PROCESO DE SOLDADURA GMAW

El proceso soldadura de arco con protección de gas (GMAW por sus siglas en ingles), es un proceso cuyo principio de operación se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo, consumible, el cual hace un arco eléctrico con la pieza de trabajo protegido mediante un gas de procedencia externa. Los únicos controles manuales que el soldador requiere para la operación semiautomática son los de velocidad y dirección del desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola [7]. Ver figura 4.1 

Los componentes básicos del equipo son la unidad de pistola para soldar, cables, la unidad de alimentación del electrodo o alambre, la fuente de potencia y el sistema de suministro del gas protector. 

Este proceso puede ser usado para soldar la mayoría de los metales comerciales, incluyendo aceros al carbono, inoxidables, aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, hierro, titanio y zirconio. Es el proceso preferido para la soldadura de aluminio, magnesio, cobre y muchas de las aleaciones de metales reactivos. La mayoría de los hierros y aceros de baja aleación pueden ser satisfactoriamente unidos por este proceso de soldadura, así como los bajo carbono, templados de alta resistencia, cromo-hierro, de alto níquel y algunas de las superaleaciones en base níquel. Con esta variedad de materiales, las técnicas y procedimientos de aplicación pueden variar ampliamente. 

En el caso de los gases de protección el CO2 o mezclas con argón son convenientes cuando se sueldan aceros de bajo carbono y de baja aleación, mientras que el gas inerte puro es primordial cuando se sueldan aceros altamente aleados, aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, titanio, zirconio, aceros inoxidables y superaleaciones base níquel.

Principios básicos de operación 

En el proceso GMAW el calor del arco generado entre el electrodo consumible y la pieza es utilizado para fundir las superficies del metal base y el extremo del electrodo. El metal fundido del electrodo es transferido hacia la pieza a través del arco, donde se convierte en metal de soldadura depositado. La protección de gas, que puede ser gas inerte, activo o una mezcla de ambos. El gas de protección envuelve el área del arco para protegerlo de contaminantes de la atmósfera, figura 4.1. 

La soldadura puede ser aplicada en forma semiautomática usando una pistola sostenida manualmente, en esta, el electrodo es alimentado por una bobina, o en forma automática que incluye equipos automatizados o robots.

Variables del proceso 

Las siguientes son algunas de las variables que afectan la penetración, la geometría y en general la calidad de la soldadura [2]: 

1. Corriente de soldadura

2. Polaridad 

3. Voltaje del arco 

4. Velocidad de avance 

5. Extensión del electrodo 

6. Orientación del electrodo (ángulo de desplazamiento) 

7. Posición de la unión que se va a soldar 

8. Diámetro del electrodo 

9. Composición y tasa de flujo del gas protector

 

El conocimiento y control de estas variables es indispensable para producir soldaduras de buena calidad. Estas variables no son del todo independientes, ya que cuando se modifica una, casi siempre modifica una o más de las otras para obtener los resultados que se buscan. 

Se requiere considerable habilidad y experiencia para seleccionar los valores óptimos para cada aplicación. Esos valores óptimos son afectados por: (1) El tipo de metal base, (2) la composición del electrodo, (3) la posición y (4) los requisitos de calidad. Por lo tanto, no hay un conjunto único de parámetros que produzca resultados óptimos en todos los casos. En el punto 4.2 se mencionan y detallan las variables que tienen mayor efecto en la calidad de la soldadura.

Equipo 

El equipo básico para cualquier instalación del proceso de soldadura GMAW, figura 4.2 consiste en lo siguiente: 

a) Pistola (enfriada por aire ó agua) 

b) Unidad de alimentación del electrodo 

c) Control de soldadura 

d) Fuente de potencia para soldadura 

e) Suministro regulado de gas protector 

f) Suministro de electrodo 

g) Cables y mangueras para interconexión 

h) Sistema de recirculación de agua (para pistolas enfriadas por agua)

 

Mecanismos de transferencia de metal [19]. 

Los mecanismos básicos empleados para transferir metal del electrodo a la pieza de trabajo son: 

a. Transferencia por cortocircuito 

b. Transferencia globular 

c. Transferencia por aspersión 

d. Transferencia pulsada

El tipo de transferencia está determinada por varios factores, entre los más importantes están los siguientes: 

 

1. Magnitud y tipo de la corriente de soldadura. 

2. Diámetro del electrodo 

3. Composición del electrodo 

4. Extensión del electrodo 

5. Gas protector

Transferencia por corto circuito 

La característica principal de este tipo de transferencia consiste en que el metal de aporte haga contacto con el metal fundido generándose un corto circuito como se muestra en la figura 4.3, después se produce un estrangulamiento y el desprendimiento de la gota de metal. 

Este tipo de transferencia puede emplear una mezcla de gas protector compuesta por argón y CO2 o bien 100% CO2, generalmente se emplean rangos bajos de amperaje y alambre de diámetro pequeño, como los rangos de amperaje son bajos este tipo de transferencia se usa para unir láminas o elementos delgados, también como el charco de metal fundido se solidifica rápidamente puede emplearse en todas las posiciones: plano, horizontal, vertical y sobre cabeza [8].

Transferencia globular 

La transferencia globular ocurre a mas altos rangos de amperaje que el cortocircuito, en este tipo el metal de aporte fundido, forma una bola de aproximadamente dos veces el diámetro del electrodo que al hacer contacto con la superficie del metal líquido se funde y se transfiere al charco de metal, ver figura 4.4. 

Este tipo de transferencia no es común usarlo debido a que produce mucho chisporroteo y como depende de la fuerza de la gravedad no es posible emplearlo en posición sobre cabeza.

Transferencia por rociado 

La transferencia por rociado ocurre a mas altos amperajes que los presentados en la transferencia globular, con diámetros grandes de alambre y una mezcla de gas rica en argón, el proceso genera gran cantidad de calor y por ello se prefiere no emplearlo en láminas o elementos delgados, la transferencia por rociado se limita a soldaduras de filete, ranuras de unión en posición plana y filetes en posición horizontal debido a lo fluido del metal fundido [6,19].

Es un modo de transferencia muy estable libre de chisporroteo, se alcanza cuando se utiliza una mezcla de gas rica en argón. Este tipo de transferencia requiere el uso de corriente directa electrodo al positivo y un nivel de corriente por arriba del valor critico llamado “corriente de transición”. Abajo de este nivel de corriente, ocurre la transferencia globular con una relación de gotas por segundo baja. Arriba de la corriente de transición, la transferencia ocurre en forma de pequeñas gotas que se desprenden en una relación de cientos por segundo y son aceleradas axialmente en forma transversal al arco, ver figura 4.5. La corriente de transición depende de la tensión superficial del metal líquido, es inversamente proporcional al diámetro del electrodo, en un grado más pequeño a la extensión del electrodo, varia de acuerdo a la temperatura de fusión del metal de aporte y a la composición del gas de protección. En la tabla 1, se indica la corriente de transición típica para algunos materiales. Otra característica del modo de transferencia por rociado es la forma de penetración que produce denominada “dedo” la cual puede ser profunda y es afectada por los campos magnéticos, mismos que deben ser controlados para mantener localizada en el centro del perfil de penetración de la soldadura.

d. Transferencia por rociado pulsado 

Este tipo de transferencia es una variación de la transferencia por rociado, pero con arco “pulsado”, es decir la fuente de poder pulsa o varía el amperaje en un rango de corriente varios cientos de veces por segundo, a niveles de corriente altos se forma una pequeña gota de metal fundido que se transfiere a través del arco al charco. Este tipo de transferencia emplea bajos amperajes en comparación con el de rociado convencional, lo cual hace que prácticamente se emplee en cualquier posición y espesores de material [6]. 

El proceso GMAW generalmente emplea corriente directa y polaridad invertida (electrodo positivo) debido a que se obtiene un arco más estable, la transferencia de metal es más suave y con pocas salpicaduras. La polaridad directa (electrodo negativo) es raramente usada debido a que produce un arco inestable, la velocidad de depósito es más grande, pero se tiene poca penetración. 

La corriente alterna no se usa comercialmente debido a un errático comportamiento del arco, como resultado de la extinción del arco cada medio ciclo de la onda de corriente [19].

