La soldadura por arco metálico protegido ( SMAW ), también conocida como soldadura manual por arco metálico ( MMA o MMAW ), soldadura por arco blindado con fundente [1] o informalmente como soldadura con electrodo revestido , es un proceso de soldadura por arco manual que utiliza un electrodo consumible cubierto con un fundente para colocar la soldadura.
Se utiliza una corriente eléctrica , en forma de corriente alterna o corriente continua de una fuente de alimentación de soldadura , para formar un arco eléctrico entre el electrodo y los metales que se van a unir . La pieza de trabajo y el electrodo se funden formando un charco de metal fundido ( charco de soldadura ) que se enfría para formar una unión. A medida que se realiza la soldadura, el recubrimiento fundente del electrodo se desintegra, emitiendo vapores que sirven como gas protector y proporcionando una capa de escoria , los cuales protegen el área de soldadura de la contaminación atmosférica.
Debido a la versatilidad del proceso y la simplicidad de su equipo y operación, la soldadura por arco metálico protegido es uno de los primeros y más populares procesos de soldadura del mundo. Domina otros procesos de soldadura en la industria de mantenimiento y reparación, y aunque la soldadura por arco con núcleo fundente está ganando popularidad, SMAW continúa utilizándose ampliamente en la construcción de estructuras de acero pesadas y en la fabricación industrial. El proceso se utiliza principalmente para soldar hierro y aceros (incluido el acero inoxidable ), pero también se pueden soldar con este método aleaciones de aluminio , níquel y cobre . [2]
Tras el descubrimiento del arco eléctrico de pulsación corta en 1800 por Humphry Davy [3] [4] y del arco eléctrico continuo en 1802 por Vasily Petrov , [4] [5] hubo poco desarrollo en la soldadura eléctrica hasta que Auguste de Méritens desarrolló un soplete de arco de carbón que fue patentado en 1881. [1]
En 1885, Nikolay Benardos y Stanisław Olszewski desarrollaron la soldadura por arco de carbono , [6] obteniendo patentes estadounidenses de 1887 que mostraban un rudimentario portaelectrodos. En 1888, Nikolay Slavyanov inventó el electrodo de metal consumible . Más tarde, en 1890, CL Coffin recibió la patente estadounidense 428.459 por su método de soldadura por arco que utilizaba un electrodo metálico. El proceso, al igual que SMAW, depositaba metal de electrodo derretido en la soldadura como relleno. [7]
Alrededor de 1900, Arthur Percy Strohmenger y Oscar Kjellberg lanzaron los primeros electrodos revestidos. Strohmenger utilizó un revestimiento de arcilla y cal para estabilizar el arco, mientras que Kjellberg sumergió alambre de hierro en mezclas de carbonatos y silicatos para recubrir el electrodo. [8] En 1912, Strohmenger lanzó un electrodo fuertemente recubierto, pero el alto costo y los complejos métodos de producción impidieron que estos primeros electrodos ganaran popularidad. En 1927, el desarrollo de un proceso de extrusión redujo el costo de los electrodos de recubrimiento y al mismo tiempo permitió a los fabricantes producir mezclas de recubrimiento más complejas diseñadas para aplicaciones específicas. En la década de 1950, los fabricantes introdujeron polvo de hierro en el revestimiento fundente, lo que permitió aumentar la velocidad de soldadura. [9]
En 1945, Karl Kristian Masden describió una variación automatizada de SMAW, ahora conocida como soldadura por gravedad. [10] Ganó popularidad brevemente en la década de 1960 después de recibir publicidad por su uso en los astilleros japoneses , aunque hoy en día sus aplicaciones son limitadas. Otra variación poco utilizada del proceso, conocida como soldadura de petardo , fue desarrollada casi al mismo tiempo por George Hafergut en Austria . [11] En 1964 se desarrolló la soldadura láser en el Laboratorio Bell con la intención de utilizar esta tecnología como herramienta de comunicación. Debido a la gran fuerza de energía junto con la pequeña área de enfoque, este láser se convirtió en una poderosa fuente de calor para corte y mecanizado. [12]
