La soldadura por arco metálico con gas ( GMAW ), a veces denominada por sus subtipos gas inerte metálico ( MIG ) y gas activo metálico ( MAG ), es un proceso de soldadura en el que se forma un arco eléctrico entre un electrodo de alambre MIG consumible y el metal o los metales de la pieza de trabajo, que calienta el metal o los metales de la pieza de trabajo, haciendo que se fusionen (se derritan y se unan). Junto con el electrodo de alambre, un gas protector pasa por la pistola de soldadura, lo que protege el proceso de la contaminación atmosférica.
El proceso puede ser semiautomático o automático. La fuente de alimentación de corriente continua y voltaje constante es la más utilizada con GMAW, pero también se pueden utilizar sistemas de corriente constante y corriente alterna . Existen cuatro métodos principales de transferencia de metal en GMAW, denominados globular, de cortocircuito, por pulverización y por pulverización pulsada, cada uno de los cuales tiene propiedades distintas y ventajas y limitaciones correspondientes.
Originalmente desarrollado en la década de 1940 para soldar aluminio y otros materiales no ferrosos , el GMAW pronto se aplicó a los aceros porque proporcionaba un tiempo de soldadura más rápido en comparación con otros procesos de soldadura. El costo del gas inerte limitó su uso en aceros hasta varios años después, cuando el uso de gases semiinertes como el dióxido de carbono se hizo común. Los desarrollos posteriores durante las décadas de 1950 y 1960 dieron al proceso más versatilidad y, como resultado, se convirtió en un proceso industrial muy utilizado. Hoy en día, GMAW es el proceso de soldadura industrial más común, preferido por su versatilidad, velocidad y la relativa facilidad de adaptar el proceso a la automatización robótica. A diferencia de los procesos de soldadura que no emplean un gas de protección, como la soldadura por arco metálico protegido , rara vez se usa al aire libre o en otras áreas de aire en movimiento. Un proceso relacionado, la soldadura por arco con núcleo de fundente , a menudo no utiliza un gas de protección, sino que emplea un alambre de electrodo que es hueco y está lleno de fundente .
Los principios de la soldadura por arco metálico con gas comenzaron a entenderse a principios del siglo XIX, después de que Humphry Davy descubriera los arcos eléctricos pulsados cortos en 1800. [1] Vasily Petrov produjo de forma independiente el arco eléctrico continuo en 1802 (seguido por Davy después de 1808). [1] No fue hasta la década de 1880 que la tecnología se desarrolló con el objetivo de uso industrial. Al principio, se utilizaron electrodos de carbono en la soldadura por arco de carbono . En 1890, Nikolay Slavyanov y CL Coffin habían inventado los electrodos metálicos . En 1920, PO Nobel de General Electric inventó un predecesor temprano de GMAW . Utilizaba corriente continua con un alambre de electrodo desnudo y usaba voltaje de arco para regular la velocidad de alimentación. No utilizaba un gas protector para proteger la soldadura, ya que los desarrollos en las atmósferas de soldadura no tuvieron lugar hasta más tarde en esa década. En 1926 se lanzó otro precursor de GMAW, pero no era adecuado para el uso práctico. [2]
En 1948, el Battelle Memorial Institute desarrolló la GMAW . Utilizaba un electrodo de diámetro más pequeño y una fuente de alimentación de voltaje constante desarrollada por HE Kennedy. Ofrecía una alta tasa de deposición, pero el alto costo de los gases inertes limitaba su uso a materiales no ferrosos e impedía ahorrar costos. En 1953, se desarrolló el uso de dióxido de carbono como atmósfera de soldadura, y rápidamente ganó popularidad en GMAW, ya que hizo que la soldadura de acero fuera más económica. En 1958 y 1959, se lanzó la variante de arco corto de GMAW, que aumentó la versatilidad de la soldadura e hizo posible la soldadura de materiales delgados al tiempo que se dependía de cables de electrodos más pequeños y fuentes de alimentación más avanzadas. Rápidamente se convirtió en la variante de GMAW más popular. [ cita requerida ]
La variante de transferencia por arco pulverizado se desarrolló a principios de los años 1960, cuando los investigadores añadieron pequeñas cantidades de oxígeno a los gases inertes. Más recientemente, se ha aplicado la corriente pulsada, lo que ha dado lugar a un nuevo método denominado variante de arco pulverizado pulsado. [3]
La GMAW es uno de los métodos de soldadura más populares, especialmente en entornos industriales. [4] Se utiliza ampliamente en la industria de la chapa metálica y la industria automotriz. Allí, el método se utiliza a menudo para la soldadura por puntos de arco , reemplazando el remachado o la soldadura por puntos de resistencia . También es popular para la soldadura automatizada , donde los robots manejan las piezas de trabajo y la pistola de soldadura para acelerar la fabricación. [5] La GMAW puede ser difícil de realizar bien al aire libre, ya que las corrientes de aire pueden disipar el gas protector y permitir que entren contaminantes en la soldadura; [6] La soldadura por arco con núcleo fundente es más adecuada para uso en exteriores, como en la construcción. [7] [8] Del mismo modo, el uso de un gas protector en la GMAW no se presta a la soldadura submarina , que se realiza más comúnmente mediante soldadura por arco metálico protegido , soldadura por arco con núcleo fundente o soldadura por arco de tungsteno con gas . [9]