Electrodos 

El electrodo, alambre ó metal de aporte es clasificado por diversas especificaciones de la Sociedad Americana de la Soldadura, (AWS por sus siglas en ingles) [7]. En general, para aplicaciones de unión, la composición del electrodo es similar a la del metal base. Los electrodos que se usan para GMAW son de diámetro muy pequeño. Son comunes los diámetros de 0.9 a 1.6 mm (0.035” a 0.062”), pero pueden usarse electrodos con diámetro tan pequeño como 0.5 mm (0.020”) y tan grande como 3.2 mm (1/8”). Cuando los diámetros de los electrodos son pequeños y las corrientes relativamente altas, las velocidades de alimentación del alambre en GMAW son altas, desde unos 40 hasta 340 mm/s (100 a 800 pulg/min) para la mayor parte de los metales.

Gases protectores [5].

La función primaria del gas protector es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido. Esto es necesario porque la mayor parte de los metales, al calentarse hasta su punto de fusión al aire, presentan una marcada tendencia a formar óxidos y, en menor grado, nitruros. Además, el oxígeno reacciona con el dióxido de carbono. La reacción de estos diversos productos puede causar deficiencias de la soldadura, como porosidad y pérdida de ductilidad. Las reacciones mencionadas se forman con facilidad en la atmósfera si no se toman precauciones para eliminar el oxígeno y el nitrógeno. 

Además de proporcionar un entorno protector, el tipo de gas y la tasa de flujo tienen un efecto importante sobre:

• Características eléctricas del arco 
• Modo de transferencia del metal 
• Penetración y perfil de la soldadura 
• Velocidad de soldadura 
• Tendencia al socavamiento 
• Acción limpiadora 
• Propiedades mecánicas del metal de soldadura 

La selección correcta del gas de protección para una determinada aplicación es crítica para la calidad de la soldadura. El criterio utilizado para hacer la selección incluye: 

• Aleación del alambre 
• Propiedades mecánicas deseadas del deposito 
• Espesor del material y diseño de la junta 
• Condición del material, si tiene recubrimiento, oxido o aceite 
• El modo de transferencia de metal 
• Perfil de penetración deseado 
• Posición de la soldadura 
• Condiciones de ensamble
• Apariencia final del cordón deseada 
• Costos 

Bajo el efecto del calor del arco, los gases de protección responden de diferentes formas. El flujo de corriente en el arco y la magnitud tienen un gran efecto en el comportamiento de las gotas de metal fundido. Existen tres criterios básicos útiles para comprender las propiedades de los gases.  

• Potencial de ionización de los componentes del gas 
• Conductividad térmica de los componentes del gas 
• Reactividad química del gas de protección con el metal fundido

Por lo anterior, es importante detallar la física del arco asociado con algunos gases de protección específicos, que permita la selección del mejor gas de protección para la aplicación. El argón y el helio son dos gases inertes utilizados para la protección del charco de soldadura, el ser inertes significa que químicamente no reaccionan con el metal fundido, sin embargo, en cierto orden llegan a ser conductivos y ese gas en el plasma es ionizado. Gases distintos requieren diferente energía para ionizarse y esto se mide en términos de energía de ionización. Para el argón, la energía de ionización es de 15 eV, el helio tiene una energía de ionización de 24.5 eV. Por lo tanto, el argón es más fácil de ionizar que el helio, por esa razón el argón facilita más el inicio del arco que el helio. La conductividad térmica o capacidad del gas para transferir energía térmica, es la consideración más importante para seleccionar el gas de protección. Niveles altos de conductividad térmica resulta en más conducción de energía térmica a la pieza de trabajo. 

La conductividad térmica también afecta la forma del arco y la distribución de la temperatura en la región. El argón tiene mas baja conductividad térmica, alrededor del 10 % del nivel del helio e hidrogeno. La alta conductividad térmica del helio provee un patrón de penetración ancho y reducirá la profundidad. Las mezclas de gas con un porcentaje alto de argón dan como resultado una penetración con un perfil llamado de “dedo” proyectado hacia el material base. Esto es debido a la baja conductividad térmica del argón. La figura 4.6 y 4.7 muestran el perfil del cordón de soldadura para diferentes tipos de gases.

A continuación se mencionan algunos gases y mezclas utilizados en el proceso GMAW y su efecto en la soldadura [5]. 

A) Argón: Es más pesado que el aire, químicamente inerte, incoloro y sin olor como gas y líquido, constituye poco menos del uno por ciento de la tierra en la atmósfera. Promueve la buena apertura de arco debido a su bajo potencial de ionización, haciendo de éste un ideal escudo contra la contaminación en una serie de actividades industriales y procesos de soldadura. El argón es el gas de protección inerte más común. Comparado con el helio la conductividad térmica es baja. La energía requerida para dejar un electrón y la energía de ionización son bajas y esto resulta en un perfil de penetración de “dedo”. El proceso GMAW puede utilizar argón o mezclas de argón para lograr una buena soldabilidad, en donde se requieren buenas propiedades mecánicas, arco estable y la mejora de productividad. El bajo potencial de ionización del argón crea una excelente trayectoria en el arco y buena estabilidad. El argón produce una estrecha columna de arco con alta densidad de corriente, lo cual provoca que la energía del arco se concentre sobre una pequeña superficie. El resultado es una profundidad de fusión con un perfil característico. El argón se utiliza para materiales base no ferrosos como el aluminio, níquel, cobre, magnesio y sus aleaciones, así como para metales reactivos como el circonio y titanio. El argón y las mezclas de argón seleccionados proporcionan transferencia de rociado con una excelente estabilidad del arco de soldadura, penetración y perfil del cordón. Cuando se sueldan metales ferrosos, el argón es generalmente mezclado con otros gases, como el oxígeno, helio y dióxido de carbono. 

Hidrógeno: Este es el elemento más ligero, químicamente activo, su alta conductividad térmica hace que sus mezclas sean útiles en determinados procesos de soldadura. 

Dióxido de carbono: El CO2 es más pesado que el aire, es un gas incoloro que presenta un olor ligeramente picante, químicamente activo. La mayoría de los gases reactivos no pueden ser utilizados en forma pura para protección; el CO2 es una excepción. Es utilizado ampliamente como gas independiente, o como componente de mezclas de gases. El CO2 no puede ser usado para la transferencia de rociado en GMAW. Se utiliza sólo para corto circuito o transferencia globular. En presencia de un intenso calor como un arco de soldadura, se disocia en monóxido de carbono y oxígeno libre y se vuelve activo. Esto se muestra por la siguiente ecuación:

El oxígeno libre, que está disponible en cantidades considerables, reacciona con otros elementos. El CO2 es un gas activo y produce un efecto oxidante, a menudo se utiliza en la soldadura de acero al carbono. Su popularidad es común debido a la disponibilidad, bajo costo y rendimiento.

La ventaja del CO2 es su mayor ancho en la fusión en comparación con el argón. La principal desventaja del CO2 en transferencia globular es el exceso de salpicaduras que produce [19]. La soldadura depositada utilizando gas de protección CO2, resulta generalmente muy oxidada. Un alambre de soldadura que tengan mayores cantidades de elementos desoxidantes puede ser utilizado para compensar el carácter reactivo de los gases. En general, se puede lograr con el CO2 buenas propiedades mecánicas.

Mezclas de gases binarias. 

Argón - CO2: El argón - CO2 como mezcla se utiliza principalmente en aceros al carbono, baja aleación y aceros inoxidables. El CO2 con adiciones de argón permite el aumento de velocidad del avance con mayor penetración. Si aumenta la cantidad de CO2 tendrá como resultado un aumento en el nivel de salpicaduras y una disminución en la eficiencia de deposición. En GMAW se pueden realizar pequeñas adiciones de CO2, a niveles altos de corriente teniendo cuidado de mantener estable la transferencia por rociado. Por arriba de 20% de CO2, la transferencia por rociado se torna inestable y periódicamente ocurren transferencias de corto circuito y globular. 

Argón con 1 al 10% CO2: Estas mezclas se utilizan para la transferencia por rociado y corto circuito en varios materiales y espesores. Una mezcla de 5% de CO2 se puede utilizar en GMAW con una transferencia pulsada en aceros de baja aleación y en cualquier posición. Del 5 al 10 % de CO2 la columna de arco se reduce. La fuerza del arco que producen estas mezclas son mas tolerantes a las capa de óxido de la laminación haciendo mas controlable el charco de soldadura. 

Argón entre 11 a 20% CO2: Esta mezcla se utiliza en una gran variedad de aplicaciones en aceros al carbono y baja aleación. En este rango de composición de la mezcla se puede alcanzar la máxima productividad cuando se sueldan metales base de espesor delgado. Con esta mezcla disminuye el exceso de penetración incrementando las velocidades de depósito y avance. A porcentajes bajos de CO2 también mejora la eficiencia del depósito ya que disminuye el chisporroteo. 

