La soldadura por arco es un proceso de soldadura que se utiliza para unir metal con metal mediante el uso de electricidad para crear suficiente calor para fundir el metal, y los metales fundidos, cuando se enfrían, dan como resultado 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 para soldadura por arco pueden suministrar corriente directa (CC) o alterna (CA) al 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. Desarrollada por primera vez a finales del siglo XIX, la soldadura por arco 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 tensión 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 manual, como la soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por arco de metal blindado, porque mantienen una corriente relativamente constante incluso cuando varía el voltaje. 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 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 usan con mayor frecuencia para procesos de soldadura automatizados, como la soldadura por arco metálico 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 cable y el material base se rectifica rápidamente mediante un gran cambio en la corriente. Por ejemplo, si el cable 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 cable se derrita, devolviéndolo a su distancia de separación original. [1] En condiciones normales de longitud de arco, una fuente de alimentación de corriente constante con un electrodo revestido funciona a aproximadamente 20 voltios. [2]
La dirección de la corriente utilizada en la soldadura por arco también juega un papel importante en la soldadura. Los procesos con electrodos consumibles, como la soldadura por arco metálico protegido y la soldadura por arco metálico con gas, generalmente utilizan corriente continua, pero el electrodo se puede cargar positiva o negativamente. En general, el ánodo cargado positivamente tendrá una mayor concentración de calor (alrededor del 60%). [3] "Tenga en cuenta que, en general, para la soldadura con electrodo revestido, la polaridad CC+ se utiliza con mayor frecuencia. 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 láminas de metal delgadas en un intento de evitar quemaduras. [4] "Con pocas excepciones, el electrodo positivo (polaridad invertida) da como resultado una penetración más profunda. El electrodo negativo (polaridad recta) da como resultado una fusión más rápida del electrodo y, por lo tanto, una tasa de deposición más rápida". [5] Los procesos con 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 causa soldaduras superficiales, mientras que un electrodo cargado negativamente hace soldaduras más profundas. [6] La corriente alterna se mueve rápidamente entre estos dos, lo que resulta en 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 solucionado 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 del cruces por cero y minimizar 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 soldador de arco determinado. Por ejemplo, una soldadora de 80 A con un ciclo de trabajo del 60% debe estar "en reposo" durante al menos 4 minutos después de 6 minutos de soldadura continua. [8] El incumplimiento de las limitaciones del ciclo de trabajo podría dañar la soldadora. Los soldadores comerciales o profesionales 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 manual por arco metálico (MMAW) o soldadura con electrodo revestido. Se utiliza una corriente eléctrica para generar un arco entre el material base y una varilla o varilla de 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 desprende vapores que sirven como gas protector y proporcionan una capa de escoria, los cuales protegen el área de soldadura de la contaminación atmosférica. . El propio núcleo del electrodo actúa como material de relleno, lo que hace innecesario un relleno separado. El proceso es muy versátil y 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 soldar 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 una serie de aplicaciones que incluyen 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 en el que un alambre consumible alimentado continuamente actúa como electrodo y metal de aportación, junto con un alambre inerte o semiautomático. Un gas protector inerte fluyó alrededor del alambre para proteger el sitio de soldadura de la contaminación. La fuente de alimentación de corriente continua y voltaje constante se usa más comúnmente con GMAW, pero también se usa corriente alterna 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. Desarrollado originalmente 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 utiliza habitualmente en industrias como la del automóvil por su calidad, versatilidad y rapidez. 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 variación de la técnica GMAW. El alambre FCAW es en realidad un tubo de metal fino lleno de materiales fundentes en polvo. A veces se utiliza un gas protector suministrado externamente, pero a menudo se confía en el 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 golpea debajo de una capa de cobertura de fundente granular. Esto aumenta la calidad del arco, ya que el fundente bloquea los contaminantes de la atmósfera. La escoria que se forma en la soldadura generalmente se desprende por sí 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 mejoran mucho con respecto a 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, normalmente está automatizado. 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 gran habilidad 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 la calidad de las soldaduras es extremadamente importante, como en aplicaciones de bicicletas , aviones y marinas. [13]
Un proceso relacionado, la soldadura por arco de plasma , también utiliza un electrodo de tungsteno pero utiliza gas plasma para formar 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 al magnesio ; La soldadura automatizada de acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma , un proceso eficiente de corte de acero. [14]
Otros procesos de soldadura por arco incluyen la soldadura por hidrógeno atómico , la soldadura por arco de carbono , la soldadura por electroescoria , la soldadura por electrogas y la soldadura por arco de pernos .
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 penetra en la red del material, provocando su fragilidad. Los electrodos revestidos para estos materiales, con un recubrimiento especial con bajo contenido de hidrógeno, se entregan en envases sellados a prueba de humedad. Se pueden usar electrodos nuevos directamente de la lata, pero cuando se sospecha absorción de humedad, deben secarse horneándolos (generalmente entre 450 y 550 °C o entre 840 y 1020 °F) en un horno de secado. El fundente utilizado también debe mantenerse seco. [15]
Algunos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones a base de níquel son propensos a la corrosión intergranular . Cuando se somete 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, perjudicando su resistencia a la corrosión en un proceso llamado sensibilización . Dicho acero sensibilizado sufre corrosión en las áreas cercanas a las soldaduras donde la temperatura-tiempo fue favorable para formar el carburo. Este tipo de corrosión a menudo se denomina deterioro de la soldadura.