Para realizar la soldadura por arco metálico con gas, el equipo básico necesario es una pistola de soldadura, una unidad de alimentación de alambre, una fuente de alimentación de soldadura , un alambre de electrodo de soldadura y un suministro de gas protector . [10]
La pistola de soldadura GMAW típica tiene varias partes clave: un interruptor de control, una punta de contacto, un cable de alimentación, una boquilla de gas, un conducto y un revestimiento del electrodo y una manguera de gas. Cuando el operador presiona el interruptor de control o gatillo, se inicia la alimentación del alambre, la energía eléctrica y el flujo de gas protector, lo que hace que se genere un arco eléctrico. La punta de contacto, normalmente hecha de cobre y a veces tratada químicamente para reducir las salpicaduras, está conectada a la fuente de energía de soldadura a través del cable de alimentación y transmite la energía eléctrica al electrodo mientras la dirige al área de soldadura. Debe estar firmemente asegurada y tener el tamaño adecuado, ya que debe permitir que el electrodo pase mientras mantiene el contacto eléctrico. En el camino hacia la punta de contacto, el alambre está protegido y guiado por el conducto y el revestimiento del electrodo, que ayudan a evitar que se deforme y mantienen una alimentación de alambre ininterrumpida. La boquilla de gas dirige el gas protector de manera uniforme hacia la zona de soldadura. Un flujo inconsistente puede no proteger adecuadamente el área de soldadura. Las boquillas más grandes proporcionan un mayor flujo de gas protector, lo que resulta útil para operaciones de soldadura de alta corriente que generan un baño de soldadura fundido más grande. Una manguera de gas proveniente de los tanques de gas protector suministra el gas a la boquilla. A veces, también se incorpora una manguera de agua a la pistola de soldadura, que la enfría en operaciones de alta temperatura. [11]
La unidad de alimentación de alambre suministra el electrodo a la pieza de trabajo, impulsándolo a través del conducto hasta la punta de contacto. La mayoría de los modelos suministran el alambre a una velocidad de alimentación constante, pero las máquinas más avanzadas pueden variar la velocidad de alimentación en respuesta a la longitud del arco y el voltaje. Algunos alimentadores de alambre pueden alcanzar velocidades de alimentación de hasta 30 m/min (1200 in/min), [12] pero las velocidades de alimentación para GMAW semiautomáticas suelen oscilar entre 2 y 10 m/min (75 – 400 in/min). [13]
El portaelectrodos más común es un portaelectrodos semiautomático refrigerado por aire. El aire comprimido circula a través de él para mantener temperaturas moderadas. Se utiliza con niveles de corriente más bajos para soldar juntas a tope o traslapadas . El segundo tipo más común de portaelectrodos es el semiautomático refrigerado por agua, donde la única diferencia es que el agua reemplaza al aire. Utiliza niveles de corriente más altos para soldar juntas en T o en esquina. El tercer tipo de portaelectrodos típico es un portaelectrodos automático refrigerado por agua, que generalmente se utiliza con equipos automatizados. [14]
La mayoría de las aplicaciones de soldadura por arco metálico con gas utilizan una fuente de alimentación de voltaje constante. Como resultado, cualquier cambio en la longitud del arco (que está directamente relacionada con el voltaje) da como resultado un gran cambio en la entrada de calor y la corriente. Una longitud de arco más corta provoca una entrada de calor mucho mayor, lo que hace que el electrodo de alambre se derrita más rápidamente y, por lo tanto, restablezca la longitud de arco original. Esto ayuda a los operadores a mantener la longitud del arco constante incluso cuando se suelda manualmente con pistolas de soldadura portátiles. Para lograr un efecto similar, a veces se utiliza una fuente de alimentación de corriente constante en combinación con una unidad de alimentación de alambre controlada por voltaje de arco. En este caso, un cambio en la longitud del arco hace que la velocidad de alimentación de alambre se ajuste para mantener una longitud de arco relativamente constante. En raras circunstancias, se pueden acoplar una fuente de alimentación de corriente constante y una unidad de velocidad de alimentación de alambre constante, especialmente para la soldadura de metales con altas conductividades térmicas, como el aluminio. Esto otorga al operador un control adicional sobre la entrada de calor en la soldadura, pero requiere una habilidad significativa para realizarlo con éxito. [15]
