[Soldadura y Estructuras]
Ingeniero. Andres Mauricio Marin Herrera
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PROCESO GTAW
Se considera uno de los procesos de soldadura por arco que permite un mejor control de las condiciones de operación; Es considerada una de las técnicas de soldadura más difíciles de aprender y perfeccionar, como todas tiene diferentes ventajas y desventajas y es adecuada para ciertas aplicaciones y totalmente inapropiada para otras.
Su sigla significa Gas Tungsten Arc Welding y se traduce como soldadura por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protección gaseosa también es conocido en el medio común como TIG que significa Tungsten Inert Gas, ya que posee una zona de protección mediante un gas inerte que cubre un charco de soldadura y el electrodo no consumible de tungsteno que crea un arco y transfiere calor al metal base, el gas generalmente es argón o una mezcla de gases inertes que podrían ser argón y helio, no es indispensable un metal de aporte pero si se usa este, se coloca en el arco eléctrico logrando la fusión del mismo con el metal base, la pileta líquida se manipula controlando la correcta fusión de las partes; el proceso proporciona uniones limpias y de gran calidad, tiene bajo riesgo de inclusiones de escoria y en muchas ocasiones simplifica la limpieza final., puede ser manual o automatizado, permite la ejecución de soldaduras de alta calidad y excelente terminación sobre todo en juntas de pequeño espesor, hablamos de espesores de entre 0,2 mm a 3 mm, normalmente no supera los 10 mm, ya que para estos espesores las consideraciones económicas tienden a favorecer los procesos con electrodo consumible.
El proceso puede usarse para soldar más materiales que cualquier otro, incluso metales exóticos o aleaciones pesadas, es muy usado en aceros inoxidables o aceros aleados y aleaciones no ferrosas, aluminio, cromo, molibdeno, níquel y titanio es de uso común para los aceros estructurales, en la ejecución de pasadas de raíz en soldadura de tuberías, terminando la costura con SMAW o GMAW, permite trabajar con corrientes continua y alterna, con polaridad directa o inversa, brindando diferentes tipos de penetración y duración del electrodo.
Descripción física del proceso.
A pesar de ser un proceso de arco eléctrico se diferencia de los demás procesos de soldadura por arco en 2 aspectos fundamentales, el primero es que el electrodo empleado no se consume y el segundo es que la soldadura de las partes entre sí puede realizarse con o sin agregado de metal de aporte, por su modo de operación, puede compararse a la soldadura OFW, con la diferencia que en este último el calor desarrollado en éste proceso es producido por una llama originada en una reacción química de oxígeno y gas.
El arco eléctrico está dividido en 3 zonas, la catódica que corresponde al polo negativo del arco, la anódica que corresponde al polo positivo del arco y el plasma que corresponde al gas en estado ionizado; El arco eléctrico se establece como consecuencia de la circulación de corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo pasando esta corriente por una columna de gas en estado ionizado llamado plasma.
Proceso GTAW
Los electrones, cuya carga es negativa, provienen de la zona catódica que es el polo negativo y se mueven conjuntamente con los iones negativos del plasma hacia el ánodo, que es el polo positivo. Los iones positivos del plasma fluyen en sentido inverso, es decir desde la zona anódica hacia el cátodo. A pesar de estos dos tipos de circulación de cargas eléctricas, el flujo principal y más intenso de la corriente en el arco es el producido por el movimiento de los electrones, al igual que sucede en un circuito de corriente eléctrica.
El arco eléctrico se caracteriza por poseer una elevada intensidad de corriente eléctrica o amperaje y una baja tensión de arco o bajo voltaje, este fenómeno requiere una alta concentración de electrones para transportar la corriente, el calor generado en la zona catódica se debe principalmente al choque producido por los iones positivos contra la superficie del cátodo, el calor generado en la zona anódica, o sobre el ánodo, es causado por el choque de los electrones que han adquirido una aceleración durante su paso a través del plasma y devuelven la energía cinética adquirida en forma de calor al hacer impacto contra la superficie del ánodo, por eso es que dependiendo de la polaridad de trabajo se obtiene más calor en el metal base o en la torcha.
Movimiento de iones en el plasma.
El plasma del arco, es una mezcla de gas atómico neutro y ionizado (excitado). La porción más caliente del plasma es la parte central de la columna, donde el movimiento es más intenso. La parte exterior de la columna del arco es algo más fría.
Polaridades de trabajo.
Cambiando el gas formador del plasma, se obtiene un cambio en el balance del calor entre el cátodo y el ánodo.
Conexionado según las distintas aplicaciones
CCEN (Corriente Continua Electrodo al Negativo) Se obtiene buena penetración, con mayor calor concentrado sobre la pieza (70%), la punta del tungsteno permanece más fría (30%) por esto permite trabajar con mayores intensidades sin que se funda el extremo manteniendo su afilado original se usa en la mayoría de las aplicaciones incluyendo el acero inoxidable y el titanio no se usa en la soldadura de aluminio y magnesio, los esfuerzos de contracción son menos severos y se produce menor distorsión del material base.