Para iniciar el arco eléctrico, el electrodo se pone en contacto con la pieza de trabajo mediante un toque muy ligero del electrodo sobre el metal base. Luego se retira ligeramente el electrodo. Esto inicia el arco y por lo tanto la fusión de la pieza de trabajo y el electrodo consumible, y hace que las gotas del electrodo pasen desde el electrodo al baño de soldadura . Generar un arco, que varía ampliamente según la composición del electrodo y la pieza de trabajo, puede ser la habilidad más difícil para los principiantes. La orientación del electrodo respecto a la pieza de trabajo es donde la mayoría tropieza; Si el electrodo se sostiene en un ángulo perpendicular a la pieza de trabajo, es probable que la punta se adhiera al metal, lo que fusionará el electrodo a la pieza de trabajo y provocará que se caliente muy rápidamente. La punta del electrodo debe estar en un ángulo más bajo con respecto a la pieza de trabajo, lo que permite que el baño de soldadura fluya fuera del arco. A medida que el electrodo se funde, la cubierta de fundente se desintegra, emitiendo gases protectores que protegen el área de soldadura del oxígeno y otros gases atmosféricos . Además, el fundente proporciona escoria fundida que cubre el relleno a medida que viaja desde el electrodo hasta el baño de soldadura. Una vez que forma parte del baño de soldadura, la escoria flota hacia la superficie y protege la soldadura de la contaminación a medida que se solidifica. Una vez endurecido, se debe quitar para revelar la soldadura terminada. A medida que avanza la soldadura y el electrodo se derrite, el soldador debe detener periódicamente la soldadura para retirar el trozo de electrodo restante e insertar un nuevo electrodo en el portaelectrodo. Esta actividad, combinada con la eliminación de la escoria, reduce la cantidad de tiempo que el soldador puede dedicar a colocar la soldadura, lo que convierte a SMAW en uno de los procesos de soldadura menos eficientes. En general, el factor del operador, o el porcentaje del tiempo que el operador dedica a soldar, es aproximadamente del 25%. [13]
La técnica de soldadura real utilizada depende del electrodo, la composición de la pieza de trabajo y la posición de la unión que se está soldando. La elección del electrodo y la posición de soldadura también determinan la velocidad de soldadura. Las soldaduras planas requieren la menor habilidad del operador y se pueden realizar con electrodos que se funden rápidamente pero se solidifican lentamente. Esto permite mayores velocidades de soldadura. [ cita necesaria ]
La soldadura inclinada, vertical o invertida requiere más habilidad del operador y, a menudo, requiere el uso de un electrodo que se solidifica rápidamente para evitar que el metal fundido fluya fuera del baño de soldadura. Sin embargo, esto generalmente significa que el electrodo se funde menos rápidamente, aumentando así el tiempo necesario para realizar la soldadura. [14]
Los problemas de calidad más comunes asociados con SMAW incluyen salpicaduras de soldadura, porosidad, fusión deficiente, penetración superficial y grietas. [ cita necesaria ]
Las salpicaduras de soldadura, si bien no afectan la integridad de la soldadura, dañan su apariencia y aumentan los costos de limpieza. A menudo se requieren servicios de acabado secundario debido a la apariencia estética causada por la aparición de salpicaduras fundidas. [15] Puede ser causado por una corriente excesivamente alta, un arco largo o un golpe de arco , una condición asociada con la corriente continua caracterizada por el arco eléctrico que se desvía del baño de soldadura por fuerzas magnéticas. El golpe de arco también puede causar porosidad en la soldadura, al igual que la contaminación de las juntas, la alta velocidad de soldadura y un arco de soldadura largo, especialmente cuando se utilizan electrodos con bajo contenido de hidrógeno. [dieciséis]
Los defectos en la resistencia de la soldadura hacen que las soldaduras sean propensas a agrietarse. La porosidad del cordón de soldadura puede causar un debilitamiento grave y, a menudo, sólo es detectable mediante métodos de prueba avanzados no destructivos . La porosidad ocurre cuando los gases producidos por el fundente de soldadura no protegen suficientemente el metal de soldadura fundido. Un cordón de soldadura sobreexpuesto absorbe nitrógeno, oxígeno e hidrógeno de la atmósfera; Estos gases forman pequeños huecos en el cordón de soldadura y se liberan mientras la soldadura se enfría. Una fusión deficiente también afecta la resistencia de la soldadura y, a menudo, es fácilmente visible. Esto es causado por baja corriente, superficies de unión contaminadas o el uso de un electrodo inadecuado. [ cita necesaria ] Las soldaduras superficiales son más débiles y pueden mitigarse disminuyendo la velocidad de soldadura, aumentando la corriente o usando un electrodo más pequeño.