La corriente alterna rara vez se utiliza con GMAW; en su lugar, se emplea corriente continua y el electrodo generalmente tiene carga positiva. Dado que el ánodo tiende a tener una mayor concentración de calor, esto da como resultado una fusión más rápida del alambre de alimentación, lo que aumenta la penetración de la soldadura y la velocidad de soldadura. La polaridad se puede invertir solo cuando se utilizan alambres de electrodo con revestimiento emisivo especial, pero como estos no son populares, rara vez se utiliza un electrodo con carga negativa. [16]
El electrodo es un alambre de aleación metálica , llamado alambre MIG, cuya selección, aleación y tamaño, se basa principalmente en la composición del metal que se está soldando, la variación del proceso que se está utilizando, el diseño de la unión y las condiciones de la superficie del material. La selección del electrodo influye en gran medida en las propiedades mecánicas de la soldadura y es un factor clave de la calidad de la soldadura. En general, el metal de soldadura terminado debe tener propiedades mecánicas similares a las del material base sin defectos como discontinuidades, contaminantes arrastrados o porosidad dentro de la soldadura. Para lograr estos objetivos existe una amplia variedad de electrodos. Todos los electrodos disponibles comercialmente contienen metales desoxidantes como silicio , manganeso , titanio y aluminio en pequeños porcentajes para ayudar a prevenir la porosidad del oxígeno. Algunos contienen metales desnitrificantes como el titanio y el circonio para evitar la porosidad del nitrógeno. [17] Dependiendo de la variación del proceso y del material base que se suelde, los diámetros de los electrodos utilizados en GMAW suelen oscilar entre 0,7 y 2,4 mm (0,028 – 0,095 in), pero pueden ser tan grandes como 4 mm (0,16 in). Los electrodos más pequeños, generalmente de hasta 1,14 mm (0,045 in) [18] , están asociados con el proceso de transferencia de metal por cortocircuito, mientras que los electrodos del modo de proceso de transferencia por pulverización más comunes suelen tener al menos 0,9 mm (0,035 in). [19] [20]
Los gases de protección son necesarios para la soldadura por arco metálico con gas para proteger el área de soldadura de los gases atmosféricos como el nitrógeno y el oxígeno , que pueden causar defectos de fusión, porosidad y fragilización del metal de soldadura si entran en contacto con el electrodo, el arco o el metal de soldadura. Este problema es común a todos los procesos de soldadura por arco; por ejemplo, en el antiguo proceso de soldadura por arco metálico protegido (SMAW), el electrodo está recubierto con un fundente sólido que desarrolla una nube protectora de dióxido de carbono cuando se funde por el arco. Sin embargo, en GMAW, el alambre del electrodo no tiene un revestimiento de fundente y se emplea un gas de protección separado para proteger la soldadura. Esto elimina la escoria, el residuo duro del fundente que se acumula después de la soldadura y que debe eliminarse para revelar la soldadura completada. [21]
La elección de un gas de protección depende de varios factores, siendo los más importantes el tipo de material que se va a soldar y la variación del proceso que se utiliza. Los gases inertes puros, como el argón y el helio, solo se utilizan para la soldadura no ferrosa; con el acero, no proporcionan una penetración adecuada en la soldadura (argón) o provocan un arco errático y fomentan las salpicaduras (con helio). El dióxido de carbono puro , por otro lado, permite soldaduras de penetración profunda, pero fomenta la formación de óxido, lo que afecta negativamente a las propiedades mecánicas de la soldadura. Su bajo coste lo convierte en una opción atractiva, pero debido a la reactividad del plasma del arco, las salpicaduras son inevitables y la soldadura de materiales delgados es difícil. Como resultado, el argón y el dióxido de carbono se mezclan con frecuencia en una mezcla del 75%/25% al 90%/10%. Generalmente, en la GMAW de cortocircuito, un mayor contenido de dióxido de carbono aumenta el calor y la energía de la soldadura cuando todos los demás parámetros de soldadura (voltios, corriente, tipo y diámetro del electrodo) se mantienen iguales. A medida que el contenido de dióxido de carbono aumenta más del 20%, la transferencia por pulverización GMAW se vuelve cada vez más problemática, especialmente con diámetros de electrodos más pequeños. [22]