Argón con variaciones entra el 21% a 49% CO2: Esta gama se utiliza comúnmente para GMAW con transferencia corto circuito en acero al carbono. Esta formulado para proporcionar una frecuencia óptima en la transferencia por corto circuito en los diámetros de alambre mas comunes. Estas mezclas se usan para aplicaciones en alta corriente, como en la soldadura de vigas de espesor considerable, proporciona una buena estabilidad del arco, control del charco de soldadura y buena apariencia del cordón. Argón con el 50% de CO2: Esta mezcla se utiliza cuando se requiere alto calor de entrada y profundidad de fusión. Se recomienda para espesores de metal base por encima de 1/8 pulg (3.2 mm). Aumenta la profundidad de fusión en soldadura fuera de posición utilizando transferencia con corto circuito. Proporciona un buen mojado y forma del cordón sin excesiva fluidez, siendo una ventaja para la soldadura de tubería. En materiales delgados será mayor la tendencia al exceso de penetración. Cuando la soldadura es a altos niveles de corriente, la transferencia de metal es similar a la de cualquier mezcla de argón + CO2. Con la adición de argón hay una disminución en las salpicaduras. 

Argón con hidrógeno: La adición de hidrógeno aumenta el calor de entrada, permitiendo mayor velocidad de avance, mayor profundidad de fusión, mejor acción de mojado y un perfil del cordón de soldadura más ancho [5, 10,19]. La mezcla de argón con hidrógeno proporciona una reducción de la atmósfera en el arco, eliminando el oxígeno de la zona de soldadura. Un mezcla típica argónhidrógeno es del 95% de argón y el 5% de hidrógeno. Las mezclas de argón con hidrógeno se utilizan a menudo para soldar metales como aceros inoxidables austeníticos, níquel y aleaciones de níquel. Las mezclas de Ar-H2 no deben utilizarse para soldar aceros al carbono o baja aleación. Las mezclas con hidrógeno se utilizan principalmente en aleaciones de aceros con alto contenido de níquel. Los gases que contienen hidrógeno no deben utilizarse con cobre y sus aleaciones. Ver tabla 1. La tabla 2 nos muestra la corriente de transición globular-rociado para distintos tipos de alambre.

En las tabla 3 se muestran los principales gases que se usan en la aplicación de GMAW, transferencia rociado. Casi todas las mezclas de gases inertes también pueden contener pequeñas cantidades de oxígeno ó CO2. En la tabla 4 se da una lista de los gases que se emplean para GMAW con transferencia con cortocircuito.

Efecto de las variables de soldadura en el proceso GMAW [5,7] 

Como se menciono en el punto 4.1.2 anterior La calidad de una soldadura se ve afectada por las variables del proceso, a continuación se definen las más importantes y se analiza su efecto a considerar para el control del proceso de soldadura. 

A) Amperaje 

Es una medida de la cantidad de corriente que fluye entre el electrodo y la pieza de trabajo, es la variable primaria que determina el calor de entrada. Generalmente un incremento en el amperaje deriva en incrementos de velocidad de depósito, penetración y dilución (metal de aporte-metal base). El flujo del amperaje a través del circuito eléctrico es el mismo sin considerar donde se mida. Normalmente se mide con un amperímetro de gancho. Para soldadura con una máquina de voltaje constante (CV), un incremento en la velocidad de alimentación del alambre incrementa directamente el amperaje. 

B) Voltaje de arco 

Esta variable esta directamente relacionada con la longitud del arco. El voltaje incrementa cuando aumenta la longitud de arco, y por lo tanto la demanda o exigencia de mayor protección del arco. Para soldadura con Voltaje Constante (CV), como el GMAW, el voltaje es determinado o establecido primeramente en la máquina. El voltaje de arco también controla o influye en el ancho del cordón. El voltaje de arco tiene un efecto directo en el calor de entrada. El voltaje en un circuito de soldadura no es constante, sufre una serie de caídas de voltaje. Considerando un ejemplo: suponiendo que una fuente de poder entrega en un sistema un voltaje de 40 volts. Entre la fuente de poder y la pistola hay una caída de voltaje de 3 volts, asociado con la resistencia del cable. Del punto donde se sujeta el cable de tierra a la terminal de tierra de la fuente de poder existe una caída de voltaje adicional, digamos de 7 volts. Restando los 3 y 7 volts del voltaje original, queda 30 volts para el arco. Este ejemplo, ilustra la importancia de asegurarse que el voltaje usado u obtenido sea el apropiado, cuando se realice un procedimiento de soldadura o una experimentación y podamos reconocer o identificar cualquier pérdida en el circuito de soldadura. El medio más seguro para determinar el voltaje de arco es midiendo la caída de voltaje entre la punta de contacto y la pieza de trabajo. Esto puede no ser práctico para procesos semiautomáticos, el voltaje típicamente se lee de un punto en el alimentador del alambre (donde esta la conexión de la pistola y el cable) a la pieza de trabajo. 

C) Velocidad de avance 

Es la velocidad a la cual el electrodo es desplazado a través de la junta. Cuando todas las demás variables se mantienen constantes, la velocidad de avance tiene un efecto inverso en el tamaño del cordón de soldadura. Cuando la velocidad aumenta el tamaño del cordón disminuye. En algunos casos, una baja velocidad de avance puede resultar en una reducción de la penetración ya que el arco afecta en el espesor de la capa de metal fundido a depositar y el charco de soldadura delante del arco. Cuando se incrementa la velocidad de avance, la energía térmica por unidad de longitud de la soldadura transmitida al metal base desde el arco es al principio incrementada, debido a que el arco actúa más directamente sobre el metal base. A mayores incrementos en la velocidad de avance, menos energía térmica por unidad de longitud se transfiere al metal base. Por lo consiguiente, la fusión del metal base primero incrementa y después disminuye con el incremento de la velocidad de avance [20]. La velocidad de avance es otra variable clave que se utiliza en el cálculo del calor de entrada; si se reduce la velocidad de avance el calor de entrada aumenta.

D) Velocidad de alambre Es una medida de la velocidad a la cual el electrodo pasa a través de la pistola y es alimentado al arco. La velocidad de alimentación es directamente proporcional a la velocidad de alimentación del alambre y esta directamente relacionada al amperaje. Cuando las otras variables se mantienen constantes (por ejemplo el mismo tipo de electrodo, el diámetro, voltaje de arco y extensión del electrodo) un incremento en la velocidad de alimentación del alambre conducirá aun incremento en el amperaje. A velocidades de alimentación más lentas, la relación velocidad de alimentación del alambre-amperaje es relativamente constante y lineal. Para altas velocidades de alimentación esta relación puede incrementar, resultando en una velocidad de alimentación alta por Ampere, pero a expensas de la penetración. 

La velocidad de alimentación es el método preferido para mantener o registrar en el procedimiento de soldadura, para procesos de alimentación de alambre de voltaje constante. La velocidad de alambre puede ajustarse independientemente y ser medida directamente a diferencia de otras condiciones de soldadura. Es posible utilizar el amperaje como una alternativa, ya que el amperaje resultante a través de la velocidad de alimentación del alambre puede variar dependiendo de la polaridad, diámetro, tipo y extensión del electrodo.

E) Extensión del electrodo 

También conocido como Electrical Stickout (ESO), es la distancia desde la punta de contacto al extremo del electrodo. Esto aplica solamente en procesos de alimentación del alambre. Cuando se incrementa en un sistema de voltaje constante, la resistencia eléctrica del electrodo aumenta, causando que el electrodo se caliente. A esto se le conoce como calentamiento por resistencia. Cuando la cantidad de calor se incrementa, la energía de arco requerida para fundir el electrodo disminuye. Se puede utilizar extensión del electrodo más grande para elevar la depositación a cierto amperaje dado. Cuando la extensión del electrodo se incrementa sin cambio en la velocidad del alambre, el amperaje disminuye, esto resulta en baja penetración. Cuando se incrementa el ESO, es común incrementar el voltaje establecido en la máquina para compensar la caída de voltaje a través del electrodo. 

