Los gases de protección son gases inertes o semiinertes que se utilizan comúnmente en varios procesos de soldadura, en particular la soldadura por arco metálico con gas y la soldadura por arco de tungsteno con gas (GMAW y GTAW, más conocidos como MIG (Metal Inert Gas) y TIG (Tungsten Inert Gas). ), respectivamente). Su propósito es proteger el área de soldadura del oxígeno y del vapor de agua . Dependiendo de los materiales a soldar, estos gases atmosféricos pueden reducir la calidad de la soldadura o dificultarla. Otros procesos de soldadura por arco también utilizan métodos alternativos para proteger la soldadura de la atmósfera: la soldadura por arco con metal protegido , por ejemplo, utiliza un electrodo cubierto por un fundente que produce dióxido de carbono cuando se consume, un gas semiinerte que es un gas de protección aceptable. para soldar acero.
La elección inadecuada del gas de soldadura puede provocar una soldadura porosa y débil, o salpicaduras excesivas; este último, si bien no afecta a la soldadura en sí, provoca una pérdida de productividad debido a la mano de obra necesaria para eliminar las gotas dispersas.
Si se usan sin cuidado, los gases protectores pueden desplazar el oxígeno, provocando hipoxia y potencialmente la muerte. [1] [2]
Los gases protectores se dividen en dos categorías: inertes o semiinertes. Sólo dos de los gases nobles , el helio y el argón , son lo suficientemente rentables para usarse en soldadura. Estos gases inertes se utilizan en la soldadura por arco de tungsteno con gas , así como en la soldadura por arco metálico con gas para soldar metales no ferrosos . Los gases de protección semiinertes, o gases de protección activos, incluyen dióxido de carbono , oxígeno , nitrógeno e hidrógeno . Estos gases activos se utilizan con GMAW en metales ferrosos . La mayoría de estos gases, en grandes cantidades, dañarían la soldadura, pero cuando se usan en cantidades pequeñas y controladas, pueden mejorar las características de la soldadura.
Las propiedades importantes de los gases protectores son su conductividad térmica y sus propiedades de transferencia de calor, su densidad relativa al aire y la facilidad con la que se ionizan. Los gases más pesados que el aire (por ejemplo, el argón) cubren la soldadura y requieren caudales más bajos que los gases más ligeros que el aire (por ejemplo, el helio). La transferencia de calor es importante para calentar la soldadura alrededor del arco. La ionizabilidad influye en la facilidad con la que se inicia el arco y en el alto voltaje que se requiere. Los gases protectores se pueden utilizar puros o como una mezcla de dos o tres gases. [3] [4] En la soldadura láser, el gas protector tiene una función adicional, evitando la formación de una nube de plasma sobre la soldadura, absorbiendo una fracción significativa de la energía del láser. Esto es importante para los láseres de CO 2 ; Los láseres Nd:YAG muestran una menor tendencia a formar dicho plasma. El helio desempeña mejor este papel debido a su alto potencial de ionización; el gas puede absorber una gran cantidad de energía antes de ionizarse.
El argón es el gas protector más común y se utiliza ampliamente como base para mezclas de gases más especializadas. [5]
El dióxido de carbono es el gas protector más económico y proporciona una penetración profunda; sin embargo, afecta negativamente a la estabilidad del arco y mejora la tendencia del metal fundido a crear gotas (salpicaduras). [6] El dióxido de carbono en una concentración del 1-2% se usa comúnmente en la mezcla con argón para reducir la tensión superficial del metal fundido. Otra mezcla común es 25% de dióxido de carbono y 75% de argón para GMAW. [7]
El helio es más ligero que el aire; Se requieren mayores caudales. Es un gas inerte que no reacciona con los metales fundidos. Su conductividad térmica es alta. No es fácil de ionizar y requiere un voltaje más alto para iniciar el arco. Debido al mayor potencial de ionización, produce un arco más caliente a mayor voltaje y proporciona un cordón ancho y profundo; esto es una ventaja para las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre. A menudo se añaden otros gases. Para soldar acero inoxidable se pueden utilizar mezclas de helio con la adición de un 5-10% de argón y un 2-5% de dióxido de carbono ("tri-mix"). Se utiliza también para aluminio y otros metales no ferrosos, especialmente para soldaduras más gruesas. En comparación con el argón, el helio proporciona un arco más rico en energía pero menos estable. El helio y el dióxido de carbono fueron los primeros gases protectores utilizados, desde el comienzo de la Segunda Guerra Mundial. El helio se utiliza como gas protector en la soldadura láser para láseres de dióxido de carbono . [8] El helio es más caro que el argón y requiere mayores caudales, por lo que, a pesar de sus ventajas, puede no ser una opción rentable para una producción de mayor volumen. [9] El helio puro no se utiliza para el acero, ya que provoca un arco errático y favorece las salpicaduras.