Otros factores en la propensión al craqueo incluyen un alto contenido de carbono, aleación o azufre en el material base, especialmente si no se emplean electrodos con bajo contenido de hidrógeno ni precalentamiento. Además, las piezas de trabajo no deben estar excesivamente constreñidas, ya que esto introduce tensiones residuales en las piezas de trabajo (y específicamente en la soldadura) a medida que se expanden y contraen debido al calentamiento y enfriamiento. A medida que la soldadura se enfría y se contrae, esta tensión residual puede provocar grietas en la soldadura. [17]
La soldadura SMAW, al igual que otros métodos de soldadura, puede ser una práctica peligrosa y poco saludable si no se toman las precauciones adecuadas. El proceso utiliza un arco eléctrico abierto, lo que presenta un riesgo de quemaduras que se evitan con equipo de protección personal en forma de guantes de cuero gruesos y chaquetas de manga larga. Además, el brillo del área de soldadura puede provocar una afección llamada ojo de arco o quemadura repentina, en la que la luz ultravioleta provoca inflamación de la córnea y puede quemar las retinas de los ojos. Se usan cascos de soldadura con placas faciales oscuras para evitar esta exposición y, en los últimos años, se han producido nuevos modelos de cascos que cuentan con una placa frontal que se oscurece automáticamente al exponerse a altas cantidades de luz ultravioleta. Para proteger a los transeúntes, especialmente en entornos industriales, las cortinas de soldadura translúcidas suelen rodear 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, pero no deben usarse para reemplazar el filtro de vidrio que se usa en los cascos. [18]
Además, el metal vaporizado y los materiales fundentes exponen a los soldadores a gases peligrosos y partículas . El humo producido contiene partículas de diversos 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, se pueden formar gases como el dióxido de carbono y el ozono , que pueden resultar peligrosos si la ventilación es inadecuada. Algunas de las últimas máscaras de soldadura están equipadas con un ventilador eléctrico para ayudar a dispersar los vapores nocivos. [19]
La soldadura por arco metálico protegido es uno de los procesos de soldadura más populares del mundo y representa más de la mitad de todas las soldaduras en algunos países. Debido a su versatilidad y simplicidad, es particularmente dominante en la industria de mantenimiento y reparación, y se usa mucho en la construcción de estructuras de acero y en la fabricación industrial. En los últimos años, su uso ha disminuido a medida que la soldadura por arco con núcleo fundente se ha expandido en la industria de la construcción y la soldadura por arco metálico con gas se ha vuelto más popular en entornos industriales. Sin embargo, debido al bajo costo del equipo y su amplia aplicabilidad, el proceso probablemente seguirá siendo popular, especialmente entre los aficionados y las pequeñas empresas donde los procesos de soldadura especializados son antieconómicos e innecesarios. [20]
SMAW se utiliza a menudo para soldar acero al carbono , acero de baja y alta aleación , acero inoxidable, hierro fundido y hierro dúctil . Aunque es menos popular para materiales no ferrosos , se puede utilizar en níquel y cobre y sus aleaciones y, en casos raros, en aluminio. El espesor del material que se está soldando está limitado en el extremo inferior principalmente por la habilidad del soldador, pero rara vez cae por debajo de 1,5 mm (0,06 pulgadas). No existe ningún límite superior: con una preparación adecuada de las juntas y el uso de múltiples pasadas, se pueden unir materiales de espesores prácticamente ilimitados. Además, dependiendo del electrodo utilizado y de la habilidad del soldador, SMAW se puede utilizar en cualquier posición. [21]
El equipo de soldadura por arco metálico blindado generalmente consta de una fuente de alimentación de soldadura de corriente constante y un electrodo, con un portaelectrodo, una abrazadera de tierra y cables de soldadura (también conocidos como cables de soldadura) que conectan los dos. [22]
La fuente de alimentación utilizada en SMAW tiene una salida de corriente constante, lo que garantiza que la corriente (y por lo tanto el calor) permanezca relativamente constante, incluso si la distancia del arco y el voltaje cambian. Esto es importante porque la mayoría de las aplicaciones de SMAW son manuales y requieren que un operador sostenga la antorcha. Mantener una distancia de arco adecuadamente estable es difícil si en su lugar se utiliza una fuente de energía de voltaje constante, ya que puede causar variaciones dramáticas de calor y dificultar la soldadura. Sin embargo, debido a que la corriente no se mantiene absolutamente constante, los soldadores expertos que realizan soldaduras complicadas pueden variar la longitud del arco para provocar fluctuaciones menores en la corriente. [23]
