacto con el baño de soldadura. A medida que se completa el proceso de soldadura, la corriente del arco a menudo se reduce gradualmente para permitir que la soldadura se endurezca y, por lo tanto, evitar que se agrieten los bordes [12] [13] .
Los beneficios incluyen:
Defectos:
La fuente de alimentación utilizada para GTAW es una fuente de alimentación de CC; lo que significa que la corriente (y por lo tanto el calor que calienta la zona de soldadura) permanece relativamente constante, independientemente de la longitud del arco y del voltaje aplicado. Esto es importante porque la mayoría de las aplicaciones GTAW, tanto manuales como semiautomáticas, requieren que el operador sostenga el portaelectrodos con la mano. Si se usara una fuente de voltaje constante en lugar de una fuente de corriente constante, sería una tarea difícil proporcionar una longitud de arco aceptable, porque los cambios en el grado de calentamiento causados por un cambio en la corriente de soldadura harían que el proceso de soldadura fuera mucho más difícil. [dieciséis]
La polaridad de fuente preferida para GTAW depende en gran medida del tipo de metal que se suelda. La corriente continua a la que el electrodo está conectado al polo negativo (DCEN) se usa con mayor frecuencia cuando se sueldan aceros , níquel , titanio y otros metales. DCEN también se usa a menudo en máquinas de soldadura de aluminio o magnesio que usan helio como gas de protección. [17]
La mayoría de las veces, la corriente continua se usa con el suministro de un "menos" al electrodo (en terminología inglesa (DCEN). Debido al hecho de que los electrones emitidos que forman un arco causan la ionización térmica del medio de gas de protección, se genera calor en el electrodo negativo, es decir, el material de las piezas a soldar se calienta adicionalmente El gas de protección ionizado fluye en dirección al electrodo, no al material a soldar, lo que evita la formación de óxidos en la zona de soldadura de las piezas para ser soldado [17]
Corriente continua menos utilizada con el suministro de "más" al electrodo (en la terminología inglesa DCEP), principalmente para soldar piezas pequeñas, con el fin de reducir el calentamiento del material del producto. En lugar de fluir desde el electrodo hacia el producto, como en el caso anterior (DCEN), los electrones fluyen en sentido contrario. [17]
Para garantizar la retención de la forma y evitar el "despuntado" del electrodo, en este caso se suele utilizar un electrodo de mayor diámetro, a diferencia del caso anterior. A medida que los electrones fluyen hacia el electrodo, se envían corrientes de gas de protección ionizado hacia las piezas a soldar, limpiando la zona de soldadura, eliminando óxidos y otras impurezas, mejorando así su calidad y apariencia. [17]
Se sabe que la corriente alterna, ampliamente utilizada para la soldadura manual o semiautomática de aluminio y magnesio, consta de dos semiondas, durante las cuales el electrodo y las piezas a soldar se convierten alternativamente en polos "positivo" y "negativo". En este caso, el flujo de electrones cambia continuamente de dirección, lo que simultáneamente evita el sobrecalentamiento del electrodo de tungsteno y mantiene una alta temperatura en el material de las piezas a soldar. [17]
Los óxidos se eliminan de la superficie durante la parte del ciclo cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo. Y el calentamiento más profundo de las piezas a soldar será durante el intervalo de tiempo cuando la polaridad del voltaje en el electrodo sea negativa. Algunas fuentes de energía le permiten al operador usar CA asimétrica, con la capacidad de establecer el porcentaje exacto de tiempo que la corriente está en cada polaridad, lo que permite un mejor control de la cantidad de entrada de calor de la fuente de energía y mejora la calidad de la soldadura. [17]
Además, el operador debe evitar el efecto de rectificación , que impide que el arco se vuelva a encender, lo que puede ocurrir cuando se cambia de polaridad directa (negativo en el electrodo) a polaridad inversa (positivo en el electrodo). Para evitar este problema, se puede utilizar una fuente de alimentación de onda cuadrada , así como una fuente de voltaje de alta frecuencia, para iniciar el arco . [17]
