La soldadura por arco es un proceso de soldadura que se utiliza para unir metales mediante el uso de electricidad para crear suficiente calor para fundir el metal, y los metales fundidos, cuando se enfrían, dan lugar a una unión de los metales. Es un tipo de soldadura que utiliza una fuente de alimentación de soldadura para crear un arco eléctrico entre una varilla de metal (" electrodo ") y el material base para fundir los metales en el punto de contacto. Las fuentes de alimentación de soldadura por arco pueden suministrar corriente continua (CC) o alterna (CA) a la pieza de trabajo, mientras que se utilizan electrodos consumibles o no consumibles.
El área de soldadura suele estar protegida por algún tipo de gas protector (por ejemplo, un gas inerte), vapor o escoria. Los procesos de soldadura por arco pueden ser manuales, semiautomáticos o totalmente automatizados. La soldadura por arco, desarrollada por primera vez a finales del siglo XIX, adquirió importancia comercial en la construcción naval durante la Segunda Guerra Mundial. Hoy en día sigue siendo un proceso importante para la fabricación de estructuras de acero y vehículos.
Para suministrar la energía eléctrica necesaria para los procesos de soldadura por arco, se pueden utilizar varias fuentes de alimentación diferentes. La clasificación más común es la de fuentes de alimentación de corriente constante y fuentes de alimentación de voltaje constante. En la soldadura por arco, el voltaje está directamente relacionado con la longitud del arco y la corriente está relacionada con la cantidad de calor aportado. Las fuentes de alimentación de corriente constante se utilizan con mayor frecuencia para procesos de soldadura manuales, como la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por arco de metal protegido, porque mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando el voltaje varía. Esto es importante porque en la soldadura manual, puede resultar difícil mantener el electrodo perfectamente estable y, como resultado, la longitud del arco y, por lo tanto, el voltaje tienden a fluctuar. Las fuentes de alimentación de voltaje constante mantienen el voltaje constante y varían la corriente y, como resultado, se utilizan con mayor frecuencia para procesos de soldadura automatizados, como la soldadura por arco de metal con gas, la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco sumergido. En estos procesos, la longitud del arco se mantiene constante, ya que cualquier fluctuación en la distancia entre el alambre y el material base se rectifica rápidamente con un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el alambre y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez hace que el calor aumente y la punta del alambre se derrita, volviendo a su distancia de separación original. [1] En condiciones normales de longitud de arco, una fuente de alimentación de corriente constante con un electrodo de varilla funciona a unos 20 voltios. [2]
La dirección de la corriente utilizada en la soldadura por arco también juega un papel importante en la soldadura. Los procesos de electrodos consumibles, como la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura por arco metálico con gas, generalmente utilizan corriente continua, pero el electrodo puede cargarse positiva o negativamente. En general, el ánodo cargado positivamente tendrá una mayor concentración de calor (alrededor del 60%). [3] "Tenga en cuenta que para la soldadura con electrodo revestido en general, la polaridad CC+ es la más utilizada. Produce un buen perfil de cordón con un mayor nivel de penetración. La polaridad CC− da como resultado una menor penetración y una mayor tasa de fusión del electrodo. A veces se utiliza, por ejemplo, en chapa fina en un intento de evitar la perforación". [4] "Con pocas excepciones, el electrodo positivo (polaridad invertida) da como resultado una penetración más profunda. El electrodo negativo (polaridad directa) da como resultado una fusión más rápida del electrodo y, por lo tanto, una tasa de deposición más rápida". [5] Los procesos de electrodos no consumibles, como la soldadura por arco de tungsteno con gas, pueden utilizar cualquier tipo de corriente continua (CC), así como corriente alterna (CA). Sin embargo, con la corriente continua, debido a que el electrodo solo crea el arco y no proporciona material de relleno, un electrodo cargado positivamente produce soldaduras poco profundas, mientras que un electrodo cargado negativamente produce soldaduras más profundas. [6] La corriente alterna se mueve rápidamente entre estos dos, lo que da como resultado soldaduras de penetración media. Una desventaja de la CA, el hecho de que el arco debe volver a encenderse después de cada cruce por cero, se ha abordado con la invención de unidades de potencia especiales que producen un patrón de onda cuadrada en lugar de la onda sinusoidal normal , eliminando el tiempo de bajo voltaje después de los cruces por cero y minimizando los efectos del problema. [7]
El ciclo de trabajo es una especificación del equipo de soldadura que define la cantidad de minutos, dentro de un período de 10 minutos, durante los cuales se puede utilizar de manera segura un determinado soldador de arco. Por ejemplo, un soldador de 80 A con un ciclo de trabajo del 60 % debe "descansarse" durante al menos 4 minutos después de 6 minutos de soldadura continua. [8] Si no se respetan las limitaciones del ciclo de trabajo, se podría dañar el soldador. Los soldadores de grado comercial o profesional suelen tener un ciclo de trabajo del 100 %.
