La soldadura por arco de plasma ( PAW ) es un proceso de soldadura por arco similar a la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). El arco eléctrico se forma entre un electrodo (que normalmente, aunque no siempre, está hecho de tungsteno sinterizado ) y la pieza de trabajo. La diferencia clave con respecto a la GTAW es que en la PAW, el electrodo se coloca dentro del cuerpo del soplete, por lo que el arco de plasma está separado de la envoltura de gas protector . Luego, el plasma se fuerza a través de una boquilla de cobre de calibre fino que contrae el arco y el plasma sale del orificio a altas velocidades (que se acercan a la velocidad del sonido) y a una temperatura cercana a los 28 000 °C (50 000 °F) o superior.
El plasma de arco es un estado temporal de un gas. El gas se ioniza mediante la corriente eléctrica que pasa a través de él y se convierte en un conductor de electricidad. En estado ionizado, los átomos se descomponen en electrones (−) y cationes (+) y el sistema contiene una mezcla de iones, electrones y átomos altamente excitados. El grado de ionización puede estar entre el 1% y más del 100% (es posible con grados de ionización dobles y triples). Estos estados existen a medida que se extraen más electrones de sus órbitas.
La energía del chorro de plasma y, por lo tanto, la temperatura dependen de la potencia eléctrica empleada para crear el plasma de arco. Un valor típico de temperatura obtenido en un soplete de chorro de plasma es del orden de 28.000 °C (50.400 °F), en comparación con los 5.500 °C (9.930 °F) que se obtienen con un arco de soldadura eléctrico convencional. Todos los arcos de soldadura son plasmas (parcialmente ionizados), pero el de la soldadura por arco de plasma es un plasma de arco restringido.
Así como los sopletes de oxicorte se pueden utilizar para soldar o cortar, también lo hacen los sopletes de plasma .
La soldadura por arco de plasma es un proceso de soldadura por arco en el que se produce coalescencia mediante el calor obtenido de una configuración de arco restringido entre un electrodo de tungsteno/aleación de tungsteno y la boquilla enfriada por agua (restrictiva) (arco no transferido) o entre un electrodo de tungsteno/aleación de tungsteno y la pieza de trabajo (arco transferido). El proceso emplea dos gases inertes, uno forma el plasma del arco y el segundo lo protege. Se puede agregar o no metal de relleno.
El proceso de soldadura y corte por arco de plasma fue inventado por Robert M. Gage en 1953 y patentado en 1957. El proceso era único porque podía lograr cortes y soldaduras de precisión tanto en metales finos como gruesos. También era capaz de recubrir con pulverización metales endurecidos sobre otros metales. Un ejemplo fue el recubrimiento con pulverización de las palas de la turbina del cohete Saturno con destino a la Luna. [1]
La soldadura por arco de plasma es una forma avanzada de soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG). En el caso de TIG, se trata de un arco abierto protegido por argón o helio , mientras que el plasma utiliza un soplete especial en el que se utiliza una boquilla para estrechar el arco mientras que el gas de protección se suministra por separado mediante el soplete. El arco se estrecha con la ayuda de una boquilla de diámetro pequeño refrigerada por agua que comprime el arco, aumenta su presión, temperatura y calor intensamente y, por lo tanto, mejora la estabilidad del arco, la forma del arco y las características de transferencia de calor.
Los arcos de plasma se forman utilizando gas en dos formas: laminar (baja presión y bajo flujo) y turbulento (alta presión y alto flujo).
Los gases utilizados son argón, helio, hidrógeno o una mezcla de ellos. En el caso de la soldadura por plasma, se utiliza flujo laminar (baja presión y bajo caudal de gas de plasma) para garantizar que el metal fundido no salga expulsado de la zona de soldadura.
El arco no transferido (arco piloto) se emplea durante la soldadura por plasma para iniciar el proceso de soldadura. El arco se forma entre el electrodo (-) y la boquilla de constricción refrigerada por agua (+). Un arco no transferido se inicia utilizando una unidad de alta frecuencia en el circuito. Después del arranque inicial de alta frecuencia, el arco piloto (baja corriente) se forma entre los electrodos empleando una corriente baja. Después de que se forma el arco principal, la boquilla es neutra o, en el caso de la malla de soldadura con microplasma, puede haber una opción para tener un arco piloto continuo. Un arco transferido posee alta densidad de energía y velocidad del chorro de plasma. Dependiendo de la corriente utilizada y el flujo de gas, puede emplearse para cortar y fundir metales.
El microplasma utiliza una corriente de entre 0,1 y 10 amperios y se utiliza para láminas, fuelles y láminas finas. Se trata de un proceso autógeno y normalmente no utiliza alambre de relleno ni polvo.
El plasma medio utiliza una corriente de entre 10 y 100 amperios y se utiliza para la soldadura de placas de mayor espesor con alambre de relleno o placas autógenas de hasta 6 mm (0,24 pulgadas) y deposición de metal (revestimiento duro) utilizando antorchas especializadas y alimentadores de polvo (PTA) que utilizan polvos metálicos.
El plasma de alta corriente superior a 100 amperios se utiliza con soldaduras de alambres de relleno a altas velocidades de desplazamiento.
Otras aplicaciones del plasma son el corte por plasma, el calentamiento, la deposición de películas de diamante (Kurihara et al. 1989), el procesamiento de materiales, la metalurgia (producción de metales y cerámicas), la pulverización de plasma y el corte bajo el agua.