En un sistema de voltaje constante, es posible incrementar ambos el ESO y la velocidad de alimentación del alambre de manera balanceada de forma que la corriente permanezca constante. Cuando esto sucede se logra mayor velocidad de depósito. Otras variables de soldadura tales como el voltaje y velocidad del alambre se deben de ajustar para mantener el arco estable y asegurar la calidad de la soldadura. El ESO debe estar siempre dentro del rango recomendado por el fabricante del alambre.

F) Diámetro del electrodo 

A mayor diámetro se requiere mayor corriente. Para amperaje fijo, sin embargo, electrodos mas pequeños puede resultar en mayor velocidad de depósito. Esto se debe al efecto de la densidad de corriente que se discute mas abajo. G) Polaridad Es una definición de la dirección del flujo de la corriente, la polaridad positiva (inversa) se logra cuando el cable del electrodo es conectado a la terminal positiva de la fuente de poder de corriente directa (DC) y el cable de tierra se conecta a la terminal negativa. La polaridad negativa (directa) ocurre cuando el electrodo se conecta a la terminal negativa y la tierra a la terminal positiva. La corriente alterna (AC) no tiene polaridad, pero es un tipo de corriente. Con la AC el electrodo se alterna al positivo y negativo. Para amperaje fijo es posible utilizar mayor velocidad de alimentación del alambre y mayor deposito con polaridad negativa que con positiva. La AC exhibe una mezcla de ambas características de polaridad negativa y positiva. 

El campo magnético que circunda cualquier conductor de DC puede causar un fenómeno conocido como soplo de arco, donde el arco es físicamente desviado por el campo. La resistencia del campo magnético es proporcional al cuadrado del valor de la corriente, siendo esto un problema potencial muy significativo en corrientes altas. La AC es menos propensa al soplo de arco y puede usarse algunas veces para sobrellevar este fenómeno.

H) Calor de entrada (Heat input) 

El calor de entrada es proporcional al amperaje de soldadura por el voltaje de arco dividido por la velocidad de avance. Relaciones altas de calor de entrada produce mayor área de sección transversal de soldadura mayor y zona afectada por el calor (ZAC) más grande, lo cual puede afectar negativamente las propiedades mecánicas en la ZAC. Un calor de entrada elevado generalmente resulta en una disminución ligera de la cedencia, resistencia a la tensión en el metal depositado y baja la tenacidad debido a la interacción del tamaño del cordón y el calor de entrada.. 

I) Densidad de corriente 

Se determina por la división del amperaje entre el área de la sección transversal del electrodo, para electrodos sólidos, la densidad de corriente (∂) es proporcional I/d2 . Donde, I es la corriente y d el diámetro del electrodo. Para electrodos tubulares la densidad de corriente es relativa a la sección del área metálica. Cuando la densidad de corriente aumenta incrementará la velocidad de depósito, así como la penetración. Nótese que esta puede lograrse incrementando el amperaje y disminuyendo el diámetro del electrodo. Debido a que el diámetro del electrodo esta en una función cuadrada un pequeño decremento en el diámetro puede tener un efecto significativo en la velocidad de depositación y en la penetración. 

J) Precalentamiento y temperatura de interpasos 

Se utilizan para controlar la tendencia al agrietamiento de ciertos materiales base. Respecto a las propiedades del metal depositado, para la mayoría de los sistemas Carbono-manganeso-silicio, una temperatura entre pases moderada proporciona buena tenacidad. El precalentamiento y la temperatura entre pases mayor a 288 ºC puede afectar negativamente la tenacidad. Cuando el metal base recibe poco o ningún precalentamiento, resulta en un rápido enfriamiento que puede deteriorar las propiedades de impacto. Por lo tanto es crítico controlar la temperatura de precalentamiento y entre pases. 

K) Tratamiento térmico posterior a la soldadura 

El tratamiento térmico post soldadura (PWHT por sus siglas en ingles) normalmente se considera necesario para soldaduras de acero, de espesores gruesos (mayores a 20 mm) con el objeto de reducir el alto nivel esfuerzos residuales, mejorar la tenacidad y la tolerancia a defectos en la unión. Los códigos de fabricación normalmente ofrecen una guía en cuanto a tiempo y temperatura para el PWHT. La temperatura máxima está relacionada con la composición química del acero, el tiempo de permanencia (a la temperatura máxima) depende del espesor del material, la velocidad de enfriamiento se relaciona con el tratamiento en particular y al código o estándar de referencia. La velocidad de calentamiento normalmente esta dentro de los rangos de 149 a 177 ºC (300 a 350 ºF) por hora. El mantenimiento de la temperatura normalmente es de 2.4 min/mm (1 hora por pulgada) del espesor máximo y debe ser uniforme en todo el componente. La velocidad de enfriamiento también esta dentro del mismo rango 149 a 177 ºC (300 a 350 ºF) por hora. En algunos casos la velocidad de enfriamiento se puede incrementar cuando la pieza ha sido enfriada a temperaturas de 260 a 316 ºC (500 a 600 ºF). Lógicamente los parámetros establecidos para el tratamiento posterior a la soldadura para cada pieza se deben seguir explícitamente.

Estudio del efecto de los parámetros del proceso GMAW en la penetración. 

A continuación se estudia el comportamiento de dichas variables sobre la penetración. Analizando el estudio presentado por Karademiz [3] se aprecia el enfoque del efecto en el proceso GMAW, podemos analizar un estudio realizado sobre el efecto de los parámetros de soldadura del proceso GMAW en la penetración en un acero Erdemir 6842. en dicho estudio se utilizaron variables corriente de soldadura, voltaje de arco y velocidad de avance. Se midió la penetración de cada espécimen después de haber sido soldado. Se utilizaron para la experimentación tres valores de corriente, 95, 105 y 115 A, voltajes de 22, 24 y 26 V y velocidad de avance de 40, 60 y 80 cm/min. Como resultado de este estudio fue que el incremento en la corriente aumenta la profundidad de penetración, el voltaje es otro parámetro involucrado con la penetración, sin embargo su efecto, no es tan considerable como el de la corriente.

Una penetración adecuada por lo tanto, alta velocidad de calentamiento y un perfil de soldadura deseado, dan como resultado una soldadura de calidad. Estos factores son afectados por la corriente, voltaje, velocidad de alambre y el gas de protección. La intensidad de corriente de soldadura tiene el mayor efecto en la capacidad de fusión, tamaño, geometría y profundidad de penetración [3]. 

Cuando todos los parámetros permanecen constantes, el área del cordón se expande con el incremento del voltaje; a relativamente bajas velocidades de avance, causa acumulación de metal depositado, un baño líquido mayor y baja penetración. Los valores más altos de penetración se obtienen a valores óptimos de velocidad de avance. En cuanto al gas de protección utilizado, el argón es el preferido en la industria, como mezcla de 15 a 25 % de CO2, ya que se obtiene mejor penetración, tamaño y geometría del cordón [5,18].

En este estudio [3] se empleó un acero Erdemir 6842, considerado bajo carbono, se utilizaron muestras de tamaños de 60 x 30 x 2.5 mm como metal base, este acero se utiliza en la fabricación de tubos a presión, se utilizó un aporte G3Si (SG2) de 1mm de diámetro. Los parámetros constantes durante el proceso fueron, espesor del metal base, 2.5 mm, diámetro de 1 mm, mezcla de gas de protección, 82% Ar – 18 %CO2, boquilla de 10 mm, extensión del electrodo 15 mm, velocidad de alimentación del alambre, 12 m/min, longitud de arco 3 mm y ángulo de la antorcha de 5º. Los parámetros variables fueron: corriente 95, 105 y 115 A, voltaje de arco 22, 24 y 26 V, la velocidad de 40, 60, y 80 cm/min. El efecto de la corriente sobre la penetración se muestra en la figura 4.8.

Se observa el cambio en la profundidad de penetración cuando se incrementa la corriente, para valores de voltajes de 22, 24 y 26 V, el valor mayor alcanzado de penetración fue de 3.19 mm para 115 A, 26 V. la penetración menor obtenida fue 2.46 mm a 95 A y 22 V. El voltaje también incrementó la penetración en valores de 0.02 – 0.12 mm para 22-26 V respectivamente, sin embargo, su efecto no fue tan relevante como el de la corriente. En cuanto a la velocidad de avance la penetración incrementó en valores de 0.03 a 0.08 mm entre 40 y 60 cm/ min., este valor disminuye después de este punto como se muestra en la figura 4.9.

Transferencia de calor en una soldadura. 