Uno de los tipos más comunes de soldadura por arco es la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), que también se conoce como soldadura por arco metálico manual (MMAW) o soldadura con electrodo revestido. Se utiliza una corriente eléctrica para generar un arco entre el material base y una varilla o electrodo consumible . La varilla del electrodo está hecha de un material compatible con el material base que se está soldando y está cubierta con un fundente que emite vapores que sirven como gas protector y proporcionan una capa de escoria, los cuales protegen el área de soldadura de la contaminación atmosférica. El núcleo del electrodo en sí actúa como material de relleno, lo que hace innecesario un relleno separado. El proceso es muy versátil, requiere poca capacitación del operador y equipo económico. Sin embargo, los tiempos de soldadura son bastante lentos, ya que los electrodos consumibles deben reemplazarse con frecuencia y porque la escoria, el residuo del fundente, debe eliminarse después de la soldadura. [9] Además, el proceso generalmente se limita a la soldadura de materiales ferrosos, aunque los electrodos especiales han hecho posible la soldadura de hierro fundido , níquel , aluminio , cobre y otros metales. La versatilidad del método lo hace popular en diversas aplicaciones, incluidos trabajos de reparación y construcción. [10]
La soldadura por arco metálico con gas (GMAW), comúnmente llamada MIG (por metal/gas inerte ), es un proceso de soldadura semiautomático o automático con un alambre consumible alimentado continuamente que actúa como electrodo y metal de relleno, junto con un gas de protección inerte o semiinerte que fluye alrededor del alambre para proteger el sitio de soldadura de la contaminación. La fuente de energía de corriente continua y voltaje constante es la más comúnmente utilizada con GMAW, pero también se utilizan corrientes alternas de corriente constante. Con electrodos de relleno alimentados continuamente, GMAW ofrece velocidades de soldadura relativamente altas; sin embargo, el equipo más complicado reduce la conveniencia y versatilidad en comparación con el proceso SMAW. Originalmente desarrollado para soldar aluminio y otros materiales no ferrosos en la década de 1940, GMAW pronto se aplicó de manera económica a los aceros . Hoy en día, GMAW se usa comúnmente en industrias como la industria automotriz por su calidad, versatilidad y velocidad. Debido a la necesidad de mantener una capa estable de gas protector alrededor del sitio de soldadura, puede resultar problemático utilizar el proceso GMAW en áreas de alto movimiento de aire, como al aire libre. [11]
La soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW) es una variante de la técnica GMAW. El alambre FCAW es en realidad un tubo fino de metal lleno de materiales fundentes en polvo. A veces se utiliza un gas protector suministrado externamente, pero a menudo se depende del propio fundente para generar la protección necesaria contra la atmósfera. El proceso se utiliza ampliamente en la construcción debido a su alta velocidad de soldadura y portabilidad.
La soldadura por arco sumergido (SAW) es un proceso de soldadura de alta productividad en el que el arco se forma debajo de una capa de revestimiento de fundente granular. Esto aumenta la calidad del arco, ya que los contaminantes de la atmósfera son bloqueados por el fundente. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende sola y, combinada con el uso de una alimentación de alambre continua, la tasa de deposición de la soldadura es alta. Las condiciones de trabajo son mucho mejores que otros procesos de soldadura por arco, ya que el fundente oculta el arco y no se produce humo. El proceso se utiliza comúnmente en la industria, especialmente para productos grandes. [12] Como el arco no es visible, generalmente está automatizado. La SAW solo es posible en las posiciones 1F (filete plano), 2F (filete horizontal) y 1G (ranura plana).
