[Soldadura y Estructuras]
Ingeniero. Andres Mauricio Marin Herrera
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PROCESO FCAW 

Flux Cored Arc Welding se traduce como soldadura por arco con núcleo fundente, pero conoce como soldadura por arco con alambre tubular es un proceso en el cual se obtiene la unión de los metales por calentamiento de estos en un arco entre un electrodo tubular continuo y la pieza, algo muy similar  a lo que sucede en el proceso GMAW, su principal diferencia es el alambre comúnmente usado el cual tiene un flux interno que desempeña funciones muy similares al revestimiento del electrodo en el proceso SMAW, es decir el flux interior aporta a la estabilización del arco, el ajuste de la composición química de la soldadura introduciendo elementos de aleación y la protección por medio de los humos y la escoria entre otros, algunas otras diferencias podrían ser las fuentes de potencia mayores o las pistolas con capacidad de corrientes mayores.
 
Equipo multiproceso usado en FCAW
 
El proceso es bastante utilizado en acero al carbón, inoxidables y algunas aleaciones, no es apto en elementos no ferrosos, está ganando adeptos como una alternativa muy eficiente al momento de producir, ya que sus velocidades de deposición son relativamente elevadas y no exige que las superficies estén tan descontaminadas como su par GMAW.
 
Podemos afirmar que este proceso es ideal para chapas de gran espesor ya que posee un arco agresivo de penetración profunda que disminuye los problemas en soldadura del tipo falta de fusión.  Además las soldaduras de filete hechas por FCAW son más angostas y de garganta más profunda que las producidas con SMAW, es muy importante que la velocidad de avance en el proceso sea la suficiente para mantener el arco por delante de la pileta de fusión, ya que si es muy lenta este tenderá a ir hacia el centro o la parte de atrás de la misma generando atrapamiento de escoria en el cordón de soldadura.
 
Descripción física del proceso. 

El proceso FCAW combina características de la soldadura por arco de metal protegido (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la soldadura por arco sumergido (SAW). Casi nunca es necesario desnitrificar el metal de soldadura porque el nitrógeno del aire queda prácticamente excluido. Es posible, empero, que se genere cierta cantidad de oxigeno por la disociación de CO2 para formar monóxido de carbono y oxígeno. Las composiciones de los electrodos incluyen desoxidantes que se combinan con cantidades pequeñas de oxígeno en el escudo de gas.
 
Proceso FCAW
 
Existen dos variables del proceso en sí, conocidos como FCAW – SS (innershield) y FCAW – GS (outershield) dependiendo del proceso necesita o no gas de protección adicional durante el proceso por lo que lo convierte en un proceso muy versátil.
 
Trabajando bajo la variable innershield  que actuaría como autoprotección se obtienen a partir del fundente vaporizado el desplazamiento del aire y protección por la escoria que cubre las gotas de metal derretido y el charco de soldadura durante la operación. La producción de CO2 y la introducción de agentes desoxidantes y desnitrurantes que proceden de ingredientes del fundente justo en la superficie del charco de soldadura explican por qué los electrodos con autoprotección pueden tolerar corrientes de aire más fuertes que los electrodos con escudo de gas. Es por esto que la FCAW con autoprotección es el método preferido para trabajo en el campo.
 
En el método con escudo de gas o variante outershield, el gas protector que por lo general se trata de dióxido de carbono o una mezcla con argón, protege el metal fundido del oxigeno  y el nitrógeno del aire, muy similar a lo que sucede en el proceso GMAW creando un vórtice de presión alrededor del arco y sobre el charco de soldadura.
 
Es posible que se genere cierta cantidad de oxigeno por la disociación de CO2 para formar monóxido de carbono y oxígeno. las composiciones de los electrodos incluyen desoxidantes que se combinan con cantidades pequeñas de oxígeno en el escudo de gas.
 
Polaridades de trabajo. 

En el proceso FCAW, la polaridad recomendable es  corriente continua, electrodo negativo o polaridad directa (CCEN), ya que produce menor penetración en el metal base, esto hace posible usar con éxito electrodos de diámetro pequeño desde los 0.8 mm (0.030”), hasta los 1.2 mm (0.045”) para soldar materiales de calibre delgado, esto en el caso de estar trabajando en sin protección gaseosa o innershield.
 