Durante la soldadura por fusión la interacción entre el metal base y la fuente de calor lleva a un rápido calentamiento, fusión y a una vigorosa circulación de metal fundido. En el charco de soldadura, la circulación de este metal fundido, está controlada por la agitación, el gradiente de tensión superficial y por fuerzas electromagnéticas [17]. La transferencia de calor y el flujo del líquido resultantes afectan la distribución de temperaturas en el metal base, la forma y tamaño del charco, el proceso de solidificación, la velocidad de enfriamiento y las cinéticas de transformación en estado sólido en el metal de soldadura y zona afectada por el calor (ZAC). 

La variación de la temperatura con el tiempo, a menudo denominada como ciclo térmico, afecta la evolución microestructural, las tensiones residuales y la magnitud de las distorsiones en la soldadura. En la superficie del charco de soldadura, la distribución de temperaturas influye en la pérdida de elementos de aleación por evaporación y en la absorción y desabsorción de hidrógeno y otros gases como oxígeno y nitrógeno, por lo que la composición, la microestructura y propiedades resultantes del metal de soldadura se ven afectadas. En el interior del metal de soldadura, las inclusiones no metálicas crecen o se disuelven dependiendo de la temperatura. La predicción y el control tanto de las temperaturas, las velocidades de circulación del fluido en el charco y las velocidades de enfriamiento, son esenciales para asegurar la calidad de la soldadura, con la geometría de la zona de fusión deseada, la composición química y la microestructura, así como también bajas tensiones residuales y distorsiones [9]. 

Dado que la medición de las temperaturas superficiales, dentro de charco líquido o en las zonas que se mantienen en estado sólido es difícil, además de costoso y complejo, un recurso muy utilizado es el uso de métodos de modelación numérica que permitan aportar información de la transferencia de calor durante la soldadura por fusión. En toda soldadura sólo una fracción de la energía disipada por la fuente de calor es realmente absorbida por el metal base. La eficiencia del arco es un parámetro importante para la medición de la eficiencia de la transferencia de calor durante los procesos de soldadura por arco eléctrico [2]. 

En el charco de soldadura, el calor es transportado por convección y conducción. Debido a la complejidad del fenómeno de flujo de calor convectivo, usualmente los cálculos para transferencia de calor en soldadura se limitan a la aplicación de transferencia de calor por conducción. Sin embargo, este tipo de cálculos representa una aproximación simple y útil al problema de transferencia de calor en soldadura por fusión [14]. 

A partir del proceso de transferencia de calor desde el arco de soldadura a la pieza y dentro de la misma pieza se determinan parámetros importantes como la temperatura máxima o pico, el tamaño y velocidad de enfriamiento del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor.

Análisis del flujo de calor en la soldadura. 

En la figura 4.10 se muestra un esquema de una soldadura en una pieza de trabajo [11]. El origen del sistema de coordenadas se mueve junto con la fuente de calor a una velocidad constante en dirección de x, excepto en el transito inicial y final de la soldadura, el flujo de calor en la pieza de trabajo de una longitud suficiente es estable o casi estacionario, con respecto al movimiento de la fuente de calor. En otras palabras, para un movimiento notable de la fuente de calor, la distribución de la temperatura y la geometría del charco no cambian con el tiempo. La suposición de este estado-estable fue utilizada primero por Rosenthal para simplificar matemáticamente el flujo de calor durante la soldadura [11].

Rossenthal utilizó las siguientes suposiciones simplificadas para derivar ecuaciones analíticas para el flujo de calor durante la soldadura: 

1. Flujo de calor estado-estable 

2. Punto de la fuente de calor 

3. Calor de fusión despreciable 

4. Propiedades térmicas constantes, y finalmente 

5. No existe perdida de calor de la superficie de la pieza de trabajo y 

6. No hay convección en el charco de soldadura.

Velocidad de enfriamiento 

Cuando se hace una soldadura ocurren cambios de temperatura, dimensiones, crecimiento de cristales, granos y transformación de fases. El tipo de proceso de soldadura determina, en general, la forma en la que estos sucederán.  

La velocidad de enfriamiento es de importancia fundamental y está controlada por el proceso, procedimiento, metal base, material de aporte y masa. El ritmo de cambio disminuye a medida que es mayor la distancia desde el centro de la soldadura. Es obvio que fluctúa considerablemente la velocidad de enfriamiento, y que resultarán distintas microestructuras. 

Conforme el metal de la soldadura se solidifica, los cristales forman granos, los cuales se enfrían rápidamente hasta que ya no haya metal líquido. La velocidad de enfriamiento es mucho más rápida de lo que sucede en una pieza fundida o lingote, y por consiguiente, el equilibrio, tal como se representa en el diagrama de hierro-carbono, realmente no se efectúa. A medida que el metal de la soldadura se deposita sobre el metal base parte de este se funde y se mezcla con el metal de la soldadura, produciendo la dilución de este último. 

A menos de que la composición del metal de aporte depositado y la composición del metal base sean idénticas, habrá una variación de la composición del metal en la interfase entre la soldadura y el metal base, tal y como sucede en la soldadura del acero al carbono ASTM A-27 utilizando un material de aporte de acero inoxidable ER 312. 

Como se mencionó las variaciones tanto en la composición como en las velocidades de enfriamiento dan lugar a cambios en la microestructura. Esta es la razón por la cual la microestructura de la soldadura es importante y debe analizarse. 

El área entre la superficie de separación del metal de soldadura depositado, y que se extiende hasta el metal base lo suficientemente lejos como para que ocurran cambios de fase, se conoce como zona afectada por el calor (ZAC), aunque es parte del metal base, se considera un porción de la unión de la soldadura. La zona afectada por el calor y la zona de mezclado son las más críticas en muchas soldaduras. Otro problema de la soldadura es la segregación durante el ciclo térmico. La segregación se relaciona con la solubilidad de los elementos de los metales particularmente aleaciones. 

El carbono, el fósforo, el azufre y algunas veces el manganeso se encuentra a menudo en estado segregado en el acero. El metal fundido tiene una capacidad relativamente alta para disolver los gases que están en contacto con él. El gas es rechazado a medida que los cristales se solidifican, pero pueden verse atrapados debido a una solidificación casi instantánea. Los gases atrapados provocan bolsas de gas y porosidad en la soldadura.

Reacciones gas-metal en soldadura 

Durante la soldadura, elementos como el hidrógeno, nitrógeno y oxígeno pueden disolverse en el metal depositado y formar porosidad o combinarse con otros elementos de la aleación y formar inclusiones. En los aceros el hidrógeno produce agrietamiento, el nitrógeno aumenta el límite de fluencia y la resistencia a la tracción pero reduce la ductilidad, y el oxígeno promueve la formación de inclusiones. En la soldadura por arco eléctrico los consumibles pueden contribuir a la concentración de oxígeno e hidrógeno en el metal de soldadura. A continuación se analiza el comportamiento de algunos gases en la soldadura de arco.

Oxígeno y CO2

El oxígeno es introducido al metal líquido a altas temperaturas debido a tres fuentes principales. Por los óxidos presentes en el fundente que se disocian en el arco, por reacciones escoria metal en el metal líquido y por la atmósfera que rodea el ambiente del arco. Bajo estas condiciones el oxígeno reacciona directamente con los elementos de aleación en el charco de soldadura, promoviendo la desoxidación y modificando la templabilidad del metal de soldadura. 

Al estudiar la absorción de oxígeno (proceso GMAW) en hierro puro usando atmósferas de Ar-O2 en una cámara cerrada [17] se observa que la cantidad de oxígeno absorbido a menores presiones parciales de oxígeno es aproximadamente proporcional a po2 ½, mientras que para presiones parciales de oxígeno mayores se vuelve constante a 0.23% algo por debajo del valor de equilibrio a 1 atm. de presión de oxígeno. A bajas presiones parciales de oxígeno el contenido disuelto en el metal líquido disminuye con el aumento de la corriente [17]. 

Ensayos similares con CO2 muestran un aumento tanto en el contenido de carbono como en el de oxígeno con la presión parcial CO2. Para ambos elementos la velocidad de aumento es menor a mayores niveles de corriente. Muchas son las reacciones posibles entre el Fe y el CO2, pero probablemente las que gobiernen el equilibrio sean las Ec. 4.2 y Ec. 4.3.

Es conveniente hacer notar que estas expresiones no son representativas de la soldadura real con CO2 dado que los alambres utilizados en GMAW contienen elementos desoxidantes. El contenido de oxígeno en la soldadura real será menor mientras que el contenido de carbono mayor.