El argón también se mezcla comúnmente con otros gases, oxígeno, helio, hidrógeno y nitrógeno. La adición de hasta un 5% de oxígeno (como las concentraciones más altas de dióxido de carbono mencionadas anteriormente) puede ser útil para soldar acero inoxidable, sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones se prefiere el dióxido de carbono. [23] El aumento de oxígeno hace que el gas de protección oxide el electrodo, lo que puede provocar porosidad en el depósito si el electrodo no contiene suficientes desoxidantes. El exceso de oxígeno, especialmente cuando se utiliza en aplicaciones para las que no está prescrito, puede provocar fragilidad en la zona afectada por el calor. Las mezclas de argón y helio son extremadamente inertes y se pueden utilizar en materiales no ferrosos. Una concentración de helio del 50 al 75% aumenta el voltaje requerido y aumenta el calor en el arco, debido a la mayor temperatura de ionización del helio. A veces se añade hidrógeno al argón en pequeñas concentraciones (hasta aproximadamente el 5%) para soldar níquel y piezas de trabajo de acero inoxidable grueso. En concentraciones más altas (hasta un 25% de hidrógeno), se puede utilizar para soldar materiales conductores como el cobre. Sin embargo, no debe utilizarse en acero, aluminio o magnesio porque puede causar porosidad y fragilización por hidrógeno . [21]
También se encuentran disponibles mezclas de gases de protección de tres o más gases. Se comercializan mezclas de argón, dióxido de carbono y oxígeno para soldar aceros. Otras mezclas añaden una pequeña cantidad de helio a las combinaciones de argón y oxígeno. Se afirma que estas mezclas permiten voltajes de arco más altos y mayor velocidad de soldadura. El helio también sirve a veces como gas base, con pequeñas cantidades de argón y dióxido de carbono añadidos. Sin embargo, debido a que es menos denso que el aire, el helio es menos eficaz para proteger la soldadura que el argón, que es más denso que el aire. También puede provocar problemas de estabilidad y penetración del arco, y un aumento de las salpicaduras, debido a su plasma de arco mucho más energético. El helio también es sustancialmente más caro que otros gases de protección. Otras mezclas de gases especializadas y a menudo patentadas afirman tener beneficios aún mayores para aplicaciones específicas. [21]
A pesar de ser venenoso, se pueden utilizar trazas de óxido nítrico para evitar que se forme ozono, aún más problemático, en el arco.
La tasa deseable de flujo de gas de protección depende principalmente de la geometría de la soldadura, la velocidad, la corriente, el tipo de gas y el modo de transferencia de metal. La soldadura de superficies planas requiere un mayor flujo que la soldadura de materiales ranurados, ya que el gas se dispersa más rápidamente. Las velocidades de soldadura más rápidas, en general, significan que se debe suministrar más gas para proporcionar una cobertura adecuada. Además, una corriente más alta requiere un mayor flujo y, en general, se requiere más helio para proporcionar una cobertura adecuada que si se utiliza argón. Quizás lo más importante es que las cuatro variaciones principales de GMAW tienen diferentes requisitos de flujo de gas de protección: para los pequeños baños de soldadura de los modos de pulverización de cortocircuito y pulsado, generalmente es adecuado alrededor de 10 L /min (20 pies cúbicos / h ), mientras que para la transferencia globular, se prefiere alrededor de 15 L/min (30 pies cúbicos /h). La variación de transferencia por pulverización normalmente requiere un mayor flujo de gas de protección debido a su mayor entrada de calor y, por lo tanto, un baño de soldadura más grande. Las cantidades típicas de flujo de gas son aproximadamente 20-25 L/min (40-50 pies cúbicos /h). [13]
La GMAW también se ha utilizado como un método de bajo costo para imprimir objetos de metal en 3D . [24] [25] [26] Se han desarrollado varias impresoras 3D de código abierto para utilizar GMAW. [27] Dichos componentes fabricados a partir de aluminio compiten con los componentes fabricados de manera más tradicional en cuanto a resistencia mecánica. [28] Al formar una mala soldadura en la primera capa, las piezas impresas en 3D mediante GMAW se pueden retirar del sustrato con un martillo. [29] [30]
Para la mayoría de sus aplicaciones, la soldadura por arco metálico con gas es un proceso de soldadura bastante sencillo de aprender, ya que no requiere más de una o dos semanas para dominar la técnica básica de soldadura. Incluso cuando la soldadura la realizan operadores bien capacitados, la calidad de la soldadura puede fluctuar, ya que depende de una serie de factores externos. Toda soldadura por arco metálico con gas es peligrosa, aunque quizás menos que otros métodos de soldadura, como la soldadura por arco metálico protegido . [31]
Las técnicas necesarias para soldar con éxito con el proceso GMAW no son complicadas, y la mayoría de las personas pueden alcanzar una competencia razonable en unas pocas semanas, siempre que cuenten con la capacitación adecuada y tengan la oportunidad suficiente de practicar las soldaduras. Como sucede con muchas otras habilidades manuales, la experiencia y la práctica harán que el soldador (operador) desarrolle un alto nivel de competencia. Como gran parte del proceso está automatizado, la GMAW libera al soldador de la carga de mantener una longitud de arco precisa, así como de introducir metal de aporte en el charco de soldadura (zona de fusión) a la velocidad correcta, siendo estas operaciones coordinadas que se requieren en otros procesos de soldadura manual, como el arco metálico protegido (soldadura con electrodo revestido).