Si trabajamos con protección gaseosa es recomendable utilizar corriente continua, electrodo positivo o polaridad inversa (CCEP).
 
Gases de protección.
 
Como ya se indicó se usan solo cuando se trabaja en la variable outershield, lo más común es la utilización de dióxido de carbono CO2 ya que posee dos ventajas por un lado su bajo costo respecto a otros gases y por el otro que ayuda a la penetración profunda en la junta soldada. Aunque habitualmente produce una transferencia de metal globular, algunas formulaciones de fundente producen una transferencia tipo rocío en CO2, la tendencia oxidante del CO2 como gas protector se ha reconocido al desarrollar electrodos con núcleo de fundente, se agregan materiales desoxidantes al núcleo del electrodo a fin de compensar el efecto oxidante del CO2. Además, el hierro fundido reacciona con CO2 para producir óxido de hierro y monóxido de carbono en una reacción reversible.
 
El efecto de la protección con CO2 sobre el contenido de carbono de aceros dulces y de baja aleación es único, dependiendo del contenido de carbono original del metal base y del electrodo, la atmósfera de CO2 se puede comportar como medio carburizante o descarburizante, si el contenido de carbono del metal de soldadura está por debajo del 0.05%, aproximadamente, el charco de soldadura tenderá a absorber carbono de la atmósfera protectora de CO2. En cambio, si el contenido de carbono del metal de soldadura es mayor que el 0.10%, es posible que el charco de soldadura pierda carbono; La pérdida de carbono se atribuye a la formación de monóxido de carbono, cuando ocurre esta reacción, el monóxido de carbono puede quedar atrapado en el metal de soldadura como porosidad generando soldaduras de baja calidad, esta tendencia se minimiza incluyendo una cantidad adecuada de elementos desoxidantes en el núcleo del electrodo con esto se logra que el oxígeno reaccione con los elementos desoxidantes en lugar de hacerlo con el carbono del acero y que los productos de esa reacción floten a la superficie del charco de soldadura, donde se incorporarán a la cubierta de escoria.
 
Cuando se utilizan mezclas de gases en el proceso FCAW por lo general se trabaja con porcentajes de 75 – 80 % de Argon y 25 – 20 % de CO2.
 
Cuanto mayor sea el porcentaje de gas inerte en las mezclas con CO2, u oxígeno, mayor será la eficiencia de transferencia de los desoxidantes contenidos en el núcleo, el argón puede proteger el charco de soldadura a todas las temperaturas a las que se suelda, su presencia en cantidades suficientes en una mezcla de gas protector da como resultado menor oxidación que con un escudo de CO2 al 100%, además con la mezcla el cordón de soldadura suele tener mayor resistencia a la tensión y al vencimiento, se logra un arco con transferencia tipo rocío y es más atractiva para el operador porque produce un arco con mejores características que el depositado con escudo de CO2 al 100%.
 
Las mezclas de gases con alto contenido de argón, como 95% de argón, casi nunca Se usan con electrodos con núcleo de fundente porque se pierde la cubierta de escoria.
 
Electrodo y su clasificación. 

El electrodo por lo regular consiste en una funda de acero de bajo carbono o de aleación que rodea un núcleo de materiales fundentes y de aleación, la composición del núcleo de fundente varía de acuerdo con la clasificación del electrodo y con el fabricante; Se han desarrollado alambres específicamente para soldar los aceros recubiertos de zinc y aluminizados que se usan comúnmente en la actualidad para fabricar automóviles y otras procedimientos más especializados.
 
La mayoría de los electrodos con núcleo de fundente usado en el proceso FCAW, son fabricados haciendo pasar una tira de acero por una serie de rodillos que la moldean hasta que adquiere una sección transversal en forma de U, seguidamente la tira moldeada se rellena con una cantidad calculada de material de núcleo compuesto por aleaciones y fundente en forma granular, para posteriormente cerrarse mediante rodillos que la redondean comprimen con fuerza el material del núcleo, seguidamente el tubo redondo se hace pasar por troqueles o rodillos de estiramiento que reducen su diámetro y comprimen todavía más el núcleo para lograr su tamaño final, luego se enrolla en carretes o en bobinas.
 