En una soldadura realizada con DCEN donde se observa una buena penetración, no existe acción de limpieza.
DCEN
CCEP (Corriente Continua Electrodo al Positivo) Hay menor penetración y el calor es más intenso en la punta del electrodo (70%), por esto observamos un deterioro del electrodo de tungsteno en el que la punta se redondea, los electrones al chocar con el tungsteno transforman toda su energía cinética en calor por eso se concentra en el polo positivo.
En una soldadura realizada con DCEP se obtiene una buena acción de limpieza como producto del flujo de los iones del gas hacia la superficie de la pieza, cuyos impactos que se producen con suficiente fuerza, dan lugar a la destrucción de la capa de óxido superficial.
DCEP
AC (Corriente Alterna) El calor se distribuye entre el metal base y la punta de tungsteno, obteniendo una combinación de la ventajas de CDEN y CDEP, tanto el aluminio como el magnesio no pueden ser soldados con polaridad directa, sino que debe utilizarse polaridad inversa (electrodo en el polo positivo), la razón de ello se debe al hecho que dichos metales forman sobre su superficie una capa de óxido que los protege y para poder romper la misma es necesario producir un bombardeo de iones (cargas positivas) sobre la misma, si se soldara con corriente continua deberíamos trabajar con amperajes excesivamente bajos, para proteger el tungsteno, o bien, utilizar diámetros de electrodos muy grandes.
Para salvar dicho inconveniente, se utiliza corriente alterna en lugar de la continua, así, solamente el 50% del tiempo el electrodo trabaja en polaridad positiva, lo cual permite que el mismo se enfríe lo suficiente como para evitar su deterioro, y además se cumple con el objetivo de limpieza durante el semiciclo positivo.
En una soldadura realizada con CA se combina una buena limpieza, llevada a cabo durante el semiciclo positivo, y una adecuada penetración obtenida durante el semiciclo negativo.
AC
P-DC (Corriente Pulsante) Este tipo de corriente tiene la característica de permitir trabajar con energías de arco suficientemente altas como para fundir el metal de aporte, al mismo tiempo que mantiene un bajo aporte térmico global durante la soldadura lo que permite la soldadura en espesores muy finos (menores a 1 mm) sin el riesgo de producir o perforación, la soldadura de aceros inoxidables austeníticos en los cuales se debe cuidar que el aporte térmico no exceda los límites establecidos, minimizar considerablemente la deformación de la junta, un mejor control de la pileta de fusión de la soldadura, desde el punto de vista operativo, durante el semiciclo de alta corriente se produce la fusión y deposición de la varilla, mientras que durante el semiciclo de baja corriente se produce el enfriamiento de la gota de metal depositado.
Gases de protección.
El gas o combinación de gases empleados tienen influencia en la estabilidad, características y comportamiento del arco y por consiguiente en el resultado de la soldadura, su función principal es la de protección en el proceso al evitar el contacto del aire ambiente con el electrodo y el metal fundido, al momento en que se realiza la soldadura, los gases más empleados en la soldadura TIG son argón, helio, o una combinación de ellos; los cuales deben tener una alta pureza (normalmente 99.99%).
Debido a su excelente conductividad térmica, el helio produce mayor temperatura que el argón en el área soldada, por ende se logra una penetración mucho mayor resultando más efectivo en la soldadura de materiales de gran espesor, en particular metales como el cobre, el aluminio y sus aleaciones, para una misma longitud de arco y corriente, el helio necesita un voltaje superior que el argón para producir el arco, la nube que genera es mucho más liviana y vaporosa por lo que se dispersa rápidamente, debido a esto son necesarias mayores cantidades de helio puro o en mezclas que lo contengan.
El argón es aproximadamente 10 veces más denso que el helio, y un 30% más denso que el aire, se adapta mejor a la soldadura de metales de menor conductividad térmica y de poco espesor, en particular para posiciones de soldadura distintas a la plana, forma una densa nube protectora.
Los gases apropiados para cada tipo de material a soldar se deben escoger muy bien para mejorar a presencia del cordón y evitar las discontinuidades.
Gases para el proceso GTAW
Electrodo y su clasificación.
La elección del tipo de electrodo va a depender en gran medida del tipo de material que se quiere soldar, del tipo de corriente con que se va a trabajar y de las características operativas, el electrodo de tungsteno o wolframio, empleado en la soldadura GMAW o TIG, es muy duro y altamente refractario, su punto de fusión es de 3400°C. Se diferencia de los empleados en otros procesos de soldadura por arco eléctrico, porque no se funde con el calor generado y no aporta material a la soldadura, sin embargo, si se selecciona un electrodo incorrecto o se aplica un amperaje demasiado alto algunas partículas del electrodo pueden transferirse a través del arco.