La polaridad preferida del sistema SMAW depende principalmente del electrodo que se utiliza y de las propiedades deseadas de la soldadura. La corriente directa con un electrodo cargado negativamente (DCEN) hace que se acumule calor en el material base, [24] aumentando la velocidad de fusión del electrodo y disminuyendo la profundidad de la soldadura. Invertir la polaridad para que el electrodo esté cargado positivamente (DCEP) y la pieza de trabajo esté cargada negativamente aumenta la penetración de la soldadura. Con la corriente alterna, la polaridad cambia más de 100 veces por segundo, creando una distribución uniforme del calor y proporcionando un equilibrio entre la velocidad de fusión y la penetración del electrodo. [25]
Normalmente, el equipo utilizado para SMAW consta de un transformador reductor y para los modelos de corriente continua un rectificador , que convierte la corriente alterna en corriente continua. Debido a que la energía que normalmente se suministra a la máquina de soldar es corriente alterna de alto voltaje, el transformador de soldadura se utiliza para reducir el voltaje y aumentar la corriente. Como resultado, en lugar de 220 V a 50 A , por ejemplo, la potencia suministrada por el transformador es de alrededor de 17 a 45 V con corrientes de hasta 600 A. Se pueden utilizar varios tipos diferentes de transformadores para producir este efecto, incluidos máquinas de bobina múltiple e inversor , cada una de las cuales utiliza un método diferente para manipular la corriente de soldadura. El tipo de bobina múltiple ajusta la corriente variando el número de vueltas de la bobina (en transformadores tipo derivación) o variando la distancia entre las bobinas primaria y secundaria (en transformadores de bobina móvil o de núcleo móvil). Los inversores, que son más pequeños y, por tanto, más portátiles, utilizan componentes electrónicos para cambiar las características actuales. [26]
Los generadores y alternadores eléctricos se utilizan con frecuencia como fuentes de alimentación portátiles para soldadura, pero debido a su menor eficiencia y mayores costos, se utilizan con menos frecuencia en la industria. El mantenimiento también tiende a ser más difícil debido a las complejidades de utilizar un motor de combustión como fuente de energía. Sin embargo, en cierto sentido son más simples: el uso de un rectificador separado es innecesario porque pueden proporcionar CA o CC. [27] Sin embargo, las unidades impulsadas por motor son más prácticas en el trabajo de campo donde la soldadura a menudo debe realizarse al aire libre y en lugares donde los soldadores de tipo transformador no son utilizables porque no hay una fuente de energía disponible para transformar. [ cita necesaria ]
En algunas unidades, el alternador es esencialmente el mismo que el utilizado en los grupos electrógenos portátiles utilizados para suministrar energía a la red eléctrica, modificado para producir una corriente más alta a un voltaje más bajo pero aún a la frecuencia de la red de 50 o 60 Hz. En unidades de mayor calidad se utiliza un alternador con más polos y suministra corriente a una frecuencia más alta, como 400 Hz. La menor cantidad de tiempo que la forma de onda de alta frecuencia pasa cerca de cero hace que sea mucho más fácil generar y mantener un arco estable que con los conjuntos de frecuencia de red más baratos o las unidades alimentadas por red de frecuencia de red. [ cita necesaria ]
La elección del electrodo para SMAW depende de varios factores, incluido el material de soldadura, la posición de soldadura y las propiedades de soldadura deseadas. El electrodo está recubierto con una mezcla de metales llamada fundente, que emite gases a medida que se descompone para evitar la contaminación de la soldadura, introduce desoxidantes para purificar la soldadura, provoca la formación de escoria protectora de la soldadura, mejora la estabilidad del arco y proporciona elementos de aleación para mejorar la calidad de soldadura. [28] Los electrodos se pueden dividir en tres grupos: los diseñados para fundirse rápidamente se denominan electrodos de "llenado rápido", los diseñados para solidificarse rápidamente se denominan electrodos de "congelación rápida" y los electrodos intermedios reciben el nombre de "congelación rápida". " o electrodos de "seguimiento rápido". Los electrodos de llenado rápido están diseñados para fundirse rápidamente de modo que se pueda maximizar la velocidad de soldadura, mientras que los electrodos de congelación rápida suministran metal de aportación que se solidifica rápidamente, lo que hace posible la soldadura en una variedad de posiciones al evitar que el baño de soldadura se desplace significativamente antes de solidificarse. [29]