La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), o soldadura de tungsteno/gas inerte (TIG), es un proceso de soldadura manual que utiliza un electrodo no consumible hecho de tungsteno , una mezcla de gas inerte o semiinerte y un material de relleno separado. Especialmente útil para soldar materiales delgados, este método se caracteriza por un arco estable y soldaduras de alta calidad, pero requiere una habilidad significativa del operador y solo se puede lograr a velocidades relativamente bajas. Se puede utilizar en casi todos los metales soldables, aunque se aplica con mayor frecuencia al acero inoxidable y a los metales ligeros. A menudo se utiliza cuando las soldaduras de calidad son extremadamente importantes, como en aplicaciones para bicicletas , aviones y marinas. [13]
Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma , también utiliza un electrodo de tungsteno pero utiliza gas de plasma para crear el arco. El arco está más concentrado que el arco GTAW, lo que hace que el control transversal sea más crítico y, por lo tanto, generalmente restringe la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método se puede utilizar en una gama más amplia de espesores de material que el proceso GTAW y es mucho más rápido. Se puede aplicar a todos los mismos materiales que GTAW excepto magnesio ; la soldadura automatizada de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma , un proceso de corte de acero eficiente. [14]
Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura con hidrógeno atómico , la soldadura con arco de carbono , la soldadura por electroescoria , la soldadura por electrogas y la soldadura por arco de perno .
Algunos materiales, en particular los aceros de alta resistencia, el aluminio y las aleaciones de titanio, son susceptibles a la fragilización por hidrógeno . Si los electrodos utilizados para soldar contienen trazas de humedad, el agua se descompone con el calor del arco y el hidrógeno liberado entra en la red del material, provocando su fragilidad. Los electrodos revestidos para estos materiales, con un revestimiento especial de bajo contenido de hidrógeno, se entregan en envases sellados a prueba de humedad. Los electrodos nuevos se pueden utilizar directamente de la lata, pero cuando se sospecha que absorben humedad, se deben secar mediante cocción (normalmente a 450 a 550 °C o 840 a 1.020 °F) en un horno de secado. El fundente utilizado también se debe mantener seco. [15]
Algunos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones a base de níquel son propensos a la corrosión intergranular . Cuando se someten a temperaturas de alrededor de 700 °C (1300 °F) durante demasiado tiempo, el cromo reacciona con el carbono del material, formando carburo de cromo y agotando los bordes cristalinos del cromo, lo que perjudica su resistencia a la corrosión en un proceso llamado sensibilización . Este acero sensibilizado sufre corrosión en las áreas cercanas a las soldaduras donde la temperatura-tiempo fue favorable para la formación del carburo. Este tipo de corrosión a menudo se denomina descomposición de la soldadura.
El ataque en línea de cuchillo (KLA) es otro tipo de corrosión que afecta a las soldaduras, y afecta a los aceros estabilizados con niobio . El niobio y el carburo de niobio se disuelven en el acero a temperaturas muy altas. En algunos regímenes de enfriamiento, el carburo de niobio no precipita y el acero se comporta como acero no estabilizado, formando en su lugar carburo de cromo. Esto afecta solo a una zona delgada de varios milímetros de ancho en las inmediaciones de la soldadura, lo que dificulta su detección y aumenta la velocidad de corrosión. Las estructuras hechas de dichos aceros deben calentarse en su totalidad a aproximadamente 1000 °C (1830 °F), cuando el carburo de cromo se disuelve y se forma carburo de niobio. La velocidad de enfriamiento después de este tratamiento no es importante. [16]
El metal de aporte (material de los electrodos) elegido incorrectamente para las condiciones ambientales también puede hacerlos sensibles a la corrosión . También existen problemas de corrosión galvánica si la composición de los electrodos es suficientemente diferente a la de los materiales soldados, o si los materiales son diferentes en sí mismos. Incluso entre diferentes grados de aceros inoxidables a base de níquel, la corrosión de las uniones soldadas puede ser grave, a pesar de que rara vez sufren corrosión galvánica cuando se unen mecánicamente. [17]
La soldadura puede ser una práctica peligrosa y poco saludable si no se toman las precauciones adecuadas; sin embargo, con el uso de nueva tecnología y la protección adecuada, los riesgos de lesiones o muerte asociados con la soldadura se pueden reducir en gran medida.