La selección del diámetro del electrodo se deberá efectuar teniendo en cuenta que el mismo, no debe ser muy pequeño para que se corra el riesgo de fundir el extremo del mismo, ni muy grande que conduzca a una inestabilidad del arco como consecuencia de la disminución de la emisión electrónica debido al bajo calentamiento del electrodo, comercialmente se fabrican en diámetros desde 0.5 mm hasta 6 mm, pueden ser de tungsteno puro o aleado con cerio, lantano, torio y zirconio.
Clasificación de los electrodos GTAW
La punta de los electrodos inicialmente no tiene forma, la misma se le de dar antes de ser usados, ya sea por mecanizado, desbaste o fundiéndolos y dependerán del uso que se le dé a las mismas, las formas pueden ser de tres tipos básicos: en punta, media caña y bola, el afilado se debe realizar en sentido longitudinal al electrodo de forma de favorecer el pasaje de la corriente.
Afilado de puntas
Metal de aporte
El proceso GTAW es muy versátil puede o no usar material de aporte, el aporte puede ser el mismo metal base o pieza a soldar adecuadamente preparada o varillas de aporte estandarizadas, dependiendo del tipo de material base a soldar, se deberá seleccionar la varilla adecuada que reúna las propiedades físicas y químicas para realizar una buena soldadura en la mayoría de los casos se usan varillas, o se pude usar los mismos electrodos del proceso GMAW los que son alambres sólidos que son proveídos en rollos de distintos tamaños.
Recomendaciones para los componentes y los parámetros de funcionamiento.
Cabe señalar que algunos equipos traen incorporados todas las funciones del cabezal dentro de la fuente de poder, por lo tanto algunas fuentes tienen todos los controles en el panel frontal de la fuente de soldadura, los controles pueden requerir la lectura de un manual antes de operarlos y dependerá del número de funciones y procesos con que trabaje el equipo, la complejidad de los mismos, cada equipo requiere del conocimiento previo de los controles por parte del soldador, de forma de obtener lo máximo del equipamiento con que trabaja, lo cual redundará en una mejor soldadura.
Sistema de alta frecuencia.
Se trata de un generador de ondas muy cortas, cuya frecuencia puede estar entre los 100 y 300 KHz correspondientes a un cambio de polaridad que ocurre 200.000 a 600.000 veces por segundo y con voltajes de pico del orden de los 10 a 20 Kv
La finalidad primordial de la unidad es la de producir la ionización del gas protector para que éste ayude a conducir mejor el arco entre la punta del electrodo y la pieza, permitiendo de ese modo el encendido del arco eléctrico sin necesidad de iniciarlo a través de un corto circuito si no se contara con esta unidad el único modo de encender el arco eléctrico seria raspando el electrodo similar a lo que se hace en el proceso SMAW lo que generaría entre otros inconvenientes la contaminación del electrodo de tungsteno con el metal base y el deterioro de la punta y posterior desgaste debido al reafilado del mismo en cada interrupción de la operación de soldadura
Cuando se está trabajando en corriente alterna y se pasa del semiciclo positivo al negativo, necesariamente hay un punto donde la corriente es nula o sea que se interrumpe la circulación del flujo eléctrico si no existiera esta unidad sería necesario provocar un corto circuito constantemente lo que haría a operación imposible.
Onda sinuidal.
Si el control lo permite la HF puede activarse para el inicio del arco o para todo el ciclo de soldadura.
Sistemas pre y posflujo de gas
Iniciando con el preflujo podemos decir que consiste en un temporizadores que permiten preestablecer tiempos de salida del gas protector ya sea antes del encendido del arco o después de extinguido el mismo, su finalidad es inertizar el espacio entre la tobera y la superficie a soldar y permitir que este gas se ionice bajo la acción de la alta frecuencia
La función del posflujo es la de proteger del aire que rodea el baño de fusión y el electrodo, después de la extinción del arco eléctrico, se debe regular de manera de que se mantenga el tiempo necesario hasta que el baño se haya solidificado y su color haya adquirido el aspecto de gris oscuro, es importante no solo para impedir la oxidación del metal y el electrodo, sino también para ayudar a evitar la formación de una fisura de cráter debido al enfriamiento brusco de la última porción de pileta líquida que solidifica.
Sistema de pendiente final o anti cráter.
Esta unidad electrónica ha sido incorporada a los efectos de evitar una brusca interrupción de la corriente eléctrica del arco en el apagado del mismo durante la operación de soldadura, la intensidad de la corriente en el arco eléctrico es bastante elevada va desde los 90 a los 130 amperios.
