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 conocidas como MIG (Metal Inert Gas) y TIG (Tungsten Inert Gas), respectivamente). Su propósito es proteger el área de soldadura del oxígeno y el vapor de agua . Dependiendo de los materiales que se suelden, estos gases atmosféricos pueden reducir la calidad de la soldadura o dificultar la soldadura. Otros procesos de soldadura por arco también utilizan métodos alternativos para proteger la soldadura de la atmósfera: la soldadura por arco metálico con protección , por ejemplo, utiliza un electrodo cubierto de 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 incorrecta del gas de soldadura puede dar lugar a una soldadura porosa y débil o a salpicaduras excesivas; esto último, si bien no afecta a la soldadura en sí, causa pérdida de productividad debido a la mano de obra necesaria para eliminar las gotas dispersas.
Si se utilizan sin cuidado, los gases protectores pueden desplazar el oxígeno, provocando hipoxia y potencialmente la muerte. [1] [2]
Los gases de protección se dividen en dos categorías: inertes o semiinertes. Solo dos de los gases nobles , el helio y el argón , son lo suficientemente rentables como para usarse en soldadura. Estos gases inertes se utilizan en la soldadura por arco de tungsteno con gas y también en la soldadura por arco metálico con gas para la soldadura de 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 de protección son su conductividad térmica y propiedades de transferencia de calor, su densidad relativa al aire y la facilidad con la que experimentan ionización. Los gases más pesados que el aire (por ejemplo, el argón) cubren la soldadura y requieren velocidades de flujo más bajas 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 de protección se pueden utilizar puros o como una mezcla de dos o tres gases. [3] [4] En la soldadura láser, el gas de protección tiene un papel adicional, ya que evita la formación de una nube de plasma sobre la soldadura y absorbe una fracción significativa de la energía del láser. Esto es importante para los láseres de CO2 ; los láseres Nd:YAG muestran una menor tendencia a formar dicho plasma. El helio desempeña mejor esta función debido a su alto potencial de ionización; el gas puede absorber una gran cantidad de energía antes de ionizarse.
El argón es el gas de protección más común, ampliamente utilizado como base para las mezclas de gases más especializadas. [5]
El dióxido de carbono es el gas de protección más económico y proporciona una penetración profunda; sin embargo, afecta negativamente la estabilidad del arco y aumenta la tendencia del metal fundido a crear gotas (salpicaduras). [6] El dióxido de carbono en una concentración del 1-2% se utiliza 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, por lo que 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, por lo que se requiere un voltaje más alto para iniciar el arco. Debido a su mayor potencial de ionización, produce un arco más caliente a un voltaje más alto 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. 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") para soldar acero inoxidable. También se utiliza 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 de protección utilizados desde el comienzo de la Segunda Guerra Mundial. El helio se utiliza como gas de protección 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 fomenta las salpicaduras.
El oxígeno se utiliza en pequeñas cantidades como adición a otros gases; típicamente como una adición de 2-5% al argón. Mejora la estabilidad del arco y reduce la tensión superficial del metal fundido, aumentando la humectación del metal sólido. Se utiliza para la soldadura por transferencia por pulverización de aceros al carbono suaves , de baja aleación y aceros inoxidables . Su presencia aumenta la cantidad de escoria. Las mezclas de argón-oxígeno ( Ar-O2 ) a menudo se reemplazan por mezclas de argón-dióxido de carbono. También se utilizan mezclas de argón-dióxido de carbono-oxígeno. El oxígeno causa 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 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 usa en aplicaciones para las que no está prescrito, puede provocar fragilidad en la zona afectada por el calor. Se utilizan mezclas de argón y oxígeno con 1–2 % de oxígeno para acero inoxidable austenítico dondeno se puede usar argón-CO2 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 típicamente inferiores al 10%. Se puede añadir 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 se debe utilizar en acero, aluminio o magnesio porque puede causar porosidad y fragilización por hidrógeno ; su aplicación suele limitarse solo 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 mezclados; por ejemplo, hexafluoruro de azufre o diclorodifluorometano . [10]
Se puede agregar hexafluoruro de azufre al gas de protección para la soldadura de aluminio para unir el 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 la fusión de aleaciones de aluminio y litio. [12] Reduce el contenido de hidrógeno en la soldadura de aluminio, evitando la porosidad asociada. Sin embargo, este gas se utiliza menos porque tiene un fuerte potencial de agotamiento de la capa de ozono .
Las aplicaciones de los gases de protección están limitadas principalmente por el coste del gas, el coste del equipo y la ubicación de la soldadura. Algunos gases de protección, 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 pueden ser preferibles procesos como la soldadura por arco metálico protegido, que requieren un equipo menos costoso. Por último, debido a que los movimientos atmosféricos pueden provocar la dispersión del gas de protección alrededor de la soldadura, los procesos de soldadura que requieren gases de protección suelen realizarse únicamente en interiores, donde el entorno es estable y se puede evitar eficazmente que los gases atmosféricos entren en la zona 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 utilice. La soldadura de superficies planas requiere un flujo mayor 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 necesita suministrar más gas para proporcionar una cobertura adecuada. Además, una corriente más alta requiere un flujo mayor y, en general, se requiere más helio para proporcionar una cobertura adecuada que 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 pulsada y de cortocircuito, generalmente es adecuado alrededor de 10 L /min (20 ft 3 / h ), mientras que para la transferencia globular, se prefiere alrededor de 15 L/min (30 ft 3 /h). La variación de transferencia por pulverización normalmente requiere más debido a su mayor entrada de calor y, por lo tanto, un baño de soldadura más grande; en líneas de 20–25 L/min (40–50 ft 3 /h). [16]