Dado que muchos procedimientos de soldadura habituales implican un arco eléctrico abierto o una llama, el riesgo de quemaduras por calor y chispas es significativo. Para evitarlas, los soldadores usan ropa protectora en forma de guantes de cuero gruesos y chaquetas protectoras de manga larga para evitar la exposición al calor extremo, las llamas y las chispas. El uso de gases comprimidos y llamas en muchos procesos de soldadura también plantea un riesgo de explosión e incendio; algunas precauciones habituales incluyen limitar la cantidad de oxígeno en el aire y mantener los materiales combustibles lejos del lugar de trabajo. [18]
La exposición al brillo de la zona de soldadura provoca una afección llamada ojo de arco, en la que la luz ultravioleta provoca inflamación de la córnea y puede quemar las retinas de los ojos. Para evitar esta exposición, se utilizan gafas y cascos de soldadura con placas frontales oscuras (mucho más oscuras que las de las gafas de sol o las gafas de oxicorte ). En los últimos años, se han producido nuevos modelos de cascos con una placa frontal que se oscurece automáticamente de forma electrónica. [19] Para proteger a los transeúntes, a menudo se colocan cortinas de soldadura transparentes alrededor de la zona de soldadura. Estas cortinas, hechas de una película de plástico de cloruro de polivinilo , protegen a los trabajadores cercanos de la exposición a la luz ultravioleta del arco eléctrico. [20]
Los soldadores también suelen estar expuestos a gases y partículas peligrosas . Los procesos como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco metálico protegido producen humo que contiene partículas de varios tipos de óxidos . El tamaño de las partículas en cuestión tiende a influir en la toxicidad de los humos, siendo las partículas más pequeñas las que presentan un mayor peligro. Además, muchos procesos producen diversos gases (los más comunes son el dióxido de carbono y el ozono , pero también otros) que pueden resultar peligrosos si la ventilación es inadecuada.
Aunque el voltaje de circuito abierto de una máquina de soldadura por arco puede ser de tan solo unas pocas decenas de voltios hasta aproximadamente 120 voltios, incluso estos voltajes bajos pueden presentar un peligro de descarga eléctrica para los operadores. Lugares como cascos de barcos, tanques de almacenamiento, acero estructural metálico o en áreas húmedas suelen estar a potencial de tierra y los operadores pueden estar de pie o descansando sobre estas superficies durante el funcionamiento del arco eléctrico. Las máquinas de soldar que funcionan con sistemas de distribución de energía de CA deben aislar el circuito de arco de la tierra para evitar que fallas de aislamiento en la máquina expongan a los operadores a alto voltaje. La abrazadera de retorno de la máquina de soldar está ubicada cerca del área de trabajo, para reducir el riesgo de que la corriente parásita viaje una gran distancia para crear peligros de calentamiento o exposición a descargas eléctricas, o para causar daños a dispositivos electrónicos sensibles. [21] Los operadores de soldadura tienen cuidado de instalar abrazaderas de retorno para que la corriente de soldadura no pueda pasar a través de los cojinetes de los motores eléctricos, rodillos transportadores u otros componentes giratorios, lo que causaría daños a los cojinetes. La soldadura en barras eléctricas conectadas a transformadores presenta el peligro de que el bajo voltaje de soldadura se "elevé" a voltajes mucho más altos, por lo que pueden requerirse cables de conexión a tierra adicionales.
Se ha descubierto que ciertas máquinas de soldar que utilizan un componente de corriente alterna de alta frecuencia afectan el funcionamiento del marcapasos cuando se encuentran a 2 metros de la unidad de potencia y a 1 metro del sitio de soldadura. [22]
Aunque los ejemplos de soldadura por forja se remontan a la Edad del Bronce y la Edad del Hierro , la soldadura por arco no se puso en práctica hasta mucho más tarde.