Los equipos necesarios para la soldadura por arco de plasma junto con sus funciones son los siguientes:
Los parámetros de soldadura típicos para la soldadura por arco de plasma son los siguientes:
Corriente de 50 a 350 amperios, voltaje de 27 a 31 voltios, caudales de gas de 2 a 40 litros/minuto (rango inferior para gas de orificio y rango superior para gas de protección exterior), el electrodo de corriente continua negativo (DCEN) se emplea normalmente para soldadura por arco de plasma, excepto para la soldadura de aluminio, en cuyos casos el electrodo refrigerado por agua es preferible para soldadura de polaridad inversa, es decir, electrodo de corriente continua positivo (DCEP).
Para el corte se puede utilizar una mezcla de argón e hidrógeno (10-30%) o de nitrógeno. El hidrógeno, debido a su disociación en forma atómica y posterior recombinación, genera temperaturas superiores a las que se alcanzan utilizando argón o helio solos. Además, el hidrógeno proporciona una atmósfera reductora, que ayuda a prevenir la oxidación de la soldadura y sus alrededores. Se debe tener cuidado, ya que la difusión del hidrógeno en el metal puede provocar la fragilización de algunos metales y aceros.
La técnica de limpieza de la pieza de trabajo y la adición de metal de aporte es similar a la de la soldadura TIG . El metal de aporte se agrega en el borde delantero del baño de soldadura. No se requiere metal de aporte para realizar una soldadura de pasada de raíz.
Tipos de juntas : Para soldar piezas de trabajo de hasta 25 mm de espesor, se emplean juntas como a tope cuadrado, en J o en V. La soldadura por plasma se utiliza para realizar soldaduras de tipo cerradura y sin cerradura.
Realizar una soldadura sin orificio de cerradura : el proceso puede realizar soldaduras sin orificio de cerradura en piezas de trabajo que tengan un espesor de 2,4 mm o menos.
Realizar soldaduras de ojo de cerradura : una característica destacada de la soldadura por arco de plasma, debido al excepcional poder de penetración del chorro de plasma, es su capacidad para producir soldaduras de ojo de cerradura en piezas de trabajo que tienen un espesor de 2,5 mm a 25 mm. Se logra un efecto de ojo de cerradura mediante la selección correcta de la corriente, el diámetro del orificio de la boquilla y la velocidad de desplazamiento, que crean un chorro de plasma potente para penetrar completamente a través de la pieza de trabajo. El chorro de plasma en ningún caso debe expulsar el metal fundido de la junta. Las principales ventajas de la técnica de ojo de cerradura son la capacidad de penetrar rápidamente a través de secciones de raíz relativamente gruesas y producir un cordón inferior uniforme sin respaldo mecánico. Además, la relación entre la profundidad de penetración y el ancho de la soldadura es mucho mayor, lo que da como resultado una soldadura más estrecha y una zona afectada por el calor. A medida que avanza la soldadura, el metal base delante del ojo de cerradura se funde, fluye alrededor del mismo y se solidifica y forma el cordón de soldadura. El efecto de ojo de cerradura facilita la penetración profunda a velocidades más rápidas y produce un cordón de alta calidad. Al soldar piezas más gruesas, en la colocación de elementos distintos a la raíz y utilizando metal de aporte, la fuerza del chorro de plasma se reduce controlando adecuadamente la cantidad de gas de orificio.
La soldadura por arco de plasma es un avance con respecto al proceso GTAW. Este proceso utiliza un electrodo de tungsteno no consumible y un arco constreñido a través de una boquilla de cobre de calibre fino. La PAW se puede utilizar para unir todos los metales que se pueden soldar con GTAW (es decir, la mayoría de los metales y aleaciones comerciales). Entre los metales difíciles de soldar con PAW se incluyen el bronce, el hierro fundido, el plomo y el magnesio. Se pueden realizar varias variaciones básicas del proceso PAW variando la corriente, el caudal de gas de plasma y el diámetro del orificio, entre ellas:
En PAW se utilizan al menos dos flujos de gas separados (y posiblemente tres):
Estos gases pueden ser todos iguales o de diferente composición.
Dependiendo del diseño de la antorcha (por ejemplo, diámetro del orificio), el diseño del electrodo, el tipo de gas y las velocidades y los niveles de corriente, se pueden lograr varias variaciones del proceso de plasma, que incluyen:
Cuando se utiliza para cortar, el flujo de gas de plasma se incrementa de modo que el chorro de plasma de penetración profunda corta a través del material y el material fundido se elimina como escoria de corte. El PAC se diferencia del corte con oxicombustible en que el proceso de plasma funciona utilizando el arco para fundir el metal, mientras que en el proceso con oxicombustible, el oxígeno oxida el metal y el calor de la reacción exotérmica funde el metal. A diferencia del corte con oxicombustible, el proceso PAC se puede aplicar para cortar metales que forman óxidos refractarios, como acero inoxidable, hierro fundido, aluminio y otras aleaciones no ferrosas. Desde que Praxair Inc. introdujo el PAC en la exposición de la American Welding Society en 1954, se han producido muchos refinamientos de procesos, desarrollos de gases y mejoras de equipos.
Soldadura por microplasma
Soldadura por pulverización de arco