Para producir una soldadura con éxito con el proceso GMAW, el soldador debe mantener la orientación correcta de la pistola en relación con la junta que se está soldando (la soldadura ), así como mantener una velocidad de desplazamiento uniforme a lo largo de la junta para producir una penetración adecuada y la acumulación del cordón de soldadura. El movimiento a lo largo de la junta también puede requerir un componente de “oscilación” para producir una soldadura sólida, especialmente cuando se suelda verticalmente o por encima de la cabeza. Durante la capacitación, se recomienda a los aprendices de soldadores que observen el borde posterior del charco de soldadura, no el arco, para asegurarse de que están avanzando por la junta a una velocidad óptima.
La orientación de la pistola con respecto a la soldadura es importante, ya que afecta la forma en que se dirige la energía del arco hacia las piezas constituyentes. En una soldadura ideal, se lograría una penetración del 100 por ciento, lo que, cuando se combina con la acumulación del cordón de soldadura, producirá una soldadura que es teóricamente más fuerte que las piezas constituyentes. En la práctica, no se logra una penetración total y, de hecho, puede ser indeseable. Sin embargo, la penetración será más profunda cuando el electrodo de alambre esté exactamente perpendicular a la superficie que se está soldando. Además, la deposición del metal de relleno, que proviene de la fusión del electrodo de alambre, tenderá a ser uniforme con el alambre en la perpendicular.
En la práctica, la perpendicularidad no siempre es ideal o incluso alcanzable, a menos que se suelde una junta a tope horizontal. Por lo tanto, la pistola generalmente se orientará de modo que el alambre bisectriz el ángulo entre las dos superficies que se están uniendo. Por ejemplo, si se está soldando una junta de filete de 90 grados, un ángulo de alambre de 45 grados debería producir la mejor penetración y deposición de relleno. Por otro lado, una junta de solape horizontal se beneficiaría de un ángulo menos agudo para dirigir más energía del arco hacia la pieza inferior y menos energía hacia el borde de la pieza superior, principalmente para evitar que se derrita el borde.
El ángulo de avance, o ángulo de desplazamiento, es el ángulo de la pistola con respecto a la dirección de desplazamiento a lo largo de la junta, y generalmente debe permanecer aproximadamente vertical. [32] La mayoría de las pistolas están diseñadas de manera que cuando la empuñadura (mango) está paralela a la superficie de trabajo, se obtendrá un ángulo de avance adecuado. Sin embargo, el mejor ángulo variará debido a los diferentes tipos de gas de protección y la forma en que se dispersan. Con gases inertes puros, por ejemplo, argón puro, la parte inferior de la antorcha a menudo está ligeramente por delante de la sección superior, mientras que ocurre lo contrario cuando la atmósfera de soldadura es dióxido de carbono. [33]
Es importante mantener una distancia relativamente estable entre la punta de contacto y la pieza de trabajo ( distancia de proyección ). Una proyección excesiva puede provocar que el electrodo de alambre se funda demasiado lejos de la soldadura, lo que provoca un arco de chisporroteo, una penetración superficial y una deposición deficiente. Una proyección excesiva también puede provocar que el gas de protección no cubra adecuadamente la zona de fusión, lo que genera contaminación atmosférica y una soldadura porosa y poco sólida.
Por el contrario, una distancia de proyección insuficiente puede aumentar la velocidad a la que se acumulan las salpicaduras dentro de la boquilla de la pistola y, en casos extremos, puede causar daños en la punta de contacto de la pistola debido a que el alambre se “quema” hacia atrás en la punta. La quema hacia atrás, a su vez, puede hacer que el alambre se atasque en la punta y deje de moverse, lo que da como resultado un “anidamiento de pájaro” (amontonamiento de alambre) en el mecanismo de alimentación de alambre en la soldadora. La distancia de proyección correcta variará con los diferentes procesos y aplicaciones de GMAW, y a menudo se utiliza una distancia de proyección más corta en la soldadura vertical y por encima de la cabeza. [34] [35] [36] [37]
La soldadura por posición, es decir, la soldadura de juntas verticales o elevadas, puede requerir el uso de una técnica de entrelazado para asegurar una deposición y penetración de soldadura adecuadas. La soldadura por posición se complica por una tendencia del metal fundido a salirse del charco (“goteo de soldadura”), especialmente un problema con las juntas elevadas. El goteo de soldadura dará lugar a cráteres y socavaduras donde el cordón debería mezclarse con los metales base, lo que da como resultado una soldadura débil y un riesgo de agrietamiento en el borde del cordón. El entrelazado mueve constantemente la zona de fusión para limitar la cantidad de metal depositado en un punto determinado. La tensión superficial ayuda a mantener el metal fundido en el charco hasta que pueda solidificarse. En algunos casos, puede ser necesario un caudal de gas de protección superior al normal para lograr una soldadura satisfactoria. El desarrollo de la habilidad de soldadura por posición requiere experiencia, pero la mayoría de los aprendices de soldadura suelen dominarla antes de alcanzar el estado de oficial .