Muchas industrias utilizan GTAW para soldar piezas de trabajo delgadas, principalmente metales no ferrosos. Esta tecnología se está utilizando cada vez más en la fabricación de vehículos espaciales, y también se utiliza para soldar tubos de paredes delgadas y de pequeño diámetro, como los que se utilizan en la fabricación de bicicletas. Además, GTAW se usa a menudo para crear espacios en blanco o para el primer paso cuando se sueldan tuberías de varios diámetros. El proceso también es ampliamente utilizado en trabajos de mantenimiento y reparación, como la reparación de herramientas y electrodomésticos, principalmente para piezas de aluminio y magnesio. [Dieciocho]
Debido a que el arco no transfiere directamente el metal en este método, se dispone de una amplia gama de metales para usar como materiales de relleno. De hecho, ningún otro proceso de soldadura permite soldar una gama tan amplia de aleaciones y en una variedad tan amplia de configuraciones de productos. Las aleaciones metálicas para varillas de aporte, como el aluminio puro y el cromo, pueden volatilizarse debido a la evaporación del arco eléctrico. Esto no sucede cuando se utiliza el proceso GTAW. Debido a que los productos soldados tendrán la misma o similar composición química que el componente base original (o los componentes base correspondientes) de la aleación, las soldaduras GTAW son altamente resistentes a la corrosión y al daño mecánico durante largos períodos de tiempo , lo que hace que esta tecnología sea casi indispensable. elección para operaciones tan críticas como el sellado de contenedores de combustible nuclear gastado antes de su eliminación. [19]
El soldador en el curso del trabajo debe usar monos protectores , incluido un traje de soldador, que consta de pantalones y una chaqueta con mangas largas, guantes y una máscara , y para la protección contra la radiación ultravioleta fuerte . Debido a que GTAW no emite humo, que en la soldadura por arco convencional es el producto de reacción del fundente con el oxígeno del aire y las piezas a soldar, aquí, cuando arde el arco eléctrico, no se producen partículas gaseosas y sólidas (escorias). ) están formados; pero el arco en sí quema mucho más brillante que la soldadura por arco convencional, exponiendo al operador a la fuerte radiación ultravioleta. La radiación ultravioleta del arco puede tener una longitud de onda diferente a la del ultravioleta solar; pero debido al hecho de que el soldador está presente muy cerca de la fuente de radiación, su impacto será muy fuerte.
Un arco ardiente tiene el potencial de causar daño a la salud, incluidos destellos brillantes, dañar la visión ( electroftalmía ) y dañar la piel, de forma similar a una quemadura solar grave . Para protegerse contra los efectos no deseados de la radiación ultravioleta , los soldadores usan cascos opacos con lentes oscuros que cubren completamente la cabeza y el cuello. Los cascos modernos a menudo están equipados con lentes de cristal líquido que se oscurecen automáticamente (fotocromáticos), que se oscurecen automáticamente cuando se exponen a la luz brillante de un arco de soldadura. Además, para proteger a los trabajadores cercanos y otras personas de la radiación ultravioleta del arco de soldadura, a menudo se utilizan pantallas de soldadura transparentes (escudos) hechas de película de PVC . [veinte]
El soldador también tiene que lidiar con frecuencia con gases y partículas peligrosos [21] . Aunque no se emite humo durante el proceso de soldadura, el arco brillante en el proceso GTAW puede producir una ruptura óptica del espacio de aire circundante, generando ozono y óxidos de nitrógeno. El ozono y los óxidos de nitrógeno reaccionan con el tejido pulmonar, lo que provoca la formación de ácido nítrico en un ambiente húmedo, así como la quema de ozono. Aunque los efectos de estos procesos son moderados, su exposición prolongada, así como la exposición periódica repetida, pueden causar enfisema y edema pulmonar, lo que puede conducir a la muerte prematura. Por lo tanto, es necesario controlar los parámetros del aire en la sala donde se realiza el trabajo. Asimismo, el arco, debido a su alta temperatura, puede provocar la formación de gases venenosos y compuestos tóxicos de los materiales utilizados para limpiar y desengrasar la soldadura. Por lo tanto, las operaciones de limpieza con estos agentes no deben realizarse cerca del lugar de soldadura y debe proporcionarse una ventilación adecuada para proteger al soldador. [veinte]