Cuando finaliza la operación de soldadura o se interrumpe el arco eléctrico, la corriente de soldadura cae a cero en forma abrupta causando un rápido enfriamiento de la pileta, o baño de fusión, originando un rechupe en la misma, esto da lugar a la formación de una concavidad en el centro de la pileta llamado cráter que bajo determinadas condiciones de esfuerzos, puede conducir a la fisuración de la junta.
El sistema anticráter hace que la corriente de soldadura antes de ser interrumpida reduzca gradualmente su intensidad hasta alcanzar un valor de aproximadamente un 30 – 40% del amperaje de soldadura utilizado.
Sistema de refrigeración
Opcionalmente se utiliza una unidad de refrigeración para la torcha, permitiendo reducir el tamaño de la misma y pudiendo trabajar con altas corrientes en ciclos de trabajo prolongados. Este equipamiento hace el conjunto manguera torcha más manejable para el soldador.
Inicio del arco, longitud del arco y dirección del avance.
Una vez establecido el arco eléctrico y formado el baño de fusión, se acerca una varilla que actúa como metal de aporte hasta que la misma toque el arco nunca el tungsteno; por la acción del calor generado por el arco eléctrico se funde el extremo de la varilla depositando una gota de metal fundido que luego es trabajada por el operario de soldadura, la varilla es introducida y retirada del arco cada vez que una gota es depositada, esta no solo se utiliza para incrementar el aporte, sino también para lograr un manejo del enfriamiento de la pileta líquida, siendo esto fundamental en materiales de pileta muy caliente y soldaduras en posición no plana, donde enfriar el baño puede ayudar a evitar el desprendimiento del mismo, siempre se debe tomar la precaución de no retirar la varilla por fuera del cono de protección gaseosa, ya que podría generar oxidación y el extremo oxidado de la varilla causa porosidades en el metal depositado, la penetración de la soldadura dependerá también de la velocidad con que se aporta la varilla, a mayor deposición de material, mayor será el calor absorbido del arco y por consiguiente menor calentamiento del metal base, reduciendo la penetración.
Normalmente la longitud del arco eléctrico, es aproximadamente 1½ veces el diámetro del electrodo de tungsteno, no obstante esta longitud depende mucho del soldador y la posición, pero se debe tener en cuenta que la longitud del arco nunca deberá exceder los 5mm por cuanto un arco muy largo disipa más calor sobre la superficie del metal base restándole profundidad y fusión dentro del metal, además el arco se vuelve menos estable aumentando el riesgo de contaminación tanto del metal de aporte como del baño de fusión y pudiendo causar una mayor deformación de la junta o costura soldada.
El avance del arco para un diestro, es de derecha a izquierda de tal manera que el cordón depositado queda a la derecha del soldador en caso contrario de ser un siniestro deberá en lo posible avanzar de izquierda a derecha, en ambos casos el procedimiento para la finalización de la soldadura será reduciendo lentamente el aporte con la varilla al mismo tiempo que se inclina la torcha hacia el cordón depositado, alejando suavemente el electrodo de la costura hasta que el arco quede totalmente apagado, por último se deja que el gas protector continúe su flujo hacia el baño fundido hasta que éste se torne de color oscuro, después del cual se corta el flujo gaseoso y se retira la torcha.
La torcha.
El conjunto de piezas es mucho más delicado que una pinza SMAW o GMAW y requieren mucho cuidado por parte del soldador, se debe particularmente evitar caídas o tirar bruscamente del mago, esto puede dañar el ingreso de gas, el sistema de refrigeración y los contactos eléctricos.
Torcha GTAW
Esta torcha en especial posee los siguientes componentes, A) Tobera cerámica, B) Porta tobera, C) Porta tungsteno, D) Tapón largo, E) Tapón corto, F) Aro de teflón, G) Pulsador, H) Mango.
Medida del electrodo, corrientes recomendadas.
Como en los demás procesos la medida del electrodo y el amperaje seleccionado va a depender en gran medida de la habilidad que tenga la persona que ejecuta la operación, el tipo y espesor del material y la posición de trabajo.
Diámetro del electrodo y corriente estimada en posición plana.
Es recomendable elegir el electrodo de mayor diámetro permitido ya que puede generar una mayor tasa de deposición de material además de ser más económico a la hora de adquirirlo.
Excelente control de baño de soldadura.
Permite la soldadura de metales sin usar aporte.
Permite la mecanización y la automatización proceso.
Se utiliza para la soldadura de la mayoría de los metales.
Produce soldaduras de alta calidad y excelente terminación.
No genera salpicaduras, excepto por una mala operación.
Requiere poca o ninguna limpieza después de la soldadura.
Permite la soldadura en cualquier posición.
La productividad es relativamente baja.
El costo de los repuestos y el equipo es relativamente alto.
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