Una soldadura vertical puede comenzar en la parte inferior de la junta y avanzar hacia arriba, o comenzar en la parte superior y avanzar hacia abajo. La técnica de abajo hacia arriba tiende a producir una penetración más profunda y una soldadura teóricamente más fuerte. Sin embargo, existe una mayor tendencia al goteo de soldadura, lo que lleva a la formación de cráteres y socavaduras antes mencionadas, que se pueden evitar con una técnica de tejido adecuada. Un cierto aumento de las salpicaduras también puede ser un problema. Por otro lado, el procedimiento de arriba hacia abajo es menos propenso al goteo de soldadura y, en general, produce soldaduras más suaves y atractivas, pero con menos penetración. La técnica de abajo hacia arriba generalmente se considera la técnica preferida con secciones pesadas, aunque el uso de dióxido de carbono puro al soldar aceros de bajo y medio carbono con la técnica de arriba hacia abajo puede aumentar la penetración sin una degradación excesiva de la apariencia.
Además de poseer buenas habilidades en el manejo de la pistola, el soldador debe saber cómo configurar correctamente la soldadora (máquina) para que se adapte a las características de la soldadura, el tipo de alambre y los gases de protección que se utilizan y, en algunos casos, la orientación de la junta que se va a soldar. Dicha configuración implica ajustar el voltaje, la velocidad de alimentación del alambre y el caudal de gas, así como utilizar la boquilla de pistola correcta para lograr una dispersión adecuada del gas de protección.
Con el tiempo, la soldadura provocará una acumulación de salpicaduras dentro de la boquilla, que en cantidad suficiente afectará la dispersión del gas, lo que posiblemente produzca soldaduras defectuosas. Por lo tanto, el soldador tendrá que limpiar periódicamente la boquilla y la punta para eliminar las salpicaduras. El uso de un compuesto antisalpicaduras en la boquilla y la punta a menudo puede reducir la velocidad de acumulación. El compuesto antisalpicaduras se vende tanto en un frasco como una pasta (a menudo denominada en el sector como "tip-dip"), como en una lata de aerosol como un espray. Los soldadores pueden utilizar este último producto para evitar la acumulación de salpicaduras en la propia soldadura, así como en la plantilla que sujeta los componentes de la soldadura.
Dos de los problemas de calidad más frecuentes en GMAW son la escoria y la porosidad . Si no se controlan, pueden dar lugar a soldaduras más débiles y menos dúctiles . La escoria es un problema especialmente común en las soldaduras GMAW de aluminio, que normalmente proviene de partículas de óxido de aluminio o nitruro de aluminio presentes en el electrodo o los materiales base. Los electrodos y las piezas de trabajo deben cepillarse con un cepillo de alambre o tratarse químicamente para eliminar los óxidos de la superficie. Cualquier oxígeno en contacto con el baño de soldadura, ya sea de la atmósfera o del gas de protección, también causa escoria. Como resultado, es necesario un flujo suficiente de gases de protección inertes y se debe evitar la soldadura en aire en movimiento. [38]
En GMAW, la causa principal de la porosidad es el atrapamiento de gas en el baño de soldadura, que ocurre cuando el metal se solidifica antes de que escape el gas. El gas puede provenir de impurezas en el gas de protección o en la pieza de trabajo, así como de un arco excesivamente largo o violento. Generalmente, la cantidad de gas atrapado está directamente relacionada con la velocidad de enfriamiento del baño de soldadura. Debido a su mayor conductividad térmica , las soldaduras de aluminio son especialmente susceptibles a mayores velocidades de enfriamiento y, por lo tanto, a una porosidad adicional. Para reducirla, la pieza de trabajo y el electrodo deben estar limpios, la velocidad de soldadura debe disminuirse y la corriente debe establecerse lo suficientemente alta como para proporcionar suficiente entrada de calor y transferencia de metal estable, pero lo suficientemente baja como para que el arco permanezca constante. El precalentamiento también puede ayudar a reducir la velocidad de enfriamiento en algunos casos al reducir el gradiente de temperatura entre el área de soldadura y el metal base. [39]
La soldadura por arco en cualquier forma puede ser peligrosa si no se toman las precauciones adecuadas. Dado que la GMAW emplea un arco eléctrico, los soldadores deben usar ropa protectora adecuada, incluidos guantes gruesos y chaquetas protectoras de manga larga, para minimizar la exposición al arco en sí, así como al calor intenso, las chispas y el metal caliente. La intensa radiación ultravioleta del arco puede causar daños similares a las quemaduras solares en la piel expuesta, así como una afección conocida como ojo de arco , una inflamación de la córnea o, en casos de exposición prolongada, daños irreversibles en la retina del ojo . Los cascos de soldadura convencionales contienen placas frontales oscuras para evitar esta exposición. Los diseños de cascos más nuevos cuentan con una placa frontal de tipo cristal líquido que se oscurece automáticamente al exponerse al arco. Las cortinas de soldadura transparentes, hechas de una película de plástico de cloruro de polivinilo , se utilizan a menudo para proteger a los trabajadores y transeúntes cercanos de la exposición al arco. [40]