El ataque Knifeline (KLA) es otro tipo de corrosión que afecta a las soldaduras, afectando a los aceros estabilizados con niobio . El niobio y el carburo de niobio se disuelven en 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 sólo a una zona delgada de varios milímetros de ancho en las proximidades de la soldadura, lo que dificulta su detección y aumenta la velocidad de corrosión. Las estructuras hechas de tales aceros deben calentarse en su conjunto 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. [dieciséis]
El metal de aporte (material del electrodo) elegido incorrectamente para las condiciones ambientales puede hacerlos también sensibles a la corrosión . También existen problemas de corrosión galvánica si la composición del electrodo es suficientemente diferente a los materiales soldados, o si los materiales mismos son diferentes. 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 sin 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 considerablemente.
Debido a que muchos procedimientos de soldadura comunes implican un arco eléctrico abierto o una llama, el riesgo de quemaduras por calor y chispas es significativo. Para prevenirlos, 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, llamas y chispas. El uso de gases comprimidos y llamas en muchos procesos de soldadura también supone un riesgo de explosión e incendio; Algunas precauciones comunes incluyen limitar la cantidad de oxígeno en el aire y mantener materiales combustibles alejados del lugar de trabajo. [18]
La exposición al brillo del área 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 usan gafas de soldar y cascos con placas faciales oscuras, mucho más oscuras que las de las gafas de sol o las gafas para oxicorte . En los últimos años se han producido nuevos modelos de cascos con una placa frontal que se oscurece automáticamente y electrónicamente. [19] Para proteger a los transeúntes, a menudo se utilizan cortinas de soldadura transparentes que rodean el área de soldadura. Estas cortinas, hechas de una película plástica 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 peligrosos y partículas . Procesos como la soldadura por arco con núcleo fundente y la soldadura por arco con metal 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 (más comúnmente dióxido de carbono y ozono , pero también otros) que pueden resultar peligrosos si la ventilación es inadecuada.
Si bien el voltaje de circuito abierto de una máquina de soldadura por arco puede ser de sólo 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, estructuras metálicas de acero o áreas húmedas suelen tener potencial de tierra y los operadores pueden estar parados o descansando sobre estas superficies durante la operación 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 y cree riesgos de calentamiento o exposición a descargas eléctricas, o que cause 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, los rodillos transportadores u otros componentes giratorios, lo que podría causar daños a los cojinetes. La soldadura en barras eléctricas conectadas a transformadores presenta el peligro de que el bajo voltaje de soldadura "aumente" a voltajes mucho más altos, por lo que es posible que se requieran 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 lugar de soldadura. [22]
Si bien 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 de pulsaciones cortas. [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 de París en 1881, que fue patentada junto con Stanisław Olszewski en 1887. [29] En el mismo año, los franceses El inventor eléctrico 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 de metal revestido que daba un arco más estable. En 1905, el científico ruso Vladimir Mitkevich propuso el uso de arco eléctrico trifásico para soldar. En 1919, CJ Holslag inventó la soldadura por corriente alterna, pero no se hizo popular hasta dentro de una década. [31]
Durante este tiempo 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 de la soldadura por arco, especialmente después de que se continuaron desarrollando recubrimientos metálicos (conocidos como fundente ) para el electrodo, para estabilizar el arco y proteger el material base de 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 aceptaron mejor 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 inició la construcción de un barco mercante, el Fullagar , con un casco enteramente soldado; [36] fue botado en 1921. [37]
Durante la década de 1920, se lograron avances importantes en la tecnología de soldadura, incluida la introducción en 1920 de la soldadura automática en la que el alambre del electrodo se alimentaba continuamente. El gas de protección se convirtió en un tema que recibió mucha atención cuando los científicos intentaron proteger las soldaduras de los efectos del oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera. La porosidad y la fragilidad fueron los principales problemas y las soluciones que se desarrollaron incluyeron el uso de hidrógeno , argón y helio como atmósferas de soldadura. [38] Durante la década siguiente, nuevos avances permitieron la soldadura de metales reactivos como el aluminio y el magnesio . Esto, junto con los avances en la soldadura automática, la corriente alterna y los fundentes, alimentaron 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 nuevos de soldadura. La soldadura por arco sumergido se inventó en 1930 y sigue siendo popular en la actualidad. En 1932, el ruso Konstantin Khrenov implementó con éxito la primera soldadura por arco eléctrico submarina . 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 costosos gases de protección. Utilizando un electrodo consumible y una atmósfera de dióxido de carbono como gas protector, 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 equipos automáticos, lo que daba como resultado velocidades de soldadura considerablemente mayores. 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]