Sección transversal de alambres FCAW
 
Al igual que en otros procesos hay un sistema de de identificación para los distintos tipos de electrodos de soldadura, la AWS proporciona la siguiente identificación, iniciando con una E que expresa que es un electrodo, el primer número se refiere a la mínima resistencia a la tracción del metal de soldadura depositado expresado en diez mil libras por pulgada cuadrada, el segundo digito puede ser un 1 que indica que el electrodo puede ser usado en cualquier posición o un 0 que indica que puede ser usado únicamente en posición plana o de filete horizontal, siguiendo estos números encontramos la letra T haciendo referencia a que es un alambre tubular y por ultimo terminamos con un guion y un sufijo que denota la composición química del metal de soldadura, el tipo de corriente, polaridad de la operación si requiere o no protección gaseosa y si es idóneo para una o varias pasadas.
 
Clasificación de electrodos FCAW
 
Para entender mejor el significado del sufijo mostramos la siguiente tabla.
 
Significado del sufijo alambre FCAW.
 
Recomendaciones para los componentes y los parámetros de funcionamiento. 

Al igual que en el proceso GMAW la gran cantidad de variantes que posee el proceso FCAW hacen que una mala selección de estas causen problemas en el proceso en sí y generen soldaduras defectuosas, pero por el contrario si hacemos una buena elección de estas variables encontraremos que este proceso facilita enormemente el trabajo al operario y genera soldaduras de excelente calidad.
 
La pistola. 

Las pistolas típicas para soldadura semiautomática están diseñadas de modo que se sostengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo tiempo, ellas establecen un contacto interno con el electrodo a fin de conducir la corriente de soldadura, la corriente y la alimentación del electrodo se accionan con un interruptor montado en la pistola.
 
Pistola usada en proceso FCAW
 
Las pistolas soldadoras pueden enfriarse con aire o con agua, las enfriadas por agua son más compactas y ligeras pero por facilidad en el suministro se prefieren las pistolas enfriadas por aire, las primeras requieren menos mantenimiento que las enfriadas por aire, además, suelen tener especificaciones de corriente más altas, que pueden Llegar a 600 A con ciclo de trabajo continuo.
 

Rodillos impulsores.

 
Este proceso requiere rodillos impulsores que no aplanen ni distorsionen de alguna otra manera el electrodo tubular por esto se emplean diversos rodillos con superficies ranuradas para mover el electrodo, algunos alimentadores tienen solo un par de rodillos impulsores, mientras que otros cuentan con dos pares en los que por lo menos uno de los rodillos de cada par está conectado a un motor, si todos los rodillos están motorizados, el alambre se podrá adelantar ejerciendo menos presión con los rodillos.
 
Rodillos impulsores.


Extensión del electrodo.

 
La temperatura del electrodo afecta la energía del arco, la tasa de deposición del electrodo y la penetración de la soldadura. También puede influir en la integridad de la soldadura y en la estabilidad del arco, el tramo de electrodo no fundido que sobresale del tubo de contacto al soldar se calienta así las variables permanezcan constantes, el efecto de la extensión del electrodo como factor operativo en FCAW introduce una nueva variable que debe mantenerse equilibrada con las condiciones de protección y las variables de soldadura relacionadas, una extensión excesiva produce un arco inestable con demasiadas salpicaduras, una extensión muy corta puede producir un arco demasiado largo a un nivel de voltaje determinado.

Extensión del electrodo.
 
En el caso de Los electrodos con escudo de gas, puede causar una acumulación de salpicaduras en la boquilla que tal vez interfiera con el flujo de gas provocando una cobertura de gas deficiente que puede causar porosidad y oxidación excesiva del metal de soldadura.
 
La mayoría de los fabricantes recomienda una extensión de 19 mm a 38 mm (¾” a 1½”) para Los electrodos con escudo de gas y de 19 mm a 95 mm (¾” a 3¾”) para los tipos con autoprotección, dependiendo de La aplicación.
 

Corrientes y voltajes recomendados.

 
La corriente de la soldadura es proporcional a la velocidad de alimentación del electrodo para un electrodo con diámetro, composición y extensión específicos, esto significa que para cada uno de lo electrodos existe una velocidad de alimentación optima según el amperaje de trabajo, no queriendo decir que es camisa de fuerza al momento de aplicar la soldadura, por que como ya lo sabemos cada procedimiento tiene sus variables específicas.
 