En 1800, Humphry Davy descubrió los arcos eléctricos pulsados cortos. [23] [24] Independientemente, un físico ruso llamado Vasily Petrov descubrió el arco eléctrico continuo en 1802 [24] [25] [26] [27] y posteriormente propuso sus posibles aplicaciones prácticas, incluida la soldadura. [28] La soldadura por arco se desarrolló por primera vez cuando Nikolai Benardos presentó la soldadura por arco de metales utilizando un electrodo de carbono en la Exposición Internacional de Electricidad, París en 1881, que fue patentada junto con Stanisław Olszewski en 1887. [29] En el mismo año, el inventor eléctrico francés Auguste de Méritens también inventó un método de soldadura por arco de carbono, patentado en 1881, que se utilizó con éxito para soldar plomo en la fabricación de baterías de plomo-ácido . [30] Los avances en la soldadura por arco continuaron con la invención de los electrodos metálicos a finales del siglo XIX por parte de un ruso, Nikolai Slavyanov (1888), y un estadounidense, CL Coffin . Alrededor de 1900, AP Strohmenger lanzó en Gran Bretaña un electrodo metálico revestido que proporcionaba un arco más estable. En 1905, el científico ruso Vladimir Mitkevich propuso el uso del arco eléctrico trifásico para la soldadura. En 1919, CJ Holslag inventó la soldadura por corriente alterna, pero no se hizo popular hasta una década después. [31]
Durante esta época también se desarrollaron procesos de soldadura competitivos, como la soldadura por resistencia y la soldadura con oxicombustible ; [32] pero ambos, especialmente el último, enfrentaron una dura competencia con la soldadura por arco, especialmente después de que se continuaran desarrollando recubrimientos metálicos (conocidos como fundente ) para el electrodo, para estabilizar el arco y proteger el material base de las impurezas. [33]
Durante la Primera Guerra Mundial , la soldadura comenzó a utilizarse en la construcción naval en Gran Bretaña en lugar de placas de acero remachadas . Los estadounidenses también se mostraron más receptivos a la nueva tecnología cuando el proceso les permitió reparar sus barcos rápidamente después de un ataque alemán en el puerto de Nueva York al comienzo de la guerra. [34] La soldadura por arco también se aplicó por primera vez a los aviones durante la guerra, y algunos fuselajes de aviones alemanes se construyeron utilizando este proceso. [35] En 1919, el constructor naval británico Cammell Laird comenzó la construcción de un barco mercante, el Fullagar , con un casco completamente soldado; [36] fue botado en 1921. [37]
Durante la década de 1920, se realizaron importantes avances en la tecnología de soldadura, incluida la introducción en 1920 de la soldadura automática en la que el alambre de electrodo se alimentaba continuamente. El gas de protección se convirtió en un tema que recibió mucha atención a medida que los científicos intentaban proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera. La porosidad y la fragilidad fueron los problemas principales y las soluciones que se desarrollaron incluyeron el uso de hidrógeno , argón y helio como atmósferas de soldadura. [38] Durante la década siguiente, otros avances permitieron la soldadura de metales reactivos como el aluminio y el magnesio . Esto, junto con los desarrollos en soldadura automática, corriente alterna y fundentes, alimentó una importante expansión de la soldadura por arco durante la década de 1930 y luego durante la Segunda Guerra Mundial . [39]
A mediados de siglo se inventaron muchos métodos de soldadura nuevos. La soldadura por arco sumergido se inventó en 1930 y sigue siendo popular en la actualidad. En 1932, un ruso, Konstantin Khrenov, implementó con éxito la primera soldadura por arco eléctrico bajo el agua . La soldadura por arco de tungsteno con gas , después de décadas de desarrollo, finalmente se perfeccionó en 1941 y la soldadura por arco metálico con gas siguió en 1948, lo que permitió una soldadura rápida de materiales no ferrosos pero requirió gases de protección costosos. Usando un electrodo consumible y una atmósfera de dióxido de carbono como gas de protección, rápidamente se convirtió en el proceso de soldadura por arco metálico más popular. En 1957, debutó el proceso de soldadura por arco con núcleo fundente en el que el electrodo de alambre autoprotegido podía usarse con equipo automático, lo que resultó en velocidades de soldadura mucho mayores. En ese mismo año, se inventó la soldadura por arco de plasma . La soldadura por electroescoria se lanzó en 1958 y fue seguida por su prima, la soldadura por electrogas , en 1961. [40]