Los soldadores suelen estar expuestos a gases peligrosos y partículas suspendidas en el aire . La soldadura por arco de gas produce humo que contiene partículas de varios tipos de óxidos , y el tamaño de las partículas tiende a influir en la toxicidad de los humos. Las partículas más pequeñas presentan un mayor peligro. Las concentraciones de dióxido de carbono y ozono pueden resultar peligrosas si la ventilación es inadecuada. Otras precauciones incluyen mantener los materiales combustibles alejados del lugar de trabajo y tener un extintor de incendios en funcionamiento cerca. [41]
Los tres modos de transferencia en GMAW son globular, de cortocircuito y de pulverización. Existen algunas variaciones reconocidas de estos tres modos de transferencia, entre ellas el de cortocircuito modificado y el de pulverización pulsada. [42]
La GMAW con transferencia de metal globular se considera la menos deseable de las tres variantes principales de GMAW, debido a su tendencia a producir mucho calor, una superficie de soldadura deficiente y salpicaduras. El método se desarrolló originalmente como una forma rentable de soldar acero mediante GMAW, porque esta variante utiliza dióxido de carbono, un gas de protección menos costoso que el argón. Además de su ventaja económica, se suma su alta tasa de deposición, que permite velocidades de soldadura de hasta 110 mm/s (250 in/min). [43] A medida que se realiza la soldadura, una bola de metal fundido del electrodo tiende a acumularse en el extremo del electrodo, a menudo en formas irregulares con un diámetro mayor que el propio electrodo. Cuando la gota finalmente se desprende por gravedad o cortocircuito, cae sobre la pieza de trabajo, dejando una superficie irregular y a menudo provocando salpicaduras. [44] Como resultado de la gran gota fundida, el proceso generalmente se limita a posiciones de soldadura planas y horizontales, requiere piezas de trabajo más gruesas y da como resultado un baño de soldadura más grande. [45] [46]
Los avances en la soldadura de acero con GMAW dieron lugar a una variante conocida como transferencia de cortocircuito (SCT) o GMAW de arco corto, en la que la corriente es menor que en el método globular. Como resultado de la menor corriente, el aporte de calor para la variación de arco corto se reduce considerablemente, lo que permite soldar materiales más delgados y, al mismo tiempo, disminuir la cantidad de distorsión y tensión residual en el área de soldadura. Al igual que en la soldadura globular, se forman gotas fundidas en la punta del electrodo, pero en lugar de caer al baño de soldadura, cubren el espacio entre el electrodo y el baño de soldadura como resultado de la menor velocidad de alimentación del alambre. Esto provoca un cortocircuito y extingue el arco, pero se vuelve a encender rápidamente después de que la tensión superficial del baño de soldadura extraiga el cordón de metal fundido de la punta del electrodo. Este proceso se repite unas 100 veces por segundo, lo que hace que el arco parezca constante para el ojo humano. Este tipo de transferencia de metal proporciona una mejor calidad de soldadura y menos salpicaduras que la variante globular, y permite soldar en todas las posiciones, aunque con una deposición más lenta del material de soldadura. Establecer los parámetros del proceso de soldadura (voltios, amperios y velocidad de alimentación del alambre) dentro de una banda relativamente estrecha es fundamental para mantener un arco estable: generalmente entre 100 y 200 amperios a 17 a 22 voltios para la mayoría de las aplicaciones. Además, el uso de transferencia de arco corto puede dar como resultado una falta de fusión y una penetración insuficiente al soldar materiales más gruesos, debido a la menor energía del arco y al rápido congelamiento del baño de soldadura. [47] Al igual que la variante globular, solo se puede utilizar en metales ferrosos. [20] [48] [49]
Para materiales delgados se utiliza la transferencia de metal frío (CMT), que consiste en reducir la corriente cuando se registra un cortocircuito, lo que produce muchas caídas por segundo. La CMT se puede utilizar para el aluminio. [ cita requerida ]