El oxígeno puede ser disuelto en el metal líquido desde la atmósfera del arco o a partir de reacciones metal-escoria. En los casos donde la soldadura se realiza con una atmósfera con bajo potencial de oxidación el factor que controla el contenido de oxígeno disuelto en el metal de soldadura son las reacciones metal-escoria. El oxígeno en la atmósfera del arco afecta las propiedades del metal de soldadura en tres formas: a través de la formación de inclusiones no metálicas, por oxidación de los elementos de aleación y causando porosidad por CO. 

Los óxidos precipitan en el metal líquido cuando este se enfría y aparecen en el metal de soldadura como inclusiones esféricas. Estas inclusiones están compuestas de óxidos de Si, Mn y cualquier otro desoxidante que esté presente, junto con sulfuro de manganeso. Los diámetros pueden ir desde 0.05 micrones hasta máximos que pueden alcanzar los 10 micrones, mientras que la fracción en volumen puede llegar hasta un 1%. En general al aumentar la corriente de soldadura aumenta el diámetro de las inclusiones no metálicas [12]. En los procesos que utilizan electrodos consumibles, la oxidación de los elementos de aleación tiene lugar en las gotas que se forman en la punta del electrodo y que se transfieren a través del arco. En general hay poca reacción en el charco soldadura. El Mn y el Si en general son utilizados como desoxidantes en la soldadura por arco eléctrico de aceros al carbono. El manganeso se pierde tanto por oxidación como por evaporación, mientras que el silicio solo se pierde por oxidación.

Efecto del Hidrógeno presente en la mezcla de gas de protección. 

La mezcla de argón –hidrógeno se utiliza ampliamente en la soldadura por arco de plasma y últimamente ha incrementado su uso como gas de protección para soldar aceros inoxidables austeníticos, ferríticos y martensíticos [10]. El porcentaje recomendado en la mezcla es del rango de 0.5-5%.

Las propiedades físico químicas de cada uno de los gases es muy diferente, por ejemplo la conductividad térmica, la cual se muestra en la figura 4.11. El diagrama muestra que la conductividad térmica del hidrógeno en el rango de temperaturas 3000 y 4500 K es casi diez veces mayor que la del argón. Este rango de temperaturas es el que prevalece en la soldadura de arco. La conductividad térmica afecta directamente el arco y por lo tanto al proceso como tal. 

En la figura 4.12 se muestra la entalpía de cuatro diferentes gases, la entalpía del hidrógeno gaseoso es mayor a la del argón en casi todo el rango de temperaturas. La entalpía del gas de protección afecta la formación, forma del arco y la distribución de la temperatura en el arco también.

La adición de hidrógeno incrementa variación de voltaje en el arco, y consecuentemente la potencia del arco. Debido a la alta conductividad eléctrica del hidrógeno el arco es mas angosto y la concentración de energía es mayor, lo cual trae consigo una mayor penetración [18]. El hidrógeno como gas reductor impide la formación de óxidos en la superficie de la soldadura, consecuentemente se obtiene una buena apariencia. Sin embargo, la adición de hidrógeno en la atmósfera de protección trae algunas dificultades. El hidrógeno se solubiliza en el metal fundido en gran cantidad, por lo tanto cuando se suelda acero u otros metales puede producir gas atrapado y agrietamiento. 

En un estudio del efecto del hidrógeno en argón en el gas de protección en el proceso de soldadura y forma del cordón [10], se analizó el efecto del hidrógeno sobre los parámetros de soldadura, velocidad de depositación, cantidad de metal base fundido y la eficiencia del proceso GMAW. La figura 4.13 muestra la influencia del hidrógeno en el argón sobre la cantidad de metal base y aporte fundidos.

Se puede establecer que cuando se incrementa el contenido de hidrógeno en el argón para protección la cantidad de material fundido aumenta. También en el proceso GMAW la resistencia eléctrica en el arco incrementa y consecuentemente la intensidad de la corriente disminuye. Sin embargo no se conoce el contenido óptimo de hidrógeno en argón. En la figura 4.14 se muestra el efecto del H2 en el argón en la eficiencia de fusión para el proceso GMAW, se aprecia que la eficiencia aumenta cuando se adiciona hidrógeno al argón.

Solidificación. 

De todas las transformaciones de fase una de las más ampliamente estudiadas es la transformación de líquido a sólido o solidificación. El proceso de solidificación es el mismo en todos los casos ya sea en un metal vaciado o en una soldadura que une dos sólidos. 

Este proceso es controlado por la energía libre de la fase líquida, GL, relativa a la del sólido, GS. Esto se muestra en la figura 4.15 donde ilustra el comportamiento de un material puro (componente sencillo). Arriba de la temperatura de solidificación, Tf, la fase líquida tiene una energía libre baja y por lo tanto estable, es decir por debajo de Tf el sólido es una fase estable. A una temperatura Tf ambas fases están en equilibrio GL = GS.

En la transición de una fase a otra, el cambio de energía libre, ∆G, es la diferencia entre la energía libre del producto y el reactante. Este cambio de energía libre puede ser expresado en términos de cambios de la entalpía y la entropía, es decir para la transformación de líquido a sólido durante la solidificación:

A la temperatura de solidificación, Tf, ∆G = GS - GL = 0, debido a que la energía de las dos fases es la misma y ∆H = Tf∆S este necesariamente por debajo de Tf para la solidificación, ya que Tf esta presente para ambas fases y en equilibrio. Por debajo de Tf, ∆G no es igual a cero (la figura 4.15 muestra que GS < GL) y esta dado por la ecuación 4.6, T = T, donde T < Tf. 

Debido a que ∆H y ∆S no son funciones que dependen fuertemente de la temperatura, estas pueden ser asumidas para una temperatura independiente. Por lo tanto a cualquier temperatura, ∆H = ∆Hf y ∆S = ∆Sf, donde ∆Hf y ∆Sf son los valores de cambio de entalpía y entropía para las reacciones de equilibrio a Tf (esto es, el calor latente de fusión y el cambio de entropía en la fusión respectivamente). Combinando estas expresiones de entalpía y entropía, el factor ∆H = Tf∆S, y la ecuación 4.6 entonces a una T, se obtiene:

De acuerdo con la figura 4.16 ∆G es negativo. La cantidad mayor de sobreenfriamiento por debajo de Tf(Tf - T), entonces serán mayores las fuerzas termodinámicas para la solidificación. 

Sin embargo, cuando las condiciones de la ecuación 4.7 se cumplen, el líquido no se transforma espontáneamente a sólido debajo de Tf. más bien pequeñas cantidades de sólido nuclean y crecen para producir una solidificación completa. La nucleación crea una nueva superficie, la cual será la superficie entre el sólido y el líquido. La energía por unidad de esta superficie es la energía superficial, γ, la cual es siempre positiva. Para que la solidificación ocurra, el incremento en la energía asociada junto con la energía de superficie debe estar balanceado por una mayor disminución en la energía libre del sólido relativa a la del líquido. Esto requiere un sobreenfriamiento como se muestra en la ecuación 4.7. 

Existen tres maneras en los cuales un sólido puede formarse: nucleación homogénea, heterogénea y crecimiento epitaxial. La nucleación homogénea ocurre cuando no existe ningún cuerpo extraño (pared del molde, partícula sólida en el metal fundido, etc.) sobre la cual se forma el sólido. La figura 4.16 muestra el balance de la tensión superficial y la energía libre por unidad de volumen, ∆GV, como una función del tamaño del núcleo que se forma durante la nucleación homogénea. El valor de ∆GV, es justamente ∆G (como se da en la ecuación 4.7) dividido por el volumen molar del sólido, VS.

Los fundamentos de solidificación de una soldadura son los mismos que en un vaciado, pero con diferentes condiciones limite, por ejemplo, en la soldadura el metal debe adherirse a una pieza y en un vaciado el metal no debe adherirse al molde. Otra diferencia seria que en la soldadura continuamente se aporta calor durante el avance y a un molde no, la temperatura del molde es relativamente uniforme. En contraste con un con un muy grande gradiente de temperatura desarrollado en la soldadura.