El oxígeno se utiliza en pequeñas cantidades como complemento a otros gases; normalmente como una adición del 2 al 5 % al argón. Mejora la estabilidad del arco y reduce la tensión superficial del metal fundido, aumentando la humectación del metal sólido. Se utiliza para soldadura por transferencia por aspersión de aceros al carbono suaves , aceros de baja aleación y aceros inoxidables . Su presencia aumenta la cantidad de escoria.argón y oxígeno ( Ar-O 2 ) a menudo se reemplazan por mezclas de argón y dióxido de carbono. También se utilizan mezclas de argón, dióxido de carbono y oxígeno. El oxígeno provoca la oxidación de la soldadura, por lo que no es adecuado para soldar aluminio, magnesio, cobre y algunos metales exóticos. El aumento de oxígeno hace que el gas protector 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 oxígeno con 1 a 2 % de oxígeno se utilizan para acero inoxidable austenítico dondeno se puede usar argón-CO 2 debido al bajo contenido de carbono requerido en la soldadura; la soldadura tiene una capa de óxido resistente y puede requerir limpieza.
El hidrógeno se utiliza para soldar níquel y algunos aceros inoxidables, especialmente piezas más gruesas. Mejora la fluidez del metal fundido y mejora la limpieza de la superficie. Se añade al argón en cantidades normalmente inferiores al 10%. Se puede agregar a mezclas de argón y dióxido de carbono para contrarrestar los efectos oxidantes del dióxido de carbono. Su adición estrecha el arco y aumenta la temperatura del arco, lo que conduce a una mejor penetración de la soldadura. En concentraciones más altas (hasta un 25% de hidrógeno), se puede utilizar para soldar materiales conductores como el cobre. Sin embargo, no debe utilizarse sobre acero, aluminio o magnesio porque puede provocar porosidad y fragilidad por hidrógeno ; su aplicación suele limitarse únicamente a algunos aceros inoxidables.
La adición de óxido nítrico sirve para reducir la producción de ozono . También puede estabilizar el arco al soldar aluminio y acero inoxidable de alta aleación.
Se pueden utilizar otros gases para aplicaciones especiales, puros o como aditivos de mezcla; por ejemplo, hexafluoruro de azufre o diclorodifluorometano . [10]
Se puede agregar hexafluoruro de azufre al gas protector para la soldadura de aluminio para unir hidrógeno en el área de soldadura y reducir la porosidad de la soldadura. [11]
El diclorodifluorometano con argón se puede utilizar como atmósfera protectora para fundir aleaciones de aluminio y litio. [12] Reduce el contenido de hidrógeno en la soldadura de aluminio, previniendo la porosidad asociada. Este gas, sin embargo, se utiliza menos porque tiene un fuerte potencial de agotamiento de la capa de ozono .
Las aplicaciones de los gases protectores están limitadas principalmente por el costo del gas, el costo del equipo y la ubicación de la soldadura. Algunos gases protectores, como el argón, son caros, lo que limita su uso. El equipo utilizado para el suministro del gas también supone un coste añadido y, como resultado, en determinadas situaciones podrían preferirse procesos como la soldadura por arco metálico protegido, que requieren equipos menos costosos. Finalmente, debido a que los movimientos atmosféricos pueden causar la dispersión del gas de protección alrededor de la soldadura, los procesos de soldadura que requieren gases de protección a menudo solo se realizan en interiores, donde el ambiente es estable y se puede evitar eficazmente que los gases atmosféricos ingresen al área de soldadura.
La tasa deseable de flujo de gas depende principalmente de la geometría de la soldadura, la velocidad, la corriente, el tipo de gas y el modo de transferencia de metal que se utiliza. Soldar superficies planas requiere un flujo mayor que soldar materiales ranurados, ya que el gas se dispersa más rápidamente. Las velocidades de soldadura más rápidas, en general, significan que es necesario 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 el 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 cortocircuito y pulverización pulsada, aproximadamente 10 L /min (20 pies 3 / h ) son generalmente adecuados, mientras que para los modos globulares. transferencia, se prefiere alrededor de 15 L/min (30 pies 3 /h). La variación de la transferencia por aspersión normalmente requiere más debido a su mayor aporte de calor y, por lo tanto, a un baño de soldadura más grande; a lo largo de la línea de 20 a 25 L/min (40 a 50 pies 3 /h). [dieciséis]