La composición del núcleo del electrodo es generalmente similar y a veces idéntica a la del material base. Pero aunque existen varias opciones factibles, una ligera diferencia en la composición de la aleación puede afectar fuertemente las propiedades de la soldadura resultante. Esto es especialmente cierto en el caso de aceros aleados como los aceros HSLA . Asimismo, a menudo se utilizan electrodos de composiciones similares a las de los materiales base para soldar materiales no ferrosos como el aluminio y el cobre. [30] Sin embargo, a veces es deseable utilizar electrodos con materiales de núcleo significativamente diferentes del material base. Por ejemplo, los electrodos de acero inoxidable se utilizan a veces para soldar dos piezas de acero al carbono y, a menudo, se utilizan para soldar piezas de trabajo de acero inoxidable con piezas de trabajo de acero al carbono. [31]
Los recubrimientos de electrodos pueden consistir en varios compuestos diferentes, incluidos rutilo , fluoruro de calcio , celulosa y polvo de hierro. Los electrodos de rutilo, recubiertos con 25%–45% de TiO 2 , se caracterizan por su facilidad de uso y buena apariencia de la soldadura resultante. Sin embargo, crean soldaduras con un alto contenido de hidrógeno, lo que favorece la fragilidad y el agrietamiento. Los electrodos que contienen fluoruro de calcio (CaF 2 ), a veces conocidos como electrodos básicos o de bajo contenido de hidrógeno, son higroscópicos y deben almacenarse en condiciones secas. Producen soldaduras fuertes, pero con una superficie de unión rugosa y de forma convexa. Los electrodos recubiertos con celulosa, especialmente cuando se combinan con rutilo, proporcionan una penetración profunda en la soldadura, pero debido a su alto contenido de humedad, se deben utilizar procedimientos especiales para evitar un riesgo excesivo de agrietamiento. Finalmente, el polvo de hierro es un aditivo de recubrimiento común que aumenta la velocidad a la que el electrodo llena la junta soldada, hasta dos veces más rápido. [32]
Para identificar diferentes electrodos, la Sociedad Estadounidense de Soldadura estableció un sistema que asigna a los electrodos un número de cuatro o cinco dígitos. Los electrodos revestidos fabricados en acero dulce o de baja aleación llevan el prefijo E , seguido de su número. Los primeros dos o tres dígitos del número especifican la resistencia a la tracción del metal de soldadura, en mil libras por pulgada cuadrada (ksi). El penúltimo dígito generalmente identifica las posiciones de soldadura permitidas con el electrodo, generalmente usando los valores 1 (normalmente electrodos de congelación rápida, lo que implica soldadura en todas las posiciones) y 2 (normalmente electrodos de llenado rápido, lo que implica soldadura horizontal únicamente). La corriente de soldadura y el tipo de recubrimiento del electrodo se indican mediante los dos últimos dígitos juntos. Cuando corresponde, se utiliza un sufijo para indicar el elemento de aleación aportado por el electrodo. [33]
Los electrodos comunes incluyen el E6010, un electrodo de congelación rápida para todas las posiciones con una resistencia a la tracción mínima de 60 ksi (410 MPa ) que funciona con DCEP y proporciona una penetración de soldadura profunda con un arco contundente capaz de quemar óxido u óxidos ligeros. en la pieza de trabajo. E6011 es similar excepto que su recubrimiento fundente permite su uso con corriente alterna además de DCEP. E7024 es un electrodo de llenado rápido que se utiliza principalmente para realizar soldaduras de filete planas u horizontales utilizando AC, DCEN o DCEP. Ejemplos de electrodos de congelación y llenado son el E6012, E6013 y E7014, todos los cuales proporcionan un compromiso entre velocidades de soldadura rápidas y soldadura en todas las posiciones. [34]
Aunque SMAW es casi exclusivamente un proceso de soldadura por arco manual, existe una variación notable del proceso, conocida como soldadura por gravedad o soldadura por arco por gravedad. Sirve como una versión automatizada del proceso tradicional de soldadura por arco metálico protegido, empleando un portaelectrodos unido a una barra inclinada a lo largo de la soldadura. Una vez iniciado, el proceso continúa hasta que se agota el electrodo, lo que permite al operador gestionar múltiples sistemas de soldadura por gravedad. Los electrodos empleados (a menudo E6027 o E7024) están recubiertos en gran medida con fundente y suelen tener 71 cm (28 pulgadas) de largo y aproximadamente 6,35 mm (0,25 pulgadas) de espesor. Al igual que en el SMAW manual, se utiliza una fuente de alimentación de soldadura de corriente constante, ya sea con corriente continua de polaridad negativa o con corriente alterna. Debido al aumento en el uso de procesos de soldadura semiautomáticos, como la soldadura por arco con núcleo fundente, la popularidad de la soldadura por gravedad ha disminuido ya que su ventaja económica sobre tales métodos suele ser mínima. Otros métodos relacionados con SMAW que se utilizan aún con menos frecuencia incluyen la soldadura con petardo, un método automático para realizar soldaduras a tope y en filete, y la soldadura masiva con electrodos, un proceso para soldar componentes o estructuras grandes que pueden depositar hasta 27 kg (60 lb) de Metal de soldadura por hora. [11]