En una soldadura a medida que la fuente de calor interactúa con el material, la severidad del ciclo térmico que experimenta el material varía de zona en zona, pudiendo identificarse tres regiones principales en la soldadura. Estas son la zona de fusión, la zona afectada por el calor (ZAC) y el metal base (MB) no afectado por el calor. La zona de fusión es la que funde y posteriormente experimenta la solidificación. Dicha solidificación es influenciada por la composición química del sistema, por la geometría del charco de soldadura y por las condiciones térmicas. Adicionalmente existen otros factores que afectan la solidificación como la presencia de impurezas en el charco de soldadura, la existencia de una considerable turbulencia, un volumen de metal líquido pequeño respecto del metal base y la existencia de grandes gradientes de temperatura en el metal líquido. Además debido a que la fuente está en movimiento la solidificación es un proceso dinámico, que está relacionado con la velocidad de soldadura. Cuando se requiere precalentamiento los gradientes de temperatura se ven afectados.

Los parámetros básicos que controlan el proceso de solidificación son la velocidad de crecimiento (R), el gradiente de temperaturas (G) el sobreenfriamiento ∆T y la composición de la aleación. La velocidad de crecimiento o velocidad de solidificación es aquella con la que avanza la interfase sólido/líquido o frente de solidificación en el charco de soldadura. 

Los gradientes de temperaturas en el sólido GS y en el líquido GL, en la interfase sólido/líquido, juegan un rol importante en la determinación de la subestructura de solidificación en la zona de fusión. GL es el más crítico en la determinación de la morfología de la interfase sólido/líquido en una escala microscópica y es directamente proporcional al flujo de calor en la interfase mencionada. El gradiente térmico en el líquido GL es fuertemente influenciado por la convección en el charco. El signo de GL también es significativo. Bajo condiciones de solidificación de charco normales GL > 0, pero para líquidos térmicamente sobreenfriados GL < 0 [14].

Este gradiente esta en función de las propiedades del material, del proceso de soldadura, de la posición y del calor aportado. En general el gradiente térmico aumenta a medida que la conductividad térmica del material disminuye. Para procesos de soldadura de arco eléctrico, al aumentar el calor aportado aumenta el tamaño del charco de soldadura. 

El ∆T en solidificación se refiere a la diferencia entre la temperatura líquidus de equilibrio de la aleación de composición nominal y la temperatura real. Este es un parámetro crítico que controla la estructura de solidificación y la segregación. El sobreenfriamiento puede estar asociado con el proceso de nucleación de un sólido desde el líquido o con el crecimiento del sólido durante la solidificación. En muchos casos los depósitos de soldadura de aceros de baja aleación comienzan la solidificación con el crecimiento epitaxial de ferrita α desde el grano parcialmente fundido del metal base en la línea de fusión. 

La solidificación epitaxial es un proceso de nucleación heterogéneo. Un embrión sólido de metal de soldadura se forma sobre la superficie del grano del metal base fundido parcialmente. La forma del embrión depende de las energías superficiales del sistema, γML (energía superficial metal base-líquido), γSM (energía superficial metal de soldadura sólido-metal base) y γSL (energía superficial metal de soldadura sólido-líquido). Asumiendo que γSL es isotrópico, se puede ver que para un volumen dado de embrión la energía interfacial de todo el sistema puede ser minimizada si tiene la forma de un casquete esférico. El ángulo que esta copa toma respecto de la interfase original se denomina ángulo de mojado θ. El ángulo de mojado está controlado por el balance de fuerzas generado por las respectivas energías superficiales. En la figura 4.17 se puede ver un esquema de las fuerzas mencionadas y del ángulo de mojado.

Ya que el metal de soldadura usualmente es muy similar al metal base y que la solidificación es epitaxial el ángulo de mojado es cero y las aproximaciones de las Ec. 4.8 son válidas.

Por lo tanto la barrera energética para la nucleación del metal de soldadura es despreciable, por lo que no se necesita sobreenfriamiento del líquido, y la solidificación ocurre uniformemente sobre todo el grano del metal base. En la figura 4.18 se puede ver un esquema del cambio de la energía libre (∆G) en la nucleación homogénea, heterogénea y para el crecimiento epitaxial y en la figura 4.19 el crecimiento epitaxial en una soldadura en la línea de fusión.

Aplicación de soldaduras disímiles en aceros inoxidables 

La soldadura en metales disímiles se aplica frecuentemente en la unión de aceros inoxidables con otros materiales. Este tema es mas importante tocarse donde se requiere una transición en propiedades mecánicas durante el servicio. Por ejemplo, tubería de acero inoxidable austeníticos son casi siempre utilizadas para contener vapor a alta temperatura en plantas de generación de energía. Bajo cierta temperatura y presión, se utilizan los aceros al carbono o baja aleación y la transición de acero inoxidable es muchas veces utilizada por razones económicas ya que el acero al carbono y el baja aleación es mucho menos caro que el inoxidable.

El “cladding” (revestimiento resistente a la corrosión) es otra aplicación común de soldadura de materiales disímiles. Por ejemplo recipientes a presión grandes, son algunas veces revestidos con acero inoxidable para proveer protección contra la corrosión a bajo costo. A la tubería puede también internamente aplicársele “cladding” de acero inoxidable para una protección similar. La aplicación de este trabajo, es parecida al “cladding” que hacen referencia diferente literatura, ya que uno de los objetivos de recuperar con soldadura de acero inoxidable es aumentar la vida útil del componente de acuerdo al servicio que va a realizar, el cual es precisamente en ambiente corrosivo. 

En cualquier aplicación de soldadura en un material disímil es muy importante seleccionar el material de aporte adecuado para obtener una austenita estable y una pequeña cantidad de ferrita en el primer pase de soldadura. Obteniendo esta microestructura es poco probable que se presente agrietamiento durante la solidificación y el material sea lo suficientemente dúctil [13]. 

Los diagramas de Schaeffler y WRC-1992 se utilizan ampliamente para predecir una aproximación de microestructuras para soldaduras de materiales disímiles.

Migración de carbono

Existe la probabilidad de que ocurran gradientes significativos en la composición química del metal depositado, particularmente en las regiones adyacentes al metal base. Además la operación a temperaturas elevadas puede causar ínterdifusión entre el metal depositado y el metal base que cambiarían la microestructura. Una soldadura disímil de un acero al carbono baja aleación y acero inoxidable austenítico, con aporte de inoxidable austenítico ilustra ese problema [15]. El cromo en el acero tiene mayor afinidad por el carbono que el hierro. Cuando se suelda un acero al carbono o baja aleación con un material de aporte que contenga una cantidad significativa de cromo, el carbono podrá difundir del metal base hacia el metal depositado a temperaturas por arriba de 425º C (800º F). La velocidad de difusión esta en función de la temperatura y del tiempo de exposición, incrementando rápidamente por arriba de 595º C (1100º F). La migración de carbono puede tener lugar durante el tratamiento térmico posterior a la soldadura o a temperaturas de servicio elevadas. Los aceros austeníticos tienen mayor solubilidad por el carbono que los ferríticos. Por lo tanto, el empobrecimiento de carbono en un acero estructural o baja aleación es mayor cuando se utiliza un aporte de acero inoxidable austenítico en lugar de un material de aporte de acero ferrítico. Por otra parte, la migración de átomos de carbono no es un problema serio cuando se utiliza material de aporte níquel-cromo-hierro. 

Para el caso de los módulos de bomba estos no están en servicio a elevadas temperaturas, donde se podría presentar este fenómeno, es durante la soldadura y el tratamiento térmico posterior, para prevenirlo se utiliza un material de aporte como el ER 312 del cual mas adelante en el punto 4.10 se describen sus características.

Zona de dilución. 

La dilución es la cantidad de metal de aporte, que se mezcla con el metal base durante la soldadura. Uno de los factores que influye en la integridad de la soldadura de materiales disímiles es precisamente este fenómeno. En este tipo de soldadura el metal de aporte debe alearse rápidamente con el metal base y producir una soldadura que contenga una matriz dúctil y continua, específicamente el metal de aporte debe ser capaz de aceptar la dilución de elementos aleantes provenientes del metal base, sin producir una microestructura susceptible al agrietamiento [13, 15]. La microestructura del metal depositado, debe ser estable para las condiciones de servicio esperadas. 

El control de la dilución juega un papel importante en la parte económica en algunas aplicaciones de cladding (revestimiento resistente a la corrosión) o revestimientos duros. En cada proceso se tiene un factor de dilución esperado, experimentando con los parámetros de soldadura se puede disminuir la dilución, un valor optimo seria entre 10 y 15%. Menor a 10% aumenta la posibilidad de falta integridad de la adhesión, y mayor a 15 % aumenta el costo del metal de aporte. Desafortunadamente la mayoría de los procesos de soldadura proveen considerablemente una mayor dilución [15]. En el caso de los módulos de bomba de lodos se requiere una buena penetración y dilución ya que después de recuperar con soldadura la superficie, esta se le da un acabado mediante maquinado para dar las dimensiones finales.