La transferencia por pulverización GMAW fue el primer método de transferencia de metal utilizado en GMAW y es muy adecuado para soldar aluminio y acero inoxidable mientras se emplea un gas de protección inerte. En este proceso GMAW, el metal del electrodo de soldadura pasa rápidamente a lo largo del arco eléctrico estable desde el electrodo hasta la pieza de trabajo, eliminando esencialmente las salpicaduras y dando como resultado un acabado de soldadura de alta calidad. A medida que la corriente y el voltaje aumentan más allá del rango de transferencia de cortocircuito, la transferencia de metal del electrodo de soldadura pasa de glóbulos más grandes a pequeñas gotas a una corriente vaporizada a las energías más altas. [50] Dado que esta variación de transferencia por pulverización vaporizada del proceso de soldadura GMAW requiere mayor voltaje y corriente que la transferencia por cortocircuito, y como resultado de la mayor entrada de calor y el área de baño de soldadura más grande (para un diámetro de electrodo de soldadura dado), generalmente se usa solo en piezas de trabajo de espesores superiores a aproximadamente 6,4 mm (0,25 pulgadas). [51]
Además, debido al gran baño de soldadura, a menudo se limita a posiciones de soldadura planas y horizontales y, a veces, también se utiliza para soldaduras verticales descendentes. Por lo general, no es práctico para soldaduras de paso de raíz. [52] Cuando se utiliza un electrodo más pequeño junto con un menor aporte de calor, aumenta su versatilidad. La velocidad máxima de deposición para GMAW con arco de pulverización es relativamente alta: alrededor de 600 mm/s (1500 in/min). [20] [43] [53]
El método de pulverización pulsada, una variación del método de transferencia por pulverización, se basa en los principios de la transferencia por pulverización, pero utiliza una corriente pulsada para fundir el alambre de relleno y permitir que caiga una pequeña gota fundida con cada pulso. Los pulsos permiten que la corriente promedio sea menor, lo que disminuye la entrada de calor general y, por lo tanto, disminuye el tamaño del baño de soldadura y la zona afectada por el calor, al tiempo que permite soldar piezas de trabajo delgadas. El pulso proporciona un arco estable y sin salpicaduras, ya que no se produce cortocircuito. Esto también hace que el proceso sea adecuado para casi todos los metales y también se puede utilizar un alambre de electrodo más grueso. El baño de soldadura más pequeño le da a la variación una mayor versatilidad, lo que permite soldar en todas las posiciones. En comparación con la GMAW de arco corto, este método tiene una velocidad máxima algo más lenta (85 mm/s o 200 in/min) y el proceso también requiere que el gas de protección sea principalmente argón con una baja concentración de dióxido de carbono. Además, requiere una fuente de alimentación especial capaz de proporcionar pulsos de corriente con una frecuencia de entre 30 y 400 pulsos por segundo. Sin embargo, el método ha ganado popularidad, ya que requiere un menor aporte de calor y se puede utilizar para soldar piezas de trabajo delgadas, así como materiales no ferrosos. [20] [54] [55] [56]
La soldadura con alambre con núcleo fundente , autoprotector o sin gas se ha desarrollado para lograr simplicidad y portabilidad. [57] Esto evita el sistema de gas de la GMAW convencional y utiliza un alambre con núcleo que contiene un fundente sólido. Este fundente se vaporiza durante la soldadura y produce una columna de gas protector. Aunque se describe como un "fundente", este compuesto tiene poca actividad y actúa principalmente como un escudo inerte. El alambre tiene un diámetro ligeramente mayor que el de una soldadura con protección de gas comparable, para dejar espacio para el fundente. El diámetro más pequeño disponible es de 0,8 mm, en comparación con los 0,6 mm del alambre sólido. El vapor de protección es ligeramente activo, en lugar de inerte, por lo que el proceso siempre es MAGS pero no MIG (protección de gas inerte). Esto limita el proceso al acero y no al aluminio. [ cita requerida ]
Estas máquinas sin gas funcionan como DCEN, en lugar del DCEP que se utiliza habitualmente para el alambre sólido GMAW. [57] El DCEP, o electrodo positivo de CC, convierte el alambre de soldadura en el ánodo cargado positivamente , que es el lado más caliente del arco. [58] Siempre que se pueda conmutar de DCEN a DCEP, también se puede utilizar una máquina de alimentación de alambre con protección de gas para alambre con núcleo fundente. [ cita requerida ]
Se considera que el alambre con núcleo fundente tiene algunas ventajas para la soldadura al aire libre en el lugar, ya que es menos probable que la columna de gas protector se vuele con el viento que el gas protector de una boquilla convencional. [59] [60] Una pequeña desventaja es que, al igual que la soldadura SMAW (con electrodo revestido), puede haber algo de fundente depositado sobre el cordón de soldadura, lo que requiere un mayor proceso de limpieza entre pasadas. [59]
Las máquinas de soldar con núcleo fundente son las más populares entre los aficionados, ya que son un poco más simples, pero principalmente porque evitan el costo de proporcionar gas de protección, ya sea a través de un cilindro alquilado o con el alto costo de los cilindros desechables. [59]