 
Corriente vs Velocidad de alimentación proceso FCAW
 
Para el proceso FCAW las fuentes de potencia son más robustas por lo general se emplea una fuente de potencia de voltaje constante del tamaño apropiado para fundir el electrodo con una rapidez tal que se mantenga el voltaje de salida y por consiguiente no varíe la longitud de arco preestablecido.
 
Al igual que en su par GMAW al aumentar la extensión del electrodo, la corriente de soldadura se reduce, y viceversa, por lo que hay que ser muy cuidadoso al momento de realizar cambios.
 
Si las demás variables de soldadura se mantienen constantes para un electrodo de cierto diámetro, la modificación de la corriente de soldadura tendrá los siguientes efectos preponderantes:
 
  • Un incremento en la comente eleva la tasa de deposición del electrodo.
 
  • Un aumento en La corriente aumenta La penetración.
 
  • Una corriente excesiva produce franjas de soldadura convexas de aspecto deficiente.
 
  • Una corriente insuficiente produce transferencia de gota grande y demasiadas salpicaduras.
 
  • Una corriente insuficiente puede causar una absorción excesiva de nitrógeno y porosidad del metal de soldadura cuando se suelda con electrodos con núcleo de fundente autoprotegidos.
 
Conviene ajustar el voltaje de salida de la fuente de potencia de modo que se mantenga la relación óptima entre el voltaje de arco y la corriente para una velocidad de alimentación de electrodo dada.
 
El voltaje y la longitud del arco están íntimamente relacionados este indica la suma de las caídas de voltaje en todo el circuito de soldadura, incluye la caída a través del cable de soldadura, la extensión del electrodo, el arco, la pieza de trabajo y el cable conectado al trabajo, por tanto, el voltaje del arco será proporcional a la lectura del medidor si los demás elementos del circuito y sus temperaturas se mantienen constantes.
 
Un voltaje de arco excesivo o un arco demasiado largo puede producir demasiadas salpicaduras y franjas de soldadura anchas y de forma irregular, si se usan electrodos autoprotegidos, un voltaje de arco excesivamente alto hará que se absorba demasiado nitrógeno y si el electrodo es de acero dulce también puede causar porosidad, en los electrodos de acero inoxidable reduce el contenido de ferrita del metal de soldadura lo a su vez puede causar grietas.
 
Un voltaje de arco insuficiente o un arco demasiado corto produce franjas angostas y convexas con demasiadas salpicaduras con una penetración somera.
 
Angulo del electrodo. 

En los procesos FCAW y SMAW, la fuerza del arco no solo sirve para dar a la franja de soldadura la forma deseada, sino también para evitar que la escoria corra por delante del metal de soldadura y quede atrapada por él al efectuar soldaduras de bisel y de filete en la posición plana por ayuda de la gravedad. A fin de contrarrestar esto, el electrodo se sostiene angulado respecto a la vertical, con la punta apuntando hacia la soldadura, es decir, en dirección opuesta a la dirección de desplazamiento, este ángulo de desplazamiento, definido come ángulo de arrastre, se mide a partir de una línea vertical en el piano del eje de la soldadura.
 
Angulo de arrastre en proceso FCAW
 
El ángulo de arrastre correcto depende del método de FCAW empleado, del espesor del metal base y de la posición de soldadura, los ángulos de arrastre deberán ser de una magnitud aproximada ya sea que se use el método con autoprotección o arco de metal protegido por gas.
 
En Las posiciones plana y horizontal, los ángulos de arrastre variarán entre 20 y 45 grados, aunque se usan ángulos más grandes para soldar secciones delgadas, ya que al aumentar el espesor del material el ángulo de arrastre se debe reducir para incrementar la penetración.
 
Cuando se suelda verticalmente hacia arriba, el ángulo de arrastre deberá ser de 5 a 10 grados, con el método de escudo de gas el ángulo de arrastre debe ser pequeño, habitualmente entre 2 y 15 grados, pero nunca de más de 25 grados, si el ángulo es excesivo, se perderá la efectividad del escudo de gas.
 
Al hacer soldaduras de filete en la posición horizontal el charco de soldadura tiende a fluir tanto en la dirección del recorrido como en dirección perpendicular a ella, a fin de contrarrestar el flujo lateral, el electrodo deberá apuntar hacia la placa de abajo cerca de la esquina de La unión, además de su ángulo de arrastre, deberá tener un ángulo de trabajo de 40 a 50° respecto al miembro vertical.
 
Ventajas y desventajas del proceso.