Para controlar la dilución cada parámetro de soldadura deberá ser cuidadosamente evaluado, determinado y registrado, [15] estos parámetros incluyen: 

• Amperaje. Incrementando este parámetro aumenta la dilución. El arco genera más calor y hay más penetración y por lo tanto, se funde mayor cantidad de metal base. 
• Polaridad. La corriente directa electrodo al negativo produce menor penetración y resulta en menor dilución que la corriente directa electrodo al positivo. La corriente alterna genera una dilución intermedia entre las dos anteriores. 
• Tamaño del electrodo. Para electrodos pequeños es menor el amperaje lo cual resulta en menor dilución. 
• Extensión del electrodo. Una extensión del electrodo alta, diminuye la dilución. Una extensión del electrodo corta aumenta la dilución. 
• Velocidad de avance. Disminuyendo la velocidad de avance sufre un decremento la cantidad de metal base fundido e incrementa proporcionalmente la cantidad de metal de aporte fundido, lo que deriva en una disminución de la dilución. 
• Oscilación. a mayor oscilación menor dilución, la frecuencia de oscilación también afecta, a mayor frecuencia de oscilación la dilución baja. 
• Posición. Dependiendo de esta, la gravedad causa que el charco de soldadura corra de frente, permanezca abajo o corra por atrás del arco. Si el charco permanece de frente o por debajo del arco hay menor penetración en el metal base y menor dilución. si el charco de soldadura esta muy retirado del frente del arco será insuficiente la fusión de la superficie del metal base y la coalescencia no ocurrirá. 
• Protección del arco. El medio de protección gas o fundente también afecta la dilución, por ejemplo para el proceso GMAW la mezcla de gas que contienen CO2 e H2, como se menciona anteriormente en el punto 4.1.6, producen mayor penetración y por lo tanto mayor dilución.

Estas consideraciones deberán ser tomadas en cuenta para la elaboración de los procedimientos de soldadura.

Especificación de acero ASTM A 27/A 27M 

Esta especificación cubre aceros al carbono vaciados para aplicaciones generales que requieren arriba de 70 ksi [485 MPa] de resistencia a la tensión mínima. En la tabla 5 se muestran los diferentes grados o tipos de aceros ASTM A-27, de acuerdo a su composición química.

Material de aporte 

Para la recuperación por soldadura de los módulos se utiliza material de aporte de acero inoxidable ER 312 debido al ambiente (lodos) en el que va a estar operando el equipo, además el material depositado debe tener buena maquinabilidad.

El material de aporte de acero inoxidable presenta la siguiente composición química nominal, tabla 6.

Este material de aporte se utiliza para unir todo tipo de aceros de alta resistencia, para uniones de materiales disímiles tales como AISI 309, 320 o aceros AISI 1040 y 4140, así como herramientas y piezas de la industria en general sometidas a fricción, corrosión, impacto o calor, en componentes como abanicos, tuberías y chaquetas de hornos, puede usarse en todas posiciones. 

El electrodo ER312 puede aplicarse en aceros con alto contenido del carbono. Por su alto contenido de ferrita, tiene mayor dilución cuando se suelda un metal base no inoxidable. En soldaduras de pases múltiples puede haber una baja dilución en el metal base, por eso tiene que existir un alto contenido de ferrita. 

Este alto contenido de ferrita puede llegar a ser frágil a elevada temperatura para interfases a altas temperatura por un largo periodo de tiempo. Su alto contenido de cromo da una buena resistencia a la descamación por arriba de 1100ºC (2000ºF). El metal de aporte tipo ER312 provee un deposito de soldadura que contiene una gran cantidad de ferrita para prevenir el agrietamiento en caliente [9]. En las tablas 7 y 8 se muestran algunos parámetros para soldar el material de aporte ER 312.

Diseño de experimentos 

En la literatura se reporta el empleo de diseño de experimentos para llevar a cabo el estudio de las relaciones involucradas en los diferentes procesos de soldadura [4, 5, 6,7]. Uno de los más comunes es el llamado sistema central compuesto. Los diseños centrales compuestos se usan ampliamente para construir modelos de superficie de respuesta de segundo orden. En general el diseño central compuesto consta de un factorial 2k . 

Hay dos parámetros en el diseño que deben especificarse: la distancia α de las corridas axiales al centro del diseño y el numero de puntos centrales [22]. es importante que el modelo de segundo orden proporcione buenas predicciones en toda la región de interés, es decir se requiere que el modelo tenga una varianza razonablemente consistente y estable de la respuesta predicha en los puntos de interés.

Sistemas inteligentes 

Un sistema inteligente extrae conocimiento a partir de información usualmente generada en el proceso. El uso de un sistema inteligente implica una nueva concepción de un proceso como un sistema de entradas y salidas. Algunas perturbaciones y ruidos pueden afectar el desempeño del proceso usualmente detectados en las salidas [26].

Redes Neuronales 

Una red neuronal es una interconexión de elementos de un proceso que representa la función de una neurona simple. La interconexión se realiza por una sinapsia artificial llamada peso. Los ajustes de esos pesos alternan el desempeño de la red neuronal. Las redes neuronales tienen la capacidad de aproximar funciones usando información a partir de fuentes históricas y experimentales [27]. 

Una red neuronal, esta compuesta por un vector de n entradas, con las cuales, la red trabajará, y una estructura de pesos sinápticos que se utilizan para disminuir o aumentar los valores de entrada, figura 6.20. Contiene un umbral o bias, los cuales se aplican para reducir la entrada a la función de activación, otro componente de una red es el operador matemático suma, donde se hace la operación suma de los componentes de señales de entrada, multiplicados por sus pesos respectivos [23]. Existe la función de activación o transferencia donde se define la salida de la neurona. Para el proceso de aprendizaje su funcionamiento es conocido como, algoritmo de aprendizaje, su objetivo es modificar los pesos con el objetivo de minimizar la función [23].

Este sistema posee varios grados de conectividad cuyo ajuste determina el desempeño de la red neuronal. Son capaces de procesar gran cantidad de información mediante modelos matemáticos [23]. Otro componente de una red es el operador matemático suma, donde se hace la operación de suma de los componentes de las señales de entrada multiplicados por sus respectivos pesos. Por último existe la función de activación o transferencia donde se define la salida de la neurona. Para el proceso de aprendizaje su funcionamiento es conocido como, algoritmo de aprendizaje y su objetivo es modificar los pesos que minimicen la función [25].

Optimización 

Esta metodología ha sido empleada por varios autores [28, 29 30]; basándose en el empleo de regresión lineal, redes neuronales y sistemas difusos para modelar un proceso. Los procedimientos de optimización involucran una investigación de las condiciones apropiadas para obtener el desempeño deseado en el proceso. Dicha investigación resulta compleja debido a los costos y riesgos involucrados por lo que es recomendable el empleo de modelos conformados por redes neuronales. Por otra parte en la literatura, se reporta [28, 29 30] el uso de redes neuronales para modelar geometrías de soldadura en términos de parámetros de equipo a partir de datos de valores de voltaje, corriente, velocidad del electrodo, velocidad de alimentación, entre otros. Los estudios concluyen que los modelos de redes neuronales son comparables con los esquemas tradicionales de modelación.

REFERENCIAS

7) Welding Handbook eight edition volume 2, Welding Processes American Welding Society 

8) AWS A5.9M;2006 Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Bars 

9) ASM Handbook Welding, Brazing and Soldering, Volume 6, ASM International 

10) Experimental research of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel. J. Tusek, M. Suban, International Journal of Hydrogen Energy (2000) 369-376 

11) Welding Metallurgy. Second edition. Sindo Kou, Professor and Chair Department of Materials Science and Engineering University of Wisconsin. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.

12) J. F. Lancaster, “Welding Metallurgy”, 4º Ed., Allen & Unwin, Londres, 1987. 

13) Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels. John C. Lippold and Damian J. Kotecky 

14) Heat Flow in Fusion Welding.Chon L. Tsai and Chin M. Tso, The Ohio State University. ASM Handbook Welding, Brazing and Soldering, Volume 6, ASM International 

15) Hardfacing, Weld Cladding, and Dissimilar Metal Joining. J.R. Davis, Davis & Associates. ASM Handbook Welding, Brazing and Soldering, Volume 6, ASM International 

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